Использование магнитных датчиков в автомобилях

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  автономное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

"Уральский федеральный университет имени

Первого Президента России Б.Н. Ельцина"

Институт естественных наук

Физический факультет

 

 

 

 

Курсовой проект

Использование магнитных  датчиков в автомобилях

 

 

 

 

 

Исполнитель: Студент гр. И-304

Петров Илья Андреевич

Научный руководитель: Тарасов Евгений Николаевич

Зав. кафедрой: Васьковский  Владимир Олегович

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2012

Введение

Многие происходящие явления  и процессы, так или иначе, связаны с магнитным полем (МП). В современной технике существует немало различных объектов и устройств, работа которых основана на взаимодействии с МП или в которых последнее используется в качестве управляющей среды.

Влияние магнитных полей  настолько велико, что весьма актуальными  являются задачи по контролю МП, их изучению и эффективному применению в науке, технике и быту.

Основным элементом объектов и устройств, использующих магнитное поле, является, преобразователь магнитного поля (ПМП), который обеспечивает преобразование магнитного потока в электрический сигнал.

При создании ПМП используются различные физические явления, происходящие (возникающие) в полупроводниках и металлах при взаимодействии с магнитным полем.

Эти явления, известные как  эффекты Холла и Гаусса, были открыты  в конце девятнадцатого века (в1879 г.). Однако в практической деятельности их начали использовать спустя три  четверти века, когда успехи в материаловедении и технологии позволили наладить промышленный выпуск дискретных преобразователей магнитного поля, (в основном, так  называемых «монолитных» датчиков Холла  и магниторезисторов), которые стали широко применяться в науке и технике.

Использование преобразователей магнитного поля первого поколения  позволило существенно повысить надежность и эксплуатационные характеристики многих устройств автоматики и вычислительной техники, уменьшить их габариты и  стоимость.

ПМП применяют в составе  функционально ориентированных датчиков различного назначения.

 

 

 

1

1.Элементы Холла

Элементы Холла, часто  называемые «датчиками Холла», являются самыми распространенными преобразователями  магнитного поля.

Действие этих элементов  основано на эффекте Холла, который  заключается в «возникновении поперечной разности потенциалов при прохождении  электрического тока в поперечном ему  магнитном поле».

Элемент Холла представляет собой пластину из полупроводникового материала толщиной d, по четырем  сторонам которой расположены контакты. Контакты 1 и 2 называются токовыми, а  контакты 3, и 4 выходными или измерительными (иногда эти контакты называют холловскими) – см. рис ниже

Принцип действия элемента Холла объясняется следующим  образом.

Через контакты 1 и 2 пропускают управляющий ток I_уп, а с контактов 3 и ,4 снимают напряжение Холла (V_H)..В общем виде выражение для напряжения Холла (V_H) должно быть записано, как

В/А х Тл

где R_H - постоянная Холла (коэффициент Холла);

d – толщина элемента;

I_уп – ток управления;

B – индукция воздействующего  магнитного поля.

 

 

2

Постоянная Холла определяется, значением

или

где R_Hp - постоянная Холла для дырок;

R_Hn - постоянная Холла для электронов;

q – заряд электрона;

p – концентрация дырок;

n – концентрация электронов.

Конструкция элементов Холла  в значительной степени определяется областью их возможного применения, в нашем случае - автомобильной области.

2.Магниторезисторы

Магниторезисторы – это электронные компоненты, действие которых основано на изменении электрического сопротивления полупроводника (или металла) при воздействии на него магнитного поля.

Механизм изменения сопротивления  довольно сложен, так как является результатом одновременного действия большого числа разнообразных факторов. К тому же он не одинаков для разных типов приборов, технологий и материалов. Даже краткое описание принципа действия магниторезистора заняло бы слишком много места.

Магниторезисторы характеризуются такими параметрами, как чувствительность, номинальное сопротивление, рабочий ток, термостабильность и быстродействие, диапазон рабочих температур.

Выделяются две большие  группы магниторезисторов, которые условно можно разделить на «монолитные» и «пленочные». Рассмотрим монолитный тип магниторезисторов.

Действие «монолитных» магниторезисторов основано на эффекте Гаусса, который характеризуется возрастанием сопротивления проводника (или полупроводника) при помещении его в магнитное поле.

Конструкция «монолитного»  магниторезистора приведена на рис. ниже

3

 

Магниторезистор представляет собой подложку с размещенным на ней магниточувствительным элементом (МЧЭ). Подложка обеспечивает механическую прочность прибора. Элемент приклеен к подложке и защищен снаружи слоем лака. МЧЭ может размещаться в оригинальном или стандартном корпусе и снабжаться ферритовым концентратором магнитного поля, или «смещающим» постоянным микромагнитом.

