logo1

logoT

 

Датчик скорости вращения


1. Датчики скорости вращения

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Кафедра микро- и наноэлектроники

Отчет по лабораторной работе №2

«Датчики скорости вращения»

По дисциплине «Микроэлектронные датчики и сенсорные устройства»

Проверил: Выполнил:

доц. Родионов Ю. А.

Минск 2010

Цель работы:

1. Изучение теоретических материалов по теме “Датчики скорости вращения”:

1.1) основные определения датчиков скорости вращения;

1.2) классификация датчиков скорости вращения;

1.3) основные конструктивно-технологические решения исполнения датчиков.

2. Изучение теоретических материалов по теме “Микроэлектронный магниторезистивный датчик скорости вращения”:

2.1) магниторезистивный эффект в датчиках;

2.2) материалы и вопросы технологии;

2.3) интегральная схема формирования сигнала датчика;

2.4) размещение датчика при измерении скорости вращения.

3. Изучение графических материалов по теме “Датчики скорости вращения”:

3.1) температурные зависимости;

3.2) расположение датчика;

3.3) другие зависимости.

1.1. Основные определения датчиков скорости вращения

Датчики скорости вращения представляют собой, так называемые, частотные датчики. Их принцип действия состоит в преобразовании скорости вращения (углового перемещения) в частоту изменений потока энергии (электрического тока или напряжения). Скорость вращения в технике представляет собой число оборотов в единицу времени и носит название частоты вращения (измеряется в Гц).

Выходной сигнал датчика скорости вращения может быть представлен в виде синусоидального изменения величины (напряжения) или в виде последовательности коротких импульсов. Для использования в цифровых системах контроля последний вид сигнала более предподчителен.

Методы измерения угловых скоростей вращения:

1. абсолютный метод; основан на определении числа оборотов вала и измерении соответствующего промежутка времени;

2. метод сравнения числа оборотов; основан на сравнении при помощи измерительных средств числа оборотов испытываемого вала с известной частотой какого-либо независимого периодического процесса.

Прибор для измерения угловых скоростей в технике называется тахометром. Обычно при помощи тахометров измеряют среднюю скорость вращения, постоянную в заданном промежутке времени.

Тахометры представляют собой современные модули автоматики и могут применяться в системах управления автоматическими линиями, станками и т.д.

Принцип работы тахометров. С помощью кнопок на лицевой панели задается установка количества импульсов датчика на оборот вала, которая высвечивается на индикаторе, и запоминается в энергонезависимой памяти. Ввод установки аналогичен вводу у счетчиков. На вход тахометра поступают импульсы с датчика (индуктивного/оптического или другого выключателя), контролирующего одну или несколько меток на валу. По частоте следования импульсов производится вычисление частоты вращения вала (обороты в минуту) и выдача значения на индикатор.

1.2. Классификация датчиков скорости вращения

По способу воспроизведения показаний: приборы с непосредственным отсчетом и самопишущие.

По принципу конструктивного выполнения: механические и электрические.

Механические тахометры: центробежные, часовые, дифференциальные, вибрационные, фрикционные, гидравлические, пневматические, суммирующие и др.

Современные электрические методы измерения скоростей вращения можно разделить на две основные группы:

1. приборы, измеряющие напряжение датчика, пропорциональное измеряемым скоростям, U=f(n);

2. приборы измеряющие частоту переменного тока датчика, пропорциональную измеряемой угловой скорости вращения, F=f(n).

1.3. Конструктивно-технологические решения исполнения датчиков

1. Индукционные датчики скорости вращения преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в ЭДС индукции.

Принцип действия основан на использовании закона электромагнитной индукции.

Согласно закону Фарадея, индуцированное напряжение или электродвижущая сила (э.д.с.) в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока, сквозь поверхность ограниченную этим контуром, т.е.

e = -dφ/dt

Следовательно, магнитный поток, пересекающий контур, описывается функцией вида:

φ (x) = φ0F(x),

где x – переменная углового положения.

Отсюда видно, что относительное перемещение между источником потока и контуром наводит в последнем э.д.с., амплитуда которой пропорциональна скорости перемещения, вследствие чего на выходе датчика формируется сигнал:

e = - φ0(F(x)/dx)·(dx/dt)

В качестве датчиков скорости вращения обычно применяют тахогенераторы, выполненные в виде небольших генераторов постоянного или переменного тока с независимым возбуждением от постоянного магнита.

