За последние годы в технике измерения и регулирования параметров различных процессов всё более и более возрастает роль отрасли изготовления и применения датчиков. Эта отрасль, постоянно развиваясь, служит основой создания разнообразных вариантов систем автоматического регулирования.
На сегодняшний день существует большое количество различных датчиков скорости, предназначенных для работы в разных условиях, с разными входными параметрами. В основном они бывают контактными или бесконтактными. Несмотря на то, что предпочтение отдается бесконтактным датчикам, контактные устройства еще широко применяются. При всех достоинствах, контактные датчики имеют один существенный недостаток — склонность к загрязнению и, соответственно, снижение точности измерений.
1. Патентно-аналитический обзор
Был произведен патентно-аналитический обзор в ходе, которого были найдены несколько патентов затрагивающие данную тему. Результат приведен в таблице 1.1
Таблица 1.1
Регламент поиска
|
№ |
Класс |
Год |
Номер патента |
|||
|
1 |
Россия |
G01P3/48 |
www.freepatent.ru |
2000 |
2150114 |
|
|
2 |
Россия |
G01P3/488 |
www.freepatent.ru |
2006 |
2270452 |
|
|
3 |
Россия |
G01P3/488 |
www.freepatent.ru |
2005 |
2260188 |
|
|
4 |
Россия |
G01P3/50 |
www.freepatent.ru |
2007 |
2307356 |
|
|
5 |
Россия |
G01P3/48 |
www.freepatent.ru |
1994 |
2018127 |
|
1.1 Патент №2150114
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости вращения, в том числе измерения скорости вращения привода спидометра коробки передач автомобиля, для измерения скорости его движения, а также может быть использовано с различными информационными системами, в частности с маршрутными компьютерами. Сущность предлагаемого изобретения состоит в создании конструкции, приемлемой для различных типов автомобилей и обеспечивающей снижение радиальных нагрузок на опоры со стороны привода спидометра коробки передач.
Данный датчик иллюстрируется чертежами фиг. 1 (общий вид устройства) и фиг. 2 (общий вид в сборе, второй конец вала ротора опирается на привод спидометра коробки передач).
Датчик измерения скорости включает в себя корпус 1, в котором установлен ротор 2 в виде многополюсного магнитного кольца 3, закрепленного на валу 4. Датчик 5 магнитного поля входит в состав формирователя импульсов 6, укреплен в корпусе 1 неподвижно и отделен от многополюсного магнитного кольца 3 герметичной перегородкой 7. Один конец 8 вала 4 ротора 2 укреплен в корпусе 1 на упорном подшипнике 9, роль которого выполняет шарик. Функции опоры другого конца 10 вала 4 ротора 2 выполняет привод 11 спидометра коробки передач (фиг. 2) (показан пунктиром).
Между приводом 11 и многополюсным магнитным кольцом 3 размещена пружина сжатия 12. Вне установки датчика измерения скорости привод 11 спидометра коробки передач (фиг. 1) опорой конца 10 вала 4 ротора 2 является втулка 13, установленная подвижно с возможностью перемещения вдоль оси вала 4, а в корпусе 1 закреплен ограничитель ее хода, например, в виде втулки 14.
Причем диаметр части внутренней полости 15 корпуса 1, в которой в рабочем положении находится подвижная втулка 13, больше ее наружного диаметра.
Работает датчик измерения скорости следующим образом:
При присоединении датчика измерения скорости к приводу спидометра 11 коробки передач (фиг. 2) втулка 13 сдвигается во внутреннюю полость 15 корпуса 1, выходя из контакта с ограничителем хода — втулкой 14. Пружина сжатия 12 обеспечивает прижатие конца 8 вала 4 ротора 2 к шарику-упорному подшипнику 9 как в рабочем (фиг. 2), так и в нерабочем (фиг. 1) положении датчика измерения скорости. При этом датчик 5 магнитного поля всегда находится в зоне действия многополюсного магнитного кольца 3.
