海拉感應式位置傳感器技術及其應用

1、海拉感應式位置傳感器技術及其應用在傳動系統(tǒng)和底盤系統(tǒng)中實現(xiàn)電控可進一步提高駕駛性能、安全性 能、燃油經(jīng)濟性能以及排放水平。而在汽車可靠性不斷提高的同時，作為電 控裝置的基本組成元件一一位置傳感器的開發(fā)也必須取得突破性的進展，即將傳感器設計成為能有效免除灰塵影響的非接觸類型。實際應用表明，非接觸式傳感器替代電壓計式傳感器代表著技術進 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)。當然，最 好的結(jié)果是在應用非接觸式傳感器的同時還要能夠保留電壓計式傳感器的 優(yōu)點。海拉擁有專利技術的感應式位置傳感器是一種能夠滿足上述條件的新 型位置傳感器，它在一個簡單、緊湊的空間條件下能夠?qū)崿F(xiàn)對線位移和角

2、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 造領域內(nèi)獲得了廣泛的應用，如節(jié)氣門傳感器、加速踏板傳感器和轉(zhuǎn)向傳感等。、結(jié)構(gòu)與原理Auer圖1海拉傳感器結(jié)構(gòu)和信號原理感應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個感應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上的激勵線圈和3個感應接受線圈，3個感應線圈的角度差值為量程 的 1/3 （即 20°）。2.工作原理115門 aSt

3、ater wdh rtitrver coabVullip irnpjtudc irve art receir*rM Oh lOUElg 必麗審1T莖 X PrLSEfpflf ofled 均護干 IT eY；*圖2感應耦合原理感應耦合的原理如圖2所示，激勵線圈中電流產(chǎn)生的電磁場在轉(zhuǎn)子 中產(chǎn)生感應電流。第一次感應耦合與角位置無關，其作用僅是通過感應耦合 將能量傳遞給轉(zhuǎn)子。傳感器的相關信息是通過轉(zhuǎn)子與接受線圈之間的第二次 感應耦合來實現(xiàn)的，這次感應與轉(zhuǎn)子相對于定子的相對位置有關。在第二次 感應中，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，進行整流、放大并成對地將其按比例輸

4、出。這種將輸出電壓與角度 按比例測量的原理在很大程度上不會受到機械公差（如空氣間隙的變化、軸 線偏心和傾斜）的影響。同時，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)測量范圍相應地改變 PCB上的感應線圈和轉(zhuǎn)子形狀，其他零件都是不變的。這種標準化設計是海 拉感應傳感技術的優(yōu)點之一，使得應用變得簡單。OscillatorReceiverCol圖3 線性位置傳感器結(jié)構(gòu)感應傳感原理的應用不僅僅局限于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，同樣也可以將傳感器 設計成線性結(jié)構(gòu)（如圖3所示）。電子油門踏板模塊就是線性感應傳感原理 應用的一個典型實例，由一塊金屬片組成的滑片（轉(zhuǎn)子）貼

5、在靠近回位彈簧 的滑動元件上，能夠?qū)崿F(xiàn)100mn內(nèi)的位移測量。與靜電磁場原理不同的是，感應式位置傳感器里面沒有與溫度相關 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 傳感器無須設計專門的溫度補償回路， 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加以消除?，F(xiàn)在，該特性已在多種應 用中得到了證實。二、技術特點1 .定制芯片和定制芯片的研制cisplacem&ntlevul*出Electrical signdProcessingAOcorwer&ion digital processingc«<tJEQhu電kjOut

6、putIritrfucCcriversooarwioa.FWM.6 us圖4海拉位置傳感器的基本原理圖定制芯片技術是海拉的感應式位置傳感器的一個重要組成部分。使 用一個定制芯片，可以相應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，該 傳感器還可以設計有總線通信接口。 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)模應用。除了這個挑戰(zhàn)外，在汽車中的應用還要求傳感器能在-40 C+50C的溫度范圍和振動高達30g的情況下工作，具有可靠性好、壽