«Монолитные» магниточувствительные элементы изготавливаются из полупроводниковых материалов, обладающих высокой подвижностью носителей заряда. К таким материалам относятся антимонид индия (InSb) и его соединения, арсенид индия (InAs) и др.

Чувствительность магниторезистивного  элемента изменяется и при изменении  угла между вектором магнитной индукции и плоскостью элемента. Эта зависимость  выражается формулой:

где R_B- сопротивление МЧЭ при воздействии магнитного поля (В = В_ном);

R₀ – сопротивление МЧЭ при отсутствии магнитного поля (В = 0);

φ – угол между векторами  напряженности электрического и  магнитного полей.

4

3.Микроэлектронные  магнитные датчики

Датчиком, или первичным  преобразователем, называют устройство, осуществляющее восприятие контролируемой величины и преобразование её в величину, удобную для передачи по линиям связи  и дальнейшего преобразования. Для  понимания принципов действия ниже приведем основные понятия, а также  специфические параметры и определения, характерные для датчиков.

 

Входная величина – величина, воспринимаемая и преобразуемая датчиком.

Выходной сигнал датчика представляет собой определенное изменение несущей величины (тока, напряжения и т.п.), используемое для передачи информации. Изменение (модуляция) несущей величины может осуществляться по амплитуде, по переменному признаку (изменение частоты, длительности воздействия, порядка чередования воздействий), а также по пространственному признаку (чередование сигналов в каналах связи).

Статическая характеристика датчика – функциональная зависимость между изменениями входной X и выходной Y величинами. Наиболее приемлемой для большинства случаев является линейная характеристика, определяемая зависимостью:

Где - называется чувствительностью датчика

Порог чувствительности датчика определяется как минимальное изменение входной величины, вызывающее изменение выходного сигнала.

Основная погрешность  датчика характеризуется максимальной разностью между получаемой величиной выходного сигнала и его номинальным значением, определяемым по статической характеристике для данной входной величины при нормальных условиях. Она выражается как в абсолютных единицах:

Так и в относительных. В последнем случае её обычно относят  к разности предельных значений выходной величины и выражают в процентах:

5

Нормальными условиями  эксплуатации датчиков обычно считаются следующие:

• температура окружающей среды 20±5°С;

• атмосферное давление 760±20 мм. рт. ст.;

• относительная влажность  окружающего воздуха 60±20%.

Вибрации, паразитные электрические  и магнитные поля при этом отсутствуют.

Дополнительные  погрешности датчика это погрешности, вызываемые изменением внешних условий по сравнению с их номинальными значениями. Они выражаются обычно в процентах, отнесённых к изменению мешающего фактора на определённую величину (например, температурная погрешность 1,5 % на 10 °С; погрешность от внешнего магнитного поля 0,2 % на 10 мТл и т.д.)

Динамическая  характеристика датчика определяет поведение датчика при быстрых изменениях входной величины. Динамическая характеристика зависит от внутренней структуры датчика и его элементов. Она может быть задана различными методами. Однако наиболее широко используют амплитудно-частотную и фазовую характеристики.

Частотная характеристика это зависимость чувствительности датчика от частоты изменения выходного сигнала.

Фазовая характеристика это зависимость сдвига фаз между векторами входной и выходной величин от частоты синусоидального изменения входной величины.

 

 

 

 

6

3.1.Общие требования, предъявляемые к датчикам

В зависимости от конкретных условий применения датчиков к ним  предъявляются некоторые общие  требования.

Ниже приведён примерный  перечень этих требований:

• однозначная зависимость  выходной величины от входной;

• высокая избирательность; датчик должен реагировать только на изменение той величины, для которой

он предназначен;

• минимальное изменение  характеристик под влиянием внешних  факторов (например, температуры, угла наклона, вибраций и т.п.);

• определенный вид зависимости  между выходной и входной величинами;

• высокая чувствительность (отношение приращения выходной величины к приращению входной);

• определенные динамические характеристики (постоянная времени);

• повторяемость характеристик (взаимозаменяемость);

• стабильность характеристик  во времени;

• устойчивость к химическим воздействиям измеряемой и окружающей сред;

• устойчивость против механических, термических, электрических и т.п. перегрузок;

• взрывобезопасность;

• простота и технологичность  конструкции;

• удобство монтажа и  обслуживания;

• низкая стоимость при  серийном производстве.

 

 

 

7

4. Магнитные датчики в системах автомобильной электроники

В связи с тем, что в  последние годы происходит бурное развитие автомобильной электроники, идущее по пути создания достаточно сложных  систем управления, число всевозможных датчиков растёт. В современном автомобиле их количество может составлять от 50 до 500 штук.

