Датчики положения>

Датчики положения регистрируют перемеще­ние в одном или нескольких направлениях и угловые положения (поступательное и вра­щательное движения) самых разнообразных типов и диапазонов — одним словом, все, что можно измерить в метрах и градусах. Сюда, например, относятся: зазоры, расстояния, перемещения, уровни заполнения и даже незначительные удлинения. Вот о том, какими бывают датчики положения мы и поговорим в этой статье.

В этой области применения специалисты давно стремились перейти к датчикам ближ­ней локации и бесконтактным датчикам. Та­кие датчики не подвержены износу и поэтому имеют длительный срок службы и более на­дежны. Хотя необходимость экономить часто вынуждает автопроизводителей сохранять «щеточный» принцип датчиков, и такие дат­чики работают все еще достаточно эффек­тивно во многих областях.

Что измеряют датчики положения

Непосредственно измеряемые переменные:

• Положение дроссельной заслонки;
• Положения педали управления подачей топлива;
• Положения сидений и зеркал заднего вида;
• Ход и положение тяги механизма управления;
• Уровень топлива;
• Ход сервоблока муфты сцепления;
• Положение педали тормоза;
• Угол поворота рулевого колеса;
• Угол наклона;
• Дальние расстояния: автомобиль — автомобиль или автомобиль — препятствие;
• Короткие расстояния;
• Курс.

Косвенно измеряемые переменные:

• Угол отклонения пластины датчика (рас­ход);
• Перемещение подпружиненной массы (ускорение);
• Перемещение диафрагмы (давление);
• Статический прогиб подвески (регули­ровка фар);
• Угол закручивания торсиона (момент);
• Отклонение пружины (масса переднего пассажира).

На практике инкрементные датчики часто также называют датчиками углового положе­ния, даже когда они используются для изме­рения скорости вращения. В действительно­сти же они не являются датчиками углового положения. Поскольку приращение (шаг увеличения параметра), измеряемое этими датчиками для определения угла отклонения, сначала должно подсчитываться с правиль­ным знаком (т.е. складываться), существует возможность постоянных помех.

Потенциометры со скользящими (подвижными) контактами

Щеточный потенциометр измеряет линейные и угловые перемещения благодаря пропор­циональной связи между длиной проволоки или дорожки и ее электрическим сопро­тивлением (рис. «Потенциометр со скользящим контактом» ).

В настоящее время это самый дешевый датчик линейного/углового перемещения.

Напряжение обычно подается на измери­тельную дорожку через последовательные резисторы малого сопротивления R_v (их также можно использовать для калибровки нулевой точки и крутизны кривой). Форма контура по всей ширине измерительной до­рожки (включая форму отдельных секций) влияет на форму характеристической кривой.

Стандартное подключение подвижного контакта выполняется с помощью второй контактной дорожки, состоящей из того же материала, нанесенного на проводящую под­ложку. Во избежание износа и погрешности измерения ток в зоне контакта минимизи руют (I_А < 1 мА), а устройство в целом защи­щается от пыли.

Примеры применения:

• Датчик углового положения дроссельной заслонки (M-Motronic);
• Датчик углового положения дроссельной заслонки
• В дросселе (ME- и Dl-Motronic);
• Датчик положения педали газа;
• Датчик уровня топлива.

Магнитно-индуктивные датчики

Из всех датчиков, выполняющих бесконтакт­ное измерение положения, магнитные дат­чики особенно нечувствительны к помехам и надежны. Это особенно относится к дат­чикам, зависящим от переменного тока, т.е. магнитно-индуктивным датчикам. По срав­нению с микромеханическим датчиком, для необходимой здесь конфигурации катушки требуется гораздо больше места. Поэтому возможностей для резервной конструкции (параллельного измерения) здесь нет. Кроме того, катушечное контактирование менее благоприятно с экономической точки зрения и с точки зрения надежности.

Из множества прижившихся принципов этого типа на практике в автомобилях используются чаще всего два (электроиндуктивные датчики и короткозамыкающие кольцевые датчики), очень похожие по прин­ципу работы. Однако для новых разработок больше не использует макромеханические версии автомобильных датчиков. Вместо этого инженеры обратились к очень экономичной модели компании Hella, прин­цип действия которой похож на индуктосин.

Датчики с закорачивающим кольцом

В отличие от электроиндуктивных датчи­ков, катушка датчика с закорачивающим кольцом имеет прямой или изогнутый U- или Е-образный магнитомягкий, (обычно) пластинчатый железный сердечник (рис. «Принцип измерения датчика с закорачивающим кольцом» ). 

Движущееся «закорачивающее кольцо» изготавливается из материала с высокой проводимостью — меди или алюминия, рас­положено вокруг одной или всех секций сер­дечника. Из-за железного сердечника индук­тивность таких датчиков гораздо выше, чем у не содержащих железа электроиндуктивных датчиков, а из-за очень концентрированного наведения магнитного потока железным сер­дечником — гораздо больший диапазон из­мерения. С типичным значением L_max /L_min = 4 диапазон измерения относительно высок. Это означает, что эти датчики хорошо рабо­тают на низких частотах, и им не обязательно требуется локально размещаемая сигнальная электроника, т.е. непосредственно на самом датчике. Железный сердечник также хорошо защищает измерительное пространство между секциями сердечника от внешних па­разитных полей.

