专利名称：车轮速度及加速度探测系统及探测方法
技术领域：
本发明涉及一种磁性传感装置，尤其涉及一种使用磁性传感器单元来探测车4仑速度及/或加速度的系统及其方法。
背景技术：
速度传感装置中用到许多种技术来探测部件的转速。例如在各种车型中，速度传感装置就与汽车防抱制动系统(ant-lock braking systems, ABS )共同配合 来探测车轮速度。美国专利申请第10/847,838号揭露了一种专用的速度传感装 置，请将该专利申请的全部内容并入作为本发明的参考。传统汽车安装了磁性编码车轮，此种车轮的外表面具有磁化铁氧体。具体 地，该磁化铁氧体容纳于一层压板内，并具有交替的南极和北极，层压板沿着 编码车轮圆周环绕。编码车轮内设有连接部件，它从车轮表面凸伸向磁性传感 装置。随着车轮的旋转，磁性传感装置会探测交替磁极的磁场强度的变化情况， 根据传感装置输出的该变化情况及该交替的磁场可以计算出编码车轮的转速。 该计算中会用到例如传感装置输出的峰值和绕编码车轮一周的交替的磁极数之间的关系。一种用于探测速度的磁性传感装置包括 一 霍尔效应传感器(Hall effect transducer)。在磁场存在时，该传感器产生横向电流；当给该传感器两端供直流 电时，将会产生纵向电流。在磁场存在的情况下，霍尔效应传感器内部感应的 横向电压可以由垂直第一对电极的第二对电极来测量。随着编码车轮的转动， 传感器表面的电势产生正弦波输出。图1A是一典型汽车的示意图，该汽车具有速度传感器和与之配合工作的编
码器。图1B是编码车轮的部分放大示意图，显示了产生于编码车轮的磁场。编码车轮10与驱动车轮22转动的主动轴20连接。 一防抱制动系统14位于编码车轮 IO上，它包括一磁性传感器16和一汽车控制組件18。编码牟轮10磁化时，会在 其周围产生多个交替的南》兹极和北》兹极。当编码车4仑10转动时，磁场发生变化， 磁性传感器16会探测到这种变化并感应出电势。汽车控制组件18根据感应电势 来计算速度并把该速度信号传给防抱制动系统14。然而，这种技术存在一些缺陷。例如，制造出能在编码车轮周围产生交变 的南磁极和北磁极的系统是困难、昂贵的，且这种系统很复杂。而且，为了控 制汽车的运行质量，必须探测汽车的转动速度和加速度，而现有技术只能探测 汽车的速度。因此，有必要提供一种改进的系统以克服现有技术的不足。 发明内容本发明的目的在于提供一种探测车轮速度和/或加速度的系统，可以方便地 探测运动车轮的速度/加速度，有效地掌控制汽车的运行状态，有利于控制和优 化车速。本发明的另一目的在于提供一种探测车轮速度和/或加速度的方法，可以方便地测知运动车轮的速度/加速度Z有效地掌控制汽车的运行状态，有利于控制 和优化车速。为实现上述目的，本发明提供了一种探测车轮速度和/或加速度的系统，连 接到所述车轮上的传感器，所述传感器包括一具有若干电阻的电路，所述每个 电阻具有一个至少部分相对于外部石兹场的；兹场强度变化而可变的电阻值，所述传感器至少部分根据所述电阻的阻值而产生信号；及至少部分根据所述信号计 算旋转车轮的速度和/或加速度的处理器。在本发明的探测车轮速度和/或加速度的系统实施例中，所述传感器是根据 惠斯登电桥电路原理构造的。该电桥电路的四个电阻均包括一个巨磁阻(GMR)
