CN201050987Y - 一种发动机节气门位置传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种发动机节气门位置传感器，它采用两个平行平板电容分别作为测量电容和参考补偿电容，测量电容的一块极板与节气门转轴固定连接，另一极板固定在安装于节气门体上的电容外壳基体内，两块极板保持轴向距离不变，两块极板形成的电容有效面积随节气门的开度发生变化，参考补偿电容与测量电容安装在同一环境中，由参考补偿电容对测量电容进行补偿，获得精确的测量电容变化值，按照测量电容变化值与电容转动角度的线性关系，经过电路处理，即可获得节气门开启的精确角度值，实现节气门位置的测量。本实用新型可实现大范围下的高分辨率、高精度测量，是非接触测量，有利于延长传感器的使用寿命，结构简单，工艺要求不高，价格便宜。

Description

一种发动机节气门位置传感器

技术领域

本实用新型涉及位置传感技术，具体涉及对汽车、摩托车等发动机节气门开度的位置传感。

背景技术

发动机节气门位置传感器是电子节气门和汽车电喷系统的一个重要传感器。它能够将节气门的位置信号及时传送给发动机管理系统ECM，使得ECM能够正确地获知汽车在行驶过程中节气门的开度及节气门开度变化的情况。ECM根据获得的这个节气门信号，能够精确地确定燃油供给量的多少或者根据汽车运行的情况和工况调节节气门的开度的大小。可见，节气门位置传感器作为汽车电喷系统和电子节气门的关键组成部分之一，其正常、稳定的工作能够使汽车获得良好的动力性能并使汽油得到充分的燃烧，降低污染物排放量。

目前常用的节气门位置传感器按照原理可以分为三类：

1、可调电阻分压式

这种形式的传感器通常采用一个固定在节气门体上的环形碳膜电阻，与固定在节气门转动轴上的电刷组成。当节气门开度发生变化的时候，电刷在环形碳膜电阻上的位置相应发生改变，从而改变了抽头处的输出电压。

可调电阻式节气门位置传感器原理简单，使用方便。但是由于传感器内部有相对运动，需要接触部件在振动、温度变化等情况下的接触性良好，而且具有优异的耐磨性。因而可调电阻式节气门位置传感器在材料和制作工艺上要求非常高，因而价格昂贵。

2、电磁感应式

这类传感器采用电磁感应原理，即当电磁感应闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁力线运动时，导体中就产生感应电流。这类传感器结构比较复杂，因而价格较贵。

3、霍尔原理式

位于磁场中的导体，在垂直于磁场的方向施加外接电流，那么则在与磁场和所施加外接电流垂直的方向上会产生另一个电压即霍尔电压。基于霍尔效应的传感器具有突出的频率响应特性，但输出的温度飘移很大，不经温度校准误差较大，且需要有一个稳定的外部电流源。另外，霍尔传感器的结构相对比较复杂，价格非常昂贵。

实用新型内容

本实用新型针对目前市场上常见的三类不同原理的节气门位置传感器各自的优缺点，提出一种内部非接触式的基于平行平板可调电容原理的节气门位置传感器。

本实用新型采用了平行平板电容，参见图1，其原理如下：

两相距D、有效面积为S的两平行平板电容其容值C为：

$C=\frac{\mathrm{\ϵS}}{4\mathrm{\πkD}}---\left(1\right)$

其中：ε-介电常数

      k-绝缘常数

从式(1)可以看出，介电常量ε、绝缘常数k不变时(即制作电容的材料一定)，如果两极板的距离D为常数，电容值与有效面积S成正比；如果有效面积S不变，改变极板之间的间距D，则容值与间距D成反比。

因而，将节气门的位置改变通过某种方式转变为平行平板电容有效面积S或者间距D的改变，那么通过测量电容的容值就可以获得节气门的位置。

基于此，本实用新型可以选择改变有效面积或改变平板间距的方式来实现节气门位置的传感。

本实用新型提出的节气门位置传感器如下：

采用一个平行平板电容作为测量电容，该测量电容是一个可调平板电容，该测量电容的一块极板与节气门转轴固定，并与节气门同轴转动，另一极板固定在安装于节气门体的电容外壳基体内，两块极板保持轴向距离不变，两块极板形成电容的有效面积随节气门的开度发生变化，电容的容值与有效面积呈线性关系。

采用另一正常工作时容值保持不变的平行平板电容作为参考补偿电容，其电容值与上述测量电容能够达到的最大电容值相等或成比例关系，将该参考补偿电容与测量电容安装在同一环境中，通过测量该参考补偿电容容值的变化，获得环境对电容容值的改变量。

所述测量电容和参考补偿电容分别通过信号输出线连接处理电路，将测量电容测得的电容值与由参考补偿电容获取的环境对电容值的改变量经过后端电路处理，即可补偿温度及其它环境因素等对测量电容值的影响，即可获得节气门开启的精确角度值，实现汽车节气门位置的测量。

在实际制作过程中，所述的可调平行平板电容极板间的电介质可采用环形结构，两环形电介质的内环半径和外环半径均相同。

从本实用新型上述描述可知，它采用了一个固定安装在节气门体的电容外壳基体上的一个极板和固定在节气门转动轴上的并随节气门轴同步转动的另一极板形成平行平板电容，当节气门开度发生变化的时候，固定在节气门转动轴上的极板随之转动，两平板电介质之间的有效面积发生改变，如图2所示，二者的相距D，内环半径L，外环半径L₁，则二者之间重合的面积为：

