汽車傳感器技術(shù)中電磁感應(yīng)現(xiàn)象的應(yīng)用

呂露

摘要：汽車傳感器技術(shù)對汽車功能產(chǎn)生重要影響，而電磁感應(yīng)現(xiàn)象則是影響傳感器技術(shù)發(fā)展的重要因素。在本次研究中，本文詳細分析了汽車傳感器技術(shù)現(xiàn)狀，并對其智能化、集成化等技術(shù)發(fā)展方向進行分析;之后從技術(shù)角度出發(fā)，詳細研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象在汽車傳感器技術(shù)中的應(yīng)用路徑，包括在扭矩傳感器方向、輪速傳感器方面的應(yīng)用等，希望為進一步完善汽車傳感器性能提供支持。

關(guān)鍵詞：汽車傳感器;電磁感應(yīng)現(xiàn)象;扭矩傳感器

0 ?引言

汽車電子技術(shù)的發(fā)展對于推動整個行業(yè)的革新具有重要影響，汽車電子控制主要是依靠信號輸入裝置（即傳感器），在經(jīng)過電控單元處理信號后，命令執(zhí)行元件，確保車輛的功能得以實現(xiàn)。電磁感應(yīng)現(xiàn)象在汽車傳感器技術(shù)中占據(jù)重要位置，隨著我國汽車市場發(fā)展，為了能夠更好的適應(yīng)未來需求，需要從電磁感應(yīng)現(xiàn)象角度探索汽車傳感器技術(shù)的發(fā)展新方向。

1 ?汽車傳感器技術(shù)現(xiàn)狀

結(jié)合當前汽車傳感器技術(shù)現(xiàn)狀來看，其發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)為：

1.1 智能化

隨著汽車的不斷更新?lián)Q代，汽車傳感器技術(shù)也表現(xiàn)出了較為明顯的變化[1]。結(jié)合當前新型汽車中的傳感器技術(shù)應(yīng)用狀況來看，引入智能化傳感器的汽車產(chǎn)品數(shù)量明顯增加。這一改變標志著汽車傳感器技術(shù)正朝向智能化方向發(fā)展。

1.2 集成化

近年來，易于集成的傳感器逐漸成為汽車生產(chǎn)中選擇傳感器技術(shù)的主要依據(jù)。以MEMS傳感器為例，這種新型傳感器具有良好易集成特性。上述優(yōu)勢為其在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域的普及奠定了良好的基礎(chǔ)。

1.3 微型化

體積限制性特征也是汽車傳感器技術(shù)的主要發(fā)展趨勢之一。與傳統(tǒng)大體積汽車傳感器相比，小體積傳感器的優(yōu)勢在于：其空間耗用更少，可適用于不同條件、位置，其適用范圍更加廣闊。此外，小體積的汽車傳感器更加契合消費者的實際要求。

2 ?電磁感應(yīng)現(xiàn)象在汽車傳感器技術(shù)中的運用

這里主要從以下幾方面入手，針對電磁感應(yīng)現(xiàn)象在汽車傳感器技術(shù)中的運用進行分析：

2.1 輪速傳感器方面

輪速傳感器的功能以采集車輪轉(zhuǎn)速信息為主[2]。該設(shè)備的轉(zhuǎn)子通常被安裝于汽車中隨車輪共同運轉(zhuǎn)的從動輪、驅(qū)動車輪等設(shè)備中，而其本體則被安裝于不受車輪轉(zhuǎn)速影響的部件中（同樣位于車輪周圍）。

基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的輪速傳感器的磁通量、電動勢參數(shù)的變化規(guī)律為：汽車運行狀態(tài)下，該傳感裝置信號轉(zhuǎn)子內(nèi)部的磁芯、齒圈均沿順時針方向逐漸開始轉(zhuǎn)動。隨著轉(zhuǎn)動的持續(xù)，磁頭、轉(zhuǎn)子齒圈的空氣間隙明顯縮小，引發(fā)傳感裝置磁路內(nèi)磁阻參數(shù)的下降，此時，通過傳感裝置感應(yīng)線圈的磁通量參數(shù)呈升高趨勢，而其變化率則按照先增大、后減小（與磁頭、齒圈間間隙的持續(xù)變化有關(guān)）的順序不斷變化。而當齒圈運行至與磁頭相對應(yīng)方向時，磁路的磁阻參數(shù)達到最小值，而磁通量參數(shù)則為最大值，因此，磁通量變化率及輪速傳感器的感應(yīng)電動勢均為0。隨著轉(zhuǎn)子的進一步旋轉(zhuǎn)，齒圈與磁頭間隙逐漸拉大，磁阻明顯增大，磁通量減少，磁通量變化率轉(zhuǎn)為負值，變化率參數(shù)的絕對值呈先升高后降低趨勢，該時段的感應(yīng)電動勢則保持先下降后升高趨勢。隨著電磁感應(yīng)現(xiàn)象的引導(dǎo)作用，輪速傳感器的轉(zhuǎn)子可逐漸隨汽車車輪正常旋轉(zhuǎn)，并將所采集的輪速信息傳輸至電腦內(nèi)，由電腦通過對輪速信息的識別及分析做出相應(yīng)指令。