При вращении ротора 2 конец 8 вала 4 опирается на шарик-упорный подшипник 9, а его конец 10 имеет некоторую свободу перемещения в радиальных направлениях, что снимает радиальные нагрузки на вал 4. Втулка 13, отжатая приводом 11 спидометра коробки передач во внутреннюю полость 15 корпуса 1, вращается вместе с валом 4.
1.2 Патент №2270452
Предлагаемое изобретение датчика скорости автомобиля (ДСА) относится к автомобильному электронному приборостроению и может быть непосредственно использовано как для измерения линейной скорости автомобиля, так и для измерения угловой скорости (частоты вращения) большого числа ферромагнитных зубчатых роторов, линейных и угловых перемещений (положений) других зубчатых механизмов и вращающихся валов в автомобильной, легкой и тяжелой промышленности.
Данный датчик иллюстрируется чертежами: фиг 1. (основное исполнение ДСА) и фиг.2 (исполнение, содержащее некоторые конструктивные варианты)
Устройство состоит из ферромагнитного зубчатого ротора 1, корпуса бесконтактного датчика 2, магниточувствительного элемента 3 на основе дифференциальной ИС гигантского магниторезистора 4 и аксиально намагниченного постоянного магнита 5 обратного смещения, из ферритового материала (типа Ceramic 8) или материала типа Алнико (Alnico 8), печатной платы 7, контактов 8. Магнит 5, центрированный относительно оси симметрии N ИС 4, жестко установлен вдоль своей оси легкой намагниченности перпендикулярно плоскости, образованной вращением чувствительной оси Y в плане ИС 4, на расстоянии L от поверхности установки ИС 4 на плате 7 (запрессован и вклеен в пластмассовом корпусе 6, оплавленном на плате 7 со стороны ИС 4 (фиг.1), или в специальном пазе платы 7, как показано на фиг.2).
Выводы ИС 4 запаяны на плате 7 способом поверхностного монтажа, контакты 8 запрессованы в корпусе 2 и запаяны на плате 7.
Конструкция и малые геометрические размеры заявляемого ДСА допускают расположение магниточувствительного элемента 3 на плате 7, симметричное относительно оси N, коаксиально любой заданной диаметральной оси ОР ротора 1, под любым углом х=0ч90° относительно оси симметрии М корпуса 2 ДСА.
Технология изготовления ДСА допускает как поэтапную сборку механических компонентов в одну или несколько механических частей корпуса 2 ДСА, как в ДСА, показанных на фиг.1, так и применение технологии обливки пластмассой электронного блока с выполненными электрическими соединениями (фиг.2).
1.3 Патент №2260188
Данное изобретение датчика скорости автомобиля (ДСА) относится к автомобильному электронному приборостроению и может быть непосредственно использовано как для измерения линейной скорости автомобиля, так и для измерения угловой скорости (частоты вращения) большого числа ферромагнитных зубчатых роторов, линейных и угловых перемещений (положений) других зубчатых механизмов и вращающихся валов в автомобильной, легкой и тяжелой промышленности.
ДСА иллюстрируется следующими чертежами: фиг.1 (аксиальное исполнение) и фиг.2 (пример радиального исполнения):
ДСА состоит из ферромагнитного зубчатого ротора 1, корпуса бесконтактного датчика 2, магниточувствительного элемента 3, включающего ИС магниторезистора 4, постоянный магнит 5 для обратного смещения и стабилизации магниторезистивного эффекта, ИС 6 обработки сигнала магниторезистивного элемента, образующих интегральный магниторезистивный модуль, заключенный в пластмассовый корпус 7, печатной платы 8, контактов 9. Выводы ИС 6 запаяны на плате 8, корпус 7 жестко установлен (оплавлен) на плате 8. Контакты 9 запрессованы в корпусе 2 и запаяны на плате 8.
