基于电磁感应原理的频率式转速传感器设计

武晋文 李磊 宋继红

太原航空仪表有限公司，山西太原 030006

0 前言

转速传感器是将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器。转速传感器属于间接式测量装置，可用机械、电气、磁、光和混合式等方法制造[1]。转速传感器在汽车、机械制造、航空航天等领域具有非常广泛的应用，特别是用来测量汽车、飞机及其他航天器的发动机转速[2]。

频率式转速传感器利用电磁感应原理，将转速信号转换为周期性变化的频率电压信号，通过测量输出的频率电压信号计算出转速源实时转速的一种装置。

目前，国外的转速传感器主要由美国的霍尼韦尔公司和日本的小松公司进行生产，而国内从事转速传感器研发和生产的单位数量较少，几乎全靠进口，仅上海航振仪表有限公司具有一定规模。

国内的转速传感器种类主要有磁敏式、激光式、电磁感应式和变磁阻式，主要用于电力、石油、化工、汽车等工业部门。磁敏式和激光式转速传感器都需要外接电源，使用不便；变磁阻式转速传感器稳定性差，振动条件下难以应用；电磁感应频率式转速传感器不需外接电源，工作稳定性好，应用广泛，因此开展频率式转速传感器研究工作具有重要的现实意义。

频率式转速传感器的研制难点在于线圈材料的选取和绕线方式、绕线圈数的确定、磁芯材料的选取和磁芯的尺寸结构设计，还有线圈和磁芯的固定及传感器整体结构设计等，这些因素会影响转速传感器输出信号的强弱和稳定性，以及工作温度范围和使用寿命。因此，目前转速传感器的国内研发水平较低，急需开展相关研究工作，研制高精度、高可靠性的、完全国产化的转速传感器产品。

频率式转速传感器具有体积小、性能可靠、寿命长、不需要外加电源和润滑油等优点[3]，与一般性二次仪表均可配套使用。

1 工作原理

频率式转速传感器利用电磁感应原理进行设计，为非接触式转速传感器。传感器主要由永久磁铁和线圈组成，它必须配置音轮才能工作。音轮的前端与转速源相连接，音轮旋转时，轮齿靠近磁头，磁阻减小，轮齿偏离磁头，磁阻增大，这样，磁通量呈现出周期性的变化，便产生了感应电动势[4]，这种感应电动势的频率和幅值均随音轮轮齿的通过频率而相应发生变化，通过测量输出的频率电压信号，可以解算出转速源的实时转速。转速传感器工作原理如图1 所示，音轮外形如图2 所示。

感应电动势的频率与音轮轮齿的通过频率成正比，即与音轮的转速成正比，其关系如公式（1）所示。

其中，f——感应电动势的频率（单位：Hz）；

z——音轮的转齿个数；

n——音轮的转速（单位：r/min）。

所以，只要音轮轮齿数确定，通过测试传感器输出信号的频率值f，就可以推算出转速源的转速。

频率式转速传感器是有源传感器，信号幅值U的大小与轮齿转速有关，幅值U随转速的变化而变化，转速越高，幅值U越大[5]。幅值U和转速传感器探头、音轮轮齿的距离d密切相关，d越小，输出电压幅值U越大，一般d的取值在0.5～1.5 mm[6]。

2 传感器详细设计

传感器共由5 部分组成，包括外壳、铝质插头、电连接器以及磁芯和线圈[7]。外壳和铝质插头的作用主要是进行密封以及对外做机械连接。打开外壳，传感器内部结构由3 部分组成：电连接器以及磁芯和线圈。两组线圈之间通过胶布隔离，分别密绕在电连接器的内层和外层，两组线圈的4 个端子与电连接器的4 个接线柱对应连接，磁芯通过灌胶固定在电连接器的内部。外壳与铝制插头通过两颗螺钉固定后再通过机械滚边将两者连接在一起。传感器外形及分解图如图3 所示。

