第14章汽车磁场传感器

合集下载

磁场传感器原理及应用

磁场传感器原理及应用磁场传感器是一种能够感知周围磁场变化的设备，它通过测量磁场的强度和方向来获取有关周围环境的信息。

磁场传感器广泛应用于工业控制、导航系统、运动控制、安全系统等领域。

磁场传感器的原理是基于一种叫做磁阻效应的物理现象，它可以用来测量磁场的强度和方向。

磁阻效应是指在磁场中，材料的电阻会发生变化。

根据这一效应，设计师可以将磁阻器件与其他电路组合，构成磁场传感器。

磁场传感器有多种工作原理，其中包括霍尔效应、磁阻效应、磁电效应、法拉第效应等。

其中霍尔效应是使用最为广泛的原理之一。

霍尔效应是指当电流通过一条导线时，如果有磁场垂直于导线方向，那么就会在导线两侧产生电势差。

这种电势差可以用来测量磁场的强度和方向。

磁场传感器常见的类型有霍尔传感器、磁阻传感器和磁电传感器等。

霍尔传感器是最常见的一种磁场传感器，它具有高灵敏度、快速响应和低功耗的特点，广泛应用于汽车、电机控制和磁带驱动等领域。

磁阻传感器则主要用于测量磁场的方向和强度，常见于罗盘和导航系统中。

磁电传感器则是一种能够通过磁场作用产生电压或电流的传感器，广泛应用于电磁设备的测量和控制中。

磁场传感器的应用范围非常广泛。

在工业控制方面，磁场传感器可以用来检测电动机的位置和速度，实现精准控制。

在导航系统中，磁场传感器可以用来测量地理位置，实现车辆导航和航空导航。

在安全系统中，磁场传感器可以用来检测和报警，应用于入侵报警和车辆防盗系统。

此外，磁场传感器还可以应用于医疗设备、电子游戏、机器人和智能家居等领域。

总的来说，磁场传感器是一种通过测量磁场的强度和方向来获取周围环境信息的设备。

它的工作原理可以是霍尔效应、磁阻效应、磁电效应等多种物理原理。

磁场传感器的应用非常广泛，涵盖了工业控制、导航系统、安全系统等许多领域。

随着技术的不断发展，磁场传感器的性能将进一步提升，应用领域也将不断扩大。

磁场传感器原理

磁场传感器原理
磁场传感器是一种能够测量、检测和监测周围环境中磁场强度和方向的设备。

其工作原理基于法拉第电磁感应定律，即当磁场的磁感线穿过导体回路时，会引起导体中电荷的运动，从而在回路中产生感应电动势。

磁场传感器利用感应电动势来测量磁场的强度和方向。

在磁场传感器中，一般会采用磁敏材料作为感应元件。

磁敏材料通常具有磁导率较高的特性，可以增强感应效果。

当磁场的磁感线穿过磁敏材料时，磁敏材料中的电子会受到磁场力的影响而移动，从而产生感应电动势。

为了测量感应电动势，磁场传感器会使用一对金属电极将感应电动势引出，并连接到一个电路中，如电压放大器或模数转换器。

当磁场的强度发生变化时，感应电动势的大小也会相应变化，从而可以通过电路测量到磁场的强度。

此外，为了确定磁场的方向，磁场传感器还可以采用多个感应元件的组合。

通过比较不同感应元件的感应电动势大小或相位差，可以确定磁场的方向信息。

综上所述，磁场传感器的工作原理是基于法拉第电磁感应定律，利用磁敏材料感应电动势来测量、检测和监测周围环境中磁场的强度和方向。

磁场传感器的作用

磁场传感器的作用磁场传感器是一种能够检测和测量周围磁场强度和方向的设备。

它可以通过感知磁场的变化来获取关于物体位置、方向、速度等信息。

磁场传感器的作用非常广泛，涉及到多个领域和行业。

在工业领域，磁场传感器被广泛应用于位置检测和控制。

