高轉(zhuǎn)速磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的研制與生產(chǎn)新工藝

薛滔

（新鄉(xiāng)北方車輛儀表有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

車輛用的發(fā)動(dòng)機(jī)在全工作狀態(tài)控制過(guò)程中，轉(zhuǎn)速是表征性能、反映狀態(tài)的重要參數(shù)，同時(shí)也是系統(tǒng)閉環(huán)控制和狀態(tài)監(jiān)控的控制變量。轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)位置是在發(fā)動(dòng)機(jī)或變速箱的變速齒輪處。這就要求轉(zhuǎn)速傳感器應(yīng)能可靠地工作在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，而且測(cè)量范圍大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐高溫，抗干擾能力強(qiáng)。目前轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法很多，有磁電式、光電式、霍爾式等。其中磁電式轉(zhuǎn)速傳感器屬能量轉(zhuǎn)換式傳感器，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能輸出。以非接觸的形式測(cè)量表面為金屬導(dǎo)體的物體的轉(zhuǎn)速，無(wú)需媒介源電路。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測(cè)量范圍大、抗干擾能力強(qiáng)，體積較小等特點(diǎn)，可測(cè)量幾十～幾萬(wàn)轉(zhuǎn)／分的轉(zhuǎn)速范圍，因而應(yīng)用廣泛。

1 設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)

圖1 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

高轉(zhuǎn)速磁電式轉(zhuǎn)速傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的，它是由傳感器及測(cè)速齒輪組成，傳感器的凸臺(tái)正對(duì)齒輪的齒，如圖1所示。傳感器的凸臺(tái)與齒輪的齒之間有氣隙δ，氣隙δ的交替變化周期性地改變磁路中傳感器鐵磁材料的磁導(dǎo)率μ，磁導(dǎo)率μ周期性的變化引起通過(guò)永磁材料上線圈的磁通量的變化，從而在線圈兩端輸出周期性、上下對(duì)稱的脈沖電壓信號(hào)，如圖2所示。脈沖信號(hào)的波形與齒輪的齒型有關(guān)，圖中所示是漸開(kāi)線型齒輪的齒型對(duì)應(yīng)的正弦波形。

高轉(zhuǎn)速磁電式轉(zhuǎn)速傳感器是將非電量轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)稱的脈沖信號(hào)，然后由轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，提供給后面的處理電路使用。脈沖的額率值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為；

其中：n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、f為脈沖的頻率值、z為音輪的齒數(shù)

從公式中可以看出，音輪的齒數(shù)z是個(gè)常數(shù)，轉(zhuǎn)速n與脈沖的頻率值f成正比關(guān)系。脈沖的頻率值f是數(shù)字量，其抗干擾能力強(qiáng)，精度高。

圖2 傳感器輸出脈沖信號(hào)波形

鐵磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

其中：H為磁場(chǎng)強(qiáng)度、μ為鐵磁材料的磁導(dǎo)率

線圈的磁通量為

由于線圈的截面積是不變的，所以上式可寫為：

其中：N為線圈匝數(shù)、S為線圈的截面積、B為鐵磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度

線圈的感生電動(dòng)勢(shì)為

其中：N為線圈匝數(shù)、S為線圈的截面積、B為鐵磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度、μ為鐵磁材料的磁導(dǎo)率

在上式中，線圈匝數(shù)N、鐵磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和線圈的截面積s三個(gè)參數(shù)是常量，當(dāng)這三個(gè)參數(shù)確定時(shí)，感生電動(dòng)勢(shì)E的變化只與鐵磁材料的磁導(dǎo)率μ有關(guān)，并且感生電動(dòng)勢(shì)E的大小與鐵磁材料的磁導(dǎo)率μ成正比關(guān)系，但方向相反。

傳感器的凸臺(tái)與音輪的齒之間的氣隙δ的大小及變化的快慢直接影響鐵磁材料的磁導(dǎo)率μ，進(jìn)而影響線圈的輸出電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)氣隙δ增加或變化減慢時(shí)，鐵磁材料的磁導(dǎo)率μ降低，磁路的磁阻R增加，磁通量準(zhǔn)減少，感生電動(dòng)勢(shì)E值變小；當(dāng)氣隙δ減少或變化加快時(shí)，鐵磁材料的磁導(dǎo)率μ升高，磁路的磁阻R減少，磁通量準(zhǔn)增加，感生電動(dòng)勢(shì)E變大。氣隙δ小或變化快時(shí)，靈敏度高；氣隙δ大或變化慢時(shí)，靈敏度低。

2 材料的選擇

傳感器輸出信號(hào)的頻率與測(cè)速齒輪的齒數(shù)和被測(cè)物體轉(zhuǎn)速的關(guān)系如式(1)所示，這種關(guān)系只與傳感器的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，與傳感器各組成部分的選材無(wú)關(guān)。但是，傳感器輸出信號(hào)的大小卻與材料的選擇密切相關(guān)，永磁材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)、線圈的匝數(shù)越多、線圈的截面積越大、鐵磁材料的磁導(dǎo)率越高．傳感器輸出信號(hào)的峰--峰值越大。

（1）永磁材料的選擇：高磁場(chǎng)強(qiáng)度、小剩磁和矯頑磁力，電阻率高、損耗小、磁性能穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)小。選用的永磁材料的磁導(dǎo)率μ要受溫度的影響小，可以選用釹鐵硼或鋁鎳鈷做永磁材料磁芯。如果長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下工作，為保障不退磁，磁芯可選用耐高溫釹鐵硼(N40UH)材料。磁芯可線切割成圓柱形或長(zhǎng)方形。

（2）鐵磁材料和測(cè)速齒輪材料的選擇：高磁導(dǎo)系數(shù)μ、高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、小剩磁和矯頑磁力，電阻率高、損耗小磁性能穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)小、加工性好、價(jià)格便宜。可選用電工鋼。