Интегральный магниторезистивный модуль 3 жестко установлен в пластмассовом корпусе 7 (запрессован и вклеен) симметрично его оси симметрии ON, перпендикулярной плоскости чувствительного элемента ИС 4 магниторезистора, коаксиально диаметральной оси ОР ротора 1, соответствующей на фиг.1, 2 разделению между зубом и слотом ротора 1, с оптимальным углом х симметричной вдоль оси ON установки магниторезистивного модуля 3 относительно оси М симметрии корпуса 2 ДСА от х=0° (соответствует аксиальному исполнению ДСА, когда ось М коаксиальна оси ОА) до х=90° (радиальное исполнение ДСА, когда ось М не коаксиальна ни одной оси ОА), который обеспечивается конструктивно геометрией корпуса 7, корпуса 2, ротора 1. Расположение платы 8 относительно оси симметрии М ДСА определяется геометрией корпуса 2, требованиями к механическим размерам контактов 9, существующими технологическими решениями для размещения элементов электронной схемы обработки сигнала ДСА. (На фиг.1 показаны два возможных варианта размещения платы 8 для аксиального исполнения корпуса 2 ДСА).
2. Техническое задание
1.Проведение патентно-аналитического обзора по теме «Объект исследования — датчики измерения скорости»
2.Изучение научно-технической и производственной литературы для составления аналитического обзора
3.Выводы по проведенным исследованиям
3. Основная часть
3.1 Датчики и их классификация
Датчик — это преобразователь измеряемой (контролируемой) физической величины в величину, удобную для дальнейшего преобразования или измерения. Датчик является обязательным элементом измерительных приборов, систем контроля и регулирования и т.п. Собственно, без датчиков невозможны ни измерение, ни контроль, ни регулирование.
Для построения датчиков используется значительное (более 500) количество физических эффектов (принципов).
Развитие, совершенствование датчиков в значительной степени определяется достижениями в области физики, химии, физической химии, механики, радиотехники и других наук. Особое место в развитии датчиков занимают достижения и возможности современных технологий. Принципы действия датчиков могут быть самыми разноообразными в зависимости от физической природы измеряемой величины, ее абсолютного значения, требуемой точности преобразования и т.п. Однако в подавляющем большинстве случаев преобразование входных физических величин в соответствующие выходные сигналы связано с преобразованием энергии, в том числе преобразованием энергии одного вида в другой. Энергетическое представление принципа работы измерительных преобразователей, базирующееся на двух фундаментальных законах — законе сохранения энергии и принципе обратимости, стало предпосылкой для создания основ общей теории измерительных преобразователей и их представления в виде пассивных четырехполюсников со сторонами разной физической природы.
Для потребителей датчиков важна информация о датчиках, предназначенных для измерения определенных физических величин (ФВ), сведениях о выходных и входных параметрах и сигналах, технических и метрологических характеристиках. Такой подход требует построения классификационной схемыпо видам физической величины.
Для разработчиков датчиков, студентов, специалистов, изучающих работу датчиков, важна информация о физических принципах их действия или, точнее, физических закономерностях, определяющих принцип их действия.
По видам входных и выходных величин измерительные преобразователи (датчики) можно разделить на 4 больших класса:
- электрических величин в электрические, например, непрерывных во времени (аналоговых) в прерывистые (дискретные, цифровые);
- неэлектрических величин в неэлектрические, например, давление в перемещение жесткого центра мембраны;
- электрических величин в неэлектрические, например, тока в отклонение стрелки прибора;
- неэлектрических величин в электрические.
Важнейшим классификационным признаком для датчиков является физический принцип действия — принцип преобразования физических величин, который основывается на некотором физико-техническом (физическом, электрохимическом, биоэлектронном, химическом и т.д.) эффекте (явлении).
Кроме того, можно классифицировать датчики по виду измеряемых неэлектрических величин и электрических величин.