例如，在自动化生产线上，通过安装磁场传感器可以实时监测机器零件的位置，从而控制机器的运行和操作。

磁场传感器还可以用于检测物体的接近或离开，实现自动开关和触发器的功能。

此外，在机械加工和装配过程中，磁场传感器可以用于测量工件的位置和姿态，以确保加工质量和精度。

在汽车行业，磁场传感器的应用也非常广泛。

例如，车辆导航系统中的磁场传感器可以通过检测地球磁场的变化来确定车辆的方向和位置，实现导航功能。

磁场传感器还可以用于车辆稳定性控制系统，通过检测车辆周围的磁场变化来判断车辆是否失控，并及时采取措施进行稳定控制。

在电子设备中，磁场传感器也扮演着重要的角色。

例如，智能手机中的指南针就是基于磁场传感器工作的，它可以通过检测地球磁场来提供手机的方向信息。

此外，磁场传感器还可以用于电子罗盘、游戏手柄、磁盘驱动器等设备中，实现位置和方向的控制。

在医疗领域，磁场传感器也有许多应用。

例如，在磁共振成像（MRI）设备中，磁场传感器被用于测量和控制磁场的强度和方向，以获取高质量的图像。

此外，在生物医学研究中，磁场传感器可以用于测量生物体内部的磁场变化，从而了解生物体的活动和功能。

除了以上应用外，磁场传感器还可以用于安防监控、环境监测、无人机导航等领域。

例如，在安防监控系统中，磁场传感器可以用于检测门窗的开关状态，实现入侵报警功能。

在环境监测中，磁场传感器可以用于检测磁场强度的变化，以监测地壳运动、地震等自然灾害。

在无人机导航中，磁场传感器可以用于飞行器的姿态控制和导航定位，提高飞行的稳定性和精度。

磁场传感器在各个领域和行业都有着重要的作用。

它不仅可以帮助我们获取物体位置、方向、速度等信息，还可以实现自动化控制、导航定位、安全监控等功能。

车用磁传感器简介演示

霍尔传感器
霍尔传感器是一种利用霍尔效应测量磁场强度和方向的传感器。在汽车应用中，霍尔传感器常用于测量曲轴和凸轮轴的位置和速度，以及在防抱死制动系统和稳定性控制系统中测量轮胎的转速。
霍尔传感器的优点包括高灵敏度、低成本和小型化。同时，它们也具有非线性输出、温度系数高和抗干扰能力差的缺点。
磁通门传感器
准和补偿误差，提高传感器性能。
高精度与高可靠性
高精度技术
随着自动驾驶、电动车辆等领域的快速发展，对车用磁传感器的测量精度要求越来越高。采用新型磁性材料、优化芯片结构、改进信号处理算法等技术手段，不断提高磁传感器的测量精度和分辨率。
高可靠性技术
为保证车辆的安全性和可靠性，车用磁传感器需要具备高可靠性的特点。采用冗余设计、严格的质量控制、耐久性测试等技术手段，确保磁传感器的稳定性和耐用性，为车辆提供可靠的保护。
车用磁传感器的优势与挑战
优势
高精度测速
磁传感器能够利用磁场变化来精确测量车速，为车辆控制系统提供准确的速度反馈。
空间占用小
磁传感器体积小，可以灵活地安装在车辆的任何位置，不会过多占用有限的空间。
耐久性强
磁传感器能够承受车辆运行过程中的振动和冲击，确保长期稳定的工作。
维护成本低
磁传感器的运行不依赖于任何外部能源，减少了因电池更换带来的不便和成本。
挑战
信号干扰
恶劣环境
车辆内部的电气设备和磁场可能会对磁传感器产生干扰，影响其准确测量。
车辆经常在各种恶劣环境下运行，例如高温、低温、灰尘和湿度等，这些环境可能影响磁传感器的性能。
安装位置敏感
成本
磁传感器的测量准确度受到安装位置的影响，需要选择合适的安装位置以确保准确性。

