一種高可靠強抗干擾低轉速測量裝置的制作方法

本實用新型屬于工程技術中伺服系統的測量領域，具體涉及一種高可靠強抗干擾低轉速測量裝置。

背景技術：

轉速測量裝置是重型運載火箭伺服機構的配套產品，用于測量伺服動力裝置——變量柱塞泵的轉速信號，而轉速信號是伺服系統其它參數計算的依據和基準。重型運載火箭伺服機構配套的轉速測量裝置需具備滿足低轉速測量(0～15000rpm)、抗干擾能力強，并滿足運載型號高可靠性等要素。

目前用于運載火箭伺服機構配套的電感式轉速測量裝置在低轉速測量時，抗干擾能力和高可靠方面有其局限性：

(1)、電感式轉速測量裝置的輸出信號幅值大小與被測物轉速有關，特別是在測量低轉速(≤10000rpm)時容易受到外界磁場的干擾；

(2)、電感式轉速測量裝置的可靠性很大部分取決于線圈繞組的繞制，但受加工工序如繞線、浸漆等影響較大。

目前用于市場上的霍爾式轉速測量裝置也有其局限性：

(1)、市場上的用于測量轉速的霍爾式轉速傳感器與轉換電路是相互獨立的，且一般直接使用霍爾式轉速傳感器的輸出——方波信號，但運載火箭伺服系統信號判讀需要轉速信號為模擬信號；

(2)、市場上的霍爾式轉速傳感器與轉速變換電路的連接由導線搭接，抗震性能和可靠性均不高。

技術實現要素：

本實用新型的技術解決問題是：克服現有運載火箭伺服機構配套的電感式轉速測量裝置不能測量低轉速且抗干擾能力差的缺陷，克服目前霍爾式轉速傳感器與轉速變換電路不是一體式高可靠結構的缺點，提供一種具有低轉速測量、強抗干擾能力，并滿足重型運載型號高可靠性要求的高可靠強抗干擾低轉速測量裝置。

本實用新型的技術解決方案是：一種高可靠強抗干擾低轉速測量裝置，該測量裝置包括霍爾式轉速傳感器和轉速變換器，其中，

霍爾式轉速傳感器包括第一殼體、霍爾芯片、印制板、短引線、插座，第一殼體為一側開口帶有空腔的圓柱體，沿圓柱狀體的圓形截面側挖有一與圓柱體豎直面平行且與圓形截面同軸的圓柱體槽，霍爾芯片的電源、地和信號管腳焊接在圓形印制板，正面面向第一殼體底部，與底部隔開放置，且霍爾芯片的中心位置與第一殼體圓形截面同軸，印制板上的電源、地和信號線通過短引線，焊接到插座的三個引線柱，第一殼體與插座配合連接；

轉速變換器包括第二殼體、電路板、長引線、插頭，第二殼體為帶有空腔的結構，電路板固定于第二殼體內腔，插頭上電源、地和信號線通過長引線接入到電路板，電路板上焊接整形電路、變換電路和濾波電路；

插頭和插座相互匹配，霍爾式轉速傳感器和轉速變換器通過插頭和插座連接。

所述霍爾式轉速傳感器還包括絕緣材料制成的薄膜和膜片，薄膜的形狀大小與第一殼體的底部相匹配，粘貼于第一殼體的底部，位于第一殼體的底部與霍爾芯片之間，霍爾芯片粘貼在薄膜上，膜片為長方形，粘貼在第一殼體豎直面內壁上。

所述薄膜、膜片均采用聚四氟乙烯薄膜材料。

所述霍爾式轉速傳感器還包括硅橡膠，用于將霍爾芯片灌封于第一殼體槽內。

所述整形電路包括運算放大器U1、U2、電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，電容C1、C2，其連接關系為：運算放大器U1的差分輸入負端為整形電路的輸入，運算放大器U1的差分輸入正端依次串聯電阻R1、R2至地，運放U1的電源負端和電源正端分別接外接電源負極和正極，同時，電源負端和地之間連有電容C1，電源正端和地之間連接電容C2，運算放大器U1的輸出串聯電阻R5連接到運算放大器U2的差分輸入負端，運算放大器U2的差分輸入正端串聯R6至地，運算放大器U2的電源負端電源正端分別接外接電源負極和正極，運算放大器U2的輸出為整形電路的輸出。

