武晉文 李磊 宋繼紅

太原航空儀表有限公司，山西太原 030006

0 前言

轉(zhuǎn)速傳感器是將旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電量輸出的傳感器。轉(zhuǎn)速傳感器屬于間接式測量裝置，可用機(jī)械、電氣、磁、光和混合式等方法制造[1]。轉(zhuǎn)速傳感器在汽車、機(jī)械制造、航空航天等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用，特別是用來測量汽車、飛機(jī)及其他航天器的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速[2]。

頻率式轉(zhuǎn)速傳感器利用電磁感應(yīng)原理，將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為周期性變化的頻率電壓信號，通過測量輸出的頻率電壓信號計算出轉(zhuǎn)速源實時轉(zhuǎn)速的一種裝置。

目前，國外的轉(zhuǎn)速傳感器主要由美國的霍尼韋爾公司和日本的小松公司進(jìn)行生產(chǎn)，而國內(nèi)從事轉(zhuǎn)速傳感器研發(fā)和生產(chǎn)的單位數(shù)量較少，幾乎全靠進(jìn)口，僅上海航振儀表有限公司具有一定規(guī)模。

國內(nèi)的轉(zhuǎn)速傳感器種類主要有磁敏式、激光式、電磁感應(yīng)式和變磁阻式，主要用于電力、石油、化工、汽車等工業(yè)部門。磁敏式和激光式轉(zhuǎn)速傳感器都需要外接電源，使用不便；變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器穩(wěn)定性差，振動條件下難以應(yīng)用；電磁感應(yīng)頻率式轉(zhuǎn)速傳感器不需外接電源，工作穩(wěn)定性好，應(yīng)用廣泛，因此開展頻率式轉(zhuǎn)速傳感器研究工作具有重要的現(xiàn)實意義。

頻率式轉(zhuǎn)速傳感器的研制難點在于線圈材料的選取和繞線方式、繞線圈數(shù)的確定、磁芯材料的選取和磁芯的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計，還有線圈和磁芯的固定及傳感器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計等，這些因素會影響轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號的強(qiáng)弱和穩(wěn)定性，以及工作溫度范圍和使用壽命。因此，目前轉(zhuǎn)速傳感器的國內(nèi)研發(fā)水平較低，急需開展相關(guān)研究工作，研制高精度、高可靠性的、完全國產(chǎn)化的轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)品。

頻率式轉(zhuǎn)速傳感器具有體積小、性能可靠、壽命長、不需要外加電源和潤滑油等優(yōu)點[3]，與一般性二次儀表均可配套使用。

1 工作原理

頻率式轉(zhuǎn)速傳感器利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行設(shè)計，為非接觸式轉(zhuǎn)速傳感器。傳感器主要由永久磁鐵和線圈組成，它必須配置音輪才能工作。音輪的前端與轉(zhuǎn)速源相連接，音輪旋轉(zhuǎn)時，輪齒靠近磁頭，磁阻減小，輪齒偏離磁頭，磁阻增大，這樣，磁通量呈現(xiàn)出周期性的變化，便產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢[4]，這種感應(yīng)電動勢的頻率和幅值均隨音輪輪齒的通過頻率而相應(yīng)發(fā)生變化，通過測量輸出的頻率電壓信號，可以解算出轉(zhuǎn)速源的實時轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速傳感器工作原理如圖1 所示，音輪外形如圖2 所示。

感應(yīng)電動勢的頻率與音輪輪齒的通過頻率成正比，即與音輪的轉(zhuǎn)速成正比，其關(guān)系如公式（1）所示。

其中，f——感應(yīng)電動勢的頻率（單位：Hz）；

z——音輪的轉(zhuǎn)齒個數(shù)；

n——音輪的轉(zhuǎn)速（單位：r/min）。

所以，只要音輪輪齒數(shù)確定，通過測試傳感器輸出信號的頻率值f，就可以推算出轉(zhuǎn)速源的轉(zhuǎn)速。

頻率式轉(zhuǎn)速傳感器是有源傳感器，信號幅值U的大小與輪齒轉(zhuǎn)速有關(guān)，幅值U隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，轉(zhuǎn)速越高，幅值U越大[5]。幅值U和轉(zhuǎn)速傳感器探頭、音輪輪齒的距離d密切相關(guān)，d越小，輸出電壓幅值U越大，一般d的取值在0.5～1.5 mm[6]。

2 傳感器詳細(xì)設(shè)計

傳感器共由5 部分組成，包括外殼、鋁質(zhì)插頭、電連接器以及磁芯和線圈[7]。外殼和鋁質(zhì)插頭的作用主要是進(jìn)行密封以及對外做機(jī)械連接。打開外殼，傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)由3 部分組成：電連接器以及磁芯和線圈。兩組線圈之間通過膠布隔離，分別密繞在電連接器的內(nèi)層和外層，兩組線圈的4 個端子與電連接器的4 個接線柱對應(yīng)連接，磁芯通過灌膠固定在電連接器的內(nèi)部。外殼與鋁制插頭通過兩顆螺釘固定后再通過機(jī)械滾邊將兩者連接在一起。傳感器外形及分解圖如圖3 所示。

傳感器外殼材料為0Cr18Ni10Ti 不銹鋼，保證傳感器有足夠的強(qiáng)度，可長時間使用而不會發(fā)生形變，同時，該材料有很好的耐腐蝕性，從而保證轉(zhuǎn)速傳感器具有良好的耐腐蝕性能，適合各種環(huán)境條件下使用。