车用磁传感器简介介绍

安全可靠性要求高
法规标准要求
车用磁传感器需要符合相关法规标准和质量控制要求，以确保在车辆上的安全有效应用。
车用磁传感器是车辆安全关键零部件，需要具备较高的安全可靠性和稳定性。
解决方案与建议
加强技术研发与创新
优化生产制造工艺
通过加强技术研发和创新，提高磁传感器的性能和降低成本，以满足车用市场的需求。
稳定性
稳定性是指传感器在长时间内保持一致性能的能力。稳定的传感器能够确保测量结果的可靠性，避免因传感器性能漂移而导致的问题。
环境适应性
温度范围
车用磁传感器需要在不同温度环境下正常工作。温度范围越宽，传感器适应的环境就越复杂。
湿度
在某些环境下，如雨天、雪天等，车用磁传感器需要具备防水功能，以确保正常工作。
通过优化生产制造工艺，提高生产效率和降低制造成本，以降低车用磁传感器的价格。
加强市场推广与合作
通过加强市场推广和与汽车厂商的合作，扩大车用磁传感器的应用范围和市场份额。
遵循相关法规标准和质量控制要求
确保车用磁传感器的质量和安全性符合相关法规标准和质量控制要求。
THANKS
谢谢您的观看
成本挑战
高性能磁传感器的研发成本高
01
研发高精度、高性能的磁传感器需要大量的技术研发和实验验
证，导致成本较高。
生产制造成本高
02
车用磁传感器的生产需要高精度的工艺和设备，导致制造成本
较高。
市场竞争激烈
03
随着汽车电子市场的竞争加剧，车用磁传感器的价格压力也越
来越大。
应用挑战
集成化要求高
车用磁传感器需要与其他汽车电子系统进行集成，如导航系统、控制系统等，需要具备较好的兼容性和可扩展性。

