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1、第15章 电流传感器、磨损检测用传感器、角速度检测用传感器、载荷检测传感器,15.1 汽车用电流传感器与霍尔元件15.2 磨损检测传感器15.3 角速度检测用传感器15.4 横摆角速度检测用传感器15.5 载荷检测传感器压电型载荷传感器,15.1 汽车用电流传感器与霍尔元件,15.1.1前言 环境问题已成为世界性的课题，在汽车行业中，对所有汽车厂来说，最大的课题就是如何在不降低汽车安全、舒适的条件下，来推行降低油耗和减少气体排放。作为引人注目的解决方法是，采用由发动机与电动机构成的混合动力车(HFV)、电动汽车(PEV)，进而采用燃料电池车(FCEV)等动力源的变革，以及采用电动助力转向、电动
2、制动器等各种控制，电动与电子控制带来了小型与轻量化的变革。,下一页,返回,15.1 汽车用电流传感器与霍尔元件,但是在采用这些新技术时，不可避免的是伴随着汽车电器设备的增多而造成耗电的增加。因此，对各系统的电流总是采取监测的办法进行高效率的控制，并尽量降低蓄电池的负荷。电流传感器就可以起到监测各系统的过电流，检测各电动机的驱动电流，以及检测蓄电允放电的作用。可以说，电流传感器是防止浪费用电的关键部件。本节下面就对工作温度范围宽、小型而且高精度的汽车用电流传感器和电流传感器中的霍尔元件加以介绍。,上一页,下一页,返回,15.1 汽车用电流传感器与霍尔元件,15.1.2电流传感器的种类与特点 电流
3、传感器可以大致按是否使用霍尔元件加以分类。在使用霍尔元件的传感器上，传感器与电流、电路可以是绝缘的，由此可以检测出直流、交流或者叠加在直流上的交流等多种电流电平。一般来说，磁场比例式电流传感器的部件数量比较少、小型、成本较低，所以民用产业设备上采用的比较多，但是，在汽车的宽工作范围下使用时，由于霍尔元件的偏置电压(被测电流在10A时产生的误差电压)与输出温度的电压漂移，所以电流传感器的特性可能会出现误差。,上一页,下一页,返回,15.1 汽车用电流传感器与霍尔元件,为了降低这一误差，改进霍尔元件自身的温度特性，与配用最佳的温度补偿电路是必不可少的。与此相比，磁场平衡式电流传感器的霍尔元件的电特
4、性及磁芯的磁特性基本上不会受到影响，此外，因为是电流输出，所以传输线路上难以受到外界的干扰。因此，在精度需要非常高的系统上采用得比较多。但正因为是电流输出，所以传感器自身所消耗的电力与被测电流成正比，即比较大，同时，磁芯上还必须绕线，这样一来，难以实现小型与轻量化。此外，令人担心的是在传感器下落与受到冲击时绕组有可能开路。,上一页,下一页,返回,15.1 汽车用电流传感器与霍尔元件,综上所述，各种电流传感器都各有所长、各有所短，所以作为汽车系统来讲，系统的开发人员在选择电流传感器的时候处于一种有些烦恼的状态。如上所述，汽车用电流传感器无论哪种方式，按普通的规格来说都难以满足汽车的要求，因此，有
5、的厂家按下述项目开发了汽车用电流传感器。,上一页,下一页,返回,15.1 汽车用电流传感器与霍尔元件,15.1.3新型用电流传感器的概念(1)非接触式电流传感器。(2)在外界干扰时仍可稳定地工作。(3)小型、低成本、低耗电。,上一页,下一页,返回,15.1 汽车用电流传感器与霍尔元件,15.1.4霍尔元件 在电流传感器上，霍尔元件是将电路周围所产生的磁场强度变换成电信号的元件，它是传感器的主要部件之一。根据所用的半导体，霍尔元件可以分为三种:GaAs、InSb、InAs，汽车用电流传感器工作温度范围宽，精度也非常重要，所以主要采用输出电压的温度变化比较小，线性也比较好的GaAs型。,上一页,下
