徐光衛(wèi)，宋春華

(西華大學機械工程與自動化學院，四川成都610039)

0 引言

轉(zhuǎn)速傳感器按照工作原理的不同可以分為:磁電式、光電式、離心式、電渦流式和霍爾式等。其中磁電式轉(zhuǎn)速傳感器是一種機—電能量轉(zhuǎn)換型傳感器，不需供電電源、電路簡單、性能穩(wěn)定、輸出信號強，因此，在實際工程中具有廣泛的應(yīng)用［1］。

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器基于電磁感應(yīng)原理，通過磁電相互作用把轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的感應(yīng)電動勢，再經(jīng)過對輸出感應(yīng)電動勢信號進行處理和分析就可以得到轉(zhuǎn)軸的實際轉(zhuǎn)速。在實際應(yīng)用中，當轉(zhuǎn)軸啟動的速度過快時，會產(chǎn)生一個瞬時高電壓對信號處理電路產(chǎn)生較大的危害。因此，本文對磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的永磁體結(jié)構(gòu)進行了研究，設(shè)計了一種啟動時無瞬時高電壓的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。同時，設(shè)計了磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的信號處理電路。

1 電式轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計

1.1 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)與原理

圖1所示為磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它由裝在軸上的內(nèi)齒輪和外齒路、感應(yīng)線圈、永久磁鐵等部分組成。當內(nèi)齒輪和外齒輪的齒凸相對時，氣隙最小，磁阻最小，磁通最大;當內(nèi)齒輪和外齒輪的齒凹相對時，氣隙最大，磁阻最大，磁通最小。這樣當內(nèi)齒輪與外齒輪相對運動時，傳感器的磁通就發(fā)生周期性變化，從而在線圈中感應(yīng)出電動勢信號［2］。

圖1 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of magnetoelectric rotational speed sensor

1.2 電磁場分析理論基礎(chǔ)

Maxwell方程組是電磁場理論的基礎(chǔ)，它由4個定律組成:安培環(huán)路定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、高斯電通定律和高斯磁通定律。

Maxwell方程組有2種表示形式，即積分形式和微分形式。其中微分形式用于有限元分析處理電磁問題，即電磁場的分析和計算化為求微分方程的解。

有限元的思想最早由Courant在1943年提出，有限元法(finite-element method)這個名稱由Clough于1960年在其著作中首先提出。多年來，以變分原理為基礎(chǔ)建立起來的有限元法廣泛地應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)工程。所謂有限元法，就是將整個區(qū)域分割成許多很小的子區(qū)域，這些子區(qū)域被稱為“單元”或“有限元”，將求解邊界問題的原理應(yīng)用于這些小區(qū)域中，求解每個小區(qū)域，然后將小區(qū)域的結(jié)果總和起來得到整個區(qū)域的解［3］。

1.3 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器永磁體設(shè)計

Ansoft Maxwell為一種低頻電磁場有限元軟件，可以對電磁機構(gòu)進行數(shù)值分析，本文使用其對磁電式轉(zhuǎn)速傳感器進行仿真實驗。

本文以一種量程為20 N·m的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器為研究對象。首先在Ansoft Maxwell中建立整體圓環(huán)結(jié)構(gòu)永磁體磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的三維模型如圖2所示，對其進行運動仿真得到感應(yīng)電動勢的波形圖如圖3所示。

圖2 整體圓環(huán)永磁體結(jié)構(gòu)磁電式轉(zhuǎn)速傳感器模型Fig 2 Model of magnetoelectric rotational speed sensor with whole ring structure of permanent magnet

從圖3的感應(yīng)電動勢圖可以看到，傳感器在啟動瞬間由于磁通瞬時變化而產(chǎn)生瞬時高電壓大小為14.4 V，而信號處理電路的安全電壓一般都在5 V左右，因此，這種傳感器的信號處理電路的使用壽命通常較短。針對上述問題，本文對磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的永磁體結(jié)構(gòu)進行了研究。永磁體產(chǎn)生的磁場充斥著整個空間，當空間中具有多個永磁體的時候它們之間的磁場就會相互影響，進而影響到磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的輸出感應(yīng)電動勢特性。

