淺析磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)原理及其在汽車測試中的應(yīng)用教材

1、編號： 44汽車測試技術(shù)課程論文淺析磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)原理及其在汽車測試中的應(yīng)用班 級 ： 車 輛 1112姓名(及手機(jī)) ： 王志遠(yuǎn) 學(xué)號： 1111504223任課教師：鄭 建 祥 博士 2014-05-25淺析磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)原理及其在汽車測試中的應(yīng)用摘要：對磁電式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了闡述 , 并介紹了其在汽車測試的幾個 方面中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：磁電式傳感器 汽車測試 機(jī)電一體化 數(shù)據(jù)采集 控制裝置AbstractThe magnetic sensor is based on the principle of electrom

2、agnetic 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

3、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 ca

4、n 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, witha certain frequency responserange, su

5、itable for vibration, speed, torque measurement.引言： 作為現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱之一的傳感器技術(shù),已成為 21 世紀(jì)人們在高新技術(shù)發(fā)展方面爭奪的一個制高點(diǎn)。 在現(xiàn)代汽車電子控制中， 傳感器廣泛用于發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、 底 盤控制系統(tǒng)、 車身控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)中， 傳感器的使用數(shù)量和技術(shù)水平?jīng)Q定了現(xiàn)代車輛控 制系統(tǒng)的性能，為汽車性能的改善提供了有力保障。傳感器是汽車電子控制系統(tǒng)的信息源， 是促進(jìn)汽車高檔化、 電子化、 自動化的關(guān)鍵部件， 也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之 一。普通汽車上大約裝有 10-20 只傳感器，高級豪華轎車則更多。傳感器能及時

6、識別外界和 系統(tǒng)本身的變化，對溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、體積流量等信息進(jìn)行實時、準(zhǔn)確的測量，并 將信息傳遞給電腦進(jìn)行處理， 從而實現(xiàn)汽車各系統(tǒng)的電子控制。 現(xiàn)代社會對車輛性能的要求 越來越高， 促使汽車傳感器技術(shù)不斷發(fā)展， 今后汽車傳感器的發(fā)展趨勢是實現(xiàn)微型化、 智能 化和多功能化，開發(fā)新材料、新工藝和新型傳感器。正文一 結(jié)構(gòu)原理 磁傳感器是基于電磁傳感器原理 , 通過磁電相互作用將被測量（如振 動、位移、轉(zhuǎn)速等） 轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動勢的傳感器， 它也被稱為感應(yīng)式傳感器、 電動式傳感器。 根據(jù)電磁感應(yīng)定律， N 匝線圈中的感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢的大小由磁通的變化率決定。磁 通量協(xié)的變化可以通過很多辦

7、法來實現(xiàn) :如磁鐵與線圈之間作相對運(yùn)動 ; 磁路中磁阻變化 ;恒 定磁場中線圈面積變化等。 因此可以制造出不同類型的磁傳感器。 磁傳感器是一種機(jī)一電能 量變換型傳感器，不需要供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出信號強(qiáng)，輸出阻抗小，具有 一定的頻率響應(yīng)范圍， 適合于振動、 轉(zhuǎn)速、 扭矩等測量。 但這種傳感器的尺寸和重量都較大。磁電傳感器由永久磁鐵（磁鋼） 、線圈、彈簧、金屬骨架和殼體等組成。系統(tǒng)產(chǎn)生 恒定直流磁場， 磁路中工作氣隙是固定不變的， 因而氣隙中的磁通也是恒定不變的。 它們的 運(yùn)動部件可以是線圈， 又可分為圈式或動鐵式兩種結(jié)構(gòu)類型。 恒磁通磁傳感器結(jié)構(gòu)原理圖磁鐵與傳感器殼體固定，線圈和金

8、屬骨架（合稱線圈組件） 用柔軟彈簧支承。 線圈組件與殼體 固定，永久磁鐵用柔軟彈簧支承。 兩者的阻尼都是由金屬骨架和磁場發(fā)生相對運(yùn)動而產(chǎn)生的 電磁阻尼。 動圈式和動鐵式的工作原理是完全相同的， 當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時， 由 于彈簧較軟， 運(yùn)動部件質(zhì)量相對較大， 因此振動頻率足夠高 （遠(yuǎn)高于傳感器的固有頻率） 時， 運(yùn)動部件的慣性很大， 來不及跟隨振動體一起振動， 近于靜止不動， 振動能量幾乎全被彈簧 吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運(yùn)動速度接近于振動體振動速度。 線圈與磁鐵間相對運(yùn)動 使線圈切割磁力線， 產(chǎn)生與運(yùn)動速度成正比的感應(yīng)電動勢， 線圈處于工作氣隙磁場中的匝數(shù)， 稱為工作匝數(shù) ;

