浅析磁电式传感器的结构原理及其在汽车测试中的应用要点.pdf

编号：44 汽车测试技术课程论文 浅析磁电式传感器的结构原理及其在汽车测试中的应用 班级：车辆1112 姓名（及手机）： 王志远（18262816053） 学号：1111504223 任课教师：郑建 祥 博士（13179519460） 2014-05-25 浅析磁电式传感器的结构原理及其在汽车测试中的应用 摘要：对磁电式转速传感器结构及工作原理进行了阐述, 并介绍了其在汽车测试的几个 方面中的应用。 关键词：磁电式传感器汽车测试机电一体化数据采集控制装置 AbstractThe magnetic sensor is based on the principle of electromagnetic sensors, by magnetoelectric interaction will be measured (such as vibration, displacement, speed etc.) into sensor induction electromotive force, which is also known as the inductive sensor, electric sensor. According to the law of electromagnetic induction, the induction electromotive force in N coil. Induction electromotive force is determined from the rate of change of magnetic flux. The magnetic flux change of CO can be achieved by many means: such as the relative motion between the magnet and the coil magnetic reluctance; change; coil size change in a constant magnetic field. It can produce different types of magnetic sensor. The magnetic sensor is a kind of machine electric energy conversion type sensor, and does not need the power supply, the circuit is simple, stable performance, strong output signal, the output impedance is small, with a certain frequency response range, suitable for vibration, speed, torque measurement. 引言：作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术,已成为 21世纪人们在高新技术 发展方面争夺的一个制高点。在现代汽车电子控制中，传感器广泛用于发动机控制系统、底 盘控制系统、 车身控制系统和导航系统中，传感器的使用数量和技术水平决定了现代车辆控 制系统的性能，为汽车性能的改善提供了有力保障。传感器是汽车电子控制系统的信息源， 是促进汽车高档化、电子化、 自动化的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之 一。普通汽车上大约装有10-20 只传感器，高级豪华轿车则更多。传感器能及时识别外界和 系统本身的变化，对温度、压力、位置、转速、体积流量等信息进行实时、准确的测量，并 将信息传递给电脑进行处理，从而实现汽车各系统的电子控制。现代社会对车辆性能的要求 越来越高， 促使汽车传感器技术不断发展，今后汽车传感器的发展趋势是实现微型化、智能 化和多功能化，开发新材料、新工艺和新型传感器。 正文 一 结构原理磁传感器是基于电磁传感器原理, 通过磁电相互作用将被测量（如振 动、位移、 转速等） 转换成感应电动势的传感器，它也被称为感应式传感器、电动式传感器。 根据电磁感应定律，N匝线圈中的感应电动势。感应电动势的大小由磁通的变化率决定。磁 通量协的变化可以通过很多办法来实现: 如磁铁与线圈之间作相对运动; 磁路中磁阻变化; 恒 定磁场中线圈面积变化等。因此可以制造出不同类型的磁传感器。磁传感器是一种机一电能 量变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出信号强，输出阻抗小，具有 一定的频率响应范围，适合于振动、 转速、扭矩等测量。 但这种传感器的尺寸和重量都较大。 磁电传感器由永久磁铁（磁钢）、线圈、弹簧、金属骨架和壳体等组成。