Magnetoresistans vart oppdaga i 1856 av Lord Kelvin, ein framståande matematisk fysikar frå tidsperioden. Dette prinsippet vart likevel ikkje brukt mykje før i 1960-åra, da det vart oppdaga at det kunne nyttast til lagring av dataminne. Magnetoresistans (ofte kalla berre MRE) er evna materialet har til å endre elektrisk motstand når det blir utsett for eit eksternt magnetfelt. Når krafta til eit magnetfelt er parallell med straumen, aukar motstanden i leiaren, og når magnetfeltet beveger seg i ein 90 gradars vinkel mot straumen, blir motstanden i leiaren redusert, slik det er vist på figur 1. Denne effekten er referert til som «anisotrop magnetisk resistens». Dei fleste leiarar har ein viss grad av anisotrop magnetisk motstand, og årsaka er basert på «Lorentz-styrken». Lorentz-styrken verkar på ein ladning i rørsle i nærvær av eit magnetfelt. Denne krafta får ladeberarane, elektrona som ber straumen, til å bevege seg i bogne banar, noko som aukar avstanden og endrar hastigheita til berarane over leiaren. Denne auka avstanden gir motstand mot straumen som strøymer gjennom leiaren. Det er også ein trengselseffekt som oppstår som eit resultat av at berarane blir tvinga både sidelengs og framover. Denne sidevegs rørsla av beraren er nødvendig for at leiaren skal kunne redusere det effektive området av leiaren og tilfører også motstanden til leiaren.
Illustrasjon som viser motstandsvariasjonar mellom straum og magnetfelt i forhold til vinkel på MRE-elementet.
Kilde: © Bernie Thompson / Automotive Test Solutions.
Materialet som ein bruker til leiaren, varierer avhengig av sensoren. Ferromagnetiske materiale blir mykje nytta på grunn av dei magnetiske eigenskapane deira og evna til å arbeide i høge driftstemperaturar. Eit mykje brukt magnetisk materiale er eit nikkeljern kjent som permalloy. Permlegeringa består av ei blanding av omtrent 80 prosent nikkel og 20 prosent jern; små spor av andre magnetiske metall kan også nyttast i legeringa. Den elektriske resistiviteten til permalloy varierer vanlegvis innanfor omtrent 5 prosent, avhengig av styrken og retninga til det påførte magnetfeltet. Nyare tynnfilmteknologi bruker ein kombinasjon av lagvise materiale av indiumantimonid (InSb) eller metallisk n-dopa indiumantimonid (n-InSb) for å auke den magnetoresistive evna til leiaren. «Tynnfilmen» sin elektriske resistivitet varierer vanlegvis frå 5 til 20 prosent, avhengig av kombinasjonen av lagdelte materiale og plasseringa deira.
Med permlegering eller tynn film er sensorelementet laga i svært tynne, rektangulære striper. Motstanden til elementet vil vere basert på materialet og måten elementet er konstruert på, elementtjukkleiken eller tverrsnittsarealet til elementet, styrken på magneten som er påført elementet, den magnetiske vinkelposisjonen til elementet og avstanden til den magnetiske krafta frå elementet. Så dersom ein sterkare magnet blir brukt, kan luftspalta vere mykje større, opptil 3 mm eller 118 tusendelar, mens han framleis produserer nøyaktige signal med høg oppløysing. Desse eigenskapane gjer ein MRE-sensor til eit svært godt val til bruk i design av bilsensorar.
Fordelar framfor alternativ
Magnetoresistive element (MRE) har vore nytta i design og konstruksjon av alle typar sensoreiningar frå trykkregistrering og rotasjonsmåling til sensing av jordmagnetfelt. I bilindustrien bruker ein MRE primært for rotasjonsmåling.
Når du designar eit system som bruker sensorar som ikkje har fysisk kontakt (berøringsfri registrering) for rotasjonssensorar, er det fleire metodar som kan nyttast. Passive system som VR-sensorar (Variable Reluctance, på norsk kalla induktiv sensor), aktive system som halleffekt og magnetoresistive sensorar eller optiske sensorar. Skilnaden mellom desse systema er at i eit passivt system produserer sensoren si eiga spenning (til dømes induktiv givar), mens i semiaktive eller heilt aktive system tilfører den elektroniske styringsmodulen straum til krinsen slik at sensoren kan produsere si eiga spenning (til dømes hallgivar eller MRE-sensor). Tidlegare har sensorar med variabel motstand stort sett vore nytta til å registrere rotasjonsvinkelposisjon og vinkelhastigheit. Ein induktiv sensor har likevel mange ulemper med designkrava til moderne system. Den største ulempa med den induktive sensoren (VR-sensoren) er at han ikkje kan brukast til å registrere sakte rotasjonar per minutt (RPM). Den induktive sensoren har ein svært liten effekt ved sakte RPM, og til slutt er det ei minimumshastigheit som kan oppdagast. Grunnen til det er magnetfeltrørsla som følgjer målhjulet. Dersom målet beveger seg sakte, gjer også magnetfeltet det. Dette feltet, som beveger seg over svingane på viklingane i den induktive sensoren, bestemmer utdata. Jo raskare magnetfeltrørsla er over viklingane, jo større blir utgangen frå den induktive sensoren.
