CN103335665A - 非接触测量式车用节气门位置传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触测量式车用节气门位置传感器，包括一外壳体，所述外壳体连接有壳盖，所述壳盖与外壳体之间形成有一腔室，在所述外壳体上可转动的设置有与节气门主轴同步旋转的轴套，所述外壳体的腔室里安装有霍尔元件及永磁体，所述永磁体呈圆环状套设在轴套上，所述霍尔元件的感应面与永磁体相对，在所述腔室内还设有用于安装霍尔元件的架体。本发明具有无磨损、工作寿命长等优点，替代传统的触点接触式传感器产品，大幅度提高系统的可靠性和安全性。

Description

非接触测量式车用节气门位置传感器

技术领域

本发明涉及汽车配件技术领域，具体涉及一种非接触测量式车用节气门位置传感器。 

背景技术

汽车位置传感器作为汽车电子控制系统的信息反馈，其性能高低直接影响到汽车控制系统的稳定性和可靠性。因汽车长期工作在高温、振动的恶劣环境下，传统的接触式位置传感器，采用电位计原理，电刷与电阻基体的摩擦极易导致触点磨损、电阻基体磨损，影响位置传感器的输出特性和使用寿命。 

非接触式传感器替代电位计式传感器代表着技术进步的发展方向。特别是近几年霍尔技术的快速发展，其抗电磁干扰能力和抗温漂能力大大提高，价格也逐步下降。霍尔位置传感器取代电位计式成了大势所趋。 

节气门（Throttle Valve）是汽车电喷系统的重要部件，是用来控制空气进入引擎的一道可控阀门，它的上部是空气滤清器，下部是发动机缸体，是汽车发动机的咽喉。 

车用节气门位置传感器(ThrottlePositionSensor)TPS,是非常重要的车用传感器，装于发动机的节气门体上。传感器的转动轴与节气门轴连接保持,当节气门开度发生变化时,节气门带动传感器转动，传感器输出一电信号，汽车电子控制器(ECU)根据传感器输出的电信号判断节气门开度大小，然后ECU根据节气门开度的大小获取发动机处于何种工况(怠速、部分负荷和全负荷)。发动机燃油喷射时间、喷油量和点火提前角等是随发动机的工况变化而变化的，ECU要对发动机进行精确的控制，首先要获得精确的工况信息，所以说节气门位置传感器在发动机电控系统中的作用是至关重要的，节气门位置传感器的性能直接决定了电子控制系统对怠速控制系统、燃油喷射控制系统、加(减)速控制系统、点火提前角控制系统等系统的控制效果,进而影响发动机的 性能。 

节气门位置传感器工作环境比较恶劣，传统的接触式车用节气门位置传感器容易受到油污、潮湿、高温、振动等因素，影响了传感器的使用性能和使用寿命，从而影响了整个电子控制系统的稳定性及控制效果。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种非接触测量式车用节气门位置传感器，通过计算机磁场仿真和大量磁路匹配实验，优化磁场分布和磁路结构，实现节气门开启位置角度的精确测量，解决了传统接触式传感器因接触振动、磨损失效等问题。 

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现： 

一种非接触测量式车用节气门位置传感器，包括一外壳体，所述外壳体连接有壳盖，所述壳盖与外壳体之间形成有一腔室，在所述外壳体上可转动的设置有与节气门主轴同步旋转的轴套，所述外壳体的腔室里安装有霍尔元件及永磁体，所述永磁体呈圆环状套设在轴套上，所述霍尔元件的感应面与永磁体相对，在所述腔室内还设有用于安装霍尔元件的架体。 

所述霍尔元件采用三轴霍尔芯片，如，Melexis公司最新推出的MLX90360等，三轴霍尔芯片在霍尔效应传感器上增加集成磁场集中器（IMC）可以实现高精度360°旋转位置传感，三轴霍尔技术结合了集成磁场集中器和高精度、非接触式的高性价比小型旋转位置传感器，有效解决长期困扰大角度位置传感的问题。 

所述永磁体采用烧结钕铁硼(NdFeB)系永磁合金制成，其剩磁Br=1.234T，矫顽力Hc=955kA/m。 

本发明的有益效果是： 

1、具有无磨损、工作寿命长等优点，替代传统的触点接触式传感器产品，大幅度提高系统的可靠性和安全性。 

2、采用三轴霍尔芯片技术，开发非接触式节气门位置传感器，通过计算机磁场仿真和大量磁路匹配实验，优化磁场分布和磁路结构，实现节气门位置传感器大转角开启位置的精确测量，解决传统接触式传感器因接触振动、 磨损失效等问题，同时也规避接触式传感器电阻片生产过程中因电镀产生污染问题。 

3、运用磁场采样和温度补偿的一次性在线标定技术，有效控制节气门位置传感器输出参数的范围和线性度，满足不同客户的技术要求，既解决因不同厂商、不同批次的磁体场强差异带来的产品信号输出一致性问题，又解决在不同工况下因温度漂移带来的输出信号偏差问题，为批量生产奠定基础。 

