1、第八章转速传感器 汽车电子控制基础 第一节类型 一 按功能分 发动机转速传感器凸转轴转速传感器变速器输入轴转速传感器变速器输出轴转速传感器车速传感器轮速传感器空调压缩机转速传感器 二 工作原理分1 磁感应式2 光电式3 零尔式4 舌簧开关式5磁阻式 磁感应式传感器的工作原理如图所示 磁力线穿过的路径为 永久磁铁N极 定子与转子间的气隙 转子凸齿 转子凸齿与定子磁头间的气隙 磁头 轭铁 永久磁铁S极 当信号转子旋转时 磁路中的气隙就会周期性地发生变化 磁路的磁阻和穿过信号线圈磁头的磁通量随之发生周期性的变化 根据电磁感应原理 传感线圈中就会感应产生交变电动势 图8 12信号转子的齿与信号线圈三种
2、典型相对位置 当转子转到凸齿的中心线与磁头的中心线对齐时 图b 虽然转子凸齿与磁头间的气隙最小 磁路的磁阻最小 磁通量 最大 但是 由于磁通量不可能继续增加 磁通量变化率为零 因此感应电动势E为零 当转子沿顺时针方向继续旋转 凸齿离开磁头时 图c 凸齿与磁头间的气隙增大 磁路磁阻增大 磁通量 减少 所以感应电动势E为负值 如下图中曲线所示 当凸齿转到将要离开磁头边缘时 磁通量 急剧减少 磁通量变化率达到负向最大值 感应电动势E也达到负向最大值 图8 13交流信号发生的原理 第二节磁电感应式速度传感器 原理 利用导体和磁场发生相对运动产生感应电动势 电磁感应定律 当 匝线圈在恒定磁场运动时 设穿
3、过线圈的磁通量为 则线圈内的感应电动势与磁通量变化率有如下关系 UA 感应线圈两端输出电压Uind 感应电压 感应线圈的匝数x 转动位置 空气间隙 类型 变磁通 量 式 空气间隙 变化 线圈或磁铁不动 即恒磁通 量 式 空气间隙 不变化 线圈或磁铁运动 即线圈与磁铁产生相对运动 切割磁力线 产生感应电动势转速n 感应线圈中感应出近似于正弦波的电动势的频率与感应线圈匝数的关系为 式中 n 转子转速 r min f 正弦波频率 Hz Z 转子齿数 当转至B位置时 信号线圈中通过最大的磁通量 但其变化率为0 因而感应电压为零 当转至C位置时 信号线圈中磁通量的减小率达到最大 信号线圈中产生负方向的最
4、大感应电压 永久磁铁的磁感线经转子 信号线圈 托架构成回路 转子由分电器轴带动旋转 利用凸齿和托架之间的间隙变化 使通过信号线圈的磁通量发生变化 从而使线圈中产生感应电压来产生检测信号 当转子的凸齿转到A位置时 信号线圈中的磁通量的变化率达到最大 信号线圈中产生最大的感应电压 第二节磁电感应式速度传感器 利用导体和磁场发生相对运动产生感应电动势 图8 1磁电式传感器结构原理图1 线圈2 运动部分3 永久磁铁 图8 2运算电路图 磁电式转速传感器一般用于动态转速测量 不适用于慢的转速测量 因为这时的输出电压信号接近于零 磁电式转速传感器的优点是成本低 具有良好的电磁兼容和防无线电干扰能力 而且为
5、无源元器件 在测点处不需要信号处理的保护电路 而且工作温度范围宽 其缺点是输出信号与转速有关 对于静态无效 而且对空气间隙的波动敏感 磁电式转速传感器在汽车上的应用较多 主要应用在 发动机转速传感器 判缸传感器 变速器输入传感器 变速器输出传感器 车速传感器 轮速传感器等 速度传感器的应用 a 外形b 结构图8 10装入分电器的脉冲信号式转速传感器的结构1 分火头2 基准信号线圈3 信号转子4 角度信号线圈5 内齿轮6 外齿轮 图8 11脉冲信号发生装置的结构1 信号转子2 信号线圈3 托架4 永久磁铁5 磁通 图8 15电磁式转速传感器的结构1 永久磁铁2 线圈3 M14 1 25螺纹4 齿
6、轮 图8 16柴油发动机的转速表电路图 图8 18电磁感应式车速传感器的安装1 输出轴2 停车锁定齿轮3 车速传感器 第三节光电式速度传感器 通过光电转换元件将光能转换成电能光敏二极管 光敏晶体管及光电池 图8 3硅光电池的结构示意图 图8 4光敏二极管 图8 5光敏晶体管 图8 6光电转速传感器原理1 光源2 4 6 透镜3 半透明膜片5 被测轴7 光电管 图8 7直射型光电式转速计的工作原理1 被测轴2 圆盘3 光源4 光电管 一般安装在分电器内或曲轴前端 由信号发生器和带光孔的信号盘组成 如图所示 信号盘与分电器轴或曲轴一起转动 信号盘外圈有360条光刻缝隙 传感器装在分电器内时产生曲轴