元件，所述巨磁阻元件的阻值根据外部磁场的磁场强度的变化而变化。位于各 半桥内的两巨磁阻元件均处于不同的磁场中，因此当车轮转动时，电桥的输出 端会产生差动电压，于是传感器输出不同的电压值。本发明提供一种探测车轮速度和/或加速度的方法，该方法包括如下步骤 在车轮上配置一具有若干电阻的电路的传感器；将至少部分根据所述电阻内的 元件反映的相对于外部磁场的磁场强度的变化转变为电阻阻值的变化；根据所 述电阻阻值产生信号；以及至少部分根据所述信号计算转动车轮速度和/或加速度。在本发明的探测车轮速度和/或加速度的方法实施例中，所述传感器是根据 惠斯登电桥电路原理构造的。惠斯登电桥电路的四个电阻均由巨磁阻(GMR) 元件制成，巨磁阻元件根据外部磁场的磁场强度的变化而改变阻值。位于各半 桥种的两巨磁阻元件均处于不同的^F兹场中，因此当车轮转动时，电桥的输出端 会产生差动电压，于是传感器输出不同的电压值。在本发明的一实施例中，所述惠斯登电桥电路包括四个电阻。在本发明的 另 一实施例中，所述每个巨磁阻元件包括至少由铁磁层和非磁层构成的至少两 层。在本发明又一实施例中，所述外部》兹场是i也》兹场。在本发明再一实施例中，所述信号是具有周期T的波形，所述传感器距离 所述转动车轮中心的距离为R。所述处理器根据公式速度-2:xR/T计算所述转动 车轮的速度。在本发明再另一实施例中，所述波形是一能反映在一小时段At内 的速度变化Au的波形，所述处理器根据公式加速度=Au/At计算所述转动车轮 的加速度。本发明实施例中。所述传感器采用了各向异性磁电阻(AMR)、穿遂式磁电 阻(TMR)或霍尔效应元件。该传感器使用地磁场，而不需要另外的磁铁、磁性元 件或者磁化体。这种简化的结构可以降低制造成本。另外，该传感器尺寸小， 能用于探测不同种类物体的速度和/或加速度。与现有技术相比，本发明克服了现有技术只能探测汽车速度的缺陷，能方便地测知运动车轮的速度/力口速度，有效地掌控制汽车的运行状态，有利于控制 和优化车速。为详细说明本发明地技术内容、构造特征、所达目的及效果， 一下结合实 施例并配合附图详细予以i兌明。
图1A是具有汽车速度传感器和与之配合工作的编码器(encoder)的传统汽 车的示意图。图1B是图1中的编码车轮(encoder wheel)的部分放大示意图，显示了 编码车轮的磁场。图2A是本发明 一个实施例的汽车防抱制动系统的示意图。 图2B是与本发明一示例磁性传感装置之惠斯登电桥电敏Wheatstone bridge circuit)配合工作的电路图。图2C是本发明一实施例的传感装置的框图。图2D-2E展示了磁场强度、角度以及阻值之间的关系。图3是地磁场的简化模拟图。图4是本发明 一实施例的具有磁性传感装置的车轮的示意图。图5是本发明一示例传感装置输出电压与时间关系的曲线图，详细展示了 本发明一实施例计算车轮速度的方法。图6是本发明一示例传感装置输出电压与时间关系的曲线图，详细展示了 本发明 一 实施例计算车轮加速度的方法。图7是计算旋转车轮的速度和加速度的方法的流程图。
具体实施方式
以下示范性的实施例将提供一种传感装置，该装置包括一印刷电路板组件 (PCBA)、 一惠斯登电桥电路、 一地磁场探测器和一处理器。在惠斯登电桥电
路的四个电阻中，每一 电阻均由巨》兹阻(GMR )元件制成，每一 巨石兹组元件为层状结构，该层状结构包括至少一铁磁层(如固定层(pin layer))和一非磁层(如 自由层(free layer))。当外部磁场变化时，自由层或非磁层将沿铁磁层或固定层 转动，进而引起铁磁层或固定层电阻变化。惠斯登电桥一般通过平衡电桥两臂的方法来测量未知电阻。而本发明实施 例中的惠斯登电桥用以使巨磁阻元件的差动信号输出功率增倍。如图2B所示， 惠斯登电桥电路中一半桥的巨磁阻元件具有相同的针顶方向(pin direction),另一 半桥的巨磁阻元件具有相反的针顶方向。