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

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)動機凸輪轉(zhuǎn)速測量的要求設(shè)計了一種高可靠性磁電式凸輪轉(zhuǎn)速傳感器，應(yīng)用于發(fā)動機電子控制單元（ECU），是ECU控制發(fā)動機泵油和噴油量的重要指標。通過機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、線圈設(shè)計、可靠性設(shè)計，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、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，逐漸變作人們認知、理解和操控差異的、相應(yīng)的對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)動機電子控制技術(shù)（ECU）是汽車核心控制技術(shù)之一，它采集發(fā)動機的相位、轉(zhuǎn)速( n ) 、燃油壓力、油門位置、溫度等信號,通過一定的算法得出泵油和噴油的參數(shù),并驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行器工作。ECU控制系統(tǒng)通過傳感器對溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、加速度和振動等各種信息進行實時、準確的測量和控制。在ECU 中,曲軸和凸輪軸轉(zhuǎn)速傳感器信號是整個發(fā)動機工作時序的基礎(chǔ),其作用就相當于芯片中的時鐘，發(fā)動機的n 、噴油相位以及判缸信號等都是通過這兩個傳感器計算處理得出的。因此,設(shè)計一種可靠性高的凸輪轉(zhuǎn)速傳感器對整個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值是轉(zhuǎn)速的線性函數(shù),而數(shù)字式其輸出信號頻率與轉(zhuǎn)速成正比，或者是其信號峰值間隔與轉(zhuǎn)速成反比。由于現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)中使用了大量的電機，在某些場合下系統(tǒng)對電機的轉(zhuǎn)速（不論是低速、高速、穩(wěn)速和瞬時速度）都要求很精準，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)動機曲軸和凸輪軸轉(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，所以本文主要研究了一種高可靠性的磁電式發(fā)動機凸輪轉(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，是一個被等分的齒輪盤，其上面有多齒或缺齒）和相對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)原理實現(xiàn)測速，在傳感器前端繞有線圈，當發(fā)動機運行時，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），通過對該電壓處理計數(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)動機轉(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頻率，Hz。

當被測速齒輪的齒數(shù)為60 時，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)動機轉(zhuǎn)速n有關(guān)外，還與傳感器和觸發(fā)輪的間隙（d）有關(guān)，當轉(zhuǎn)速n一定時，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)動機轉(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

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的磁電式凸輪轉(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)動機凸輪轉(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、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)計和裝配有一定的難度要求。

因此，本文設(shè)計的凸輪轉(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、機械強度高；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；永久磁鐵特殊制作，在尺寸受限前提下磁場強度可達到500mT；其他引線、連接器等部件也選用的是耐高溫、抗振動等級高的部件。

3.2 線圈設(shè)計

根據(jù)鐵芯形狀，設(shè)計的聚酰亞胺骨架，也采用漸變錐面設(shè)計，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，通過自動繞線機將漆包線均勻、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，提高線圈的整體強度和抗振動能力。

3.3 可靠性設(shè)計

本文設(shè)計凸輪轉(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)計的凸輪轉(zhuǎn)速傳感器在抗振動、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，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整體，機械強度優(yōu)良，耐高溫、抗振動能力強；為滿足防水、耐鹽霧等眼球，在整機上設(shè)計的是全密封結(jié)構(gòu)，使用耐高溫、低溫的氟硅材質(zhì)橡膠圈進行密封，同時變形后的O型圈將引線固定，保證其抗拉強度，并保證密封效果，除此之外設(shè)計時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)計凸輪轉(zhuǎn)速傳感器的性能特點

本文所設(shè)計的磁電式凸輪轉(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、腐蝕等惡劣工作環(huán)境下可正常工作。

4.1 抗振動特性

由于凸輪轉(zhuǎn)速傳感器長期運行在發(fā)動機凸輪附近，長期處于高溫、高振動環(huán)境下，因此，對整機進行抗振動、沖擊防護設(shè)計也是十分必要的。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，可完全滿足現(xiàn)場的振動環(huán)境要求，傳感器經(jīng)過多次的試驗驗證，可連續(xù)承受35g強度的振動環(huán)境試驗。

4.2 密封防護特性

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

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、防水、耐腐蝕等問題，又可以使傳感器的輸出電壓不會降低。經(jīng)過多次試驗驗證，傳感器的測量范圍可達到：3.3Hz～5000Hz，當負載為4.7kΩ、安裝間隙為1mm條件下，5.3Hz時輸出電壓峰峰值大于2V，200Hz時輸出電壓峰峰值大于5V。

5.結(jié)論

本文設(shè)計的磁電式凸輪轉(zhuǎn)速傳感器，通過大量測定的數(shù)據(jù)進行誤差分析后，它的功能和性能指標達到了設(shè)計的要求。滿足現(xiàn)場的使用要求，改進傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速傳感器只有在注塑外殼、鐵芯探出情況下才能達到高輸出電壓的難題，使傳感器具有良好的耐振動、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。

[1]張葵葵,陽小良．車用轉(zhuǎn)速傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀[J]．汽車電器,2005,11:4-6．

[2]徐權(quán)奎,祝軻卿,于世濤等．電控柴油機轉(zhuǎn)速傳感器處理模塊優(yōu)化設(shè)計[J]．車用發(fā)動機,2006,163(3):28-31．