专利名称：齿轮传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种齿轮传感器。
在机械旋转系统中，震动、冲击、油污等恶劣环境，齿轮传感器的承受程度远远优于光敏传感器。
因此，齿轮传感器愈来愈受到广大自动化控制系统设计师们的青睐。
原理齿轮传感器是以齿轮为检测对象，由以下三个部分组成A.齿轮；B.敏感元件；C.偏磁场。其中齿轮一般均为冷轧钢制成，从磁学角度而言，其材料为顺磁材料，能导磁，被磁场磁化；齿轮传感器的敏感元件是由对磁场敏感的霍尔或磁电阻等磁敏元件组成，在传感器(头)的组成结构中，这个磁敏元件处在偏磁场与齿轮之间。偏磁场是为对齿轮的齿进行磁化，在旋转中的齿轮才能形成“齿信号”(磁性齿轮、磁链、磁编码器除外)，而被磁敏元件所检测，这个偏磁一般用永磁体完成，磁感应强度B一般在200-3000高斯之间，要求这种磁体要有较高的温度稳定性。
将磁敏元件，偏磁场(磁体)以适当方式封装在一个壳体内构成一个检测前端(头)，有的时候也可将后续电路也装入这个壳体内。

图1是齿轮传感器检测示意图。
但现有齿轮传感器还有灵敏度不够高的问题，在许多应用场合下会导致较大的问题。如由于灵敏度低，需要加大偏磁场，这会造成系统径向力增加，影响系统的稳定性，这在精密加工系统中应当避免；又如偏磁场太大时会造成磁阻力大，在微功耗的旋转系统中这一问题也不容忽视。
本实用新型实现上述目的的方案是一种齿轮传感器，包括磁敏元件、磁体，二者共同封装在一个壳体内；其特征是所述磁敏元件是巨磁电阻传感器，其轴芯方向即磁敏感方向，与磁体的轴芯方向相一致。
采用以上方案的有益效果由于采用了巨磁电阻(GMR)芯片，它有比霍尔元件高出2个量级的灵敏度，即使采用了抗干扰屏蔽措施，仍然可以使齿轮传感器的灵敏度提高一个数量级。在同样的检测距离的情况下，磁偏场强可大大的减小，磁阻力也相应减小，有利于减小功耗，增加稳定性。
图2为GMR芯片磁阻特性；图3为沿直线展开的齿轮图；图4为芯片内部结构图；图5为实用检测电路一图；图6为实用检测电路二图；
图7为调零电路图；图8为电平比较电路图；图9a、9b为本齿轮传感器的主体——敏感头制备示意图；图9c为本齿轮传感器的主体——敏感头制成后的示意图；图10为检测时齿轮与磁敏元件(B)、磁体(C)的关系示意图。
本实用新型利用一种新型磁敏感元件GMR传感器作为检测磁场的敏感元件，通过合理的结构设计，配以适当的电子线路一起构成性能优越的测速装置即齿轮传感器。其主要特点在于(一)使用一种新型磁敏感元件GMR芯片作为磁性敏感核心元件，具有极高的磁场灵敏度；(二)在于独特的偏磁场加法，一方面可以起到屏蔽杂散磁场对芯片的干扰，另一方面可以有效的对齿轮预磁化，保证了芯片的高灵敏检测。
从图2中我们不难看出GMR芯片中的磁敏电阻RH为偶函数，特性曲线随磁场的增加而磁电阻阻值增大，而与磁场方向无关。这一点与霍尔元件是不同的，对于通用型GMR芯片在封装时，通常在一块芯片内有四只GRM电阻被封固，这种结构适合于传统的惠斯通电桥检测电路的应用。
从图4中可见，芯片内部有4只磁敏电阻，其中R13与R12在芯片内采取了磁屏蔽措施，对于磁场是不敏感的，而只有R11、R14对磁场敏感。那么R13、R12加入的目的何在？主要目的在于对R11、R14起到温度稳定的目的。(同种材料有相同的温度特性，)若能制成R13＝R14、R12＝R11(在零磁场时)在应用时，我们在①-②两端施加一个电压V，其中点电位③与④将对温度不敏感，而只对磁场敏感，从而部分克服了传统的磁敏传感器对温度的依赖关系，使磁敏元件在应用中提高了温度稳定性，了解芯片内部结构结合图2及图4以后，齿轮传感器的工作原理就一目了然了，因此工作过程简单的叙述如下在静止时，磁场的磁通Φ通过芯片而对齿轮进行磁化，此时，芯片处感知的静态磁场B0就是磁敏电阻R11、R14的起始工作点，当齿轮进行旋转时，齿尖与齿槽交替接近(经过)与芯片→磁体的这一轴线，这一过程必然引起通过芯片轴心(敏感方向)磁通φ的变化，引起B的变化，从而引起磁敏电阻值的变化。当这个芯片①-②端施加电压时，其中点③、④在齿轮旋转时有电压变化，这个变化电压我们称为“齿信号”。图3为沿直线展开的齿轮示意图。