По физическому принципу действия датчики (преобразователи) могут быть физическими (электрические, магнитные, тепловые, оптические, акустические и т.п.), химическими и комбинированными (физико-химические, электрохимические, биоэлектрические и т.п.).
Принцип действия датчика определяется прежде всего тем, какая закономерность используется в нем. Однако существуют датчики, которые не относятся ни к одному из перечисленных классов, например, механоэлектрические. Эти датчики называются комбинированными.
По виду выходной величины и необходимости внешнего источника энергии датчики можно разделить на генераторные (активные), выходной величиной которых являются электрические величины (напряжение, заряд, ток, электродвижущая сила (ЭДС), и параметрические (пассивные), выходной величиной которых является сопротивление, индуктивность, емкость, диэлектрическая или магнитная проницаемость и т.п.
В генераторных датчиках внешний источник энергии не нужен. Например, в пьезоэлектрическом датчике под действием измеряемого усилия на электродах пьезоэлемента возникает электрический заряд (или электрическое напряжение).
В параметрических датчиках под действием измеряемой физической величины меняется какой-либо из параметров (например, электрическое сопротивление в тензорезисторах).
Для получения выходного электрического сигнала требуется источник энергии (тока или напряжения).
Таким образом, датчики могут иметь (или не иметь) вспомогательный источник энергии.
По функциональному назначению датчики (преобразователи) можно разделить на:
- индикаторные (метрологические характеристики не нормируются).
Датчик выдает информацию о наличии или отсутствии физической величины;
- измерительные (метрологические характеристики нормируются);
- комбинированные.
По методу преобразования физической величины датчики (преобразователи) делятся на:
- датчики (преобразователи) прямого одно- или многоступенчатого преобразования, в которых измеряемая физическая величина преобразуется в
другую физическую величину — выходной сигнал датчика;
- датчики (преобразователи) непрямого преобразования, в которых измеряемая физическая величина преобразуется в промежуточную физическуювеличину, а уже затем эта величина преобразуется в выходной сигнал датчика;
- датчики комбинированного типа.
3.2 Общие сведения
Ускорение — динамическая характеристика объекта. Согласно второму закону Ньютона оно возникает только после приложения к объекту какой-либо силы. Перемещение объекта, его скорость и ускорение являются взаимосвязанными физическими величинами: скорость — это первая производная от перемещения, ускорение — его вторая производная. Однако взять производную сильно зашумленного сигнала практически невозможно, поскольку это приводит к возникновению очень больших погрешностей даже при использовании очень сложных схем обработки. Поэтому скорость и ускорение объектов нельзя определять по данным, полученным при помощи детекторов перемещений, и для этого необходимо применять специальные схемы. Как правило, в низкочастотной области (в полосе частот порядка 1 Гц) довольно хорошую точность измерений обеспечивают датчики положения и перемещения объектов. В зоне средних частот (менее 1 кГц) уже предпочтительнее использовать датчики скорости. Тогда как на высоких частотах, когда перемещения соизмеримы с уровнем шума, применяются датчики ускорения.
Скорость движения может быть либо угловой, либо линейной. Она показывает насколько быстро объект движется по прямой линии или насколько быстро он вращается. Измерение скорости зависит от размеров объекта и может выражаться, например, в мм/с или миль/час.