Устройство тахогенератора постоянного тока. Статор (индуктор), представляющий собой ферромагнитный каркас, несущий 2 (2p в общем случае) полюса, направляющих поле магнитной индукции, образуемое током через катушки или постоянными магнитами. Ротор, представляющий собой многослойный цилиндр из листового железа, вращающийся между полюсами статора, его ось совпадает с осью статора. По его периферии параллельно оси в углублениях располагается n = 2k медных проводников, называемых активными. Активные проводники соединены с пассивными, расположенными вдоль диаметра ротора. Коллектор – это цилиндр с осью, что и у ротора, но имеющей меньший диаметр, несущий изолированные между собой пластинки, каждая из которых связана с активным проводником. Щётки, которые закрепляются на двух диаметрально противоположных клеммах коллектора, располагаются перпендикулярно направлению индукции, служат для снятия максимальной величины э.д.с.

Принцип действия тахогенератора постоянного тока заключается в следующем: 2k проводников соединяются так, чтобы образовать два одинаковых комплекта по k последовательно соединённых проводников. В каждом из них возникает э.д.с., пропорциональная угловой скорости ω. Эта э.д.с. поступает во внешнюю цепь через две щётки, расположенных на коллекторе. Если ротор связан со внешним контуром, то э.д.с. вызывает в нём ток I, проходящий через активные проводники по разные стороны от нейтральной линии. Если проводники составлены попарно и симметрично относительно нейтральной линии, они создают поперечную индукцию, перпендикулярную линии полюсов и пропорциональную I (реакция ротора). Реакция ротора вызывает искривление силовых линий поля и приводит к смещению нейтральной линии в направлении движения. Величина э.д.с. ускоренно убывает с ростом тока I.

Достоинства: знак выходного сигнала изменяется одновременно с изменением направления вращения.

Недостатки: вследствие реакции ротора, выходное напряжение не является линейной функцией скорости вращения.

Тахогенератор переменного тока отличается тем, что в нём отсутствует коллектор и щётки.

Устройство тахометрического асинхронного генератора. Ротор состоит из тонкого немагнитного цилиндра, вращающегося со скоростью ω. Статор состоит из магнитного листового железа и несёт две обмотки: а) возбуждающую обмотку, к которой прикладывается напряжение, б) измерительную обмотку, в которой наводится э.д.с.

Принцип действия. Э.д.с., наводимая в измерительной обмотке, формирует периодический сигнал, амплитуда которого пропорциональна скорости вращения ω.

Достоинства: увеличение срока службы, отсутствие флуктуаций выходного напряжения, малый момент инерции.

Недостатки: более сложная схема включения.

2. Фотоэлектрические датчики скорости вращения регистрируют изменение светового потока, связанное с изменением положения в пространстве каких-либо движущихся частей механизмов и машин.

В качестве датчика скорости вращения применяется фотоэлектрический датчик с прерывателем.

Устройство фотоэлектрического датчика с прерывателем: фотосопротивление, диск с калиброванными отверстиями, который насаживается на вал измеряемого объекта. Фотосопротивление подключается последовательно с сопротивлением к источнику постоянного напряжения.

Принцип действия: Освещенность рабочей поверхности фотосопротивления прерывается диском с отверстиями. Если фотосопротивление не освещено, по нему течет темновой ток IT. В случае освещенности фотосопротивления, по нему течет световой ток IC.

Так как проводимость фотосопротивления при облучении его световым потоком F растет, то его световое сопротивление RC становится меньше темнового сопротивления RТ.

При вращении диска освещенность фотосопротивления модулируется, и в его цепи течет пульсирующий ток. Таким образом, ток, проходящий через фотосопротивление, является функцией светового потока F. Частота пульсаций тока определяется числом отверстий в диске и его скоростью вращения:

FД = n/60·S,

где n- скорость вращения диска, об/мин;

S- число отверстий в диске.

Достоинства: универсальность, простота конструкции, широкий рабочий диапазон измеряемой синхронной частоты, малая нагрузка на вал испытываемого объекта, возможность простого промежуточного преобразования частоты обычных серийных датчиков.

3. Емкостные датчики скорости вращения используются для преобразования механических перемещений в изменение емкости.