因此，每半桥产生的磁场会在电桥输 出端感应出最大差动电压，从而潜在地提高了传感装置的测量精度。磁阻一般是指某材料被施加外部磁场时，其电阻增大或减小的性能。 一种 特殊的》兹阻、巨》兹阻效应就是量子力学效应，例如在由交替4^磁层和无^兹金属 层构成的薄膜结构中会发生此种效应。巨磁阻表现为阻值将会明显减小，即当 由于层间的弱反铁磁耦合引起相邻铁磁层的磁化向量反平行时的阻值为一较大 值(零场状态)，减小到由于施加外部磁场引起相邻铁磁层的磁化向量平行时的 阻值为一较小值。无石兹金属中电子的自旋方向与外部磁场平行或反平行，因此， 当相邻铁磁层的磁化向量平行时，自旋电子会受到较小的磁散射。在一些实施 例中会用到多层巨磁阻、自旋阔巨磁阻和/或粒状巨磁阻。而在某些实施例中使 用各向异性磁电阻(AMR)、穿遂式磁电阻(TMR)或霍尔效应传感器代替上述的巨 磁阻传感器。传感装置位于车轮中。当车轮旋转时，传感器探测到相对于地磁场的变化 量，该变化量至少部分可以为地磁场与磁性传感装置固定层方向的夹角的变化。 在具体实施例中，这种效应之所以会发生，是因为惠斯登电桥电路中一半桥的 巨磁阻元件具有相同的针顶方向(pin direction )，另 一半桥的巨石兹阻元件具有相 反的针顶方向。因此，每半桥产生的磁场会在输出端产生最大差动电压。处理 器用于计算并且选择性的显示车轮的速度和/或加速度。现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的附图标记代表类似的元
件。图2A是本发明一个实施例的汽车防抱制动系统的示意图。图中所示的汽车防抱制动系统包括一磁性传感装置200,该磁性传感装置200能从编码车轮203 上收集数据。 一控制组件202给传感装置200供电。另外，控制组件202可探 测和/或计算由传感装置200中的惠斯登电桥电路产生的差动电压。图2B所示电路用于配合磁性传感器装置的惠斯登电桥电路工作。惠斯登电 桥电路具有四个巨磁阻传感元件Al、 A2、 A3和A4。优选地，每一半桥的巨磁 阻传感元件具有相同的针顶方向，两个不同半桥的巨磁阻传感元件的针顶方向 相反。例如，如图中pdl和pd2所示，巨磁阻传感元件Al和A2具有相同的针 顶方向，A3和A4具有相同的针顶方向，而A1、 A2与A3、 A4具有相反的针 顶方向。这样的设计会使传感装置保持一最大差动电压输出。巨磁阻元件Al与A4之间加上直流电压Vcc给系统供电。巨磁阻元件A2 和A3之间接一地线GND。差动电压输出的一端接在Al、 A3间，另 一端接在 A2、 A4间。当然其它类似的结构(例如变化电压输入端、接地点以及差动电压 读数端等)是可行的，也是可预期的。图2C本发明一实施例的传感装置200的框图。当车轮203转动时，在惠斯 登电桥电路中感应出差动电压(如正弦波)，传感器210探测-兹场变化。从传感 器210发出的信号传到处理器212。处理器212计算车轮速度和/或加速度，并 发送计算结果到速度显示器214和/或把结果储存到存储器216。图2D和2E展示了磁场强度、角度以及阻值之间的关系。当磁场方向随着 巨磁阻针顶方向变化时，其角度的变化量与巨磁阻元件阻值的变化量成比例。 这种变化同在惠斯登电桥两端施加电压是具有相同效果的。由于两半桥的巨磁 阻元件的针顶方向相反，因此当车轮旋转时，在差动电压输出端会感应出一个 电动势(如正弦电压)。例如，如图2D所示，随着角度e增加，磁场强度也增 加(为说明，此处是以安培/米，即H来度量的)。