摘要：介紹了一種基于磁敏電阻元件的磁阻式接近開關(guān),，設(shè)計(jì)了其信號處理電路,，并將其應(yīng)用于鐵磁性齒輪的轉(zhuǎn)速測量。該接近開關(guān)利用磁阻效應(yīng)原理制成,，具有結(jié)構(gòu)簡單,，成本低廉，靈敏度高的優(yōu)點(diǎn),。對不同徑向間距下接近開關(guān)的差程值進(jìn)行測量,，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在3～7 mm的檢測距離內(nèi),，該磁阻式接近開關(guān)工作性能穩(wěn)定,，動態(tài)特性良好，抗干擾能力強(qiáng),，且工作頻率范圍較寬,，能適應(yīng)高速和低速的齒輪轉(zhuǎn)速變化，可替代傳統(tǒng)的磁電式和霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器,，用于鐵磁性齒輪的轉(zhuǎn)速測量,。
關(guān)鍵詞：接近開關(guān),；轉(zhuǎn)速；傳感器,；磁阻
0 引言
接近開關(guān)是一種電子開關(guān)量傳感器,，主要功能是完成對位置的檢測，將被測物體的位置量轉(zhuǎn)換成開關(guān)量電信號輸出,，具有防水,、防油污、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),，已廣泛用于定位,、計(jì)數(shù)和控制等應(yīng)用中。傳統(tǒng)的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器,，輸出信號的幅值受轉(zhuǎn)速和氣隙影響,，當(dāng)氣隙一定時，轉(zhuǎn)速越高,，幅值越大,；轉(zhuǎn)速一定時，氣隙越小,，幅值越大,，不易實(shí)現(xiàn)低速測量，且信號處理復(fù)雜,。磁阻式接近開關(guān)可用于齒輪轉(zhuǎn)速測量,，輸出信號大小不受齒輪轉(zhuǎn)速的影響，且成本低,、重量輕,，替代傳統(tǒng)的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器和霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。
1 磁阻式接近開關(guān)工作原理
磁阻式接近開關(guān)核心部件為InSb磁敏電阻,，基本原理是基于磁阻效應(yīng),。磁敏電阻由引腳、磁阻元件MR1和MR2,、永磁體,、絕緣基片、金屬外殼組成,，結(jié)構(gòu)及等效電路如圖1所示,。
當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)速為零時，兩磁阻元件阻值大概相等,，磁敏電阻中點(diǎn)輸出電壓為電源電壓值的1／2,。永磁體提供的偏置磁場，提高磁敏電阻靈敏度,，使磁阻元件工作特性移到電阻一磁場變化曲線的線性范圍之內(nèi),，使磁敏電阻不僅對磁鐵敏感,，而且對鐵磁性物體也非常敏感。當(dāng)齒輪齒尖對準(zhǔn)MR1時,，齒根對準(zhǔn)MR2,，永磁體的磁場分布發(fā)生變化，通過MR1的磁感線增多,，通過MR2的磁感線減少,，即MR1的阻值增大而MR2的阻值減小。當(dāng)齒輪齒尖對準(zhǔn)MR2時,，齒根對準(zhǔn)MR1,，此時MR2的阻值增大而MR1的阻值減小。因此齒輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動,，將引起磁阻元件MR1和MR2的阻值發(fā)生周期性變化,，磁阻元件中點(diǎn)就會輸出以電源電壓的1／2為基準(zhǔn)電壓做微小變化的周期性電壓。若設(shè)輸出信號頻率,、轉(zhuǎn)速和齒輪數(shù)分別為f，n(r／min)和Z,，則f=nZ／60,。由此，當(dāng)齒輪齒數(shù)一定時,，輸出信號的頻率只與齒輪轉(zhuǎn)速有關(guān),。經(jīng)過后級的信號處理電路進(jìn)行電壓放大，然后輸入到電壓比較級電路,，就可得到與齒輪轉(zhuǎn)速對應(yīng)的周期性變化的方波信號,，根據(jù)輸出波形的頻率可計(jì)算出齒輪轉(zhuǎn)速。
2 信號處理電路
磁阻式接近開關(guān)電路由信號采集,、信號放大,、比較級和驅(qū)動級四部分構(gòu)成，如圖2所示,。磁敏電阻采用三端式可以克服環(huán)境溫度變化引起的溫漂問題,，穩(wěn)定低頻輸出電壓。電壓跟隨器可以提高輸入電阻,，減小輸出電阻,，達(dá)到阻抗匹配的目的，減少對磁敏電阻的影響,。放大電路采用直接耦合反相濾波放大,，既可以放大直流信號和交流信號，又能濾除高頻噪聲,。反相輸入比較器保證接近開關(guān)動態(tài)響應(yīng)速度快,，差程小,，靈敏度高。驅(qū)動電路采用達(dá)林頓連接方式提高接近開關(guān)的帶負(fù)載能力,。
3 結(jié)果分析
由于接近開關(guān)的差程是接近開關(guān)重要的技術(shù)指標(biāo),，決定了接近開關(guān)動作性能的優(yōu)劣，因此對不同徑向間距下磁阻式接近開關(guān)的差程進(jìn)行了測量,，結(jié)果如圖3所示,。
由圖3可以看出，徑向間距3～7 mm內(nèi),，接近開關(guān)的差程大致基本相等,，說明接近開關(guān)動態(tài)性能穩(wěn)定，開關(guān)特性良好,。當(dāng)徑向間距大于7 mm時,，差程變大，接近開關(guān)動態(tài)性能變差,，這是由于外界環(huán)境的干擾影響造成接近開關(guān)穩(wěn)定性變差,。考慮到實(shí)際的工作環(huán)境和距離需要等因素,，接近開關(guān)取徑向距離為3～7 mm,。研究結(jié)果表明，環(huán)境溫度在-30～+80℃內(nèi)變化時,，接近開關(guān)都能夠正常工作,，輸出比較工整的脈沖波形，在0～5 kHz的工作頻率范圍內(nèi),，工作可靠,，性能穩(wěn)定。
4 結(jié)語
磁阻式接近開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單,、成本低廉,、靈敏度高，可用于鐵磁性齒輪轉(zhuǎn)速測量,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,，檢測距離3～7 mm內(nèi)，動態(tài)特性良好,，性能穩(wěn)定,，可靠性高，輸出電壓和工作頻率范圍能滿足工作需要,。其性能穩(wěn)定,，抗干擾能力強(qiáng)，能在惡劣環(huán)境下工作，替代傳統(tǒng)的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器,。