KMI15系列集成轉速傳感器的原理與應用

摘要：集成轉速傳感器具有靈敏度高、測量范圍寬、抗干擾能力強、外圍電路簡單等優點，是傳統的分立式轉速傳感器的升級換代產品。文中介紹了KMI15系列磁阻式集成轉速傳感器的工作原理與典型應用。

關鍵詞：轉速傳感器；磁阻；電磁干擾濾波器；KMI15

轉速屬于常規電測參數。測量轉速時經常采用磁阻式傳感器或光電式傳感器進行非接觸性測量，傳統的磁阻式傳感器是由磁鋼、線圈等分立元件構成的，亦可用耳塞機改裝而成。但這種傳感器存在一些缺點：第一，靈敏度低，傳感器與轉動齒輪的最大間隙（亦稱磁感應距離）只有零點幾毫米；第二，在測量高速旋轉物體的轉速時，因安裝不牢固或受機械振動，容易與齒輪發生碰撞，安全性較差；第三，這種傳感器所產生的是幅度很低且變化緩慢的模擬電壓信號，因此，需要經過放大、整形后變成沿口陡直的數字頻率信號，才能送給數字轉速儀或數字頻率計測量轉速，而且外圍電路比較復雜；第四，它無法測量非常低（接近于零）的轉速，因為這時磁阻式傳感器可能檢測不到轉速信號。

目前，轉速傳感器正朝著高靈敏度、高可靠性和全集成化的方向發展，典型產品有飛利浦（Ｐｈｉｌｉｐｓ）公司生產的ＫＭＩ１５系列磁阻式集成轉速傳感器。該傳感器性能優良，安全性好，穩定性強，是分立式轉速傳感器理想的升級換代產品。ＫＭＩ１５系列包括ＫＭＩ１５－１、ＫＭＩ１５－２、ＫＭＩ１５－４等型號，它們的工作原理相同，僅性能指標略有差異。下面就以ＫＭＩ１５－１為例來介紹該系列集成轉速傳感器的工作原理與具體應用方法。

１　ＫＭＩ１５－１型傳感器的性能特點

ＫＭＩ１５－１芯片內含高性能磁鋼、磁敏電阻傳感器和ＩＣ。它利用ＩＣ來完成信號變換功能，其輸出的電流信號頻率與被測轉速成正比，電流信號的變化幅度為７ｍＡ～１４ｍＡ。由于其外圍電路比較簡單，因而很容易配二次儀表測量轉速。

ＫＭＩ１５－１器件的測量范圍寬，靈敏度高，它的齒輪轉動頻率范圍是０～２５ｋＨｚ，而且即使在轉動頻率接近于零時，它也能夠進行測量。傳感器與齒輪的最大磁感應距離為２．９ｍｍ（典型值），由于與齒輪相距較遠，因此使用比較安全。

該傳感器抗干擾能力強，同時具有方向性，它對軸向振動不敏感。另外，芯片內部還有電磁干擾（ＥＭＩ）濾波器、電壓控制器以及恒流源，從而保證了其工作特性不受外界因素的影響。

ＫＭＩ１５－１的體積較小，其最大外形尺寸為８６２１ｍｍ，能可靠固定在齒輪附近。

ＫＭＩ１５采用＋１２Ｖ電源供電（典型值），最高不超過１６Ｖ。工作溫度范圍寬達－４０～＋８５℃。

圖2 圖3

２　工作原理

ＫＭＩ１５－１型集成轉速傳感器的外形如圖１所示，它的兩個引腳分別為ＵＣＣ（接＋１２Ｖ電源端）和Ｕ－（方波電流信號輸出端）。為使ＩＣ處于較低的環境溫度中，設計時專門將ＩＣ與傳感元件分開，以改善傳感器的高溫工作性能。