由于磁敏电阻的封装形式延用了传统结构特点，即惠斯登桥路，因此后续检测电路必然要想到采用桥路放大器。
根据目前的电子技术水平，这个桥路放大器都已经集成化，应用起来也很得心应手，这些芯片，有美国AD公司、B-B公司及最新加入本行业的Max公司的产品，性能水平相差不大，均可有的放矢的加以采用。为了降低成本，在批量生产中，在工业级标准范围内，即可用通用放大器芯片搭制而成。
GMR芯片内阻在5KΩ左右，比霍尔芯片高一个量级，而且GMR芯片采用稳压电源供电，由于以上两大特点，使供电电路变得简单化，功耗也比霍尔芯片的低，但仍未达到微功耗水平，对这个稳压电源的要求是温度稳定性好，噪声低，在特殊应用场合可采用预稳压、滤波及精密基准源加扩展等方式，双管齐下，提高对传感器的供电质量，在目前的电子技术水平下，已不是太难的课题。
图5所示为实用检测电路之一，该电路为典型的仪表放大器，采用三块运放搭成仪表放大器电路，传感器采用稳压电源供电，检测的电信号由①、⑤两端输出，同时送到A1、A2的两个同相输入端，放大器的增益高低用改变RG的阻值大小来实现，从结构图上不难看出，A1、A2完全接成对称形式，因而该电路对共模电压有极好的抑制能力，一般可做到-80dB--120dB的抑制能力，为保证上述指标对R1＝R2是相应的要求，(一般非对称性1％-0.1％)是不过份的。为保证输出指标，R3＝R5、R4＝R6的条件仍然不可放松指标要求。在目前大规模集成电路制备技术条件下，这三块电路在一块硅片上集成的技术以相当成熟，并且电阻R1、R2……R6等都是采用激光调整技术，一次完成，这种仪表放大器无论在封装体积方面，还是电气性能指标上都已相当先进。对AD、B-B、Maxim公司的产品都可选用。图5中，Vout1=Vref+[1+2R1Rg](R4R3)Vin]]>其中R1＝R2、R3＝R5、R4＝R6Vin＝(Vout+)-(Vout-)图6所示是实用检测电路之二，是在齿轮传感器后续电路中在GA0524-M8上实际被采用，这一电路是交流反向端差分输入方式，从电路图5与电路图6对比，不难看出图6电路磁传感器采用半臂桥连接方式，而且信号是采用电容耦合方式，这样做的原因出于以下几个方面的技术问题。
1.在通常的桥路放大器应用中，在零磁场时，其桥路的中点电位即两个信号输出端①-⑤应是等电位(电桥平衡)而在使用GMR芯片时，由于加有偏磁场，因此在齿轮传感器应用中，零磁场状态是不存在的。如果仍然以磁敏电阻构成的全桥接入电路，①-⑤电位相差很大，(偶函数特性)放大器不可能正常工作。因此另一半以可调电位器构成桥路，在偏磁场状态下调零即实现平衡。
2.交流耦合C电路的采用，在差分输入放大器是，同相输入端与反相输入端的输入阻抗相差甚远。两输入端对源阻抗匹配困难，从而采用交流耦合方式。这种方式可扩展到其它方面的磁传感器信号解调电路中，一般效果也很好，如接近开关、磁编码器等，其他元件的作用就不多述了。
综述以上所述的实用电路图5与实用电路图6，只是齿轮传感器后续电路的一部分，由于齿信号的幅度很小，几乎在μV-mV之间，因此对放大器的零点漂移及噪声指标都有严格要求，一是要选用低噪声运放。至于放大器的动态范围，失真度方面可放宽要求，其他方面如PCB板的制备应注意的问题另述。
其他方面如波形整形，电平判别电路(图8)、调零电路(图7)，由于无特殊要求，只给出电路而不进行剖析。
在齿轮传感器中，敏感头是核心部件，敏感头制备的好坏，对齿轮传感器的性能起决定性影响，这也是本实用新型专利要保护的重点。
一.材料的选择芯片采用005号芯片，饱和磁场强度为0-85Gs封装形式8脚偏磁场导磁体硅钢片d＝(0.05-0.5)mm，饱和磁场(1100-1800)Gs几何尺寸前面磨成梯形，两片对合，形成鸭嘴形，装配后缝隙宽度w在1/4-1/3T(T为齿尖距)或在调试装置上调整。弯角长度a。如图9所示。
磁化体钕铁硼；表面磁场3300Gs；距芯片中心位i安装方式面贴护套(Φ6-Φ20)铜外配标准螺纹安装过程芯片引脚的焊接，芯片引线，采用漆包线进行焊接，其中两电源引线双绞合。输出引线采用四芯屏蔽线与两组双绞线连接，屏蔽层线在输出端与地线相连。
屏蔽线长度由于传感器头内不带放大电路，屏蔽线长度一般为1.6-2M为宜，其放大器盒在检测头附近适当位置固定；如果终端设备远离检测头，建议采用检测头内自带放大电路的型号为好，此时，屏蔽线可延长到15M。
