第5章_位置传感器与角度传感器

1、第第5章章 位置传感器与角度传感器位置传感器与角度传感器5.1 节气门位置传感器节气门位置传感器(编码器式编码器式)5.2 节气门位置传感器节气门位置传感器(直线式直线式)5.3 滑动式节气门位置传感器滑动式节气门位置传感器 5.4 线性位置传感器线性位置传感器5.5 防滴型角度传感器防滴型角度传感器5.6 非接触角度传感器非接触角度传感器5.7 转向传感器转向传感器5.8 光电式车高传感器光电式车高传感器5.9 溢流环位置传感器溢流环位置传感器5.10 高分解能力的角度传感器高分解能力的角度传感器5.11 高分解能力的转向角度传感器高分解能力的转向角度传感器5.1 节气门位置传感器节气门位置

2、传感器(编码器式编码器式)5. 1节气门位置传感器节气门位置传感器(编码器式编码器式) 节气门位置传感器也叫节气门开关，它就装在节流阀的本体节气门位置传感器也叫节气门开关，它就装在节流阀的本体上并与节流阀连动，随着驾驶员对加速踏板的控制，靠自身上并与节流阀连动，随着驾驶员对加速踏板的控制，靠自身触点检测出发动机处于怠速状态还是负荷状态，或者是加减触点检测出发动机处于怠速状态还是负荷状态，或者是加减速状态。速状态。 节气门位置传感器的结构如节气门位置传感器的结构如图图51所示所示.返回5.2 节气门位置传感器节气门位置传感器(直线式直线式) 直线式节气门位置传感器装于节气门及喷油泵等上，用于连直

3、线式节气门位置传感器装于节气门及喷油泵等上，用于连续地检测旋转部件。利用设于传感器内的开关检测出移动原续地检测旋转部件。利用设于传感器内的开关检测出移动原点，因此可准确地检测出绝对角度。点，因此可准确地检测出绝对角度。 返回下一页5.2 节气门位置传感器节气门位置传感器(直线式直线式) 这种传感器安装于被检测件上这种传感器安装于被检测件上(例如节气门例如节气门)通过驱动臂的动通过驱动臂的动作，使动触点在电阻膜上作滑动旋转。电阻膜具有开关输出作，使动触点在电阻膜上作滑动旋转。电阻膜具有开关输出图形及线性输出图形。图形及线性输出图形。图图5-2是线性式是线性式(也叫滑动电阻式也叫滑动电阻式)节节气

4、门位置传感器的结构。气门位置传感器的结构。图图5-3是其电路原理图，是其电路原理图，图图5-4是是其输出特性，其线性输出可改为函数输出。因为这种传感器其输出特性，其线性输出可改为函数输出。因为这种传感器的输出信号是电压，所以，它具有下列特点的输出信号是电压，所以，它具有下列特点:检测及处理角度检测及处理角度很方便很方便;适于学习控制用，因为它是用开关找出确定绝对角度适于学习控制用，因为它是用开关找出确定绝对角度的原点的原点;可直接安装于发动机上可直接安装于发动机上;耐环境能力强耐环境能力强;其内设有回位其内设有回位弹簧，与被测定部件容易连接。弹簧，与被测定部件容易连接。上一页返回5.3 滑动式

5、节气门位置传感器滑动式节气门位置传感器 滑动式节气门位置传感器也是安装在节流阀本体上，用作检滑动式节气门位置传感器也是安装在节流阀本体上，用作检测节气门的开度。其结构如测节气门的开度。其结构如图图5-5所示。传感器上设有与节所示。传感器上设有与节流阀轴联动的转子及检测怠速位置的怠速触点、检测满负荷流阀轴联动的转子及检测怠速位置的怠速触点、检测满负荷位置的满负荷触点以及动触点。位置的满负荷触点以及动触点。 转子上设有凸轮槽，动触点可在凸轮槽内滑动，在怠速位置转子上设有凸轮槽，动触点可在凸轮槽内滑动，在怠速位置及全开及全开(满负荷满负荷)位置，动触点分别与其触点闭合，测量出节位置，动触点分别与其触