該傳感器的簡化電路如圖２所示。其內部主要包括以下六部分：

（１）磁敏電阻傳感器；

（２）前置放大器Ａ１；

（３）施密特觸發器；

（４）開關控制式電流源；

（５）恒流源；

（６）電壓控制器。實際上，該傳感器是由４只磁敏電阻構成的一個橋路，可固定在靠近齒輪的地方，其測量原理如圖３所示。

當齒輪沿Ｙ軸方向轉動時，由于氣隙處的磁力線發生變化，磁路中的磁阻也隨之改變，從而可在傳感器上產生電信號。此外，該傳感器具有很強的方向性，它對沿Ｙ軸轉動的物體十分敏感，而對沿Ｚ軸方向的振動或抖動量很不敏感。這正是測量轉速所需要的。

工作時，傳感器產生的電信號首先通過ＥＭＩ濾波器濾除高頻電磁干擾，然后經過前置放大器，再利用施密特觸發器進行整形以獲得控制信號ＵＫ，并將其加到開關控制式電流源的控制端。ＫＭＩ１５－１的輸出電流信號ＩＣＣ是由兩個電流疊加而成的，一個是由恒流源提供的７ｍＡ恒定電流ＩＨ，另一個是由開關控制式電流源輸出的可變電流ＩＫ。它們之間的關系式為：

ＩＣＣ＝ＩＨ＋ＩＫ　　　

當控制信號ＵＫ＝０（低電平）時，該電流源關斷，ＩＫ＝０，ＩＣＣ＝ＩＨ＝７ｍＡ。當ＵＫ＝１（高電平）時，電流源被接通，ＩＫ＝７ｍＡ，從而使得ＩＣＣ＝１４ｍＡ。圖４給出了從Ｕ－端輸出的方波電流信號的波形，其高電平持續時間為ｔ１，周期為Ｔ。輸出波形的占空比Ｄ＝ｔ１／Ｔ＝５０％２０％。上升時間和下降時間分別僅為０．５μｓ和０．７μｓ。

ＫＭＩ１５芯片中的電壓控制器實際上是一個并聯調整式穩壓器，可用于為傳感器提供穩定的工作電壓ＵＣ。而電阻Ｒ３、穩壓管ＶＤＺ和晶體管ＶＴ１則可構成取樣電路，其中ＶＴ１接成射極跟隨器。Ａ２為誤差放大器，ＶＴ２為并聯式調整管。這樣，ＩＨ在經過Ｒ１、Ｒ２分壓后可給Ａ２提供基準電壓ＵＲＥＦ，從而在ＵＣＣ發生變化時，由Ａ２對取樣電壓與基準電壓進行比較后產生誤差電壓Ｕｒ，同時通過改變ＶＴ２上的電流來使ＵＣ保持不變。

３　ＫＭＩ１５－１的典型應用

３．１ 安裝方法

ＫＭＩ１５－１應當安裝在轉動齒輪的旁邊。若被測轉動工件上沒有齒輪，亦可在轉盤外緣處鉆一個小孔，套上螺扣，再擰上一個螺桿并用彈簧墊圈壓緊，以防止受震動后松動，并以此代替齒尖獲得轉速標記信號。

３．２ 典型應用電路

ＫＭＩ１５－１型集成轉速傳感器的典型應用電路如圖５（ａ）所示。工作時，轉速傳感器輸出方波電流信號，從而在負載電阻ＲＬ與負載電容ＣＬ上形成電壓頻率信號ＵＯ（ｆ），并送至二次儀表。通常取ＲＬ＝１１５Ω、ＣＬ＝０．１μＦ。需要指出：ＫＭＩ１５－１輸出的是齒輪轉動頻率ｆ（單位是Ｈｚ，即次／ｓ）信號，欲得到轉速ｎ（ｒ／ｍｉｎ），還應將ｆ除以齒輪上的齒數Ｎ，并將時間單位改成分鐘，公式如下：

ｎ＝６０ｆ／Ｎ　　　

圖５（ｂ）所示電路是由二極管ＶＤ、穩壓管ＶＤＺ和電容Ｃ１構成的靜電放電（ＥＳＤ）保護電路，該電路可吸收２ｋＶ的ＥＳＤ電壓，因而可對芯片起到保護作用。此外，還需注意，在存放ＫＭＩ１５系列產品時，不要將多個芯片放在一起以防磁化。