CN110568211A - 一种高精度转速测量模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高精度转速测量模块，高精度转速测量模块包括弱磁测量电路。弱磁测量电路包括磁阻式传感器及迟滞比较器，磁阻式传感器的输入端电连接有驱动器及振荡器。磁阻式传感器的输出端电连接有多级放大器，多级放大器的输出端电连接有相敏调节器。相敏调节器的输出端电连接有PID网络。迟滞比较器的输入端与PID网络的输出端电连接，且迟滞比较器的输出端与示波器电连接。迟滞比较器用于将连续正弦波电压信号输出为脉冲方波电压信号，示波器用于显示及记录脉冲方波电压信号。本发明的高精度转速测量模块具有体积小、低温漂、耐高温的优点，适用于高温石油测井、弹导船舶、医疗设备、汽车电子等领域。

Description

一种高精度转速测量模块

技术领域

本发明涉及转速测量技术领域，尤其涉及一种高精度转速测量模块。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，在工业的实时控制中，在各种机械设备中控制转速的应用逐渐增多。转速是物体转动的一个极为重要的状态参数，在很多物体运动系统的测控中，都需要对其转速进行测量，其速度测量的精度直接影响系统的控制情况。为了准确了解物体工作的情况并加以实时控制，对转速的检测与控制是十分必要的。

目前，市面上的一些转速测量装置存在体积大、结构复杂、功耗大、价格比较昂贵、抗冲击性能差等问题。

因此，有必要对现有技术中的转速测量模块予以改进，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、低温漂、耐高温的高精度转速测量模块，其具有单轴高稳定弱磁测量、模块化设计、抗冲击振动、频率输出与TTL/CMOS电平兼容的优点，可广泛应用于高温石油测井、弹导船舶、医疗设备、汽车电子等领域。

本发明的高精度转速测量模块的设计思路是，将高精度转速测量模块设置在物体上，当物体转动时不断切割地球磁力线，采用设置在高精度转速测量模块内的磁阻式传感器对切割的地球磁力线的磁场检测，并将地磁信号转化为周期性的电压信号，经比较器输出为脉冲信号，以记录物体的转速。

实现发明目的的技术方案如下：一种高精度转速测量模块，高精度转速测量模块设在被测物体上，且高精度转速测量模块上的多个引脚焊针与示波器经导线电连接，高精度转速测量模块包括弱磁测量电路及迟滞比较器。本发明的被测物体转动时，带动设置在被测物体上的高精度转速测量模块一同转动，被测物体转动切割地球磁力线时，产生微弱的地磁信号。弱磁测量电路将微弱的地磁信号放大后并转化为电压信号，经迟滞比较器输出脉冲方波电压信号，以实现被测物体的转速记录。

弱磁测量电路包括磁阻式传感器，磁阻式传感器的输入端电连接有驱动器及振荡器，磁阻式传感器经驱动器及振荡器共同作用产生双边激磁信号。磁阻式传感器的输出端电连接有多级放大器，多级放大器的输出端电连接有相敏调节器，相敏调节器用于将经多级放大器放大的双边激磁信号转换为单边电压信号。相敏调节器的输出端电连接有PID网络，PID网络用于将单边电压信号输出为连续正弦波电压信号。

迟滞比较器的输入端与PID网络的输出端电连接，且迟滞比较器的输出端与示波器电连接。迟滞比较器用于将连续正弦波电压信号输出为脉冲方波电压信号，示波器用于显示及记录脉冲方波电压信号。

其中，为了提高高精度转速测量模块的稳定性及测量的精确度，弱磁测量电路采用闭环控制原理，即PID网络的输出端还分别电连接有反馈电阻及磁阻式传感器的OFFSET带，PID网络、反馈电阻、磁阻式传感器的OFFSET带形成弱磁测量电路的闭环负反馈网络，当磁场变化时（增大或减小）闭环负反馈网络可实时修正，反馈电阻端电压值表示磁场的大小。