В настоящее время разработана глобальная система навигации, позволяющая определять скорость и положение крупных объектов, таких как наземные и морские транспортные средства, при помощи радиосигналов от большого количества спутников, вращающихся вокруг Земли. Определение скорости и положения таких объектов вычисляется по временным задержкам между сигналами, полученными от разных спутников. Для меньших объектов и меньших расстояний спутниковые системы не подходят. Здесь как правило, применяется метод сравнения с эталонными величинами. Принцип действия таких детекторов часто основан на измерении перемещений объекта относительно некоторого эталонного объекта, который часто входит в состав самого детектора. Поэтому чувствительный элемент, реагирующий на перемещение объекта, является одним из компонентов многих датчиков скорости и ускорения. Иногда таких элементов в составе датчиков скорости и акселерометров нет, поскольку они сами преобразуют свое движение в электрические сигналы. Например, в соответствии с законом Фарадея, магнит, двигающийся в катушке индуктивности, приводит к возникновению в ней напряжения. Это напряжение пропорционально скорости движения магнита и силе поля. Линейные датчики скорости построены на этом принципе магнитной индукции. В их состав входит постоянный магнит и катушка индуктивности определенной формы. Выходное напряжение на катушке прямо пропорционально относительной скорости магнита в пределах рабочей зоны.
В электромагнитных датчиках скорости оба конца магнита находятся внутри катушки. При такой конструкции на выходе катушки будет всегда нулевое напряжение, поскольку напряжения, индуцируемые разными концами магнита будут взаимно уничтожать друг друга. Чтобы этого не происходило, катушка делится на две части. Северный полюс магнита индуцирует ток в одной половине катушки, а южный — в другой (рис. 8.1).
Обе катушки подключены последовательно друг с другом, но в противоположных направлениях. Выходной сигнал такого устройства пропорционален скорости движения магнита. Максимальное значение измеряемой скорости определяется в основном входными цепями интерфейсной электронной схемы, а минимальное — уровнем шума, особенно от расположенных рядом мощных устройств переменного тока. В таблице 8.1 приведены типовые характеристики электромагнитного датчика скорости. Такие датчики очень похожи на детекторы положения на основе ЛРДТ, за исключением того, что ЛРДТ с подвижным ферромагнитным сердечником относится к активным устройствами, в то время как сенсоры скорости являются пассивными, и в них движущимся элементом является сам постоянный магнит. Это означает, что они сами по себе являются генераторами тока и им для их работы не требуется сигнал возбуждения. Очевидно, что линейные датчики скорости детектируют скорость в пределах расстояния, ограниченного их размерами, поэтому они в основном используются для измерения скорости вибраций. Угловой датчик скорости, реализованный на этом же принципе, непрерывно меряет скорость вращения, и в них нет ограничений на количество оборотов.
3.3 Спидометр
Спидометр — прибор, показывающий скорость движения автомобиля
Назначение
Причин, по которым водителю необходимо контролировать скорость автомобиля, несколько. Основная — ограничения скорости на дорогах общего пользования. Так как допустимая скорость движения по тем или иным дорогам бывает разной, то приходится все время сверяться с показаниями спидометра. Есть и еще один нюанс. В комплект спидометра входит счетный узел, показывающий расстояние, пройденное автомобилем за все время. Называется он — одометр. Благодаря ему, можно точно определить наступление момента, когда нужно менять, к примеру, фильтры или масло. Информация о пробеге также является не последним фактором при покупке подержанного авто. Кроме того одометр может показывать и промежуточные данные о пройденных километрах. На автомобилях, которые не оснащены бортовым компьютером, такая функция одометра удобна для расчета расхода топлива, или для того чтобы засечь расстояние, скажем, от работы до дома.
Художник и изобретатель Леонардо до Винчи в 1500 году создал эскиз прибора, который мог определять скорость движения экипажа. Но прошло порядка трехсот лет, прежде чем подобный механизм стали использовать для измерения скорости паровозов.
Изобретение же автомобильного спидометра приписывают инженеру Отто Шульцу. Появление устройства датируется 1902 годом. Считается, что первой автомобильной компанией, которая стала устанавливать спидометры наприборную панель, была Oldsmobile. Как и любое другое хоть сколько-нибудь сложное новое устройство, спидометр стоил дорого и в штатную комплектацию не входил. Тем не менее, вскоре наличие спидометра стало обязательным условием эксплуатации автомобиля. Большинство моделей автомобилей оборудовались сразу двумя спидометрами: маленьким и большим. Второй нужен был для того, чтобы полицейский мог рассмотреть на нем скорость проезжающей мимо машины.