磁场在汽车上的应用元件

磁场在汽车上的应用元件随着科技的不断进步，汽车的功能也越来越多样化和智能化。

磁场作为一种重要的物理现象，在汽车上也有着广泛的应用。

本文将从磁场感应、磁场控制和磁场传感器三个方面介绍磁场在汽车上的应用元件。

一、磁场感应元件磁场感应元件在汽车上的应用主要是为了检测和测量磁场的强度和方向。

其中，最常见的就是磁场感应式车速传感器。

它通过感应车轮上的磁场变化来测量车速，并将信号传输给车辆控制单元。

车辆控制单元根据车速信号来控制刹车、转向等操作，从而提高行驶的稳定性和安全性。

磁场感应元件还应用于汽车发动机的点火系统中。

发动机的点火系统需要准确地测量曲轴的转速和位置，以保证燃油的正常燃烧和发动机的正常运转。

磁场感应式曲轴传感器通过感应曲轴齿轮上的磁场变化来测量曲轴的转速和位置，并将信号传输给发动机控制单元，从而实现点火系统的精确控制。

二、磁场控制元件磁场控制元件在汽车上的应用主要是为了控制电动机的转动。

电动机广泛应用于汽车的动力系统中，磁场控制元件是实现电动机控制的关键。

其中，最常见的就是永磁体和电磁继电器。

永磁体是一种通过磁化材料产生恒定磁场的元件，它广泛应用于电动汽车的电机中。

永磁体电机具有体积小、结构简单、效率高等优点，能够提供强大的动力输出和较长的续航里程。

电磁继电器是一种通过控制电磁线圈的磁场产生开关行为的元件，它在汽车电路系统中起到开关电路的作用。

例如，汽车的大灯、雨刮器、空调等设备都需要通过电磁继电器来进行控制。

电磁继电器可以根据电流的大小和方向来控制开关的状态，从而实现电路的开关和保护功能。

三、磁场传感器磁场传感器是一种能够感应和测量磁场的元件。

它广泛应用于汽车的安全系统中，例如车辆防盗系统和安全气囊系统。

车辆防盗系统中的磁场传感器主要用于检测车辆周围的磁场变化。

当车辆遭遇非法入侵时，磁场传感器会感应到外部磁场的变化，并发出警报信号，从而起到防盗的作用。

安全气囊系统中的磁场传感器主要用于检测车辆碰撞时的磁场变化。

磁场传感器分解

道口处的磁化结果如图14一19所示。由受干扰磁场影响，磁化强度的一个例子如图14一20所示。
第9页/共57页
上一页下一页返回
14.2 采用磁阻元件的车用电子罗盘
(2)磁化补偿。过去的磁化补偿方法如表14一1所示。根据车辆的现在方位与磁化后的地磁场传感器输出来推断磁化后方位原点的方法，其原理如图14一21所示。
第10页/共57页
上一页返回
14.3 陀螺仪
汽车用导航系统已经进入了实际应用阶段，许多高级小客车已将其作为标准件装用。
此系统上的方位传感器主要采用的是地磁场传感器，但这种传感器容易受建筑物引起的对地磁场的干扰的影响，以及道口引起车身磁化的影响，因此，作为性能比较稳定、精度比较高的方位传感器—压电振动陀螺仪正在引起人们的注意。
MR元件与温度的关系如图14一15所示。
第8页/共57页
上一页下一页返回
14.2 采用磁阻元件的车用电子罗盘
14. 2. 3车辆的磁化及其补偿
(1)磁化的机理。电子罗盘的作用是检测地磁场并求出方位，但因地磁场传感器会受到周围磁场环境强烈的影响，所以在地磁场之外的干扰磁场的影响下，方位测量会出现误差。
第20页/共57页
上一页下一页返回
14.3 陀螺仪
14. 3. 9典型特性
对汽车导航用振动陀螺仪的主要特性要求是灵敏度、线性与耐振性。分析汽车的行驶状况可知，汽车用90%是在 15rad/s之内的微小旋转角速度区内直线行驶的，此外，发动机的振动、路面引起的上下振动及前后、左右的横 ‘等外部振动时刻都在影响车辆。在此微小的旋转角速度区域里，灵敏度，线性的好坏以及外部振动是否引起干扰等性能都是左右导航性能的重要因素。
考虑到钻结的压电陶瓷为负温度系数，所以对振子材料作退火处理，结果得到了良好的频率温度特性。等边三角形音片型振子的形状如图14一23所示.

