CN1014540B - 与轴承组件一起使用、带有自适应阈电路的磁性速度传感器 - Google Patents

Abstract

一磁性传感器的轴承利用一自适应的阈电路进行信号处理，用来补偿外部因素，例如温度、应力、老化和外界磁场等的影响，上述外部因素均影响比较器中一设定的参考信号。当磁性传感器的输出信号由于上述的外部因素而漂移时，自适应的阈电路使参考信号以互补的方式漂移，从而使得磁性传感器的轴承仍能正常工作而不受外部因素的影响。

Description

本发明涉及一种轴承，该轴承内设置有一些电路，这些电路中设有用以提供一种对固态磁性传感器输出信号上的外部因素作用进行补偿的装置。具体地说，本发明的轴承具有可补偿温度、外界压力、外界磁场和其它外部因素的补偿电路。这种补偿能使固态磁性传感器的输出信号在相当低的强度水平可满意地被检测到，且可靠性较高。磁场强度可受多种因素的影响。本发明考虑到两种重要因素是传感器与磁化编码磁环的物理上的贴近度和编码磁环所产生的磁通量密度。

本发明非常适合与磁性轴承的速度传感器结合使用，上述的速度传感器利用霍尔效应传感器，或磁控电阻传感器，或磁控晶体管传感器，尤其是止推轴承和径向轴承更适合。将本发明与变速箱和反锁定的制动系统（ABS）一起使用是特别合适的。

一些现有技术的磁性转承传感器可提供线性输出信号。这种线性输出信号通常在处理前被放大。放大了的信号随后与一个固定的参考信号（例如一个阈值电压电平）进行比较，以从该传感器得到的所需信息。这种类型的现有技术的传感器信号处理的主要问题是磁性传感器的输出信号往往会由于诸如温度、压力、外界磁场等外部因素的作用，经过一段时间以后产生显著的变化。这种变化在很大程度上是由于这些外部因素在该磁性传感器上作用而产生的。业已采用了各种各样技术方案来补偿这些外部因素的影响，例如将两个霍尔效应传感器差分联接以从输出 中消除随机器声和其它“杂散”电势。这种类型的现有技术轴承的例子已在1976年1月13日公开的乔治A.盖伦特（George    A.Gallant）的题为“涡流传感器”的美国专利3，932，813号中描述了。其它的现有技术专利都采用低通滤器和比较器以及类似的电气、电子器件，来补偿非归零（NRZ）信号或者在具有过渡响应信号，而且该过渡响应信号又具有由于正被测量的连续的低或高信号电平引起的误差的情况下来补偿信号中的直流成分。这种类型的现有技术电路的例子已1982年7月13日公开的Kouzou    Kage和IKio    Yoshida的题为“波形转换线路”的美国专利4，339，727中描述了。

本发明的目的是提供一种可装配在轴承配件内的一种速度传感器。该速度传感器含有一个自适应电路用以对外部因素在一个固态磁性传感器输出信号上响予以补偿。

具有本发明的自适应阈电路的磁性传感器轴承可以补偿上述外部因素的影响。该轴承具备从被检测的编码磁环中检测出相当弱的磁信号的能力。当传感器老化时，其灵敏度及与其相关联的信号处理电路灵敏度仍旧基本上是恒定的。与现有技术中通常采用的固定阈值的处理电路相比，本发明的自适应阈电路可准确地处理其峰-峰值此现有技术中所需的最小峰-峰值低一个数量级传感器输出信号。