系统产生 恒定直流磁场， 磁路中工作气隙是固定不变的，因而气隙中的磁通也是恒定不变的。它们的 运动部件可以是线圈，又可分为圈式或动铁式两种结构类型。恒磁通磁传感器结构原理图磁 铁与传感器壳体固定，线圈和金属骨架（合称线圈组件）用柔软弹簧支承。线圈组件与壳体 固定，永久磁铁用柔软弹簧支承。两者的阻尼都是由金属骨架和磁场发生相对运动而产生的 电磁阻尼。 动圈式和动铁式的工作原理是完全相同的，当壳体随被测振动体一起振动时，由 于弹簧较软， 运动部件质量相对较大，因此振动频率足够高（远高于传感器的固有频率）时， 运动部件的惯性很大，来不及跟随振动体一起振动，近于静止不动， 振动能量几乎全被弹簧 吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度。线圈与磁铁间相对运动 使线圈切割磁力线， 产生与运动速度成正比的感应电动势，线圈处于工作气隙磁场中的匝数， 称为工作匝数 ; 工作气隙中磁感应强度; 每匝线圈的平均长度。 这类传感器的基型是速度传感器，能直接测量线速度。因为速度与位移和加速度之 间有内在的联系，即它们之间存在着积分或微分关系。因此， 如果在感应电动势的测量电路 中接入一积分电路，则它的输出就与位移成正比; 如果在测量电路中接人一微分电路，则它 的输出就与运动的加速度成正比。这样， 这类磁传感器就可以用来测量运动的位移或加速度。 磁电式传感器有时也称作电动式或感应式传感器，它只适合进行动态测量。由于它有较大 的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带一般为101000Hz。 磁电式传感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力(矩)发生器和电磁激振器等。 根据电磁感应定律，当W 匝线圈在均恒磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内 的感应电势e 与磁通变化率d/d t 有如下关系：E=-w(d /d t) 根据这一原理，可以设计成变磁通式和恒磁通式两种结构型式，构成测量线速度或角速 度的磁电式传感器。下图所示为分别用于旋转角速度及振动速度测量的变磁通式结构。 变磁通式结构 (a)旋转型（变磁） ） ； (b)平移型（变气隙） 其中永久磁铁 1(俗称“磁钢”)与线圈 4均固定，动铁心3(衔铁 )的运动使气隙 5和磁路磁阻变 化，引起磁通变化而在线圈中产生感应电势，因此又称变磁阻式结构。 在 恒 磁 通 式 结 构 中，工作气隙中的磁通恒定，感应电势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割 磁力线而产生。这类结构有两种，如下图所示。 恒磁通式结构(a)动圈式； (b)动铁式 图中的磁路系统由圆柱形永久磁铁和极掌、圆筒形磁轭及空气隙组成。气隙中的磁场均 匀分布，测量线圈绕在筒形骨架上，经膜片弹簧悬挂于气隙磁场中。 当线圈与磁铁间有相对运动时，线圈中产生的感应电势e 为 式中B气隙磁通密度(T)； l气隙磁场中有效匝数为W 的线圈总长度(m) 为 l=laW(la 为每匝线圈的平均长度)v线圈与磁铁沿轴线方向的相对运动速度(ms-1) 。 当传感器的结构确定后，式(5-2) 中 B、la、W 都为常数，感应电势e 仅与相对速度v 有关。 为提高灵敏度， 应选用具有磁能积较大的永久磁铁和尽量小的气隙长度，以提高气隙 磁通密度 B；增加 la 和 W 也能提高灵敏度，但它们受到体积和重量、内电阻及工作频率等 因素的限制。 为了保证传感器输出的线性度，要保证线圈始终在均匀磁场内运动。设计者的任务是选 择合理的结构形式、材料和结构尺寸，以满足传感器基本性能要求。根据电磁感应定律, 当 w 匝线圈在恒定磁场内运动时, 设穿过线圈的磁通为 , 则线圈内的感应电势E 与磁通变化 率 d /dt 有如下关系 : E=-w(d /dt) 二在汽车测试中的运用 1 汽车磁电式车速传感器 磁电式传感器是利用电磁感应原理工作的，即：当闭合回路中的磁通量发生变化时，回 路中就产生感应电动势，其大小与磁通量的变化率有关，即： E：感应电动势； N：导电回路中线圈的匝数； 通过改变穿越线圈磁通量的变化率就可以改变感应电动势E的变化，而在实际应用过程 当中，改变穿越线圈磁通量的变化率的方式有3种，即移动线圈、移动磁铁或改变磁阻，与 之对应的分别称为动圈式磁电传感器、动铁式磁电传感器及磁阻式磁电传感器。而在车辆上 应用最广的是磁阻式磁电传感器。下面以磁阻式磁电传感器为例来讲磁电式传感器在车辆上 的应用情况。 磁阻式磁电传感器在车辆上的应用可以用来检测发动机转速和车轮转速，一般 由传感头和齿圈组成，而传感头主要由永磁体、磁极和感应线圈组成。当齿圈的齿隙与传感 器的极轴端部相对时，极轴端部与齿圈之间的空气间隙最大，磁阻也最大， 通过感应线圈的 磁通量最小。 