其中，相敏调节器与PID网络之间还设有低通滤波器，低通滤波器能够滤除高频干扰信号。

作为对本发明的进一步改进，弱磁测量电路与迟滞比较器之间还设有信号放大电路，信号放大电路能够有效的降低高精度转速测量模块的共模噪声。

优选的，信号放大电路与迟滞比较器之间还设有高通滤波网络，高通滤波网络具有低噪音、高精度、低温漂的优点，能够提高被测物体转速测量的分辨率和降低高精度转速测量模块的低频噪声。

其中，高精度转速测量模块封装在壳体内，高精度转速测量模块上的多个引脚焊针穿出壳体外。

作为对本发明的进一步改进，壳体为高温聚酰亚胺材料制成，高温聚酰亚胺材料具有高强、高模、耐高温、高韧的优点。

作为对本发明的进一步改进，高精度转速测量模块与壳体之间填充有高温环氧树脂，在高精度转速测量模块与壳体之间填充高温环氧树脂，一方面能够避免被测物体转动时，高精度转速测量模块在壳体内撞击壳体导致高精度转速测量模块被损坏，另一方面，能够使得高精度转速测量模块能够耐高温及防湿，提高高精度转速测量模块的使用寿命。

与现有技术相比，本发明型的有益效果是：

1.本发明的高精度转速测量模块测试被测物体的转速时，不受环境温度及湿度的影响，高精度转速测量模块的温度特性大大提高，也增强了被测物体转速测量的精度。

2.本发明的高精度转速测量模块具有单轴高稳定弱磁测量、模块化设计、抗冲击振动、频率输出与TTL/CMOS电平兼容、耐高温（≥175℃）、低温漂（≤5ppm/℃）、体积小等特点。

附图说明

图1为本发明中高精度转速测量模块的内部原理框图；

图2为本发明中弱磁测量电路的电路图；

图3为本发明中迟滞比较器的电路图

图4为本发明中信号放大电路的电路图；

图5为本发明中高通滤波网络的电路图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

实施例1：

一种高精度转速测量模块，在本实施例中，高精度转速测量模块固定（粘接或绑）在被测物体上，被测物体为离心机等需要测定转速的装备上。安装时，高精度转速测量模块的敏感轴与被测物体转动的法线相平行，且远离被测物体旋转轴心。高精度转速测量模块上的多个引脚焊针（如接地引脚、电源引脚、增益调节引脚、模拟输出引脚、频率输出引脚等）与示波器经导线电连接，示波器用于显示、记录、存储检测的波形及数据。

请参图1所示，图1为高精度转速测量模块的内部原理框图，高精度转速测量模块包括弱磁测量电路1及迟滞比较器2。被测物体转动时，高精度转速测量模块1随之一同转动，被测物体转动切割地球磁力线时，产生微弱的地磁信号。弱磁测量电路1将微弱的地磁信号放大后并转化为电压信号，经迟滞比较器2输出脉冲方波电压信号，以实现被测物体的转速记录。

如图2所示，弱磁测量电路1包括磁阻式传感器11，磁阻式传感器11的输入端电连接有驱动器12及振荡器13，磁阻式传感器11经驱动器12及振荡器13共同作用产生双边激磁信号。磁阻式传感器11的输出端电连接有多级放大器14，在本实施例中，多级放大器14优选为二级放大器，多级放大器14的输出端电连接有相敏调节器15，相敏调节器15用于将经多级放大器14放大的双边激磁信号转换为单边电压信号。相敏调节器15的输出端电连接有PID网络16，PID网络16用于将单边电压信号输出为连续正弦波电压信号。弱磁测量电路1的信号产生及传输为：振荡器（OSC）13产生固定频率f的振荡信号，经驱动器（driver）12后对磁阻式传感器11的S/R带进行磁畴排列，随着周围磁场发生变化，磁阻式传感器11内部惠斯通桥电阻值发生变化，输出电流发生变化，产生微弱的双边激磁信号；双边激磁信号进入相敏调节器15后转换为单边电压信号，再经PID网络16转换为连续正弦波电压信号输入至迟滞比较器2中。

