Was sind die Unterschiede zwischen Hall-Effekt-Geschwindigkeitssensoren und magnetoelektrischen Geschwindigkeitssensoren? Ein Vergleich ihrer Vor- und Nachteile.

Die Geschwindigkeitssensoren sind ein zentraler Bestandteil des elektronischen Systems im Automobil, das die Schlüsselaufgabe übernimmt, mechanische Bewegung in elektrische Signale umzuwandeln. Hall-Effekt-Sensoren und magnetoelektrische Sensoren weisen als zwei wesentliche technische Methoden erhebliche Unterschiede im Prinzip, in der Leistung und in den Anwendungsszenarien auf. In diesem Artikel werden das technische Prinzip, die Ertragseigenschaften, die Anpassungsfähigkeit an die Umwelt, die Kostenstruktur und die typische Anwendung eingehend verglichen und technische Auswahlhilfen für die Ingenieurpraxis bereitgestellt.

1.1 Magnetoelektrische Sensoren: Mechanische Energieumwandlung basierend auf elektromagnetischer Induktion
Magnetoelektrische Sensoren arbeiten durch elektromagnetische Induktion. Seine Kernstruktur besteht aus Permanentmagneten, Spulen und beweglichen Komponenten wie Geschwindigkeitsgetrieben. Wenn sich das Zahnrad dreht, bewirken die abwechselnden Zahn- und Luftspalte eine periodische Änderung der Reluktanz des Magnetkreises, was zu einer dynamischen Änderung des Spulenflusses führt. Gemäß dem elektromagnetischen Induktionsgesetz von Faraday ist eine in der Spule erzeugte induzierte elektromotorische Kraft proportional zur Geschwindigkeit der Flussänderung, mathematisch ausgedrückt als:

e=−N (dt/dΦ​)
Dabei ist e die induzierte elektromotorische Kraft, N die Anzahl der Spulenwindungen und Φ der magnetische Fluss. Dieses Prinzip schreibt vor, dass magnetoelektrische Sensoren auf der Relativbewegung zwischen sich bewegenden Komponenten und dem Magnetfeld basieren müssen, wobei die Amplitude des Ausgangssignals proportional zur Drehzahl ist.
1.2 Hall-Effekt-Sensor: Magnetfeldmodulationstechnologie basierend auf dem Hall-Effekt
Hall-Effekt-Sensoren nutzen den Hall-Effekt in Halbleitermaterialien, um eine Signalumwandlung zu erreichen. Wenn der Strom durch ein Hall-Element fließt, das sich in einem Magnetfeld befindet, werden die Ladungsträger der Lorenzkraft ausgesetzt, die sie ablenkt und auf dem Element eine Potentialdifferenz erzeugt, die proportional zur Stärke und Stromstärke des Magnetfelds ist (Hall-Spannung):

VH​=KH​IB​/d
Dabei ist VH​ die Hall-Spannung, KH​ der Hall-Koeffizient, I der Steuerstrom, B die magnetische Feldstärke und d die Elementdicke. In praktischen Anwendungen ändert sich durch die Installation eines Geberrads (mit Zähnen oder Kerben) an rotierenden Bauteilen die magnetische Feldstärke periodisch mit der Drehung des Geberrads und wandelt dadurch mechanische Bewegung in gepulste elektrische Signale um.

2.1 Magnetoelektrische Sensoren: Dynamische Reaktionseigenschaften analoger Signale
Magnetoelektrische Sensoren erzeugen kontinuierliche analoge Signale mit einer Wellenform ähnlich einer Sinuswelle bei einer Wechselspannung. Die Amplitude des Signals ist proportional zur Geschwindigkeit. Beispielsweise kann bei der Anwendung eines Drehzahlmesszahnrads mit 60{{3}Zähnen-die Ausgangsamplitude über 200 mV bei 50 U/min betragen. Diese Funktion verschafft ihm einen Vorteil in Hochgeschwindigkeits-Messszenarien, weist jedoch auch die folgenden Einschränkungen auf:

• Leistung bei niedriger Geschwindigkeit: Wenn die Geschwindigkeit weniger als 10 U/min beträgt, fällt die Signalamplitude des Signals stark ab, was zu einer Verringerung des SNR führt.
• Schwache Anti--Interferenzfähigkeit: Analoge Signale sind anfällig für elektromagnetische Störungen und erfordern zusätzliche Filterschaltungsdesigns.
• Nichtlineare Fehler: Bei hoher Geschwindigkeit führt die Zunahme der Verluste im Magnetkreis zur Sättigung der Ausgangs-EMK, was zu nichtlinearen Verzerrungen führt.

