一種高性能磁電式凸輪轉(zhuǎn)速傳感器的設(shè)計(jì)

沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司 董清波 劉 妍 馬 超 彭春文 蔣伯華 梁永勝 胡 競

一種高性能磁電式凸輪轉(zhuǎn)速傳感器的設(shè)計(jì)

沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司 董清波 劉 妍 馬 超 彭春文 蔣伯華 梁永勝 胡 競

根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪轉(zhuǎn)速測量的要求設(shè)計(jì)了一種高可靠性磁電式凸輪轉(zhuǎn)速傳感器，應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（ECU），是ECU控制發(fā)動(dòng)機(jī)泵油和噴油量的重要指標(biāo)。通過機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、線圈設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)，使該傳感器除具有寬量程、高輸出電壓的特性外，還具有抗沖擊、抗振動(dòng)、防水、耐高溫等高可靠性能。

高可靠性；ECU；轉(zhuǎn)速傳感器

引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，傳感器技術(shù)漸漸變?yōu)槿祟愄街匀唤缍喾N信息的眼睛和觸手，逐漸變作人們認(rèn)知、理解和操控差異的、相應(yīng)的對(duì)象的先決條件和必要的依據(jù)。在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、海洋開發(fā)、宇宙探索中，幾乎所有參數(shù)的獲取都依靠傳感器和檢測儀表來檢測。而傳感器在汽車電子控制系統(tǒng)中更是主要的的信息源，是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，更是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)（ECU）是汽車核心控制技術(shù)之一，它采集發(fā)動(dòng)機(jī)的相位、轉(zhuǎn)速( n ) 、燃油壓力、油門位置、溫度等信號(hào),通過一定的算法得出泵油和噴油的參數(shù),并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行器工作。ECU控制系統(tǒng)通過傳感器對(duì)溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、加速度和振動(dòng)等各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測量和控制。在ECU 中,曲軸和凸輪軸轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)序的基礎(chǔ),其作用就相當(dāng)于芯片中的時(shí)鐘，發(fā)動(dòng)機(jī)的n 、噴油相位以及判缸信號(hào)等都是通過這兩個(gè)傳感器計(jì)算處理得出的。因此,設(shè)計(jì)一種可靠性高的凸輪轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)整個(gè)汽車電控單元來說都是至關(guān)重要的。

1.轉(zhuǎn)速傳感器種類

轉(zhuǎn)速傳感器是將旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電量輸出的傳感器。轉(zhuǎn)速傳感器是一種間接式測量裝置，可使用機(jī)械、電氣、磁、光和混合式等方法制造。轉(zhuǎn)速傳感器，按其檢測技術(shù)可分為可變磁阻式、韋根德效應(yīng)式、霍爾效應(yīng)式、磁控電阻式、各向異性磁阻式、巨磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器。按照輸出信號(hào)形式的不同，轉(zhuǎn)速傳感器又可分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式的傳感器其輸出信號(hào)值是轉(zhuǎn)速的線性函數(shù),而數(shù)字式其輸出信號(hào)頻率與轉(zhuǎn)速成正比，或者是其信號(hào)峰值間隔與轉(zhuǎn)速成反比。由于現(xiàn)代自動(dòng)控制系統(tǒng)中使用了大量的電機(jī)，在某些場合下系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速（不論是低速、高速、穩(wěn)速和瞬時(shí)速度）都要求很精準(zhǔn)，致使轉(zhuǎn)速傳感器被廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)在市場上常用的轉(zhuǎn)速傳感器有光電式轉(zhuǎn)速傳感器（透射式、發(fā)射式）、變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器、電容式轉(zhuǎn)速傳感器（面積變化型、介質(zhì)變化型）、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器、磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。

2.磁電式轉(zhuǎn)速傳感器原理

常用的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和凸輪軸轉(zhuǎn)速傳感器有霍爾式傳感器和磁電式傳感器兩種。磁電式傳感器具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、耐腐蝕、耐沖擊、可靠性高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，所以本文主要研究了一種高可靠性的磁電式發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪轉(zhuǎn)速傳感器。