Устройство: конденсатор переменной емкости C с воздушным диэлектриком, маломощный трансформатор, со вторичной обмотки которого снимается сигнал, напряжение которого пропорционально скорости вращения. Емкостные датчики питаются переменным напряжением (обычно повышенной частоты - до десятков мегагерц). В качестве измерительных схем обычно применяют мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров. В последнем случае, как правило, используют зависимость частоты колебаний генератора от емкости резонансного контура, т.е. датчик имеет частотный выход.

Принцип действия датчиков этого типа основан на изменении зарядного тока конденсатора пропорционально скорости изменения его емкости.

Вращение вала может быть функционально связано с изменением диэлектрической проницаемости , площади обкладок или расстояния между обкладками .

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением:

С = ε0εS/h

где ε 0 - диэлектрическая постоянная; ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S - активная площадь обкладок; h - расстояние между обкладками конденсатора.

Для преобразования механических перемещений в изменение емкости используются зависимости C(S) и C(h).

Если емкость конденсатора изменяется пропорционально изменению площади его обкладок S с частотой , то

C = m*S,

где m =  /.

Емкостное сопротивление конденсатора XC линейно зависит от расстояния между пластинами конденсатора:

XC = 1/C = /C

Достоинства: простота, высокая чувствительность и малая инерционность.

Недостатки: влияние внешних электрических полей, относительная сложность измерительных устройств.

4. Ультразвуковые датчики скорости вращения применяются для измерения скорости вращения деталей, установленных в труднодоступных местах или для измерения в агрессивных средах.

Устройство. Датчик состоит из генератора ультразвуковых колебаний, излучающей головки, вертушки, вращающейся в трубопроводе, принимающей головки и демодулятора.

Принцип действия основан на различном поглощении или отражении ультразвуковых колебаний разнородными средами. При вращении металлической вертушки за счет различной проводящей способности жидкости и металла несущая частота ультразвуковых колебаний модулируется частотой вращения вертушки. С приемной головки сигнал поступает на измерительную аппаратуру. После демодуляции сигнала получается напряжения с частотой, пропорциональной скорости вращения вертушки.

Достоинства: высокая точность измерения.

Недостатки: шум, вибрация, производимые при движении излучателя, а также низкое разрешение.

5. Магниторезистивные датчики скорости вращения преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в изменение сопротивления ферромагнитных материалов.

Устройство. Датчик состоит из измерительной катушки, которая снабжается магнитным сердечником. Катушка помещена перед диском или перед вращающимся ферромагнитным телом.

Принцип действия основан на магниторезистивном эффекте. Этот эффект заключается в том, что некоторые ферромагнитные материалы изменяют свое электрическое сопротивление при воздействии магнитного поля. Степень этого изменения зависит от величины напряженности магнитного поля и угла между вектором напряженности и направлением тока. На магнитный сердечник катушки воздействует поток индукции постоянного магнита. Последовательность скачков магнитных свойств диска или вращающегося тела вызывает периодическое изменение магнитного сопротивления в магнитной цепи катушки, которое наводит в ней э.д.с. с частотой, пропорциональной скорости вращения.

Магнит, установленный на оси вращения, при каждом обороте проходит один раз мимо магниторезистивного датчика, вызывая изменение его сопротивления (см. рис.1).

Рис.1. Схема реализации магниторезистивного датчика вращения.

Изменение сопротивления с помощью схемы, показанной на рис. 2, преобразуется в изменение напряжения Uа. Зависимость выходного напряжения сигнала от времени показана на рис. 3.

Рис.2. Схема изменения сопротивления.

Рис.3. Зависимость выходного напряжения сигнала от времени.

Достоинства: простота устройства, надёжность, дешевизна.

Благодаря своим достоинствам микроэлектронные магниторезистивные датчики скорости вращения нашли широкое применение в автомобильной и бытовой технике.

7.11. Датчики скорости вращения

Наиболее распространенными датчиками скорости вращения являются аналоговые датчики - тахогенераторы и дискретные датчики - преобразователи скорости вращения в частоту импульсов.

Тахогенератор - это коллекторный генератор постоянного тока, статор которого изготовлен из хорошо стабилизированных постоянных магнитов, обеспечивающих погрешность воспроизведения индукции магнитного поля в зазоре до 0.05%. В этом поле вращается ротор с обмоткой, скорость которого равна измеряемой скорости вращения. В обмотке ротора возбуждается постоянное напряжение, пропорциональное скорости его вращения. Это напряжение через коллектор подается на выходные зажимы. В результате в условиях эксплуатации предельно достижимая погрешность тахогенератора может достигать значения 0.2%.

