Magnetoresistans ble oppdaget i 1856 av Lord Kelvin, en fremtredende matematisk fysiker fra tidsperioden. Dette prinsippet ble imidlertid ikke brukt mye før i 1960-årene, da det ble oppdaget at det kunne brukes til lagring av dataminne. Magnetoresistans (ofte kalt bare MRE) er materialets evne til å endre elektrisk motstand når den utsettes for et eksternt magnetfelt. Når kraften til et magnetfelt er parallell med strømmen, øker lederens motstand, og når magnetfeltet beveger seg i en 90 graders vinkel mot strømmen, reduseres lederens motstand som vist på figur 1. Denne effekten er referert til som «anisotrop magnetisk resistens». De fleste ledere har en viss grad av anisotrop magnetisk motstand, og årsaken er basert på «Lorentz-styrken». Lorentz-styrken virker på en ladning i bevegelse i nærvær av et magnetfelt. Denne kraften får ladebærerne, elektronene som bærer strømmen, til å bevege seg i buede baner, noe som øker avstanden og endrer hastigheten til bærerne over lederen. Denne økte avstanden gir motstand mot strømmen som strømmer gjennom lederen. Det er også en trengselseffekt som oppstår som et resultat av at bærerne blir tvunget sidelengs så vel som fremover. Denne sideveis bevegelsen av bæreren er nødvendig for at lederen skal kunne reduserer det effektive området av lederen og tilfører også motstanden til lederen.
Illustrasjon som viser motstandsvariasjoner mellom strøm og magnetfelt i forhold til vinkel på MRE elementet.
Kilde: © Bernie Thompson / Automotive Test Solutions.
Materialet som brukes til lederen, varierer avhengig av sensoren. Ferromagnetiske materialer brukes mye på grunn av deres magnetiske egenskaper og deres evne til å arbeide i høye driftstemperaturer. Et mye brukt magnetisk materiale er et nikkeljern kjent som permalloy. Permlegeringen består av en blanding av omtrent 80 prosent nikkel og 20 prosent jern; små spor av andre magnetiske metaller kan også brukes i legeringen. Permalloys elektriske resistivitet varierer vanligvis innenfor omtrent 5 prosent, avhengig av styrken og retningen til det påførte magnetfeltet. Nyere tynnfilmteknologi bruker en kombinasjon av lagvise materialer av indiumantimonid (InSb) eller metallisk n-dopet indiumantimonid (n-InSb) for å øke lederens magnetoresistive evne. «Tynnfilm»s elektriske resistivitet varierer vanligvis fra 5 prosent til 20 prosent, avhengig av kombinasjonen av lagdelte materialer og deres plassering.
Med permlegering eller tynn film er sensorelementet laget i meget tynne rektangulære striper. Motstanden til elementet vil være basert på materialet og måten elementet er konstruert på, elementets tykkelse eller tverrsnittsarealet til elementet, magnetens styrke påført elementet, elementets magnetiske vinkelposisjon, og avstanden til den magnetiske kraften fra elementet. Så hvis en sterkere magnet brukes, kan luftspalten være betydelig større, opptil 3 mm eller 118 tusendeler, mens den fortsatt produserer nøyaktige signaler med høy oppløsning. Disse egenskapene gjør MRE sensor til et veldig godt valg som skal brukes i design av bilsensorer.
Fordeler fremfor alternativer
Magnetoresistive element (MRE) har vært brukt i design og konstruksjon av alle typer sensorenheter fra trykkregistrering og rotasjonsmåling til sensing av jordens magnetfelt. I bilindustrien brukes MRE primært for rotasjonsmåling.
Når du designer et system som bruker sensorer som ikke har fysisk kontakt (berøringsfri registrering) for rotasjonssensorer, er det flere metoder som kan brukes. Passive systemer som VR-sensorer (Variable Reluctance, på norsk kalt induktiv sensor), aktive systemer som halleffekt og magnetoresistive sensorer eller optiske sensorer. Forskjellen mellom disse systemene er at i et passivt system produserer sensoren sin egen spenning (for eksempel induktiv giver), mens i semiaktive eller helt aktive systemer tilfører den elektroniske styringsmodulen strøm til kretsen slik at sensoren kan produsere sin egen spenning (for eksempel hallgiver eller MRE-sensor). Tidligere har sensorer med variabel motstand hovedsakelig vært brukt til å registrere rotasjonsvinkelposisjon og vinkelhastighet. En induktiv sensor har imidlertid mange ulemper med designkravene til moderne systemer. Den største ulempen med den induktive sensoren (VR-sensoren) er at den ikke kan brukes til å registrere sakte rotasjoner per minutt (RPM). Den induktive sensoren har en veldig liten effekt ved sakte RPM, og til slutt er det en minimumshastighet som kan oppdages. Dette skyldes magnetfeltbevegelsen som følger målhjulet. Hvis målet beveger seg sakte, er det også magnetfeltet. Dette feltet, som beveger seg over svingene på viklingene i den induktive sensoren, bestemmer utdataene. Jo raskere magnetfeltbevegelsen er over viklingene, jo større blir utgangen fra den induktive sensoren.