2.1 工作原理

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理（如圖1所示），它主要是由與軸相連的觸發(fā)輪（或稱相位盤，是一個(gè)被等分的齒輪盤，其上面有多齒或缺齒）和相對(duì)靜止的傳感器兩部分組成。磁電轉(zhuǎn)速傳感器采用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)測速，在傳感器前端繞有線圈，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，傳感器鐵芯和相位盤齒輪的齒之間的間隙發(fā)生周期性變化，使得磁路中磁阻也產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而引起通過線圈的磁通發(fā)生變化，在傳感器線圈中產(chǎn)生近似正弦波的周期性電壓（如圖2所示），通過對(duì)該電壓處理計(jì)數(shù)，就能測出齒輪的轉(zhuǎn)速。

圖1 凸輪轉(zhuǎn)速傳感器工作原理

圖2 凸輪轉(zhuǎn)速傳感器波形

2.2 輸出特性

根據(jù)磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理可以得知，傳感器產(chǎn)生的交流電壓信號(hào)的頻率與被測齒輪轉(zhuǎn)速和齒數(shù)成正比。設(shè)被測齒輪的齒數(shù)為z，被測軸的轉(zhuǎn)速為n那么線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的頻率為：

式中：n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/s；z——觸發(fā)輪被等分的齒數(shù)；f——磁電式傳感器的輸出信號(hào)頻率，Hz。

當(dāng)被測速齒輪的齒數(shù)為60 時(shí)，f=n，這說明傳感器輸出脈沖電壓的頻率在數(shù)值上與所測轉(zhuǎn)速相等。

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的輸出電壓除了與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n有關(guān)外，還與傳感器和觸發(fā)輪的間隙（d）有關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速n一定時(shí)，間隙d越小，傳感器輸出峰值電壓越高。其關(guān)系式如下：

式中，V——傳感器輸出峰值電壓，V;n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速r/s；d——傳感器與觸發(fā)輪間隙，mm；K——與傳感器有關(guān)的參數(shù)。

3.凸輪轉(zhuǎn)速傳感器的設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的磁電式凸輪轉(zhuǎn)速傳感器主要由外殼、永久磁鐵、鐵芯、骨架、線圈等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 凸輪轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)圖

發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪轉(zhuǎn)速傳感器應(yīng)用場合非常復(fù)雜，使用條件很惡劣。整體結(jié)構(gòu)不但要滿足使用環(huán)境中的沖擊、振動(dòng)、防水等要求，還要滿足安裝結(jié)構(gòu)的要求，生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配有一定的難度要求。

因此，本文設(shè)計(jì)的凸輪轉(zhuǎn)速傳感器在外殼材料使用的是全不銹鋼材料，耐高溫、耐腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度高；鐵芯采用純鐵材料制作，導(dǎo)磁性能優(yōu)良，鐵芯結(jié)構(gòu)采用漸變錐面形，具有集束效果好的優(yōu)點(diǎn)；永久磁鐵特殊制作，在尺寸受限前提下磁場強(qiáng)度可達(dá)到500mT；其他引線、連接器等部件也選用的是耐高溫、抗振動(dòng)等級(jí)高的部件。

3.2 線圈設(shè)計(jì)

根據(jù)鐵芯形狀，設(shè)計(jì)的聚酰亞胺骨架，也采用漸變錐面設(shè)計(jì)，可提高線圈纏繞匝數(shù)；漆包線選用的是耐高溫自粘漆包線，通過自動(dòng)繞線機(jī)將漆包線均勻、有力的繞制在骨架上，根據(jù)其自粘工藝使線圈各繞組粘接在一起，提高線圈的整體強(qiáng)度和抗振動(dòng)能力。