I moderne design er storleiken på denne sensoren også eit problem. Magneten i den induktive sensoren må vere stor for at sensoren skal fungere skikkeleg. Dette er også vist i storleiken på sensoren (figur 2). I aktive system, slik som halleffekt eller MRE, har desse sensorinnretningane ein utgang når dei er stasjonære, slik at rotasjonshastigheita kan sporast til null RPM. Den aktive sensoren for eit magnetfelt er også mykje meir følsamt. Dette gjer at dei aktive sensorane kan pakkast i ei mykje mindre eining, noko som gjer det mogleg å endre heile designet og plasseringa av desse sensorane. Skilnaden mellom eit hallelement og eit magnetoresistivt element er at det magnetoresistive elementet som fungerer i eit lågt magnetfelt, er ti gonger så følsamt som hallelementet.
Døme på sensorar: MRE-sensor og VR-sensor (induktiv sensor).
Kilde: © Bernie Thompson / Automotive Test Solutions.
Comparison chart of various rotation sensing systems
| Sensing – type adoption criteria | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Type | Multi-pulse adaptability | Low rpm detection | Enviromental resistivity | Operating temperature range | Cost |
| Reed switch | poor | good | good | good | good |
| Photo-coupler | good | excellent | poor | poor | fair |
| Variable reluctance | fair | poor | excellent | good | fair |
| Capacitance | good | good | poor | fair | poor |
| Hall device | fair | excellent | good | fair | fair |
| MRE | excellent | excellent | excellent | good | fair |
20 pulses per revolution
På biletet ovanfor er det vist ulike sensorar som har vore og er i bruk som hjulsensorar i dag.
Det vil vere viktig å kjenne att denne auka følsemda som blir produsert frå MRE-sensoren. Dersom ein aksel har ei lita ripe i utløysarhjulområdet, kan sensoren plukke opp dette og gjere ei spenningsutgangsendring basert på rippelspenning. Dette skaper igjen problem i kontrollsystemet. I tillegg er den elektromagnetiske forstyrringa (EMI), slik som spenningsspissar og omvend spenningstoleranse, betre med MRE-sensoren over hallelementet. Arbeidstemperaturen til MRE er også mykje høgare enn hallelementet. Fordelane med MRE framfor alle andre typar sensingapparat er tydelege og gjer denne sensoren til ein som du vil møte i butikken oftare, slik det er vist på figur 3.
Med den elektroniske revolusjonen som har gått over bilindustrien, er elektroniske styreeiningar (ECU) vanleg i moderne bilar. Desse kontrolleiningane samlar inn og behandlar data som blir produserte av elektriske sensorar i køyretøyet. Sensorane tek avlesingar av fysiske hendingar og konverterer desse fysiske eigedommane til eit elektrisk signal som ein mikroprosessor kan tolke. Dersom sensoren registrerer ei endring av rotasjonsvinkelposisjonen og vinkelhastigheita, bruker mikroprosessoren programvare for å berekne endringa av desse signala og samanliknar dei med ein kartlagd verdi som er ideell for driftsforholda. Mikroprosessoren kommanderer deretter endringar i den kontrollerte funksjonen for å minimere avvik frå idealet. MRE-sensoren kan nyttast i mange applikasjonar der det elektroniske styresystemet samlar inn data som er baserte på fysiske hendingar som rotasjonsposisjonen og hastigheita på rattakselen, rotasjonshastigheita til hjulet (både akselerasjonen og retardasjonen), akselrotasjonen, posisjonen og hastigheita til girkassa, rotasjonsposisjonen og hastigheita til veivakselen og kamakselen. Når MRE-sensoren har ei anna Wheatstone-«bru» lagd til i krinsen, kan rotasjonsretninga oppdagast. Desse data kan ECU nytte for ting som bremsebruk for bakkehald, rotasjon av styreaksel for stabilitetskontroll, veivaksel og reversering av kamaksel for automatisk stopp og start av motoren. I kvart av desse registreringskriteria vil det magnetoresistive elementet bli utforma til ein krins som passar best til dei data som blir samla for mikroprosessorstyringa av systemet.
ABS-applikasjonar og design
Når det blir registrert hjulhastigheit for blokkeringsfrie bremser (ABS), antispinn og stabilitetskontrollsystem (ESP), kan MRE ta ein unik krinskonfigurasjon. Det er fleire krinsar som er i produksjon i dag, der ein av dei er vist på figur 4.