所述濾波電路包括運算放大器U4、電阻R8、R9、R10、R11和電容C7，其連接關系為：轉換電路的輸出端分為兩路，一路串聯電容C7、電阻R8至運算放大器U4的差分輸入負端，另一路串聯電阻R10、R11連接至地，U4的差分輸入正端連接至電阻R10、R11的結點，電阻R9連接至U4的差分輸入負端和U4的輸出端，U4的輸出為濾波電路輸出。

本實用新型與現有技術相比的有益效果是：

(1)、本實用新型將霍爾式轉速傳感器和轉速變換電路通過高可靠的插頭插座連接在一起，實現了信號的無縫連接，高效的將方波信號轉換為運載火箭伺服系統用的電壓信號；

(2)、本實用新型通過霍爾電路通過感應外界磁場強度改變電路的導通狀態，輸出與變量柱塞泵轉速成比例的方波信號，其輸出的方波信號幅值大小與被測物轉速無關，并通過在轉換電路中設定了較高的閾值，對方波信號進行整形，極大地提高了抗干擾能力，即使是在低轉速狀態下，仍能夠獲得較高的檢測準確度；

(3)、本實用新型在霍爾式轉速傳感器中采用硅橡膠GD-414將霍爾芯片灌封于第一殼體槽內，保證了短引線在強沖擊下的穩定，提高了轉速測量裝置的抗震性能；

(4)、本實用新型在霍爾式轉速傳感器中設計薄膜將霍爾芯片與第一殼體底部內壁進行隔離，提高了轉速測量裝置的可靠性。

附圖說明

圖1為一種高可靠強抗干擾低轉速測量裝置的整體結構示意圖；

圖2為本實用新型實施例霍爾式轉速傳感器的結構示意圖；

圖3為本實用新型實施例轉速變換器的結構示意圖；

圖4為本實用新型實施例轉速變換器的電路圖；

圖5為本實用新型高可靠強抗干擾低轉速測量裝置的測量原理圖；

圖6為本實用新型實施例霍爾電路輸出波形。

圖中，1-霍爾式轉速傳感器、2-轉速變換器、3-第一殼體、4-薄膜、5-霍爾芯片、6-印制板、7-膜片、8-短引線、9-插座、10-第二殼體、11-電路板、12--長引線、13-插頭、14-輸出、15-變量柱塞泵、16-磁鋼、17-轉速測量裝置

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細說明。

如附圖1、附圖2及附圖3所示。一種高可靠強抗干擾轉速測量裝置(以下簡稱轉速測量裝置)由霍爾式轉速傳感器1和轉速變換器2組成，分別是轉速信號的接收裝置和轉速信號的變換裝置。

1、霍爾式轉速傳感器

霍爾式轉速傳感器基于霍爾原理，通過感應安裝在旋轉物體外側的永磁體，隨著旋轉物體轉動時，因磁場變化產生相應的霍爾電勢，輸出頻率與被測物轉速成正比的方波信號，該方波信號發送給轉速變換器。

霍爾式轉速傳感器1包括第一殼體3、薄膜4、霍爾芯片5、印制板6、短引線8、插座9，第一殼體3為一側開口帶有空腔的圓柱體，沿圓柱狀體的圓形截面側挖有一與圓柱體豎直面平行且與圓形截面同軸的圓柱體槽，薄膜4為圓形，通過鐵錨粘貼在第一殼體空槽的圓形底面上且與其直徑相當，霍爾芯片5上有三個接頭：電源、地和信號輸出，分別焊接在圓形印制板6焊接面的三個焊點上，霍爾芯片5正面面向第一殼體3底部放置，且霍爾芯片5的中心位置與第一殼體3圓形截面同軸，并通過鐵錨粘貼在薄膜4上，膜片7為長方形，通過鐵錨粘貼圍繞在第一殼體豎直面內壁上，目的是要把霍爾芯片5與第一殼體3內壁實現絕緣，印制板上的三個焊點分別通過紅、白、黑三根不同顏色的短引線8，分別對應霍爾芯片5的電源、地和輸出，焊接到插座的三個引線柱a、b、c上，第一殼體3和插座通過小螺母緊固連接，所述霍爾芯片可以采用南京中旭電子科技有限公司生產的鎖定型開關電路HS715。