相应地，如图2E所示，角度 e的变化与电阻值或电阻值的变化率(AR/R)的变化相对应。图3是地磁场的简化模拟图，显示了地理南北极与电磁南北极。从该图中 可以看出，地理南极与电磁南极之间相差大约11.5°，地球301绕着图中地理北 极周围的弯箭头所示的自转轴旋转。地球301具有磁场303,此磁场303感应出 磁力线304 (也称地球》兹圈，其延伸到太空大约70000千米)，该磁力线304起始 于北极终止于南极。当车轮在地碣场中转动时，传感装置会探测磁场变化并由 此产生输出信号。图4展示了本发明一实施例的磁性传感装置是如何工作的。图4尤其是具 有磁性传感装置200的车轮203的示意图。当车轮203在位置A时，地球磁场 方向与固定层和自由层的方向垂直，此时，传感装置产生一最大输出，该输出 与正弦波的最大峰值相对应(以下详细描述)。当车轮203从A点开始转动时， 磁场方向与固定/自由层的方向之间具有一角度e，由于越来越弱的磁场作用， 该车轮会产生较小的输出。当车轮203向位置C转动时，磁场的影响慢慢减弱， 当车轮到达C点时，由于其有效> 兹场为零，因此输出也为0。当车轮203从C 点继续转动时，有效磁场随之增加，并在到达如图中A，位置时再次达到最大 输出值。同理，当车轮203从位置A，以顺时针方向返回位置A时，传感装置 200以正弦波输出。需要注意的是，以上的位置是自定义的，以方便说明，传感 装置也可以任意采样率产生信号(较高的采样率产生的结果更精确)。例如，可 每5毫秒(ms)采样一次。车轮上的传感器设置位置可以变化，其输出也相应 改变(如相位移)。图5是本发明一传感装置输出电压与时间的关系曲线，详细展示了本发明 计算车轮速度的方法。如前所述，当传感装置随着车轮旋转时，其产生正弦输 出。从图中的正弦输出线上，可以看出正弦波形的周期T。传感装置安装后，传 感装置的半径R (相对于车轮)为已知数。此时车轮速度等于2:iRyT,它是通过 传感装置的处理器来计算的。处理器还可以进行差错检测。图6是本发明一传感装置输出电压与时间的关系曲线，详细展示了本发明 计算车轮加速度的方法。如前所述，当传感装置随着车轮旋转时，其产生正弦 输出。从图中的正弦输出线上，可以看出正弦波形的周期T。同样处理器计算出
一个短时段At内的速度变化量AU。此时加速度等于AU除以At。当然，处理器 还可以进行差错检测。图7是探测旋转车轮的速度和加速度的方法的流程图。步骤S70，在旋转牟 轮上安装传感装置，该传感装置含有一包括巨磁阻元件电阻的电路。步骤S72, 根据巨磁阻元件反映的相对于外部磁场的磁场强度变化，产生电阻阻值的变化。 步骤S74,根据电阻阻值，产生信号。步骤S76,运用公式计算车轮速度和/或 加速度。在具体实施中，各向异性磁电阻、穿遂式磁电阻或霍尔效应传感元件 都可用于探测速度和/或加速度。
尽管上述实施例已详细说明了在具有防抱制动系统的汽车中进行探测速度 和/或加速度的装置和/或方法，但是这种技术也可用于任何型号任何种类的机 动车(如汽车、公交车、摩托车、自行车等)。例如，它可用于测量速度和/或 加速度，从而为司机提供附加的、.可选的参考以进行更好的控制。同样，它还 可用于司机辅助系统中，可有效地改变车速。另外，本发明可以用于车辆以外的领知戈。本发明可以用于^壬^r具有轮子的部件，例如一个石更盘。以上披露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能由此来限定本发明之 权利范围。因此依本发明专利申请范围所作的同等变化仍述本发明所涵盖的范围。
