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轉速傳感器分類和原理
一、轉速傳感器的類型及工作原理
轉速傳感器大致分為電渦流式、磁電式、霍爾式和磁阻式四種類型。其中，磁電式轉速傳感器是被動式轉速傳感器，又稱無源轉速傳感器；相對應的，電渦流式、霍爾式和磁阻式轉速傳感器是主動式轉速傳感器，也稱有源轉速傳感器，有一個電源電路為傳感器提供外部電壓供電，在外部供電無法提供時，主動式轉速傳感器將無轉速信號產生。
轉速信號的采集過程實際上可以看作是對旋轉件的測速過程。轉速測量常用的電渦流式和磁電式等也曾應用于汽車輪速信號的測量。相比較而言，電渦流式轉速傳感器工作可靠，信號強，容易實現轉速測量，價格適中，受環境因素（如溫度、水、油污、各種粉塵等）的影響較小，基于以上優點，電渦流式轉速傳感器在轉速信號的采集中應用廣泛。
1、電渦流式轉速傳感器
電渦流式轉速傳感器基于電渦流效應。當接通傳感器電源時，在前置器內會產生一個高頻電流信號，該信號通過電纜送到探頭的頭部，在頭部周圍產生交變磁場H1，見圖1。如果在磁場H1的范圍內沒有金屬導體材料接近，則發射出去的交變磁場的能量會全部釋放；反之，如果有金屬導體材料靠近探頭頭部，則交變磁場H1將在導體的表面產生電渦流場，該電渦流場也會產生一個方向與H1相反的交變磁場H2。由于H2的反作用，就會改變探頭頭部線圈高頻電流的幅度和相位，即改變了線圈的有效阻抗。這種變化既與電渦流效應有關，又與靜磁學有關，即與金屬導體的電導率、磁導率、幾何形狀、線圈幾何參數、激勵電流頻率以及線圈到金屬導體的距離參數有關。假定金屬導體是均質的，其性能是線性和各向同性的，則線圈─金屬導體系統的物理性質通常可由金屬導體的磁導率μ、電導率σ、尺寸因子r、線圈與金屬導體的距離δ，線圈激勵電流強度I和頻率ω等參數來描述。因此線圈的阻抗可用函數Z=F（μ，σ，r，δ，I，ω）來表示。
如果控制μ，σ，r，I，ω恒定不變，那么阻抗Z就成為距離δ的單值函數，由麥克斯韋爾公式可以求得此函數為一非線性函數，其曲線為“S"形曲線，在一定范圍內可以近似為一線性函數。
在轉速測量實際應用中，被測體通常是凹槽或凸鍵或齒輪，線圈密封在探頭中，線圈阻抗的變化通過封裝在前置器中的電子線路處理轉換成電壓或電流輸出。這個電子線路并不是直接測量線圈的阻抗，而是采用并聯諧振法，見圖2：
即在前置器中將一個固定電容和探頭線圈LX并聯并與晶體管T一起構成一個振蕩器，振蕩器的振幅UX與線圈阻抗成正比，因此振蕩器的振幅UX會隨探頭與被測體頂面和底面距離的交替改變而改變。UX經檢波、濾波、放大、整形后輸出轉速信號UO，見圖3，根據使用需要UO也可以是方波。
2、磁電式轉速傳感器
磁電式轉速傳感器基于電磁感應原理，利用電磁感應把被測對象的運動轉換成線圈的自感系數和互感系數的變化，再由電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，實現非電量到電量的轉換。
由電磁感應定律可知，通過回路面積的磁通量發生變化時，回路中會產生感應電動勢，如公式（1）所示：
由式（1）、（2）可見，磁通量的變化決定了感應電動勢的輸出，磁通量的變化頻率決定了感應電動勢的輸出頻率。電感式轉速傳感器工作原理結構如圖4所示。
當旋轉件運動時，齒圈隨半軸轉動，齒圈的齒形變化引起齒圈與**磁鐵間隙的變化，繼而對磁通量造成影響，感應線圈中的感應電動勢隨之變化。通過對輸出電勢的頻率統計，可知旋轉件轉速為：
3、霍爾式轉速傳感器
霍爾式轉速傳感器基于霍爾效應，由霍爾組件結合電子元件組成，霍爾元件外加與電流方向垂直的磁場，在霍爾元件的兩端會產生電勢差，即霍爾電勢差。
值得注意的是，自由電子濃度n受溫度影響較大，要注意消除溫度變化造成的影響。
霍爾式轉速傳感器工作原理結構如圖5所示。具有磁化軌道的轉軸或磁性軸用于產生磁場，**背磁用于產生偏轉磁場。A和B可統稱為編碼器。
