KMI15系列集成转速传感器的原理与应用

摘要：集成转速传感器具有灵敏度高、测量范围宽、抗干扰能力强、外围电路简单等优点，是传统的分立式转速传感器的升级换代产品。文中介绍了KMI15系列磁阻式集成转速传感器的工作原理与典型应用。 关键词：转速传感器；磁阻；电磁干扰滤波器；KMI15 转速属于常规电测参数。测量转速时经常采用磁阻式传感器或光电式传感器进行非接触性测量，传统的磁阻式传感器是由磁钢、线圈等分立元件构成的，亦可用耳塞机改装而成。但这种传感器存在一些缺点：第一，灵敏度低，传感器与转动齿轮的最大间隙（亦称磁感应距离）只有零点几毫米；第二，在测量高速旋转物体的转速时，因安装不牢固或受机械振动，容易与齿轮发生碰撞，安全性较差；第三，这种传感器所产生的是幅度很低且变化缓慢的模拟电压信号，因此，需要经过放大、整形后变成沿口陡直的数字频率信号，才能送给数字转速仪或数字频率计测量转速，而且外围电路比较复杂；第四，它无法测量非常低（接近于零）的转速，因为这时磁阻式传感器可能检测不到转速信号。 目前，转速传感器正朝着高灵敏度、 高可靠性和全集成化的方向发展，典型产品有飞利浦（Ｐｈｉｌｉｐｓ）公司生产的ＫＭＩ１５系列磁阻式集成转速传感器。该传感器性能优良，安全性好，稳定性强，是分立式转速传感器理想的升级换代产品。ＫＭＩ１５系列包括ＫＭＩ１５－１、ＫＭＩ１５－２、ＫＭＩ１５－４等型号，它们的工作原理相同，仅性能指标略有差异。下面就以ＫＭＩ１５－１为例来介绍该系列集成转速传感器的工作原理与具体应用方法。 １　ＫＭＩ１５－１型传感器的性能特点 ＫＭＩ１５－１芯片内含高性能磁钢、磁敏电阻传感器和ＩＣ。它利用ＩＣ来完成信号变换功能，其输出的电流信号频率与被测转速成正比，电流信号的变化幅度为７ｍＡ～１４ｍＡ。由于其外围电路比较简单，因而很容易配二次仪表测量转速。 ＫＭＩ１５－１器件的测量范围宽，灵敏度高，它的齿轮转动频率范围是０～２５ｋＨｚ，而且即使在转动频率接近于零时，它也能够进行测量。传感器与齿轮的最大磁感应距离为２．９ｍｍ（典型值），由于与齿轮相距较远，因此使用比较安全。 该传感器抗干扰能力强，同时具有方向性，它对轴向振动不敏感。另外，芯片内部还有电磁干扰（ＥＭＩ）滤波器、电压控制器以及恒流源，从而保证了其工作特性不受外界因素的影响。 ＫＭＩ１５－１的体积较小，其最大外形尺寸为８%26;#215;６%26;#215;２１ｍｍ，能可靠固定在齿轮附近。 ＫＭＩ１５采用＋１２Ｖ电源供电（典型值），最高不超过１６Ｖ。工作温度范围宽达－４０～＋８５℃。 图2 图3 ２　工作原理 ＫＭＩ１５－１型集成转速传感器的外形如图１所示，它的两个引脚分别为ＵＣＣ（接＋１２Ｖ电源端）和Ｕ－（方波电流信号输出端）。为使ＩＣ处于较低的环境温度中，设计时专门将ＩＣ与传感元件分开，以改善传感器的高温工作性能。 该传感器的简化电路如图２所示。