Kādas ir atšķirības starp Hallas efekta ātruma sensoriem un magnetoelektriskajiem ātruma sensoriem? To priekšrocību un trūkumu salīdzinājums.

Ātruma sensori ir automobiļu elektroniskās sistēmas galvenā daļa, kuras galvenais uzdevums ir pārveidot mehānisko kustību elektriskajā signālā. Hallas efekta sensors un magnetoelektriskie sensori kā divas galvenās tehniskās metodes uzrāda būtiskas atšķirības principā, veiktspējā un pielietojuma scenārijos. Šajā rakstā ir padziļināti salīdzināts tehniskais princips, ražas raksturlielumi, pielāgojamība videi, izmaksu struktūra un tipiskais pielietojums, kā arī sniegtas tehniskās izvēles vadlīnijas inženierpraksei.

1.1. Magnetoelektriskie sensori: mehāniskā enerģijas pārveidošana, pamatojoties uz elektromagnētisko indukciju
Magnetoelektriskie sensori darbojas ar elektromagnētisko indukciju. Tā pamatstruktūru veido pastāvīgie magnēti, spoles un kustīgas sastāvdaļas, piemēram, ātruma pārnesumi. Kad zobrats griežas, mainīgais zobs un gaisa spraugas izraisīs periodiskas izmaiņas magnētiskās ķēdes pretestībā, kas izraisīs dinamiskas spoles plūsmas izmaiņas. Saskaņā ar Faradeja elektromagnētiskās indukcijas likumu spolē radītais inducētais elektromotora spēks ir proporcionāls plūsmas izmaiņu ātrumam, kas matemātiski izteikts šādi:

e=-N (dt/dΦ​)
kur e ir inducētais elektromotora spēks, N ir spoles apgriezienu skaits un Φ ir magnētiskā plūsma. Šis princips nosaka, ka magnetoelektriskajiem sensoriem ir jāpaļaujas uz relatīvo kustību starp kustīgām sastāvdaļām un magnētisko lauku, izejas signāla amplitūdai jābūt proporcionālai rotācijas ātrumam.
1.2. Hall efekta sensors: magnētiskā lauka modulācijas tehnoloģija, kuras pamatā ir Hola efekts
Hallas efekta sensors pusvadītāju materiālos izmanto Hola efektu, lai panāktu signāla pārveidošanu. Kad strāva iet caur Hola elementu, kas novietots magnētiskajā laukā, lādiņnesēji tiek pakļauti Lorenca spēkam, kas to novirza un rada elementa potenciālu starpību, kas ir proporcionāla magnētiskā lauka stiprumam un strāvai (Hall spriegums):

VH​=KHI​IB​/d
kur VH ir Hola spriegums, KH ir Hola koeficients, I ir vadības strāva, B ir magnētiskā lauka stiprums un d ir elementa biezums. Praktiskā pielietojumā, uzstādot sprūda riteni (ar zobiem vai iegriezumiem) uz rotējošām detaļām, magnētiskā lauka stiprums periodiski mainās, griežoties sprūda ratam, tādējādi pārvēršot mehānisko kustību impulsa elektriskos signālos.

2.1 Magnetoelektriskie sensori: Analogo signālu dinamiskās reakcijas raksturlielumi
Magnetoelektriskie sensori rada nepārtrauktus analogos signālus ar viļņu formu, kas līdzīga sinusoidālajiem viļņiem pie maiņstrāvas sprieguma. Signāla amplitūda ir proporcionāla ātrumam. Piemēram, lietojumprogrammā 60-zobu ātruma-mērīšanas ierīce, izejas amplitūda var būt lielāka par 200 mV pie 50 apgr./min. Šī funkcija dod tai priekšrocības ātrgaitas mērīšanas scenārijos, taču tai ir arī šādi ierobežojumi:

• Zema ātruma veiktspēja: ja ātrums ir mazāks par 10 apgr./min, signāla signāla amplitūda strauji samazinās, izraisot SNR samazināšanos.
• Vāja pret{0}}traucējumu spēja: analogie signāli ir jutīgi pret elektromagnētiskiem traucējumiem, un tiem ir nepieciešama papildu filtru shēma.
• Nelineāras kļūdas: Lielā ātrumā magnētiskās ķēdes zudumu palielināšanās noved pie izejas emf piesātinājuma, kas izraisa nelineārus kropļojumus.

