磁阻传感器在转速测量中的应用

技 术 创 新 中文核心期刊《 微计算机信息》(测控自动化)2006年第 22卷第 5-1期 360元/年 邮局订阅号:82-946 《 现场总线技术应用 200例》 传感器与仪器仪表 贺桂芳:硕士 副教授 磁阻传感器在转速测量中的应用 RotationRateMeasurementbasedonMagnetoresistivesensor (1.山东交通学院;2.山东大学)贺桂芳 1 蒋华军 2 He,Guifang Jiang,Huajun 摘要:介绍了一种以磁阻传感器为磁敏元件,以单片机为控制核心的高精度转速测量 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。论述了测量系统工作原理、各硬 件部分功能。传感器探头由激励线圈和磁阻传感器构成,输入的电流在激励线圈周围产生交变磁场,当齿轮转动时,激励线 圈的磁场发生变化,位于线圈中央的磁阻传感器将其转变成电信号,在单片机的控制下进行放大处理和显示。该转速传感 器具有准确度高、测量范围宽、安装调试方便等优点。 关键词:磁阻传感器;转速测量;单片机 中图分类号:TN379 文献标识码:B Abstract:AmethodofrotationratemeasuringaccuratelybasedonMagnetoresistivesensorisintroducedinthispaper,Singlechip processoristhecoreinthesystem.Theworkingprincipleofthemeasuringsystemandthefunctionofthehardwarearediscussed. ThesensorprobeiscomposedoffieldcoilandMagnetoresistivesensor.Theinputcurrentmakesalternatingmagneticfieldgenerated aroundthefieldcoil.Whengearrotating,magneticfieldoftheoriginalfieldcoilischanged.Itistransformedintoelectricalsignal bytheMagnetoresistivesensorcenteredinthefieldcoilanditisamplifiedanddisplayedunderthecontrolofsinglechipprocessor. Themeasurementsystemishighinaccuracyandwiderotationraterangeandconvenientforfixing. Keywords:Magnetoresistivesensor;Measurementofrotationrate;singlechipprocessor 文章编号:1008-0570(2006)05-1-0168-02 1引言 测量齿轮转速的方法很多,但在应用中大都有其 局限性。例如,霍尔传感器由于灵敏度的限制,与转动 齿轮的间距在 1mm左右,当齿轮高速运转时,因机械 振动,传感器容易与齿轮发生碰撞,安全性较差。磁敏 电阻齿轮传感器不能测量非常低的转速,因为这时传 感器可能检测不到转速信号。这两种方法一般还需要 安装高磁场强度的磁钢,对齿轮的运转以及周围的环 境会造成一定的影响。在存放这类产品时,还要注意 防止磁化。光电编码盘测转速对环境要求很高,当油 污或粉尘比较严重时,测量的可靠性会大大降低。磁 阻传感器具有很高的磁场检测灵敏度,可以测量微弱 的磁场,用磁阻传感器设计齿轮转速传感器具有测量 精度高、范围宽,测量间距大等明显的优势。本文介绍 的转速测量方法选用Honeywell公司生产的各向异性 磁阻传感器HMC1021S做磁敏探头。它是一种四段桥 式结构的磁阻传感器,与三端通用型半桥结构的磁阻 传感器相比较,具有灵敏度高、体积小、价格低、工作 频率高等优点。磁场由φ30mm的线圈产生,该线圈所 产生的磁场较弱,对周围的工作环境影响很小。断电 后所产生的磁场消失,不会对环境造成任何影响。由 于磁阻传感器的灵敏度高,且线圈所产生的磁场大小 可调,传感器探头与测速齿轮的间距可以在较大范围 内调整。此种传感器多个放在一起也不会造成磁化。 2测速原理及传感器探头的设计 图1为传感器探头结构示意图。在外径为30mm, 内径为 23mm,厚度为 3mm的凹槽空心骨架上,用 0.2mm的漆包线绕195圈制成探头的激励线圈。