在本实施例中，为了提高高精度转速测量模块的稳定性及测量的精确度，弱磁测量电路1采用闭环控制原理，即PID网络16的输出端还分别电连接有反馈电阻（RF）17及磁阻式传感器11的OFFSET带，PID网络16、反馈电阻（RF）17、磁阻式传感器11的OFFSET带形成弱磁测量电路的闭环负反馈网络，当磁场变化时（增大或减小）闭环负反馈网络可实时修正，反馈电阻（RF）17端电压值表示磁场的大小。

迟滞比较器2的输入端与PID网络16的输出端电连接，且迟滞比较器2的输出端与示波器电连接。迟滞比较器2用于将连续正弦波电压信号输出为脉冲方波电压信号，示波器用于显示及记录脉冲方波电压信号。在本实施例中，如图3所示，图3为迟滞比较器2的电路图，迟滞比较网络2采用地传播延迟、微功耗的比较器，可识别微弱的模拟信号，比较器加迟滞网络可稳定脉冲信号的有效输出，集电极开路输出具有将输出拉至任意电压轨的优势。具体的，弱磁测量电路1输出连续正弦波电压信号经过迟滞比较器2，可以输出同频方波电压信号FOUT，R9和C11组成低通滤波电路，对VOUT的输出噪声进一步降低，比较器为集电极开路输出的比较器，正常工作输出需接上拉，上拉电压可接3.3V或者5V。比较器具有低传播延迟（560ns）和低功耗（55uA）的特点。比较器同相端和输出端接R10迟滞电阻，可以稳定FOUT输出波形，避免输出方波抖动和测量误差。

本实施例高精度转速测量模块的原理是：在本实施例中，当高精度转速测量模块随被测物体转动一周时，弱磁测量电路1可精确输出周期性的连续性正弦波电压信号，连续性正弦波电压信号经迟滞比较器2转换为连续脉冲方波电压信号。

实施例2：

一种高精度转速测量模块，在本实施例中，高精度转速测量模块固定（粘接或绑）在被测物体上，被测物体为离心机等需要测定转速的装备上。安装时，高精度转速测量模块的敏感轴与被测物体转动的法线相平行，且远离被测物体旋转轴心。高精度转速测量模块上的多个引脚焊针（如接地引脚、电源引脚、增益调节引脚、模拟输出引脚、频率输出引脚等）与示波器经导线电连接，示波器用于显示、记录、存储检测的波形及数据。

请参图1所示，图1为高精度转速测量模块的内部原理框图，高精度转速测量模块包括弱磁测量电路1、迟滞比较器2、信号放大电路3、高通滤波网络4。被测物体转动时，高精度转速测量模块1随之一同转动，被测物体转动切割地球磁力线时，产生微弱的地磁信号。弱磁测量电路1将微弱的地磁信号放大后并转化为电压信号，电压信号经信号放大电路3后模拟输出幅度增大，再经高通滤波网络4将低频信号滤除，最后经迟滞比较器2输出脉冲方波电压信号，以实现被测物体的转速记录。

如图2所示，弱磁测量电路1包括磁阻式传感器11，磁阻式传感器11的输入端电连接有驱动器12及振荡器13，磁阻式传感器11经驱动器12及振荡器13共同作用产生双边激磁信号。磁阻式传感器11的输出端电连接有多级放大器14，在本实施例中，多级放大器14优选为二级放大器，多级放大器14的输出端电连接有相敏调节器15，相敏调节器15用于将经多级放大器14放大的双边激磁信号转换为单边电压信号。相敏调节器15的输出端电连接有PID网络16，PID网络16用于将单边电压信号输出为连续正弦波电压信号。弱磁测量电路1的信号产生及传输为：振荡器（OSC）13产生固定频率f的振荡信号，经驱动器（driver）12后对磁阻式传感器11的S/R带进行磁畴排列，随着周围磁场发生变化，磁阻式传感器11内部惠斯通桥电阻值发生变化，输出电流发生变化，产生微弱的双边激磁信号；双边激磁信号进入相敏调节器15后转换为单边电压信号，再经PID网络16转换为连续正弦波电压信号输入至迟滞比较器2中。其中，在相敏调节器15与PID网络16之间还设有低通滤波器（LPF）18，低通滤波器（LPF）18能够滤除高频干扰信号。

