海拉感应式位置传感器技术及其应用

海拉感应式位置传感器技术及其应用在传动系统和底盘系统中实现电控可进一步提高驾驶性能、安全性能、燃油经济性能以及排放水平。而在汽车可靠性不断提高的同时，作为电控装置的基本组成元件——位置传感器的开发也必须取得突破性的进展，即将传感器设计成为能有效免除灰尘影响的非接触类型。实际应用表明，非接触式传感器替代电压计式传感器代表着技术进步的发展方向。因此，外界不断召唤新的非接触式传感器的出现。当然，最好的结果是在应用非接触式传感器的同时还要能够保留电压计式传感器的优点。海拉拥有专利技术的感应式位置传感器是一种能够满足上述条件的新型位置传感器，它在一个简单、紧凑的空间条件下能够实现对线位移和角位移的非接触式测量，另外，它对制造精度和周围的环境要求较低，在汽车制造领域内获得了广泛的应用，如节气门传感器、加速踏板传感器和转向传感器等。一、结构与原理1．结构图1海拉传感器结构和信号原理感应式位置传感器同其他角传感器一样，也是由定子和转子组成的。在PCB上的定子由激励线圈、3个感应接受线圈和其他信号处理电子元件组成，转子是一块简单的冲压金属片。图1所示的是一个海拉的测量范围为60°的传感器结构和信号原理简图，从中可以看出ASIC芯片内的振荡单元及PCB上的激励线圈和3个感应接受线圈，3个感应线圈的角度差值为量程的1/3（即20°）。2．工作原理图2感应耦合原理感应耦合的原理如图2所示，激励线圈中电流产生的电磁场在转子中产生感应电流。第一次感应耦合与角位置无关，其作用仅是通过感应耦合将能量传递给转子。传感器的相关信息是通过转子与接受线圈之间的第二次感应耦合来实现的，这次感应与转子相对于定子的相对位置有关。在第二次感应中，定子上的电压幅值随相对位置而变化，信号处理单元接受线圈的电压信号，进行整流、放大并成对地将其按比例输出。这种将输出电压与角度按比例测量的原理在很大程度上不会受到机械公差（如空气间隙的变化、轴线偏心和倾斜）的影响。同时，电信号和电磁干扰在很大程度上也得到了抑制。120°和60°的角度传感器相比较，仅需根据测量范围相应地改变PCB上的感应线圈和转子形状，其他零件都是不变的。这种标准化设计是海拉感应传感技术的优点之一，使得应用变得简单。图3线性位置传感器结构感应传感原理的应用不仅仅局限于旋转机构，同样也可以将传感器设计成线性结构（如图3所示）。电子油门踏板模块就是线性感应传感原理应用的一个典型实例，由一块金属片组成的滑片（转子）贴在靠近回位弹簧的滑动元件上，能够实现100mm内的位移测量。与静电磁场原理不同的是，感应式位置传感器里面没有与温度相关的磁性材料，如铁心、铁氧体或磁铁芯。因此，这种没有受温度影响元件的传感器无须设计专门的温度补偿回路，所有因尺寸变化和电信号处理过程中产生的温度漂移都可通过比例测量技术加以消除。现在，该特性已在多种应用中得到了证实。二、技术特点1．定制芯片和定制芯片的研制图4海拉位置传感器的基本原理图定制芯片技术是海拉的感应式位置传感器的一个重要组成部分。使用一个定制芯片，可以相应地减少传感器的电子元件。图4所示的是海拉传感器的原理框图，其输出信号有两种：模拟信号和脉宽调制信号。同时，该传感器还可以设计有总线通信接口。但由于只有基于大批量生产才能获得可以接受的价格，相比于直接提供模拟信号和脉宽调制信号的传感器而言，这种可用于总线通信的传感器还没有得到大规模应用。除了这个挑战外，在汽车中的应用还要求传感器能在-40℃～+50℃的温度范围和振动高达30g的情况下工作，具有可靠性好、寿命长、耐湿度性能好等特性，并能在各种不同形式的电磁场下工作。2．ASIC芯片家族及其开发策略通过修改ASIC芯片，可在非接触式位置传感器的应用中不断取得进展。模块化的方法简化了传感器ASIC芯片的技术设计，使其可应用于各种场合。有两种策略可以实现低成本的开发目标。第一种是以一个ASIC芯片实现所有功能，其优势在于该芯片可以实现大批量生产，但芯片尺寸偏大。另一种策略是定制ASIC芯片来实现特定的应用，其优势在于芯片尺寸小但批量不大。因此，必须利用模块化设计将传感器和芯片系列化，使得一种ASIC芯片要么满足特定的市场要么具有一定的应用功能。为了降低复杂度并快速推向市场，第一种芯片往往只具有最基本的功能，芯片的输出通过一个微控制器通信完成。在此基础上，海拉研制出了更为复杂的芯片来完全替代电压计式传感器。这种微电子芯片可以逐个产品进行标定，具有可灵活设置的界面和自检等特性，能够替代电压计的感应传感器芯片包含所有上述特性。这种芯片在大灯调节系统中的轴位置传感器、空气悬架系统及从2000年开始大量生产的加速油门踏板中得到了广泛的应用。同时，该系列芯片还有两个应用特例，即：海拉设计的一种更为简洁的产品，能够实现踏板传感器的要求；海拉提供脉宽调制信号输出的旋转传感器。3．