6、一页,返回,15.1 汽车用电流传感器与霍尔元件,霍尔元件一般采用输入、输出端子呈十字形的结构，如图15一1所示。在电压(电流)加到输入端子间的场合下，再对图形加上垂直方向的磁场时，输入、输出端子之间就会产生电压。在没有磁场时，理想元件的输出端子之间所产生的电压为零，但是，由于电极部位的欧姆接触，即产生保护膜的杂散性等所引起的输出端之间会形成误差电压。众所周知，此电压随元件的温度而变化。在电流传感器上，此误差电压就是输出误差，所以在高精度的电流传感器上，采用霍尔元件的场合下，才需要选用误差电压非常小的霍尔元件，或者需要用电路来补偿误差电压。,上一页,下一页,返回,15.1 汽车用电流传感器与霍
7、尔元件,在分析误差电压与温度变化的不规则原因时，已经确认到:注塑树脂加在霍尔元件的感磁面上时，应力的影响很大。因此，现在有些公司生产的霍尔元件使用无机绝缘膜和有机保护层保护感磁面。但下一步是增加保护膜后，如何消除加在感磁面上的应力的影响。由此可知，在60一150的温度范围内，误差电压随温度是成正比例变化的。因此，利用电路进行温度补偿就变得简单多了。,上一页,下一页,返回,15.1 汽车用电流传感器与霍尔元件,此外，相对于常温下的误差电压值，此误差电压的温度变化量是有一定规律的。前面用于电流传感器上的霍尔元件是单独检测其温度特性的，在使用时仅选用误差变化较小的元件，但是本节所介绍的霍尔元件根据常
8、温下的误差电压值可以推测出温度变化量，由此可以调整电流传感器上，温度补偿电量的补偿量，所以可以使用不经分选的霍尔元件，这样就可以大幅度地降低成本。,上一页,下一页,返回,15.1 汽车用电流传感器与霍尔元件,15.1.5磁路的构成 电流传感器上的磁(磁芯)是用环状磁芯加以集磁，集合由被测电流产生磁场，再有效地供给布置在其气隙部分的霍尔元件，环状磁芯起着一种管路的作用，其性能主要取决于磁性材料的特性与气隙的形状。此外，它是电流传感器上最大的一个部件，因此，它是决定传感器大小的重要因素。因而，在设计汽车用电流传感器的磁路时，着眼于以下几个项目。(1)磁滞损耗最小。(2)具有抗干扰(温度，电磁波)的
9、稳定性。(3)通过形状的最佳化来实现小型化。,上一页,下一页,返回,15.1 汽车用电流传感器与霍尔元件,在磁性材料的磁化曲线上，磁感应强度B与磁场强度H成直线变化，剩余磁感应强度Br=0,不会伴有磁滞现象的材料是最理想的，但一般来说在加上交流磁场的场合下，都会呈现图15一2所示的磁滞线。在这个线上，与y轴横切的点为剩余磁感应强度Br，在电流传感器上，它将是误差电压与输出波形失真的原因，因此，必须选择矫顽磁力Hc小的材料，以保证其剩余磁感应强度Br最小，此外在环状磁芯上，要设置插入霍尔元件用的气隙，这是对磁路构成有较大影响的主要原因，因此，需要选择磁性材料线性良好的工作范围内，使气隙宽度横截面
10、积、剖面形状最佳化，以便确保磁场气隙磁路的磁通分布的稳定性。,上一页,下一页,返回,15.1 汽车用电流传感器与霍尔元件,为了降低传感器的磁芯材料的矫顽磁力，与铁氧体等相比，必须选用工作温度范围内磁化特性稳定，受外部影响较小的铁镍合金。其结构为薄片叠层式，由此可以确保霍尔元件具有可允分激磁的截面积，同时还可以减轻测试磁场之外的外部磁场的影响。此外，在设计实际的环状集磁磁芯形状时，被测导电体限定为带袋状汇流条，根据测定的电流值与磁性材料进行磁场模拟，设计气隙宽度、截面积等，而且要兼顾磁场效率与形状的小型与轻量化。本节介绍的传感器的气隙部位环状磁芯的磁特性如图15一3所示。,上一页,下一页,返回,