7、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。2 . ASIC芯片家族及其開發(fā)策略通過修改ASIC芯片，可在非接觸式位置傳感器的應用中不斷取得進 展。模塊化的方法簡化了傳感器 ASIC芯片的技術設計，使其可應用于各種場合。有兩種策略可以實現(xiàn)低成本的開發(fā)目標。 第一種是以一個 ASIC 芯片 實現(xiàn)所有功能，其優(yōu)勢在于該芯片可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，但芯片尺寸偏大。 另一種策略是定制 ASIC 芯片來實現(xiàn)特定的應用，其優(yōu)勢在于芯片尺寸小但 批量不大。因此，必須利用模塊化設計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用功能。為了降低復雜度并快速推向市

8、場，第一種芯片往往只具有最基本的 功能，芯片的輸出通過一個微控制器通信完成。在此基礎上，海拉研制出了 更為復雜的芯片來完全替代電壓計式傳感器。 這種微電子芯片可以逐個產(chǎn)品 進行標定，具有可靈活設置的界面和自檢等特性，能夠替代電壓計的感應傳 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 用。同時，該系列芯片還有兩個應用特例，即：海拉設計的一種更為簡潔的 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感器僅能應用于與安全無關的場合。如果傳感器

9、能夠進行 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。上述的感應式傳感技術可以輕易地滿足此類要求。在同一塊 PCB上，可以設計2個獨立電源、 2個激勵線圈、2套接受線圈、2個ASIC芯片的獨立傳感器，這給容錯設計 提供了非常好的基礎。三、感應式位置傳感器的優(yōu)點非接觸位置傳感器能夠適用于惡劣的工作環(huán)境并滿足各種負載的要 求，因此，在發(fā)動機艙的機電系統(tǒng)中經(jīng)常會用到

10、它們。這種環(huán)境的極限高溫 達到150C，有時甚至更高，振動高達 30g，同時還有灰塵、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 電壓計式傳感器的一個主要優(yōu)點比例測量技術。利用比例測量技術，傳 感器在一個較大范圍內(nèi)可以免除工作溫度、振動和機械、電器公差的影響。感應式位置傳感器具有如下優(yōu)點：比例測量原理受公差和干擾的影響小，傳感器無需設定溫度補償；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到 360°，甚至更大，應用靈活；能夠?qū)崿F(xiàn)角

11、位移和線性位移的測量；利用ASIC芯片技術便于在終檢線上對機械公差和電氣公差進行標定。以上優(yōu)勢使得海拉的感應式位置傳感器在整個壽命周期和溫度范圍 內(nèi)能夠?qū)⒕缺３衷?1%以內(nèi)， 使用了標準化技術， 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。在機電裝置 中，這種技術可以將傳感器同其他電子元件集成到同一個PCB中。海拉傳感器的布置簡單就是其傳感器的一個最大優(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還有利于可靠性的提高。四、應用實例汽車工業(yè)中位置傳感

12、器的另一個重大進展是將傳感器集成在系統(tǒng)當 中，而海拉擁有優(yōu)化結(jié)構(gòu)和強化封裝的感應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)動機管理系統(tǒng)和電馬達驅(qū)動 的節(jié)氣門（汽油機）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。這種設計便于裝配，同時 傳感器的設計能夠消除機械公差的影響。踏板模塊包含的傳感器將駕駛者的 加速意圖傳遞至發(fā)動機控制單元，同時將踏板力反饋給駕駛者。發(fā)動機管理 系統(tǒng)決定噴油量、控制點火時間并將氣門控制在合適的位置，通過同時調(diào)整 空氣/燃油混合比來提高

13、發(fā)動機性能和排放水平。該模塊另有一個傳感器用 于測量氣門的位置。在這些應用中，海拉新研制的非接觸式傳感器技術取代了傳統(tǒng)的電壓計式傳感器技術。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 來的機電動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將同時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來電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不可缺少的關鍵零件之一。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是一個與大燈調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制單元一起工作的車身

14、水平傳感器，該位置傳感器裝在前后軸上， 監(jiān)測車輛的懸架運動情況。由于不同的機構(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)時進行調(diào)整便可直接安裝在車上。 車身水平傳感器的另一個特別之處在于它可以和控制單元集成在一個封裝 中。這種集成方案可以減少零件數(shù)目、簡化連接，同時增加功能。集成工作 也是傳感器系統(tǒng)研制的一個重要方向。五、汽車領域中的應用需求越來越多的應用要求將傳感器直接集成在一個機電裝置或一個控制 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行測試，