一種新型汽車節(jié)氣門角度傳感器設(shè)計(jì)*

陳科球，謝偉廣

（暨南大學(xué)物理系思源實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510632）

0 引言

節(jié)氣門是控制空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的一道可控閥門，氣體進(jìn)入進(jìn)氣管后會(huì)和汽油混合成可燃混合氣，從而燃燒做功。它上接空氣濾清器，下接發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，被稱為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的咽喉［1］?，F(xiàn)行的汽車節(jié)氣門角度傳感器大部分采用三線碳膜接觸式結(jié)構(gòu)，通過觸點(diǎn)在環(huán)形碳膜上滑動(dòng)來改變電阻值，時(shí)間久了將產(chǎn)生滑片電阻值不準(zhǔn)確、可動(dòng)觸點(diǎn)（觸臂）與滑片電阻接觸不良等安全隱患［2］。

本文提出了采用MLX90316設(shè)計(jì)節(jié)氣門角度傳感器，從原有的電位計(jì)式發(fā)展到應(yīng)用霍爾線性元件測量磁體位置，而非接觸式測量比電位計(jì)式可靠性高，精確度高，耐久性好，比光電式測量成本低，也更能適應(yīng)車體惡劣的工作環(huán)境，并得到大量的推廣與應(yīng)用。

1 MLX90316芯片介紹

Melexis公司的 MLX90316芯片是一種線性霍爾元件［3］，可輸出與芯片表面平行磁場的角度位置信息，該元件采用三軸霍爾技術(shù)，在芯片上方放置一個(gè)圓盤形磁集中器（IMC），將平行作用于芯片表面的磁場集中起來，并在IMC結(jié)構(gòu)的邊緣產(chǎn)生正比于磁場的垂直分量，通過2對(duì)位于IMC下方的相互垂直的平面霍爾元件檢測平行于芯片表面的磁通密度［4］。2對(duì)霍爾元件的放置方向相互垂直，并都平行于芯片表面（X和Y方向），這樣2對(duì)霍爾元件輸出的正比于磁場強(qiáng)度的信號(hào)（Vx和Vy）可以將實(shí)際角度編碼為2個(gè)相位差為90°的正弦信號(hào)，Vx和Vy經(jīng)多路復(fù)用器選通放大、A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。芯片內(nèi)置的16位數(shù)字信號(hào)處理（DSP）對(duì)這2路信號(hào)進(jìn)行采樣和處理，最后的輸出信號(hào)可以在0～5 V模擬方式、脈寬調(diào)變（PWM）模式以及串口通信方式（SPI）中選擇，輸出曲線是完全可以編程的（例如:偏移值、增益、鉗位電平等參數(shù)都可編程）。

2 MLX90316汽車節(jié)氣門傳感器檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文選用MLX90316芯片設(shè)計(jì)了汽車節(jié)氣門角度傳感器，替代現(xiàn)在的碳膜結(jié)構(gòu)，檢測原理如圖1所示。在芯片上方放置的圓盤形永磁鐵與節(jié)氣門機(jī)械部件連接，當(dāng)節(jié)氣門開合動(dòng)作時(shí)，產(chǎn)生變化的磁場，被MLX90316表面的IMC收集，并在其邊緣產(chǎn)生正比于磁場的垂直分量，由霍爾元件檢測。為實(shí)驗(yàn)方便，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓盤形永磁鐵，替代節(jié)氣門的開合動(dòng)作，節(jié)氣門角度傳感器檢測系統(tǒng)與控制電路的框圖如圖2，系統(tǒng)檢測與控制圖如圖3。為了驗(yàn)證其可行性，使用精密角度傳感器測試儀［5］，利用計(jì)算機(jī)并口來控制步進(jìn)電機(jī)（步距為0.36°）帶動(dòng)傳感器的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，即永磁鐵在水平方向上的方位角每步改變0.36°，加在霍爾芯片上的外磁場發(fā)生變化，通過霍爾效應(yīng)，使傳感器的輸出電壓發(fā)生改變。傳感器的輸出信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器ADS774JP［6］，ADS774JP在并口的控制下對(duì)傳感器的輸出電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過并口讀入PC。

圖1 霍爾傳感器檢測原理Fig 1 Detecting principle diagram of Hall sensor

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 Block diagram of system structure

圖3 系統(tǒng)檢測與控制圖Fig 3 Diagram of system testing and control

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

節(jié)氣門位置傳感器是一種三線傳感器。其中一線從電腦的傳感器電源引來的5 V電壓對(duì)傳感器電阻材料供電，另一線連接電阻材料的另一端為傳感器提供接地，第三根線連至傳感器的可動(dòng)觸點(diǎn)，提供信號(hào)輸出至電腦。電阻材料上每點(diǎn)的電壓，由可動(dòng)觸點(diǎn)探測，并與節(jié)氣門角度呈正比，其輸出特性如圖4。為了驗(yàn)證傳感器，分別對(duì)獨(dú)立線性度、重復(fù)性、一致性等做了測量。

圖4 節(jié)氣門傳感器輸出特性Fig 4 Output characteristics of throttle sensor

3.1 傳感器的獨(dú)立線性度

圖5 MLX90316芯片輸出電壓與轉(zhuǎn)角的關(guān)系Fig 5 Relationship between output voltage of MLX90316 chip and rotating angle

3.2 重復(fù)性測試

重復(fù)性是傳感器的另一個(gè)重要靜態(tài)特性，通過對(duì)同一角度傳感器的重復(fù)測量，來檢測其重復(fù)性。同一傳感器重復(fù)測試12次，每次測量步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)2周，即720°，轉(zhuǎn)速為150 r/s。其結(jié)果如圖6，根據(jù)重復(fù)性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）=標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均值，得出RSD=2%，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

3.3 一致性測試

一致性也稱為互換性，通過對(duì)同批次角度傳感器的測量，可以看出傳感器的一致性。轉(zhuǎn)角范圍為50°，分別測量6只同批次的傳感器，測量時(shí)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)2周，即720°，轉(zhuǎn)速為150 r/s。其測量結(jié)果如圖7，參照重復(fù)性的測試公式，得出此批傳感器的一致性約2%，滿足實(shí)際應(yīng)用。

圖6 多次測量的獨(dú)立線性度Fig 6 Independent linearity of multiple metering

圖7 不同傳感器的獨(dú)立線性度測試Fig 7 Test of independent linearity of different sensors

4 結(jié)論

目前，汽車節(jié)氣門角度傳感器基本都是基于三線碳膜滑動(dòng)電阻器式設(shè)計(jì)，存在磨損大，接觸不良等缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于MLX90316非接觸式節(jié)氣門角度傳感器，并研制了相應(yīng)的測試系統(tǒng)，從檢測結(jié)果來看，傳感器的獨(dú)立線性度小于1.1%，重復(fù)性保持在2%，一致性約為2%，滿足汽車實(shí)際應(yīng)用，可以替代碳膜滑動(dòng)變阻器結(jié)構(gòu)，具有很大的應(yīng)用前景。

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