9、工作氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度 ; 每匝線圈的平均長度。這類傳感器的基型是速度傳感器， 能直接測量線速度。 因為速度與位移和加速度之 間有內(nèi)在的聯(lián)系， 即它們之間存在著積分或微分關(guān)系。 因此， 如果在感應(yīng)電動勢的測量電路 中接入一積分電路，則它的輸出就與位移成正比 ; 如果在測量電路中接人一微分電路，則它 的輸出就與運(yùn)動的加速度成正比。 這樣，這類磁傳感器就可以用來測量運(yùn)動的位移或加速度。 磁電式傳感器有時也稱作電動式或感應(yīng)式傳感器， 它只適合進(jìn)行動態(tài)測量。由于它有較大 的輸出功率，故配用電路較簡單；零位及性能穩(wěn)定；工作頻帶一般為10 1000Hz。磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性，利用其逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)可構(gòu)成力

10、（矩 ）發(fā)生器和電磁激振器等。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng) W 匝線圈在均恒磁場內(nèi)運(yùn)動時，設(shè)穿過線圈的磁通為 ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢 e 與磁通變化率 d/d t 有如下關(guān)系： E=-w（d /d t）根據(jù)這一原理，可以設(shè)計成變磁通式和恒磁通式兩種結(jié)構(gòu)型式，構(gòu)成測量線速度或角速 度的磁電式傳感器。下圖所示為分別用于旋轉(zhuǎn)角速度及振動速度測量的變磁通式結(jié)構(gòu)。變磁通式結(jié)構(gòu)（a）旋轉(zhuǎn)型（變磁） ）； （b）平移型（變氣隙） 其中永久磁鐵 1（俗稱“磁鋼” ）與線圈 4均固定，動鐵心 3（銜鐵 ）的運(yùn)動使氣隙 5和磁路磁阻變 化，引起磁通變化而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，因此又稱變磁阻式結(jié)構(gòu)。在恒磁通式結(jié)構(gòu)中，工作氣隙

11、中的磁通恒定， 感應(yīng)電勢是由于永久磁鐵與線圈之間有相對運(yùn)動線圈切割 磁力線而產(chǎn)生。這類結(jié)構(gòu)有兩種，如下圖所示。恒磁通式結(jié)構(gòu) （a） 動圈式； （b）動鐵式圖中的磁路系統(tǒng)由圓柱形永久磁鐵和極掌、 圓筒形磁軛及空氣隙組成。 氣隙中的磁場均 勻分布，測量線圈繞在筒形骨架上，經(jīng)膜片彈簧懸掛于氣隙磁場中。當(dāng)線圈與磁鐵間有相對運(yùn)動時，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e為式中 B氣隙磁通密度 (T) ； l氣隙磁場中有效匝數(shù)為W 的線圈總長度 (m) 為l=laW(la 為每匝線圈的平均長度 )v 線圈與磁鐵沿軸線方向的相對運(yùn)動速度 (ms-1) 。當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定后，式 (5-2) 中 B、 la、 W 都為常數(shù)，

12、感應(yīng)電勢 e 僅與相對速度 v 有關(guān)。 為提高靈敏度， 應(yīng)選用具有磁能積較大的永久磁鐵和盡量小的氣隙長度， 以提高氣隙 磁通密度 B ；增加 la 和 W 也能提高靈敏度，但它們受到體積和重量、內(nèi)電阻及工作頻率等 因素的限制。為了保證傳感器輸出的線性度， 要保證線圈始終在均勻磁場內(nèi)運(yùn)動。 設(shè)計者的任務(wù)是選 擇合理的結(jié)構(gòu)形式、材料和結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足傳感器基本性能要求。根據(jù)電磁感應(yīng)定律 , 當(dāng) w 匝線圈在恒定磁場內(nèi)運(yùn)動時 , 設(shè)穿過線圈的磁通為 , 則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢 E 與磁通變化 率 d /dt 有如下關(guān)系 : E=-w(d /dt)在汽車測試中的運(yùn)用1 汽車磁電式車速傳感器磁電式傳感器是利

