CN101034091A

CN101034091A - 巨磁传感器及巨磁传感器测速机构

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Publication number: CN101034091A
Application number: CN 200710048467
Authority: CN
Inventors: 朱名日; 蒋存波; 李华
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2027-02-09
Also published as: CN100514069C

Abstract

本巨磁传感器的基板上固定4或6组巨磁电阻，每组有4～24条巨磁电阻，前后半部的各组巨磁电阻一端分别互联为输入端；前半各组依次与后半各组的各巨磁电阻的另一端相联后为输出端。本巨磁传感器测速机构包括上述巨磁传感器，磁鼓、微处理器电路模块。磁鼓转轴与待测物体驱动连接。巨磁传感器距磁鼓一侧0.05～0.15mm固定，巨磁传感器经放大电路接入微处理器电路模块。磁鼓与待测物体同步旋转，其周边的磁场更迭，巨磁传感器阻值随之变化，信号送入微处理器得旋转运动体的速度。微处理器根据信号频率自动选择细分倍率，能适应1～5000转/分的不同速度检测，且分辨率高于3.6×10^－5弧度，抗干扰能力强、抗冲击强度高、可在恶劣环境下正常工作。

Description

巨磁传感器及巨磁传感器测速机构

(一)技术领域

本发明涉及测速技术领域，具体为一种巨磁传感器，及使用此种巨磁传感器制作的非接触式旋转运动测速机构。

(二)技术背景

巨磁电阻(Giant Magneto Resistive)简称为GMR，是集磁性薄膜，半导体集成及纳米技术为一体的高新技术产品，GMR在磁场作用下电阻效应大，一般巨磁电阻变化的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁阻数值约高十余倍。因此以GMR制作的传感器和光电等传感器相比，具有分辨率高、可靠性强、低速静态检测，响应快，检测距离远、频带宽、功耗小、体积小、能工作于恶劣环境等优点，近年来受人瞩目，已问世的有GMR电流传感器、GMR位移传感器等。若将现有的GMR位移传感器用于旋转测速机构，一方面其分辨率不够高，另外不能辨别转动方向，固目前尚未有专用于旋转测速机构的适当的巨磁传感器。

在科研、生产活动中经常需要对机械设备运行状态进行控制和调节，为此就需要各种类型旋转运动的测速机构，比如，测速发电机、光栅编码器、机械传动指针式转速测量仪、磁脉冲或光脉冲式转速测试仪，AMR磁性编码器等。这些测速装置有接触式也有非接触式，各有其优缺点。就最常用的测速发电机、光栅编码器、AMR磁性编码器三者比较而言，测速发电机低速、高速特性均不好。光栅编码器克服了测速发电机的缺点，但耐候性差，易受潮湿、长霉斑，因而影响精度。各向异性磁阻AMR(Anisotropic MagnetoResistive)磁性编码器能工作于恶劣环境，但美中不足的是AMR磁性编码器的分辨率不高，目前国际上利用传统AMR材料制作的磁传感器，其磁场分辨率指标为40微高斯，故其磁鼓的磁极不得过窄，即有限的条件下，磁极对数不能太多。这样，在相同尺度条件下AMR磁性编码器就不如光栅编码器输出的脉冲数多，即精度较其低。

GMR材料比AMR材料磁电阻变化率大，灵敏度高，故研究人员目前正研发采用巨磁传感器的、满足环境条件恶劣的场合使用的、高精度高分辨率的巨磁测速机构。

(三)发明内容

本发明的目的是设计一种专用于旋转测速机构的巨磁传感器，其分辨率高，且能辨别转动方向。

本发明的另一目的是设计一种使用本发明设计的巨磁传感器的巨磁测速机构，用于在线同步跟踪被检测物体的旋转速度。

本发明设计的巨磁传感器包括绝缘基板和巨磁电阻，在基板平面上平行固定N组巨磁电阻栅条，N＝4、或6，每组有n条长3mm～5mm、宽0.015mm～0.03mm的巨磁电阻，n为4～24的整数，栅条中心距为0.1mm～0.5mm，每组栅条的宽度为2.5mm～10.0mm。每个巨磁电阻的阻值为500Ω～1000Ω。将N组巨磁电阻栅条分为前后两部分N₁和N₂，4组时第1、2组为N₁部分、第3、4组为N₂部分，6组时第1、2、3组为N₁部分、第4、5、6组为N₂部分；N₁部分的各组的各个巨磁电阻栅条的一端相互联接、为该传感器的输入端a，N₂部分的各组的各个巨磁电阻栅条的一端相互联接、为该传感器的输入端b；N₁部分各组依次与N₂部分各组的各条巨磁电阻栅条的另一端相联后为传感器的输出端；即，4组时N₁部分的第1、2组分别与N₂部分的第3、4组的各个巨磁电阻栅条的另一端相联为传感器输出端A和输出端B，6组时N₁部分的第1、2、3组依次分别与N₂部分的第4、5、6组的各个巨磁电阻栅条的另一端相联为传感器输出端A、B、C。