6、点闭合，测量出节气门的开度。气门的开度。 在怠速运转情况下，怠速触点闭合，除此之外的情况下，怠在怠速运转情况下，怠速触点闭合，除此之外的情况下，怠速触点都是打开的。怠速触点把怠速加浓、怠速后加浓、切速触点都是打开的。怠速触点把怠速加浓、怠速后加浓、切断燃油等信号都送人计算机中。断燃油等信号都送人计算机中。返回下一页5.3 滑动式节气门位置传感器滑动式节气门位置传感器 当节流阀达到某一开度时，全开触点当节流阀达到某一开度时，全开触点(满负荷触点满负荷触点)闭合，满闭合，满负荷触点闭合时，满负荷加浓信号输入到微机中。负荷触点闭合时，满负荷加浓信号输入到微机中。 滑动式节气门位置传感器与计算机的连接

7、电路如滑动式节气门位置传感器与计算机的连接电路如图图5一一6所示。所示。在没有踏加速踏板时，电源将电压加到计算机的怠速端子在没有踏加速踏板时，电源将电压加到计算机的怠速端子(IDL)上上;当满负荷时，动力触点闭合，电压加到计算机的功当满负荷时，动力触点闭合，电压加到计算机的功率端子率端子(PSW)上，计算机判断出加速踏板已被踏下。上，计算机判断出加速踏板已被踏下。上一页返回5.4 线性位置传感器线性位置传感器 线性位置传感器安装在油泵上，用以连续检测直接位移，如线性位置传感器安装在油泵上，用以连续检测直接位移，如检测步进电动机的控制销的位置等。安装于轴上的滑动触点检测步进电动机的控制销的位置等

8、。安装于轴上的滑动触点在电阻膜片上前后滑动并输出线性电压。在电阻膜片上前后滑动并输出线性电压。 这种传感器的主要特点是这种传感器的主要特点是:因为输出信号为线性电压，所以检因为输出信号为线性电压，所以检测位置与信号的处理比较方便测位置与信号的处理比较方便;耐环境性能好耐环境性能好;内装有回位弹内装有回位弹簧，所以与被测工件的接触比较方便。线性位置传感器的等簧，所以与被测工件的接触比较方便。线性位置传感器的等效电路如效电路如图图5一一7所示，其特性如所示，其特性如图图5一一8所示。所示。返回5.5 防滴型角度传感器防滴型角度传感器 防滴型角度传感器安装在行驶系统的后轮转向机构，用以连防滴型角度传

9、感器安装在行驶系统的后轮转向机构，用以连续地检测后轮的旋转角度续地检测后轮的旋转角度(后轮转向角后轮转向角)。 传感器的驱动杆安装在被测装置上，通过驱动杆的转动，带传感器的驱动杆安装在被测装置上，通过驱动杆的转动，带动了滑动触点在电阻膜上滑动，同时将旋转角度变换成线性动了滑动触点在电阻膜上滑动，同时将旋转角度变换成线性电压输出。其最大的特点是电压输出。其最大的特点是:因为这种传感器采用的是防滴型因为这种传感器采用的是防滴型结构，所以耐环境能力强结构，所以耐环境能力强;输出信号为电压，所以角度的检测输出信号为电压，所以角度的检测与处理都很方便。其结构如与处理都很方便。其结构如图图5一一9所示，其

10、等效电路如所示，其等效电路如图图5一一10所示，其特性如所示，其特性如图图5一一11所示。所示。返回5.6 非接触角度传感器非接触角度传感器 非接触角度传感器将根据轴的旋转角度得出的模拟电压在非接触角度传感器将根据轴的旋转角度得出的模拟电压在90的范围内加以输出的传感器，它属于磁电变换式传感器。的范围内加以输出的传感器，它属于磁电变换式传感器。其工作原理为其工作原理为:霍尔元件检测出固定于轴上的磁铁旋转引起的霍尔元件检测出固定于轴上的磁铁旋转引起的变化磁通后，将随旋转角度变化的电压以正弦函数形式输出。变化磁通后，将随旋转角度变化的电压以正弦函数形式输出。返回下一页5.6 非接触角度传感器非接触

