Устройство для определения частоты вращения

 

Использование: в антиблокировочной системе тормозов автомобиля для измерения скорости вращения его колес и в микропроцессорной системе управления двигателем автомобиля для определения положения коленчатого вала и формирования угловых импульсов. Сущность изобретения: устройство содержит источник магнитного поля, датчик из четырех тонкопленочных магниторезисторов, расположенных на диэлектрической подложке и соединенных по мостовой схеме, зубчатый ротор из ферромагнитного материала, блок усиления и формирования выходного сигнала. В устройстве подложка с тонкопленочными магниторезисторами размещена на пластине из ферромагнитного материала, которая, в свою очередь, размещена на полюсе постоянного магнита, причем размер этой пластины составляет 0,5-1,2 площади поверхности полюса магнита, а толщина 0,3-0,5 мм, блок усиления и формирования выполнен по схеме триггера Шмидта на компараторе напряжения с делителем из двух резисторов, включенным между напряжением питания и выходом компаратора, неинвертирующий вход компаратора подключен к общей точке последовательно включенных диода и резистора, питание мостовой схемы осуществляется через цепь, состоящую из стабилитрона и резистора, между выходной диагональю мостовой схемы и входами блока усиления и формирования выходных импульсов включены фильтры верхних частот, образуемые резисторами и конденсаторами. 4 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к устройствам, измеряющим частоту вращения различных деталей и узлов и может быть использовано, в частности, в антиблокировочной системе тормозов автомобиля для измерения скорости вращения его колес и в микропроцессорной системе управления двигателем автомобиля для определения положения коленчатого вала и формирования угловых импульсов.

Известны устройства измерения частоты вращения, использующие в качестве чувствительного элемента катушку индуктивности [1]. Их существенным недостатком является малый рабочий зазор (менее 1 мм) между торцом устройства и зубом ротора, а также падение величины сигнала с уменьшением скорости вращения. В результате чего такие устройства неработоспособны на малых скоростях движения автомобиля.

Известно устройство измерения частоты вращения [2], использующее чувствительный элемент, содержащий тонкопленочные магниторезисторы, соединенные в мостовую схему. Его недостатками являются необходимость достаточно точной установки чувствительного элемента относительно источника магнитного поля (постоянного магнита) и необходимость выполнения постоянного магнита с узким желобом достаточно точных размеров. Весьма существенным недостатком является зависимость сигнала с чувствительного элемента от вихревых токов, наводимых во вращающемся роторе и, как следствие, приводящее к уменьшению величины рабочего зазора при увеличении частоты вращения.

Известно также устройство измерения частоты вращения [3], содержащее чувствительный элемент в виде четырех тонкопленочных магниторезисторов на плоской подложке, который установлен на постоянный магнит, причем чувствительный элемент определенным образом ориентирован относительно направления движения зубьев ротора и, кроме того, он установлен асимметрично относительно постоянного магнита, причем величина этой асимметрии составляет от 1/5 до 1/10 ширины чувствительного элемента. Недостатками являются зависимость сигнала от вихревых токов и необходимость точной юстировки чувствительного элемента.

Ближайшим техническим решением является устройство измерения частоты вращения [4] , содержащее чувствительный элемент в виде четырех тонкопленочных магниторезисторов на плоской подложке, который установлен на постоянный магнит, ориентированный нормально к поверхности подложки таким образом, что тангенциальная составляющая его поля рассеяния составляет с направлением протекания тока по магниторезистору угол 45±15 град., а между магнитом, непосредственно прилегая к его поверхности, и подложкой находится пластина из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью, установленная перпендикулярно направлению движения зубьев ротора таким образом, что два из магниторезисторов находятся над ней, а два - вне ее.

Недостатками такой конструкции являются: - значительная сложность изготовления такого устройства, поскольку необходимо достаточно точно ориентировать как магнит, так и пластину из ферромагнитного материала относительно магниторезисторов, находящихся в корпусе; - зависимость сигнала от вихревых токов.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является увеличение сигнала с чувствительного элемента и, как следствие этого, увеличение рабочего зазора между торцом устройства и зубом ротора; устранение влияния вихревых токов, а также устранение достаточно жестких геометрических требований на установку магниточувствительного элемента.