传感器输入端接直流电源，输出端输出变化的电压接放大电路。本发明设计的巨磁传感器测速机构，包括巨磁传感器、磁鼓、微处理器电路模块，其巨磁传感器为上述本发明的巨磁传感器，磁鼓直径为28mm～35mm，径向交错均匀分布800对～1600对磁极。磁鼓转轴经磁吸力联轴器与待测物体的旋转轴驱动连接，旋转机械能量通过磁吸力连轴器传递给磁鼓。巨磁传感器固定于磁鼓一侧，其巨磁电阻栅条与磁鼓轴线平行，巨磁传感器与磁鼓表面的距离为0.05mm～0.15mm。巨磁传感器与放大电路连接，放大电路接入微处理器电路模块。

本发明的巨磁传感器测速机构同步检测转速的具体步骤如下：

(1)信号获取，待测物体旋转时，磁鼓同步旋转，磁鼓周边的磁场的磁通极性不断更迭，能敏感出纳特级磁场变化的巨磁传感器的各组巨磁磁电阻值也随之变化；当磁鼓旋转方向不同时，磁场变化的方向不同，巨磁传感器的各组巨磁电阻受磁场作用的相位顺序不同，据此可确定旋转方向。

(2)信号转换，巨磁电阻将捕捉到的磁通变化脉冲信号转换成电脉冲信号送入放大电路，经放大整形成方波脉冲信号；

(3)信号处理，将步骤(2)所得方波脉冲信号传输到微处理器电路模块，对信号进行数字化处理后输出计数脉冲、正反转状态脉冲及细分倍数脉冲；微处理器电路模块经过细分处理后可获得精确的旋转运动体的速度变化量，最高可达8000细分；为了适应有较宽速度变化的旋转运动体检测，微处理器电路模块根据其输出信号频率的高低自动的改变细分倍率。即当输出信号频率高于容许输出值20×10⁶Hz时，自动改变细分倍率，避免了因细分倍率增加而频率响应下降，实现了智能化检测旋转运动体的转速变化。

本发明巨磁传感器的优点为检测精度高，可靠性强，特别适合用于旋转测速机构使用，可确定旋转方向。

本发明巨磁测速机构的优点为：1、微处理器电路模块根据信号频率的高低自动选择细分倍率，既能适应每分钟仅一转的超低速旋转运动的速度检测，又能适应每分钟5000转高速的连续变化的旋转运动速度检测，且分辨率高于3.6×10^-5弧度，克服了传统的光栅编码器和AMR磁栅编码器无法满足同精度等级下高低速运动物体转速检测精度要求的问题；2、抗干扰能力强、抗冲击强度高、可在恶劣环境下正常工作；3、体积小、性价比高、安装调试方便、实用。

(四)附图说明

图1为本发明巨磁传感器实施例结构示意图；

图2为本发明巨磁测速机构实施例的电路框图；

图3为本发明巨磁测速机构实施例的结构示意图。

图中：1.密封圈，2.底座，3.磁鼓转轴，4.固定支架，5.巨磁传感器6.放大电路板，7.外壳，8、微处理器电路板，9.磁鼓，10..插座，11.磁悬浮轴承，12.磁吸力联轴器

(五)具体实施方式

本发明巨磁传感器实施例具体结构如图1所示，包括绝缘基板和巨磁电阻，基板平面上平行固定4组巨磁电阻栅条，每组有4条长5.000mm、宽0.015mm、栅条中心距为0.125mm的巨磁电阻，每组宽度为0.39mm，4组的总宽度为2.5mm。每个巨磁电阻的阻值为500Ω，基板为石英玻璃、或陶瓷材料。第1、2组巨磁电阻栅条为N₁部分、第3、4组为N₂部分，N₁部分的第1、2组的各个巨磁电阻栅条的一端相互联接、为该传感器的输入端a，N₂部分的3、4组的各个巨磁电阻栅条的一端相互联接、为该传感器的输入端b；N₁部分的第1组与N₂部分的第3组的各个巨磁电阻栅条的另一端相联为传感器输出端A，N₁部分的第2组与N₂部分的第4组的各个巨磁电阻栅条的另一端相联为传感器输出端B。