Принцип работы спидометров остается практически неизменным на протяжении ста лет. За это время менялся лишь механизм самого индикатора. Так, одно время были популярны ленточные спидометры. Вместо привычной сегодня стрелки, в горизонтальном окошке с делениями перемещалась лента. Такие спидометры были особенно популярны в Америке и Японии в 60-70 годах. Устройства такого типа можно было встретить и на советских автомобилях, к примеру, на Газ 24. Существовали и так называемые барабанные спидометры. Они стояли на многих довоенных автомобилях различных компаний. Скорость в них отображалась благодаря крутящемуся барабану с нанесенными на него цифрами.
Все это о механических спидометрах, цифровые же появились сравнительно недавно — в 1993 году.
Устройство и принцип действия
Спидометры бывают двух типов: механические и электронные. Если первые снабжаются механическим индикатором, вроде стрелки, то вторые, могут вместо этого иметь индикатор электронный — цифры на дисплее. Остановимся отдельно на устройстве и принципах работы каждого типа.
Наиболее популярный тип механического спидометра — магтиноиндукционный. Он включает в себя два механизма: скоростной и счетный. Первый состоит из троса (гибкий вал), магнитного диска, катушки и пружины. Трос соединен с датчиком, расположенным на валу коробки передач. Датчик преобразует движение вала во вращение троса. Вращаясь, трос раскручивает магнитный диск. Сверху диска расположена вращающаяся катушка с осью. Движение диска создает магнитный поток, который возбуждает в свою очередь токи в катушке. В связи с этим воздействием катушка тоже начинает крутиться вслед за диском. Пружина ограничивает ее поворот углом, зависящим от скорости вращения диска. Пружина имеет определенную настроенную жесткость, от чего зависит точность спидометра. На конце вращающейся вместе с катушкой оси закреплена стрелка спидометра.
Счетный узел спидометра также имеет привод в виде троса. Сам счетчик представляет собой несколько барабанов, которые последовательно соединяются зубчатой передачей. Благодаря этому, на десять поворотов первого барабана, приходится один поворот следующего за ним, и так далее. Обычно для счетчика используется пять барабанов. Таким образом, его максимальный показатель будет равен 99 999. По достижении этой цифры счетчик обнуляется.
Электронный спидометр внешне никак не отличается от механического. Но в отличие от него, датчик скорости в электронном спидометре уже не крутит гибкий вал, а передает электрические импульсы, повинуясь которым стрелка прибора поворачивается. Движение стрелки зависит от количества полученных за единицу времени импульсов.
Одометр в этом случае устроен таким же образом, за исключением того, что барабаны приводятся в движение маленьким электрическим мотором.
Достоинства и недостатки
Сегодня механический тип спидометров практически не используется. Во-первых потому, что его погрешность значительно больше, нежели у электронного: 15% против 5%. Во-вторых механический привод и детали такого спидометра со временем подвергается износу и подлежит замене. А это довольно трудоемкая операция, так как трос необходимо проложить ровно, без единого перегиба.
3.4 Какие датчики применяются в современном автомобиле?
Датчик скорости автомобиля (ДСА) сконструирован по принципу эффекта Холла и выдает на контроллер частотно-импульсный сигнал. Частота сигнала прямопропорциональна скорости движения автомобиля. Контроллер использует этот сигнал для управления работой двигателя на холостом ходу и посредством регулятора холостого хода, управляет подачей воздуха в обход дроссельной заслонки. ДСА выдает примерно 6004 импульса на каждый километр пройденного автомобилем пути. По временному интервалу между импульсами контроллер определяет скорость движения автомобиля. Кроме того, данный сигнал может использоваться спидометром установленным на панели приборов. Внешний вид датчика скорости движения автомобиля показан на Фото-1.