Принцип работы простейших дискретных датчиков скорости вращения заключается в счете числа оборотов N в единицу времени. Для измерения больших скоростей с удовлетворительной точностью этого достаточно. Однако для измерения малых скоростей с повышенной точностью применяются датчики, у которых частота импульсов на выходе - есть величина, кратная числу оборотов в минуту, а именно . Преобразование частоты в код выполняется с помощью АЦП, описанных ранее в п. 6.2.3.

Ввиду многообразия дискретных датчиков скорости вращения приведем лишь отдельные примеры оптических и магниторезистивных датчиков, представленные на рис. 82.

В простейшем оптическом датчике скорости вращения (см. рис. 82 а) используется диск 1 с K отверстиями или прорезями. Этот диск монтируется на вал, скорость вращения которого требуется измерить. По одну сторону диска устанавливается источник света 2, по другую - приемник света 3, в качестве которого может быть использован фотодиод или фототриод. При вращении вала, а вместе с ним и диска свет, попадающий на приемник, прерывается K раз за

один оборот, и частота следования импульсов от фотоприемника будет равна , гдеN - измеряемая скорость вращения. Эти импульсы от фотоприемника воспринимаются электронной схемой, усиливаются и формируются в виде потока однородных импульсов напряжения или тока.

При невозможности установить на вал подобный диск в датчике скорости вращения может использоваться отраженный свет, как, например, показано на рис. 82 б. На поверхность вала с помощью специальной краски или иного материала параллельно оси вращения с равномерным шагом наносятся K полос 1. Луч света от источника 2 направляется на поверхность вала, а фотоприемник воспринимает отраженный свет. Если вал темный, наносят светлые полосы, если вал отшлифован и хорошо отражает свет, полосы - темные. И в этом случае частота импульсов света, воспринимаемых фотоприемником, также равна , гдеN - измеряемая скорость вращения.

Для применения магниторезистивного датчика скорости вращения на вал устанавливается зубчатое колесо с K зубцами или используется имеющаяся на объекте шестерня из магнитного материала. На некотором расстоянии от этого зубчатого колеса монтируется магнит с полюсными наконечниками так, чтобы расстояние по дуге между ними было кратно шагу зубчатого колеса, как это показано на рис. 82 в. На полюсных наконечниках магнита устанавливаются магниторезисторы, сопротивление которых увеличивается при совпадении зубцов колеса с полюсами магнита. За один оборот колеса или шестерни количество таких совпадений будет равно K. При питании магниторезисторов постоянным током I на нем возникнет K импульсов напряжения, которые затем могут быть усилены, и из них сформируются импульсы одинаковой формы. Частота импульсов равна , гдеN - скорость вращения зубчатого колеса или шестерни.

Аналогичным образом может быть измерена скорость вращения турбинного расходомера, расположенного в трубе (или в специальной вставке) из немагнитного материала. Такой метод можно применять для измерения скорости движения v по трубе или расхода Q горючих жидкостей и газов. Для его реализации в немагнитную вставку или в трубу из немагнитного материала монтируется крыльчатка из магнитного материала с K лопастями. На наружной поверхности трубы устанавливается магнит с полюсными наконечниками и магниторезисторы МР, как показано на рис. 82 г. При движении по трубе жидкости или газа крыльчатка вращается со скоростью, пропорциональной скорости движения среды. Сопротивление тензорезисторов будет изменяться с той же частотой, то есть , гдеN - скорость вращения крыльчатки.

Для измерения экстремально малых скоростей могут быть полезными угловые индуктосины с малым шагом обмоток.

Для применения в многоканальных измерительных информационных системах наиболее удобными датчиками скорости являются тахогенераторы, поскольку их выходной сигнал есть постоянное напряжение, зависящее от измеряемой скорости. Этот сигнал того же вида, что и сигналы в других каналах системы.