本发明巨磁测速机构实施例的电路结构如图2所示，包括巨磁传感器、磁鼓、微处理器电路模块，巨磁传感器与磁鼓表面的距离为0.1mm，感应旋转磁鼓的磁场变化，巨磁传感器连接放大电路，放大电路接入微处理器电路模块。其巨磁传感器为上述本发明的巨磁传感器。磁鼓直径为32mm，800对磁极在圆周上交错均匀分布。

本发明巨磁测速机构为便于使用，各组件组装于外壳6内，如图3所示。底座2上嵌装磁悬浮轴承11，磁鼓转轴3经磁悬浮轴承11垂直安装于底座2，由底座2支撑，处于外壳6内腔底部，磁悬浮轴承11使磁鼓8高速运动而无摩擦。磁鼓转轴3底端经位于底座2底部的磁吸力联轴器12与待测物体的旋转轴驱动连接。底座2上固装支架4，巨磁传感器5固定于支架4上、位于磁鼓8一侧，其巨磁电阻栅条与磁鼓8轴线平行，巨磁传感器5与磁鼓8表面的间隙为0.1mm。放大电路的电路板与巨磁传感器5贴装成一体，放大电路输出端接入微处理器电路模块输入端，微处理器电路模块电路板7固定于外壳6内腔、磁鼓8上方。微处理器电路模块内含有压控锁相环电路。当微处理器的输出信号频率高于容许输出值20×10⁶Hz时，微处理器发送信号到压控锁相环电路，自动改变细分倍率，保持输出信号频率低于20×10⁶Hz。经微处理器电路模块进行信号处理后，输出计数脉冲、正反转状态脉冲及细分倍数脉冲。外壳6罩在各组件外，外壳6底部与底座2连接。外壳6与底座2之间可有直插卡口，外壳6下插二者即可连接，装卸方便。微处理器电路模块的输出端有接插件9接输出插座10，输出插座10固定于外壳6一侧，用相配合的插头即可引出输出信号。输出插座9为航空插座，与相配合的航空插头连接，以保证连接可靠稳定。

所述磁鼓8磁介入媒质为钕铁硼(NdFeB)材料，剩余磁感应强度为0.5×10³至50×10³高斯。磁鼓8旋转一周计数脉冲信号最高频率达20×10⁶Hz。

所述微处理器电路模块可采用复杂可编程逻辑器件，即CPLD模块。

底座2上有固定孔，可将本测速机构与待测旋转物体的壳体端面固定连接，底座2底面嵌装有密封圈1，底座2与被测物壳体端面密封连接，避免尘埃油污进入本测速机构外壳6内。

使用时将本测速机构底座2与被测物壳体端面连接，磁吸力联轴器12将被测物机械能量传递给磁鼓转轴3，磁鼓8与被测物一起同步转动。磁传感器5得到的磁场变化脉冲，经放大电路处理后送入微处理器电路模块，输出脉冲信号电压副值最高5V，有正反转脉冲信号，磁鼓8旋转一周计数脉冲信号最高频率达20×10⁶Hz。微处理器跟踪被测物转速自动选择细分倍率，可适应最低转速1转/每分钟，也适应5000转/每分钟的场合使用，分辨率高于3.6×10^-5弧度。本测速机构主要用于实现自动化生产线上转速精确的测量，并与控制机构相配合。

下表所示为本测速机构对不同转速的测速结果。

转速(转/分)	测速结果分辨率(秒)			平均分辨率值(秒)	误差％
	测速结果分辨率(秒)					第一次	第一次	第一次
	1	1.67×10^-1	1.61×10^-2			第一次	第一次	第一次	1.65×10^-2	1.64×10^-2	1.23
10	1	1.67×10^-1	1.61×10^-2	1.62×10^-1	1.63×10^-1	1.61×10^-1	1.62×10^-1	0	1.65×10^-2	1.64×10^-2	1.23
10	200	1.62	1.61	1.62×10^-1	1.63×10^-1	1.61×10^-1	1.62×10^-1	0	1.63	1.62	0
1000	200	1.62	1.61	16.36	16.24	16.36	16.32	0.74	1.63	1.62	0
1000	3000	16.16	16.12	16.36	16.24	16.36	16.32	0.74	16.24	16.17	0.19
5000	3000	16.16	16.12	16.20	16.22	16.22	16.22	0.12	16.24	16.17	0.19

由此表可见，在低转速情况，即转速仅为1转/分时，本测速机构的平均分辨率达到1.64×10^-2秒，在高转速情况，即转速达5000转/分时，本测速机构的平均分辨率达到16.22秒。本测速机构适用的转速范围宽，反应灵敏，精度高。