Переменное поле, создаваемое внутри и вокруг железного сердечника током катушки I , не способно пройти через закорачивающее кольцо, так как электроиндуктивные токи в кольце уменьшают его практически до нуля. Поэтому электроиндуктивные токи в закора­чивающем кольце ограничивают — как «маг­нитный изолятор» — расширение магнитного потока Ф в пространство между катушкой и кольцом, делая его зависимым от положения x закорачивающего кольца (Ф = Ф(х)).

Индуктивность определяется по формуле:

L = Ф(x)/I

Таким образом, положение x закорачиваю­щего кольца также непосредственно влияет на индуктивность L катушки. Зависимость L = L(x) оптимально линейна в широком диа­пазоне. Поскольку движущаяся масса отно­сительно мала, для целей измерения можно использовать почти всю длину датчика. Ме­ханически близкое наведение закорачиваю­щего кольца здесь не требуется.

Масса движущегося закорачивающего кольца очень мала. Величина зазора между ка­тушкой и сердечником влияет на форму кривой: уменьшение зазора в сторону предела диапа­зона измерений еще больше улучшает уже хо­рошую линейность. В зависимости от материала и формы рабочий диапазон лежит в интервале 5-50 кГц. Этот датчик можно также использовать в очень жестких условиях, например, на ТНВД.

Из-за работы с переменным током сердеч­ники ламинируются, например, производится ламинирование NiFe толщиной 0,2 мм. Для обеспечения необходимого механического со­единения пластин (устойчивость к ускорению) они не просто традиционным образом склеи­ваются, но и дополнительно «упаковываются». Для этого на пластинах в определенных точках делаются кнопкообразные наплавки, которыми их можно соединить с внутренней стороны перед мягким отжигом (как в конструкторе LEGO) без значительного нарушения необхо­димой электрической изоляции от пластины к пластине.

Полудифференциальные датчики с закорачивающим кольцом

Полудифференциальные датчики с дви­жущимся измерительным и фиксирован­ным опорным закорачивающими кольцами (рис. «Схема и принцип работы полудифференциального датчика с закорачивающим кольцом» ) отвечают требованиям к высокой точ­ности. С их помощью проводятся измерения, которые действуют подобно:

• Индуктивным делителям напряжения (об­работка данных типа L₁/L₂ или (L₁ — L₂)/(L₁ + L₂);
• Либо элементам-определителям частоты в генераторной схеме, создающим сиг­нал, пропорциональный частоте (хорошие характеристики помехозащищенности, простое цифровое преобразование).

Области применения:

• Датчики положения золотника для ТНВД;
• Датчики углового положения в исполни­тельных механизмах подачи топлива в насосах распределенного впрыска дизельного топлива.

Датчики с вращающимися переменными полями

Двух- или многополюсные структуры с пере­менными полями могут быть организованы в круге или линейно с катушками, на которые подается переменный ток угловой частоты ω, или катушкообразными конфигурациями, такими как меандровые структуры с токове­дущими дорожками. По сравнению с обычно фиксированным набором приемных катушек с одинаковым полюсным делением эти по­люсные структуры с фиксированным полюс­ным делением могут смещаться движением измеряемой системы — будь то вращательное или поступательное движение. Здесь ампли­туды сигналов приемника U₁ U₂, U₃,… из­меняются синусоидально с движением. Если приемные катушки смещаются относительно друг друга на определенную часть полюсного деления T. например, T/4 или Т/З, синусои­дальная форма сдвигается в каждом случае на соответствующий угол, например, на 90° или 120°. После выпрямления измеряемый угол поворота φ можно вычислить с высокой точностью на основании этих напряжений. Этот режим работы датчиков в классиче­ской метрологии называют синхронизацией, синусно-косинусным преобразованием или индуктосином, и предпочтительно эти дат­чики используются, как датчики углового положения.

Датчик Hella

Датчик углового положения, разработанный компанией Hella, больше всего напоминает индуктосин. На рис. «Датчик Hella» для примера показан датчик с шестиполюсной структурой (n = 6), что в электрическом выражении преобразует угол вращения φ = 60° в фазовое смещение амплитуд сигнала на угол а = 360°.

Все не­обходимые структуры с токоведущими до­рожками, по крайней мере, в случае с фик­сированной частью (статором), расположены на многослойной плате. Роторная часть, при необходимости, тоже может быть выполнена по технологии тиснения либо в самонесущем исполнении, либо на пластмассовых опорах (горячее тиснение).

На статоре размещается круговой контур с токоведущими дорожками, который, не­зависимо от угла поворота, индуцирует при рабочей частоте 20 МГц вихревой ток в ав­тономном меандровом контуре с примерно таким же внешним диаметром на роторе. Как и контур возбуждения, этот вихревой ток создает вторичное магнитное поле, перекры­вающее поле возбуждения настолько, что пы­тается погасить его. Если бы на роторе вместо меандра была только круговая токоведущая дорожка, конгруэнтная контуру статора, это просто максимально заглушило бы пер­вичное поле. Однако меандровая структура создает результирующее многополюсное поле, которое может вращаться с ротором, и суммарный магнитный поток которого, есте­ственно, тоже практически равен нулю.