11、角度传感器 汽车上的主动式悬架系统可根据行驶状况自动调整车辆姿势汽车上的主动式悬架系统可根据行驶状况自动调整车辆姿势与平顺性，非接触角度传感器在此系统中用于检测车辆高度，与平顺性，非接触角度传感器在此系统中用于检测车辆高度，它通过连杆机构将车高变换成旋转角度它通过连杆机构将车高变换成旋转角度;此外它还用于车辆的此外它还用于车辆的车高自动调整系统中，这种系统可根据乘车人数及载重量的车高自动调整系统中，这种系统可根据乘车人数及载重量的增减自动调整车高。非接触式角度传感器的结构如增减自动调整车高。非接触式角度传感器的结构如图图5一一12所示所示.上一页 返回5.7 转向传感器转向传感器 转向传感器也

12、叫光电式变化率传感器，它用来检测轴的旋转转向传感器也叫光电式变化率传感器，它用来检测轴的旋转角位移量及轴的旋转方向这种传感器的安装部位及结构如角位移量及轴的旋转方向这种传感器的安装部位及结构如图图5一一13所示。所示。 在转向器的主轴上，设有一个遮光盘，夹于遮光盘两侧的是在转向器的主轴上，设有一个遮光盘，夹于遮光盘两侧的是两组光电藕合组件，光电藕合组件安装在转向管柱上。两组光电藕合组件，光电藕合组件安装在转向管柱上。返回下一页5.7 转向传感器转向传感器 当转向器轴转动时，遮光盘也随之转动，遮光盘整个圆周上当转向器轴转动时，遮光盘也随之转动，遮光盘整个圆周上均匀地开有许多槽，遮光盘上的槽与齿使

13、光电藕合组件之间均匀地开有许多槽，遮光盘上的槽与齿使光电藕合组件之间的光断续地通断，由此就可以检测出旋转角度。转向传感器的光断续地通断，由此就可以检测出旋转角度。转向传感器的工作过程，也可以用的工作过程，也可以用图图5-14所示的电路图来加以说明。所示的电路图来加以说明。图中的光敏三极管在遮光盘的作用下，或者导通，或者截止，图中的光敏三极管在遮光盘的作用下，或者导通，或者截止，根据三极管导通、截止的速度，就可以检测出转向器的速度。根据三极管导通、截止的速度，就可以检测出转向器的速度。此外，晶体管此外，晶体管Tr1与与Tr2之间的导通与截止，相位差之间的导通与截止，相位差90，根据先导通的脉冲信

14、号根据先导通的脉冲信号(波形下降波形下降)可检测出转向器的旋转方可检测出转向器的旋转方向。向。上一页 返回5.8 光电式车高传感器光电式车高传感器 车高传感器的作用是把车高车高传感器的作用是把车高(汽车悬架装置的位移量汽车悬架装置的位移量)变换成变换成传感器轴的旋转，并检测出其旋转角度。这种传感器的结构传感器轴的旋转，并检测出其旋转角度。这种传感器的结构如如图图5-15所示所示.返回下一页5.8 光电式车高传感器光电式车高传感器 在传感器的内部，有一靠连杆带动旋转的轴，在轴上装有一在传感器的内部，有一靠连杆带动旋转的轴，在轴上装有一个开有许多槽的遮光盘，遮光盘的两侧装有个开有许多槽的遮光盘，遮

15、光盘的两侧装有4组光电藕合元组光电藕合元件，当连杆带动轴旋转时，光电藕合元件之间或者被遮光盘件，当连杆带动轴旋转时，光电藕合元件之间或者被遮光盘遮上，或者元件之间透光，如遮上，或者元件之间透光，如图图5一一16所示。因此，如所示。因此，如图图5一一17所示的光电藕合元件将把这种变化转换成电信号，并输所示的光电藕合元件将把这种变化转换成电信号，并输入到计算机中。图入到计算机中。图5一一17所示的为所示的为4组光电藕合元件，利用组光电藕合元件，利用这这4组光电藕合元件导通与截止的组合，就可以把车高的变组光电藕合元件导通与截止的组合，就可以把车高的变化范围分为多个区域进行检测。化范围分为多个区域进行