Claims

1一种巨磁传感器，包括绝缘基板和巨磁电阻，其特征在于：

基板平面上平行固定N组巨磁电阻栅条，N＝4、或6，每组有n条长3mm～5mm、宽0.015mm～0.03mm、栅条中心距为0.1mm～0.5mm的巨磁电阻，n为4～24的整数，每组栅条的宽度为2.5mm～10.0mm，每个巨磁电阻的阻值为500Ω～1000Ω；N组巨磁电阻栅条分为前后两部分N₁和N₂，N₁部分的各组的各个巨磁电阻栅条的一端相互联接、为该传感器的输入端A，N₂部分的各组的各个巨磁电阻栅条的一端相互联接、为该传感器的输入端B；N₁部分的各组依次与N₂部分的各组的各个巨磁电阻栅条的另一端相联后为传感器的输出端；传感器输入端接直流电源，输出端输出变化的电压。

2、一种巨磁测速机构，包括巨磁传感器、磁鼓、微处理器电路模块，其特征在于：

所述巨磁传感器为绝缘基板平面上平行固定N组巨磁电阻栅条，N＝4、或6，每组有n条长3mm～5mm、宽0.015mm～0.03mm、栅条中心距为0.1mm～0.5mm的巨磁电阻，n为4～24的整数，每组栅条的宽度为2.5mm～10.0mm，每个巨磁电阻的阻值为500Ω～1000Ω；N组巨磁电阻栅条分为前后两部分N₁和N₂，N₁部分的各组的各个巨磁电阻栅条的一端相互联接、为该传感器的输入端a，N₂部分的各组的各个巨磁电阻栅条的一端相互联接、为该传感器的输入端b；N₁部分的各组依次与N₂部分的各组的各个巨磁电阻栅条的另一端相联后为传感器的输出端；传感器输入端接直流电源，输出端输出变化的电压接放大电路；

所述磁鼓直径为28mm～35mm，径向交错均匀分布800对～1600对磁极；磁鼓转轴经磁吸力联轴器与待测物体的旋转轴驱动连接，巨磁传感器固定于磁鼓一侧，其巨磁电阻栅条与磁鼓轴线平行，巨磁传感器与磁鼓表面的距离为0.05mm～0.15mm；巨磁传感器与放大电路连接，放大电路接入微处理器电路模块。

3、根据权利要求2所述的巨磁测速机构，其特征在于：

所述微处理器电路模块内含有压控锁相环电路，当微处理器的输出信号频率高于容许输出值20×10⁶Hz时，微处理器发送信号到压控锁相环电路，自动改变细分倍率，保持输出信号频率低于20×10⁶Hz。

4、根据权利要求2或3所述的巨磁测速机构，其特征在于：

所述巨磁传感器、放大电路、磁鼓、微处理器电路模块组装于外壳(6)内，底座(2)上嵌装磁悬浮轴承(11)，磁鼓转轴(3)经磁悬浮轴承(11)垂直安装于底座(2)，由底座(2)支撑，处于外壳(6)内腔底部，磁鼓转轴(3)底端经位于底座(2)底部的磁吸力联轴器(12)与待测物体的旋转轴驱动连接；底座(2)上固装支架(4)，巨磁传感器(5)固定于支架(4)上、位于磁鼓(8)一侧，放大电路的电路板与巨磁传感器(5)贴装成一体，微处理器电路模块电路板(7)固定于外壳(6)内腔、磁鼓(8)上方；外壳(6)罩在各组件外，外壳(6)底部与底座(2)连接。

5、根据权利要求2或3所述的巨磁测速机构，其特征在于：

所述磁鼓(8)磁介入媒质为钕铁硼材料，剩余磁感应强度为0.5×10³高斯至50×10³高斯。

6、根据权利要求2所述的巨磁测速机构，其特征在于：

所述微处理器电路模块为复杂可编程逻辑器件。

7、根据权利要求4所述的巨磁测速机构，其特征在于：

外壳(6)与底座(2)之间有直插卡口。

8、根据权利要求4所述的巨磁测速机构，其特征在于：

微处理器电路模块的输出端有接插件(9)，接输出插座(10)，输出插座(10)固定于外壳(6)一侧。

9、根据权利要求8所述的巨磁测速机构，其特征在于：

所述输出插座(10)为航空插座。

10、根据权利要求4所述的巨磁测速机构，其特征在于：

底座(2)上有固定孔，底面嵌装有密封圈(1)，底座(2)与待测旋转物体的壳体端面固定连接。