而当齿圈的齿顶与传感器的极轴端部相对应时，极轴端部与齿圈之间的空气间 隙最小，磁阻也最小，通过感应线圈的磁通量最大。当齿圈随同车轮转动时，齿圈的齿顶和 齿隙就交替地与传感器极轴顶部相对，传感器感应线圈周围的磁场随之发生强弱交替变化， 在感应线圈中就会感应出交变电动势，其频率与齿圈的齿数和转速成正比。 磁电式轮速传感器结构简单、成本低、工作稳定可靠, 几乎不受温度、灰尘等环境因素 的影响，缺点是：一是输出信号的幅值随转速的变化而变化。若车速过慢， 其输出信号低于 1V，电控单元就无法检测；二是响应频率不高。当转速过高时，传感器的频率响应跟不上； 三是抗电磁波干扰能力差。目前， 国内外 ABS 系统的控制速度范围一般为15km/h160km/h， 今后要求控制速度范围扩大到8km/h 260km/h 以至更大，显然磁电式轮速传感器很难适应。 控制装置是变速器的中央控制单元，它的核心是ECU控制装置， 所有传感器和信号都汇集于 此，由它分析后，发出指令并实施监控。 控制理论在汽车电控中得到了广泛的应用，主要有PID控制、最优控制、自适应控制、 滑模控制、 模糊控制、神经网络控制以及预测控制等。就其结构而言，电控系统主要由传感 器、电子控制组件ECU 、执行器三个部分组成。 2 磁感应式高压共轨转速传感器 高压共轨系统有两个转速传感器,一个为曲轴位置传感器(crankshaft position sensor, CPS),采集曲轴转动角度和发动机转速信号,输入到ECU,用以确定喷油时刻;另一个为判缸传 感器 (cylinder identification sensor,CIS),CIS采集油泵位置,输入到 ECU,ECU 据此识别发 动机缸号 ,从而实现顺序喷油控制。由于这两个传感器确定发动机工作时序,是所有控制的时 间基准 ,因此 ,信号对发动机正常工作至关重要2 图 1共轨系统结构原理 国内在电控系统开发初期转速传感器主要依赖进口,例如 HONEYWELL 、 GE、 SIEMEMS 等,一方面价格昂贵,另一方面供货周期较长,难以满足产品要求,而直接针对电控系统开发的 转速传感器并不多见3 4 。基于以上情况,在电控共轨系统研究的基础上,研制开发了磁感应 式转速传感器 ,并进行了传感器性能及电控柴油机试验,结果表明文中研制的磁电式转速 传感器性能满足使用要求。 磁电式传感器设计 2.1感应电动势计算 磁电式传感器以法拉第电磁感应定律为基础,即当线圈在磁场中运动时,线圈两端的感应电动 势正比于穿过线圈磁通的变化率,其方向与磁通变化相反5, 即:当线圈在磁场中运动时,线圈 两端的感应电动势正比于穿过线圈磁通的变化率,其方向与磁通变化相反5, 即:e= -NdHdt (1)式中 :N 线圈匝数; H穿过每匝线圈的磁通量。 假设切割磁力线齿圈的有效长度为l,其齿圈半径为R,其相对切割线速度为dx/dt, 切割方向 与磁力线的夹角为T,切割处的磁感应强度为B,则根据式 (1)可得电动势为: e= -NBldxdtsinT(2) 若齿圈相对角速度为w,则(2)式可转化为 : e= -NBlRwsin(wt) (3) 从上推导可得 ,当齿圈尺寸一定时线圈感应电动势正比于齿圈旋转角速度,其频率和齿圈旋转 频率一致 ,因此 ,测量得到感应电动势频率就可以得到齿圈的旋转速度,磁电式转速传感器正 是依据这个原理工作的,频率 f(Hz) 取决于齿数N1 和转速 n(r/m in)的乘积 ,即: f=nN160(4) 传感器线圈结构对传感器输出性能影响较大,当采用多层圆柱线圈结构时,线圈常数表达式 为:NS= 12N(d2+dD+D2) (5) 式中 :D、d分别为线圈外径和内径; S线圈截面系数。 当感应线圈的几何尺寸和匝数设计确定后,线圈常数也就随之确定,实际设计尺寸时综合考虑 了 L/D 和 NS 的影响 ,经多轮优化设计及试验,最后确定感应线圈尺寸D= 6mm,d= 3mm, 长度 L= 10mm。 2.2线圈匝数计算 磁电式传感器相当于一电势源,它内阻为线圈的直流电阻R1(忽略线圈电抗),输出电压信号时, 外围电路相当于负载,若负载电阻为RL,则其等效电路如图4 所示。 从电工原理可得,为从传感器获得最大功率必须满足R1=RL, 线圈电阻可表示为: R1=NdlaS(6)式中 :d导线电阻率;la线圈长度 ;S导线截面积。 由于 R1=RL, 因此 :RL=NdlaS(7) 图 2磁电式传感器等效电路 从而可得较优化的线圈匝数N 为: N=RLSdla(8) 2.3传感器接口电路 从式 (3)可见磁电式转速传感器输出电压呈正弦变化趋势,因此必须设计变换电路,即把转速 传感器输出信号处理成单片机能接收的数字信号,其电路原理如图5 所示。传感器感应电经 过 D1 滤波除去负半周信号,送到 BG1 进行放大 ,再经过BG2 组成射极跟随器,然后进入由 BG3 和 BG4 组成的射极耦合触发器进行整形,最后在 Uout处输出方波信号。 