安全性能要求及其解决方案简单的传感器仅能应用于与安全无关的场合。如果传感器能够进行自我诊断，则该传感器必须占用电源电压。接受线圈的开路输入可以作为失效被检测到，另外一些数字信号处理的内部参数可以通过自检程序来控制和检查。在失效情形，ASIC芯片可以关闭输出，而系统控制单元可以通过得到的非正常的电平发出相应的指令。出于安全的考虑，电控系统需要冗余的电信号。上述的感应式传感技术可以轻易地满足此类要求。在同一块PCB上，可以设计2个独立电源、2个激励线圈、2套接受线圈、2个ASIC芯片的独立传感器，这给容错设计提供了非常好的基础。三、感应式位置传感器的优点非接触位置传感器能够适用于恶劣的工作环境并满足各种负载的要求，因此，在发动机舱的机电系统中经常会用到它们。这种环境的极限高温达到150℃，有时甚至更高，振动高达30g，同时还有灰尘、水和其他物质（如润滑油、制动液等）的污染。非接触式传感器不仅可以满足苛刻的使用环境要求，而且还保留了电压计式传感器的一个主要优点——比例测量技术。利用比例测量技术，传感器在一个较大范围内可以免除工作温度、振动和机械、电器公差的影响。感应式位置传感器具有如下优点：比例测量原理受公差和干扰的影响小，传感器无需设定温度补偿；传感器由印刷电路板和电子芯片组成，不需额外的磁性材料；传感器不受磁场和电信号的干扰；能够实现所有汽车电磁兼容性的要求；所有的测量角度都可达到360°，甚至更大，应用灵活；能够实现角位移和线性位移的测量；利用ASIC芯片技术便于在终检线上对机械公差和电气公差进行标定。以上优势使得海拉的感应式位置传感器在整个寿命周期和温度范围内能够将精度保持在1%以内，使用了标准化技术，不需要特殊的制造规范和很小的装配公差要求，很容易实现传感器的大批量生产。由于该传感器由PCB或陶瓷混合材料组成，很容易将其集成到控制器或其他电路中。在机电装置中，这种技术可以将传感器同其他电子元件集成到同一个PCB中。海拉传感器的布置简单就是其传感器的一个最大优势，将其集成至控制单元不需要额外的壳体和线束，线束的简化及连接件的减少同时还有利于可靠性的提高。四、应用实例汽车工业中位置传感器的另一个重大进展是将传感器集成在系统当中，而海拉拥有优化结构和强化封装的感应式传感器为集成方案提供了极大的方便。1．电控动力系统电控动力系统由电子油门踏板单元、发动机管理系统和电马达驱动的节气门（汽油机）组成。图5节气门传感器图5所示的节气门传感器是一个120°的角度传感器，转子直接安装集成在齿轮的轴端上，定子直接安装在壳体上。这种设计便于装配，同时传感器的设计能够消除机械公差的影响。踏板模块包含的传感器将驾驶者的加速意图传递至发动机控制单元，同时将踏板力反馈给驾驶者。发动机管理系统决定喷油量、控制点火时间并将气门控制在合适的位置，通过同时调整空气/燃油混合比来提高发动机性能和排放水平。该模块另有一个传感器用于测量气门的位置。在这些应用中，海拉新研制的非接触式传感器技术取代了传统的电压计式传感器技术。2．转向角度传感器现代的动力转向系统都装有位置传感器以提高伺服机构的调节能力。电液动力转向系统使用位置传感器的转向速度信号来调节转向支撑。未来的机电动力转向系统将同时使用角度传感器和扭矩传感器。另外，转向位置传感器是电子稳定程序和智能前转向系统的基本组成部件，转向角度传感器件也是将来电控转向系统不可缺少的关键零件之一。3．车身水平传感器图6集成了控制单元的车身水平传感器高级底盘控制系统需要检测车身的倾斜情况。图6是一个与大灯调节系统控制单元一起工作的车身水平传感器，该位置传感器装在前后轴上，监测车辆的悬架运动情况。由于不同的机构和车身情况决定了该传感器必须具有不同的角度范围，要求该传感器输出模拟信号或脉宽调制信号。研制的可编程接口可使海拉的传感器无需在生产时进行调整便可直接安装在车上。车身水平传感器的另一个特别之处在于它可以和控制单元集成在一个封装中。这种集成方案可以减少零件数目、简化连接，同时增加功能。集成工作也是传感器系统研制的一个重要方向。五、汽车领域中的应用需求越来越多的应用要求将传感器直接集成在一个机电装置或一个控制单元中。在装置中直接处理传感器数据，可以通过算法补偿装置的动态特性和精度，集成在功能模块里的传感器可以提高装置的瞬态特性。另外，容易在终检线上对该方案进行测试，也可以在汽车的维护使用过程中进行诊断。在恶劣环境中，如在发动机舱使用电子元件要解决温度、化学物质和机械载荷的影响，需要丰富的设计经验将电器集成在机械元件中。通常要采用成本较高的特殊装配方法，使得工程师必须对所采用的方案成本进行权衡。集成设计概念不仅对传感器本身有影响，而且还会影响到整个系统产品的开发过程。在机电装置中将不同的部分（如电子装置或机械）集成在一起，因此，需要不同学科领域的工程师在早期的开发过程中就要开始紧密的合作。