EPS传感器系列（二）：磁场检测式传感器工作原理

学习“磁场检测式传感器工作原理”前，回顾磁场检测式传感器在扭矩转换环节，将转向扭杆变形量Φ转换为磁通量B，然后由不同原理的电子元件检测出磁通量B的变化，最终转换为电信号输出。

根据电子元件原理不同，可分为以下3中形式：霍尔元件式、巨磁元件式（MR）和PCB板式。

一、霍尔元件式

1.霍尔原理

在均匀强磁场 B 中放入一块板状金属导体，并与磁场 B 方向垂直，如下图1，在金属板中沿与磁场 B 垂直的方向通以电流 I 的时候，在金属板上下表面之间会出现横向电势差 UH，这种现象称为霍尔效应，电势差 UH 称为霍尔电势差。（霍尔片由多种半导体材料制作，如 Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP 以及多层半导体异质结构量子阱材料等）。

图 1 霍尔原理

2.检测原理

当施加转向力矩时，扭杆会产生扭转变形，输入轴和输出轴的相对角度等于扭杆变形角度：

扭矩传感器的磁极和磁感应单元分别装在输入轴和输出轴上，磁极与磁感应单元的相对位置随扭杆变形的角度变化，磁感应单元感应的磁感应强度B也随之变化；

基于霍尔效应，Hall-IC将磁感应强度B转换为霍尔电压输出：

上式中，I为流过半导体横截面的电流，d为半导体厚度，RH为霍尔系数，KH为霍尔原件的灵敏度。

图 2 检测机制

布置方式可分为径向布置和轴向布置两种方式，见下图3。

图 3 霍尔原件式传感器布置方式

二、巨磁元件式

1.巨磁电阻（MR）效应

指某些磁性或合金材料的磁电阻在一定磁场作用下急剧减小，而Δr/r急剧增大的特性，一般增大的幅度比通常的磁性与合金材料的磁电阻约高 10 倍。（巨磁传感器材料：Fe/Cr、FeMn/FeNi/Cu/FeNi、Fe-Co、AMnO 3 ）。

2.检测原理

如下图3所示，将GMR元件放在磁化2极磁轮的侧面，由于旋转磁场的变化，引起GMR元件内部Δr变化，从而检测出旋转磁铁的位置，也就是扭杆的角度。

图 4 霍尔原件式传感器布置方式

三、PCB板式

1.结构

PCB 板传感器是磁场检测原理传感器的一种，通过 PCB 板激励线圈产生磁场，由转子的不同位置反应出当前扭杆上下部分的角度，最终在 PCB 板接收线圈产生感应电流，见下图4、图5。

图 5 TAS传感器爆炸图

图 6 PCB板结构

2.检测原理

集成电路传递交流电给发射线圈 → 通过电磁感应在转子中产生感应电流→ 接收线圈产生感应电动势 → 接收线圈的感应电流（3 对）提供给集成电路 1 和 2 → 集成电路计算转子位置 → 数据传送到 ECU。动作图见下图7。

图 7 动作图

输出信号见下图8。

图 8 输出信号