Это многополюсное переменное поле счи­тывается концентрическими приемными ка­тушками или меандрами идентичной формы, также находящимися на статоре. Эти катушки или меандры смещаются в пределах полюс­ного деления, например, 60° в каждом случае на 1/3, т.е. электрически в амплитуде сигнала на 120° (рис. «Датчик Hella«). Однако приемные катушки распределяются по всем п парам полюсов (последовательное соединение), используя все полюсные поля сразу.

На рис. «Датчик Hella с интерфейсом μС» показаны приемные катушки, сое­диненные звездой. Для определения электри­ческого фазового угла а или механического угла поворота φ сигналы катушек проходят к специализированной интегральной схеме (ASIC), выполняющей необходимые выпрямление, отбор и формирование соотношения. Один ее вариант — ASIC 1 — принимает необ­ходимые цифровые управляющие сигналы от расположенного рядом микроконтроллера. Но и другой ее вариант — ASIC 2 — тоже мо­жет управлять датчиком совершенно незави­симо (автономно). Интегральные схемы ASIC также позволяют регулировать механические и электрические допуски в производстве, на конечной стадии.

Для областей применения с повышенными требованиями к безопасности можно также создать дублированную систему — с двумя изо­лированными путями прохождения сигнала и двумя ASIC. Датчик может принимать и «откры­тую» форму, как датчик хода. Таким образом, датчик можно использовать во многих узлах автомобиля (например, для измерения угла открытия дроссельной заслонки, положения рычага автоматической коробки передач, по­ложения фар в системе регулировки фар).

Магнитостатические датчики

Магнитостатические датчики измеряют по­стоянное магнитное поле. В отличие от магнитно-индуктивных (катушечных) дат­чиков, они гораздо лучше подходят для миниатюризации и могут изготавливаться при разумных затратах по микросистемным технологиям. Поскольку постоянное маг­нитное поле может легко проникнуть через пластмассовые и неферромагнитные метал­лические стенки корпусов, преимущество магнитостатических датчиков состоит в том, что чувствительную, обычно фиксирован­ную часть, можно хорошо закапсулировать и защитить от вращающейся части и от окружающей среды, обычно это постоянный магнит или магнитомягкий проводящий элемент. Прежде всего используются гальванометрические эффекты (эффекты Холла и Гаусса, рис. «Гальваномагнитный эффект» ), а также анизотропические магниторезистивные (AMR) металлические тонкопленочные элементы.

Гальваномагнитный эффект

В таких датчиках используются прежде всего тонкие полупроводниковые пластинки для оценки эффекта Холла.

Если через такую токонесущую пластинку перпендикулярно к ее плоскости проникнет магнитная индукция В, то носители заряда будут отклонены силой Лоренца, действующей поперечно к полю и току I, на угол а от их прямого пути. Таким образом, возможен отбор напряже­ния U_H, пропорционального полю В и току I поперечно направлению тока между двумя противоположными точками пластинки (эф­фект Холла):

U_H = R_H I B/d,

где:

R_H — коэффициент Холла;

d — толщина пластинки.

В то же время последовательное сопротивле­ние пластинки увеличивается независимо от направления поля, согласно примерно пара­болической кривой (эффект Гаусса, магни­торезистивный эффект). Коэффициент R_H, важнейший для измерительной чувствитель­ности пластинки, в случае с кремнием сравни­тельно мал; но поскольку толщину пластинки d можно сделать крайне малой с помощью технологий диффузии, то напряжение Холла U_H снова принимает технически приемлемое значение. Когда в качестве основного мате­риала используется кремний, в пластинку можно встроить контур кондиционирования сигнала, поэтому датчики, использующие эти принципы очень дешевы в изготовлении.

Однако в плане чувствительности измерений, температурного коэффициента и диапазона температур кремний — далеко не лучший по­лупроводниковый материал для датчиков Холла. Полупроводники «III-V», такие как ар­сенид галлия или антимонид индия, имеют гораздо лучшие свойства.

Типы датчиков Холла

Переключатель на датчике Холла

В самом простом случае напряжение Холла подается на электронную пороговую схему, встроенную в датчик (триггер Шмитта), кото­рая затем выдает цифровой сигнал. Если воз­действующая на датчик магнитная индукция В ниже минимального порогового уровня, то выходное значение триггера Шмитта соответ­ствует логическому нулю (состояние разбло­кировки); если оно превышает максималь­ный пороговый уровень, то выходное значение триггера Шмитта соответствует ло­гической единице (состояние работы). По­скольку это поведение гарантируется во всем диапазоне рабочих температур и для всех датчиков данного типа, то два этих пороговых значения находятся относительно далеко друг от друга (около 50 мТл). Иными сло­вами, для срабатывания переключателя на датчике Холла требуется значительный ска­чок индукции (ДБ). Такие датчики Холла, из­готавливаемые, большей частью, по бипо­лярной технологии, на самом деле очень экономичны, но больше подходят для пере­ключающей работы (например, переключа­тели Холла для срабатывания зажигания в ранних системах зажигания, цифровые дат­чики угла поворота, рис. «Цифровой датчик Холла для измерения угла поворота до 360^о с круговым равноудаленным расположением переключателей Холла» ). Данные переклю­чатели Холла слишком неточны для регистра­ции аналоговых переменных.