2.2 扭矩傳感器方面

電磁感應(yīng)式扭矩傳感器屬于一類經(jīng)典非接觸式傳感器。這類汽車傳感器主要由扭桿、輸入軸、輸出軸、線圈以及線軸套等元件構(gòu)成。其中，該傳感裝置的輸出軸、輸入軸由一根相同扭桿連接;輸入軸表面設(shè)置兩排鍵槽（材料類型為非磁性材料），而輸出軸表面則配置以磁性材料制成的花鍵。鍵槽、花鍵外部分別設(shè)置相對應(yīng)的感應(yīng)線圈、線軸套等元件。

汽車運行狀態(tài)下，該傳感裝置受扭矩作用影響，促使扭桿出現(xiàn)變形，進而引發(fā)分布于輸入軸、輸出軸表面的鍵槽、花鍵隨之轉(zhuǎn)動。以磁性材料制成的花鍵的磁感強度參數(shù)迅速出現(xiàn)變化，并造成與之對應(yīng)線圈電壓信號參數(shù)的變化。上述變化（扭矩變化）可促使扭矩傳感器獲得相應(yīng)扭矩數(shù)據(jù)信息。由該傳感裝置將上述信息傳輸至汽車電腦后，電腦可根據(jù)所接收參數(shù)狀況，向外發(fā)出相應(yīng)指令。

與傳統(tǒng)傳感器相比，基于電磁感應(yīng)原理的扭矩傳感器的優(yōu)勢在于：其采集扭矩信息的精度水平較高。此外，該設(shè)備的運行可靠性較強，使用壽命較長，其運行期間出現(xiàn)故障問題的風險水平較低。

2.3 曲軸位置傳感器方面

作為一種以電磁感應(yīng)為基本原理的常用傳感器，曲軸位置傳感器的主要構(gòu)成包含永久磁鐵、信號轉(zhuǎn)子（以導(dǎo)磁材料制成）等[3]。曲軸位置傳感器的功能以監(jiān)控曲軸及發(fā)電機轉(zhuǎn)動狀況為主。上述兩種被監(jiān)控設(shè)備的運行原理為：發(fā)電機啟動后，曲軸位置傳感器可促使活塞的往復(fù)性運動（上下方向）轉(zhuǎn)變?yōu)橐宰陨頌橹行牡膱A周運動。隨著活塞產(chǎn)生動力參數(shù)的變化（呈增長趨勢），該傳感器可借助離合器等相關(guān)傳動機制，將動力傳輸至驅(qū)動輪，實現(xiàn)汽車行駛目的。在曲軸飛輪組運行過程中，曲軸位置傳感器的作用為：該傳感裝置可動態(tài)收集來自發(fā)動機、曲軸的轉(zhuǎn)速信號、轉(zhuǎn)動角度信號，并將所采集信號信息轉(zhuǎn)入發(fā)動機電腦內(nèi)，便于發(fā)動機電腦根據(jù)上述原始信息，確定汽車各氣缸的點火順序及噴油順序。如該傳感裝置受故障因素影響而未能正常運行，發(fā)動機電腦無法獲取相應(yīng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動角度信號，其可自動判定發(fā)動機處于停滯狀態(tài)，此時，發(fā)動機電腦迅速向外發(fā)出切斷噴油指令，進而造成汽車熄火。

傳感裝置運行期間，電磁感應(yīng)現(xiàn)象對其運行狀況的影響主要體現(xiàn)為：

第一，傳感裝置信號轉(zhuǎn)子與永久磁鐵間隔縮小。曲軸位置傳感裝置運行后，內(nèi)部信號轉(zhuǎn)子與永久磁鐵磁頭的間隔逐漸縮短，在這一過程中，磁頭與轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙持續(xù)縮小，導(dǎo)致磁通量參數(shù)持續(xù)增長。此時，傳感裝置磁通量變化率參數(shù)處于>0范圍內(nèi)。隨著該參數(shù)的增大，傳感裝置產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也逐漸增加，并呈現(xiàn)出迅速上升變化規(guī)律。

第二，信號轉(zhuǎn)子與磁鐵間距持續(xù)縮短。隨著信號轉(zhuǎn)子的持續(xù)貼近，其凸齒與磁頭間距進一步縮小，在該過程中，雖然磁通量參數(shù)呈增加趨勢，但其變化率緩慢降低，同時，感應(yīng)電動勢參數(shù)也逐漸降低。因此，該階段感應(yīng)電動勢的變化規(guī)律為逐漸降低。