Døme på korleis eit MRE-sensorsystem er bygd opp.
Kilde: © Bernie Thompson / Automotive Test Solutions.
I denne toleidningskrinsen er MRE-sensoren konfigurert til å lese straum. Dette oppnår ein ved å bruke ein spenningsdelarkrins som er sett opp mellom sensoren og ECU. Det konstante straumforbruket til krinsen er 7 mA, som blir auka til 14 mA når han blir slått på. Fordi denne krinsen bruker straum for å registrere rotasjon, er det nødvendig med ein spenningsstabilisator. Spenninga blir stabilisert av ein referansediode for bandgapet som leverer straum til sensoren, forsterkaren og komparatoren. Sensorhentinga består av fire magnetoresistive element som er konfigurerte til ei Wheatstone-«bru». I Wheatstone-«brua» endrar eit magnetfelt den lineære spenningsutgangen, som deretter blir konvertert til ein digital utgang av ein komparator. Denne digitaliserte komparatorutgangen blir mata til ein Schmitt-utløysar, som er ei digital utløysande eining for å avgrense støy. Når spenninga frå komparatoren aukar, når den ein sving på terskel eller operasjonspunkt. På dette driftspunktet endrar Schmitt-utløysaren tilstand, som gjer det mogleg å sende ut eit spenningssignal. Utgivingspunktet (slå av) er sett til ei lågare spenning enn innkoplingspunktet. Denne overføringsfunksjonen styrer hysteresen (slå på og slå av) på utgangen. Hensikta med denne differensen er å eliminere falske utløysarar som kan komme av mindre variasjonar frå komparatoren. Schmitt-utløysaren er slått på, og denne utgangsspenninga blir send til ein brytar som kan skiftast, som når han er slått på, lèt 7 mA-straum strøyme gjennom krinsen. Denne byttbare 7 mA blir kombinert med den konstante 7 mA for ei total straumføring gjennom krinsen på 14 mA. Mikroprosessoren har ingen måte å lese straum på, så ein motstand er plassert inne i ECU. Denne motstanden set opp ein spenningsdelar som lèt spenninga auke til om lag 700 mV når straumen aukar til om lag 7 mA, som det går fram av figur 5. Denne konfigurasjonen er basert på jordingssida til krinsen. Men denne grunnleggjande krinsen som vi har diskutert, kan også bli innlemma på straumsida til krinsen, som det går fram av figur 6. ECU bruker ein analog-til-digital-omformar for å behandle denne spenningsendringa. Når magnetfeltet endrar seg, gjer også spenninga det, slik at ECU kan spore hjulhastigheita til køyretøyet.
Oscilloskopbilete målt på minussida til sensoren.
Kilde: © Bernie Thompson / Automotive Test Solutions.
Oscilloskopmåling gjord på plussida til sensoren.
Kilde: © Bernie Thompson / Automotive Test Solutions.
Det er fullt mogleg for teknikaren å feile (misforstå eller ta feil) denne toleiar-MRE-sensoren for ein induktiv sensor. Dersom teknikaren sjekkar motstanden til MRE-sensoren, vil han vise ei avlesing på omtrent 500 000 ohm, mens ein induktivsensor vil vise ei avlesing på omtrent 800 til 1200 ohm, så det ville vere mogleg å tenkje at sensoren er dårleg dersom du ikkje innser kva for ein sensor du jobbar med. Derfor er det ekstremt viktig å bruke teknisk informasjon når ein feilsøkjer på ein bil, bruke koplingsskjema og måledata (ein må vite kva for verdiar ein skal oppnå).
Ei anna kjelde til forvirring når det gjeld MRE-sensorar, er plasseringa av magneten. Det er to typar magnetar som blir nytta i utforminga av MRE-sensoren: semiaktiv og fullt aktiv. I den semiaktive metoden er magneten plassert i MRE-sensoren. Denne typen MRE bruker den konvensjonelle sensorringen laga av eit ferrometallmateriale. Når «sensortennene» eller spaltene passerer under sensoren, blir magnetfeltet bevegd over det magnetoresistive elementet, som endrar spenningsutgangen. Krinsen til denne sensoren kan fungere på ein toleiar straumbasert utgang, som vi alt har diskutert, eller innlemme ein tredje utgangsleidning. I denne treleidningssensoren vil ein av leidningane spenningsforsyne sensoren, ein av leidningane vil jorde sensoren, og den tredje leidningen vil produsere eit konvensjonelt firkantbølgjesignal som anten kan trekkje spenninga til jord for signalet eller til utgangsspenninga for signalet.
