Магнитостриктивные датчики в автоэлектронике

В последние годы увеличивается спрос на магнитостриктивные преобразователи в автоэлектронике. Основное применение автомобильные магнитостриктивные датчики находят в детектировании линейных перемещений — это подвески, линейные системы рулевого управления, переключение передач и контроль положения колес, где в первую очередь для повышения точности желательна минимизация числа угловых преобразователей с механизмами преобразования одного вида движения в другой.

Рис. 24. Иллюстрация концепции модульности MTS Temposonics линейки датчиков серии C и примеры разработок линейных автомобильных систем на основе встраиваемых модульных преобразователей: а— базовый модуль — сенсорный элемент CSE; б— типичная функциональная диаграмма электронного модуля датчика; в— типичный внешний вид модульных датчиков серии С для высокообъемных сфер применения; г— датчик серии C в защитном металлическом корпусе для жестких условий эксплуатации; д— типичные датчики семейства CSP на основе модуля CSE; е, ж— иллюстрация применения датчиков MTS в гидравлических цилиндрах автомобилей Mercedes.

Актуальность магнитостриктивных датчиков положения в автоэлектронике во многом обусловлена (или определена) их физической природой и конструктивными и функциональными особенностями, являющимися следствием базового измерительного принципа.

Поскольку магнитостриктивные преобразователи относятся к типу устройств, работающих по принципу измерения времени распространения волны от цели до датчика и обратно, цель не отличается значительной длиной и ценой. Принцип измерения времени распространения отраженной волны позволяет получить абсолютный тип датчиков положения, который, в отличие от инкрементальных оптических и магнитных энкодеров, характеризуется устойчивостью к шумам и не требует индексной отметки и/или программы подключения или обучения.

В противоположность ультразвуковым радарам, измеряющим время распространения ультразвуковой волны в воздухе, магнитостриктивные преобразователи используют ферромагнитный стержневой волновод, обеспечивая таким образом ход цели по определенной траектории, экранирование, увеличение скорости распространения, высокую линейность и точность измерения расстояния от датчика до цели, пропорционального длине волновода. Кроме того, минимизируются потери энергии, амплитуды и точности вследствие рассеяния волны на соседние объекты. С помощью магнитостриктивных датчиков можно получить практически бесконечное разрешение, ограниченное только цифровой обрабатывающей электроникой и шумами.

Выходной сигнал после обработки ASIC может быть как аналоговым, ШИМ, так и еще более простым — в виде двух цифровых импульсов старт–стоп, время между которыми для идентификации положения измеряет микроконтроллер. Включение Smart-ASIC в сенсорный блок датчика позволяет программировать измерительный диапазон, детектировать дополнительные параметры движения (механическое нулевое положение, смещение, чувствительность) и формировать любой энкодерный интерфейс. Магнитные и ферромагнитные сенсорные компоненты нечувствительны к влажности и загрязнениям, типичным для автомобильных окружающих условий. Временные допуски (старение) практически не оказывают влияния на измерительную точность датчика. Датчики на основе ферромагнитных материалов практически не нуждаются в повторной и периодической калибровке. Температурные допуски вследствие расширения металла могут быть скомпенсированы, например, за счет встраивания в сенсорный блок или ASIC интегрированного датчика температуры.

Рис. 25. Некоторые уникальные идеи по применению датчиков MTS Temposonics: а— идеи по применению датчиков положения MTS в коробке передач; б— датчик серии C с гибким валом для криволинейных измерений; в— датчик серии C с поплавком для детектирования уровней жидкости

Рис. 26. Магнитостриктивный датчик положения клапана и/или ротора клапана двигателя внутреннего сгорания Ford Global Technologies: 1 — статор клапанной сборки; 2 — ротор; 3 — клапан; 4, 5 — подшипники; 6 — защитное ограждение; 7 — центрирующая пружина; 8 — вращающийся постоянный магнит для индикации углового положения ротора; 9 — магнитостриктивный датчик аксиального положения клапана 2 и/или углового положения ротора 1 электромеханической клапанной сборки; 10 — стек многослойного листового металла статора; 11 — центральное отверстие статора; 12 — обмотки статора; 13 — кольцевой магнит ротора; 14 — шаровая гайка; 15, 16 — сегменты магнита; 17 — цилиндрическая часть тела шаровой гайки; 18 — центральное отверстие шаровой гайки; 19, 20 — плечи для опоры; 21 — спиральная канавка цилиндрического тела; 22 — плоские участки — разделители спиральной канавки; 23 — возвратный канал для кольцевой прокатки примыкающих шаровых подшипников 24; 25 — апертура в головной части двигателя для установки клапанного штока; 26 — седло клапана; 27 — клапанный шток; 28 — антискручивающий волновод; 29 — спиральная канавка клапанного штока; 30 — плоские участки — разделители спиральной канавки клапанного штока; 31 — верхнее опорное плечо; 32 — отверстие для клапанного штока; E — ось вращения ротора (по часовой стрелке или против часовой стрелки); 33 — звуковой канал радиусом R; G — зазор в звуковом канале; θ_M — детектируемое угловое положение; L — соответствующая длина пути; U_OSC, U_TEMP, U_TR, U_R — сигналы напряжения; P₁, P₂ — точки схемы (с нулевой длиной проводника); Z — детектируемое аксиальное положение