其内部主要包括以下六部分： （１）磁敏电阻传感器； （２）前置放大器Ａ１； （３）施密特触发器； （４）开关控制式电流源； （５）恒流源； （６）电压控制器。实际上，该传感器是由４只磁敏电阻构成的一个桥路，可固定在靠近齿轮的地方，其测量原理如图３所示。 当齿轮沿Ｙ轴方向转动时，由于气隙处的磁力线发生变化，磁路中的磁阻也随之改变，从而可在传感器上产生电信号。此外，该传感器具有很强的方向性，它对沿Ｙ轴转动的物体十分敏感，而对沿Ｚ轴方向的振动或抖动量很不敏感。这正是测量转速所需要的。 工作时，传感器产生的电信号首先通过ＥＭＩ滤波器滤除高频电磁干扰，然后经过前置放大器，再利用施密特触发器进行整形以获得控制信号ＵＫ，并将其加到开关控制式电流源的控制端。ＫＭＩ１５－１的输出电流信号ＩＣＣ是由两个电流叠加而成的，一个是由恒流源提供的７ｍＡ恒定电流ＩＨ，另一个是由开关控制式电流源输出的可变电流ＩＫ。它们之间的关系式为： ＩＣＣ＝ＩＨ＋ＩＫ　　　 当控制信号ＵＫ＝０（低电平）时，该电流源关断，ＩＫ＝０，ＩＣＣ＝ＩＨ＝７ｍＡ。当ＵＫ＝１（高电平）时，电流源被接通，ＩＫ＝７ｍＡ，从而使得ＩＣＣ＝１４ｍＡ。图４给出了从Ｕ－端输出的方波电流信号的波形，其高电平持续时间为ｔ１，周期为Ｔ。输出波形的占空比Ｄ＝ｔ１／Ｔ＝５０％%26;#177;２０％。上升时间和下降时间分别仅为０．５μｓ和０．７μｓ。 ＫＭＩ１５芯片中的电压控制器实际上是一个并联调整式稳压器，可用于为传感器提供稳定的工作电压ＵＣ。而电阻Ｒ３、稳压管ＶＤＺ和晶体管ＶＴ１则可构成取样电路，其中ＶＴ１接成射极跟随器。Ａ２为误差放大器，ＶＴ２为并联式调整管。这样，ＩＨ在经过Ｒ１、Ｒ２分压后可给Ａ２提供基准电压ＵＲＥＦ，从而在ＵＣＣ发生变化时，由Ａ２对取样电压与基准电压进行比较后产生误差电压Ｕｒ，同时通过改变ＶＴ２上的电流来使ＵＣ保持不变。 ３　ＫＭＩ１５－１的典型应用 ３．１ 安装方法 ＫＭＩ１５－１应当安装在转动齿轮的旁边。若被测转动工件上没有齿轮，亦可在转盘外缘处钻一个小孔，套上螺扣，再拧上一个螺杆并用弹簧垫圈压紧，以防止受震动后松动，并以此代替齿尖获得转速标记信号。 ３．２ 典型应用电路 ＫＭＩ１５－１型集成转速传感器的典型应用电路如图５（ａ）所示。工作时，转速传感器输出方波电流信号，从而在负载电阻ＲＬ与负载电容ＣＬ上形成电压频率信号ＵＯ（ｆ），并送至二次仪表。通常取ＲＬ＝１１５Ω、ＣＬ＝０．１μＦ。需要指出：ＫＭＩ１５－１输出的是齿轮转动频率ｆ（单位是Ｈｚ，即次／ｓ）信号，欲得到转速ｎ（ｒ／ｍｉｎ），还应将ｆ除以齿轮上的齿数Ｎ，并将时间单位改成分钟，公式如下： ｎ＝６０ｆ／Ｎ　　　 图５（ｂ）所示电路是由二极管ＶＤ、稳压管ＶＤＺ和电容Ｃ１构成的静电放电（ＥＳＤ）保护电路，该电路可吸收２ｋＶ的ＥＳＤ电压，因而可对芯片起到保护作用。此外，还需注意，在存放ＫＭＩ１５系列产品时，不要将多个芯片放在一起以防磁化。