当线 圈两端加上某一频率的电压时,线圈内产生周期性变 化的电流,会使周围产生交变磁场。HMC1021S磁阻传 感器置于线圈平面中心处,用来检测齿轮转动时的磁 场变化。该磁阻传感器采用8脚SOIC封装,体积小,内 部由4只磁敏电阻构成了一个桥路。主要参数有:电 桥电压典型值 5V,最大值 12V;磁场范围±6Gauss;分 辨率 85μGauss;灵敏度典型值 1mV/V/Gauss;带宽 0~ 5MHz,工作温度-40~125℃。因为这里磁阻传感器不是 用来精确测量磁场的大小,其输出电压与磁场的关系 不必呈很好的线性,所以磁场范围可以扩展到±10 Gauss。 图1磁传感器探头结构示意图 当齿轮转动时,由于气隙处的磁力线发生变化, 168- - 邮局订阅号:82-946360元/年 技 术 创 新 传感器与仪器仪表 《 PLC技术应用 200例》 您的论文得到两院院士关注 磁路中的磁阻也随之改变,从而可在传感器中产生变 化的电信号。齿轮的每个轮齿经过磁阻传感器时,都 会使其产生一个输出信号,经处理变为脉冲信号,由 单片机 AT89C51读入该脉冲并计算出转速数据,LED 数码显示测量结果。此外,由于磁阻传感器具有很强 的方向性,该传感器探头对齿轮的转动十分敏感,而 对齿轮沿轴向的抖动不敏感。这对保证测速精度十分 有利。 3高精度转速测量方法 常用的转速测量算法有测频率法(M法)和测周期 法(T法)。M法最大会产生±1个测速脉冲的误差,适 用于高转速测量场合,T法中时间的最大测量误差为± 1个时钟脉冲周期,适用于低转速测量场合。 这里采用一种新的算法。它结合M法和T法的特 点,克服了这两种算法的缺点。具体算法如图2所示。 每到固定的时间 t′(取 t′=2s)后,以下一个脉冲的下降 沿为记录时刻,此时计数器刚好记录上这一脉冲,同 时引起INT0中断。在INT0中断程序里,从T1计数器 取出计数值N,从定时器T0中取出计数器记录N个 脉冲所需要的时间t,从而计算出转速脉冲频率f=N/t。 设齿轮齿数为z,则齿轮转速n=60N/zt。 图2算法示意图 这种算法与测频率法比较,它不是在固定时间t′= 2s到的时刻,取出计数器中的计数值 N,进行 N/t′计 算,而是要等下一个脉冲刚好到后,再进行N/t的计 算,这就解决了测频率法可能有一个测速脉冲误差的 问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。这种算法与测周期法比较,它不是在测速脉冲 的一个周期T内记录时钟脉冲(频率f0)的个数m后, 就立刻进行T=m/f0的计算。而是要等t≥t′后,再取出 计数器中确切个脉冲N进行N/t的计算,这就解决了 测周期法当转速较高,计算时间太短,最大测量时间 误差为±1个时钟脉冲的问题。 图3系统硬件组成框图 4系统硬件组成 系统硬件组成框图如图 3所示。振荡电路产生 50kHz的电压信号输入传感器线圈作为激励信号,磁 阻传感器输出电压经放大、检波和低通滤波,再由整 形电路变换为矩形波,输入 89C51单片机计算出转 速,由P0口输出,5位LED数码显示计算结果。 磁阻传感器输出电压放大电路如图4所示。图中 AD620是低功耗高精度宽频带仪表放大器,增益为 100时,带宽120kHz。可以在频率为50kHz的情况下, 满足电压放大倍数的要求。通过调节管脚1和8之间 的外接电阻 RG可以改变增益,电压增益 Au=1+ 49.4kΩ/RG。本设计中 RG由 200Ω的固定电阻 R和 470Ω的电位器RW串联构成。当传感器与齿轮间距 变化时,可适当调整RW以改变增益。R和 C组成无 源高通滤波器,其作用是交流耦合,可以避免由于任 何原因的直流强磁场信号等造成放大器输出的饱和。 图4磁阻传感器放大电路 由于传感器的线圈中 50kHz的激励信号在周围 产生了交变磁场,磁阻传感器的电压输出中含有相应 的50kHz载波信号,它比转速信号频率大得多。例如, 当齿轮高速运转 6000r/min,即 100r/s时,假设齿轮齿 数z=60,则转速信号频率为6kHz。通过低通滤波器可 以滤除50kHz信号。滤波电路的设计同时考虑了干扰 信号的消除,以保证计数值可靠。整形电路采用迟滞 电压比较器,把放大后的模拟转速信号转变成可用于 计数的矩形波信号。 5实验数据 对一齿数为60,模数为3的齿轮进行转速测量。 磁传感器探头与齿轮间距10mm,测量范围0~6000r/ min。测量数据如表1所示。