在本实施例中，为了提高高精度转速测量模块的稳定性及测量的精确度，弱磁测量电路1采用闭环控制原理，即，PID网络16的输出端还分别电连接有反馈电阻（RF）17及磁阻式传感器11的OFFSET带，PID网络16、反馈电阻（RF）17、磁阻式传感器11的OFFSET带形成弱磁测量电路的闭环负反馈网络，当磁场变化时（增大或减小）闭环负反馈网络可实时修正，反馈电阻端电压值表示磁场的大小。

其中，如图2所示，因地磁信号比较弱，其经弱磁测量电路1检测并输出的连续正弦波电压信号也比较弱。为了便于对上述弱信号进行提取，在弱磁测量电路1的输出端连接有信号放大电路3，信号放大电路3能够有效的降低高精度转速测量模块的共模噪声。在本实施例中，如图4所示，图4为信号放大电路3的电路图，信号放大电路采用仪表放大器，仪表放大器是一种放大两输入信号电压之差而抑制两输入端共模的任何信号的器件。

其中，如图2所示，在信号放大电路3的输出端还连接有高通滤波网络4，高通滤波网络4的输出端连接至迟滞比较器2的输入端。高通滤波网络4具有低噪音、高精度、低温漂的优点，能够提高被测物体转速测量的分辨率和降低高精度转速测量模块的低频噪声。如图5所示，在本实施例中，高通滤波网络4采用低噪音、高精度和低温漂的运算放大器组成有源高通滤波器，可以提高转速测量的分辨率和降低系统的低频噪声。具体的，有源高通滤波器的截止频率Fc可以通过RC参数设置，采用源高通滤波器有利于系统的阻抗匹配和增大值品质因数Q，截止频率大小等于高精度转速测量模块的最小测量值。传统转速测量模块的最小频率测量值为1RPM，而本发明的高精度转速测量模块最小测量范围可以达到0.1RPM。经高通滤波网络4后高精度转速测量模块的Vout输出噪声大小≤50mVpp。图中4RC参数分别为2MΩ和47nF，对应Fc=1.69Hz，降低Fc值即可以减小转速最小测量值。

迟滞比较器2的输入端与高通滤波网络4的输出端电连接，且迟滞比较器2的输出端与示波器电连接。迟滞比较器2用于将连续正弦波电压信号输出为脉冲方波电压信号，示波器用于显示及记录脉冲方波电压信号。在本实施例中，如图3所示，图3为迟滞比较器2的电路图，迟滞比较网络2采用地传播延迟、微功耗的比较器，可识别微弱的模拟信号，比较器加迟滞网络可稳定脉冲信号的有效输出，集电极开路输出具有将输出拉至任意电压轨的优势。具体的，经高通滤波网络4滤波后的连续正弦波电压信号经过迟滞比较器2，可以输出同频方波电压信号FOUT，R9和C11组成低通滤波电路，对VOUT的输出噪声进一步降低，比较器为集电极开路输出的比较器，正常工作输出需接上拉，上拉电压可接3.3V或者5V。比较器具有低传播延迟（560ns）和低功耗（55uA）的特点。比较器同相端和输出端接R10迟滞电阻，可以稳定FOUT输出波形，避免输出方波抖动和测量误差。