ДСА устанавливается на коробке переключения передач (см. Фото-2) на механизме привода спидометра. Демонтаж его производят после (при выключенном зажигании) отключения контактного разъема и тросика привода спидометра (если он установлен) отвернув датчик с привода спидометра. Монтаж ДСА производят в обратной демонтажу последовательности. При неисправностях цепи соединения ДСА, контроллер заносит в ОЗУ код «24» и зажигает лампу «CHECK ENGINE», таким образом, указывая о необходимости диагностики. Одним из ярковыраженных симптомов неисправности датчика скорости служит остановка работы двигателя на Х.Х. при движении автомобиля накатом. Однако не следует забывать, что аналогичная ситуация может произойти при временных неисправностях датчика массового расхода воздуха (ДМРВ), но лампа «CHECK ENGINE», в этом случае, загорается не всегда. По этому признаку можно предварительно судить о том какой именно датчик вышел из строя.
Чаще всего выход из строя ДСА связан с работой тросика спидометра. Если данный тросик имеет на своей поверхности какие-либо заусенцы, разрывы или просто затруднено его вращение в защитной оплетке, это может привести к выходу из строя датчика скорости. Кроме того, часто из-за этой причины датчик скорости выходит из строя именно на высокой скорости движения. Металлический стержень, который передавал вращение, расплавил пластмассу и, как это видно на фото, просто вывалился. С другой стороны, тросик спидометра просто разбил свое посадочное место и соответственно перестал в нем фиксироваться, что и привело к отказу нормальной работы спидомера. Так как эл.цепь датчика не пострадала, лампа «CHECK ENGINE» не зажигалась из-за отсутствия зафиксированных ошибок данной цепи. В данном случае проблема была решена простой заменой тросика спидометра и датчика скорости на новые. Для исключения подобной ситуации, пока тросик спидометра исправен, его следует смазать моторным маслом.
датчик скорость спидометр холл
3.5 Эффект Холла
Большинство современных датчиков, которые используются в автомобилестроениях для измерения скорости, основаны на эффекте Холла.
Эффектом Холла называется появление в проводнике с током плотностью j, помещённом в магнитное поле Н, электрического поля Ех, перпендикулярного Н и j. При этом напряжённость электрического поля, называемого ещё полем Холла, равна
Ex = RHj sin , (1):
Рис 1.1
где угол между векторами Н и J (<180°).
Когда Hj, то величина поля Холла Ех максимальна: Ex = RHj. Величина R, называемая коэффициентом Холла, является основной характеристикой эффекта Холла. Эффект открыт Эдвином Гербертом Холлом в 1879 в тонких пластинках золота. Для наблюдения Холла эффекта вдоль прямоугольных пластин из исследуемых веществ, длина которых l значительно больше ширины b и толщины d, пропускается ток: I = jbd (см. рис.);
- здесь магнитное поле перпендикулярно плоскости пластинки. На середине боковых граней, перпендикулярно току, расположены электроды, между которыми измеряется ЭДС Холла Vx:
Vx = Ехb = RHjd. (2)
Так как ЭДС Холла меняет знак на обратный при изменении направления магнитного поля на обратное, то Холла эффект относится к нечётным гальваномагнитным явлениям.
Простейшая теория Холла эффекта объясняет появление ЭДС Холла взаимодействием носителей тока (электронов проводимости и дырок) с магнитным полем. Под действием электрического поля носители заряда приобретают направленное движение (дрейф), средняя скорость которого (дрейфовая скорость) vдр0. Плотность тока в проводнике j = n*evдр, где n — концентрация числа носителей, е — их заряд. При наложении магнитного поля на носители действует Лоренца сила: F = e[Hvдp], под действием которой частицы отклоняются в направлении, перпендикулярном vдр и Н. В результате в обеих гранях проводника конечных размеров происходит накопление заряда и возникает электростатическое поле — поле Холла. В свою очередь поле Холла действует на заряды и уравновешивает силу Лоренца. В условиях равновесия eEx = еНvдр, Ex =1/ne Hj, отсюда R = 1/ne (cмз/кулон).