Датчики Холла, использующие принцип вращающихся токов

Недостатком простого кремниевого датчика Холла является его одновременная чувстви­тельность к механическим нагрузкам (пьезоэ­лектрический эффект), неизбежно возникаю­щим из-за принятой компоновки и приводящим к неблагоприятному смещению температурного коэффициента. Этот недостаток удалось прео­долеть путем применения принципа вращаю­щихся токов (рис. «Датчик Холла, работающий по принципу вращающихся токов» ) в сочетании с переходом к технологии CMOS. Пьезоэлектрический эффект здесь тоже возникает, но компенсируется осреднением сигнала по времени, поскольку он происходит в случае очень быстрого, элек­тронноуправляемого переключения (ротации) электродов с другим знаком полярности. Если цель — избежать затрат на сложную электронику для переключения электродов, можно также встроить в непосредственной близости не­сколько датчиков Холла (2, 4 или 8) с соответ­ственно разным расположением путей прохож­дения тока, и сложить их сигналы для получения среднего значения. Только такими путями уда­лось неплохо приспособить интегральную схему Холла к системам аналоговых датчиков. Эти меры лишь привели к уменьшению порой значительного влияния температуры на чув­ствительность измерения.

Такие интегральные схемы Холла прежде всего подходят для измерения небольших расстояний, при которых они регистрируют колеблющуюся напряженность поля постоянного магнита по мере приближения (рис. «Измерение небольших смещений x датчика Холла«), например, датчик iBolt для измерения массы переднего пассажира. До той поры столь же хорошие результаты можно было получить только путем использования от­дельных элементов Холла из, например, полупро­водников III-V (например, GaAs) с расположен­ным за ними гибридным усилителем.

Дифференциальные датчики Холла

В случае с двойным датчиком Холла (схемы с дифференциальными датчиками Холла, рис. «Дифференциальные датчики Холла» ), организуются две полные системы Холла на определенном расстоянии на одной пла­стинке.

Соответствующая электронная цепь оценивает разность двух напряжений Холла. Преимущество таких датчиков состоит в том, что их выходной сигнал большей частью зави­сит от абсолютного значения напряженности магнитного поля, и как дифференциальные датчики они лишь регистрируют изменение магнитной индукции в пространстве, другими словами, градиент поля (отсюда распростра­ненное название — «градиентный датчик»).

Поскольку полярность их выходного сиг­нала не зависит от воздушного зазора между ротором и датчиком, эти датчики в основном используются для измерения скорости вра­щения. Если для сканирования шестерни ис­пользуется только один датчик Холла, он не сможет различить, из-за чего изменился магнитный поток — из-за дальнейшего вращения шестерни или изменения расстояния (вибра­ции, монтажные допуски и пр.). Это вызывает значительные погрешности сканирования, поскольку сигнал должен подаваться на двухпороговый детектор. В случае с диффе­ренциальными датчиками ситуация в корне отличается. Здесь оценивается только раз­ность сигналов двух датчиков Холла, распо­ложенных на приемлемом расстоянии друг от друга по окружности.

Если разность сигналов положительная, например, расстояние между шестерней и датчиком можно менять произвольно. Рас­стояние останется положительным, и сумма уменьшится. Знак полярности может изме­ниться только при дальнейшем вращении ротора. Поэтому двухпороговый детектор без проблем различит изменение в расстоянии и вращении.

Чтобы добиться как можно более силь­ного выходного сигнала, два датчика Холла обычно располагаются на краю пластинки (вытянутой) — расстояние между ними соот­ветствует примерно половине промежутка между приращениями (половине межзуб­ного промежутка ротора). Максимум сигнала очень широк и охватывает широкий диапа­зон изменения промежутка между прираще­ниями. Более выраженные изменения проме­жутка между приращениями требуют очень сложной реконструкции датчика.

Градиентный датчик должен быть точно совмещен с направлением вращения ротора.

Датчики Холла для измерения угла поворота на угол до 180°

С помощью поворотного магнитного кольца («подвижного магнита»), вместе с несколь­кими фиксированными магнитомягкими то­копроводящими элементами, можно генери­ровать выходной сигнал для более широкого углового диапазона без необходимости в преобразовании (рис. «Датчик углового положения, работающий по принципу подвижного магнита» ). Здесь биполярное поле подвижного магнита направляется че­рез датчик Холла, расположенный между по­лукруглыми токопроводящими элементами. Эффективный магнитный поток через датчик Холла зависит от угла поворота φ.

