一種新型低成本法－將磁滯伸縮傳感器引入汽車市場

汽車工業(yè)，尤其是減震器制造商，長期以來一直為磁滯伸縮傳感器的非接觸設(shè)計，內(nèi)部安裝，高性能，精確的測量及可調(diào)節(jié)的輸出等特點所吸引。然而，直到現(xiàn)在這些裝置也只是主要用在工廠自動化中，這是因為它們相對小的批量生產(chǎn)決定了其較高的價格。
通過采用新的制造工藝，MTS系統(tǒng)公司已開發(fā)出了較低成本的磁滯伸縮傳感器以滿足汽車市場的需要。
基本特點
術(shù)語“磁滯伸縮”描述了一些材料在磁場存在下改變形狀，收縮或擴張的趨勢。通常一種材料的磁疇是隨機分布的。當(dāng)施加一個磁場時，這些磁疇將成行排列，導(dǎo)致材料形狀的改變或伸長（見圖1）。

利用這個特點，可將波導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用在磁滯伸縮線路中而生產(chǎn)出磁滯伸縮位置傳感器，此類傳感器的磁滯效應(yīng)能引起應(yīng)變脈沖。由于傳播的速度是恒定和可重復(fù)的，這樣通過測量脈沖的時間就可知道所需的距離，脈沖由兩個磁場的瞬間交互作用產(chǎn)生（見圖2）。

其中，一個磁場由一個永久磁鐵產(chǎn)生，經(jīng)過傳感器管的外面。另一個磁場則環(huán)繞著整個波導(dǎo)，它在一個詢問脈沖施加于波導(dǎo)時產(chǎn)生。
在這兩個磁場的交互作用點,即當(dāng)前磁場位置，產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖。應(yīng)變脈沖或波以聲音的速度沿著波導(dǎo)在波導(dǎo)合金中傳播（3.54µs/cm），直到脈沖在傳感器的端頭被檢測到（見圖3）。

通過測量電子脈沖發(fā)射和應(yīng)變脈沖到達之間的時間可以精確地計算出移動磁場的位置，從而實現(xiàn)無接觸的位置傳感而不磨損任何傳感元件。

由于應(yīng)變脈沖很小，在20-30µs數(shù)量級，因此對波導(dǎo)沒有任何損耗。詢問間隔決定于傳感器的長度。典型頻率是1-3kHz。
因為對每個沿傳感器分布的磁場都會產(chǎn)生一個返回脈沖，因此可設(shè)計出監(jiān)控兩個位置的傳感器。這樣，一個傳感器可進行不同的測量或監(jiān)控兩個不同的位置。利用這個特點，一個MTS的傳感器可同時監(jiān)測一根軸的線性運動以及旋轉(zhuǎn)運動（見圖4）。應(yīng)用的一個例子是汽車的手動傳送。當(dāng)經(jīng)過H模式時，變速桿的線性和旋轉(zhuǎn)運動會自動模擬自動傳送時的行為。
當(dāng)前和將來的應(yīng)用
定制的磁滯伸縮位置傳感器現(xiàn)有多種汽車上的應(yīng)用，包括Mercedes S 類自動車身控制系統(tǒng)（ABC系統(tǒng)）和Carrera 賽車緩沖器。其他市場包括醫(yī)藥器械設(shè)備。這些新型定制及標(biāo)準磁滯伸縮傳感器在產(chǎn)量大時可大大減少成本。同時它們也向設(shè)計工程師提供了一種具有非接觸耐久性，通用包裝和輸出選擇等功能的新型傳感器。

降低制造成本的可行性
在工業(yè)磁滯伸縮傳感器市場，對傳感器的種類和性能要求越來越高，盡管傳感器制造商一直在努力降低成本，但生產(chǎn)十來件工業(yè)機型的價格仍然在幾百美元以上，這樣就妨礙了它們的批量應(yīng)用。
90年代中期，MTS將產(chǎn)品生產(chǎn)從單塊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變到模塊結(jié)構(gòu)（見圖片2），目的就是為加快新機型的設(shè)計和生產(chǎn)，促使基本的傳感器元件成為低成本產(chǎn)品。