权利要求
1.一种探测车轮速度和/或加速度的系统，包括连接到所述车轮上的传感器，所述传感器包括一具有若干电阻的电路，所述每个电阻具有一个至少部分相对于外部磁场的磁场强度变化而可变的电阻值，所述传感器至少部分根据所述电阻的阻值而产生信号；及至少部分根据所述信号计算旋转车轮的速度和/或加速度的处理器。
2. 如权利要求1所述的探测车轮速度和/或加速度的系统，其特征在于 所述每个电阻包括至少 一个巨磁阻元件。
3. 如权利要求1所述的探测车轮速度和/或加速度的系统，其特征在于 所述电路是惠斯登电桥电路。
4. 如权利要求2所述的探测车轮速度和/或加速度的系统，其特征在于 所述每个巨磁阻元件包括至少包括铁磁层和非磁层的至少两层。
5. 如权利要求1所述的探测车轮速度和/或加速度的系统，其特征在于 所述每个电阻包4舌各向异性;兹电阻元件、穿遂式f兹电阻元件或霍尔效应元件 三者中的至少一个。
6. 如权利要求1所述的探测车轮速度和/或加速度的系统，其特征在于 所述外部磁场是地》兹场。
7. 如权利要求1所述的探测车轮速度和/或加速度的系统，其特征在于 所述信号是具有周期T的波形，所述传感器距离所述转动车轮中心的距离为 R,所述处理器根据公式2nR/T计算所述转动车轮的速度。
8. 如权利要求1所述的探测车轮速度和/或加速度的系统，其特征在于 所述信号是一个能反映在一个小时段At内的速度变化Au的波形，所述处理 器根据公式Au/At计算所述转动车轮的加速度。
9. 一种探测车轮速度和/或加速度的方法，其特征在于包括如下步骤在车4仑上配置一具有若干电阻的电^各的传感器；的变化转变为电阻阻值的变化；根据所述电阻阻值产生信号；以及 至少部分根据所述信号计算转动车轮速度和/或加速度。
10. 如权利要求9所述的探测车轮速度和/或加速度方法，其特征在于 所述每个电阻包括各向异性磁电阻元件、穿遂式磁电阻元件或霍尔效应元件 三者中的至少一个。
11. 如权利要求9所述的探测车轮速度和/或加速度的方法，其特征在于 所述电路是惠斯登电桥电路。
12. 如权利要求9所述的探测车轮速度和/或加速度的方法，其特征在于 所述外部f兹场是地i兹场。
13. 如权利要求9所述的探测车轮速度和/或加速度的方法，其特征在于 所述信号是具有周期T的波形，所述传感器距离所述转动车轮中心的距离为 R,所述处理器根据公式2jxR/T计算所述转动车轮的速度。
14. 如权利要求9所述的探测车轮速度和/或加速度的方法，其特征在于 所述信号是一能反映在一个小时段At内的速度变化Au的波形，所述处理器 根据公式Au/At计算所述转动车轮的加速度。
全文摘要
本发明公开了一种探测车轮速度和/或加速度的系统，该系统包括一连接到旋转车轮上的传感器和一处理器。所述传感器包括一具有若干电阻(如4个)的电路(如惠斯登电桥电路)。所述每个电阻包括一个巨磁阻元件并且具有一个至少部分相对于外部磁场的磁场强度变化而可变的电阻值。所述传感器至少部分根据所述电阻的阻值而产生信号。所述处理器至少根据所述信号计算旋转车轮的速度和/或加速度。本发明同时揭露了利用该系统探测车轮速度和/或加速度的方法。本发明可以方便地测知运动车轮的速度/加速度，有效地掌控制汽车的运行状态，有利于控制和优化车速。
文档编号G01P15/12GK101131397SQ200610125640
公开日2008年2月27日 申请日期2006年8月23日 优先权日2006年8月23日
发明者姚明高 申请人:新科实业有限公司