第9章 汽车转速传感器.ppt

1、第9章转速传感器,9.1电磁式转速传感器9.2脉冲信号式转速传感器9.3光电式转速(曲轴角度)传感器9.4信号板外装式曲轴角度传感器9.5车速传感器9.6笛簧开关式车速传感器9.7磁阻元件式车速传感器9.8光电式车速传感器9.9GMR电阻的功能与特点9.10GMR元件在转速传感器上的应用,9.1电磁式转速传感器,这种传感器用于柴油机上，目的是检测发动机的转速，传感器的结构如图9-1所示，在永久磁铁的周围绕有线圈，即采用的是电磁式工作原理，当铁材齿轮在永磁铁附近旋转时，通过线圈的磁力线发生变化，在线圈中就会产生感应电压。,下一页,返回,9.1电磁式转速传感器,柴油机用转速传感器就装在喷油泵的飞锤

2、齿轮处，当柴油发动机的喷油泵工作时，传感器的齿轮旋转，因此在信号线圈中就会产生交流电压。交流电压的频率与发动机的转速成正比。把此交流电压作为输入信号，经转速表内的IC电路放大、整形后就可以使转速表指示出发动机的转速。图9一2所示的是转速表电路的方框图。,上一页,返回,9.2脉冲信号式转速传感器,内装有脉冲信号式发动机转速传感器(曲轴角度传感器)的分电器的结构如图9一3所示。分电器内的信号转子、永磁铁及信号线圈，组成了这种传感器的信号发生装置，它装在发动机控制系统上，用以检测发动机的曲轴角度位置。信号发生装置的结构如图9一4所示。信号转子上带有凸起，当信号转子旋转时，信号转子与线圈铁芯之间的气隙

3、是变化的。由此通过信号线圈的磁通也发生变化，随着磁通的变化在信号线圈的两端就会产生感应电压。,下一页,返回,9.2脉冲信号式转速传感器,当发动机运转并带动信号转子旋转时，如图9-5信号转子的齿部将从信号线圈处通过，这时信号线圈与信号转子齿部之间的气隙是变化的，所以通过信号线圈的磁通量将按照信号转子的旋转角度，如图9-6(a)所示那样变化。即(a)图中，处所示的状况恰好分别与图9-5(a),(b),(c)所示的信号转子位置相对应。如图9-6(b)所示，在信号线圈的两端就会产生感应电势。,上一页,下一页,返回,9.2脉冲信号式转速传感器,9.2.1脉冲信号式转速传感器在日产车上的应用日产车用脉冲信

4、号式转速传感器的结构如图9一7所示，它是用永磁发电机式信号发生器来代替普通的断电器并装于分电器内。分电器以曲轴的1/2车令速旋转，信号转子装在分电器轴上，信号转子外周上设有凸起，其数量与发动机气缸数相等。由图中也可以看出，安装在断电板上的定子由导磁板，磁铁与信号线圈构成，导磁板上也带有凸起，其数日与气缸数相同。信号发生器工作时的情况如图9一8所示。导磁板与信号转子对应不同位置时，磁通与感应电动势的波形如图9一9所示。,上一页,下一页,返回,9.2脉冲信号式转速传感器,9.2.2脉冲信号式转速传感器在丰田车上的应用丰田车用分电器的外观如图9一10所示;气缸顺序号数与上止点的位置是利用带一个凸起的

5、信号转子No.1和成对称位置的两个信号线圈G1,G2检测出的。,上一页,返回,9.3光电式转速(曲轴角度)传感器,光电式曲轴角度传感器的结构如图9一11所示，通常它内装于分电器上。在这种传感器上设有与分电器同轴旋转的转子板，转子板上开有用于检测各气缸活塞位置(各气缸压缩上止点前度数)的检测窗，如果是4缸机就有4个检测窗，如果是6缸机就有6个检测窗。在转子板的外周上还设有检测曲轴角度的检测窗，即1信号检测窗，共360个。,下一页,返回,9.3光电式转速(曲轴角度)传感器,9.3.11信号因为发动机转1圈，曲轴角度传感器转1/2圈，所以发动机所转1圈就会产生180个1信号。1信号从约5V变到约0.