Датчик угла поворота типа ARS1 с диа­пазоном измерения около 90° (рис. «Датчик Холла ARS1 для измерения угла поворота с линейной характеристикой кривой до 90°» ) ис­пользует базовый принцип «подвижного магнита». Магнитный поток из практически полукруглого диска постоянного магнита возвращается в магнит через полюсный баш­мак, два дополнительных токопроводящих элемента, каждый из которых в своей линии магнитной индукции содержит датчик Холла, и вал, тоже ферромагнитный. В зависимости от угловой настройки магнитный поток в большей или меньшей степени проходит че­рез два токопроводящих элемента, в линии маг­нитной индукции которых также имеется дат­чик Холла. Используя этот принцип, можно добиться практически линейной кривой.

Тип ARS2 — это упрощенный вариант, обходящийся без токопроводящих элементов (рис. «Датчик Холла ARS2 для измерения угла поворота с линейной характеристикой кривой до 180°«). Здесь магнит движется вокруг датчика Холла по дуге окружности.

Лишь относительно небольшая часть получаю­щейся синусоидальной кривой отличается хорошей линейностью. Если датчик Холла расположен немного вне центра дуги окружности, то кривая будет больше отличаться от синусоиды, и тогда мы имеем узкий диапазон измерения — почти 90° и бо­лее широкий диапазон — более 180° — при хорошей линейности. Хотя большим недо­статком является низкий уровень экраниро­вания от внешних полей, а также оставшаяся зависимость от геометрических допусков магнитного контура и колебаний интенсивно­сти магнитного потока в постоянном магните в зависимости от температуры и времени.

Датчики Холла для измерения угла поворота на угол до 360°

На рис. «Аналоговый датчик Холла для измерения угла поворота в пределах 360°» показан аналоговый датчик Холла для измерения угла поворота до 360°. Как видно из рисунка, постоянный магнит вращается перед двумя датчиками Холла, расположенными под прямым углом друг к другу. Концепция измере­ния лишь незначительно ограничена до такой степени, чтобы датчик можно было установить на конце вращающегося вала. Магнит должен быть достаточно большим, чтобы не слишком зависеть от допуска на позиционирование магнита. Два датчика Холла, при максимально близкой сборке, следует располагать в на­правленно однородной части поля рассеяния постоянного магнита, которая также пред­ставляет угловое положение φ постоянного магнита. Датчики располагаются под прямым углом друг к другу и параллельно оси вращения постоянного магнита таким образом, чтобы они в каждом случае регистрировали компоненты х и у вектора напряженности поля В, вращае­мого ими:

U_H1 = U_x = B·sinφ

U_H2 = U_y = B·cosφ

Применяя тригонометрическую зависимость φ = arctan (U_H1/U_H2), затем можно легко ис­пользовать эти сигналы для вычисления угла φ в имеющейся в свободной продаже оценоч­ной пластинке, являющейся частью датчика. Здесь сигнал датчика обычно оцифровыва­ется.

При таком расположении датчика Холла его в принципе можно также вертикально встро­ить таким образом, чтобы плоскость пла­стинки датчика была перпендикулярна оси вращения, а датчик, в отличие от обычного, плоского датчика Холла, демонстрировал чув­ствительность «в одной плоскости» (рис. «Вертикальное устройство Холла VHD» ). Монолитная интеграция гарантирует высокую степень точности необходимого расположе­ния под прямым углом и необходимую ком­пактность конструкции двух систем Холла. Датчики углового положения этого типа рас­сматривались, например, для реализации бесстартерных систем непосредственного пуска, где нужно было измерять абсолютное положение распределительного вала в диа­пазоне 360°.

Однако для придания обычному плоскому датчику Холла дополнительной чувствитель­ности «в одной плоскости» можно приме­нять еще одно средство. В методе, исполь­зуемом Мелексис-Сентроном (например, тип 2SA-10), на одной пластинке в узком кругу устанавливается в общей сложности четыре датчика Холла под углом 90° друг к другу для измерения компонентов поля B_х и B_у, возникающих в плоскости. Здесь каждый датчик, строго говоря, опять же состоит из пары элементов Холла, повернутых на 90° по упомянутым выше причинам. После из­готовления полупроводниковой пластинки на нее монтируется круглая пластинка из магнитомягкого материала диаметром около 200 мкм таким образом, чтобы в положении упора датчики Холла оказывались точно под краем пластинки (рис. «Набор из 4х2 плоских датчиков Холла со встроенным магнитным концентратором IMC» ).

Из-за своей высокой относительной маг­нитной проницаемости эта пластинка вы­полняет функцию концентратора потока и заставляет все линии поля входить в ее по­верхность вертикально. В результате линии поля, идущие горизонтально (в плоскости) без концентратора потока вынуждены в точке нахождения датчиков Холла изменить на­правление на вертикальное (вне плоскости) и таким образом могут управлять элементами Холла. Поскольку диагонально противопо­ложные элементы могут «видеть» противо­положные направления полей, в каждом случае оценивается разность между двумя противоположными одинаковыми напряже­ниями Холла для регистрации компонента поля. В то же время устраняется влияние любых существующих вертикальных компо­нентов В_z.