本实施例高精度转速测量模块的原理是：高精度转速测量模块随被测物体一同转动，当旋转一周时，弱磁测量电路1可精确输出周期性的电压信号，电压信号经过信号放大电路3后模拟输出幅度增大，再经过高通滤波网络4将低频信号滤除，最后经过迟滞比较器2将周期性的连续正弦波电压信号转换为脉冲方波电压信号。

本实施例以离心机转速测定为例进行说明：测试前，将高精度转速测量模块与测试电路板连接，使高精度转速测量模块的敏感轴与离心机转动的法线平行，并将两者粘接或者绑到离心机转台的侧臂上。测试时，离心机转动时切割地球磁力线，示波器同时输出波形，其中，连续正弦波电压信号的波形为VOUT输出，脉冲方波电压信号的波形为FOUT输出。经测试：离心机速度从0～8RPS转动，模块输出波形按照0～8RPS变化。

实施例3：

实施例1及实施例 2的高精度转速测量模块封装在高温聚酰亚胺材料制成的壳体内，高精度转速测量模块上的多个引脚焊针穿出壳体外。

高温聚酰亚胺材料制成的壳体具有高强、高模、耐高温、高韧的优点。且，在高精度转速测量模块与壳体之间填充有高温环氧树脂，在高精度转速测量模块与壳体之间填充高温环氧树脂，一方面能够避免被测物体转动时，高精度转速测量模块在壳体内撞击壳体导致高精度转速测量模块被损坏，另一方面，能够使得高精度转速测量模块能够耐高温及防湿，提高高精度转速测量模块的使用寿命。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种高精度转速测量模块，高精度转速测量模块设在被测物体上，且所述高精度转速测量模块上的多个引脚焊针与示波器经导线电连接，其特征在于：所述高精度转速测量模块包括弱磁测量电路及迟滞比较器；

所述弱磁测量电路包括磁阻式传感器，所述磁阻式传感器的输入端电连接有驱动器及振荡器，所述磁阻式传感器经所述驱动器及所述振荡器共同作用产生双边激磁信号；所述磁阻式传感器的输出端电连接有多级放大器，所述多级放大器的输出端电连接有相敏调节器，所述相敏调节器用于将经所述多级放大器放大的双边激磁信号转换为单边电压信号；所述相敏调节器的输出端电连接有PID网络，所述PID网络用于将所述单边电压信号输出为连续正弦波电压信号；

所述迟滞比较器的输入端与所述PID网络的输出端电连接，且所述迟滞比较器的输出端与所述示波器电连接；所述迟滞比较器用于将连续正弦波电压信号输出为脉冲方波电压信号，所述示波器用于显示及记录脉冲方波电压信号。

2.根据权利要求1所述的一种高精度转速测量模块，其特征在于：所述PID网络的输出端还分别电连接有反馈电阻及所述磁阻式传感器的OFFSET带，所述PID网络、所述反馈电阻、所述磁阻式传感器的OFFSET带形成所述弱磁测量电路的闭环负反馈网络。

3.根据权利要求1所述的一种高精度转速测量模块，其特征在于：所述相敏调节器与所述PID网络之间还设有低通滤波器。

4.根据权利要求2或3所述的一种高精度转速测量模块，其特征在于：所述弱磁测量电路与所述迟滞比较器之间还设有信号放大电路。

5.根据权利要求4所述的一种高精度转速测量模块，其特征在于：所述信号放大电路与所述迟滞比较器之间还设有高通滤波网络。

6.根据权利要求1所述的一种高精度转速测量模块，其特征在于：所述高精度转速测量模块封装在壳体内，所述高精度转速测量模块上的多个引脚焊针穿出所述壳体外。

7.根据权利要求6所述的一种高精度转速测量模块，其特征在于：所述壳体为高温聚酰亚胺材料制成。

8.根据权利要求6所述的一种高精度转速测量模块，其特征在于：所述高精度转速测量模块与所述壳体之间填充有高温环氧树脂。