2.2. Hallas efekta sensori: precīzas kontroles digitālo signālu priekšrocības

Hall efekta sensora izeja ir regulārs kvadrātveida impulsa signāls, kura darba cikls un frekvences linearitāte ir saistīta ar ātrumu. Piemēram, HL900G sērijas reakcijas laiks ir 1,2 mikrosekundes un fāzes aizkaves kļūda ir mazāka par 0,05 grādiem. mērījumu precizitāte saglabājās labāka par 0,1% diapazonā no 0 līdz 15 000 apgr./min. Digitālo signālu īpašībām ir šādas priekšrocības:

• Augsta iesprūšanas pretestība: līdz 50 kV / m pārejošus elektromagnētiskos traucējumus var uzturēt, izmantojot elektromagnētiskos ekranēšanas pārklājumus un dubulto šķipsnu izvadi.
• Lieliska veiktspēja zemā{0}}ātrumā: stabila izvade pat pie ātruma 0,1 r/min.
• Vienkārša signāla apstrāde: nav nepieciešamas sarežģītas signāla kondicionēšanas shēmas, var saskarties tieši ar mikrokontrolleri.

3.1. Magnetoelektriskie sensori: izdzīvotāji skarbos apstākļos
Magnetoelektriskie sensori ir izstrādāti tā, lai tie labi darbotos ekstremālās vidēs bez ārēja barošanas avota:
Temperatūras pielāgošana: tie var darboties diapazonā no -40 grādiem līdz 120 grādiem, dažiem modeļiem sasniedzot 200 grādus.

• Izturība pret piesārņojumu: tie ir nejutīgi pret eļļu un putekļiem, tāpēc tie ir piemēroti skarbām vidēm, piemēram, motora nodalījumiem.
• Mehāniskā izturība: var izturēt vibrācijas un triecienu līmeni līdz 20 g, saskaņā ar ISO 16750-3.

Tomēr šai tehnoloģijai ir šādi trūkumi:

• Gaisa spraugas jutība: sprauga starp sensora galu un ātruma pārnesumu ir stingri jākontrolē 0,25–1,2 mm robežās. Atstarpes novirze, kas lielāka par 0,5 mm, izraisa signāla vājināšanos.
• Materiālu ierobežojumi: ātruma pārvadam jābūt izgatavotam no magnētiski vadošiem materiāliem, piemēram, elektrotērauda, ​​ierobežojot nemetālisku materiālu izmantošanu.

3.2. Hall efekta sensori: precīzas ražošanas piemērs
Pilna{0}}efekta sensors panāk izrāvienu attiecībā uz pielāgošanos videi, izmantojot integrētu dizainu:

• Plaša temperatūras diapazona darbība: izmantojot neodīma dzelzs bora magnētus un gallija arsenīda Hall mikroshēmas, tie uztur izejas svārstības, kas ir mazākas par 1% temperatūras diapazonā no -40 līdz 150 grādiem.
• Mērījums bez kontakta: tie saglabā 0,5–2 mm atstarpi starp izmērītajiem komponentiem, novēršot mehāniskā nodiluma risku.

Elektromagnētiskā saderība: izejas svārstības tiek kontrolētas ± 0,5% robežās, izmantojot GB/T 17626 standarta pārbaudi.
Tomēr šī tehnika prasa salīdzinoši augstu uzstādīšanas precizitāti:

• Sprūda riteņa kvalitāte: Sprūda riteņa saplīsuši vai deformēti zobi var izraisīt neparastus signālus, un sprūda riteņa integritāte ir regulāri jāpārbauda.
• Magnētu atmagnetizācijas risks: ilgstoša pakļaušana augstām temperatūrām var izraisīt pastāvīgo magnētu magnētisma zudumu un izmantot augstas koercitīvas materiālus.

4.1. Magnetoelektriskie sensori: zemu-izmaksu risinājumi
Magnetoelektriskajiem sensoriem ir vienkārša struktūra un izmaksu priekšrocības:

• Materiālu izmaksas: tiek izmantotas vara spoles un ferīta magnēti, un vienības izmaksas ir mazākas par 5 USD.
• Ražošanas process: nav nepieciešams pusvadītāju iepakošanas process, piemērots masveida ražošanai.
• Uzturēšanas izmaksas: tā pasīvā konstrukcija neprasa regulāru akumulatoru nomaiņu, un tā var kalpot 10 vai vairāk gadus.

Tomēr šim risinājumam ir slēptās izmaksas:

• Signāla apstrādes izmaksas: ir nepieciešamas papildu pastiprinātāja un filtru shēmas, kas palielina sistēmas sarežģītību.
• Uzstādīšanas un atkļūdošanas izmaksas: augstām prasībām attiecībā uz gaisa spraugu un zobratu savienojuma precizitāti ir nepieciešami specializēti kalibrēšanas rīki.