$S=\frac{({{\mathrm{\πL}}_1}^2-{\mathrm{\πL}}^2)\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}}=\frac{({L_1}^2-L^2)\mathrm{\θ}}{2}---\left(2\right)$

根据公式(1)可以计算得到电容的容值C：

$C=\frac{\mathrm{\ϵS}}{4\mathrm{\πkD}}=\frac{({L_1}^2-L^2)\mathrm{\ϵ\θ}}{8\mathrm{\πkD}}=\mathrm{A\θ}---\left(3\right)$

其中，

$A=\frac{({L_1}^2-L^2)\mathrm{\ϵ}}{8\mathrm{\πkD}}---\left(4\right)$

当结构一定(即距离D、L、L₁为常数)、材料一定(即绝缘常数k、介电常数ε为常数)时，公式4中A为常数，即电容值与二者间的夹角θ成正比。也即，采用图2中所示的电容结构制备的固定结构和固定材料的平板电容，其容值与两者间的夹角成正比，因而通过测量电容的容值就可以测量节气门的开度。

由于电容易受温度和环境等其它因素的影响，单依靠该测量电容还不能获得准确的角度信号，鉴于此，为了使测量电容受温度和环境等其它因素的影响减少到最小，本实用新型发明人考虑到采用相同材质和工艺的电容作为参考补偿电容，该参考补偿电容的电容值与测量电容最大电容值相等或成一定比例关系，参考补偿电容和测量电容处于同一环境中，通过测量该参考补偿电容容值的变化，获得环境对电容容值的改变量；将测量电容测得的电容值与由参考补偿电容获取的环境对电容值的改变量经过后端电路处理，即可补偿温度及其它环境因素等对测量电容值的影响，即可获得节气门开启的精确角度值，实现汽车节气门位置的测量。

可见，本实用新型的优点是十分明显的：

首先，它采用可调平板电容原理实现节气门转动角度的传感，实现了大范围下的高分辨率、高精度测量；

第二，它是一种非接触测量，实现了测量传感器敏感部件非机械接触的特点，有利于延长传感器的使用寿命；

第三，它采用参考补偿电容进行温度及其它环境因素对电容值影响的补偿，消除了环境等因素得影响，提高了测量的精确度；

第四，它结构简单，工艺要求不高，价格便宜。

附图说明

图1是平行平板可调电容原理示意图；

图2是一种节气门位置传感器的实现方式；

图3是本传感器的安装结构示意图；

图4是本传感器的一种具体安装方案图；

图5是电容测量的电路图。

具体实施方式

参见图3和图4，发动机节气门位置传感器由一个测量电容1、一个参考补偿电容2以及处理电路组成。测量电容1为一可调平行平板电容，为了便于电路处理，可采用环形平板电介质，如图2所示，两块环形平板间电介质的内环半径和外环半径均相同。该测量电容1的一块极板1A与节气门转轴3固定连接，并与节气门4同轴转动，另一极板1B固定安装在固定在节气门体6上的电容外壳基体5内，两块极板同轴安装并保持轴向距离不变。参考补偿电容2为一正常工作时电容值不变的平行平板电容，其电容值与上述测量电容的最大电容值相等或成一定比例关系，该参考补偿电容与测量电容安装在同一环境中，如图4所示固定安装电容外壳基体5中，使两个电容处于同一环境中。测量电容1和参考补偿电容2分别通过信号输出线连接处理电路，对测量信号进行处理。

测量信号处理可采用现有技术实现，以下列举一种处理方法，见图5。图5中的CAV424是测量电容的专用芯片，C_x1为测量电容，C_x2为参考补偿电容。CAV424工作原理是这样的，一个由电容C_OSC确定频率的参考振荡器控制着二个相位恒定和周期相同的对称构造的积分器。这二个积分器的振幅通过电容C_x1和C_x2来确定。比较二个积分器的电压振幅差值就可以得出电容C_x1和C_x2的相对电容变化差值，该差分信号通过一个二级低通滤波器转换成直流电压信号并经过输出可调的差分信号输出级输出即⑤和⑥之间的V_DIFF，即获得精确的电容值。由于该电容值与节气门的开启角度θ成正比，根据以下公式即可获得精确的角度变化值：

$C=\frac{\mathrm{\ϵS}}{4\mathrm{\πkD}}=\frac{({L_1}^2-L^2)\mathrm{\ϵ\θ}}{8\mathrm{\πkD}}=\mathrm{A\θ}---\left(3\right)$

其中， $A=\frac{({L_1}^2-L^2)\mathrm{\ϵ}}{8\mathrm{\πkD}}---\left(4\right)$

D为测量电容两平极板之间的距离，L为测量电容平板电介质内环半径，L₁为测量电容平板电介质外环半径，k为测量电容电介质的绝缘常数、ε为测量电容电介质的介电常数，θ为测量电容随节气门轴转动的角度。

Claims (2)

1.一种发动机节气门位置传感器，其特征在于：它由一个测量电容、一个参考补偿电容以及处理电路组成；

所述测量电容为一可调平行平板电容，该测量电容的一极板与节气门转轴固定，并与节气门同轴转动，另一极板固定在安装于节气门体上的电容外壳基体内，两块极板之间的轴向距离保持不变；

所述参考补偿电容为一平行平板电容，正常工作时其电容值保持不变，其电容值与上述测量电容的最大电容值相等或成比例关系，该参考补偿电容与测量电容安装在同一环境中；

所述测量电容和参考补偿电容分别通过信号输出线连接处理电路。

2.根据权利要求1所述的发动机节气门位置传感器，其特征在于：所述的可调平行平板电容极板上的电介质采用环形结构，两块环形电介质的内环半径和外环半径均相同。

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