進入CSE
1998年，MTS引入一種新型基礎(chǔ)傳感器元件模塊（CSE）以及低成本生產(chǎn)它所需的自動化生產(chǎn)線。CSE設(shè)計就是在傳輸線上進行流水線的自動生產(chǎn)(見圖片3)。組件放置在一些合適崗位的箱子中，每個崗位選擇一個組件，完成一專門的裝配工作或進行粘結(jié)，焊接和測試。這 樣可做到每17秒生產(chǎn)一個基礎(chǔ)傳感器元件模塊。

一般來說典型的訂單都在2500到10000件左右，這樣就可將一個設(shè)備的成本分攤到許多傳感器的成本上，從而降低傳感器的銷售價格。由于每個崗位每次都以同樣的方式做同樣的工作，并且每個崗位都有自動的質(zhì)量保證檢查，這樣也就成品使質(zhì)量得到了保證。
這些低成本的CSE 傳感器元件模塊與大量的電子模塊包裝組合完成最后的裝配。MTS經(jīng)常與自動包裝廠商合作完成定制的裝配或由用戶自己完成。
汽車設(shè)備上所用的產(chǎn)品一般每年在5萬到幾十萬件，再加上這些產(chǎn)品的技術(shù)適應(yīng)性很強，這樣就可使該產(chǎn)品符合在專門的組裝線上生產(chǎn)，從保證產(chǎn)品的價格降低。
小批量生產(chǎn)的低成本
用量在50000件/年以上的用戶可采用包裝電子器件定制方式生產(chǎn)，這樣可分攤研究開發(fā)的費用。但對2500-30000件/年的數(shù)量來說就不是這樣。為了進入這部分商業(yè)市場，MTS將它的CSE基本傳感器元件模塊與標(biāo)準電子器件相組合，并采用低成本的包裝來生產(chǎn)一種標(biāo)準的完整傳感器（見圖片4）。依靠標(biāo)準化包裝和電子器件，可免去研究開發(fā)專門裝配線的資金，同時研究開發(fā)的時間也可以縮短。

CSE傳感器的出現(xiàn)

新型基于CSE的傳感器的首次應(yīng)用是Mercedes S型自動車體控制系統(tǒng)（ABC系統(tǒng)）。在車身每個角裝有一支螺杠，同時配備一個集成液壓致動器和一個基于CSE的定制傳感器（見圖片5）。

此情況下，電子器件在桿中沿著傳感器的軸放置。致動器控制預(yù)加負載，進而控制這個角的高度。
微計算機根據(jù)磁滯伸縮傳感器的數(shù)據(jù)計算施加于每個彈簧的壓力和作用時間。除此之外，安全是系統(tǒng)提供的主要優(yōu)點。ABC系統(tǒng)能在幾毫秒內(nèi)穩(wěn)定機身。例如當(dāng)使用此系統(tǒng)時，搖晃的角度減少68%。
對于振動，每個汽缸能以最大到5Hz的頻率移動。該系統(tǒng)也包括一個基于汽車載荷的自動自我平衡系統(tǒng)。此外，駕駛員可在低速時改變汽車高度25或50mm。當(dāng)速度大于140kph時，車身自動下沉10mm以減輕空氣阻力。

Carrera 緩沖器

Carrera 賽車緩沖器給予駕駛員和懸浮調(diào)節(jié)器更多的控制和調(diào)節(jié)能力。懸浮調(diào)節(jié)器在環(huán)境變化時調(diào)節(jié)得到更好的軌道性能。為達到這個目的，Carrera 在它的新型雙調(diào)節(jié)MagneShock機型中使用了兩個革新。第一個是采用在磁場中改變粘性的磁流變液體。Carrera 利用此特性來動態(tài)改變震動的衰減速度。第二個是Temposonics CSE。它測量震動和運動并反饋回控制器。