11、15.1 汽车用电流传感器与霍尔元件,15.1.6电路的构成 在设计电流传感器的电路时，尤其是在车用这一环境下，所以需要考虑以下各项。(1)应为单一电源，而且低电压下可以稳定工作(2)应极力减小电力的消耗，减轻传感器工作时加到蓄电池上的负荷。(3)相对宽温度范围，特性应当稳定。(4)应采用尽可能简单的工作方式以降低成本;在减小底板面积的同时，应很方便地检测出内部器件，特别是霍尔元件的故障。(5)考虑到所有干扰环境，在接收传感器输出时，应为适于电容性负荷的输出形式。即使用户使用LC滤波器等场合下，特性也不会发生变化。,上一页,下一页,返回,15.1 汽车用电流传感器与霍尔元件,符合上述条件、新开
12、发成功的内装补偿电路的磁比例式电流传感器的电路的略图如图15一4所示。这种电路有如下几个特点。在车用A/D变换器(基准电压一般为+5V)的单电源下应能工作，而且，即使电源电压发生变化，则通过增益、误差电压都随其变化，就可以极力缩小A/D变换后的误差。温度所引起的霍尔元件的输出阻抗的变化对传感器的影响很小，此外，通过采用差动放大电路大幅度地降低电路的耗电(RL=10k时，所消耗的电力约为60mW)，进一步在最末级采用阴/源极电流为80mA的放大器，由此可以打一大信号接收一侧的输入阻抗及电容性负荷的选择方法，对外部干扰的耐环境能力特别强，而且传感器的输出电压范围为+0.54.5 V时，仅用+5V单
13、电源驱动，同时实现了宽范围的输出。,上一页,下一页,返回,15.1 汽车用电流传感器与霍尔元件,在设定驱动电流值时，为了极力抑制驱动霍尔元件时的内部温升，改善不同温度下匡非线性霍尔元件的增益特性，有些公司独自开发了非线性增益温度补偿电路，进而采用输入阴抗随温度变化的霍尔元件的补偿方式，以实现偏置电压的温度补偿，由此可以大幅度地改善碳比例式电流传感器的温度漂移，与传统产品相比，增益漂移可以改善30%，误差电压漂移可以降低到老式产品的十分之一。,上一页,下一页,返回,15.1 汽车用电流传感器与霍尔元件,即使在某些原因使霍尔元件发生故障的场合下，通过利用偏置电压温度补偿的霍尔元件的输入电阻的变化，
14、造成传感器的输出电压处于额定输出电压(+0.54.5V)范围之外，这样能很方便地检测出故障。如上所述，很重要的是无论从能量的角度还是从物理学的角度，汽车用电流传感器在苛刻的条件下能够稳定地工作，是因为传感器为轻负荷。作为检测电流的方法，上面介绍的是应用霍尔元件的方法，除了并联电阻法之外，除了采用了霍尔元件的磁电变换元件之外，还有利用其他元件的MR,MI等与光的折射等许多方法。,上一页,返回,15.2 磨损检测传感器,当检测部位的磨损超过规定限度时，检测部位就要开始使传感器本身磨损或者与传感器相接触，通过这样的办法使传感器发出报警信号。磨损检测传感器可用于检测汽车制动器摩擦片的磨损情况。安装在制
15、动器摩擦片上的传感器状态如图15一5所示。摩擦片传感器U字形的顶端就处在制动器摩擦块的磨损限度位置上，当摩擦片磨损到规定限度时，U字形部分被磨断，电路断开，这一异常信号送到计算机中。磨损检测用传感器在盘式制动器摩擦片内的安装状况如图15一6所示。,返回,15.3 角速度检测用传感器,15.3.1振动型角速度传感器 这是一种检测车身转圈、转弯时的旋转角度用传感器，在最新的行驶系统中，它是不可缺少的传感器。使振动着的金属柱再旋转时，按其旋转速度的大小会产生哥氏力，本节介绍的传感器就是检测哥氏力的振动型角速度传感器，传感器的工作原理如图15一7所示。在振动型角速度传感器上，作为振子的四方体的相邻两面