简单地说，具有自适应阈电路的磁性传感器轴承包括一个具有固态磁性传感器的轴承，该传感器产生一个输出信号，该比较该信号由具有预定的滞后带宽，并有两个输入信号的比较器来处理。自适应阈电路可以全部或部分地集成于集成电路（IC）芯片。其中一个输入信号是来自固态磁性传感器的原始输出信号，第二输入信号由与第一输入信号的电路相并联的一个电路产生的产生。第二输入信号的电路是一低通滤波器（RC）电路，用来从固态磁性传感器中取出信号，并滤出在预定频率之上的所有分量。然后，第二输入信号在该比较器中与第一输入信号进行比 较，以确定其相对电压值。若第一输入信号的幅值大于第二输入信号的幅值，则产生一个正的比较器输出信号。若第一输入信号的幅值小于第二输入信号的幅值，则产生一个负的比较器输出信号。如有需要，可将比较器的输出信号即方波（“通”-“断”或“0-1”）供数字应用。这种应用涉及到本人的一个未决美国专利申请，该申请号是120，406，题为“具有磁场探测器的轴承”，申请日为1987年11月13日。

参照以下附图，来详细描述本发明以便更好地理解本发明。

图1    示出装配有止推轴承的本发明的一个实施例的侧视剖面图;

图2    示出图1其上装有磁性传感器的止推挡板的正视图。

图3    示出图1止推轴承的磁性止推挡板的正视图;

图4是安装在旋转轴上并装入径向轴承的本发明第二实施例的局部侧视剖面图;

图5是图4中所示的径向轴承磁化环部分的透视图;

图6是图4中所示径向转承外圈的透视图;

图7是本发明的自适应的阈电路原理图;

图8是用于处理传感器电输出信号的典型现有技术的电路原理图;

图9a，9b，和9c绘出了图7和图8中表示出的电路的输出信号对于时间的曲线，以便比较两个不同的输出信号。

参照附图，特别是附图1至附图3，图中表示了根据本发明优选实施例的轴承10，它具有一固体磁性传感器组件30整体接附于其上。传感器组件30包括霍尔效应或类似的磁性传感器，并包括具有输出信号处理线路的集成电路（IC）芯片。轴承110是止推轴承，它有两个轴 向间隔的止推挡板，即环状的第一止推挡板12和环状的第二止推挡板14。止推挡板12在一侧表面有一径向延伸的座圈16，止推挡板14也在一侧表面有径向延伸的座圈18。止推挡板12还有永久磁性的磁极区域20，该磁极区域位于止推挡板12的径向外圈部分22上。磁极区域20按图3所示的交替间隔的形式排列，即每个北极处于两个南极之间，而每个南极又处于两个北极之间。止推挡板12上磁化的磁极区域20的数量越多，从传感器30出来的、输出信号的清晰度就越高。固体磁性传感器组件30整体安装于环状塑料的传感器支座24上，支座24上有一平底孔26用于容纳上述第二环状的止推挡板14。

一环形法兰状外周环壁28整体接附于止推挡板14上，并与平底孔26的外径表面形成密配合。壁28的轴向边缘的一端折成大约90度角，形成一径向向内延伸的凸出部分32，以便轴向限制含有多个滚柱36的滚柱保持架34。滚柱保持架34和滚柱36在相对配置的座圈16和18之间轴向排列放置。

一径向槽38从平头孔26到支座24的外径边缘贯穿通过。固体磁性传感器组件30通过树脂40或类似材料安装于槽38中，如图2所示。这样的安装确定了传感器组件30的位置，以使传感器组件30与磁极扇形区域20沿轴向调准并贴近。下面将详细描述的信号处理线路100集成于一集成电路（IC）芯片上，芯片与传感器组件30形成一整体。较理想情况是，除了电容109（见图7）和电容122（当使用时）外，线路100的所有主要元件全都包括在IC芯片上。

图2中表示的可选择使用的磁通集中器42与传感器组件30沿周向并置安放。磁通量集中器42的作用是在紧靠传感器组件30处提供一阻抗较小的磁通的通道。由于磁通有在磁阻较小的区域集中的趋势， 故磁通集中器42提高了由磁性传感器组件30检测到的磁通量的强度。