經(jīng)過仿真實驗，發(fā)現(xiàn)一種8片瓦型永磁體結(jié)構(gòu)磁電式轉(zhuǎn)速傳感器如圖4所示，8片瓦型永磁體的體積為原來整體結(jié)構(gòu)永磁體的1/2，8片瓦型永磁體之間為氣隙。其感應(yīng)電動勢圖如圖5所示。從圖5可以看出:這種8片瓦型永磁體結(jié)構(gòu)磁電式轉(zhuǎn)速傳感器沒有瞬時的高電壓，消除了對后續(xù)信號處理電路的影響，可以提高后續(xù)信號處理電路的使用壽命。

圖3 整體圓環(huán)結(jié)構(gòu)永磁體磁電式轉(zhuǎn)速傳感器感應(yīng)電動勢圖Fig 3 Induced electromotive force diagram of magnetoelectric rotational speed sensor with whole ring structure of permanent magnet

圖4 8片瓦型永磁體結(jié)構(gòu)磁電式轉(zhuǎn)速傳感器模型Fig 4 Model of magnetoelectric rotational speed sensor with 8 tile permanent magnet structure

圖5 8片瓦型永磁體磁電式轉(zhuǎn)速傳感器感應(yīng)電動勢圖Fig 5 Induced electromotive force diagram of magnetoelectric rotational speed sensor with 8 tile permanent magnet structure

1.4 輸出信號波形處理電路的設(shè)計

圖6 輸出信號波形處理電路圖Fig 6 Circuit diagram of output signal waveform processing

圖7為輸出信號波形處理仿真圖，由圖可以看出:近似正弦波信號Vin經(jīng)過濾波、鉗位后振幅變?yōu)?.7 V的Vin1，再經(jīng)過反向放大器LM358后變成振幅為3.5 V的Vin2，Vin2再經(jīng)過集成電壓比較器LM393變成峰值為5V的單極方波信號Vout。

圖7 輸出信號波形處理仿真圖Fig 7 Simulation diagram of output signal wave processing

2 結(jié)束語

本文介紹了磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理，針對磁電式轉(zhuǎn)速傳感器啟動時會產(chǎn)生瞬時高電壓的問題，通過使用有限元分析軟件Ansoft Maxwell建立一種具有8片瓦型永磁體結(jié)構(gòu)的20 N·m磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的模型并進行仿真，得出一種可以消除啟動瞬時高電壓的永磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，同時設(shè)計了傳感器輸出信號的波形處理電路，并通過Protel對信號波形處理電路進行仿真證實其是切實可行的。

［1］何道清，張 禾，諶海云.傳感器與傳感器技術(shù)［M］.北京:北京科學出版社，2008:6.

［2］胡向東，劉京誠，余成波，等.傳感器與檢測技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009:2.

［3］趙 博，張洪亮.Ansoft 12在工程電磁場中的應(yīng)用［M］.北京:中國水利水電出版社，2010:1.

［4］張世英，于璽興，朱杰堂，等.智能轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計［J］.傳感技術(shù)學報，2011，24(2):313-316.

［5］徐 科，黃金泉，張?zhí)旌辏?基于DSP的航空發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計［J］.推進技術(shù)，2004，25(2):180-182，186.

［6］何秀然，謝壽生，錢 坤.航空發(fā)動機智能轉(zhuǎn)速傳感器的設(shè)計［J］.傳感技術(shù)學報，2005，18(3):496-499.

［7］Masayuki K，Hiroyuki O.Running torque of ball bearings with polymer lubricant［J］.Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers C，2005，71(1):272-279.

［8］王文成，李 健.基于單片機的點擊轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2011(8):70-72.