Эти датчики могут быть построены на различных физических принципах. Однако условия работы в автомобиле существенно ограничивают возможность их использования. Достаточно сказать, что изделия автомобильной электроники должны работать в жёстких температурных условиях (-45 до +150), при постоянной вибрации и ударах, загрязнении маслом и охлаждающими жидкостями, значительных бросках напряжения бортовой сети питания. Практически единственным типом датчиков, пригодным к использованию в данных условиях являются магнитные датчики, поскольку только они могут обеспечить всю совокупность требований.

8

Перечень некоторых типов датчиков, используемых в автомобильной технике представлен выше.

На долю автомобильной  техники приходиться значительный объём выпускаемых в мире датчиков. В современном автомобиле их количество может составлять 50-500 штук.

Из 75 наименований 48 (выделены курсивом) могут быть реализованы  с применением преобразователей магнитного поля.

4.1. Датчики скорости вращения, основанные на счете зубьев ферромагнитных шестерен

В данном случае датчик скорости вращения представляет собой магнитоэлектронное устройство, состоящее из преобразователя магнитного поля и смещающего магнита, размещенных в одном корпусе. В качестве ПМП, в зависимости от назначения датчика, могут использоваться практически любые из известных МЧЭ: магниторезисторы, элементы Холла, магнитодиоды и магнитотранзисторы, магнитотиристоры, магнитоуправляемые и магниточувствительные микросхемы, и др.

Принцип работы таких датчиков иллюстрируется на рис. 1:

 

 

9

Датчик скорости вращения: а - схематическое устройство; б - зависимость индукции в зазоре от положения зуба; в - вид сигнала в аналоговой форме; г - вид сигнала в цифровой форме.

 

При перемещении зубчатого  колеса из ферромагнитного материала в зоне действия датчика изменяется плотность магнитного потока (рис. 1.б.). Если вблизи МЧЭ оказывается зуб из ферромагнитного материала, то плотность магнитного потока возрастает, и напряжение сигнала на выходе датчика будет представлять смену состояний типа «зуб - воздушный зазор». Вращающаяся шестерня вызывает появление модулированного сигнала. Частота импульсов за один оборот совпадает с числом зубьев. В зависимости от используемой элементной базы, сигнал с выхода датчиков может сниматься как в аналоговой (рис. 1.в), так и цифровой форме (рис. 1.г). В случае необходимости аналоговый сигнал легко преобразуется в цифровую форму при помощи компаратора. Основные параметры датчиков скорости вращения определяются параметрами используемых в них преобразователях магнитного поля.

Применяются данного типа датчики в автомобиле в качестве датчиков скорости (спидометр),датчики Анти - Блокировочной Системы (АБС),  а так же различные датчики положения (распределительного, коленчатого вала, дроссельной заслонки и т.д.) (для более подробного примера см. Приложение 1)

4.2. Датчик наклона для автомобильной охранной сигнализации

На рис. 2 приведена конструкция и схема простейшего датчика наклона, предназначенная для автомобильной сигнализации.

Конструкция (а) и схема (б) датчика наклона: 1 - магнитопровод; 2 - кольцевой магнит;3 -стойка; 4 - магниторезисторы; 5- воронка; 6 - стальной шарик

10

На магнитопроводе 1 закреплен кольцевой магнит 2 (М2КА-1 типоразмера К12х6х4), а на стойке 3 укреплены два тонкопленочных магниторезистора типа Ав-2. Замыкателем магнитной системы служит стальной шарик 6, помещенный на дне воронки 5, изготовленной из немагнитного материала (латунь, медь, алюминий). Чувствительность датчика определяется величиной рабочего зазора d. Магниторезисторы R1 и R2 вместе с подстроечным резистором R3 образуют схему моста (рис.2.б). Наклон или резкое перемещение датчика приводит к возникновению сигнала (~10...20 мВ) на выходе моста, что приводит к срабатыванию системы охранной сигнализации автомобиля.

4.3. Датчики приближения

Датчики приближения основываются на конструкции и идее датчиков линейного  перемещения. Для создания таких датчиков используют миниатюрные магнитные системы, характеризующиеся определенным законом изменения магнитного поля.

На рис. 3. приведены возможные конструкции замкнутых магнитных систем датчиков линейного перемещения на магниторезисторах. Это достигается путем создания специальной формы воздушного зазора, в котором перемещается магниторезистор( рис 3.а), или использованием др. конструктивных решений. Магниторезистор при этом жестко связан с приводным механизмом датчика (штоком, поводком и т.п).

В конструкции ДЛП, схематически показанного на рис. 3.б, магниторезистор зафиксирован в воздушном зазоре магнитной системы, а требуемый закон изменения сопротивления обеспечивается за счет применения подвижного магнитного шунта, который жестко связан с приводным механизмом.

