一种高可靠强抗干扰低转速测量装置的制作方法

本实用新型属于工程技术中伺服系统的测量领域，具体涉及一种高可靠强抗干扰低转速测量装置。

背景技术：

转速测量装置是重型运载火箭伺服机构的配套产品，用于测量伺服动力装置——变量柱塞泵的转速信号，而转速信号是伺服系统其它参数计算的依据和基准。重型运载火箭伺服机构配套的转速测量装置需具备满足低转速测量(0～15000rpm)、抗干扰能力强，并满足运载型号高可靠性等要素。

目前用于运载火箭伺服机构配套的电感式转速测量装置在低转速测量时，抗干扰能力和高可靠方面有其局限性：

(1)、电感式转速测量装置的输出信号幅值大小与被测物转速有关，特别是在测量低转速(≤10000rpm)时容易受到外界磁场的干扰；

(2)、电感式转速测量装置的可靠性很大部分取决于线圈绕组的绕制，但受加工工序如绕线、浸漆等影响较大。

目前用于市场上的霍尔式转速测量装置也有其局限性：

(1)、市场上的用于测量转速的霍尔式转速传感器与转换电路是相互独立的，且一般直接使用霍尔式转速传感器的输出——方波信号，但运载火箭伺服系统信号判读需要转速信号为模拟信号；

(2)、市场上的霍尔式转速传感器与转速变换电路的连接由导线搭接，抗震性能和可靠性均不高。

技术实现要素：

本实用新型的技术解决问题是：克服现有运载火箭伺服机构配套的电感式转速测量装置不能测量低转速且抗干扰能力差的缺陷，克服目前霍尔式转速传感器与转速变换电路不是一体式高可靠结构的缺点，提供一种具有低转速测量、强抗干扰能力，并满足重型运载型号高可靠性要求的高可靠强抗干扰低转速测量装置。

本实用新型的技术解决方案是：一种高可靠强抗干扰低转速测量装置，该测量装置包括霍尔式转速传感器和转速变换器，其中，

霍尔式转速传感器包括第一壳体、霍尔芯片、印制板、短引线、插座，第一壳体为一侧开口带有空腔的圆柱体，沿圆柱状体的圆形截面侧挖有一与圆柱体竖直面平行且与圆形截面同轴的圆柱体槽，霍尔芯片的电源、地和信号管脚焊接在圆形印制板，正面面向第一壳体底部，与底部隔开放置，且霍尔芯片的中心位置与第一壳体圆形截面同轴，印制板上的电源、地和信号线通过短引线，焊接到插座的三个引线柱，第一壳体与插座配合连接；

转速变换器包括第二壳体、电路板、长引线、插头，第二壳体为带有空腔的结构，电路板固定于第二壳体内腔，插头上电源、地和信号线通过长引线接入到电路板，电路板上焊接整形电路、变换电路和滤波电路；

插头和插座相互匹配，霍尔式转速传感器和转速变换器通过插头和插座连接。

所述霍尔式转速传感器还包括绝缘材料制成的薄膜和膜片，薄膜的形状大小与第一壳体的底部相匹配，粘贴于第一壳体的底部，位于第一壳体的底部与霍尔芯片之间，霍尔芯片粘贴在薄膜上，膜片为长方形，粘贴在第一壳体竖直面内壁上。

所述薄膜、膜片均采用聚四氟乙烯薄膜材料。

所述霍尔式转速传感器还包括硅橡胶，用于将霍尔芯片灌封于第一壳体槽内。

所述整形电路包括运算放大器U1、U2、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，电容C1、C2，其连接关系为：运算放大器U1的差分输入负端为整形电路的输入，运算放大器U1的差分输入正端依次串联电阻R1、R2至地，运放U1的电源负端和电源正端分别接外接电源负极和正极，同时，电源负端和地之间连有电容C1，电源正端和地之间连接电容C2，运算放大器U1的输出串联电阻R5连接到运算放大器U2的差分输入负端，运算放大器U2的差分输入正端串联R6至地，运算放大器U2的电源负端电源正端分别接外接电源负极和正极，运算放大器U2的输出为整形电路的输出。

所述滤波电路包括运算放大器U4、电阻R8、R9、R10、R11和电容C7，其连接关系为：转换电路的输出端分为两路，一路串联电容C7、电阻R8至运算放大器U4的差分输入负端，另一路串联电阻R10、R11连接至地，U4的差分输入正端连接至电阻R10、R11的结点，电阻R9连接至U4的差分输入负端和U4的输出端，U4的输出为滤波电路输出。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本实用新型将霍尔式转速传感器和转速变换电路通过高可靠的插头插座连接在一起，实现了信号的无缝连接，高效的将方波信号转换为运载火箭伺服系统用的电压信号；

(2)、本实用新型通过霍尔电路通过感应外界磁场强度改变电路的导通状态，输出与变量柱塞泵转速成比例的方波信号，其输出的方波信号幅值大小与被测物转速无关，并通过在转换电路中设定了较高的阈值，对方波信号进行整形，极大地提高了抗干扰能力，即使是在低转速状态下，仍能够获得较高的检测准确度；