16、上，粘接有兼起驱动和检测作用的压电元件，当电压加到压电元件上时，就会使振子振动，当将旋转又加到振动着的金属柱上时，按其转速就会产生哥氏力。,下一页,返回,15.3 角速度检测用传感器,所谓哥氏力就是指旋转坐标内具有速度的物体所受到的力，力的方向既与旋转轴垂直、也与物体的速度方向垂直、力的大小与物体的速度与系统的转速成正比。当检测出通过压电元件的电流时，也可以检测出包含振动成分和哥氏成分的输出信号，测取相邻两面压电元件输出信号之差，测出的就只是哥氏力信号，将此信号变换成电压信号，就可以得到与旋转角速度大小相应的输出信号。,上一页,下一页,返回,15.3 角速度检测用传感器,图15一8是采用了角速
17、度传感器的三菱“华丽”牌车主动稳定控制系统(ASC)的部件构成图。ASC系统的构成见图15一9所示。ASC的工作状况举例如图15一10所示。,上一页,下一页,返回,15.3 角速度检测用传感器,15.3.2音叉型角速度传感器 音叉型角速度传感器的作用是检测车辆垂直轴周围的旋转角速度。在车辆稳定控制系统(VSC系统)中它是不可缺少的重要因素之一。VSC系统的构成见图15一11所示，音叉型角速度传感器的结构如图15一12所示。,上一页,下一页,返回,15.3 角速度检测用传感器,传感器本体为音叉型，各振子由振动部分和检测部分构成，两者方向上差90，但制成为一个整体。音叉上粘接有压电陶瓷片(PTZ)
18、，当电压加到各振子上时，PTZ就会产生应变，反之，使之产生变形时就会产生电压。利用PTZ可以测出振动与旋转引起的振子变形。在振子部位加上交流电时就会产生振动，由此，在振子周围形成哥氏力，根据哥氏力引起压电陶瓷的变形量与方向就可以测出角速度。,上一页,下一页,返回,15.3 角速度检测用传感器,传感器本体的激振与信号处理采用了专用的IC块，不但体积小、精度高，而且可靠性也得到提高。在运算与得出车身的滑移角度时，因为要把角速度值对时间积分，在传感器测出的角速度值包含误差时，其误差也对时间积分，所以逐渐变大。因此，本节所述传感器对角速度的检测精度就像测试仪器一样。,上一页,下一页,返回,15.3 角
19、速度检测用传感器,当将交流电压加到振子的激振PTZ上时，检测PZT也总是在左右方向(V方向)上振动，在这种状态下车辆转弯时，在哥氏力的作用下，在与激振方向垂直的方向上(F方向)有力作用到检测PZT上，因此检测PZT输出交流电压信号，此电压信号再经放大，与激振波形一起进入同步检波电路，检测出旋转方向与量的大小，再经整形电路后，作为角速度传感器的线性信号输出。,上一页,下一页,返回,15.3 角速度检测用传感器,振子选定为音叉型的理由是:因为两个振子是反向运动的，所以产生哥氏力的方向也相反，由此车辆前后、左右方向加速度所形成的挠曲变形可以互相抵消，因此就可以从检测PZT上仅输出角速度信号 此外，本