图 3 转速传感器处理电路 2.4传感器输出特性 线性度是传感器非常重要的输出特性之一,从式 (3) 可见 ,理论上磁电式转速传感器输出电压 幅值和转速呈线性关系,但实际传感器由于磁路损失影响,因此很难保证传感器在整个转速范 围内都呈线性关系,不同传感器具有不同的特性,图 6 给出了文中所设计转速传感器在不同间 隙下输出电压幅值随转速的变化趋势。 通过试验 ,得到如下主要结论: (1)随传感器安装间隙增加,传感器输出灵敏度迅速降低。 (2)随转速升高 ,传感器输出电压幅值增加。不同间隙下传感器常用工作区(低于 1000r/m in) 都有较高线性度。在高速情况下,传感器输出电压随转速变化减,这是由于高速时传感器磁路 损失严重。 图 4 不同间隙时传感器输出试验曲线 (3) 在大间隙情况下,传感器输出电压干扰较大,因此 ,对于磁电式转速传感器,在确保正常使用 的前提下 ,安装间隙应尽可能小。 图 5 为自行研制开发的磁电式转速传感器实物照片,该传感器的主要技术指标如表1 所示。 图 5 磁电式转速传感器外形 三 汽车安全气囊磁电式传感器 目前 ,在对汽车碰撞的安全装置的研究中,人们主要的注意力是集中在安全气囊上,而 对安全气囊触发信号的发出者传感器的深入研究还很不够。已开展研究的传感器有触 发开关式 (如图 1 所示 )、纯机械式 1、单点电子式2 、侧撞式、应变式。 图 6传感器结构 Fig.6Constructure of sensor 传感器结构如图6 所示 ,它由外壳 (非磁性材料 )、磁性 材料、惯性体 (非磁性材料 )、连接在惯性体上的软铁、支持和 调节位移幅值的弹簧、 安装在与外壳连接的凸柱内的永久磁铁和绕制在软铁上的线圈及引线 组成。 速度 a时,惯性体产生一反向加速度,导致通过线圈的磁通量发生变化,在线圈引线两端产生钟 形脉冲信号 ,如图 7 所示。图7(a)为冲击加速度曲线,图 7(b)为感应电动势的变化曲线。当调 整弹簧刚度时 ,可改变加速度信号的宽度。(a)加速度(b)感应电 动势 图 7加速度和感应电动势曲线 Fig.7Relative of acceleration and inductance electric force 3.2判别电路 信号的判别电路由3 部分组成 ,即 :信号幅度判别电路如图8(a)所示 ,信号宽度判别电 路如图 8(b)所示 ,有用、 无用信号判断电路。 信号幅度判别采用电压比较器,在电路中 A1 的(+) 输入端是一高电平参考电压,是可调整的 ,在系统中设为VrefH=5 V 。A2 的 (-)输入端为一低电 平参考电压 ,也是可调整的,在系统中设为VrgfL=0.5 V 。 信号宽度的检测判别电路中核心器件 是 NE555,判别功能类似于信号幅度的检测判别过程。有用、无用信号判别电路采用8 选 1 多路选择开关CD 4051 BE 完成。当时间宽度检测信号和幅度检测信号都分别达到要求时, 控制多路选择开关,使原始信号通过,当 2个控制信号有一个不满足要求时,原始信号不能通过, 从而区别有用、无用信号。 结束语随着电子技术的发展， 汽车电子化程度不断提高， 通常的机械系统 已经难以解决某些与汽车功能要求有关的问题，而被电子控制系统代替。 传感器 的作用就是根据规定的被测量的大小，定量提供有用的电输出信号的部件，亦即 传感器把光、时间、电、温度、压力及气体等的物理、化学量转换成信号的变换 器。传感器作为汽车电控系统的关键部件，它直接影响汽车的技术性能的发挥。 而磁传感器作为一种机一电能量变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定， 输出信号强，输出阻抗小等优点，具有一定的频率响应范围，适合于振动、转速、扭矩等测 量，在汽车测试中必将有越来越广泛的应用。 参考文献 1 邓飞 ,高世伦 ,蒋方毅 ,等 .柴油机高压共轨式燃油喷射系统的模拟系统和ECU 的开发研 究J.现代车用动力, 2002(2): 7 9. 2 宋国民 ,刘学瑜 ,陆健 .高压共轨转速信号测量与精确定时分析J.现代车用动力, 2003(5): 22 25. 3 扬帆 .磁电式传感器计算机辅助设计J.自动化与仪器仪表, 2002(2): 15 18. 4康华光 . 电子技术基础（模拟部分）M . 北京：高等教育出版社 , 2006（5） 5楼然苗 . 李光飞. 单片机课程设计指导 M . 北京：北京航空航天大学出版社， 2007 6TRW.Airbag crash sensors,automoble electronics.New York:Automobile Eelectronics Group, 2006.4 7 Huang,Kuo-Chang.Collision detection sensor.US Patent,5307890A,2011-05-03