(3)、本实用新型在霍尔式转速传感器中采用硅橡胶GD-414将霍尔芯片灌封于第一壳体槽内，保证了短引线在强冲击下的稳定，提高了转速测量装置的抗震性能；

(4)、本实用新型在霍尔式转速传感器中设计薄膜将霍尔芯片与第一壳体底部内壁进行隔离，提高了转速测量装置的可靠性。

附图说明

图1为一种高可靠强抗干扰低转速测量装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例霍尔式转速传感器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例转速变换器的结构示意图；

图4为本实用新型实施例转速变换器的电路图；

图5为本实用新型高可靠强抗干扰低转速测量装置的测量原理图；

图6为本实用新型实施例霍尔电路输出波形。

图中，1-霍尔式转速传感器、2-转速变换器、3-第一壳体、4-薄膜、5-霍尔芯片、6-印制板、7-膜片、8-短引线、9-插座、10-第二壳体、11-电路板、12--长引线、13-插头、14-输出、15-变量柱塞泵、16-磁钢、17-转速测量装置

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

如附图1、附图2及附图3所示。一种高可靠强抗干扰转速测量装置(以下简称转速测量装置)由霍尔式转速传感器1和转速变换器2组成，分别是转速信号的接收装置和转速信号的变换装置。

1、霍尔式转速传感器

霍尔式转速传感器基于霍尔原理，通过感应安装在旋转物体外侧的永磁体，随着旋转物体转动时，因磁场变化产生相应的霍尔电势，输出频率与被测物转速成正比的方波信号，该方波信号发送给转速变换器。

霍尔式转速传感器1包括第一壳体3、薄膜4、霍尔芯片5、印制板6、短引线8、插座9，第一壳体3为一侧开口带有空腔的圆柱体，沿圆柱状体的圆形截面侧挖有一与圆柱体竖直面平行且与圆形截面同轴的圆柱体槽，薄膜4为圆形，通过铁锚粘贴在第一壳体空槽的圆形底面上且与其直径相当，霍尔芯片5上有三个接头：电源、地和信号输出，分别焊接在圆形印制板6焊接面的三个焊点上，霍尔芯片5正面面向第一壳体3底部放置，且霍尔芯片5的中心位置与第一壳体3圆形截面同轴，并通过铁锚粘贴在薄膜4上，膜片7为长方形，通过铁锚粘贴围绕在第一壳体竖直面内壁上，目的是要把霍尔芯片5与第一壳体3内壁实现绝缘，印制板上的三个焊点分别通过红、白、黑三根不同颜色的短引线8，分别对应霍尔芯片5的电源、地和输出，焊接到插座的三个引线柱a、b、c上，第一壳体3和插座通过小螺母紧固连接，所述霍尔芯片可以采用南京中旭电子科技有限公司生产的锁定型开关电路HS715。

霍尔式转速传感器1的第一壳体3与插座9通过螺纹连接方式安装：其中，第一壳体3为上端为一段长23.8毫米，宽23.8毫米，高为4毫米的长方体，长方体下端中心位置为长度32.5毫米，M14外螺纹的圆柱状结构，第一壳体3内有一个从长方体到圆柱体的圆柱体槽，直径为10毫米，深35.5毫米，与第一壳体3的圆柱同轴；第一壳体3上端的长方体的四个角有四个M3的螺纹孔，用于插座9的固定；在第一壳体3内部最底端，放置薄膜4，厚0.05毫米、直径为10毫米；在第一壳体3底部沿圆柱面放置膜片7，宽0.05毫米，长约33毫米、高10毫米。

2、转速变换器

转速变换器接收霍尔式转速传感器1发送的方波信号，因霍尔式转速传感器的输出信号并非完全是方波，且输出阻抗很高，因此对传感器输出的信号首先加有阻抗转换及整形电路，再将整形后的方波信号的频率变换成电压信号，最后对电压信号进行滤波输出。

转速变换器包括第二壳体10、电路板11、长引线12、插头13，第二壳体10为中间有一小长方体空槽的大长方体结构，电路板11通过大螺母固定于第二壳体10内腔，电路板11包括整形电路，变换电路和滤波电路三部分。电源、地和电路中的Vi端、分别通过红白黑三根不同颜色的长引线焊接到插头的三个引线柱A、B、C上，其中，电路中的电源±单独供电，插头插座的电源为+5V，最后，信号从电路的Vo输出。

转速变换器2是有空腔的长方体结构：其中，第二壳体10是长100毫米、宽45毫米、高55毫米的长方体，腔体长96毫米、宽41毫米、高51毫米，电路板11用大螺母固定在第二壳体10腔体内。

霍尔式转速传感器与转速变换器之间通过配套的插座插头A-a、B-b、C-c进行连接。插头和插座可以采用中航158厂生产的插拔结构的JY系列圆形电连接器JY27496E09F98SN和JY27497T09F98PN，配合使用。三根长引线和短引线采用AF-250A 0.20聚四氟乙烯薄膜安装线。