Датчики скорости и частоты вращения

Датчики скорости и частоты вращения измеряют количество оборотов или расстояние, пройден­ное за определенное время. Применительно к автомобилестроению в обоих случаях — это измеряемые переменные, возникающие между двумя компонентами или относительно поверх­ности дороги либо другого автомобиля. Однако иногда необходимо измерить абсолютную ско­рость вращения в пространстве, т.е. вокруг осей автомобиля (скорость вращения вокруг верти­кальной оси). Например, для системы динами­ческой стабилизации (ESP) скорость вращения автомобиля вокруг вертикальной оси должна вычисляться путем «считывания». Вот о том, какими бываю датчики скорости и частоты вращения, мы и поговорим в этой статье.

В инкрементном определении относитель­ной скорости вращения вокруг вертикальной оси, в зависимости от количества и размера сканируемых периферийных меток ротора, различают следующие типы датчиков (рис. «Регистрация относительной частоты вращения» ):

  • Простой датчик оборотов, только с одной сканируемой меткой на оборот, что позво­ляет определить только среднюю скорость вращения;
  • Сегментный датчик, лишь с небольшим количеством сканируемых периферийных сегментов (например, эквивалентных ко­личеству цилиндров двигателя);
  • Инкрементный датчик с близко располо­женными периферийными метками.

Что измеряют датчики скорости и частоты вращения

До определенного момента эта форма дат­чика позволяет измерять мгновенную скорость в точках на окружности и, соот­ветственно, регистрировать очень мелкие угловые доли.

Примерами относительной частоты враще­ния являются частота вращения коленчатого или распределительного вала двигателя, частота вращения кулачкового вала топлив­ного насоса высокого давления дизеля, ча­стота вращения колес автомобиля (ABS, TCS, ESP). Измерения в основном выполняются с помощью системы инкрементных датчиков, состоящей из шестерни и датчика частоты вращения.

Формы датчиков скорости

Используются различные формы датчиков (рис. «Различные формы датчиков» ): стержневые, вильчатые и кольцевые (внутренние и внешние). Благодаря простоте монтажа, самым распространенной формой датчика является стержневая. Стержневой датчик размещается рядом с ротором, зубья которого приближаются к нему и проходят в непосредственной близости. Однако датчики такой формы имеют самую низкую чувстви­тельность измерений. В некоторых случаях допускается использование вильчатых датчи­ков, нечувствительных к осевому и радиаль­ному люфту. В установленном состоянии этот датчик должен быть примерно совмещен с ротором. Тип датчика, в котором датчик окру­жает вал ротора в форме кольца, уже практи­чески не используется.

Требования к новым датчикам скорости

Во многих отношениях более ранние тра­диционные датчики индуктивного типа по­казывают очень неудовлетворительные ре­зультаты. Они выдают амплитуду, зависимую от частоты вращения, и поэтому непригодны для низких оборотов, допускают лишь от­носительно небольшие допуски воздушного зазора, и большей частью неспособны отли­чить колебания зазора от импульсов частоты вращения. По крайней мере, конец датчика- из-за своей близости к тормозу (в случае с датчиками скорости вращения колес), дол­жен быть стойким к высоким температурам. Эти недостатки находятся позади дополни­тельных функций, на которые нацелено но­вое поколение датчиков:

  • Статическое определение (т.е. при нуле­вой скорости: сверхмалые обороты колен­чатого вала или частота вращения колес);
  • Эффективное измерение в больших зазорах (не совмещенный монтаж с зазорами> 0);
  • Небольшой размер;
  • Эффективная работа независимо от колебаний зазора;
  • Термостойкость до 200 °С;
  • Определение направления (опция для системы навигации);
  • Определение опорной метки (зажигание).

Магнитостатические датчики (датчики Холла, магниторезисторы, AMR) очень хорошо отвечают первым двум требованиям. И, как правило, они также обеспечивают соответствие второму и третьему требованиям.

На рис. «Схема расположения датчиков, нечувствительных к колебаниям воздушного зазора» показаны три, в принципе, прием­лемые формы датчиков, обычно нечувстви­тельные к колебаниям зазора. Здесь следует различать датчики с радиальным и танген­циальным считыванием. Это означает, что, независимо от зазора, магнитостатические датчики всегда смогут отличить северный и южный полюса магнитноактивного полюс­ного колеса или роторного кольца. В случае с магнитнопассивными роторами знак выход­ного сигнала уже не будет зависеть от зазора при регистрации напряженности тангенци­ального поля (хотя тот факт, что зазор часто увеличивается из-за ротора, является здесь недостатком). Однако часто используются также радиально измеряющие градиентные датчики, которые по сути лишь регистрируют градиент радиального поля, изменяющий свой знак не при изменении зазора, а только при изменении угла поворота.