参照附图4至附图6，可旋转轴50安装在轴承圈60内。轴50的外表面上的一部分具有周向环绕的座圈52。轴承圈60内表面的一部分上也具有座圈62（见图4），座圈62与座圈52在轴向对准。轴承圈60也有一平底孔64;该平底孔64位于座圈62轴向向外的端部。多个滚柱66排列在座圈52和62之间，并在轴向被两个环形法兰68和70限定位置，环形法兰68和70从轴承圈60沿径向向内延伸而成。法兰68内侧的台肩72及法兰70上与上述侧面相对侧的台肩74，用来防止滚柱66沿轴向偏离座圈52和62。

与附图1至附图3中所述的传感器组件30类似的一个固体磁性传感器组件80固定在一个传感器支座82上，支座82又附接于平底孔64的内表面84上。传感器组件80也由霍尔效应或类似的磁性传感器和具有输出信号处理线路的集成电路（IC）芯片组成。

磁环90（如图5所示）提供一永久磁场。磁环90和同心的环状固定圈92一起接于轴50上。

磁环90具有永久的磁性，在磁环90的整个圆周上形成多个磁极区域94。磁极区域94以交替间隔的形式排列，类似附图3中磁极区域20的排列方式，这样，每个南极均处于两个北极之间，而每个北极则处于两个南极之间。

现参照附图7，固体磁性传感器101（如：模拟霍尔效应传感器，或磁控电阻传感器，或磁控晶体管传感器或类似磁性传感器）产生一原始的模拟传感器输出信号102。见本人的未决的美国专利申请中，有关由磁性传感器或检测器产生输出信号的方法的描述，上述专利申请的流水号为120，406，该专利申请于1987年11月13日提交。信号102由自适应阈电路进行处理。该电路的大部分集成于一集成电路（IC）芯片上，并与传感器组件30或80形成一整体。信号102传送至根据本发明的自适应阈电路100，在作为第一输入信号直接进入比较器104之前，信号102先经过一个电阻103（阻值为R1）。图7中还可看到，信号102恰在电阻R1前分开并通过作为低通滤波器的一个并联分支电路。信号102经过降压电阻107（阻值为 R2），跨过滤波电容109（电容值为C1）作为第二输入信号108进入比较器104。这个低通滤波器大幅度地衰减了信号102中大于预设阈值的所有频率分量。输入信号108是信号106“平滑”后的形式，并且信号108被有效地均化以减弱信号102幅值的大幅度瞬间变化，从而消除信号幅度对于时间的不连续性。

比较器104接收输入信号106和108，并判断它们的相对值以产生一方波形的比较器输出信号110。当信号106和108的相对电压值反向时，信号110也改变极性。具体地说，当输入信号106的幅值大于输入信号108的幅值时，产生的输出信号110为正值;相反，当输入信号108的幅值大于输入信号106的幅值时，比较器的输出信号110改变极性而为负值。可选择使用的电容器112（电容值为C2）用于减少输入信号106和108中的高频噪声对比较器104的误触发。电阻114（阻值为R3）与电阻103一起形成比较器的滞后带宽。电阻116（阻值为R4）是输出信号110的上拉（pull-up）电阻。导线118为线路100提供电源，可选择使用的电容122（电容值为C3）可提供更理想的电源。导线120用作公共线或地线。电容109和可选择使用的电容122，如图7中所示，是仅有的未集成入传感器组件30或80的集成电路（IC）芯片中的两个电气元件。

可以被比较器104借助于线路100精确测出的、信号102的峰一峰极小值的极限大约比现有技术中典型设置的阈处理电路所要求的值小一个数量级。

图8说明了一典型的现有技术的信号处理电路，该电路不能补偿前述的外部因素的影响。来自磁性传感器的原始输出信号102作为输入比较器的两个输入信号之一，直接送入比较器104。该第一输入信号126与经过电阻132（电阻值为R5）的第二输入信号128进行比较。电阻132是两个分压电阻之一，另一分压电阻是134（电阻值是R6）。信号128还经过一个电阻138（电阻值是R8），该电阻控制滞后带宽。电阻136（电阻值是R7）作为比较器输出信号110的上拉电阻。电容139（电容值为C4）连接在电源导线118和地线120之间，以减小电源供给信号中的杂散干扰，电容139的作用类似于其它现有技术中相应电容的作用，以用来更好地调整电源。