I moderne design er størrelsen på denne sensoren også et problem. Magneten i den induktive sensoren må være stor for at sensoren skal fungere skikkelig. Dette gjenspeiles i størrelsen på sensoren (figur 2). I aktive systemer, slik som halleffekt eller MRE, har disse sensorinnretningene en utgang når de er stasjonære, slik at rotasjonshastigheten kan spores til null RPM. Følsomheten til den aktive sensoren for et magnetfelt er også vesentlig større. Dette betyr at de aktive sensorene kan pakkes i en mye mindre enhet, noe som muliggjør endringer i hele design og plassering av disse sensorene. Forskjellen mellom et hallelement og et magnetoresistivt element er at det magnetoresistive elementet som fungerer i et lavt magnetfelt, er 10 ganger så følsomt som hallelementet.
Eksempler på sensorer: 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 bildet over vises forskjellige sensorer som har vært og er i bruk som hjulsensorer i dag.
Det vil være viktig å gjenkjenne denne økte følsomheten som produseres fra MRE-sensoren. Hvis en aksel har en liten ripe i utløserhjulområdet, kan sensoren plukke opp dette og gjøre en spenningsutgangsendring basert på ripperspenning. Dette skaper igjen problemer i kontrollsystemet. I tillegg er den elektromagnetiske forstyrrelsen (EMI) slik som spenningsspisser og omvendt spenningstoleranse bedre med MRE-sensoren over hallelementet. Arbeidstemperaturen til MRE er også mye høyere enn hallelementet. Fordelene med MRE fremfor alle andre typer sensingapparater er tydelige og gjør denne sensoren til en som du vil møte i butikken oftere, som vist på figur 3.
Med den elektroniske revolusjonen som har gått over bilindustrien, er elektroniske styreenheter (ECU) vanlig i moderne biler. Disse kontrollenhetene samler inn og behandler data som produseres av elektriske sensorer i kjøretøyet. Sensorene tar avlesninger av fysiske hendelser og konverterer disse fysiske eiendommene til et elektrisk signal som kan tolkes av en mikroprosessor. I tilfelle av at sensoren registrerer en forandring av rotasjonsvinkelposisjon og vinkelhastighet, bruker mikroprosessoren programvare for å beregne endringen av disse signalene og sammenligner dem med en kartlagt verdi som er ideell for driftsforholdene. Mikroprosessoren kommanderer deretter endringer i den kontrollerte funksjonen for å minimere avvik fra idealet. MRE-sensoren kan brukes i mange applikasjoner der det elektroniske styresystemet samler inn data basert på fysiske hendelser som rotasjonsposisjon og hastighet på rattakselen, hjulets rotasjonshastighet (både akselerasjon og retardasjon), girkassens akselrotasjoner og posisjon og hastighet, veivaksel og kamaksels rotasjonsposisjon og hastighet. Når MRE-sensoren har en annen Wheatstone-«bro» lagt til i kretsen, kan rotasjonsretningen oppdages. Disse dataene kan brukes av ECU for ting som bremseanvendelse for bakkehold, rotasjon av styreaksel for stabilitetskontroll, veivaksel og reversering av kamaksel for automatisk stopp og start av motoren. I hvert av disse registreringskriteriene vil det magnetoresistive elementet bli utformet til en krets som passer best til dataene som samles for mikroprosessorens styring av systemet.
ABS-applikasjoner og design
Når det registreres hjulhastighet for blokkeringsfrie bremser (ABS), antispinn og stabilitetskontrollsystemer (ESP), kan MRE ta en unik kretskonfigurasjon. Det er flere kretser som er i produksjon i dag, hvorav den ene er vist på figur 4.
Eksempel på hvordan et MRE sensor system er bygget opp.
Kilde: © Bernie Thompson / Automotive Test Solutions.