附图说明

图1为本发明爆炸图。 

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。 

如图1所示，一种非接触测量式车用节气门位置传感器，包括一外壳体1，外壳体1连接有壳盖2，壳盖2与外壳体1之间形成有一腔室，在外壳体1上可转动的设置有与节气门主轴同步旋转的轴套3，外壳体1的腔室里安装有霍尔元件4及永磁体5，永磁体5呈圆环状套设在轴套3上，霍尔元件4的感应面与永磁体5相对，在腔室内还设有用于安装霍尔元件4的架体6。 

霍尔元件4采用三轴霍尔芯片，如，Melexis公司最新推出的MLX90360等，三轴霍尔芯片在霍尔效应传感器上增加集成磁场集中器（IMC）可以实现高精度360°旋转位置传感，三轴霍尔技术结合了集成磁场集中器和高精度、非接触式的高性价比小型旋转位置传感器，有效解决长期困扰大角度位置传感的问题。 

根据节气门传感器的工作环境温度的要求(工作温度80℃,最高工作温度125℃)，在节气门位置传感器中应选择磁性能较高、综合性能较好的烧结钕铁硼(NdFeB)系永磁合金。经过仿真分析与大量试验，最终采用N35钕铁硼永磁材料,其剩磁Br=1.234T，矫顽力Hc=955kA/m。 

通常非接触测量方式难以实现信号精确稳定测量，为此本发明在消化现有技术的基础上，针对此传感器的特殊要求对磁路结构进行了全新设计，共 有两个技术难点： 

①如何选取合适的磁路结构然后进行仿真并最终计算出满足要求的磁场分布，经过大量实验和计算机仿真，最终完成了磁路结构的设计和选取，包括磁体和磁轭的外形设计，两者间的位置关系以及最终的磁路实现。所选磁轭对内部磁场起到很好的屏蔽作用，同时磁铁和磁轭之间没有相对运动，因此也没有磁滞。 

②传感器芯片和磁场分布如何匹配，也就是定位传感器芯片在磁场中的位置。在确定磁路结构的基础上，定位芯片在整个磁场分布中的精确位置，这点及其重要，稍有偏差也会严重影响整个传感器的输出性能。在大量实验和理论仿真的基础上，得到了芯片放入的精确位置。 

由于磁体的场强差异和传感器在组装过程中的机械偏差不可避免，每个传感器的输出参数可能都不相同，为解决传感器批量生产时存在的参数无法统一的问题，采用了在线编程技术，也就是当传感器组装完成后，针对每个传感器的内在特点和差异性进行独立的现场编程，保证传感器间输出参数的统一。根据客户的输出要求对产品磁场强度进行采样，得出数据，经过计算得到标定值，再把标定值通过通信口OUT写入传感器内部，经过以上的通讯编程，此传感器就具有了在两个编程标定的磁场点输出Vout1和Vout2的功能，在这两个磁场点之间的磁场强度因为书均匀变化的、线性的，所以传感器内部芯片在这两个磁场点间的输出电压也是均匀变化的，线性的。 

为保证传感器能在-40℃-125℃温度范围内的因磁铁的温度波动带来的输出误差不超过60mv，小于客户要求的75mv的技术要求。必须要做温度补偿，需要得到整个传感器的温度补偿系数。为此通过大量的实验，我们选取了共8个温度点作为测试温度点，使实验中的每个温度点的温度真正稳定下来，所有数据测试完毕后通过计算法得到两组传感器的温度系数数据，再算术平均即为最终的温度补偿系数。 

整个传感器另外需要重点关注的是对ESD静电放电的抗扰度，如果不在硬件上对传感器内部芯片作适当的保护，那么在汽车恶劣的环境下会极易损坏。为此，本项目在线路板的走线设计和芯片的前端接口做了较强的保护，能够承受30kv的接触放电而不损坏。 

主要技术指标 

工作角度	0-100°
		标称电压	DC5.0V
线性度	±1%
		工作温度	-40℃—+125℃
使用寿命	≥120万次

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 

Claims (3)

1.一种非接触测量式车用节气门位置传感器，包括一外壳体，所述外壳体连接有壳盖，其特征在于：所述壳盖与外壳体之间形成有一腔室，在所述外壳体上可转动的设置有与节气门主轴同步旋转的轴套，所述外壳体的腔室里安装有霍尔元件及永磁体，所述永磁体呈圆环状套设在轴套上，所述霍尔元件的感应面与永磁体相对，在所述腔室内还设有用于安装霍尔元件的架体。

2.根据权利要求1所述的非接触测量式车用节气门位置传感器，其特征在于：所述霍尔元件采用三轴霍尔芯片。

3.根据权利要求1所述的非接触测量式车用节气门位置传感器，其特征在于：所述永磁体采用烧结钕铁硼系永磁合金制成，其剩磁Br=1.234T，矫顽力Hc=955kA/m。

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