13、用電磁感應(yīng)原理工作的， 即：當(dāng)閉合回路中的磁通量發(fā)生變化時， 回 路中就產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其大小與磁通量的變化率有關(guān)，即 ：E：感應(yīng)電動勢；N：導(dǎo)電回路中線圈的匝數(shù)； 通過改變穿越線圈磁通量的變化率就可以改變感應(yīng)電動勢E的變化，而在實際應(yīng)用過程當(dāng)中，改變穿越線圈磁通量的變化率的方式有3種，即移動線圈、移動磁鐵或改變磁阻，與之對應(yīng)的分別稱為動圈式磁電傳感器、 動鐵式磁電傳感器及磁阻式磁電傳感器。 而在車輛上 應(yīng)用最廣的是磁阻式磁電傳感器。 下面以磁阻式磁電傳感器為例來講磁電式傳感器在車輛上 的應(yīng)用情況。 磁阻式磁電傳感器在車輛上的應(yīng)用可以用來檢測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和車輪轉(zhuǎn)速， 一般 由傳感頭和齒圈組成，

14、而傳感頭主要由永磁體、 磁極和感應(yīng)線圈組成。 當(dāng)齒圈的齒隙與傳感 器的極軸端部相對時， 極軸端部與齒圈之間的空氣間隙最大， 磁阻也最大， 通過感應(yīng)線圈的 磁通量最小。 而當(dāng)齒圈的齒頂與傳感器的極軸端部相對應(yīng)時， 極軸端部與齒圈之間的空氣間 隙最小，磁阻也最小，通過感應(yīng)線圈的磁通量最大。當(dāng)齒圈隨同車輪轉(zhuǎn)動時，齒圈的齒頂和 齒隙就交替地與傳感器極軸頂部相對，傳感器感應(yīng)線圈周圍的磁場隨之發(fā)生強(qiáng)弱交替變化， 在感應(yīng)線圈中就會感應(yīng)出交變電動勢，其頻率與齒圈的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速成正比。磁電式輪速傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作穩(wěn)定可靠 , 幾乎不受溫度、灰塵等環(huán)境因素 的影響，缺點(diǎn)是：一是輸出信號的幅值隨轉(zhuǎn)速的變化而

15、變化。 若車速過慢， 其輸出信號低于 1V ，電控單元就無法檢測；二是響應(yīng)頻率不高。當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時，傳感器的頻率響應(yīng)跟不上； 三是抗電磁波干擾能力差。 目前，國內(nèi)外 ABS 系統(tǒng)的控制速度范圍一般為 15km/h 160km/h ， 今后要求控制速度范圍擴(kuò)大到 8km/h 260km/h 以至更大，顯然磁電式輪速傳感器很難適應(yīng)。 控制裝置是變速器的中央控制單元， 它的核心是 ECU控制裝置， 所有傳感器和信號都匯集于 此，由它分析后，發(fā)出指令并實施監(jiān)控?？刂评碚撛谄囯娍刂械玫搅藦V泛的應(yīng)用，主要有 PID 控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、 滑?？刂啤?模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及預(yù)測控制等。就其結(jié)構(gòu)而

16、言， 電控系統(tǒng)主要由傳感 器、電子控制組件 ECU、執(zhí)行器三個部分組成。2 磁感應(yīng)式高壓共軌轉(zhuǎn)速傳感器高壓共軌系統(tǒng)有兩個轉(zhuǎn)速傳感器 , 一個為曲軸位置傳感器 (crankshaft position sensor, CPS),采集曲軸轉(zhuǎn)動角度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號 ,輸入到 ECU,用以確定噴油時刻 ;另一個為判缸傳 感器 (cylinder identification sensor,CIS),CIS 采集油泵位置 ,輸入到 ECU,ECU 據(jù)此識別發(fā) 動機(jī)缸號 ,從而實現(xiàn)順序噴油控制。由于這兩個傳感器確定發(fā)動機(jī)工作時序,是所有控制的時間基準(zhǔn) ,因此 ,信號對發(fā)動機(jī)正常工作至關(guān)重要 2圖 1 共軌