16、检测。上一页 返回5.9 溢流环位置传感器溢流环位置传感器 本节介绍可调电感式溢流环位置传感器。这种传感器的基本本节介绍可调电感式溢流环位置传感器。这种传感器的基本原理如原理如图图5一一18所示。在线圈内部置有铁芯，此铁芯与被检所示。在线圈内部置有铁芯，此铁芯与被检测位置的部件一齐动作，当铁芯向上或向下移动时，线圈的测位置的部件一齐动作，当铁芯向上或向下移动时，线圈的电感发生变化，与基准信号相比，输出信号有很大的变化。电感发生变化，与基准信号相比，输出信号有很大的变化。反过来讲，根据输出信号的大小，就可以检测出被测部件的反过来讲，根据输出信号的大小，就可以检测出被测部件的位置。位置。返回下一页

17、5.9 溢流环位置传感器溢流环位置传感器 位置传感器可用于电子控制柴油喷射装置上，用以检测溢流位置传感器可用于电子控制柴油喷射装置上，用以检测溢流环的位置。在老式的机械调速器上，基本上是由发动机转速环的位置。在老式的机械调速器上，基本上是由发动机转速形成的配重块的离心力和各种弹簧力的平衡位置来决定溢流形成的配重块的离心力和各种弹簧力的平衡位置来决定溢流环位置的。因调速器的结构复杂，又是精密设备，受机械控环位置的。因调速器的结构复杂，又是精密设备，受机械控制的制约，其特性与控制机能是有一定限度的，但改为电子制的制约，其特性与控制机能是有一定限度的，但改为电子控制时，就可以利用计算机计算出这个系统

18、的最佳状态，把控制时，就可以利用计算机计算出这个系统的最佳状态，把电信号送至溢流控制电磁铁处，再来使溢流环动作，从而就电信号送至溢流控制电磁铁处，再来使溢流环动作，从而就可实现喷油量的实时控制。计算机根据节气门位置和发动机可实现喷油量的实时控制。计算机根据节气门位置和发动机转速计算出基本喷油量，然后再根据发动机的状态对基本喷转速计算出基本喷油量，然后再根据发动机的状态对基本喷油量进行校正，校正后再向溢流控制电磁铁发出控制信号。油量进行校正，校正后再向溢流控制电磁铁发出控制信号。 此外，为了保证控制的准确性，利用位置传感器检测溢流环此外，为了保证控制的准确性，利用位置传感器检测溢流环的位置，即实

19、际的喷油量，再反馈到计算机中。的位置，即实际的喷油量，再反馈到计算机中。上一页 返回5.10 高分解能力的角度传感器高分解能力的角度传感器5.10.1前言前言 检测旋转角度的回转式编码器在操纵量的检测、移动量的检检测旋转角度的回转式编码器在操纵量的检测、移动量的检测以及电动机的转速控制等很多领域得到了应用。在汽车上，测以及电动机的转速控制等很多领域得到了应用。在汽车上，为了提高车辆的操纵性与安全性，也可以用于转向装置、加为了提高车辆的操纵性与安全性，也可以用于转向装置、加速踏板、节流阀等的角度检测。无论用到何处，都希望传感速踏板、节流阀等的角度检测。无论用到何处，都希望传感器实现小型化与高分解

20、能力化，对其成本也有较高的要求。器实现小型化与高分解能力化，对其成本也有较高的要求。 回转式编码器的检测方式有接触式检测和非接触式检测两种，回转式编码器的检测方式有接触式检测和非接触式检测两种，接触式检测存在着磨损而造成老化的问题。非接触式回转编接触式检测存在着磨损而造成老化的问题。非接触式回转编码器主要可以分为两种，一种是利用光的通过与反射的光学码器主要可以分为两种，一种是利用光的通过与反射的光学式编码器，另一种是检测磁场变化的永磁式，汽车所使用的式编码器，另一种是检测磁场变化的永磁式，汽车所使用的编码器主要使用不易受尘埃影响的永磁式编码器。编码器主要使用不易受尘埃影响的永磁式编码器。返回下