2.2 Hall-Effekt-Sensoren: Präzisionssteuerungsvorteile digitaler Signale

Der Ausgang des Hall-Effekt-Sensors ist ein regelmäßiges Rechteckimpulssignal, dessen Arbeitszyklus und Frequenzlinearität mit der Geschwindigkeit zusammenhängen. Die HL900G-Serie hat beispielsweise eine Reaktionszeit von 1,2 Mikrosekunden und einen Phasenverzögerungsfehler von weniger als 0,05 Grad. Die Messgenauigkeit blieb im Bereich von 0 bis 15.000 U/min besser als 0,1 %. Die Eigenschaften digitaler Signale haben folgende Vorteile:

• Hohe Störfestigkeit: Bis zu 50 kV/m an vorübergehenden elektromagnetischen Störungen können durch elektromagnetische Abschirmbeschichtungen und Doppelstrangausgang aufrechterhalten werden.
• Hervorragende Leistung bei niedrigen{0}Geschwindigkeiten: Stabile Leistung selbst bei Geschwindigkeiten von nur 0,1 U/min.
• Einfache Signalverarbeitung: Keine komplexen Signalaufbereitungsschaltungen erforderlich, direkte Schnittstelle zum Mikrocontroller möglich.

3.1 Magnetoelektrische Sensoren: Überlebende in rauen Umgebungen
Magnetoelektrische Sensoren sind für eine gute Leistung in extremen Umgebungen ohne externe Stromversorgung ausgelegt:
Temperaturanpassung: Sie können im Bereich von -40 Grad bis 120 Grad betrieben werden, bei einigen Modellen sogar bis 200 Grad.

• Verschmutzungsresistenz: Sie sind unempfindlich gegenüber Öl und Staub und eignen sich daher für raue Umgebungen wie Motorräume.
• Mechanische Robustheit: Hält Vibrationen und Stößen von bis zu 20 g gemäß ISO 16750-3 stand.

Diese Technologie hat jedoch folgende Nachteile:

• Luftspaltempfindlichkeit: Der Spalt zwischen dem Sensorende und dem Geschwindigkeitsgetriebe muss streng auf 0,25–1,2 mm begrenzt werden. Eine Spaltabweichung von mehr als 0,5 mm führt zu einer Signaldämpfung.
• Materialeinschränkungen: Geschwindigkeitsgetriebe müssen aus magnetisch leitenden Materialien wie Elektrostahl bestehen, wodurch die Verwendung nicht{0}}metallischer Materialien eingeschränkt ist.

3.2 Hall-Effekt-Sensoren: Ein Beispiel für Präzisionsfertigung
Der Full-{0}}Effect-Sensor erzielt durch integriertes Design einen Durchbruch bei der Anpassungsfähigkeit an die Umgebung:

• Betrieb in einem breiten Temperaturbereich: Mit Neodym-Eisen-Bor-Magneten und Galliumarsenid-Hall-Chips halten sie im Temperaturbereich von -40 bis 150 Grad Ausgangsschwankungen von weniger als 1 % aufrecht.
• Berührungslose-Messung: Sie halten einen Abstand von 0,5–2 mm zwischen den gemessenen Komponenten aufrecht und eliminieren so das Risiko von mechanischem Verschleiß.

Elektromagnetische Verträglichkeit: Die Ausgangsschwankungen werden durch die Standardverifizierung GB/T 17626 auf ± 0,5 % kontrolliert.
Allerdings erfordert diese Technik eine relativ hohe Montagegenauigkeit:

• Qualität des Abzugsrads: Gebrochene oder deformierte Zähne am Abzugsrad können abnormale Signale verursachen und die Integrität des Abzugsrads muss regelmäßig überprüft werden.
• Risiko der Magnetentmagnetisierung: Längerer Kontakt mit hohen Temperaturen kann dazu führen, dass Permanentmagnete ihren Magnetismus verlieren und die Verwendung von Materialien mit hoher Koerzitivfeldstärke erforderlich machen.

4.1 Magnetoelektrische Sensoren: Kostengünstige-Lösungen
Magnetoelektrische Sensoren haben einen einfachen Aufbau und Kostenvorteile:

• Materialkosten: Es werden Kupferspulen und Ferritmagnete verwendet, wobei die Stückkosten unter 5 US-Dollar liegen.
• Herstellungsprozess: kein Halbleiter-Verpackungsprozess erforderlich, geeignet für die Massenproduktion.
• Wartungskosten: Das passive Design erfordert keinen regelmäßigen Batteriewechsel und kann 10 Jahre oder länger halten.

Allerdings ist diese Lösung mit versteckten Kosten verbunden:

• Signalverarbeitungskosten: Es sind zusätzliche Verstärker- und Filterschaltungen erforderlich, was die Komplexität des Systems erhöht.
• Installations- und Debugging-Kosten: Hohe Anforderungen an die Genauigkeit des Luftspalts und des Zahneingriffs erfordern spezielle Kalibrierwerkzeuge.