Датчиками приближения принято  называть устройства, назначение которых состоит в выдаче выходного сигнала («0» или «1») в том случае, если какая-либо перемещающаяся деталь контролируемого объекта достигнет определенного, наперед заданного положения (D_сраб). Часто такие датчики называют датчиками конечного положения (ДКП), а также датчиками близости. В общем виде датчики приближения состоят из магнитной системы и преобразователя магнитного поля в комплекте со схемой усиления и обработки сигнала ПМП. Принцип действия таких устройств основан на возникновении электрического сигнала («0» или «1») на выходе датчика при воздействии на него магнитного поля определенной интенсивности. Так как напряженность магнитного поля определяется положением перемещающейся детали, то при приближении ферромагнитной детали контролируемого объекта ближе расстояния, равного D_сраб происходит срабатывание датчика. При удалении детали на расстояние, равное D_отп датчик возвращается в исходное состояние.

 

 

11

Принцип работы датчиков поясняется на рис. 3.1.

На рис. 4 показаны магнитная система датчика приближения, спроектированного по схеме рис. 3.1. и его выходная характеристика при использовании в качестве МЧЭ – магниторезистора типа СМ4-1. Характеристика имеет нелинейный характер. Датчик предназначен для точного контроля малых перемещений.

Рис 3

 

 

 

 

 

12

Рис 4

При использовании магнитной  системы, приведенной на рис. 4.а. цепью нагрузки датчика можно управлять как непосредственно изменением сопротивления магниторезистора, так и при помощи специальных схем на транзисторах (рис. 5)

Рис 5

 

 

 

 

 

 

 

13

Список используемой литературы :

1.Бараночников М.Л. "Микро-магнитоэлектроника"

2. Г. Виглеб "Датчики. Устройство и применение"

3. Михеев В.П., Просандеев А.В. "Датчики и детекторы"

4.Ютт В.Е. "Электрическое и электронное оборудование автомобилей"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 1

• Датчик скорости (спидометр)

Датчик скорости автомобиля (ДСА) сконструирован по принципу эффекта  Холла и выдает на контроллер частотно - импульсный сигнал. Частота сигнала прямо пропорциональна скорости движения автомобиля. Контроллер использует этот сигнал для управления работой двигателя на холостом ходу и посредством регулятора холостого хода, управляет подачей воздуха в обход дроссельной заслонки. ДСА выдает примерно 6004 импульса на каждый километр пройденного автомобилем пути. По временному интервалу между импульсами контроллер определяет скорость движения автомобиля. Кроме того, данный сигнал может использоваться спидометром установленным на панели приборов.

• Датчик АБС

В большинстве случаев  основан на эффекте Холла. Представьте себе, что на ступице колеса закреплен зубчатый венец. Датчик неподвижно крепится над торцом венца. Он состоит из магнитного сердечника, расположенного внутри катушки. При вращении зубчатого венца в катушке индуцируется электрический ток, частота которого прямо пропорциональна угловой скорости вращения колеса. Полученная таким образом от датчика информация передается по проводу электронному блоку управления. Получая информацию, что называется "с колес", блок управления отслеживает моменты их блокировки. А так как блокировка происходит от переизбытка давления тормозной жидкости в магистрали, подводящей ее к колесу, "мозг" вырабатывает команду: "снизить давление!

• Датчик положения распределительного вала

Предназначен для определения углового положения газораспределительного механизма в соответствии с положением коленчатого вала двигателя. Информация, поступающая от датчика положения распределительного вала, используется системой управления двигателем для управления впрыском и зажиганием. Функционально датчик связан с датчиком частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Принцип действия датчика  Холла основан на изменении направления  движения носителей заряда (изменении  напряжения) в полупроводнике при

изменении пересекающего его магнитного поля. Магнитное поле создается постоянным магнитом, расположенным в датчике. Изменение магнитного поля происходит при замыкании магнитного зазора репером (металлическим зубом). Репер располагается на зубчатом колесе распределительного вала или на специальном задающем диске, закрепленном на валу.

При прохождении репера мимо датчика в нем возникает импульс  напряжения, передаваемый в электронный  блок управления. В зависимости от частоты вращения распределительного вала сигнал от датчика Холла поступает  в разные промежутки времени. На основании  этих сигналов блок управления двигателем распознает положение поршня первого  цилиндра в верхней мертвой точке  такта сжатия, обеспечивает впрыск бензина и зажигание топливно-воздушной смеси.

На двигателях, оборудованных  системой изменения фаз газораспределения, датчик положения распределительного вала используется для управления данной системой. Датчики устанавливаются  на распределительных валах впускных и выпускных клапанов.