20、节介绍的传感器内设有自我诊断电路，具有检测传感器自身有否异常的功能，其目的是提高VSC系统的可靠性，因此，这种传感器也是一种智能传感器。,上一页,返回,15.4 横摆角速度检测用传感器,15.4.1前言(1)背景。由于美国法规的规定以及欧洲旧本安全意识的高涨，从1996年起，安全气囊已成为车辆的标准设备，但是包括美国在内、在欧洲因车辆横摆时乘员被压在下面而死亡的事故频发，特别是在美国有的车型、撞车死亡事故中有50%是因侧倾而引起的;在欧洲汽车事故中也有30%的人是因侧倾死亡。在这种背景下，就要求在现在的安全系统上，追加车辆横摆时可以保护乘员的功能。,下一页,返回,15.4 横摆角速度检测用传感
21、器,(2)系统的构成。利用设置在车厢内前方中央部位的安全气囊ECU内部的G传感器检测前碰撞使安全气囊动作。在此基础上，如果追加横摆检测功能的话，就要在ECU内设置检测前碰撞用的G传感器和检测横摆用的传感器(R/O传感器)，利用包括安全气囊在内的辅助保护装置工作保护乘员，目的是追求更安全的系统。,上一页,下一页,返回,15.4 横摆角速度检测用传感器,为了实现上述目的，就需要在不影响目前使用的安全气囊ECU的尺寸、成本的条件下，另增加小型、低价的R/O传感器，有些公司则利用在开发全球卫星定位系统时所用的角速度传感器技术，实现了小型、低价格、高可靠性的R/O传感器。,上一页,下一页,返回,15.4
22、 横摆角速度检测用传感器,15.4.2开发目的 开发R/O传感器目的在于改善角速度传感器在安全气囊ECU的装车特性和车辆的应用特性，为实现这一目标，R/O传感器要达到以下要求。按可以安装在安全气囊ECU内的尺寸制造 应具有高可靠性，可以保证正常工作巧年。车辆的振动不会影响信号的输出(此点在传感器的特性规格中称为耐振动特性)。低价格。,上一页,下一页,返回,15.4 横摆角速度检测用传感器,为了实现这些要求，生产厂家既对制造材料进行了开发，也对元件进行了开发。一般将角速度传感器称为陀螺测试仪。陀螺测试仪的用途是非常广的，在高精度、高价的飞机上用于惯性航行，在低精度、低价的VTR上用于防止手的触碰
23、，本文所述的角速度传感器用于控制车辆的姿势，考虑到尺寸、价格的平衡性，所以开发目标是开发具有全球定位程度的精度、且低价的传感器，这种R/O传感器的目标规格见表15-1。,上一页,下一页,返回,15.4 横摆角速度检测用传感器,15.4.3传感器采用的新技术 15.4.3.1基本构成(1)系统。一般认为，R/O是以图15-13所示的方框图实现检测功能的。(2)传感器。R/O传感器的方框图如图15-14所示，它是由四个要素构成的。,上一页,下一页,返回,15.4 横摆角速度检测用传感器,15.4.3.2传感元件的开发(1)对传感元件的要求。R/O传感器的性能是由其基本要素将哥氏力变换成电信号的检测
24、元件所决定的，因此，从车辆特有的环境出发，对检测元件有下列要求。宽温度范围。缓和振动引起的其他轴向的灵敏度(耐振性)。高灵敏度、高输出。耐冲击性，即传感器对碰撞时的强烈冲击具有足够的强度。工作区域。,上一页,下一页,返回,15.4 横摆角速度检测用传感器,(2)将角速度变换为电信号的变换机构的开发。(3)采用压电单晶体的音叉型振动子的优点。关于元件的选定。关于音叉的加工。关于电极的布置。(4)对上述各点分别加以详细的说明。(5)关于缓冲结构的开发。(6)结构。,上一页,下一页,返回,15.4 横摆角速度检测用传感器,15.4.4特性测定 15.4.4.1测定系统的概况 为了评价R/O传感器的性