I den fullt aktive stilen er magneten plassert eksternt. Det konvensjonelle målhjulet/tannkransen/sensorringen er erstatta av ein magnetring som produserer nord–sør-magnetfelt som er innebygd i ein elastomerring som er bunden på ein stålbase. Magnetringen er mindre enn lageret og er mindre enn 200 centimeter tjukk. Denne magnetringen er festa på hjullageret som er plassert i naveininga. Når du ser raskt på hjullageret, ser magnetringen ut som feittforseglinga/tettinga på sida av lageret, slik det er vist på figur 7. Dette lageret kan installerast korrekt i lagernavet med magnetringen mot MRE-sensoren eller installerast feil med magnetringen vend bort frå MRE-sensoren. Når lageret er installert med magnetringen som vender bort frå MRE-sensoren, kjem det ikkje noko signal frå sensoren. Derfor er det viktig at lageret er korrekt installert. For å vere sikker på kva for ei side av lageret som er magnetringen, held du utsida av lageret (delen som blir pressa inn i navet) stille og roterer det indre lageret (delen som trykkjer på akselen). Den sida som beveger seg med det indre lageret, er magnetringen og må vende mot MRE-sensoren.
Figuren viser korleis sensoren står i forhold til magnetringen.
Kilde: © Bernie Thompson / Automotive Test Solutions.
Feilsøking
Ved problem med å feilsøkje MRE-krinsen er eit oscilloskop eit viktig verktøy som du kan sjå på figurane 5–6. Spenningsnivået som endrar seg, er veldig lite og kan vere på straumsida eller jording. I nokre system kan bølgjeforma ikkje vere ei firkantbølgje i det heile, men vere indikert med ein smal bogen puls.
For å teste den semiaktive toleiar-MRE-sensoren snur du akselen som er festa til avtrekkjarhjulet, mens du ser på omfanget. Dersom sensoren ikkje har noko utgangssignal og straum- og jordspenningsnivået er rett, fjernar du sensoren og flyttar ein stålgjenstand veldig nær sensortoppen. På dette tidspunktet, dersom det er signalutgang, er problemet i triggerhjulet, og dersom det ikkje er nokon signalutgang, er problemet i sensoren.
For å teste ein fullt aktiv toleiar-MRE-sensor snur du akselen som er festa til avtrekkshjulet, mens du ser på omfanget. Dersom sensoren ikkje har nokon signalutgang og straum- og jordspenningsnivået er korrekt, fjernar du sensoren og beveger ein liten magnet veldig nær spissen av sensoren, slik det er vist på figur 8. Dersom det på dette tidspunktet er signalutgang, er problemet i sensorringen, og dersom det ikkje er nokon signalutgang, er problemet i sensoren. Magneten som ein må bruke til å teste krinsen, er liten og svakt magnetisk. Det er fordi dersom ein kraftig magnet blir brukt, kan han snu magnetiseringa av sensoren i motsett retning. Dette vil endre eigenskapane til MRE-sensoren. Nokre sensorar har ein forspenningsmagnet for å stabilisere den magnetiske karakteristikken til sensoren, slik at dette ikkje skjer. Desse sensorane reagerer på svært små endringar i magnetfelt, så ein liten magnet vil fungere bra.
Figuren viser korleis ein testar om det er sensoren eller magnetringen som er øydelagd.
Kilde: © Bernie Thompson / Automotive Test Solutions.
Når spenningsnivået for kraft, jord og signal er feil, må du sjekke om det er motstand i krinsen, ved å teste krinsen for spenningsfall. Når det ikkje er nokon spenningsutgang til sensoren frå ECU, kan ein tru at krinsen er kortslutta eller har høgt straumforbruk, og ECU beskyttar krinsen ved å slå av spenningstilførselen til sensoren. Dette kan vere sant; men ein open krins kan gi dei same resultata. Når tenningsbrytaren er slått på, fullfører ECU ei krinsprøve ved å sjå på spenninga til signalet. Denne sjølvtesten skjer svært raskt og blir fullført på berre nokre få millisekund, så ha måleinstrumentet ditt kopla til krinsen og følg med når du slår på tenningsbrytaren. Dersom denne spenninga er feil under sjølvtesten, blir forsyningsspenninga til sensoren slått av, så det er viktig å sjå på spenninga under sjølvtesten i desse situasjonane. No som du har ei betre forståing av den mystiske verda til det indre arbeidet til eit magnetoresistivt element (MRE), kan du også diagnostisere desse sensorsystema rett.
Tekst og illustrasjonar er gjengitt med løyve frå Automotive Test Solutions og artikkelforfattaren Bernie Thompson. Artikkelen er omsett til norsk av Kalle Wikse.
Informasjon og bilete er henta frå searchautoparts.com
Beskrivande YouTube-video Magneto Resistive John Grischow eller/og Wheel Speed Sensor Operation