ДАТЧИК СКОРОСТИ
SPEED SENSOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к датчику скорости, в частности для тахографов, который невосприимчив к воздействию возмущающего внешнего магнитного поля. Такой датчик скорости может, например, предотвратить фальсификацию записей тахографа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Тахограф, который зависит, например, от времени, графически записывает историю управления транспортным средством, например скорость транспортного средства, время управления и остановки в пути, принимает цифровой сигнал от датчика скорости. Датчик скорости обычно располагается в коробке передач транспортного средства и считывает скорость зубчатого колеса на выходном валу коробки передач. Как правило, используются датчики скорости с детекторами Холла. Детектор Холла размещается в непосредственной близости к окружности зубчатого колеса на расстоянии примерно от 0,5 до 2 мм. Во время управления упомянутое зубчатое колесо вращается прямо пропорционально скорости транспортного средства, и когда перед датчиком Холла проходит зубец зубчатого колеса, магнитные силовые линии основного магнита в датчике Холла всегда сосредотачиваются в центре детектора Холла, вызывая, таким образом, увеличение выходного напряжения детектора Холла. Наоборот, когда перед датчиком Холла проходит зазор между зубцами зубчатого колеса, магнитные силовые линии разбавляются и напряженность магнитного поля уменьшается, что приводит к спаду выходного напряжения детектора Холла. Сигнал выходного напряжения из детектора Холла аналоговый, и в электронной схеме датчика Холла аналоговый сигнал преобразуется в цифровой сигнал, который переходит к тахографу, где сигнал обрабатывается для показа графической или другой записи из истории управления транспортным средством. Преобразование аналогового сигнала, который при считывании вращающегося зубчатого колеса практически синусоидальный, в цифровой сигнал происходит, только когда превышается заранее установленное верхнее и нижнее пороговое значение выходного напряжения из датчика Холла, и этот выходной сигнал зависит от напряженности магнитного поля в центре датчика Холла. Когда на основное магнитное поле датчика Холла воздействует возмущающее магнитное поле, порожденное, например, прикреплением магнита с сильным возмущающим магнитным полем к картеру коробки передач возле датчика скорости, оба магнитных поля создают помехи друг другу, так что напряженность результирующего магнитного поля в центре детектора Холла либо увеличивается, либо падает в зависимости от взаимной полярности обоих магнитов, то есть у возмущающего магнита и магнита в датчике Холла. В результате выходное напряжение в виде аналогового сигнала из детектора Холла увеличивается или падает, чтобы больше не превышались заранее установленные пороговые значения выходного напряжения, при которых аналоговый сигнал преобразуется в цифровой сигнал, и выходной цифровой сигнал датчика скорости имеет постоянное значение. Из-за отсутствия какого-либо изменения или частоты цифрового сигнала тахограф записывает неподвижный режим транспортного средства, даже когда транспортное средство движется.
Также известны датчики скорости с датчиком Холла и электронной переработкой аналогового сигнала в цифровой сигнал, где верхнее и нижнее пороговые значения, превышение которых вызывает преобразование аналогового сигнала в цифровой сигнал, являются саморегулирующимися относительно верхнего и нижнего пиков аналогового сигнала, чтобы преобразование аналогового сигнала в цифровой сигнал отсутствовало только в случае, когда напряженность магнитного поля в центре детектора Холла превышает чувствительность датчика Холла, то есть ниже примерно 10 мТ или выше примерно 500 мТ в абсолютных значениях. Наоборот, когда напряженность магнитного поля в центре детектора Холла находится в диапазоне чувствительности, то есть между примерно 10 мТ и примерно 500 мТ, аналоговый сигнал всегда преобразуется в цифровой сигнал. В этой ситуации, соответственно, интенсивность или напряженность магнитного поля в центре детектора Холла определяется помехами между магнитным полем у магнита в датчике Холла и магнитным полем у возмущающего магнита, расположенного в непосредственной близости к магнитному датчику скорости, использующему датчик Холла - см., например, US 2011/0251805 А1. US 2012/009000 А1 раскрывает датчик скорости с двумя элементами обнаружения разной чувствительности, выдающими два выходных сигнала, которые отличаются друг от друга, когда элементы обнаружения подвергаются действию возмущающих магнитных полей, так что элемент обнаружения с низкой чувствительностью выдает неискаженный сигнал, соответствующий фактической скорости, а элемент обнаружения с высокой чувствительностью дает искаженный сигнал, не соответствующий фактической скорости.
