磁阻效應(yīng)支持汽車內(nèi)的多種傳感器應(yīng)用。磁阻傳感器主要用來測量機械系統(tǒng)的速度和角度。這樣，磁阻傳感器就成為電氣元件、磁性元件和機械元件所組成的復雜系統(tǒng)的一部分。因為所有元件都會影響系統(tǒng)的反應(yīng)，所以在規(guī)劃系統(tǒng)及其操作時要非常重視對整個系統(tǒng)的仿真。下面重點討論這種系統(tǒng)的建模和仿真。
電子技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，對汽車的發(fā)展具有決定性的促進作用。未來的進一步發(fā)展也會在很大程度上由不斷創(chuàng)新的電子元件驅(qū)動。傳感器技術(shù)可檢測車輛及其周圍環(huán)境條件，因此具有特殊意義。有多種傳感器系統(tǒng)可用于此類目的，例如加速度傳感器、溫度傳感器或轉(zhuǎn)矩傳感器等。磁場測量傳感器在汽車內(nèi)尤其常見，主要用于機械變量的非接觸式檢測。通常這種傳感器通過霍爾元件，或者基于各向異性磁阻 (AMR) 效應(yīng)實現(xiàn)。與使用霍爾效應(yīng)的解決方案相比，AMR 傳感器有許多優(yōu)點，例如抖動更少、靈敏度更高。但在提高準確性或降低整體系統(tǒng)成本方面，二者不分伯仲。除了在電子羅盤中利用磁阻傳感器測量地球磁場之外，尤其是借助磁場指示機械系統(tǒng)的運動和位置時，可使用磁阻傳感器確定角度和速度。防滑系統(tǒng)、引擎和傳送控制都需要這種數(shù)據(jù)。產(chǎn)生磁場的永磁體的機械設(shè)計和選擇會在很大程度上影響測量數(shù)據(jù)的獲取。因此，在部署整個系統(tǒng)之前使用仿真技術(shù)進行深入分析非常重要，以確保達到目標功能并降低成本。因此，在前期開發(fā)過程中建立系統(tǒng)模型，之后用于支持后續(xù)產(chǎn)品的開發(fā)，對于解決設(shè)計過程中產(chǎn)生的這類問題也能發(fā)揮重要作用。下文將探討新型速度傳感器的整體系統(tǒng)建模和仿真。
圖 1 AMR 傳感器系統(tǒng)包含兩個封裝
圖 2 各向異性磁阻效應(yīng)
信號檢測
現(xiàn)代傳感器系統(tǒng)主要由兩個元件組成 —基本傳感器和信號處理專用集成電路 (ASIC)(圖 1)。現(xiàn)已證明，后來由 Lord Klevin 于 1857 年發(fā)現(xiàn)的各向異性磁阻效應(yīng)特別適用于檢測磁場。首先考慮通常具有多種磁疇結(jié)構(gòu)的鐵磁性材料。這些稱之為韋斯磁疇的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部磁化的方向彼此不同。如果將這種材料平鋪為一薄層，那么磁化矢量處于材料層平面方向。另外，可較精確地假設(shè)只存在一個磁疇。當這種元件暴露于外部磁場中時，后者會改變內(nèi)部磁化矢量的方向。如果同時一股電流通過該元件，就會產(chǎn)生電阻(圖 2)，這取決于電流和磁化之間的角度。當電流和磁化方向彼此成直角時，電阻最小，當二者平行時，電阻最大。電阻變化的大小取決于材料。鐵磁性材料的性質(zhì)也決定對溫度的依賴性。電阻最大變化為 2.2% 并且對溫度變化反應(yīng)良好的最佳合金是 81% 的鎳和 19% 的鐵組成的合金。恩智浦所有傳感器系統(tǒng)中的基本傳感器都采用這種強磁鐵鎳合金。在惠斯登電橋電路中單獨配置幾個 AMR 電阻，以增強輸出信號并改善溫度反應(yīng)特性。此電路也可在制造過程中進行微調(diào)。圖 3 顯示如何在裸片上配置 AMR 元件。
確定速度的裝置多半由兩個組件組成：編碼器輪和傳感器系統(tǒng)。編碼器輪可以是主動式或被動式。主動輪已磁化，因此 MR 傳感器可檢測北極和南極之間的變化。如果是被動輪，則由一種齒狀結(jié)構(gòu)代替磁化。如圖 1 所示，傳感器頭上也必須有一塊用于產(chǎn)生磁場的永磁體。接下來，我們只討論因公差極小而著稱的被動編碼器輪。當傳感器對稱地面對一個齒或者被動輪兩齒之間的空隙時，這不會使 AMR 元件的磁化矢量產(chǎn)生任何偏斜。忽略外部噪聲場并考慮橋電路時，輸出信號獲得零值。然而，如果傳感器頭處于齒邊緣前面，則磁輸入信號達到極值。齒/空隙或空隙/齒切換類型的函數(shù)結(jié)果與磁輸入信號正弦曲線的最小值或最大值非常接近。