电路板11，包括整形电路、F/V变换电路和滤波电路三部分，由电阻R1～R13、电容C1～C8、二极管D1及运放电路U1、U2、U3、U4组成。

(2.1)、整形电路

整形电路100，实际应用中的转速传感器输出波形并非完全是方波，且输出阻抗很高。因此，变换电路前需要有阻抗转换及整形电路。该电路包括运算放大器U1、U2、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，电容C1、C2，其连接关系为：运算放大器U1的差分输入负端为整形电路的输入，运算放大器U1的差分输入正端依次串联电阻R1、R2至地，运放U1的电源负端和电源正端分别接外接电源-15V+和15V，同时，电源负端和地之间连有电容C1，电源正端和地之间连接电容C2，运算放大器U1的输出串联电阻R5连接到运算放大器U2的差分输入负端，运算放大器U2的差分输入正端串联R6至地，运算放大器U2的电源负端电源正端分别接外接电源-15V和+15V，运算放大器U2的输出为整形电路的输出。

(2.2)、F/V变换电路

F/V变换电路200为大规模单片集成F/V转换电路，其功能为输入0～10KHz信号，对应输出0～10V直流电压，完成方波信号到模拟信号的转换。变换电路200由单片集成转换电路U3、电阻R7、R12、R13、电容C3、C4、C5、C6、C8及二极管D1组成，其工作性能为输入0～10KHz信号，对应输出0～10V直流电压。其连接关系为：电容C3连接至U2的输出端和U3的比较器输入端之间，电阻R7连接至U3的比较器输入端和地之间，电容C4连接至U3的电源正端和地之间，电容C5连接至U3的单稳定时电容端和地之间，电容C6连接至U3的电源负端和地之间，二极管D1连接至U3的运放同相输入端和U3的运放输出端之间，电阻R12、R13串联后与电容C8并联，连接至U3的运放反相输入端和运放输出端之间之间，U3的电源负端和电源正端分别接外接电源-15V和+15V，模拟地和数字地两个管脚相连并接地。

(2.3)、滤波电路

滤波电路300，利用了运算放大器的高共模抑制比特性，其共模抑制比高度120dB，可将U3电路中输出的交流纹波较为彻底的抑制掉，提高了测量精度。由运放U4、电阻R8、R9、R10、R11和电容C7组成，其连接关系为：转换电路的输出端分为两路，一路串联电容C7、电阻R8至运算放大器U4的差分输入负端，另一路串联电阻R10、R11连接至地，U4的差分输入正端连接至电阻R10、R11的结点，电阻R9连接至U4的差分输入负端和U4的输出端，U4的输出为滤波电路输出。

本实用新型的高可靠强抗干扰低转速测量装置结构如图4所示，图中各元器件的参数如表1和表2所示：

表1电阻表

表2电容表

其中，整形电路中U1、R1、R2、R3组成输入信号阈值电路，在实际应用中，外界干扰信号一般为几百毫伏，而霍尔式转速传感器输出为+5V，为了去除干扰信号并有效的输出方波信号，将阈设定为1±0.1V，来提高转速测量装置的抗干扰能力；

转速测量装置的装配过程为：先将薄膜4粘贴在第一壳体3的底部；将霍尔芯片5焊接到印制板6上，芯片正面面向薄膜4，用铁锚将霍尔芯片5粘贴在薄膜4上，然后在第一壳体3沿竖直面圆周壁贴一圈膜片7，保证霍尔芯片5与第一壳体3内壁无接触，用长约20毫米的短引线8从霍尔芯片5引出，再焊接到插座9，安装完毕后，保持第一壳体3小端面朝下，作为优选方案，霍尔式转速传感器还包括硅橡胶，如GD-414，将霍尔芯片灌封于第一壳体槽内，保证了短引线在强冲击下的稳定，提高了转速测量装置的抗震性能，，最后用四个小螺母将第一壳体3和插座9进行紧固；将电路板11调试合格后用四个大螺母固定在第二壳体10的槽内，并将长引线13焊接至插头13，最后输出电压信号。

霍尔型转速传感器是利用霍尔原理进行转速测量的，核心是霍尔电路，通过感应磁场变化产生相应的霍尔电势。在进行转速测量时，通常在变量柱塞泵15的圆周面上均匀粘贴3对磁钢16，使转速测量装置17的中心轴与磁钢的中心轴一致，如图3所示。在变量柱塞泵15转动时，磁钢16也随之转动，转速测量装置17便能接收到磁钢16发出的变化的磁场。

高可靠强抗干扰低转速测量装置测量转速核心元件是霍尔电路，霍尔电路通过感应外界磁场强度改变电路的导通状态，输出与变量柱塞泵转速成比例的方波信号，如图6所示，再经过转速变换器将方波信号转换为与频率成正比的电压值，最终实现转速的测量。

因此，本实用新型具有灵敏度高且稳定，可靠性高、抗干扰能力强和适合于低转速测量的优点，输出的矩形脉冲信号可供数字控制系统直接使用，其信号幅值大小与被测物转速无关,即使是在低转速状态下,仍能够获得较高的检测准确度。

上面对本实用新型的实施例对作了详细说明，上述实施方式仅为本实用新型的最优实施例，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。