US 6271663 В1 описывает вращающийся детектор для обнаружения углового положения, содержащий несколько магниторезистивных детекторов, размещенных с угловыми интервалами на окружности, описывающей ось вращения ротора. Магниты в детекторах размещаются так, что их оси располагаются радиально и не совпадают с осью чувствительности магниторезистивных детекторов, при помощи чего полярности соседних магнитов являются противоположными.
Общий недостаток вышеописанных датчиков скорости состоит в том, что когда они подвергаются действию внешнего возмущающего магнитного поля, магнитное поле в центре детектора может ослабляться или усиливаться до такой степени, что оно выходит из диапазона чувствительности детектора Холла, и выходной аналоговый сигнал теряется. В настоящее время доступные в продаже датчики Холла реагируют на напряженность магнитного поля в диапазоне чувствительности примерно от 10 мТ до 500 мТ.
Цель настоящего изобретения - предоставить датчик скорости для измерения скорости зубчатого колеса внутри коробки передач, в особенности у автомобилей, который невосприимчив к внешнему возмущающему магнитному полю доступного постоянного магнита, помещенного на внешнюю поверхность коробки передач в непосредственной близости к датчику скорости, и который предоставляет точную и неискаженную информацию о скорости зубчатого колеса или магнитной метки, считываемой таким датчиком скорости.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обсуждаемые выше недостатки и дефекты устраняются, а цель изобретения достигается с помощью датчика скорости для измерения скорости зубчатого колеса или колеса, снабженного ферромагнитными метками, установленного внутри коробки передач, причем датчик скорости имеет корпус с одним концом, приспособленным для вставки и закрепления в сквозном отверстии коробки передач, чтобы передняя поверхность корпуса была обращена к зубчатому колесу, при помощи чего в корпусе размещается первый датчик Холла с первым детектором Холла, обращенным к передней поверхности корпуса, и первый детектор Холла подключается к электронной схеме для преобразования выходного аналогового сигнала в цифровой сигнал, при помощи чего верхнее и нижнее пороговые значения выходных напряжений из первого детектора Холла, при превышении которых первый аналоговый сигнал преобразуется в первый цифровой сигнал, являются саморегулирующимися относительно верхнего и нижнего пиков аналогового сигнала, и при помощи чего южный полюс первого основного магнита выравнивается с осью чувствительности детектора Холла на стороне первого детектора Холла, расположенного напротив передней поверхности корпуса, содержащего в качестве существенных признаков то, что в корпусе (10) датчика скорости размещается второй датчик Холла (4), содержащий второй детектор Холла, обращенный к передней поверхности корпуса, и второй датчик Холла подключается к электронной схеме для преобразования выходного второго аналогового сигнала во второй цифровой сигнал, при помощи чего верхнее и нижнее пороговые значения выходных напряжений из детектора Холла, при превышении которых второй аналоговый сигнал преобразуется во второй цифровой сигнал, являются саморегулирующимися относительно верхнего и нижнего пиков аналогового сигнала, при помощи чего северный полюс второго основного магнита выравнивается с осью чувствительности датчика Холла на стороне первого детектора Холла, расположенного напротив передней поверхности корпуса, чтобы оси чувствительности обоих детекторов Холла были параллельны друг другу, и расстояние между осями обоих детекторов Холла было меньше либо равно ширине зубца считываемого зубчатого колеса или ширине ферромагнитной метки считываемого диска, чтобы два детектора Холла и основные магниты размещались так, что возмущающий магнит, прикрепленный к внешней стороне коробки передач, ослабляет магнитный поток в одном детекторе Холла наряду с тем, что он усиливает магнитный поток во втором детекторе Холла, и так, что по меньшей мере один из датчиков Холла останется действующим при наличии возмущающего магнитного поля.
Упомянутая компоновка датчика скорости избегает взаимного устранения или ослабления магнитного поля у обоих противоположно ориентированных основных магнитов в первом и втором детекторе Холла из-за возмущающего внешнего магнитного поля, так что в худшем случае напряженность магнитного поля только у одного основного магнита из обоих детекторов Холла выходит из диапазона чувствительности детектора Холла. Другой магнитный детектор, который подвергается действию магнитного поля от своего основного магнита и усиливается магнитным полем возмущающего магнита, выдает аналоговый сигнал с более высокими значениями напряжения, чем значения, соответствующие магнитному полю только у основного магнита, когда вращается зубчатое колесо. Упомянутое усиленное магнитное поле не превышает диапазон чувствительности датчика Холла, поскольку в настоящее время не доступны магниты, которые имели бы соответствующие размеры и могли бы прикрепляться к внешней поверхности коробки передач, и были бы способны формировать напряженность магнитного поля выше пределов чувствительности детектора Холла в месте внутри коробки передач, где располагается детектор Холла.