相关主题

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

上一页下一页返回
14.3 陀螺仪
14. 3. 4共振频率的调整
等边三角形音片型振子频率的调整如图14一24所示，对棱边部位即振动方向中心线上的高度进行加工，这样既不会破坏振动状况，几乎也不会对其他两边的共振频率产生影响。振子为最佳形状，各边的谐振频率可方便、准确地调整。
上一页下一页返回
上一页下一页返回
14.2 采用磁阻元件的车用电子罗盘
14. 2. 3车辆的磁化及其补偿
(1)磁化的机理。电子罗盘的作用是检测地磁场并求出方位，但因地磁场传感器会受到周围磁场环境强烈的影响，所以在地磁场之外的干扰磁场的影响下，方位测量会出现误差。方位测量误差的原因分析结果如图14一16所示。为调查电气设备、建筑物，移动物等的影响，测量车辆行车过程中前进方向的磁场，所得结果如图14一17所示。市区街道行车时，从前进方向测量，变化范围也是如此。但是，在桥梁、入口、对面来车、道口等处受到其他干扰磁场影响时，情况则不一样，将干扰磁场加以汇总，结果如图14一 18所示。道口处的磁化结果如图14一19所示。由受干扰磁场影响，磁化强度的一个例子如图14一20所示。
上一页下一页 Байду номын сангаас回
14.2 采用磁阻元件的车用电子罗盘
(2)磁化补偿。过去的磁化补偿方法如表14一1所示。根据车辆的现在方位与磁化后的地磁场传感器输出来推断磁化后方位原点的方法，其原理如图14一21所示。
上一页返回
14.3 陀螺仪
汽车用导航系统已经进入了实际应用阶段，许多高级小客车已将其作为标准件装用。此系统上的方位传感器主要采用的是地磁场传感器，但这种传感器容易受建筑物引起的对地磁场的干扰的影响，以及道口引起车身磁化的影响，因此，作为性能比较稳定、精度比较高的方位传感器—压电振动陀螺仪正在引起人们的注意。压电振动陀螺仪大致可分为两种，一种是以GE型为基型的音片型振动陀螺仪，另一种是以斯佩里型、瓦特生型为基型的音叉型振动陀螺仪。
上一页下一页返回
14.3 陀螺仪
在老式结构的压电振动陀螺仪上，因为驱动边和检测边是垂直配置的，所以不旋转时和旋转时的检测边的振动方向不同; 在微小旋转角速度区的检测出现不连续性(滞后);从检测边的支承结构看，容易受外部振动的影响，从特性上也可以看出振动状况不同。
上一页下一页返回
14.3 陀螺仪
在前面已经讲过，当将旋转加速度加到:轴上时，在y轴方向上将产生与旋转加速度成正比的哥氏力，将振子的振动模式看作是x轴与y轴的合成模式，就使人们觉得，从检测压电陶瓷的安装角度来看，压电变换效率并不高。由此而提出了新的方案:不是180 ℃ ，而是60℃将如何，即激振用压电陶瓷与检测用压电陶瓷不是采用垂直配置，而是采用锐角配置，针对这种提高检测用压电变换效率的尝试，成功地设计出振子截面为等边三角形的特殊音片型振动式陀螺仪，下面简称等边三角形音片型振子。
上一页下一页返回
14.3 陀螺仪
14. 3. 6零电压的处理
不采用零电压这一参数，不用分割电极，而是利用左、右检测电压的电平反相位，采用差动电路处理波形，由此可以作到:表观零电压完全为“0”。此外，因为旋转时的哥氏力输出与左右检测电压的增减方向的相位正好相反，所以差动电路的输出为和差动，即可以得到较大的检测电压。不旋转与旋转时的检测电压波形如图14一27所示。
上一页下一页返回
14.3 陀螺仪
14. 3. 3等边三角形音片型振子的制作
根据有限元法(FEM)模拟所得振动解析结果，与普通的音片型振子一样，节点在0.225L位置处。振子采用镍铬恒弹性合金材料，试验尺寸为:边长 a=3.5mm;长度l=40.0mm所制成的等边三角形音片型振子的结果如下，共振频率为7.85kHz，与计算值是一致的。考虑到钻结的压电陶瓷为负温度系数，所以对振子材料作退火处理，结果得到了良好的频率温度特性。等边三角形音片型振子的形状如图14一23所示.
上一页下一页返回
14.3 陀螺仪
14. 3. 7减小偏移的措施
若从偏移的观点来看，粘接层，压电陶瓷的压电特性根本不稳定，用二层结构的话，无法减小偏移量。因此，灵活应用等边三角形形状，将左右各一层的压电陶瓷兼起驱动与检测作用，并采用了W驱动与检测电路，从而实现连地球自转 (旋转角速度=0. 004rad/s)也可判别的高灵敏度与低偏移。偏移特性见图14一28所示。
上一页下一页返回
14.3 陀螺仪
14. 3. 8电路的构成
等边三角形音片型振动陀螺仪上，左右两边的压电陶瓷为驱动用，剩下一边的压电陶瓷为反馈用，以形成振荡电路。左右两边的压电陶瓷还兼起检测用，其输出信号经差动放大之后再经同步检波与直流放大。等边三角形音片型振动陀螺仪的旋转角速度灵敏度(检测电压)很高，而且S/N也高，其采用了独特的驱动与检测方式，与老式压电振动陀螺仪的电路构成相比，对电路的依赖程度比较低，振子结构及电路的构成都非常简单。电路的构成如图14一29所示。