4.2. Hallas efekta sensori: augstas precizitātes ROI
Pilnīgi{0}}efektu sensoru veiktspējas uzlabojumi, pateicoties integrētam dizainam, taču palielinās izmaksas:

• Komponentu izmaksas: tie izmanto gallija arsenīda Hall mikroshēmas un neodīma dzelzs bora magnētus, un tie maksā apmēram 15 līdz 20 USD par vienību.
• Ražošanas process: nepieciešama pusvadītāju iepakošana un elektromagnētiskā ekranēšana, kas apgrūtina apstrādi.
• Sistēmas izmaksas: lai gan digitālā signāla apstrāde var vienkāršot perifērijas shēmas, tām ir jāievieš atbilstoši mikrokontrolleri.

Risinājumam ir izmaksu priekšrocības salīdzinājumā ar ilgstošu{0}}lietojumu:

• Apkopes izmaksas: to bezkontakta{0}}konstrukcija novērš mehānisku nolietojumu un pagarina apkopes ciklu līdz 5 gadiem vai ilgāk.
• Precizitātes priekšrocības: augstas precizitātes mērījumi var optimizēt dzinēja vadības stratēģiju un samazināt degvielas patēriņu par 2-5%.

5.1. Lietošanas scenāriji

• Tradicionālie spidometri: tie izmanto analogos signālus, lai tieši vadītu mehāniskos spidometrus, piedāvājot zemas izmaksas.
• Rūpniecisko vibrāciju uzraudzība: izmanto, lai uzraudzītu lielu motoru, kompresoru un citu iekārtu vibrācijas frekvences.
• Zemu izmaksu rotācijas ātruma mērīšana: piemērota lauksaimniecības tehnikai un celtniecības tehnikai, kurai nav nepieciešama augsta precizitāte.

5.2. Hallas efekta sensora pielietojuma scenārijs
Automobiļu elektroniskās sistēmas:

• ABS bremžu sistēmas: tās reāllaikā uzrauga riteņu ātrumu, panākot ± 1% bremzēšanas spēka sadalījuma precizitāti.
• Dzinēja vadība: tie nosaka kloķvārpstas pozīcijas + -0.5 kloķvārpstas leņķī, lai optimizētu aizdedzes laiku.
• Automātiskā pārnesumkārba: tās nosaka ātruma atšķirības starp ieejas un izejas vārpstām, lai sasniegtu milisekundes pārslēgšanās reakciju.

Jaunās enerģijas jomā:

• Elektriskā transportlīdzekļa motora vadība: mērīts 0-2000 apgr./min, reakcijas laiks Mazāks vai vienāds ar 50 μs.
• Vēja turbīnu bitumena sistēmas: tās nosaka slīpuma leņķus ar precizitāti + -0.1 grādu un uzrāda izcilus anti-elektromagnētiskos traucējumus.

Pieaugot automašīnu elektrifikācijas pakāpei, arvien vairāk tiek integrētas divu veidu tehnoloģiskās metodes:

• Inteliģentie magnetoelektriskie sensori: digitālo izvadi, piemēram, Bosch viedos magnetoelektriskos ātruma sensorus, var iegūt, integrējot signāla kondicionēšanas mikroshēmas, lai uzlabotu pret{0}}traucēšanas spējas, vienlaikus saglabājot pasīvās darbības priekšrocības.
• Hallas-efektu sensoru miniaturizācija: MEMS procesi, ko izmanto, lai ražotu miniatūras Halla sastāvdaļas, kuru izmērus var samazināt līdz 3 mm x 3 mm, lai tie atbilstu automobiļu elektronikas vajadzībām.
• Multi-Sensor Fusion: apvienojumā ar Hola efekta riteņu ātruma sensoru un magneto-elektrisko vibrācijas sensoru datiem var visaptveroši uzraudzīt transportlīdzekļa stāvokli.

Hall efekta sensoram un magnetoelektriskajiem sensoriem ir savas tehniskās priekšrocības un pielietojuma robežas:

Lietojumprogrammas scenārijā atlasiet Magnetoelektriskie sensori, ja ir izpildīti šādi nosacījumi:

• Izmaksu{0}}jutīgi projekti

Ekstrēma karstuma/vibrācijas vide
Nemetālisko sastāvdaļu rotācijas ātruma mērīšana-

• Lietojumprogrammas scenārijā Hall efekta sensors tiek atlasīts, ja ir izpildīti šādi nosacījumi:

Augstas precizitātes mērījumu prasības (kļūda < 0,5%)

Sarežģīta elektromagnētiskā vide

sistēmas, kurām nepieciešama tieša digitālo signālu apstrāde.

Nākotnē līdz ar sasniegumiem materiālu zinātnē un mikroelektronikā šīs divas tehnoloģiskās pieejas turpinās virzīt fiziskās robežas un spēlēs galveno lomu elektrisko un viedo automašīnu vilnī. Inženierpraksē ir pilnībā jāizvērtē konkrēta pielietojuma scenārija veiktspējas prasības, izmaksu ierobežojumi un vides apstākļi, lai panāktu optimālāko atbilstību tehniskajam risinājumam.