21、一页5.10 高分解能力的角度传感器高分解能力的角度传感器 普通使用的永磁式回转编码器，大多是利用装有霍尔元件或普通使用的永磁式回转编码器，大多是利用装有霍尔元件或MR元件的磁场传感器来检测多极磁铁旋转时所形成的磁场元件的磁场传感器来检测多极磁铁旋转时所形成的磁场变化的，有些公司生产的转速传感器则设置在轴承上，采用变化的，有些公司生产的转速传感器则设置在轴承上，采用这种生产方式时，伴随着传感器的小型化，多极磁铁的磁极这种生产方式时，伴随着传感器的小型化，多极磁铁的磁极间距变得更小，因此就存在着用磁传感器难以检测的问题，间距变得更小，因此就存在着用磁传感器难以检测的问题，也就是说，有必要根据新的

22、原理去开发小型且具有高分解能也就是说，有必要根据新的原理去开发小型且具有高分解能力的角度传感器。力的角度传感器。 在在2005年年2月召开的国际固体电路会议上，展出了月召开的国际固体电路会议上，展出了5mm方方形、小型可以检测出形、小型可以检测出0.36绝对角度的磁阵列式转速传感绝对角度的磁阵列式转速传感器，下面就来介绍这种传感器。器，下面就来介绍这种传感器。上一页返回下一页5.10 高分解能力的角度传感器高分解能力的角度传感器5. 10. 2磁阵列式转速传感器的原理磁阵列式转速传感器的原理 (1)传感器的构成。这种转速传感器是由设置在旋转轴顶端传感器的构成。这种转速传感器是由设置在旋转轴顶端

23、的永久磁铁与相隔的永久磁铁与相隔0.5一一1mm间隙的间隙的5mm方形传感器芯片方形传感器芯片构成的。构成的。 (2)磁传感器元件磁传感器元件MAGFET(磁性金属氧化物半导体场效磁性金属氧化物半导体场效应晶体管应晶体管)。这里介绍的传感器芯片采用的磁传感器元件，其。这里介绍的传感器芯片采用的磁传感器元件，其为分割式漏极为分割式漏极MAGFET. (3)角度的检测方法。角度的检测方法。 (4)角度传感器的特点。角度传感器的特点。上一页返回下一页5.10 高分解能力的角度传感器高分解能力的角度传感器 MAGFET与与nMOS晶体管的结构相同，所以通常是在晶体管的结构相同，所以通常是在p一一wel

24、l的区域上形成的的区域上形成的MAGFE侧以下称为大然型侧以下称为大然型MAGFET )。另一方面，大然型另一方面，大然型MAGFET是在是在p型基板上直接形成的元件，型基板上直接形成的元件，栅极下的杂质浓度是不同的。由于采用大然型栅极下的杂质浓度是不同的。由于采用大然型MAGFET，所，所以可以得到下述效果以可以得到下述效果 (1)p型基板中，与型基板中，与p一一well区域相比，因为杂质浓度低，所区域相比，因为杂质浓度低，所以大然型以大然型MAGFET内部的电子移动率增大，由此提高了磁场内部的电子移动率增大，由此提高了磁场灵敏度。灵敏度。 (2)因为因为p一一well区域是由离子注入工艺形

25、成的，所以注入区域是由离子注入工艺形成的，所以注入的浓度是不一致的，由此造成了在此区域上所形成的元件特的浓度是不一致的，由此造成了在此区域上所形成的元件特性的不一致性。因为大然型性的不一致性。因为大然型MAGFET不会受到这一影响，所不会受到这一影响，所以可以降低特性不一致性。以可以降低特性不一致性。上一页返回下一页5.10 高分解能力的角度传感器高分解能力的角度传感器5. 10. 4结论结论 实际制得的装在轴承上的传感器如实际制得的装在轴承上的传感器如图图5-19所示，传感器的所示，传感器的芯片采用标准的芯片采用标准的0.25um ,CMOS工艺制造。传感器芯片的工艺制造。传感器芯片的尺寸为