4.2 Hall-Effekt-Sensoren: Hochpräziser ROI
Leistungsverbesserungen von Volleffektsensoren durch integriertes Design, aber höhere Kosten:

• Komponentenkosten: Sie verwenden Galliumarsenid-Hall-Chips und Neodym-Eisen-Bor-Magnete und kosten etwa 15 bis 20 US-Dollar pro Einheit.
• Herstellungsprozess: Halbleiterverpackung und Behandlungen zur elektromagnetischen Abschirmung erforderlich, was die Verarbeitung erschwert.
• Systemkosten: Obwohl die digitale Signalverarbeitung periphere Schaltkreise vereinfachen kann, ist hierfür die Einführung passender Mikrocontroller erforderlich.

Die Lösung bietet Kostenvorteile gegenüber einer langfristigen-Nutzung:

• Wartungskosten: Ihr berührungsloses Design eliminiert mechanischen Verschleiß und verlängert den Wartungszyklus auf 5 Jahre oder mehr.
• Präzisionsvorteile: Hochpräzise Messungen können die Motorsteuerungsstrategie optimieren und den Kraftstoffverbrauch um 2–5 % senken.

5.1 Anwendungsszenarien

• Herkömmliche Tachometer: Sie nutzen analoge Signale, um mechanische Tachometer direkt anzutreiben, und bieten niedrige Kosten.
• Industrielle Vibrationsüberwachung: Wird zur Überwachung der Vibrationsfrequenzen großer Motoren, Kompressoren und anderer Geräte verwendet.
• Kostengünstige Drehzahlmessung: geeignet für Landmaschinen und Baumaschinen, die keine hohe Präzision erfordern.

5.2 Anwendungsszenario für Hall-Effekt-Sensoren
Elektronische Systeme für Kraftfahrzeuge:

• ABS-Bremssysteme: Sie überwachen die Geschwindigkeit der Räder in Echtzeit und erreichen eine Genauigkeit der Bremskraftverteilung von ± 1 %.
• Motormanagement: Sie erkennen Kurbelwellenpositionen bei + -0.5 Kurbelwellenwinkel, um den Zündzeitpunkt zu optimieren.
• Automatikgetriebe: Sie erkennen Drehzahlunterschiede zwischen Eingangs- und Ausgangswelle, um eine Schaltreaktion im Millisekundenbereich zu erreichen.

Im Bereich Neue Energie:

• Motorsteuerung für Elektrofahrzeuge: 0–2000 U/min gemessen, Reaktionszeit kleiner oder gleich 50 μs.
• Bitumensysteme für Windkraftanlagen: Sie erkennen Neigungswinkel mit einer Genauigkeit von + -0.1 Grad und weisen eine ausgezeichnete anti-elektromagnetische Interferenz auf.

Mit zunehmender Elektrifizierung des Automobils werden zwei Arten von Technologiemethoden immer stärker integriert:

• Intelligente magnetoelektrische Sensoren: Durch die Integration von Signalaufbereitungschips kann ein digitaler Ausgang wie bei den intelligenten magnetoelektrischen Geschwindigkeitssensoren von Bosch erreicht werden, um die Anti-{0}}Funktionen zu verbessern und gleichzeitig passive Betriebsvorteile beizubehalten.
• Miniaturisierung von Hall-Effekt-Sensoren: Die MEMS-Prozesse zur Herstellung von Miniatur-Hall-Komponenten, deren Größe auf 3 mm x 3 mm reduziert werden kann, um den Platzbedarf der Automobilelektronik zu erfüllen.
• Multi-Sensor Fusion: In Kombination mit Hall-Effekt-Radgeschwindigkeitssensoren und magneto-elektrischen Vibrationssensordaten kann der Fahrzeugzustand umfassend überwacht werden.

Hall-Effekt-Sensoren und magnetoelektrische Sensoren haben ihre eigenen technischen Vorteile und Anwendungsgrenzen:

Wählen Sie im Anwendungsszenario „Magnetoelektrische Sensoren“ aus, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

• Kostensensible-Projekte

Extreme Hitze-/Vibrationsumgebungen
Messung der Drehzahl nicht-metallischer Bauteile

• Im Anwendungsszenario wird der Hall-Effekt-Sensor ausgewählt, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:

Anforderungen an die Messung hoher Genauigkeit (Fehler < 0,5 %)

Komplexe elektromagnetische Umgebung

Systeme, die eine direkte Verarbeitung digitaler Signale erfordern.

Mit Fortschritten in der Materialwissenschaft und Mikroelektronik werden diese beiden technologischen Ansätze auch in Zukunft die physikalischen Grenzen erweitern und eine Schlüsselrolle bei der Welle elektrischer und intelligenter Autos spielen. In der Ingenieurspraxis müssen die Leistungsanforderungen, Kostenbeschränkungen und Umgebungsbedingungen eines bestimmten Anwendungsszenarios vollständig bewertet werden, um die bestmögliche Übereinstimmung für eine technische Lösung zu erreichen.