Это также возможно путем оценки суммарных сигналов диагонально противоположных эле­ментов для регистрации вертикального компо­нента поля В_z, так как на это ничуть не влияет ферромагнитная пластина, и элементы не те­ряют свою обычную «вне плоскостную» чувстви­тельность из-за его расположения. Поэтому при таком расположении можно зарегистрировать вектор индукции, действующий в месте нахож­дения датчика во всех трех компонентах. В одну пластинку с датчиком можно без значительных затрат встроить электронное устройство, необ­ходимое для оценки сигнала, включая процес­сор цифровых сигналов на базе для вычис­ления арктангенса, и устройство для конечной регулировки датчика (EEPROM).

Для измерения углов до 360° достаточно поворачивать над пластинкой датчика со встроенной оценкой сигнала, как показано на рис. «Измерение углового положения в диапазоне 360° с помощью четверного датчика Холла» , желательно круглый, намагниченный постоянный магнит, расположенный парал­лельно пластинке. Поскольку угол поворота образуется с помощью функции арктан­генса из соотношения двух синусоидальных и косинусоидальных сигналов датчиков, то напряженность магнитного поля, т.е. также старение магнита, его температурная зависи­мость и расстояние до поверхности датчика не играют никакой роли; определяется лишь направление вращения его намагничивания.

Максимальное внутреннее отклонение датчика определяется изготовителем в диа­пазоне 360° при +2°. Однако пользователь может значительно улучшить его при кали­бровке датчика. Точность цифрового вывода тогда составит 10 бит с разрешением 12 бит. Поскольку обработка сигнала процессором занимает определенное время, минимальный период амплитудно-импульсной модуляции для частоты синхронизации 20 МГц соста­вит 200 мкс. Выходом сигнала широтно­импульсной модуляции можно управлять при максимум 1 кГц. Для инициализации датчика требуется 15 мс. Типичное значение для на­пряженности поля при измерении примерно равно 40 мТл. Чип концентратора принимает насыщенное состояние при плотности потока более 0,7 Тл. Датчик можно также запрограм­мировать на любой диапазон измерения ме­нее 360°, что обеспечивает дополнительную функциональную безопасность посредством контроля выхода за границы диапазона.

Этот принцип используется в модулях педали газа.

 Магниторезистивные датчики

В дополнение к трансверсально-направ­ленному эффекту Холла, полупроводниковые пластинки также подвержены эффекту про­дольного сопротивления, также известному как эффект Гаусса. Элементы, использующие этот эффект, называются магниторезисто­рами и изготавли­ваются из полупроводника III-V, кристалли­ческого антимонида индия (InSb). В отличие от датчиков Холла, оптимальная форма пла­стинки для магниторезистора более короткая и толстая и обеспечивает очень маленькое сопротивление. Поэтому для получения технически применимых значений сопро­тивления в килоомном диапазоне необхо­димо последовательно соединять большое количество этих пластинок. Эта проблема элегантно решается путем добавления в полупроводниковый кристалл микроско­пически мелких иголок из антимонида никеля с очень хорошей проводимостью. Они располагаются перпендикулярно направлению тока. Еще одной мерой является применение меандровых техноло­гий для полупроводникового резистора. Зависимость сопротивления от магнитной индукции В следует квадратичной функции до индуктивностей порядка 0,3 Тл, а выше этого уровня она становится все более линей­ной. Верхнего предела в диапазоне управле­ния не существует, и динамическая реакция в технических областях применения, как и в случае с датчиком Холла, может считаться не имеющей задержек.

Поскольку температурная чувствительность имеет ярко выраженный эффект на сопротив­ление магниторезисторов (примерно 50-процентное снижение на 100 К), они обычно бы­вают только в двойной конфигурации в цепях делителей напряжения (дифференциальные магниторезисторы). Для конкретной области применения каждая из двух секций резистора должна быть магнитоуправляемой (по возмож­ности с противоположными полярностями). Несмотря на высокий температурный коэффи­циент отдельных резисторов, цепь делителей напряжения гарантирует хорошую стабиль­ность рабочей точки (точки, в которой обе секции резистора имеют одинаковое значение).

Для достижения хорошей чувствитель­ности измерений лучше всего эксплуатиро­вать магниторезисторы в магнитной рабочей точке между 0,1 и 0,3 Тл. Обычно необходи­мая магнитная основа обеспечивается не­большим постоянным магнитом (рис. «Дифференциальный магниторезистивный датчик» ), эффект которого можно усилить с помощью небольшой магнитной возвратной пластины. Магниторезистор обладает ярко выраженной температурной чувствительностью, так что он используется почти исключительно в инкре­ментных датчиках угла поворота и перемеще­ния или в бинарных датчиках с ограничением значений (с переключающей характеристи­кой). Магниторезистивный инкрементный датчик используется для измерения регули­ровки момента впрыска в топливных насосах высокого давления VE в двигателях с рас­пределенным впрыском дизельного топлива.

Основным преимуществом магниторези­стора является его высокий уровень сигнала, обычно вольтового порядка. Это означает, что не требуются усиление и локальные электрон­ные схемы и связанные с этим меры защиты, которые обычно необходимы. Кроме того, будучи пассивными резистивными компонен­тами, эти датчики очень нечувствительны к электромагнитным помехам и, в результате их высокого напряжения смещения, практически неуязвимы для внешних магнитных полей.