Выгодно, если бы первый и второй цифровые сигналы из первого и второго датчиков Холла объединялись в стробирующей RS-схеме в одиночный выходной цифровой сигнал, возрастающий строб которого копирует возрастающий строб предшествующего первого или второго цифрового сигнала, а убывающий строб которого копирует убывающий строб предшествующего первого или второго цифрового сигнала. Эта компоновка дает датчику скорости возможность выдавать одиночный выходной сигнал, предоставляющий информацию о скорости зубчатого колеса.
Предпочтительно, чтобы датчик скорости снабжался процессором для сравнения первого и второго цифрового сигнала и для выдачи сигнала тревоги, когда обнаруживается отклонение между упомянутыми цифровыми сигналами.
Сигнал тревоги указывает попытку воздействовать на датчик скорости.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На прилагаемых чертежах иллюстрируется один вариант осуществления изобретения, где отдельные фигуры показывают:
Фиг. 1а - схематичный чертеж магнитных силовых линий основного магнита, когда перед детектором Холла присутствует зубец;
Фиг. 1b - схематичный чертеж магнитных силовых линий основного магнита, когда перед детектором Холла присутствует зазор;
Фиг. 2а - схематичный чертеж нанесенных магнитных силовых линий основного магнита и возмущающего магнита, когда перед детектором Холла присутствует зубец, в соответствии с чем возмущающий магнит ориентирован противоположно основному магниту в магнитном отношении;
Фиг. 2b - схематичный чертеж нанесенных магнитных силовых линий основного магнита и возмущающего магнита, когда перед детектором Холла присутствует зазор, в соответствии с чем возмущающий магнит ориентирован противоположно основному магниту в магнитном отношении;
Фиг. 3а - схематичный чертеж нанесенных магнитных силовых линий соответствующего основного магнита и возмущающего магнита, когда перед детектором Холла присутствует зубец, в соответствии с чем возмущающий магнит ориентирован соответственно основному магниту в магнитном отношении;
Фиг. 3b - схематичный чертеж нанесенных магнитных силовых линий основного магнита и возмущающего магнита, когда перед детектором Холла присутствует зазор, в соответствии с чем возмущающий магнит ориентирован соответственно основному магниту в магнитном отношении;
Фиг. 4 - схематичный чертеж магнитного датчика скорости вместе с зубчатым колесом;
Фиг. 5 - монтажная схема датчиков Холла в датчике скорости;
Фиг. 6 представляет графики, показывающие цифровые выходы из датчиков Холла и из датчика скорости, не находящихся под влиянием возмущающего магнита;
Фиг. 7 представляет графики, показывающие цифровые выходы из датчиков Холла и из датчика скорости, находящихся под влиянием северного полюса возмущающего магнита;
Фиг. 8 представляет графики, показывающие цифровые выходы из датчиков Холла и из датчика скорости, находящихся под влиянием южного полюса возмущающего магнита.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1а-3b показывают магнитные поля или графики магнитных силовых линий соответственно у относящегося к делу основного магнита 31 в датчике 3 Холла в момент, когда перед детектором 30 Холла располагается зубец 201 зубчатого колеса 20, и в момент, когда перед детектором 30 Холла присутствует зазор 202 между зубцами 201. Схематически проиллюстрированные датчики 3 Холла содержат детектор 30 Холла и основной магнит 31, ориентированный своим южным полюсом S к детектору 30 Холла. Как показано на фиг. 1а, когда перед детектором 30 Холла располагается зубец 201, магнитные силовые линии основного магнита 31 проходят через центр детектора 30 Холла с большой плотностью, тогда как магнитные силовые линии не проходят через центр детектора 30 Холла, когда перед детектором 30 Холла присутствует зазор 202 - см. фиг. 1b.
Как и фиг. 1а, и фиг. 1b, фиг. 2а и 2b показывают графики магнитных силовых линий основного магнита 31, на которые, однако, воздействует магнитное поле или силовые линии возмущающего внешнего магнита 5 с северным полюсом N, ориентированным к зубчатому колесу 20, то есть противоположно ориентации основного магнита 31 в датчике 3 Холла. Как показано на фиг. 2а, когда перед детектором 30 Холла присутствует зубец 201, возмущающее магнитное поле у одинаково ориентированного возмущающего магнита 5 вызывает более высокую плотность магнитных силовых линий в центре детектора 30 Холла и, соответственно, усиление магнитного поля. Когда перед детектором 30 Холла присутствует зазор 2 02, магнитные силовые линии не проходят через центр детектора 30 Холла.