6、3V时为10，从约0.3V变到5V时，还需要1，从计数上看是2.,上一页,下一页,返回,9.3光电式转速(曲轴角度)传感器,9.3.2120。或180。信号在发动机转2圈时曲轴角度传感器转1圈，若是6缸机，在发动机转2圈过程中将产生6次120信号;若是4缸机，将产生4次180信号。这些信号表示的是各气缸的活塞位置，它是决定在各气缸在压缩上止点前70(对120信号)或90(对180信号)的燃油喷射及点火时间的基本信号.,上一页,返回,9.4信号板外装式曲轴角度传感器,在控制点火时间时，需要检测出活塞上止点位置信号(120信号)、发动机转速及角度信号(1信号)，并把这些信号输入到点火组件中，完成这

7、些任务的部件就是曲轴角度传感器曲轴角度传感器的结构如图9一12所示。,下一页,返回,9.4信号板外装式曲轴角度传感器,9.4.1信号板信号板安装在曲轴皮带轮上。信号板的外周上设有90个齿和3个凸起，齿与齿的间隔为4,凸起之间的间隔为120，如图9一13所示当曲轴旋转时，齿与凸起切割了传感头所产生的磁力线，由此而形成了控制发动机转速及点火时间的1信号与120信号.,上一页,下一页,返回,9.4信号板外装式曲轴角度传感器,9.4.2曲轴角度传感器和信号板的工作状况当发动机工作时，信号板的齿与凸起断、通传感头所产生的磁力线，把这一断、通过程中所产生的交流电变换成矩形波，再加以放大后，就可以作为发动机

8、转速和曲轴角度的基本信号输入到点火组件中，如图9一14所示.(1)1信号。1信号是由信号板外周的齿切割传感器的两个传感头所产生的磁力线而产生的。(2)120信号.,上一页,下一页,返回,9.4信号板外装式曲轴角度传感器,9.4.3曲轴角度120信号用凸起，设置在上止点前70时，可以切割传感头磁力线的位置上。,上一页,返回,9.5车速传感器,现代汽车上，都装有发动机控制、自动驾驶、ABS,TRC、自动锁车门、主动式悬架、导向系统、电子仪表等装置，这些装置都需要汽车车速信号，车速传感器就可以产生所需要的信号。带齿的转子就设置在传感器的旋转体上，与齿形的凹凸相应产生输出信号，由此可以测出回转体的转速

9、、加减速状态等。如图9-15所示，车速传感器是由永磁铁、铁芯及线圈组成的。当传感器的顶端设置在靠近带齿的转子处、带齿的转子旋转时，传感头与转子之间通过的磁通量不是永磁铁发出的固定磁通，而是变化的，所以，线圈上就会产生交流信号，图9-16所示为产生交流信号的状态.,返回,9.6笛簧开关式车速传感器,笛簧开关是由小玻璃管内装有两个细长的触头构成的，触头由铁、镍等易于被磁铁吸引的强磁性材料制成。受玻璃管外磁极的控制，有时触头互相吸引而闭合，有时互相排斥而断开，从而形成了触头的开关作用。笛簧开关的结构如图9-17所示。笛簧开关置于车速表的转子附近，当车速表电缆旋转时，磁铁也旋转，N,S磁极则靠近或离开

10、笛簧开关的触头。,下一页,返回,9.6笛簧开关式车速传感器,9.6.1低速时速度报警组件的工作状态在图9一18所示的电路中，当笛簧开关SR断开时，电流i1通过电阻R1，电容器C1、二极管VD2，使电容器C1与C2充电。这时由于C1和R1所确定的时间常数较小，所以C2上所储存的电荷也比较少。,上一页,下一页,返回,9.6笛簧开关式车速传感器,当SR闭合时，电流就会通过R1,R2，储存在C1中的电荷这时也通过R2放电，储存在几中的电荷以形成i3的形式放电，这时，由于SR闭合时间较长，所以C2上的电荷可完全放完在放电时，由于C2所储存的电荷较少，A点电压较低，所以晶体管VTr1的基极电压E,还不能使