3.3 可靠性設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)凸輪轉(zhuǎn)速傳感器，其與普通工業(yè)用凸輪轉(zhuǎn)速傳感器的區(qū)別在于具有高可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。本文所設(shè)計(jì)的凸輪轉(zhuǎn)速傳感器在抗振動(dòng)、防水、耐高溫、耐鹽霧等方面具有突出的優(yōu)勢。

本文為滿足加速度35g的定頻振動(dòng)，外殼全部采用不銹鋼材料一體加工，內(nèi)部加工溝槽，在裝配時(shí)內(nèi)部采用耐高溫環(huán)氧樹脂膠整體灌封，使線圈骨架與外殼成為一個(gè)整體，機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)良，耐高溫、抗振動(dòng)能力強(qiáng)；為滿足防水、耐鹽霧等眼球，在整機(jī)上設(shè)計(jì)的是全密封結(jié)構(gòu)，使用耐高溫、低溫的氟硅材質(zhì)橡膠圈進(jìn)行密封，同時(shí)變形后的O型圈將引線固定，保證其抗拉強(qiáng)度，并保證密封效果，除此之外設(shè)計(jì)時(shí)還通過一壓接件將線纜屏蔽與殼體壓緊，做到360°電連續(xù)，大大提高產(chǎn)品的抗干擾能力。

4.本文設(shè)計(jì)凸輪轉(zhuǎn)速傳感器的性能特點(diǎn)

本文所設(shè)計(jì)的磁電式凸輪轉(zhuǎn)速傳感器在結(jié)構(gòu)性能、測量范圍和輸出電壓上都較目前國內(nèi)車用凸輪轉(zhuǎn)速傳感器有很大成都的提高，并且在高振動(dòng)、腐蝕等惡劣工作環(huán)境下可正常工作。

4.1 抗振動(dòng)特性

由于凸輪轉(zhuǎn)速傳感器長期運(yùn)行在發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪附近，長期處于高溫、高振動(dòng)環(huán)境下，因此，對(duì)整機(jī)進(jìn)行抗振動(dòng)、沖擊防護(hù)設(shè)計(jì)也是十分必要的。傳感器采用的不銹鋼外殼及內(nèi)部耐高溫環(huán)氧樹脂膠灌封，結(jié)構(gòu)牢固，承壓能力強(qiáng)，可完全滿足現(xiàn)場的振動(dòng)環(huán)境要求，傳感器經(jīng)過多次的試驗(yàn)驗(yàn)證，可連續(xù)承受35g強(qiáng)度的振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)。

4.2 密封防護(hù)特性

由于凸輪轉(zhuǎn)速傳感器的工作位置，對(duì)產(chǎn)品的密封防護(hù)有一定的要求，本文通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（使用氟硅橡膠圈2級(jí)密封）、工藝設(shè)計(jì)（使用耐溫防水環(huán)氧樹脂膠整體灌封）和多次試驗(yàn)的驗(yàn)證，可以保證傳感器的密封防護(hù)性能。

4.3 寬量程、高輸出電壓特性

傳感器探頭前端厚度控制在0.3mm以內(nèi)，傳感器殼體為整體，即解決了傳感器耐振動(dòng)、防水、耐腐蝕等問題，又可以使傳感器的輸出電壓不會(huì)降低。經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，傳感器的測量范圍可達(dá)到：3.3Hz～5000Hz，當(dāng)負(fù)載為4.7kΩ、安裝間隙為1mm條件下，5.3Hz時(shí)輸出電壓峰峰值大于2V，200Hz時(shí)輸出電壓峰峰值大于5V。

5.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的磁電式凸輪轉(zhuǎn)速傳感器，通過大量測定的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析后，它的功能和性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。滿足現(xiàn)場的使用要求，改進(jìn)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速傳感器只有在注塑外殼、鐵芯探出情況下才能達(dá)到高輸出電壓的難題，使傳感器具有良好的耐振動(dòng)、耐高溫、防水等性能，提高了傳感器測量范圍和低頻率輸出電壓幅值，具有很好的市場應(yīng)用前景。

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