26、尺寸为5mm方形，传感器阵列的外形约为方形，传感器阵列的外形约为4.2mm方形。方形。上一页返回下一页5.10 高分解能力的角度传感器高分解能力的角度传感器 所制得的传感器芯片的各参数如下所示。所制得的传感器芯片的各参数如下所示。 传感器的元件数传感器的元件数:184像素像素x4线线 一个像素的构成一个像素的构成:6个个MAGFET并连。并连。 芯片尺寸芯片尺寸:5mmx5mm 芯片厚度约芯片厚度约300um I/O端子数端子数:100(含检测用端子含检测用端子)。 角度检测精度角度检测精度:0.36. 上一页 返回5.11 高分解能力的转向角度传感器高分解能力的转向角度传感器5. 11. 1

27、前言前言 近年来，在汽车领域内对安全性的要求更进一步加强，为了近年来，在汽车领域内对安全性的要求更进一步加强，为了满足这种要求所开发的车辆姿势的电子控制系统满足这种要求所开发的车辆姿势的电子控制系统(ESC)的应的应用正在打一大。用正在打一大。ESC系统的作用是在车辆转向出现侧滑时，系统的作用是在车辆转向出现侧滑时，通过对制动器及发动机输出瞬时自动控制，保证车辆动作的通过对制动器及发动机输出瞬时自动控制，保证车辆动作的稳定性，在这种控制中，必不可缺少的车速、加速度及转向稳定性，在这种控制中，必不可缺少的车速、加速度及转向角度等车辆的各种信息的精度直接牵涉到车辆控制的精度，角度等车辆的各种信息的

28、精度直接牵涉到车辆控制的精度，因此就要求检测车辆各种信息的传感器应该具有高精度而且因此就要求检测车辆各种信息的传感器应该具有高精度而且具有高可靠性。具有高可靠性。返回下一页5.11 高分解能力的转向角度传感器高分解能力的转向角度传感器 众所周知，众所周知，ESP (Electronik Stability Program，电，电子稳定程序子稳定程序)是汽车电控的一个标志性发明。不同的厂家对这是汽车电控的一个标志性发明。不同的厂家对这一系统的命名不尽相同，奔驰公司称为一系统的命名不尽相同，奔驰公司称为ESP，丰田公司称为，丰田公司称为汽车稳定性控制系统汽车稳定性控制系统(VSC )等。但从等。但

29、从2004年开始，这一系年开始，这一系统的发明厂家博世统的发明厂家博世(BOSCH)公司在一些国际性展览会上呼公司在一些国际性展览会上呼叮在世界汽车行业将这一系统统一称为叮在世界汽车行业将这一系统统一称为ESC，本文则按此称，本文则按此称呼。呼。 下面介绍的这种下面介绍的这种ESC系统用的转向角度传感器就是为了满足系统用的转向角度传感器就是为了满足上述要求，成功开发出的电磁感应式非接触式转向角度传感上述要求，成功开发出的电磁感应式非接触式转向角度传感器器.上一页返回下一页5.11 高分解能力的转向角度传感器高分解能力的转向角度传感器5. 11. 2检测结构检测结构 (1)基本原理。这种传感器的

30、检测原理是电磁感应方式。所基本原理。这种传感器的检测原理是电磁感应方式。所谓电磁感应方式就是伴随着磁通的被屏蔽而检测线圈电感量谓电磁感应方式就是伴随着磁通的被屏蔽而检测线圈电感量变化的一种方式。在利用线圈产生磁通的区域内，插入导体变化的一种方式。在利用线圈产生磁通的区域内，插入导体板时，因为导体板上有涡流通过，所以磁通被屏蔽。通过改板时，因为导体板上有涡流通过，所以磁通被屏蔽。通过改变导电体的屏蔽面积，根据所得出的线圈电感的变化量，就变导电体的屏蔽面积，根据所得出的线圈电感的变化量，就可以检测出转向角度，传感器的基本原理如可以检测出转向角度，传感器的基本原理如图图5一一20所示所示. 上一页返回下一页5.11 高分解能力的转向角度传感器高分解能力的转向角度传感器 (2)检测原理。这种传感器的构成