Решение данной задачи с получением необходимого технического эффекта осуществляется тем, что в известном устройстве для определения частоты вращения, содержащем источник магнитного поля в виде постоянного магнита, датчик из четырех размещенных на подложке тонкопленочных магниторезисторов, включенных по мостовой схеме, зубчатый ротор из ферромагнитного материала, блок усиления и формирования выходного сигнала, в отличие от устройства по прототипу подложка с тонкопленочными магниторезисторами размещена на пластине из ферромагнитного материала, которая, в свою очередь, размещена на полюсе постоянного магнита, причем размеры этой пластины составляют 0,5-1,2 площади поверхности полюса магнита, а толщина 0,3-0,5 мм; а также тем, что тонкопленочные магниторезисторы противоположных плеч моста установлены попарно, причем оба магниторезистора в паре ориентированы в одном направлении; а также тем, что блок усиления и формирования выходного сигнала выполнен по схеме триггера Шмидта на компараторе напряжения с делителем, образованным двумя последовательно включенными между напряжением питания и выходом компаратора резисторами, а неинвертирующий вход компаратора подключен к общей точке этих резисторов через дополнительный резистор, величина которого, по крайней мере, на порядок больше любого из резисторов делителя; а также тем, что для задания величины гистерезиса неинвертирующий вход компаратора через последовательно включенный резистор подключен к общей точке цепи, образованной последовательно включенными диодом и резистором, причем положительный вывод диода присоединен к положительному полюсу источника питания, а второй вывод резистора - к выходу компаратора; а также тем, что параллельно диагонали моста, подключенной к источнику питания, включен стабилитрон, причем его отрицательный вывод подключен к положительному полюсу источника питания, а между точкой соединения моста и положительного вывода стабилитрона и общей точкой схемы включен резистор; а также тем, что между выходной диагональю мостовой схемы и входами блока усиления и формирования выходного сигнала включены фильтры верхних частот, образуемые резисторами и конденсаторами.

Изобретение проиллюстрировано графическим материалом, где на фиг.1 показан общий вид устройства; на фиг. 2 - 4 - схемы блока усиления и формирования выходного сигнала.

Устройство содержит датчик магнитного поля, представляющий собой тонкопленочные магниторезисторы 1-4, соединенные в мостовую схему, размещенные на диэлектрической подложке 5, источник магнитного поля 6, плоский прямоугольный магнитопровод 7, устройство усиления и формирования выходного сигнала 8 и зубчатый ротор 9.

Устройство выполнено следующим образом. Плоская подложка 5 с тонкопленочными магниторезисторами 1-4 присоединена к плоскому прямоугольному магнитопроводу 7. На этот магнитопровод установлен источник магнитного поля 6. Одна из диагоналей моста подключена к источнику питания устройства усиления и формирования выходного сигнала 8. Другая диагональ подключена к входу устройства усиления и формирования выходного сигнала 8. Устройство усиления и формирования построено по схеме триггера Шмидта, выполненной на компараторе напряжение 10 без использования других активных элементов. Напряжение разбаланса моста напрямую поступает на входы компаратора 10. Напряжение положительной обратной связи с делителя 11, 12 поступает на вход компаратора 10 через резистор 13, величина которого по крайней мере на порядок больше, чем любой из резисторов 1-4, 11, 12. Для компенсации постоянной составляющей разбаланса моста, возникающей в результате действия цепи обратной связи, включен резистор 14. Для стабилизации величины гистерезиса при изменениях напряжения питания вместо резистора 11 включается диод 15. Для устранения зависимости чувствительности магниторезисторов моста при изменениях напряжения питания включается стабилитрон 16 и резистор 17, образующие параметрический стабилитрон напряжения. С целью устранения влияния вихревых токов между выходной диагональю моста и входами блока усиления и формирования включаются фильтры верхних частот, образованные резисторами 18 и 19 и конденсаторами 20 и 21.

Устройство работает следующим образом. Зуб ротора 9, приближаясь к подложке 5 с магниторезисторами 1-4, вызывает искажение магнитного поля, рассеиваемого источником постоянного магнитного поля 6, в результате чего в плоскости подложки появляется неуравновешенная продольная составляющая поля. Эта составляющая усиливается в μ раз, где μ - магнитная проницаемость материала магнитопровода, за счет прямоугольного магнитопровода 7, т.е. на магниторезисторы действует поле в μ раз больше. Размер магнитопровода составляет 0,5-1,2 площади поверхности полюса магнита. При меньших размерах эффективность действия резко падает. При больших уменьшается разрешающая способность всей магнитной системы. В результате этого в выходной диагонали моста появляется напряжение разбаланса, которое поступает на входы компаратора 10, заставляя его перейти из исходного состояния в другое. При этом с выхода компаратора напряжение положительной обратной связи через делитель 11, 12 подается на его неинвертирующий вход, тем самым подтверждая переход компаратора в это состояние. При удалении зуба ротора 9 от подложки с магниторезисторами искажение магнитного поля уменьшается и напряжение разбаланса в выходной диагонали моста приходит к первоначальному значению, что вызывает переход компаратора в первоначальное состояние. Переход компаратора из одного состояния в другое происходит с гистерезисом, величина которого определяется соотношением резисторов 11 и 12. Гистерезис необходим для устранения многократного переключения компаратора при переходе из одного состояния в другое в результате действия электрических помех и вибрации зуба ротора.

Влияние изменения напряжения питания в процессе работы устройства на величину гистерезиса исключается включением диода 14 вместо резистора 11, поскольку падение напряжения на открытом диоде не зависит от величины тока, протекающего через диод. Влияние изменения напряжения питания на чувствительность магниторезисторов устраняется тем, что питание моста осуществляется через параметрический стабилизатор напряжения 16, 17.