17、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理國內(nèi)在電控系統(tǒng)開發(fā)初期轉(zhuǎn)速傳感器主要依賴進(jìn)口,例如 HONEYWELL 、GE、SIEMEMS等 ,一方面價格昂貴 ,另一方面供貨周期較長 ,難以滿足產(chǎn)品要求 ,而直接針對電控系統(tǒng)開發(fā)的 轉(zhuǎn)速傳感器并不多見 3 4 ?；谝陨锨闆r ,在電控共軌系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上 ,研制開發(fā)了磁感應(yīng) 式轉(zhuǎn)速傳感器 ,并進(jìn)行了傳感器性能及電控柴油機(jī)試驗,結(jié)果表明文中研制的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器性能滿足使用要求。磁電式傳感器設(shè)計2.1 感應(yīng)電動勢計算磁電式傳感器以法拉第電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ),即當(dāng)線圈在磁場中運(yùn)動時 ,線圈兩端的感應(yīng)電動勢正比于穿過線圈磁通的變化率 ,其方向與磁通變化相反 5, 即:當(dāng)線圈在磁場中運(yùn)

18、動時 ,線圈 兩端的感應(yīng)電動勢正比于穿過線圈磁通的變化率,其方向與磁通變化相反 5,即:e= -NdHdt(1)式中 :N 線圈匝數(shù) ;H穿過每匝線圈的磁通量。假設(shè)切割磁力線齒圈的有效長度為 l, 其齒圈半徑為 R,其相對切割線速度為 dx/dt, 切割方向 與磁力線的夾角為 T,切割處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B,則根據(jù)式 (1) 可得電動勢為 :e= -NBldxdtsinT(2)若齒圈相對角速度為 w,則(2) 式可轉(zhuǎn)化為 :e= -NBlRwsin(wt) (3)從上推導(dǎo)可得 ,當(dāng)齒圈尺寸一定時線圈感應(yīng)電動勢正比于齒圈旋轉(zhuǎn)角速度,其頻率和齒圈旋轉(zhuǎn)頻率一致 ,因此 ,測量得到感應(yīng)電動勢頻率就可以得

19、到齒圈的旋轉(zhuǎn)速度,磁電式轉(zhuǎn)速傳感器正是依據(jù)這個原理工作的 ,頻率 f(Hz) 取決于齒數(shù) N1 和轉(zhuǎn)速 n(r/m in) 的乘積 ,即: f=nN160(4)傳感器線圈結(jié)構(gòu)對傳感器輸出性能影響較大,當(dāng)采用多層圓柱線圈結(jié)構(gòu)時 ,線圈常數(shù)表達(dá)式為:NS= 12N(d2+dD+D2) (5)式中 :D 、 d 分別為線圈外徑和內(nèi)徑 ; S線圈截面系數(shù)。 當(dāng)感應(yīng)線圈的幾何尺寸和匝數(shù)設(shè)計確定后,線圈常數(shù)也就隨之確定 ,實際設(shè)計尺寸時綜合考慮了 L/D 和 NS 的影響 ,經(jīng)多輪優(yōu)化設(shè)計及試驗 ,最后確定感應(yīng)線圈尺寸 D= 6mm,d= 3mm, 長度 L= 10mm 。2.2 線圈匝數(shù)計算磁電式傳感器

20、相當(dāng)于一電勢源 ,它內(nèi)阻為線圈的直流電阻 R1( 忽略線圈電抗 ),輸出電壓信號時 外圍電路相當(dāng)于負(fù)載 ,若負(fù)載電阻為 RL,則其等效電路如圖 4 所示。從電工原理可得 ,為從傳感器獲得最大功率必須滿足R1=RL, 線圈電阻可表示為 :R1=NdlaS(6) 式中 :d 導(dǎo)線電阻率 ;la線圈長度 ;S導(dǎo)線截面積。由于 R1=RL, 因此 :RL=NdlaS(7)圖 2 磁電式傳感器等效電路從而可得較優(yōu)化的線圈匝數(shù) N 為 :N=RLSdla(8)2.3 傳感器接口電路從式 (3) 可見磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出電壓呈正弦變化趨勢,因此必須設(shè)計變換電路 ,即把轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號處理成單片機(jī)能接收的數(shù)