I denne toledningskretsen er MRE-sensoren konfigurert til å lese strøm. Dette oppnår en ved å bruke en spenningsdelerkrets som er satt opp mellom sensoren og ECU. Kretsens konstante strømforbruk er 7 mA, som økes til 14 mA når den slås på. På grunn av at denne kretsen bruker strøm for å registrere rotasjon, er det nødvendig med en spenningsstabilisator. Spenningen stabiliseres av en referansediode for båndgapet som leverer strøm til sensoren, forsterkeren og komparatoren. Sensorhentingen består av fire magnetoresistive elementer konfigurert til en Wheatstone-«bro». I Wheatstone-«broen» endrer et magnetfelt den lineære spenningsutgangen, som deretter konverteres til en digital utgang av en komparator. Denne digitaliserte komparatorutgangen mates til en Schmitt-utløser, som er en digital utløsende enhet for å begrense støy. Når spenningen fra komparatoren øker, når den en sving på terskel eller operasjonspunkt. På dette driftspunktet endrer Schmitt-utløseren tilstand, som gjør det mulig å sende ut et spenningssignal. Utgivelsespunktet (slå av) er satt til en lavere spenning enn innkoblingspunktet. Denne overføringsfunksjonen styrer hysteresen (slå på og slå av) på utgangen. Hensikten med denne differensen er å eliminere falske utløsere som kan være forårsaket av mindre variasjoner fra komparatoren. Schmitt-utløseren er slått på, og denne utgangsspenningen sendes til en bryter som kan skiftes, som når den er slått på lar 7 mA-strøm strømme gjennom kretsen. Denne byttbare 7 mA kombineres med den konstante 7 mA for en total strømføring gjennom kretsen på 14 mA. Mikroprosessoren har ingen måte å lese strøm på, så en motstand er plassert inne i ECU. Denne motstanden setter opp en spenningsdeler som lar spenningen øke til ca. 700 mV når strømmen øker til ca. 7 mA, som det fremgår av figur 5. Denne konfigurasjonen er basert på kretsens gjordingsside. Imidlertid kan denne grunnleggende kretsen som vi har diskutert, også bli innlemmet på kretsens strømside, som det fremgår av figur 6. ECU bruker en analog til digital omformer for å behandle denne spenningsendringen. Når magnetfeltet endres, gjør også spenningen det, slik at ECU kan spore kjøretøyets hjulhastighet.
Osilloskopbilde målt på sensors minusside.
Kilde: © Bernie Thompson / Automotive Test Solutions.
Osilloskopmåling gjort på sensors plusside.
Kilde: © Bernie Thompson / Automotive Test Solutions.
Det er fullt mulig for teknikeren å feile (misforstå eller ta feil) denne toleder-MRE-sensoren for en induktiv sensor. Hvis teknikeren sjekker motstanden til MRE-sensoren, vil den vise en avlesning på omtrent 500 000 ohm, mens en induktivsensor vil vise en avlesning på omtrent 800 til 1200 ohm, så det ville være mulig å tenke at sensoren er dårlig hvis du ikke innser hvilken sensor du jobber med. Derfor er det ekstremt viktig å bruke teknisk informasjon når man feilsøker på en bil, bruke koblingsskjema og måledata (man må vite hvilke verdier man skal oppnå).
En annen kilde til forvirring når det gjelder MRE-sensorer, er plasseringen av magneten. Det er to typer magneter som brukes i utformingen av MRE-sensoren: semiaktiv og fullt aktiv. I den semiaktive metoden er magneten plassert i MRE-sensoren. Denne typen MRE bruker den konvensjonelle sensorringen laget av et ferrometallmateriale. Når «sensortennene» eller spaltene passerer under sensoren, beveges magnetfeltet over det magnetoresistive elementet, som endrer spenningsutgangen. Denne sensorens krets kan fungere på en toleder strømbasert utgang, som vi allerede har diskutert, eller innlemme en tredje utgangsledning. I denne treledningssensoren vil en av ledningene spenningsforsyne sensoren, en av ledningene vil jorde sensoren, og den tredje ledningen vil produsere et konvensjonelt firkantbølgesignal som enten kan trekke spenningen til jord for signalet eller til utgangsspenningen for signalet.