上一页下一页返回
14.1 应用磁阻元件与磁透镜的地磁场传感器
(2)提高MR元件的灵敏度。将MR元件固定在南北方向上，改变驱动电压(驱动电流)时的输出电压如图14-8所示。驱动电压与输出电压成正比例关系，越是增大驱动电压，偏置与增益就越高。当然，希望增益要尽可能高。提高MR元件灵敏度的结果如图14一9所示，通过改变偏置永久磁铁及去磁使得偏置磁场变得适当;通过图案形成及粘接偏置永久磁铁等元件结构的改进及制造工艺的改进，与最初相比，灵敏度提高了3倍以上。特别是去磁的效果最为显著。 MR元件改进前后的特性对比如图14一10所示。
(2)地磁场传感器。地磁场传感器的结构与输出特性如图 14-3所示。它是由汇集磁通的磁透镜(导磁板)及在水平面内分别在x、y方向上设置的检测磁场用MR元件构成的。
上一页下一页返回
14.1 应用磁阻元件与磁透镜的地磁场传感器
14. 1. 2提高地磁场传感器的灵敏度
(1)导磁板的最佳状态。地球上，地磁场的水平分量允其量仅为0.35Gs，这对检测用MR元件来说就太弱了，因此，需要用磁透镜汇集地磁场的磁通。通常，磁透镜上采用了两个带锥度的强磁性磁棒，将强磁性体的锥度直线相对，其间放置磁场检测元件。要想缩小磁场传感器的体积，关键在于提高磁透镜的效率。最初时在MR元件上安装了长度不同的导磁板，这时地磁场传感器的增益及偏移变化情况分别如图14一4、图14一5所示，从图14一4中可知，地磁场传感器的增益与导磁板的长度大致成正比。从图14-5中可知，地磁场传感器的偏置与导磁板的长度没有关系。导磁板的宽度与增益的关系如图14 一6所示。导磁板的锥部顶端宽与增益的关系如图14一7所示。
第14章磁场传感器
14.1 应用磁阻元件与磁透镜的地磁场传感器 14.2 采用磁阻元件的车用电子罗盘 14.3 陀螺仪 14.4 小结
14.1 应用磁阻元件与磁透镜的地磁场传感器
14. 1. 1地磁场传感器的概述
(1)MR元件。在地磁场传感器上，最重要的部件是检测磁场的元件，作为小型的固体检测元件有MR元件、霍尔元件等，这些固体检测元件用直流电源就可以驱动，而且电路也很简单。 MR元件的结构与电路如图14一1所示，MR元件是由制成有磁阻薄膜图案的玻璃基板、并粘接偏置永久磁铁后，再装好电极，用树脂模塑而成的。一个是磁阻图案的等效电路为桥型，如图14一1(b)所示;另一个特点如图14一1(c)所示，通过图案的精心设计，保证对外部磁场而言，加上垂直方向的偏置磁场时，在45℃方向上的灵敏度最强。
上一页下一页返回
14.3 陀螺仪
14. 3. 9典型特性
对汽车导航用振动陀螺仪的主要特性要求是灵敏度、线性与耐振性。分析汽车的行驶状况可知，汽车用90%是在 15rad/s之内的微小旋转角速度区内直线行驶的，此外，发动机的振动、路面引起的上下振动及前后、左右的横‘等外部振动时刻都在影响车辆。在此微小的旋转角速度区域里，灵敏度，线性的好坏以及外部振动是否引起干扰等性能都是左右导航性能的重要因素。
14. 2. 2地磁场传感器模块的温度补偿
地磁场传感器模块的输出随温度的变化情况如图14一14所示。其输出电压的变化是电源、放大电路及MR元件与温度关系的综合因素所造成的。但是，MR元件与温度的关系起主要作用这是因为磁阻薄膜图案的电阻的温度变化是主要原因。一般来说，强磁性材料的温度系数为正，温度升高时，电阻增加。因此，在驱动电压一定的条件下，温度升高时，如图14一14所示那样，增益(方位圆的半径)与偏置(方位原点的位置)都减小。温度下降时，与此相反，增益与偏置都增大。 MR元件与温度的关系如图14一15所示。
下一页返回
14.3 陀螺仪
14. 3.1压电振动陀螺仪的基本原理
给振动着的物体加上旋转角速度时，在与振动垂直的方向上就会产生哥氏力，振动陀螺仪就是利用了这一力学现象。这与著名的傅克摆基于同一原理。具体来说，将压电陶瓷钻结在音片型或音叉型振子上，驱动振子振荡(x轴)。将旋转角速度马加到振子的中心轴(z轴)上时，与其振动(x轴)垂直的方向上(y轴)就会产生哥氏力，利用钻结在J轴上的压电陶瓷就可以测出旋转角速度，其基本原理见图14一22所示. 能够成为高性能振动陀螺仪的条件是:对旋转角速度的灵敏度高，而且在不旋转时测得的电压应为零，以下称此为零电压。
14.3 陀螺仪
14. 3. 5压电陶瓷的配置与电场分布
将3片压电陶瓷(试验尺寸2mm x 5mm x 0.2mm)用环氧树脂钻结剂粘在等边三角形音片型振子的各边中央处。3 边之中的1边作为激振用压电陶瓷，其他两边作检测用压电陶瓷。对等边三角形音片型振子的中央部位，截面的电场分布，利用有限要素法进行了FEM模拟。不旋转时的电场分布如图14-25所示，加上旋转角速度时的合成模式的电场分布如图14-26所示，伸长方向用+表示，收缩方向用－表示。