（3）線圈常用高強(qiáng)度漆包線繞制。一般用線直徑為d：0.O6～0.10 mm的漆包線。選用低電阻率、高強(qiáng)度的細(xì)線，可提高線圈匝數(shù)，從而提高傳感器的靈敏度。4.骨架采用高頻損耗小，膨脹系數(shù)小。有一定的強(qiáng)度，抗潮濕性能好的絕緣材料制成，要求高的可采用聚四氟乙烯。5.灌封膠在環(huán)境要求不高的情況下可采用環(huán)氧樹(shù)脂灌注。當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)+70℃時(shí)為防止膠體老化應(yīng)采用高溫、高阻抗膠，其中“南京喜力特膠粘劑有限公司”生產(chǎn)的W-200型膠適用溫度達(dá)到-55～+200℃。

3 生產(chǎn)制造新工藝

（1）鐵磁材料要經(jīng)過(guò)適當(dāng)熱處理，熱處理的目的是去除鐵磁性材料在剪切加工時(shí)的殘余應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力，不改變晶體結(jié)構(gòu)，以提高鐵磁材料性能的穩(wěn)定。熱處理的好壞直接影響材料的線性、零位電壓的大小和靈敏度的高低。材料晶體的排列，主要取決于退火時(shí)的降溫速度，上升溫度的速度影響不大。所以，要嚴(yán)格控制降溫速度，當(dāng)爐溫升至910℃時(shí)，應(yīng)保溫4小時(shí)后，控制溫度以每小時(shí)不大于50℃的速度降至500℃，然后隨爐降至200℃以下出爐。退火后要酸洗、鍍鎳。

鐵磁材料磁芯在熱處理、電鍍、充磁后要進(jìn)行退磁處理，以提高磁芯的磁穩(wěn)定性。

（2）骨架的加工精度要求高，尺寸和形狀要嚴(yán)格對(duì)稱，材料要有一定的強(qiáng)度，防止繞線時(shí)變形。

（3）在纏繞線圈時(shí)，要使用繞線機(jī)，繞成階梯形狀，以提高傳感器的分辨率繞線時(shí)要戴手套，防止汗水腐蝕漆包線。繞完后用絕緣紙將線圈包起來(lái)，防止線圈與殼體短路。

（4）引出線要用高頻電纜，在焊接時(shí)要用細(xì)砂紙打磨掉電纜和漆包線表面的氧化層，并套上絕緣套管。應(yīng)選用導(dǎo)磁性能好的材料作保護(hù)外殼，同時(shí)起到磁屏蔽的作用。使用要求高時(shí)，也可用導(dǎo)電材料設(shè)置靜電屏蔽層，以減少外界電磁場(chǎng)的干擾。近年來(lái)隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器的需求量猛增。為提高效率，在生產(chǎn)工藝上已經(jīng)有了很大的改進(jìn)和提高。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，骨架在注塑成型時(shí)將接線銅柱同時(shí)注塑在骨架上，線圈由繞線機(jī)纏好后，將漆包線、引出線與接線柱由對(duì)焊機(jī)直接焊接完成，即保證了焊接的可靠性，班日產(chǎn)量也由原來(lái)的300件提高到了1 500件。

（5）機(jī)芯部件裝進(jìn)外殼后應(yīng)由灌封膠灌注傳感器的內(nèi)部，以固定線圈、磁芯、鐵磁材料。傳統(tǒng)的方法是灌封膠配好后由人工逐件灌注，班日產(chǎn)量300-500件。隨著技術(shù)的進(jìn)步，各種專業(yè)設(shè)備的完備，采用自動(dòng)灌膠機(jī)進(jìn)行灌封，替代了人工配膠、灌注，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，班日產(chǎn)量1 500-2 000件。由于灌膠機(jī)是采用高壓氣體為動(dòng)力進(jìn)行灌注的，有效防止了傳統(tǒng)方法灌注時(shí)出現(xiàn)的氣泡現(xiàn)象。

4 存放

永磁材料應(yīng)與成品的傳感器分開(kāi)一定的距離存放，以防降低永磁材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度。傳感器凸臺(tái)端面的磁感應(yīng)強(qiáng)度，最終影響傳感器的使用性能。

5 結(jié)論

傳感器輸出脈沖的峰--峰值(V)如表1所示。

表1 傳感器輸出脈沖的峰

數(shù)據(jù)表明：轉(zhuǎn)速越高，氣隙越小，傳感器輸出的信號(hào)越大，這一結(jié)論與傳感器的設(shè)計(jì)原理一致。

傳感器工作的環(huán)境溫度在材料允許的范圍內(nèi)，而且發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速工況下的工作時(shí)間短．線圈不會(huì)出現(xiàn)高溫疲勞現(xiàn)象。但是，在使用中出現(xiàn)過(guò)傳感器輸出的脈沖信號(hào)峰一峰值變小的情況，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)是在高溫環(huán)境下，傳感器凸臺(tái)的端面磁感應(yīng)強(qiáng)度降低造成的。在高溫箱及轉(zhuǎn)速校驗(yàn)臺(tái)上多次試驗(yàn)后，確定其原因是永磁材料和鐵磁材料的質(zhì)量和熱處理工藝問(wèn)題。經(jīng)過(guò)重新選材、加工，并嚴(yán)格按照熱處理工藝進(jìn)行熱處理后，制造的傳感器輸出的脈沖信號(hào)峰一峰值長(zhǎng)期保持不變，其使用性能穩(wěn)定可靠。

[1]袁希光.傳感器技術(shù)手冊(cè)[Z].北京：國(guó)防工業(yè)業(yè)出版社，1986.