旋轉件運動時，編碼器轉動，霍爾式轉速傳感器檢測到編碼器的磁通量的大小變化。通常傳感器內部包含兩個霍爾元件，運動過程中產生具有一定相位差的波形，兩波形經差分放大，實現精度和靈敏度的提高。
旋轉件轉速也可用式（3）表示，其中f表示為霍爾電壓的信號頻率。
4、磁阻式轉速傳感器
可變磁阻式轉速傳感器基于磁阻效應，與霍爾效應類似的是，在磁阻效應元件上接通電流和通過磁場，這里的磁場與電流成角度α設置，如圖6，這樣磁場耦合到磁阻效應元件（一般為鐵磁材料制作的薄板，稱之為韋斯磁疇）方向的磁通量的變化率發生變化，從而改變元件的電阻（系數）。
當外部磁場與磁阻元件中的電流之間的夾角α發生變化時，磁阻元件電阻R變化，有：與霍爾元件的信號處理類似，當需要消除零點漂移時可以做差分處理，磁阻元件可以通過添加磁阻元件以外調整電橋結構進行差分放大，一般常用的是采用六橋結構。旋轉件轉速也可用式（3）表示，其中，f表示為霍爾電壓的信號頻率。
二、轉速信號的處理
轉速信號采集后，還需要進行限幅、濾波等信號處理，從而使主機能夠使用更穩定有效的轉速信息。
1、轉速信號類型
首先要區分采集后轉速信號類型，輸出信號類型主要有如圖8所示。
圖8（a）中表示被動式轉速傳感器的輸出波形，這是一種類似于正弦波的波形，其頻率、幅值的變化與氣隙（傳感器測試端外表面與靶目標間的距離）和編碼器的旋轉頻率有關。
圖8（b）、（c）、（d）中表示主動式轉速傳感器的輸出波形，一般采用電渦流式或霍爾元件或磁阻元件。
圖8（b）表示高低電流交替進行的方波信號。一般來說，在傳感器允許的氣息范圍內，方波信號的參數是基本一致的，或者說是有效的。這里的參數主要包括高電流 、低電流 和占空比t/T（一般為50%），參數有效體現在數值處于一定區間內，這主要是由芯片性能確定，一般要求 處于11.5mA～16.8mA， 處于5.7mA～9.6mA，占空比30%～70%。輸出參數穩定有效，與轉速傳感器相連接的處理單元才能有效識別出轉速。
圖8（c）、（d）中的傳感器相當于圖8（b）中傳感器的升級版，表現在通過一定的方式體現出轉速處更多的信息。
圖8（c）中方波 的脈寬相對于半周期 較窄（這里要注意的是：相對于圖8（b），PWM協議傳感器占空比也是50%的上下區間，但不是 ，而是 ），這是該類傳感器通過脈寬調制的方式輸出額外信息，包括安裝氣隙的變化、旋轉件的正反轉以及其他的警告信息。
圖8（d）中的電流輸出多出了一系列電流方波，這一類傳感器通過電流方波組成的序列提供了附加信息，包括氣隙儲備、旋轉件正反轉等。相對于PWM協議的轉速傳感器，AK協議的轉速傳感器面對接近靜止的低速情況下，以及靜止情況（轉速為0）下具有更好的信息，體現在靜止情況下，AK協議中的轉速方波消失，但是后面9位的信息方波依然能夠輸出。
圖8（c）、（d）中的方波類型我們統稱為數據協議，具有數據協議的轉速傳感器大的優點是能夠判定旋轉件的正反轉，這大大提高了轉速傳感器在智能方面的應用。
2、轉速信號處理
當轉速傳感器在主機安裝固定好后，轉速信號的影響因素主要包括因振蕩導致的氣隙變化和齒圈的表面整潔度。另外，轉速信號隨旋轉件轉速的輸出信號，應是便于主機接收和處理的方波信號，也就是轉速傳感器需要對輸入信號（根據前面所述轉速信號采集方式的不同，輸入信號影包括模擬信號和數字信號）進行波形調制、穩壓、濾波以及智能式的補償調節等，要提高轉速測量的精度和準確性，轉速信號處理電路應具有的功能包括：
（1）正弦波信號轉換為同頻率的方波信號（相對于被動式轉速傳感器）；
（2）抑制噪聲干擾；
（3）降低氣隙變化對轉速信號的影響。
基于以上功能，轉速信號處理電路的設計如圖9所示。
其中，限幅處理主要相對于輸出波形微類正弦的信號，一般采用穩壓管，將輸出信號的輸出幅值限制在目標值。其限幅特性表現為：當穩壓管選取限制電壓為 時，輸入信號 時，輸出信號 時，輸出信號 。
濾波電路要將信號中的噪聲干擾信號濾除和衰減，一般來說，衰減高頻雜波是主要目的，這樣采用有源低通濾波電路，同時采用放大器芯片組合放大，從而得到有效的轉速信號。