Как и фиг. 2а, и 2b, фиг. 3а и фиг. 3b показывают графики магнитных силовых линий основного магнита 31 и возмущающего магнитного поля у возмущающего внешнего магнита 5, который, однако, ориентирован своим южным полюсом S к зубчатому колесу 20, то есть в том же направлении, в котором ориентирован основной магнит 31. Как явствует из фиг. 3а и 3b, взаимно отталкивающие магнитные поля приводят к тому, что ни в случае, когда перед детектором 30 Холла присутствует зубец 201 (фиг. 3а), ни в случае, когда перед детектором 30 Холла присутствует зазор 202 (фиг. 3b), никакие магнитные силовые линии не проходят через центр детектора 30 Холла, то есть в этой области не присутствует никакого магнитного поля, либо магнитное поле настолько слабое, что его значение выходит из диапазона чувствительности датчика 3 Холла.
Как явствует из вышеизложенного, внешний возмущающий магнит 5 может помешать работе детектора 30 Холла, только когда основной магнит 31 детектора 30 Холла и возмущающий магнит 5 ориентированы одинаково. Наоборот, если магниты ориентированы в противоположном направлении, то магнитное поле в центре детектора 30 Холла усиливается, что приводит к усилению его работы и, соответственно, увеличению выходного напряжения. В конфигурации, где магнитный датчик скорости содержит два датчика 3, 4 Холла с соответствующими основными магнитами 31 и 41, которые в магнитном отношении взаимно ориентированы в противоположном направлении, когда на них воздействует возмущающий магнит 5, исключается работа только такого из датчиков 3, 4 Холла, чей основной магнит 31, 41 ориентирован одинаково с возмущающим магнитом 5. Работа другого из датчиков 3, 4 Холла затронута не будет.
Фиг. 4 - схематичный чертеж датчика 1 скорости в соответствии с изобретением, который состоит из цилиндрического корпуса 10, один конец которого снабжается, например, резьбой для его закрепления в отверстии в коробке 2 передач, в которой устанавливается зубчатое колесо 20, скорость которого нужно считывать с помощью датчика 1 скорости. Зубчатое колесо 20 снабжается зубцами 201, взаимно отделенными зазорами 202, в соответствии с чем передние поверхности зубцов 201 располагаются приблизительно на расстоянии от 0,5 до 1,5 мм от передней поверхности датчика 1 скорости, в котором размещаются два датчика 3 и 4 Холла. Первый магнит 31 захватывает своим южным магнитным полюсом S первый детектор 30 Холла, а второй магнит 41 захватывает своим северным магнитным полюсом N второй детектор 40 Холла.
Первый датчик 3 Холла с первым магнитом 31 подключается к одной стороне печатной платы 6, а второй датчик 4 Холла со вторым магнитом 41 подключается к противоположной стороне печатной платы 6. Каждый из датчиков 3, 4 Холла содержит детектор 30, 40 Холла и электронную систему, которая перерабатывает аналоговый выходной сигнал из детектора 30, 40 Холла в цифровой сигнал 300, 400. Верхнее и нижнее пороговые значения напряжения, при которых аналоговые сигналы преобразуются в цифровые сигналы 300, 400, являются саморегулирующимися относительно верхнего и нижнего пиков аналогового сигнала. Саморегулирующаяся функция достигается, например, путем преобразования аналогового сигнала посредством аналого-цифрового преобразователя в цифровой сигнал с жестко отрегулированным гистерезисом от максимальной и минимальной амплитуды аналогового сигнала соответственно. Это дает датчикам 3, 4 Холла возможность работать в их диапазоне чувствительности даже при значительных колебаниях магнитного потока в центре детектора 30, 40 Холла.
Как явствует из фиг. 5, цифровой сигнал 300 выходит из датчика 3 Холла, а цифровой сигнал 400 выходит из датчика 4 Холла. Каждый из тех сигналов поступает в процессор 6 и объединяющую схему 7.
В схемах 71 и 72 в объединяющей схеме 7 оцениваются возрастающий и убывающий стробы цифровых сигналов 300 и 400, и после их объединения в схемах 73 и 74 "ИЛИ" одиночный выходной сигнал 700 датчика 1 скорости образуется в RS-схеме, который дальше передается тахографу /не показан/. В тахографе выходной сигнал 700 оценивается и передается в записывающее устройство. Цифровые сигналы 300 и 400 сравниваются в процессоре 6, и если выявлены разницы, то создается сигнал 600 тревоги и передается тахографу, чтобы предупредить, что на датчик скорости оказано неблагоприятное воздействие.