Роторы

Ротор имеет ключевое значение для измере­ния скорости вращения; однако он обычно поставляется автопроизводителем, в то время как сам датчик приходит от постав­щика. До недавних пор почти исключительно использовались магнитнопассивные роторы, состоящие из магнитомягкого материала, обычно железа. Они дешевле магнитотвер­дых полюсных колес и проще в обращении, поскольку не намагничиваются, и нет опас­ности взаимного намагничивания (например, во время хранения). Как правило, при оди­наковых инкрементной ширине и выходном сигнале, внутренний магнетизм полюсного колеса (полюсное колесо определяется как магнитноактивный ротор) допускает значи­тельно больший зазор.

Современные датчики скорости

Гоадиентные датчики

Содержат постоянный магнит, полюс ко­торого обращен к зубчатому колесу. Его поверхность гомогенезирована тонкой ферромагнитной пластиной, на которой расположены два гальваномагнитных эле­мента на расстоянии примерно половины зубчатого интервала. Таким образом, один из элементов всегда находится напротив межзубного промежутка, а другой — напротив зуба. Измеряется различие в напряженности поля в двух смежных местоположениях на окружности. Выходной сигнал приблизи­тельно пропорционален отклонению силы поля как функции угла на окружности, поэ­тому полярность не зависит от зазора.

Тангенциальные датчики

Тангенциальные датчики отличаются от их аналогов градиентного типа способом по­лучения вариаций в полярности и напря­женности магнитного поля, в компонентах, расположенных касательно к окружности ро­тора. Варианты конструкции включают тон­копленочную технологию AMR (вытянутые резисторы с поперечными полосками) или резисторы из одного сплава, по полу- или полной мостовой схеме. В отличие от гради­ентных датчиков, их не требуется адаптиро­вать к конкретному шагу зубьев ротора, и они могут выполнять считывание в данной точке. Требуется локальное усиление, хотя их изме­рительный эффект на 1-2 порядка выше, чем у кремниевых датчиков Холла (рис. «Датчик оборотов AMR в виде датчика тангенциального поля» ).

При использовании интегрированного в подшипник датчика частоты вращения коленчатого вала, на общей рамке с вы­водами устанавливаются тонкопленочный анизотропный магниторезистивный датчик (AMR-датчик) и монолитная интегральная схема, производящая вычисления. С целью экономии пространства и защиты от влияния температуры, интегральная схема устанавли­вается под углом 90°.

Колебательные гирометры

Позволяют измерять абсолютную частоту вращения при поворотах автомобиля (от­клонения вертикальной оси). В частности, это требуется в системах контроля динамики автомобиля VDC, стабилизации заноса и на­вигации. Принцип действия базируется на свойствах механических гироскопов; при из­мерении используется ускорение Кориолиса, сопутствующее колебательному движению:

aCoriolis = ax = 2·vу · ΩZ

Скорость vy изменяется синусоидально, в со­ответствии с колебательным движением:

vу = v’у·sinω·t

При постоянной скорости вращения вокруг вертикальной оси Ωz создается синусои­дальное ускорение Кориолиса с такими же частотой, положением и фазовым углом, а значение амплитуды будет следующим:

a’Coriolis = 2 v’у · Ωz

Это ускорение можно измерить блоком на­блюдения, также движущимся на матери­альной точке т (рис. «Создание ускорения Кореолиса» ). Чтобы определить скорость вращения вокруг вертикальной оси, используется подходящий орган управления для эффективного поддержания амплитуды колебаний на постоянном уровне и выпрям­ления ускорения Кориолиса, измеренного на колеблющейся массе т с выбором фазы и частоты (например, с помощью синхронизи­рующего усилителя). В этом процессе удаля­ется нежелательное ускорение извне, напри­мер, ускорение кузова.