第三，轉(zhuǎn)子與磁頭處于同一直線（水平面）。當轉(zhuǎn)子凸齒運動至與磁頭相同平面內(nèi)時，二者間隙達到最小值，此時，磁通量為最大值，由于整個變化過程中磁場強度無變化，因此，磁通量變化率、感應(yīng)電動勢均為0。

第四，轉(zhuǎn)子離開磁頭。轉(zhuǎn)子脫離與磁頭同平面狀態(tài)后，其與磁頭間距逐漸增大，此時，磁通量不斷縮小，變化率逐漸增大，而感應(yīng)電動勢也逐漸縮小。上述變化規(guī)律構(gòu)成了完整的正弦波形。

2.4 轉(zhuǎn)角傳感器方面

汽車電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)角傳感器也是電磁感應(yīng)現(xiàn)象在汽車傳感器技術(shù)中應(yīng)用的主要體現(xiàn)。這類傳感裝置的構(gòu)成為：轉(zhuǎn)子、激勵線圈、感應(yīng)線圈及輔助電路等。具體而言，激勵線圈與感應(yīng)線圈的材料相同，前者為細導(dǎo)線繞制而成，而后者則以轉(zhuǎn)子輪廓為參照，通過導(dǎo)線的合理繞制獲得兩條呈極性相反狀態(tài)的線圈。

在汽車啟動狀態(tài)下，這類傳感裝置的運行原理為：啟動后，轉(zhuǎn)角傳感器內(nèi)置的激勵電路可持續(xù)產(chǎn)生交流電壓信號（具有高頻性特征），上述信號信息直接作用于激蕩線圈，使其產(chǎn)生磁場。隨著傳感裝置的運行，感應(yīng)線圈與激勵線圈的間距不斷縮小，并逐漸進入后者形成的磁場范圍內(nèi)。在電磁感應(yīng)耦合機制的影響下，感應(yīng)線圈立即形成感生電壓，此時，與感應(yīng)線圈相連的轉(zhuǎn)子（以導(dǎo)電材料制成）也會受到激勵線圈形成交變磁場的影響。隨著傳感裝置轉(zhuǎn)軸的持續(xù)變化，轉(zhuǎn)子所處的空間位置隨之改變，上述變化可對傳感裝置內(nèi)部激勵線圈、感應(yīng)線圈間的感應(yīng)耦合機制形成一定影響，此時，感應(yīng)線圈基于電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生的感生電壓參數(shù)逐漸變化（與轉(zhuǎn)子空間位置改變有關(guān)），即形成特定的轉(zhuǎn)角、感生電壓幅值映射關(guān)系。由感應(yīng)線圈向外輸出的感生電壓經(jīng)過傳感裝置內(nèi)置的處理電路進行處理后，可形成準確的信號信息。此時，參照既定算法規(guī)律，即可確定不同轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度下產(chǎn)生的電量信息。在上述變化過程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動引發(fā)的感應(yīng)線圈輸出信號峰值變化規(guī)律，與正弦波周期特征相符。當汽車電腦接收到轉(zhuǎn)角傳感器提供的原始信息后，可隨之發(fā)出相應(yīng)指令，以保障汽車的安全運行。

與其他可用于轉(zhuǎn)角參數(shù)監(jiān)測的汽車傳感器技術(shù)相比，以電磁感應(yīng)為原理的轉(zhuǎn)角傳感器的優(yōu)勢在于：

第一，成本低。該傳感裝置內(nèi)部構(gòu)成簡單，整體成本較低，符合推廣要求。

第二，轉(zhuǎn)角參數(shù)測量精度高。以該傳感裝置監(jiān)測汽車的轉(zhuǎn)角參數(shù)，其所得監(jiān)測結(jié)果的精度水平較高，上述優(yōu)勢可為汽車正常運行提供良好保障。

3 ?結(jié)論

汽車傳感器作為汽車的重要組成部分，在未來呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展趨勢，從本文的研究結(jié)果可知，電子感應(yīng)現(xiàn)象在汽車傳感器技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用，其技術(shù)發(fā)展直接影響了傳感器技術(shù)水平，因此相關(guān)人員需要根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)要求，探索電磁感應(yīng)現(xiàn)象新的應(yīng)用路徑，爭取能夠?qū)崿F(xiàn)汽車傳感器技術(shù)變革，最終為實現(xiàn)汽車制造工藝發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

參考文獻：

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[3]于淑霞.汽車傳感器技術(shù)中電磁感應(yīng)現(xiàn)象的應(yīng)用[J].中學物理教學參考，2017，46（18）：40-41.