Ось O3 первого детектора 30 Холла располагается параллельно оси O4 второго детектора 40 Холла, и расстояние R между ними такое же, как толщина Т зубца 201, или меньше. Следовательно, первый и второй детекторы 30 и 40 Холла, с одной стороны, управляются одновременно одним и тем же зубцом 201 зубчатого колеса 20 во время его вращения, а с другой стороны, внешнее возмущающее магнитное поле прикрепленного возмущающего магнита 5 воздействует в одинаковой степени на основные магнитные поля первого и второго основных магнитов 31 и 41.
Во время вращения зубчатого колеса 20 зубцы 201 и зазоры 202 поочередно проходят вдоль передней поверхности датчика 1 скорости с детекторами 30 и 40 Холла и оказывают влияние на характер магнитных силовых линий и напряженность магнитных полей у основных магнитов 31 и 41 в центрах обоих детекторов 30 и 40 Холла соответственно. Упомянутые изменения напряженности вызывают затем изменения в выходных напряжениях из детекторов 30 и 40 Холла и, следовательно, в характерах выходных аналоговых сигналов, которые преобразуются в цифровые сигналы 300, 400 в датчиках 3, 4 Холла.
Если на датчики 3, 4 Холла в датчике 1 скорости не воздействует внешнее возмущающее магнитное поле, то во время вращения зубчатого колеса 20 возникают циклические изменения в напряженности основных магнитных полей в центрах детекторов 30 и 40 Холла, и эти детекторы выдают аналоговые сигналы, которые преобразуются в цифровые сигналы 300 и 400 в электронике датчиков 3 и 4 Холла - см. фиг. 6. Упомянутые цифровые сигналы затем объединяются в RS-схеме для выдачи выходного сигнала 700 из датчика 1 скорости, который предоставляет информацию о скорости зубчатого колеса 20.
Если сильный возмущающий магнит 5 прикрепляется к коробке 2 передач в непосредственной близости к датчику 1 скорости, то его возмущающее поле воздействует на основные магнитные поля у основных магнитов 31 и 41 в первом датчике 3 Холла и втором датчике 4 Холла, так что одно основное магнитное поле у одного детектора Холла усиливается (фиг. 2а), а другое основное магнитное поле у другого детектора Холла подавляется, разбавляется или полностью аннулируется (фиг. 3а).
Если возмущающий магнит 5 прикрепляется к коробке 2 передач своим северным полюсом N, как показано на фиг. 2а, фиг. 7, то его возмущающее магнитное поле усиливает основное магнитное поле у первого основного магнита 31 в первом датчике 3 Холла и подавляет основное магнитное поле у второго основного магнита 41 во втором датчике 4 Холла. Следовательно, первый датчик 3 Холла выдает цифровой сигнал 300 и регистрирует вращение или полный останов зубчатого колеса 2 соответственно. В этой ситуации второй детектор 40 Холла, чье основное магнитное поле подавляется, не выдает переменный аналоговый сигнал, так что из датчика 4 Холла не передается никакого переменного цифрового сигнала 400. Результирующий цифровой сигнал 700, переданный из магнитного датчика 1 скорости, имеет такую же частоту и такую же длительность фазы, как и результирующий сигнал 700 на фиг. 6, и предоставляет неискаженную информацию о скорости зубчатого колеса 20.
Если южный полюс S возмущающего магнита прикрепляется к коробке 2 передач, как показано на фиг. 3а, фиг. 8, то его возмущающее магнитное поле устраняет основное магнитное поле у первого основного магнита 31 в первом датчике 3 Холла и усиливает основное магнитное поле у второго основного магнита 41 во втором датчике 4 Холла. Следовательно, первый детектор 30 Холла не выдает переменный аналоговый сигнал, и из первого датчика 3 Холла не передается никакого переменного цифрового сигнала 300. В этой ситуации второй детектор 40 Холла, чье основное магнитное поле усиливается, выдает переменный аналоговый сигнал, так что второй датчик 4 Холла подает переменный цифровой сигнал 400. Важно, чтобы основные магниты обоих детекторов имели противоположную магнитную ориентацию, чтобы любое возможное возмущающее внешнее магнитное поле усиливало магнитный поток от одного из детекторов Холла и чтобы подаваемые обоими магнитными детекторами аналоговые сигналы преобразовывались в цифровые сигналы, когда превышаются саморегулирующиеся пороговые значения, в соответствии с чем их значение меньше или больше на выбранный, при желании, гистерезис, чем верхний или нижний пик аналогового сигнала соответственно.