海拉感應(yīng)式位置傳感器技術(shù)及其應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上海拉感應(yīng)式位置傳感器技術(shù)及其應(yīng)用    在傳動系統(tǒng)和底盤系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電控可進(jìn)一步提高駕駛性能、安全性能、燃油經(jīng)濟(jì)性能以及排放水平。而在汽車可靠性不斷提高的同時(shí)，作為電控裝置的基本組成元件位置傳感器的開發(fā)也必須取得突破性的進(jìn)展，即將傳感器設(shè)計(jì)成為能有效免除灰塵影響的非接觸類型。     實(shí)際應(yīng)用表明，非接觸式傳感器替代電壓計(jì)式傳感器代表著技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展方向。因此，外界不斷召喚新的非接觸式傳感器的出現(xiàn)。當(dāng)然，最好的結(jié)果是在應(yīng)用非接觸式傳感器的同時(shí)還要能夠保留電壓計(jì)式傳感器的優(yōu)點(diǎn)。海拉擁有專利技術(shù)的感應(yīng)式位置傳感器是

2、一種能夠滿足上述條件的新型位置傳感器，它在一個(gè)簡單、緊湊的空間條件下能夠?qū)崿F(xiàn)對線位移和角位移的非接觸式測量，另外，它對制造精度和周圍的環(huán)境要求較低，在汽車制造領(lǐng)域內(nèi)獲得了廣泛的應(yīng)用，如節(jié)氣門傳感器、加速踏板傳感器和轉(zhuǎn)向傳感器等。一、結(jié)構(gòu)與原理1結(jié)構(gòu)圖1 海拉傳感器結(jié)構(gòu)和信號原理    感應(yīng)式位置傳感器同其他角傳感器一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子組成的。在PCB上的定子由激勵線圈、3個(gè)感應(yīng)接受線圈和其他信號處理電子元件組成，轉(zhuǎn)子是一塊簡單的沖壓金屬片。圖1所示的是一個(gè)海拉的測量范圍為60°的傳感器結(jié)構(gòu)和信號原理簡圖，從中可以看出ASIC芯片內(nèi)的振蕩單元及PCB上的

3、激勵線圈和3個(gè)感應(yīng)接受線圈，3個(gè)感應(yīng)線圈的角度差值為量程的1/3（即20°）。    2工作原理圖2感應(yīng)耦合原理    感應(yīng)耦合的原理如圖2所示，激勵線圈中電流產(chǎn)生的電磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流。第一次感應(yīng)耦合與角位置無關(guān)，其作用僅是通過感應(yīng)耦合將能量傳遞給轉(zhuǎn)子。傳感器的相關(guān)信息是通過轉(zhuǎn)子與接受線圈之間的第二次感應(yīng)耦合來實(shí)現(xiàn)的，這次感應(yīng)與轉(zhuǎn)子相對于定子的相對位置有關(guān)。在第二次感應(yīng)中，定子上的電壓幅值隨相對位置而變化，信號處理單元接受線圈的電壓信號，進(jìn)行整流、放大并成對地將其按比例輸出。這種將輸出電壓與角度按比例測量的原理在很大

4、程度上不會受到機(jī)械公差（如空氣間隙的變化、軸線偏心和傾斜）的影響。同時(shí)，電信號和電磁干擾在很大程度上也得到了抑制。    120°和60°的角度傳感器相比較，僅需根據(jù)測量范圍相應(yīng)地改變PCB上的感應(yīng)線圈和轉(zhuǎn)子形狀，其他零件都是不變的。這種標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是海拉感應(yīng)傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一，使得應(yīng)用變得簡單。圖3  線性位置傳感器結(jié)構(gòu)    感應(yīng)傳感原理的應(yīng)用不僅僅局限于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，同樣也可以將傳感器設(shè)計(jì)成線性結(jié)構(gòu)（如圖3所示）。電子油門踏板模塊就是線性感應(yīng)傳感原理應(yīng)用的一個(gè)典型實(shí)例，由一塊金屬片組成的滑片（轉(zhuǎn)子）貼在靠

5、近回位彈簧的滑動元件上，能夠?qū)崿F(xiàn)100mm內(nèi)的位移測量。     與靜電磁場原理不同的是，感應(yīng)式位置傳感器里面沒有與溫度相關(guān)的磁性材料，如鐵心、鐵氧體或磁鐵芯。因此，這種沒有受溫度影響元件的傳感器無須設(shè)計(jì)專門的溫度補(bǔ)償回路，所有因尺寸變化和電信號處理過程中產(chǎn)生的溫度漂移都可通過比例測量技術(shù)加以消除?，F(xiàn)在，該特性已在多種應(yīng)用中得到了證實(shí)。    二、技術(shù)特點(diǎn)    1定制芯片和定制芯片的研制圖4 海拉位置傳感器的基本原理圖    定制芯片技術(shù)是海拉的感應(yīng)式位置傳感器的一個(gè)重要組