待芯片偏磁场焊接与安装完成后将其整体推入护套，进行一次性封固。(采用环氧树脂封固，在封固前，应将敏感头与放大电路连好后试运行，将敏感调试到最佳。)GMR芯片制齿轮传感器可使检测灵敏度提高一个量级，加入偏磁场小，使旋转体齿轮的受径向力大为减小。在旋转系统中，径向力的存在，使旋转不平稳，对系统的稳定性不利，径向力的不均匀，将造成旋转体的径向跳动，在精密加工时用的自动控制系统中，应加以避免，尽管在检测中齿轮传感器是非接触的，但用磁阻、霍尔元件为核心的齿轮传感器中，磁化场(永磁体)的加入完全是不可避免的。GMR传感器的灵敏度比霍尔高2个量级，在同样的检测距离的情况下，磁偏场强可大大的减小，磁阻力也相应减小，在微功耗的旋转系统中，GMR芯片组成的传感器比霍尔有更大的优越性。
GMR芯片与霍尔相比，加入偏磁场的方向各不相同，霍尔元件加磁偏场与霍尔芯片的平面垂直，而这个平面(S1)远远大于GMR芯片磁场的敏感面(S2)，在磁通量变化率ΔΦ一定的情况下，齿信号ΔB可表示为因ΔB1＝ΔΦ/S1，ΔB2＝ΔΦ/S2，所以ΔB1＜ΔB2本实用新型的GMR传感器头，其偏场施加方向与霍尔不同，可避开GMR的敏感方向，而不使芯片饱和，使芯片保持较高的灵敏度，同时偏磁场能更有效的对齿轮进行磁化。
偏磁场的加入采用导磁片，这个导磁片一方面对偏磁场起导磁作用，而对齿轮(受检齿的前后齿)的剩磁及杂散磁场起磁屏蔽作用，这个剩磁在采用冷轧钢为基体的齿轮上有时是很大的，超过10Gs是常有的。这对于检测齿就是一种干扰信号，导磁片刚好对被检齿的前后齿的剩磁形成屏蔽。
当齿轮的齿数较多时，也就是由于齿轮传感器本身在测速控制系统中就是一个倍频器，对于齿轮进行磁化的过程中，在导磁片中磁通量的变化率等于转数X倍(齿数)数ΔΦ＝x*r/s式中x为齿数，r/s为转/秒，如果采用整体导磁片，在导磁体中将有很大的涡流存在，阻碍着磁场对齿轮的有效磁化。因此，当采用整块(棒)材做导磁介质时，应采用高导磁材料，叠片或者是镍棒及铁氧体磁材)。
通过以上措施，在齿轮传感器的应用中，转动齿剩磁涡流的影响，三方面因素都有很大程度的改变，对齿轮传感器的稳定性，检测距离等都有提高。显然本新型为一种新颖、先进并具有实用性的新设计，以上所述乃是本新型的具体实例及所运用的技术原理，若依本新型的构想所作的等效改变，其所生产的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神，均应在本新型的范围内，特此说明。
权利要求1.一种齿轮传感器，包括磁敏元件(B)、磁体(C)，二者共同封装在一个壳体内；其特征是所述磁敏元件(B)是巨磁电阻传感器，其轴芯方向即磁敏感方向，与磁体(C)的轴芯方向相一致。
2.如权利要求1所述的齿轮传感器，其特征是所述磁敏元件(B)芯片内部有4只磁敏电阻(R11-R14)，构成惠斯通电桥，其中有两个相对桥臂上的磁敏电阻(R13、R12)被磁屏蔽，对于磁场是不敏感的，而另外两只磁敏电阻(R11、R14)对磁场敏感。
3.如权利要求1或2所述的齿轮传感器，其特征是在磁敏元件(B)外围有导磁体，该导磁体呈一端开口的鸭嘴形，开口的相对端靠近磁体(C)。
4.如权利要求3所述的齿轮传感器，其特征是导磁体采用叠片结构。
5.如权利要求1或2所述的齿轮传感器，其特征是磁体(C)为永磁体。
专利摘要本实用新型公开一种齿轮传感器，包括磁敏元件、磁体，二者共同封装在一个壳体内；其特征是所述磁敏元件是巨磁电阻传感器，其轴芯方向即磁敏感方向，与磁体的轴芯方向相一致。由于巨磁电阻(GMR)芯片有比霍尔元件高出2个量级的灵敏度，即使采用了抗干扰屏蔽措施，仍然可以使齿轮传感器的灵敏度提高一个数量级。在同样的检测距离的情况下，磁偏场强度可大大的减小，磁阻力也相应减小，有利于减小功耗，增加稳定性。另外，还采用导磁体加强对齿轮的磁化，同时利用导磁体对干扰进行了屏蔽。
文档编号G01P3/488GK2577287SQ02272938
公开日2003年10月1日 申请日期2002年8月29日 优先权日2002年8月29日
发明者王庆忠, 李军, 王伟, 欧华 申请人:深圳市华夏磁电子技术开发有限公司