参照附图9a至9c进一步说明本发明的优点。图9a表示了相对于设定的参考信号140（如：设定的参考电压），原始输出信号102对于时间的常见的漂移，并表示了两个漂移参考信号142和144。图9b和9c分别表示了经图8所示的现有技术电路和图7所示本发明电路所处理的对于时间的输出信号130和110，上述输出信号均为图9a中表示的原始输出信号的结果。图9b表示了响应传感器输出信号102（图9a），相对于设定的参考信号140而得的比较器输出信号130（图8）。当磁性传感器受外部因素影响，导致信号102向上漂移，传感器输出信号的交替波形不再在参考信号的上下对称变化。信号102在波形周期的大部分时间，而不只是该周期的50%时间，其值大于参考信号的值。结果使得方波输出信号130的“通”状态多于一半时间，而信号的“断”状态则相应地减少（如图9b所示）。信号102漂移一个周期后，比较器输出信号130不再是“方波”信号，而更多地成为“通”信号，尽管此时磁性传感器所实际产生的输出信号仅在一半的时间处于“通”状态。相反，根据本发明的磁性传感器轴承而得的比较器输出信号110，在信号102向上漂移时仍保持其方形波形。这是由于在“断”阈信号电平142漂移的同时，还存在有由图7线路产生的“通”阈信号电平144的漂移。滞后带宽146保持一恒定值，该恒定值被电阻114和电阻103的阻值R3和R1所控制。电路100所进行的信号处理，在由磁性传感器所检测到的状态与比较器的最终处理输出信号110之间，提供了精确的相关对比。

Claims (6)

1、与一个轴承组件和一个转轴一起使用的一种速度传感器组件，它包括：一个环形磁环，用以提供与上述转轴的转速相应的一个磁信号，该磁环与上述转轴相连接；一个固态磁性传感器，用以检测上述磁信号，上述传感器在传感器输出端上提供一个模拟的输出信号，这个输出信号与上述磁信号和上述转轴的转速成比例；一个安装件，用以将上述传感器安装在上述轴承组件上；其特征在于，一个自适应阈值电路，与上述传感器的输出端相连接，处理上述传感器的输出信号，以提供一个方波数字输出信号，所述的自适应阈值电路包括：一个比较器，它具有第一和第二模拟输入信号输入端和一个数字输出信号输出端；第一模拟比较器输入信号端与上述传感器输出端相连接，上述比较器输出端提供一个正反馈信号供给上述第一比较器输入端，以提供磁滞作用，第二模拟比较器输入信号端与上述传感器输出端以及一个低通滤波器串联连接，上述低通滤波是由一个电阻和一个电容构成的，上述比较器响应上述第一和第二输入信号的相对幅值，在上述比较器输出端上提供一个相应的数字输出信号，以及上述自适应阈值电路被整体集成为一个集成电路芯片，但除了上述低通滤波器中的上述电容以外。

2、根据权利要求1所述的速度传感器组件，其特征在于，所述的固态磁性传感器是一个霍尔效应的传感器。

3、根据权利要求1所述的速度传感器组件，其特征在于，所述的固态磁性传感器是一个磁控电阻传感器。

4、根据权利要求1所述的速度传感器组件，其特征在于，所述的磁环安装在一个环形圈上，该圈是热压装配在上述轴上的。

5、根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述的自适应阈值电路还包括一个电容器，该电容器连接在上述第一与第二比较器输入端之间。

6、根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述的传感器组件安装在一个印刷电路板上。

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