21、字信號,其電路原理如圖 5 所示。傳感器感應(yīng)電經(jīng)過 D1 濾波除去負(fù)半周信號 , 送到 BG1 進(jìn)行放大 ,再經(jīng)過 BG2 組成射極跟隨器 ,然后進(jìn)入由 BG3 和 BG4 組成的射極耦合觸發(fā)器進(jìn)行整形 ,最后在 Uout 處輸出方波信號。圖 3 轉(zhuǎn)速傳感器處理電路2.4 傳感器輸出特性線性度是傳感器非常重要的輸出特性之一,從式 (3)可見 ,理論上磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出電壓幅值和轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系 ,但實際傳感器由于磁路損失影響 ,因此很難保證傳感器在整個轉(zhuǎn)速范 圍內(nèi)都呈線性關(guān)系 ,不同傳感器具有不同的特性 ,圖 6 給出了文中所設(shè)計轉(zhuǎn)速傳感器在不同間 隙下輸出電壓幅值隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢。通過試驗

22、,得到如下主要結(jié)論 :(1) 隨傳感器安裝間隙增加 ,傳感器輸出靈敏度迅速降低。(2) 隨轉(zhuǎn)速升高 ,傳感器輸出電壓幅值增加。不同間隙下傳感器常用工作區(qū)(低于 1000r/m in)都有較高線性度。在高速情況下 ,傳感器輸出電壓隨轉(zhuǎn)速變化減 ,這是由于高速時傳感器磁路 損失嚴(yán)重。圖 4 不同間隙時傳感器輸出試驗曲線(3) 在大間隙情況下 ,傳感器輸出電壓干擾較大 ,因此 ,對于磁電式轉(zhuǎn)速傳感器 ,在確保正常使用的前提下 ,安裝間隙應(yīng)盡可能小。圖 5 為自行研制開發(fā)的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器實物照片,該傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。圖 5 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器外形三 汽車安全氣囊磁電式傳感器 目前 ,在

23、對汽車碰撞的安全裝置的研究中 ,人們主要的注意力是集中在安全氣囊上,而對安全氣囊觸發(fā)信號的發(fā)出者傳感器的深入研究還很不夠。 已開展研究的傳感器有觸 發(fā)開關(guān)式 （如圖 1 所示 ）、純機(jī)械式 1 、單點(diǎn)電子式 2 、側(cè)撞式、應(yīng)變式。圖 6 傳感器結(jié)構(gòu)Fig.6 Constructure of sensor 傳感器結(jié)構(gòu)如圖 6 所示 ,它由外殼 （非磁性材料 ）、磁性 材料、慣性體 （非磁性材料 ）、連接在慣性體上的軟鐵、支持和 調(diào)節(jié)位移幅值的彈簧、 安裝在與外殼連接的凸柱內(nèi)的永久磁鐵和繞制在軟鐵上的線圈及引線 組成。速度 a 時,慣性體產(chǎn)生一反向加速度 ,導(dǎo)致通過線圈的磁通量發(fā)生變化 ,在線圈引

24、線兩端產(chǎn)生鐘 形脈沖信號 ,如圖 7 所示。圖 7(a)為沖擊加速度曲線 ,圖 7(b) 為感應(yīng)電動勢的變化曲線。當(dāng)調(diào) 整彈簧剛度時 ,可改變加速度信號的寬度。 (a) 加速度(b)感應(yīng)電動勢圖 7 加速度和感應(yīng)電動勢曲線Fig.7 Relative of acceleration and inductance electric force3.2 判別電路信號的判別電路由 3部分組成 ,即:信號幅度判別電路如圖 8(a)所示 ,信號寬度判別電 路如圖 8(b)所示,有用、無用信號判斷電路。 信號幅度判別采用電壓比較器 ,在電路中 A1 的(+) 輸入端是一高電平參考電壓 ,是可調(diào)整的 ,在系統(tǒng)中設(shè)為 VrefH=5 V 。A2 的(-)輸入端為一低電 平參考電壓 ,也是可調(diào)整的 ,在系統(tǒng)中設(shè)為 VrgfL=0.5 V 。信號寬度的檢測判別電路中核心器件 是 NE555,判別功能類似于信號幅度的檢測判別過程。有用、無用信號判別電路采用8 選 1多路選擇開關(guān) CD