霍爾式轉速傳感器1的第一殼體3與插座9通過螺紋連接方式安裝：其中，第一殼體3為上端為一段長23.8毫米，寬23.8毫米，高為4毫米的長方體，長方體下端中心位置為長度32.5毫米，M14外螺紋的圓柱狀結構，第一殼體3內有一個從長方體到圓柱體的圓柱體槽，直徑為10毫米，深35.5毫米，與第一殼體3的圓柱同軸；第一殼體3上端的長方體的四個角有四個M3的螺紋孔，用于插座9的固定；在第一殼體3內部最底端，放置薄膜4，厚0.05毫米、直徑為10毫米；在第一殼體3底部沿圓柱面放置膜片7，寬0.05毫米，長約33毫米、高10毫米。

2、轉速變換器

轉速變換器接收霍爾式轉速傳感器1發送的方波信號，因霍爾式轉速傳感器的輸出信號并非完全是方波，且輸出阻抗很高，因此對傳感器輸出的信號首先加有阻抗轉換及整形電路，再將整形后的方波信號的頻率變換成電壓信號，最后對電壓信號進行濾波輸出。

轉速變換器包括第二殼體10、電路板11、長引線12、插頭13，第二殼體10為中間有一小長方體空槽的大長方體結構，電路板11通過大螺母固定于第二殼體10內腔，電路板11包括整形電路，變換電路和濾波電路三部分。電源、地和電路中的Vi端、分別通過紅白黑三根不同顏色的長引線焊接到插頭的三個引線柱A、B、C上，其中，電路中的電源±單獨供電，插頭插座的電源為+5V，最后，信號從電路的Vo輸出。

轉速變換器2是有空腔的長方體結構：其中，第二殼體10是長100毫米、寬45毫米、高55毫米的長方體，腔體長96毫米、寬41毫米、高51毫米，電路板11用大螺母固定在第二殼體10腔體內。

霍爾式轉速傳感器與轉速變換器之間通過配套的插座插頭A-a、B-b、C-c進行連接。插頭和插座可以采用中航158廠生產的插拔結構的JY系列圓形電連接器JY27496E09F98SN和JY27497T09F98PN，配合使用。三根長引線和短引線采用AF-250A 0.20聚四氟乙烯薄膜安裝線。

電路板11，包括整形電路、F/V變換電路和濾波電路三部分，由電阻R1～R13、電容C1～C8、二極管D1及運放電路U1、U2、U3、U4組成。

(2.1)、整形電路

整形電路100，實際應用中的轉速傳感器輸出波形并非完全是方波，且輸出阻抗很高。因此，變換電路前需要有阻抗轉換及整形電路。該電路包括運算放大器U1、U2、電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，電容C1、C2，其連接關系為：運算放大器U1的差分輸入負端為整形電路的輸入，運算放大器U1的差分輸入正端依次串聯電阻R1、R2至地，運放U1的電源負端和電源正端分別接外接電源-15V+和15V，同時，電源負端和地之間連有電容C1，電源正端和地之間連接電容C2，運算放大器U1的輸出串聯電阻R5連接到運算放大器U2的差分輸入負端，運算放大器U2的差分輸入正端串聯R6至地，運算放大器U2的電源負端電源正端分別接外接電源-15V和+15V，運算放大器U2的輸出為整形電路的輸出。