6、成部分。使用一個(gè)定制芯片，可以相應(yīng)地減少傳感器的電子元件。圖4所示的是海拉傳感器的原理框圖，其輸出信號有兩種：模擬信號和脈寬調(diào)制信號。同時(shí)，該傳感器還可以設(shè)計(jì)有總線通信接口。但由于只有基于大批量生產(chǎn)才能獲得可以接受的價(jià)格，相比于直接提供模擬信號和脈寬調(diào)制信號的傳感器而言，這種可用于總線通信的傳感器還沒有得到大規(guī)模應(yīng)用。    除了這個(gè)挑戰(zhàn)外，在汽車中的應(yīng)用還要求傳感器能在-40+50的溫度范圍和振動高達(dá)30g的情況下工作，具有可靠性好、壽命長、耐濕度性能好等特性，并能在各種不同形式的電磁場下工作。    2ASIC芯片家族及其開發(fā)策略

7、    通過修改ASIC芯片，可在非接觸式位置傳感器的應(yīng)用中不斷取得進(jìn)展。模塊化的方法簡化了傳感器ASIC芯片的技術(shù)設(shè)計(jì)，使其可應(yīng)用于各種場合。    有兩種策略可以實(shí)現(xiàn)低成本的開發(fā)目標(biāo)。第一種是以一個(gè)ASIC芯片實(shí)現(xiàn)所有功能，其優(yōu)勢在于該芯片可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，但芯片尺寸偏大。另一種策略是定制ASIC芯片來實(shí)現(xiàn)特定的應(yīng)用，其優(yōu)勢在于芯片尺寸小但批量不大。因此，必須利用模塊化設(shè)計(jì)將傳感器和芯片系列化，使得一種ASIC芯片要么滿足特定的市場要么具有一定的應(yīng)用功能。    為了降低復(fù)雜度并快速推向市場，第一種

8、芯片往往只具有最基本的功能，芯片的輸出通過一個(gè)微控制器通信完成。在此基礎(chǔ)上，海拉研制出了更為復(fù)雜的芯片來完全替代電壓計(jì)式傳感器。這種微電子芯片可以逐個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)定，具有可靈活設(shè)置的界面和自檢等特性，能夠替代電壓計(jì)的感應(yīng)傳感器芯片包含所有上述特性。這種芯片在大燈調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的軸位置傳感器、空氣懸架系統(tǒng)及從2000年開始大量生產(chǎn)的加速油門踏板中得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，該系列芯片還有兩個(gè)應(yīng)用特例，即：海拉設(shè)計(jì)的一種更為簡潔的產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)踏板傳感器的要求；海拉提供脈寬調(diào)制信號輸出的旋轉(zhuǎn)傳感器。    3安全性能要求及其解決方案    簡單的傳

9、感器僅能應(yīng)用于與安全無關(guān)的場合。如果傳感器能夠進(jìn)行自我診斷，則該傳感器必須占用電源電壓。接受線圈的開路輸入可以作為失效被檢測到，另外一些數(shù)字信號處理的內(nèi)部參數(shù)可以通過自檢程序來控制和檢查。在失效情形，ASIC芯片可以關(guān)閉輸出，而系統(tǒng)控制單元可以通過得到的非正常的電平發(fā)出相應(yīng)的指令。    出于安全的考慮，電控系統(tǒng)需要冗余的電信號。上述的感應(yīng)式傳感技術(shù)可以輕易地滿足此類要求。在同一塊PCB上，可以設(shè)計(jì)2個(gè)獨(dú)立電源、2個(gè)激勵線圈、2套接受線圈、2個(gè)ASIC芯片的獨(dú)立傳感器，這給容錯設(shè)計(jì)提供了非常好的基礎(chǔ)。    三、感應(yīng)式位置傳感器的優(yōu)點(diǎn)

10、    非接觸位置傳感器能夠適用于惡劣的工作環(huán)境并滿足各種負(fù)載的要求，因此，在發(fā)動機(jī)艙的機(jī)電系統(tǒng)中經(jīng)常會用到它們。這種環(huán)境的極限高溫達(dá)到150，有時(shí)甚至更高，振動高達(dá)30g，同時(shí)還有灰塵、水和其他物質(zhì)（如潤滑油、制動液等）的污染。    非接觸式傳感器不僅可以滿足苛刻的使用環(huán)境要求，而且還保留了電壓計(jì)式傳感器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)比例測量技術(shù)。利用比例測量技術(shù)，傳感器在一個(gè)較大范圍內(nèi)可以免除工作溫度、振動和機(jī)械、電器公差的影響。    感應(yīng)式位置傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)：    比例測量原

