1 引言
转速的测量在国民经济的各个领域中应用是非常广泛的,选择合适的敏感元件,制成传感器,并研制出相应的仪表至关重要。以往该类仪表多采用半导体InSb磁敏元件制成传感器,而一般半导体材料温度系数较大,在测量中当温度变化时,难以保证测量精度,这就要求在转速表设计制造中增加相应的温度补偿措施,使仪表变得复杂。
本文选择金属强磁体磁阻元件制成传感器,它的某些性能优于半导体磁敏元件。仪表的中央处理单元采用集成芯片89C51。充分利用单片机的逻辑运算能力,实现了测量周期为0·1s的快速测量和数字显示,大大优于一般的转速表。该智能化仪表有精度高、性能价格比高、测量和使用简单方便等突出优点。
2 磁敏转速传感器
转速传感器采用金属强磁体磁阻元件作为敏感元件,它是由铁、钴、镍合金制成的薄膜型元件,与半导体材料制成的磁阻元件相比,它具有倍频输出,因此有利于速度控制和旋转控制;它的温度系数小,温度特性好;由于镍、钴合金与氧和其它有害气体不会产生化学变化,所以稳定性好。故被选用。在转速传感器中是利用它的定向磁阻效应,即在一定的磁场范围内,金属强磁体的电阻率只与磁场方向和电流方向的夹角有关,而与磁场强度的大小无关,可由下式表示:
式中ρ(θ)———磁阻元件中电流方向与磁场方向夹角为θ时元件的电阻率ρ⊥、ρ∥分别表示元件中电流方向与磁场方向垂直和平行时元件的电阻率。可见,元件电阻率与θ角成周期性变化。元件为三端结构,如图1中心部分所示,它是由特性和尺寸完全一样的两只电阻互相垂直排列而成。在恒压驱动时输出电压为:
式中V(θ)———磁阻元件电流方向与磁场方向夹角为θ时的输出电压
Vcc———磁阻元件的驱动电压
由上式可见,输出电压的变化频率等于旋转频率的2倍,即倍频输出。
图1所示为由磁阻元件组成的转速传感器结构示意图。铜轴固定在基座上,磁阻元件粘贴在铜轴上,圆筒状的铝外壳与轴滑动配合,可在轴上旋转。在壳的内壁上安放两块永久磁铁,两侧各置一块硅钢片,使穿过磁阻元件的磁力线集中并尽量保持平行。测量转速时,把传感器安装在被测旋转体的一端,使传感器外壳与之同步旋转。这样,传感器中永久磁铁的磁力线则相对于磁敏电阻片旋转,即磁场方向与电流方向之间的夹角θ在周期性的变化,使磁敏传感器上产生周期性的输出电压。当被测旋转体每转动一周时,传感器输出两个周期的正弦形脉冲信号。
3 转速仪电路
图2所示为转速仪框图。中央处理单元采用89C51集成芯片,与8031芯片相比,它内部包含4k字节电擦抹只读存储器,可以省掉程序存储器EPROM和地址锁存器,同时,程序的写入和擦抹速度也比E-PROM快得多。
传感器驱动和信号放大电路如图3所示。磁敏电阻由±1·5V直流电源供电,磁敏元件中的垂直电阻、水平电阻、R1、R2和电位器W组成电桥,以便和后面的差动放大电路联接。放大器是由U1、U2和U3三个集成运算放大器组成的高输入阻抗和高共模抑制比的差动放大电路。在电路调试时,通过电位器W可以把输出信号调节到对地对称的波形。
信号整形电路如图4所示。U4是由集成运算放大器组成的过零比较器,它将正弦波变成边沿陡峭的方波,再由施密特触发器U5整形以提高抗干扰能力。
显示器由89C51串行口通过移位寄存器驱动四位静态LED显示电路,用四位数字直接显示转速。数据采样及采样周期是由中断INT0和计数器/定时器T0与T1来完成的。数据采样时,T0设定为方式1定时器状态。由信号脉冲的两个相邻下降沿在INT0端申请中断,以启动和终止T0对时钟计数。这个计数过程经历的时间就是信号脉冲的一个周期,也就是被测旋转体旋转半周的时间,可由下式计算:
式中n———被测旋转体的转速,r/min
量程的下限为nmin=60r/min,对应的最大计数时间为0.5s。当时钟脉冲为1μs时,则最大计数值为5×105,这个数值已超出了T0的两个字节的计数范围,因此还需外加一个字节的计数器。当T0计数溢出时,由外加字节计数器计数。
采用周期T是把T1设定为方式1定时器状态,用来产生规定的采样周期。采样周期至少应为采样最大间隔时间的两倍,这里取1s,同样需要外加一个字节的计数器。考虑到转速仪可能用于高速情况下的即时控制,在转速高于600r/min时,可由周期转换开关选择,把采样周期设定为0·1s.采样过程的时序如图5所示。
4 软件要点
该转速仪设计程序大致有:系统主程序、初始化程序、中断服务程序、运算程序、BCD转换和显示程序等。图6为主程序框图。一个采样周期由开中断并启动T1开始,然后检测T1终止标志,等待INT0、T0和T1申请中断,当响应中断后,立即执行中断服务程序。INT0中断服务程序:第一次中断时开启T0.第二次中断时关闭T0,禁止INT0中断,然后进行数据处理并显示转速。
T0中断服务程序:把T0的外加一字节计数器加1。T1中断服务程序:把T1的外加一字节计数器加1。若未到定时时间,则返回。若到,则置T1终止标志后返回。主程序检测到这个标志后,结束一个采样周期。该转速仪经过理论分析和实际测量,该转速仪的误差是很小的。在理论上,一个计数期间内误差为±1个脉冲。时钟脉冲的周期Tc为1μs,最大相对误差是产生在量程的上限,即转速为9999r/min,其计数时间为:
经实际运行测试,最大相对误差小于5×10-4。可见,其测量精度还是较高的。
5 结束语
智能磁敏电阻转速仪可在60~9999r/min的范围内测量转速,完全可以满足机械、运输等各行业转速测量的需要。由于传感器的温度系数小,在测量温度变化较大的各种机械、内燃机等设备的转速时,更显示出其优越性,因此,它有着广阔的应用前景。
参考文献
1 黄得星著.磁敏感器件及其应用.北京:科学出版社,1987.
2 鲍鸿,周莉,徐恕宏著.智能霍尔转速仪跟踪测量方法的研究.仪表技术与传感器,1996;6
3 李华主编.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京:北京航空航天大学出版社,1993.
本文作者：姜 翌 孙承松 李 伟 关 杰