Магниторезистивные NiFe тонкопленочные датчики AMR

Слои NiFe толщиной всего 30-50 нм де­монстрируют электромагнитные анизотропические свойства, т.е. их электрическое сопротивление изменяется под влиянием магнитного поля. Поэтому резистивные структуры этого типа называют анизотропическими магниторезистивными (AMR) эле­ментами или просто AMR-датчиками. Обычно используемый металлический сплав также называют пермаллоем.

Технология и типы

На вытянутой резистивной полоске, как по­казано на рис. «Базовый принцип AMR, структура резистора с поперечными полосками» , а, происходит небольшое, самопроизвольное намагничивание M_s в продольном направлении токопроводящей дорожки даже без внешнего управляющего поля (анизотропия формы).

Чтобы придать этому намагничиванию четко определенное направление — теоретически, оно может быть в другом направлении — AMR-датчики часто снабжаются слабыми смещающими магни­тами. В этом состоянии последовательное сопротивление имеет самое большое значе­ние R.

Если вектор намагничивания пово­рачивается под влиянием дополнительного внешнего поля H_у на угол φ, то последова­тельное сопротивление постепенно умень­шается, пока не примет при φ = 90° мини­мальное значение R. Здесь сопротивление зависит только от угла φ между получаю­щимся намагничиванием M_s и током I; оно имеет примерно косинусоидную характери­стику как функцию от φ:

R = R₀(1+βcosφ),

где:

R= R₀( 1+β) ; R = R₀.

Коэффициент β обозначает максимально возможное изменение сопротивления и при­мерно равен 3%. Если внешнее поле намного сильнее произвольного намагничивания, а это обычно имеет место при использовании управляющих магнитов, то эффективный угол почти полностью будет зависеть от на­правления внешнего поля. Теперь напряжен­ность поля не имеет значения, иными сло­вами, датчик теперь работает в «насыщенном состоянии».

Закорачивающие полоски высокой прово­димости (например, золотые) на AMR-пленке заставляют ток течь под углом менее 45° к произвольному намагничиванию (продоль­ное направление) без воздействия внешнего поля. В результате кривая этого датчика сме­щается на 45° по сравнению с кривой про­стого резистора (рис. Ь, «Базовый принцип AMR, структура резистора с поперечными полосками» ). Это означает, что даже при напряженности внешнего поля H_у = 0 кривая находится в точке максималь­ной чувствительности измерения (в точке возврата). «Нанесение дорожек у двух рези­сторов в противоположных направлениях» означает, что их сопротивления изменяются в противоположных направлениях под воздей­ствием одного и того же поля. Иными сло­вами, когда одно сопротивление растет, дру­гое падает. Кроме того, преимущество AMR-датчиков состоит в том, что будучи тон­копленочными датчиками, они могут регули­роваться, например, путем лазерной под­гонки до заданного значения (например, нулевой точки).

Подложка датчика состоит из слоев ок­сида кремния, в которые, при необходимо­сти, может быть встроена электронная схема обработки сигналов. В настоящее время жесткая экономия диктует необходимость, по большей части, раздельного изготовле­ния пластинки датчика и электронного чипа, и последующего монтажа на общую рамку с внешними выводами и пакетирования. Управляющее магнитное поле В создается, большей частью, магнитом, которому при­дается поступательное или вращательное движение через датчик.

В дополнение к простым двухполюсным AMR-элементам имеются также псевдо­датчики Холла, например, прямоугольные NiFe тонкопленочные структуры, которые, как уже описанные обычные датчики Холла, имеют четыре контакта: два для пути прохождения тока и два поперечных для снятия (псевдо-) напряжения Холла (рис. а, «Псевдо­датчик Холла» ). Но в отличие от обычного датчика Холла псевдо-датчик Холла чувствителен к магнитным полям в плоскости пленки, а не перепендикулярно ее поверхно­сти. Кроме того, псевдодатчик Холла не дает пропорциональной характеристической кри­вой; он имеет синусоидную кривую с очень высокой точностью формы, которая ни в коем случае не зависит от напряженности управляющего поля и температуры. Для поля, парал­лельного пути прохождения тока, выходное напряжение исчезает, чтобы затем описать полупериод синусоиды при повороте поля на угол φ = 90°. Поэтому синусоидальное напря­жение получает амплитуду u_н:

U_н = u_н sin2φ

Если внешнее управляющее поле повернуть один раз на φ = 360°, выходное напряжение пройдет два полных периода синусоиды. Од­нако амплитуда u_н сильно зависит от темпе­ратуры и воздушного зазора между датчиком и управляющим магнитом; она уменьшается с ростом температуры и воздушного зазора.