Микромеханические кремниевые датчики скорости вращения автомобиля вокруг вер­тикальной оси обеспечивают недорогую и компактную альтернативу использующимся в настоящее время прецизионным пье­зоэлектрическим датчикам. Объединение технологий позволяет достигать высокой точности, необходимой для динамических систем автомобиля (рис. «Микромеханический датчик скорости вращения вокруг вертикальной оси ММ1 с электродинамическим приводом» ). Две толстые пастированные пластины, изготовленные из платы посредством объемной микромеха­ники колеблются в двухтактном режиме на своей резонансной частоте, которая опреде­ляется их массой и жесткостью сцепляющей пружины (> 2 кГц). Каждая плата снабжена располагаемым на поверхности микромеханическим емкостным датчиком ускорения, который служит для измерения ускорения Кориолиса (поворотного ускорения) Ωz в плоскости кристаллической пластины, расположенной перпендикулярно к направ­лению колебаний, когда кристалл датчика поворачивается вокруг своей вертикаль­ной оси с угловой скоростью. Получаемые сигналы пропорциональны произведению угловой скорости и скорости возвратно­-поступательного движения, которая регули­руется электроникой до установления по­стоянной величины. На колеблющейся плате имеется изготовленный печатным способом простой проводник, на который действуют силы Лоренца в поле постоянного магнита, направленном перпендикулярно поверхно­сти кристалла. Таким образом, проводник используется для измерения частоты ко­лебаний как напрямую, так и индуктивным способом при том же магнитном поле. Раз­личные физические характеристики приво­дных и сенсорных систем предупреждают недопустимые перекрестные помехи. Для того чтобы исключить внешнее ускорение (сигнал общего режима), два противопо­ложных сигнала датчика вычитаются один из другого (суммирование используется для определения внешнего ускорения). Точная микромеханическая структура помогает по­давить эффект большого колебательного ускорения, которое на несколько порядков выше ускорения Кориолиса нижнего уровня (поперечная чувствительность значительно ниже 40 дБ). Приводные и измерительные системы в понятиях механического и элек­трического действий являются строго изо­лированными.

Если кремниевый датчик скорости враще­ния вокруг вертикальной оси изготавливать в полном соответствии с поверхностной микромеханикой (SMM), а магнитный привод и систему управления заменить электроста­тической системой, это изолирование может быть реализовано менее последовательно: установленный по центру роторный генератор, работающий по законам электростатики, слу­жит для получения колебаний с амплитудой, которая постоянно регулируется емкостным измерительным преобразователем (рис. Датчик вращения во круг вертикальной оси SMM ММ2 (поверхностная микромеханика) с элетростатическим приводом» ). В случае, когда Ω≠0, силы Кориолиса ини­циируют одновременное наклонное движение «вне плоскости» с амплитудой, пропорцио­нальной скорости вращения вокруг верти­кальной оси и определяемой емкостным спо­собом — электродами, расположенными под генератором. Для того чтобы это движение не слишком амортизировалось, датчик должен работать в вакууме. Хотя меньший размер кристалла и более простой процесс его изго­товления и уменьшают стоимость такого дат­чика, миниатюризация приводит к ухудшению точности измерения. Это предъявляет более высокие требования к электронике. Влияние внешних ускорений здесь уже устраняется механически. Это второе поколение датчиков скорости вращения вокруг оси обозначается аббревиатурой ММ2 и используется главным образом в системах защиты пассажиров для определения скорости вращения вокруг про­дольной оси (бокового раскачивания).

Дальнейшие разработки в области систем стабилизации автомобилей предъявляют все более высокие требования к качеству и мощ­ности сигнала. Они требуют дополнительных осей измерения с высокой надежностью. Третье поколение датчиков (ММ3) отвечает этим требованиям. В этих датчиках используется новое поколение микромеханических элементов. Они измеряют угловые скорости вращения и ускорения, а измеряемые переменные подвергаются циф­ровой обработке.

В следующей статье я расскажу о датчиках ускорения и вибрации.

Датчики частоты вращения двигателя

Применения

Датчики частоты вращения двигателя используются в системах управления двигателем для:

  • измерения числа оборотов двигателя
  • определения положения коленчатого вала (положение поршня двигателя)

Число оборотов рассчитывается по интервалу между сигналами датчика скорости вращения.