I den fullt aktive stilen er magneten plassert eksternt. Det konvensjonelle målhjulet/tannkransen/sensorringen erstattes av en magnetring som produserer nord–sør-magnetfelt som er innebygd i en elastomerring som er bundet på en stålbase. Magnetringen er mindre enn lageret og har en tykkelse på mindre enn 200 centimeter. Denne magnetringen er festet på hjullageret som er plassert i navenheten. Når du ser raskt på hjullageret, ser magnetringen ut som fettforseglingen/tetningen på siden av lageret, som vist på figur 7. Dette lageret kan installeres riktig i lagernavet med magnetringen mot MRE-sensoren eller installeres feil med magnetringen vendt bort fra MRE-sensoren. Når lageret er installert med magnetringen som vender bort fra MRE-sensoren, kommer det ikke noe signal fra sensoren. Derfor er det viktig at lageret er riktig installert. For å være sikker på hvilken side av lageret som er magnetringen, holder du utsiden av lageret (delen som presses inn i navet) stille og roterer det indre lageret (delen som trykker på akselen). Den siden som beveger seg med det indre lageret, er magnetringen og må vende mot MRE-sensoren.
Figuren viser hvordan sensoren står i forhold til magnetringen.
Kilde: © Bernie Thompson / Automotive Test Solutions.
Feilsøking
Ved problemer med å feilsøke MRE-kretsen er et oscilloskop et viktig verktøy som du kan se på figurene 5–6. Spenningsnivået som endres, er veldig lite og kan være på strømsiden eller gjord. I noen systemer kan bølgeformen ikke være en firkantbølge i det hele tatt, men være indikert med en smal buet puls.
For å teste den toledede semiaktive MRE-sensoren snur du akselen som er festet til avtrekkerhjulet, mens du ser på omfanget. Hvis sensoren ikke har noe utgangssignal og strøm- og jordspenningsnivået er riktig, fjerner du sensoren og flytter en stålgjenstand veldig nær sensortoppen. På dette tidspunktet, hvis det er signalutgang, er problemet i triggerhjulet, og hvis det ikke er noen signalutgang, er problemet i sensoren.
For å teste en fullt aktiv toleder-MRE-sensor snur du akselen som er festet til avtrekkshjulet, mens du ser på omfanget. Hvis sensoren ikke har noen signalutgang og strøm- og jordspenningsnivået er riktig, fjerner du sensoren og beveger en liten magnet veldig nær spissen av sensoren som vist på figur 8. Hvis det på dette tidspunktet er signalutgang, er problemet i sensorringen, og hvis det ikke er noen signalutgang, er problemet i sensoren. Magneten som må brukes til å teste kretsen, er en liten og svak magnetisk. Dette er fordi hvis en kraftig magnet brukes, kan den snu magnetiseringen av sensoren i motsatt retning. Dette vil endre egenskapene til MRE-sensoren. Noen sensorer har en forspenningsmagnet for å stabilisere sensorens magnetiske karakteristikk, slik at dette ikke skjer. Disse sensorene reagerer på veldig små endringer i magnetfelt, så en liten magnet vil fungere bra.
Figuren viser hvordan man tester teste om det er sensoren eller magnetringen som er ødelagt.
Kilde: © Bernie Thompson / Automotive Test Solutions.
Når spenningsnivået for kraft, jord og signal er feil, må du sjekke om det er motstand i kretsen, ved å teste kretsen for spenningsfall. Når det ikke er noen spenningsutgang til sensoren fra ECU, kan man tro at kretsen er kortsluttet eller har høyt strømforbruk, og ECU beskytter kretsen ved å slå av spenningstilførselen til sensoren. Dette kan være sant; imidlertid kan en åpen krets gi de samme resultatene. Når tenningsbryteren er slått på, fullfører ECU en kretsprøve ved å se på spenningen til signalet. Denne selvtesten vil skje veldig raskt og fullføres på bare noen få millisekunder, så ha måleinstrumentet ditt koblet til kretsen og følg med når du slår på tenningsbryteren. Hvis denne spenningen er feil under selvtesten, blir forsyningsspenningen til sensoren slått av, så det er viktig å se på spenningen under selvtesten i disse situasjonene. Nå som du har bedre forståelse av den mystiske verdenen til det indre arbeidet til magnetoresistivt element (MRE), kan du også diagnostisere disse sensorsystemene riktig.
Tekst og illustrasjoner er gjengitt med tillatelse fra Automotive Test Solutions og artikkelens forfatter Bernie Thompson. Artikkelen er oversatt til norsk av Kalle Wikse.
Informasjon og bilder er hentet fra searchautoparts.com
Beskrivende YouTube-video Magneto Resistive John Grischow eller/og Wheel Speed Sensor Operation