Знак R совпадает со знаком носителей тока. Для металлов, у которых концентрация носителей (электронов проводимости) близка к плотности атомов (n1022См-3), R~10-3(см3/кулон), у полупроводников концентрация носителей значительно меньше и R~105 (см3/кулон).
Коэффициент Холла R может быть выражен через подвижность носителей заряда = е/m* и удельную электропроводность = j/E = еnvлр/Е:
R=/ (3)
Здесь m*— эффективная масса носителей, — среднее время между двумя последовательными соударениями с рассеивающими центрами.
Иногда при описании Холла эффекта вводят угол Холла между током j и направлением суммарного поля Е: tg= Ex/E=, где — циклотронная частота носителей заряда. В слабых полях (<<1) угол Холла , можно рассматривать как угол, на который отклоняется движущийся заряд за время . Приведённая теория справедлива для изотропного проводника (в частности, для поликристалла), у которого m* и их— постоянные величины. Коэффициент Холла (для изотропных полупроводников) выражается через парциальные проводимости э и д и концентрации электронов nэ и дырок nд:
(a) для слабых полей (4)
(б) для сильных полей.
При nэ = nд, = n для всей области магнитных полей:
а знак R указывает на преобладающий тип проводимости.
Для металлов величина R зависит от зонной структуры и формы Ферми поверхности. В случае замкнутых поверхностей Ферми и в сильных магнитных полях (»1) коэффициент Холла изотропен, а выражения для R совпадают с формулой 4,б. Для открытых поверхностей Ферми коэффициент R анизотропен. Однако, если направление Н относительно кристаллографических осей выбрано так, что не возникает открытых сечений поверхности Ферми, то выражение для R аналогично 4,б.
Заключение
В работе были рассмотрены общие свойства датчиков измерения скорости и область их применения. Более подробно затрагиваются датчики скорости, объясняется принцип действия на примере конкретных моделей.
Сегодня индустрия полупроводниковых датчиков уже использует второе поколение активных сенсорных технологий, включающих схемы компенсации ошибок и обработки сигнала. Новейшее направление развитие новых цифровых интерфейсов для аналоговых линейных датчиков, оснащенных блоком управления, которые характеризуются как повышенной помехоустойчивостью, так и большей эффективностью коммуникации в реальном времени. Преимуществом датчиков, созданных на основе новых технологий, является их бесконтактность, но, несмотря на это, потенциометры очень не скоро сдадут свои рыночные позиции, поскольку имеют низкую цену и увеличенную надежность.
Список используемой литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/datchiki-skorosti/
1. «Современные датчики. Справочник» Под ред. Дж. Фрайден,— Млсква: Техносфера,2006.
2. ;
3. Пат. 2150114 Российская Федерация, МПК G01P3/48. Датчик измерения скорости/ Дремов М.В., Каплунов Г.В., Россия; заявитель и патентообладатель ООО «Счетмаш». -; заявл. 30.06.1998; опубл. 20.04.2000.
4. Пат. 2270452 Российская Федерация, МПК G01P3/488. Бесконтактный датчик скорости автомобиля/ Захаров И.С., Яцун С.Ф., Россия; заявитель и патентообладатель «ГОУ КурскГТУ». -; заявл. 26.01.2004; опубл. 20.02.2006.
5. Пат. 2260188 Российская Федерация, МПК G01P3/488. Бесконтактный датчик скорости автомобиля/ Сысоева С.С., Яцун С.Ф., Россия; заявитель и патентообладатель «ГОУ КурскГТУ». -; заявл. 26.01.2004; опубл. 10.09.2005.
6. http://www.luksavtoservis.ru/ds.html ;
7. https://blamper.ru/auto/wiki/salon/spidometr-3660
8.