7、转角1 的信号 稍靠内有间隔60 均布的6个光孔 产生曲轴转角120 的信号 其中一个光孔稍宽 用以产生相对于1缸上止点的信号 图8 14装入分电器内部的光电式转速传感器1 信号处理装置2 光敏二极管3 发光二极管4 转子5 盖板6 转子板7 120 用二极管8 1 用二极管9 1 信号检测窗 360个 10 120 信号检测窗 6个 信号发生器安装在分电器壳体上 由两只发光二极管 两只光敏二极管和电路组成 两只发光二极管正对着两只光敏二极管 信号盘上有光孔 起透光和遮光交替变化的作用 使信号发生器输出脉冲信号 当发光二极管的光束照到光敏二极管时 光敏二极管产生电压 当发光二极管光束被挡住时
8、光敏二极管电压为0 这些电压信号经电路部分整形放大后输送给ECU ECU根据这些信号计算发动机转速和曲轴位置 光电式车速传感器光电式车速传感器的结构如图3 75所示 它用于数字式速度表上 由发光二极管 LED 光敏三极管以及装在速度表驱动轴上的遮光板构成 图8 28光电式车速传感器的工作原理1 光电耦合元件2 发光二极管3 遮光板4 电压 5V 5 光敏晶体管6 传感器输出信号7 搭铁 第四节电磁脉冲式转速传感器 图8 9电磁脉冲式转速计 图8 30磁阻元件式车速传感器的构造1 混合集成电路2 多极磁环 图8 31磁阻元件式车速传感器的工作原理1 变速器2 多极磁环3 磁阻元件4 磁力线 笛簧
9、开关式转速传感器 当磁铁靠近笛簧开关时 在磁力线的作用下 使触点带磁性 触点的磁性 与磁铁近侧极性相反 从而使笛簧开关触点靠本身磁性吸引 使开关导通 磁铁随分电器轴转动后 当只有一端靠近笛簧开关时 触点则不受磁力线的影响 触点分开 这样 两个笛簧开关在分电器轴上的磁铁作用下 相互以180 的相位差进行通 断变换 把发动机转速信息输入电控单元ECU 舌簧开关式 霍尔式转速传感器 由美国物理学家霍尔1879年发现金属材料有霍尔效应半导体材料中霍尔效应更明显用于 测电流 磁场 压力 加速度 振动 转速 位移等 图8 24霍尔轮速传感器磁路 霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体 当它的电流方向与磁场方向
10、不一致时 载流导体上平等于电流I和磁场B方向上的两个面之间产生电动势UH 这种现象称为霍尔效应 UH kIB UH 霍尔常数 I 控制电流 C s B 磁感应强度 d 霍尔元件的厚度 m 根据霍尔电压的计算公式可知 若改变磁感应强度B的有无或强弱 则霍尔电压相应变化 即有无或强弱变化 利用轴上的转盘或齿轮就可改变磁感应强度的变化频率 根据频率的变化即可检测到转速的快慢 霍尔式转速传感器在汽车上的应用主要有 发动机转速传感器 判缸传感器 或上止点传感器 变速器输入轴传感器 变速器输出轴传感器 车速传感器 轮速传感器等 汽车上采用霍尔式转速传感器可分为两大类 一类是采用触发叶片式 另一种采用触发轮
11、齿式 采用触发叶片式 是改变磁场感应强度的有无 从而使霍尔电压有无波动变化 当信号发生器上的叶片进入永久磁铁与霍尔组件之间的气隙时 霍尔触发器的磁场被叶片旁路 此时不产生霍尔电压 传感器无输出信号 当信号发生器的触发叶片的缺口部分进入永久磁铁和霍尔组件之间的气隙时 霍尔电压升高 传感器输出电压信号 采用触发轮齿式是改变磁场感应强度的强弱 从而使霍尔电压强弱波动 触发轮齿式转速传感器工作原理是永磁铁的磁力线穿过霍尔器件通向齿轮 齿轮提供了磁路 当齿轮位于图a所示位置时 穿过霍尔器件的磁力线分散 磁场相对较弱 当齿轮位于图b所示位置时 穿过霍尔器件的磁力线集中 磁场相对较强 齿轮转动时 使得穿过霍尔器件的磁力线密度发生变化 因此引起霍尔电压的变化 霍尔器件将输出一个毫伏级的交变电压 该交流信号需经由电子电路转换成标准的脉冲电压 a 磁场较弱 b 磁场较强 图8 25霍尔轮速传感器电子线路框图 图8 29车速表的电路框图