電連接器選取酚醛模壓電連接器，安裝于傳感器內(nèi)部，四周用密封膠填充，4 根接線柱與插頭連接，無直接與外部環(huán)境接觸的部分，保證傳感器具有良好的密封性，防止水汽及空氣中雜質(zhì)進(jìn)入，從而保護(hù)內(nèi)部線圈和磁芯。同時，通過灌膠的方式使傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全固定為一個整體，有效預(yù)防變形，具有壽命長的特點，該傳感器的設(shè)計壽命為10 年。

磁芯為傳感器的關(guān)鍵部件，是輸出信號能否滿足要求的決定性因素。磁芯材料為鋁鎳鈷系永磁材料，該材料具有高Br（剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度）、低矯頑力、溫度系數(shù)小、重量輕、原材料來源豐富、耐腐蝕氧化、各向異性系數(shù)大、性能穩(wěn)定及成本低等優(yōu)點，是應(yīng)用最為廣泛的永磁材料之一[8]。

傳感器線圈采用Φ 0.1 mm 的銅漆包線，由于傳感器需要在較寬的環(huán)境溫度范圍中使用，加工過程中需要數(shù)千匝的繞制，線圈每匝之間必須保證絕緣，對漆包線的強(qiáng)度、所包漆的質(zhì)量及繞制手法都有比較高的要求。

傳感器其余零部件均選擇高可靠性的原材料進(jìn)行設(shè)計和加工。

傳感器采用雙路輸出設(shè)計[9]，內(nèi)部有兩組獨立線圈，在測試過程中會產(chǎn)生兩組感應(yīng)電動勢，同時對這兩組感應(yīng)電壓信號進(jìn)行測試，將二者結(jié)果求平均值，得到的轉(zhuǎn)速值具有較高的精確度[10]。

傳感器的設(shè)計尺寸約為Φ 30 mm×50 mm，在無源轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計中，該傳感器具有較小的體積。

3 測試設(shè)備及方法

傳感器測試設(shè)備包括兩部分：轉(zhuǎn)速源部分和傳感器輸出測試部分。

轉(zhuǎn)速源采用GZJY-3 型轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置，該裝置主要由主機(jī)、電機(jī)平臺、測試電纜及音輪組成。電機(jī)和音輪裝配在一起，電機(jī)轉(zhuǎn)動時音輪隨之一起轉(zhuǎn)動；主機(jī)用來控制和顯示電機(jī)及音輪的實時轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速范圍100～6,600 r/min，本設(shè)計中音輪轉(zhuǎn)齒個數(shù)為z=15。

傳感器輸出測試部分主要包括數(shù)字多用表和測試電纜，如圖4 所示，將轉(zhuǎn)速傳感器通過專用測試電纜與兩臺數(shù)字多用表連接，數(shù)字多用表測量精度應(yīng)不低于6 位半。具體測試步驟如下：

（1）將傳感器固定于轉(zhuǎn)速傳感器測試臺上，調(diào)整傳感器底部與感應(yīng)器的距離，使其間距在1.2～1.3 mm 之間；

（2）兩臺數(shù)字多用表分別與被測傳感器輸出管腳的1、2 腳和3、4 腳連接；

（3）打開轉(zhuǎn)速傳感器測試臺電源開關(guān)，輸入轉(zhuǎn)速值500 rpm，當(dāng)轉(zhuǎn)速測試臺顯示轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，輸入轉(zhuǎn)速標(biāo)稱值1,000 rpm，當(dāng)轉(zhuǎn)速測試臺顯示轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，調(diào)整數(shù)字多用表至頻率檔，記錄兩臺數(shù)字表的顯示頻率；調(diào)整數(shù)字多用表至交流電壓檔，記錄兩臺數(shù)字表的顯示電壓；

（4）以輸入轉(zhuǎn)速值與當(dāng)前轉(zhuǎn)速值之差不得大于500 rpm 的速率，將轉(zhuǎn)速測試臺的轉(zhuǎn)速穩(wěn)步增加至5,000 rpm，每次調(diào)整轉(zhuǎn)速值前應(yīng)保證轉(zhuǎn)速測試臺顯示轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，當(dāng)轉(zhuǎn)速測試臺顯示轉(zhuǎn)速（5,000 rpm）穩(wěn)定后，調(diào)整數(shù)字多用表至頻率檔，記錄兩臺數(shù)字表的顯示頻率；調(diào)整數(shù)字多用表至交流電壓檔，記錄兩臺數(shù)字表的顯示電壓。

傳感器的輸出頻率、電壓值及計算后得到的轉(zhuǎn)速值如表1 所示。

通過表1 可以看出，轉(zhuǎn)速越大，傳感器輸出的交流電壓幅值越大，而且該傳感器具有較高的測試精度，測試誤差在0.1 rpm 以內(nèi)。

表1 轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號

4 結(jié)論

為研究電磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器的原理、結(jié)構(gòu)和測試方法，對基于電磁感應(yīng)原理的轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，包括傳感器的結(jié)構(gòu)、輸入輸出和測試設(shè)備及方法等。結(jié)果表明，該轉(zhuǎn)速傳感器具有輸出精度高、耐高低溫、耐腐蝕、體積小、可靠性高、壽命長、不需外接電源和外加潤滑油等優(yōu)點，缺點是必須配合音輪進(jìn)行使用，有一定的使用局限性。