传感器外壳材料为0Cr18Ni10Ti 不锈钢，保证传感器有足够的强度，可长时间使用而不会发生形变，同时，该材料有很好的耐腐蚀性，从而保证转速传感器具有良好的耐腐蚀性能，适合各种环境条件下使用。

电连接器选取酚醛模压电连接器，安装于传感器内部，四周用密封胶填充，4 根接线柱与插头连接，无直接与外部环境接触的部分，保证传感器具有良好的密封性，防止水汽及空气中杂质进入，从而保护内部线圈和磁芯。同时，通过灌胶的方式使传感器内部结构完全固定为一个整体，有效预防变形，具有寿命长的特点，该传感器的设计寿命为10 年。

磁芯为传感器的关键部件，是输出信号能否满足要求的决定性因素。磁芯材料为铝镍钴系永磁材料，该材料具有高Br（剩余磁感应强度）、低矫顽力、温度系数小、重量轻、原材料来源丰富、耐腐蚀氧化、各向异性系数大、性能稳定及成本低等优点，是应用最为广泛的永磁材料之一[8]。

传感器线圈采用Φ 0.1 mm 的铜漆包线，由于传感器需要在较宽的环境温度范围中使用，加工过程中需要数千匝的绕制，线圈每匝之间必须保证绝缘，对漆包线的强度、所包漆的质量及绕制手法都有比较高的要求。

传感器其余零部件均选择高可靠性的原材料进行设计和加工。

传感器采用双路输出设计[9]，内部有两组独立线圈，在测试过程中会产生两组感应电动势，同时对这两组感应电压信号进行测试，将二者结果求平均值，得到的转速值具有较高的精确度[10]。

传感器的设计尺寸约为Φ 30 mm×50 mm，在无源转速传感器设计中，该传感器具有较小的体积。

3 测试设备及方法

传感器测试设备包括两部分：转速源部分和传感器输出测试部分。

转速源采用GZJY-3 型转速标准装置，该装置主要由主机、电机平台、测试电缆及音轮组成。电机和音轮装配在一起，电机转动时音轮随之一起转动；主机用来控制和显示电机及音轮的实时转速，转速范围100～6,600 r/min，本设计中音轮转齿个数为z=15。

传感器输出测试部分主要包括数字多用表和测试电缆，如图4 所示，将转速传感器通过专用测试电缆与两台数字多用表连接，数字多用表测量精度应不低于6 位半。具体测试步骤如下：

（1）将传感器固定于转速传感器测试台上，调整传感器底部与感应器的距离，使其间距在1.2～1.3 mm 之间；

（2）两台数字多用表分别与被测传感器输出管脚的1、2 脚和3、4 脚连接；

（3）打开转速传感器测试台电源开关，输入转速值500 rpm，当转速测试台显示转速稳定后，输入转速标称值1,000 rpm，当转速测试台显示转速稳定后，调整数字多用表至频率档，记录两台数字表的显示频率；调整数字多用表至交流电压档，记录两台数字表的显示电压；

（4）以输入转速值与当前转速值之差不得大于500 rpm 的速率，将转速测试台的转速稳步增加至5,000 rpm，每次调整转速值前应保证转速测试台显示转速稳定，当转速测试台显示转速（5,000 rpm）稳定后，调整数字多用表至频率档，记录两台数字表的显示频率；调整数字多用表至交流电压档，记录两台数字表的显示电压。

传感器的输出频率、电压值及计算后得到的转速值如表1 所示。

通过表1 可以看出，转速越大，传感器输出的交流电压幅值越大，而且该传感器具有较高的测试精度，测试误差在0.1 rpm 以内。

表1 转速传感器输出信号

4 结论

为研究电磁感应式转速传感器的原理、结构和测试方法，对基于电磁感应原理的转速传感器进行了详细设计，包括传感器的结构、输入输出和测试设备及方法等。结果表明，该转速传感器具有输出精度高、耐高低温、耐腐蚀、体积小、可靠性高、寿命长、不需外接电源和外加润滑油等优点，缺点是必须配合音轮进行使用，有一定的使用局限性。