测量准确度为0.02%FS。 表1 齿轮转速测量数据 (转260页) 169- - 技 术 创 新 中文核心期刊《 微计算机信息》(测控自动化)2006年第 22卷第 5-1期 360元/年 邮局订阅号:82-946 《 现场总线技术应用 200例》 故障诊断 表2 训练数据集 如表2所示,设备描述了一个维修请求。从上一 次维修开始当设备发生故障或前缀时间流逝,维修块 被设置成1。这时的诊断块并不完全相同,也就是说设 备发出维修请求的时候,故障已经发生了,因此预防 性维修是必要的。 KDD的过程应用在训练数据集中,数据挖掘之前 的变化步骤在表中已经完成。假定条件属性是过压数 和温度,对于这两个属性选择分为三个区段:低、中、 高。 过压数:低=[0,4];中=(4,8);高=(8,+∞) 温度:低=(-∞,64);中=(64,90);高=(90,+∞) 经过离散化处理,数据用粗糙集工具提取的知识 可以形成IF-THEN 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 。这个方法被软件开发人员 用来做为设计C++的库函数调用。 表3 不可识别数据 图2决策树 通过可分辨矩阵约简训练数据,属性约简后剩下 三个不可分辨元素,如表3所示。元素的属性是相同 的,但是诊断不全相同。依据IF-THEN规则提取的知 识在处理之后,形成决策树(图2)。在本例中根据粗集 方法,六个属性中的四个可以根据它们的故障诊断属 性来区分样例是否属于训练数据集。不可区分元素可 以用概率的方法处理,诊断为 1的概率为 66%,诊断 为0的概率为33%。因此在智能设备中,用IF-THEN 的规则来表示知识是简单、精确的,任何的属性集都 可以 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 出诊断决策。如在智能设备应用这种识别逻 辑,可以使设备有自诊断能力。 参考文献： [1]A.Kusiak,J.A,Kern.H.Kernstirte,B.T,Tseng,"Autonomous decision-making:adata mining approach".IEEETransactions on Information TechnologyinBiomedicine,Vol.4.No.4,De- cember2000 [2]门瑞霞,石春和.智能电路板的闭环测试与故障诊断[J]微计算 机信息2005,1:158-159 [3]张文修，吴伟志，梁吉业等 粗糙集理论与方法[M].北京：科 学出版社2001. 作者简介:于晓伟,1978年9月25日,汉族,黑龙江齐 齐哈尔出生,中国人民解放军军械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院计算机工 程系2003级研究生。研究方向:智能检测与诊断 (050003河北省石家庄军械工程学院)于晓伟 左宪 章 尹文龙 康健 (DepartmentofElectricEngineering,OrdnanceEn- gineeringInstitute,ShiJia-Zhuang050003, China) Yu,Xiaowei Zuo,Xianzhang Yin,Wenlong Kang, Jian 通讯地址:(050003河北省石家庄市和平西路97号研 究生一队)于晓伟 (投稿日期:2005.8.13)(修稿日期:2005.9.23) (接 169页)6结束语 本设计的转速测量方法,采用 Honeywell公司的 HMC系列高灵敏度磁阻传感器作磁敏元件。测量准确 度高,测量范围宽,传感器探头与齿轮间距可以在较 大的范围内调整,安装使用方便。用线圈产生磁场,代 替通常所使用的磁钢,磁场大小可调,对工作环境影 响小,断电后磁场消失,不影响环境。 参考文献： [1]李真芳,段勇.基于ATmega8的便携式转速仪的研制[J].微计 算机信息,2005,21.6:117-118. [2]于忠得,唐树森,林敏.宽范围高精度转速测量算法[J].大连轻工 业学院学报,2000,19(2):143-146. 作者简介:贺桂芳,女,1963年 6月生,汉族,硕士,副 教授,自动化专业,主要从事传感器技术和电子技术 的教学和科研工作Email:1963hgf@163.com。 (250023山东交通学院信息工程系)贺桂芳 (250100山东大学)蒋华军 (投稿日期:2005.8.1)(修稿日期:2005.8.23) 260- -