25、能和品质，就要求测定时也要采用高精度的装置，在测定R/O传感器特性时，尤其是测定角速度检测性能时，更需要高精度的测定装置，其测定装置如图15一15所示。,上一页,下一页,返回,15.4 横摆角速度检测用传感器,测定时，利用夹具将传感器固定在旋转板上，再利用伺服电动机使旋转板以一定的速度旋转，通过滑环测定传感器的信号，再利用同步示波器来测试。评价温度特性用恒温槽与外界是隔离且密封的，目的是防止结露。,上一页,下一页,返回,15.4 横摆角速度检测用传感器,性能评价 与其他用途的角速度传感器不同的是，R/O传感器对于车辆特有的振动、冲击应具有优秀的性能，因此，在评价共振对传感器的性能影响时，必须确
26、保其可靠性。因此，作为R/O传感器的性能评价设备，可以采用安全气囊所用的下述评价设备。振动实验台确认传感器的交调失真特性。冲击实验台在过大加速度领域内评价其特性。通过这两个评价系统与上述的特性评价设备一起，总共是3套评价设备，就可以测定R/O传感器的特性。,上一页,下一页,返回,15.4 横摆角速度检测用传感器,15.4.5规格与性能 对R/O传感器的典型特性的要求如表15一2及图15一16所示。在评价表15一3所述的可靠性时，这些特性大致都应为稳定的性能，同时对R/O传感器所要求的可靠性也应得到满足。概括起来，本节所述的传感器具有以下一些特征。在回路常数变化的情况下，将以宽范围的规格对应(灵
27、敏度600300deg/s)。通过元件的小型化，实现高响应性。对于电源的变化，采用比例测量法加以对应。由于耐交调失真特性高，所以在ECU上的固定方法不受限制。,上一页,返回,15.5 载荷检测传感器压电型载荷传感器,压电元件就是压电陶瓷片，其主要成分为铅(Pb),锆(Zr),钛(Ti)。这种元件的特性是，在加力瞬间变形时会产生电荷(压电效应)，反之在加上电压时，瞬间的变形会产生位移，即负压电效应。利用这种性质根据载荷或载荷的变化率输出信号的部件就叫作压电型载荷传感器。压电载荷传感器的结构如图15一17示，采用压电载荷传感器的基本系统如图15一18所示。压电载荷传感器的特性如图15一19所示。,
28、下一页,返回,15.5 载荷检测传感器压电型载荷传感器,丰田公司开发的电子控制悬架系统(TEMS)减振器拉杆内就设有压电载荷传感器，用来测定衰减力以检测路面的凸凹状态。因为要在临近路面的突起及小台阶的瞬间检测出来，才能在瞬间将衰减力急剧增加的信息用于衰减力转换的判定。压电型TEMS减振器的结构如图15一20所示。,上一页,返回,表15一1 R/O传感器的目标规格,返回,表15一2 R/O传感器的典型特性,返回,表15一3,返回,图15一1 霍尔元件的图形与使用方法,返回,图15一2 磁滞线,返回,图15一3 环状磁芯的磁特性,返回,图15一4 电流传感器电路的方框图,返回,图15一5 磨损检测
29、用传感器的安装位置与结构,返回,图15一6 磨损检测用传感器在盘式制动器上的安装状况,返回,图15一7 振动型角速度传感器的工作原理,返回,图15一8“华丽”车上所用ASC的部件图,返回,图15一9 ASC的系统构成,返回,图15一10 ASC的动作举例,返回,图15一11 VSC系统各部件在车上的布置状况,返回,图15一12 角速度传感器的结构,返回,图15一13 检测系统的方框图,返回,图15一14 R/O传感器的基本构成,返回,图15一15 R/O传感器的测定装置,返回,图15一16 灵敏度特性,返回,图15一17 压电载荷传感器的结构,返回,图15一18 采用压电载荷传感器的基本电路,返回,图15一19 压电载荷传感器的特性,返回,图15一20 压电型TEMS减振器的结构,返回,