Чувствительность измерений такого псевдо-элемента Холла можно значительно повысить (без излишнего искажения сину­соидальной формы) путем «опустошения» элемента изнутри так, чтобы осталась только «рамка» (рис. Ь, «Псевдо­датчик Холла» ). Эта модификация пре­вращает псевдодатчик Холла в полный мост, состоящий из четырех AMR-резисторов (рис. с, «Псевдо­датчик Холла» ). Даже когда мостовые резисторы имеют форму меандра, при условии, что данная минимальная ширина проводника не станет меньше, это все равно практически не влияет на синусоидальную форму сигнала.

AMR-датчики линейного и углового перемещения

Простой датчик углового перемещения для диапазонов <30°

AMR-датчики углового перемещения с ограниченной точностью и ограниченным диапазоном измерения (до ±15°) зависят от дисбаланса магниторезистивного делителя напряжения, состоящего из вытянутого (он может быть также в форме меандра) пермаллойного резистора с золотыми поперечными полосками высокой проводимости (рис. » Магниторезистивный датчик углового положения для диапазонов измерения ±15°» ). В таких датчиках именно нулевая точка в значительной степени зависит от расстояния между магнитом и датчиком, а не начало ха­рактеристической кривой, которое все еще зависит от температуры (температурный ко­эффициент примерно равен -3·10^-3/К). Та­кие датчики уже рассматривались в качестве экономичной альтернативы для измерения положения педалей.

Простой датчик линейного перемещения для миллиметрового диапазона

Можно также использовать отдельные диф­ференциальные штырьки с поперечными по­лосками для создания простейших датчиков перемещения с типичным диапазоном изме­рения в несколько миллиметров. Однако для достижения высокого уровня точности требу­ется постоянный зазор между датчиком и движущимися магнитами, что позволяет из­мерять положение s. Температурный коэф­фициент градиента кривой можно легко ком­пенсировать с помощью дополнительного металлического тонкопленочного датчика на той же подложке, дающего примерно тот же температурный коэффициент, только с об­ратной полярностью (например, Pt, Ti, Ni).

Датчик угла поворота в пределах до 180°

Магниторезистивные псевдодатчики Холла для измерения угла поворота используют практически на 100% синусоидальный сиг­нал, снимаемый с выходных контактов че­тырехконтактной структуры, при этом два полных периода электрического выход­ного сигнала соответствуют механическому вращению магнитов на 360°. С помощью второго элемента, повернутого на 45°, созда­ется также косинусоидальный сигнал (рис. «Магниторезистивный датчик углового положения» ). Применив функцию арктангенса, можно через соотношение двух напряжений сигнала опре­делить угол измерения с помощью микрокон­троллера или специализированной интеграль­ной схемы ASIC (см. рис. » Технически используемая полномостовая форма псевдодатчика Холла» ). Это применимо в диапазоне 180° и большей частью не зависит от изменений температуры и колебаний маг­нитных полей (зазоров, старения).

Еще одним условием высокой точности этого датчика является как минимум со­впадение направления поля в обоих мостах (сверх заданной величины напряженность поля роли не играет). Это может быть гаран­тировано только в случае, когда оба моста находятся непосредственно один над дру­гим. Была разработана конструкция, где два моста, расположенные под углом 45° друг к другу, были переплетены так, как будто бы они находились в одной точке и «друг на друге» (рис. «Переплетенная конструкция из двух мостов AMR, повернутых на 45°»).

Датчик угла поворота в пределах до 360°

Для таких областей применения, как, напри­мер, измерение угла поворота рулевого ко­леса, (например, LWS4, рис. «AMR-датчик углового положения LWS4, смонтированный на конце управляемой оси» ), изображен­ный на рис. «Измерение углового положения в диапазоне 360° с помощью четверного датчика Холла» датчик углового положения можно расширить до диапазона 360°. С по­мощью дополнительного вспомогательного поля В_H, электромагнитно создаваемого через токопроводящие дорожки (под AMR- пластинкой) можно определить, в какой половине полного оборота находится управ­ляющий магнит — в первой или во второй. Датчик можно установить только на конце какого-либо вращающегося вала. Таким об­разом, его можно установить, к примеру, на конце рулевого вала для измерения угла по­ворота рулевого колеса в системах, работаю­щих без определения нескольких оборотов.

Датчик углового положения в диапазоне бо­лее 360° (определение нескольких оборотов)

Для измерения количества оборотов вра­щающейся детали (например, рулевого вала) можно использовать конфигурацию из двух псевдодатчиков Холла (под углом 180°). Два соответствующих постоянных магнита вращаются через редуктор с боль­шим передаточным отношением (рис. «AMR-датчик углов поворота шестерен рулевого вала» ). Поскольку две малые выходные шестерни, на которых закреплены управляющие маг­ниты, отличаются на один зуб (количество зубьев m и т+1), то их взаимный фазовый угол (разность углов поворота: Ψ—Θ) яв­ляется мерой абсолютного углового поло­жения φ рулевого вала. Система конструиру­ется таким образом, что эта фазовая разность не превышает 360° для четырех оборотов рулевого вала, что гарантирует четкость измерения. Учитывая, что каждый датчик также предлагает индетерминантную (неопределимую) разрешающую способ­ность угла поворота, при таком расположе­нии для полного диапазона угла поворота рулевого вала можно получить более высо­кое разрешение, например, менее 1°.