11、理受公差和干擾的影響小，傳感器無需設(shè)定溫度補(bǔ)償；    傳感器由印刷電路板和電子芯片組成，不需額外的磁性材料；    傳感器不受磁場和電信號的干擾；    能夠?qū)崿F(xiàn)所有汽車電磁兼容性的要求；    所有的測量角度都可達(dá)到360°，甚至更大，應(yīng)用靈活；    能夠?qū)崿F(xiàn)角位移和線性位移的測量；    利用ASIC芯片技術(shù)便于在終檢線上對機(jī)械公差和電氣公差進(jìn)行標(biāo)定。    以上優(yōu)勢使

12、得海拉的感應(yīng)式位置傳感器在整個(gè)壽命周期和溫度范圍內(nèi)能夠?qū)⒕缺３衷?%以內(nèi)，使用了標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，不需要特殊的制造規(guī)范和很小的裝配公差要求，很容易實(shí)現(xiàn)傳感器的大批量生產(chǎn)。由于該傳感器由PCB或陶瓷混合材料組成，很容易將其集成到控制器或其他電路中。在機(jī)電裝置中，這種技術(shù)可以將傳感器同其他電子元件集成到同一個(gè)PCB中。海拉傳感器的布置簡單就是其傳感器的一個(gè)最大優(yōu)勢，將其集成至控制單元不需要額外的殼體和線束，線束的簡化及連接件的減少同時(shí)還有利于可靠性的提高。    四、應(yīng)用實(shí)例    汽車工業(yè)中位置傳感器的另一個(gè)重大進(jìn)展是將傳感器集成在系統(tǒng)當(dāng)中

13、，而海拉擁有優(yōu)化結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化封裝的感應(yīng)式傳感器為集成方案提供了極大的方便。    1電控動力系統(tǒng)    電控動力系統(tǒng)由電子油門踏板單元、發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)和電馬達(dá)驅(qū)動的節(jié)氣門（汽油機(jī)）組成。圖5 節(jié)氣門傳感器     圖5所示的節(jié)氣門傳感器是一個(gè)120°的角度傳感器，轉(zhuǎn)子直接安裝集成在齒輪的軸端上，定子直接安裝在殼體上。這種設(shè)計(jì)便于裝配，同時(shí)傳感器的設(shè)計(jì)能夠消除機(jī)械公差的影響。踏板模塊包含的傳感器將駕駛者的加速意圖傳遞至發(fā)動機(jī)控制單元，同時(shí)將踏板力反饋給駕駛者。發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)決定噴油量、控制

14、點(diǎn)火時(shí)間并將氣門控制在合適的位置，通過同時(shí)調(diào)整空氣/燃油混合比來提高發(fā)動機(jī)性能和排放水平。該模塊另有一個(gè)傳感器用于測量氣門的位置。    在這些應(yīng)用中，海拉新研制的非接觸式傳感器技術(shù)取代了傳統(tǒng)的電壓計(jì)式傳感器技術(shù)。    2轉(zhuǎn)向角度傳感器    現(xiàn)代的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都裝有位置傳感器以提高伺服機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)能力。電液動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用位置傳感器的轉(zhuǎn)向速度信號來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向支撐。未來的機(jī)電動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將同時(shí)使用角度傳感器和扭矩傳感器。另外，轉(zhuǎn)向位置傳感器是電子穩(wěn)定程序和智能前轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成部件，轉(zhuǎn)向角度傳感器件也是將

15、來電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不可缺少的關(guān)鍵零件之一。    3車身水平傳感器圖6  集成了控制單元的車身水平傳感器    高級底盤控制系統(tǒng)需要檢測車身的傾斜情況。圖6是一個(gè)與大燈調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制單元一起工作的車身水平傳感器，該位置傳感器裝在前后軸上，監(jiān)測車輛的懸架運(yùn)動情況。由于不同的機(jī)構(gòu)和車身情況決定了該傳感器必須具有不同的角度范圍，要求該傳感器輸出模擬信號或脈寬調(diào)制信號。研制的可編程接口可使海拉的傳感器無需在生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行調(diào)整便可直接安裝在車上。車身水平傳感器的另一個(gè)特別之處在于它可以和控制單元集成在一個(gè)封裝中。這種集成方案可以減少零件數(shù)目、簡化連接，同時(shí)增加功能。集成工作也是傳感器系統(tǒng)研制的一個(gè)重要方向。    五、汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用需求    越來越多的應(yīng)用要求將傳感器直接集成在一個(gè)機(jī)電裝置或一個(gè)控制單元中。在裝置中直接處理傳感器數(shù)據(jù)，可以通過算法補(bǔ)償裝置的動態(tài)特性和精度，集成在功能模塊里的傳感器可以提高裝置的瞬態(tài)特性。另外，容易在終檢線上對該方案進(jìn)行測試，也可以在汽車的維護(hù)使用過程中