(2.2)、F/V變換電路

F/V變換電路200為大規模單片集成F/V轉換電路，其功能為輸入0～10KHz信號，對應輸出0～10V直流電壓，完成方波信號到模擬信號的轉換。變換電路200由單片集成轉換電路U3、電阻R7、R12、R13、電容C3、C4、C5、C6、C8及二極管D1組成，其工作性能為輸入0～10KHz信號，對應輸出0～10V直流電壓。其連接關系為：電容C3連接至U2的輸出端和U3的比較器輸入端之間，電阻R7連接至U3的比較器輸入端和地之間，電容C4連接至U3的電源正端和地之間，電容C5連接至U3的單穩定時電容端和地之間，電容C6連接至U3的電源負端和地之間，二極管D1連接至U3的運放同相輸入端和U3的運放輸出端之間，電阻R12、R13串聯后與電容C8并聯，連接至U3的運放反相輸入端和運放輸出端之間之間，U3的電源負端和電源正端分別接外接電源-15V和+15V，模擬地和數字地兩個管腳相連并接地。

(2.3)、濾波電路

濾波電路300，利用了運算放大器的高共模抑制比特性，其共模抑制比高度120dB，可將U3電路中輸出的交流紋波較為徹底的抑制掉，提高了測量精度。由運放U4、電阻R8、R9、R10、R11和電容C7組成，其連接關系為：轉換電路的輸出端分為兩路，一路串聯電容C7、電阻R8至運算放大器U4的差分輸入負端，另一路串聯電阻R10、R11連接至地，U4的差分輸入正端連接至電阻R10、R11的結點，電阻R9連接至U4的差分輸入負端和U4的輸出端，U4的輸出為濾波電路輸出。

本實用新型的高可靠強抗干擾低轉速測量裝置結構如圖4所示，圖中各元器件的參數如表1和表2所示：

表1電阻表

表2電容表

其中，整形電路中U1、R1、R2、R3組成輸入信號閾值電路，在實際應用中，外界干擾信號一般為幾百毫伏，而霍爾式轉速傳感器輸出為+5V，為了去除干擾信號并有效的輸出方波信號，將閾設定為1±0.1V，來提高轉速測量裝置的抗干擾能力；

轉速測量裝置的裝配過程為：先將薄膜4粘貼在第一殼體3的底部；將霍爾芯片5焊接到印制板6上，芯片正面面向薄膜4，用鐵錨將霍爾芯片5粘貼在薄膜4上，然后在第一殼體3沿豎直面圓周壁貼一圈膜片7，保證霍爾芯片5與第一殼體3內壁無接觸，用長約20毫米的短引線8從霍爾芯片5引出，再焊接到插座9，安裝完畢后，保持第一殼體3小端面朝下，作為優選方案，霍爾式轉速傳感器還包括硅橡膠，如GD-414，將霍爾芯片灌封于第一殼體槽內，保證了短引線在強沖擊下的穩定，提高了轉速測量裝置的抗震性能，，最后用四個小螺母將第一殼體3和插座9進行緊固；將電路板11調試合格后用四個大螺母固定在第二殼體10的槽內，并將長引線13焊接至插頭13，最后輸出電壓信號。

霍爾型轉速傳感器是利用霍爾原理進行轉速測量的，核心是霍爾電路，通過感應磁場變化產生相應的霍爾電勢。在進行轉速測量時，通常在變量柱塞泵15的圓周面上均勻粘貼3對磁鋼16，使轉速測量裝置17的中心軸與磁鋼的中心軸一致，如圖3所示。在變量柱塞泵15轉動時，磁鋼16也隨之轉動，轉速測量裝置17便能接收到磁鋼16發出的變化的磁場。

高可靠強抗干擾低轉速測量裝置測量轉速核心元件是霍爾電路，霍爾電路通過感應外界磁場強度改變電路的導通狀態，輸出與變量柱塞泵轉速成比例的方波信號，如圖6所示，再經過轉速變換器將方波信號轉換為與頻率成正比的電壓值，最終實現轉速的測量。

因此，本實用新型具有靈敏度高且穩定，可靠性高、抗干擾能力強和適合于低轉速測量的優點，輸出的矩形脈沖信號可供數字控制系統直接使用，其信號幅值大小與被測物轉速無關,即使是在低轉速狀態下,仍能夠獲得較高的檢測準確度。

上面對本實用新型的實施例對作了詳細說明，上述實施方式僅為本實用新型的最優實施例，但是本實用新型并不限于上述實施例，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本實用新型宗旨的前提下做出各種變化。