При увеличении скорости вращения зубчатого ротора 9 в нем наводятся вихревые токи, обусловленные действием источника постоянного магнитного поля устройства. Это приводит к появлению постоянной составляющей напряжения разбаланса моста, величина которой зависит от скорости вращения, что, в свою очередь, изменяет уровень срабатывания устройства. Как следствие этого, изменяется скважность выходных импульсов и в итоге нарушается работоспособность устройства. Для исключения этого напряжения разбаланса с выходной диагонали моста подается на входы компаратора через фильтры верхних частот из конденсаторов 20 и 21 и резисторов 18 и 19, в результате чего в силу бесконечно большого сопротивления фильтра постоянному току постоянная составляющая разбаланса моста не может попасть на входы компаратора и изменить порог его переключения.

Предлагаемое устройство было изготовлено следующим образом. Магниторезисторы были изготовлены методом напыления пермаллоя (80% Ni, 20% Fe) с последующей фотолитографией и созданием контактов из алюминия на пластине кремния с изолирующим слоем окиси кремния. Изготовленные таким образом магниторезисторы были герметизированы в стандартные пластмассовые корпуса с плоскими выводами. Затем к корпусу был приклеен эпоксидной смолой плоский магнитопровод размером 6·6·0,4 мм из электротехнической стали, на котором был размещен постоянный магнит из феррита бария 25БА170 размером 7·7·5 мм, намагниченный вдоль размера 5 мм. Блок усиления и формирования выходного сигнала был собран на компараторе 521САЗ. Печатная плата с установленными на ней элементами и присоединенной магнитной системой, включающей в себя подложку с магниторезисторами, магнитопровод и постоянный магнит, была затем помещена в корпус из алюминия и залита эпоксидным компаундом. Напряжение питания составляло 5В. В качестве зубчатого ротора использовался ротор системы антиблокировки тормозов диаметром 95 мм, длина зуба составляла 2,1 мм, расстояние между зубьями 4,3 мм. Величина рабочего зазора между торцом устройства и зубом ротора составила 2,7 мм, при этом следует отметить, что толщина передней стенки корпуса устройства составляла 0,5 мм, а расстояние от кремниевой подложки до поверхности пластмассового корпуса, в котором размещались магниторезисторы, 0,8 мм. Таким образом, общее расстояние от подложки с магниторезисторами до зуба ротора составило 4 мм, что значительно больше, чем у прототипа. Устройство продемонстрировало работоспособность в диапазоне частот вращения от 0,04 до 20000 Гц без каких-либо изменений скважности выходных импульсов при неизменной величине рабочего зазора, что подтверждает полное исключение влияния вихревых токов.

Источники информации.

1. Заявка ФРГ N3639208, МКИ⁴ G 01 D 5/8, 1988.

2. Заявка ФРГ N3634925, МКИ⁴ G 01 P 3/488, 1988.

3. Заявка РСТ 086/00877, МКИ⁴ G 01 D 5/16, 1986.

4. Заявка N92014487/10/061000/ от 25.12.92.

Формула изобретения

1. Устройство для определения частоты вращения, содержащее постоянный магнит, датчик из четырех тонкопленочных магниторезисторов, включенных по мостовой схеме и размещенных на подложке, которая установлена на пластине из ферромагнитного материала, установленной, в свою очередь, на полюсе постоянного магнита, зубчатый ротор из ферромагнитного материала, блок усиления и формирования выходного сигнала, включенный в диагональ мостовой схемы, отличающееся тем, что пластина из ферромагнитного материала расположена так, что все магниторезисторы находятся на ней, размеры ее составляют 0,5 - 1,2 площади поверхности полюса магнита, а толщина - 0,3 - 0,5 мм.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок усиления и формирования выходного сигнала выполнен по схеме триггера Шмидта на компараторе напряжения с делителем, образованным двумя последовательно включенными между положительным полюсом источника питания и выходом компаратора напряжения резисторами, а неинвертирующий вход компаратора подключен к общей точке этих резисторов через дополнительный резистор, величина которого по крайней мере на порядок больше, чем у любого из магниторезисторов или резисторов делителя.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок усиления и формирования выходного сигнала выполнен по схеме триггера Шмидта на компараторе напряжения, неинвертирующей вход которого через первый резистор подключен к общей точке цепи, образованной последовательно соединенными диодом и вторым резистором, причем положительный вывод диода соединен с положительным полюсом источника питания, а второй вывод второго резистора - выход компаратора напряжения.

4. Устройство по пп.1 - 3, отличающееся тем, что параллельно диагонали моста, подключенной к источнику питания, включен стабилитрон, причем его отрицательный вывод подключен к положительному полюсу источника питания, а между точкой соединения моста и положительного вывода стабилитрона и общей точкой схемы включен резистор.

5. Устройство по пп.1 - 4, отличающееся тем, что между выходной диагонально мостовой схемы и входами блока усиления и формирования выходного сигнала включены фильтры верхних частот, образуемые резисторами и конденсаторами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4