Рис. Индуктивный датчик скорости вращения (конструкция):

  1. Постоянный магнит
  2. Корпус датчика
  3. Корпус двигателя
  4. Полюсный контактный штифт
  5. Обмотка
  6. Воздушный зазор
  7. Зубчатое колесо с точкой отсчета

Конструкция и принцип действия Датчик монтируется прямо напротив ферромагнитного зубчатого колеса (поз. 7) с определенным воздушным зазором. Он имеет сердечник из магнитомягкой стали (полюсный контактный штифт, поз. 4) с обмоткой (5). Полюсный контактный штифт соединен с постоянным магнитом (1). Магнитное поле распространяется через полюсный контактный штифт, проходя в зубчатое колесо. Магнитный поток, проходящий через катушку, зависит от того, попадает ли расположение датчика напротив впадины или зуба колеса. Зубец соединяет в пучок магнитный поток рассеяния, исходящий от магнита. Через катушку происходит усиление сетевого потока. Впадина, наоборот, ослабляет магнитный поток. Эти изменения магнитного потока при вращении зубчатого колеса индуцируют в катушке синусоидальное выходное напряжение, пропорциональное скорости изменения и числу оборотов двигателя. Амплитуда переменного напряжения интенсивно возрастает с увеличением числа оборотов (несколько мВ… > 100 В). Достаточная амплитуда присутствует, начиная с минимального числа оборотов от 30 в минуту.

Рис. Сигнал индуктивного датчика скорости вращения двигателя:

  1. Зуб
  2. Впадина
  3. Опорный сигнал

Активные датчики скорости вращения

Активные датчики скорости вращения работают по магнитостатическому принципу. Амплитуда выходного сигнала не зависит от числа оборотов. Благодаря этому можно измерять скорость вращения и при очень низком числе оборотов (квазистатическое определение числа оборотов).

Дифференциальный датчик Холла

На проводящей ток пластинке, по которой вертикально проходит магнитная индукция В, поперечно к направлению тока можно снимать напряжение UH (напряжение Холла), пропорциональное направлению тока.

Рис. Принцип работы дифференциального датчика Холла:

  • а Расположение датчика
  • b Сигнал датчика Холла
  • большая амплитуда при маленьком воздушном зазоре
  • маленькая амплитуда при большом воздушном зазоре
  • с Выходной сигнал
  1. Магнит
  2. Датчик Холла 1
  3. Датчик Холла 2
  4. Зубчатое колесо

В дифференциальном датчике Холла магнитное поле вырабатывается постоянным магнитом (поз. 1). Между магнитом и импульсным кольцом (4) находятся два сенсорных элемента Холла (2 и 3). Магнитный поток, который проходит сквозь них, зависит от того, находится ли датчик скорости вращения напротив зубца или паза. Благодаря созданию разности сигналов от обоих датчиков достигается снижение магнитных сигналов возмущения и улучшенное соотношение сигнала/ шума. Боковые поверхности сигнала датчика могут обрабатываться без оцифровывания непосредственно в блоке управления.

Вместо ферромагнитного зубчатого колеса используются также многополюсные колеса. Здесь на немагнитном металлическом носителе установлен намагничивающийся пластик, который попеременно намагничивается. Эти северные и южные полюсы принимают на себя функцию зубцов колеса.

AMR-датчики

Рис. Принцип определения числа оборотов с помощью датчика AMP:

  • а Размещение
  • в различные моменты времени
  • b Сигнал датчика AMP
  • с Выходной сигнал
  1. Импульсное (активное) колесо
  2. Сенсорный элемент
  3. Магнит

Электрическое сопротивление магнито-резистивного материала (AMP, анизотропный магниторезистивный) является анизотропным. Это означает, что оно зависит от направления магнитного поля, которое на него воздействует. Это свойство используется в AMP-датчике. Датчик находится между магнитом и импульсным кольцом. Линии поля изменяют свое направление, когда вращается импульсное (активное) колесо. В результате формируется синусоидальное напряжение, которое усиливается в схеме обработки данных и преобразуется в сигнал прямоугольной формы.

GMR-датчики

Усовершенствование активных датчиков скорости вращения отражено в использовании технологии GMR (ГМР) (Giant Magneto-Resistance). По причине высокой чувствительности по сравнению с датчиками AMP здесь возможны большие воздушные зазоры, за счет чего предполагаются использования в трудных сферах применения. Более высокая чувствительность производит меньше шумов фронта сигнала.

В ГМР-датчиках возможны также все двухпроводные порты, используемые ранее в датчиках скорости вращения Холла.


Смотрите также

     ico 3M  ico armolan  ico suntek  ico llumar ico nexfil ico suncontrol jj rrmt aswf