11、VTr1导通，这时晶体管VTr1截止，VTr2导通，VTr3截止，继电器不动作，蜂鸣器也不叫。,上一页,下一页,返回,9.6笛簧开关式车速传感器,9.6.2高速时速度报警组件的工作状态高速时，如图9-19所示，SR的闭合时间缩短，储存在C2中的电荷在没有完全放完的情况下又被充电。C2端电压的上升情况如图9-20所示。但是，由于稳压二极管Z0的作用，几的端电压被控制在一定的范围内。当储存在电容器C2中的电荷开始放电时，A点电位升高并足以使VTr1导通，这时因VTr2的基极电压处于被短路状态，VTr2截止。当VTr2截止时，VTr3的基极电压Eb已达到足以使VTr3导通的电压，这时继电器动作，使蜂

12、鸣器电路形成通路，蜂鸣器鸣叫。,上一页,返回,9.7磁阻元件式车速传感器,这种传感器上采用了元件电阻随磁场而变化的磁阻元件(MRE)，以磁阻元件来检测车速。在检测速度表及变速器等装置的转速时，可以把这种传感器直接装在变速器上，这样就可以取消仪表的电缆。磁阻元件式车速传感器的结构如图9一21所示，它有两个主要部件:磁环与内装磁阻元件(MRE)的混合集成电路。传感器的工作原理如图9一22所示，当齿轮驱动传感器轴旋转时，与轴连在一起的多极磁环也同时旋转，磁环旋转引起的磁通变化，使集成电路内的磁敏元件的阻值发生变化,下一页,返回,9.7磁阻元件式车速传感器,利用磁阻元件的阻值变化就可以检测出磁铁旋转引

13、起的磁通变化。阻值的变化引起其上电压的变化，将电压的变化输入到比较器中进行比较，再由比较器输出信号控制晶体管的导通和截止。磁阻元件式车速传感器的电路原理如图9-23所示。,上一页,返回,9.8光电式车速传感器,光电式车速传感器的外观如图9一24所示。传感器上有发光二极管、光敏元件以及速度表电缆驱动的遮光板。传感器的工作原理可用图9一25来加以说明。采用了车速传感器的数字式速度表的结构和方框图如图9一26所示，它主要是由荧光管、微型计算机及集成电路构成的。荧光管根据车速传感器输出的脉冲信号显示车速，并把其他信号输入到里程表、燃油表。,下一页,返回,9.8光电式车速传感器,速度表的电路方框图如图9

14、-27所示，传感器产生的脉冲信号经整形后输入到计数电路中，在记忆电路中被记忆下来。而定时电路输出信号决定计数电路的计测时间和记忆电路的记忆时间。记忆电路的输出信号加到显示电路上，荧光管根据速度传感器输出的脉冲数显示车速。,上一页,返回,9.9GMR电阻的功能与特点,9.9.1前言与异向性磁阻元件相比，可使电阻变化率高一个数量级的巨磁电阻(GMR)效应的发现已经过去了近20年。在这短短的20年间，GMR电阻已应用在硬盘的磁头上，以及应用在磁场传感器上。但是，对于温度条件非常苛刻的汽车传感器来说，与其他部件相比，GMR应用的步伐比较缓慢。因此可以认为，GMR薄膜在高温下的长期稳定性还是一项没有彻底

15、解决的课题。但是，一些厂家以提高高温稳定性为中心课题，开发了采用GMR电阻的车用转速传感器，并进一步为了提高其抗干扰性能，将信号处理IC和GMR电阻制成了单片IC电路。下面就对这种传感器特性加以论述。,下一页,返回,9.9GMR电阻的功能与特点,9.9.2GMR电阻的热稳定性GMR膜是由以Co为主要成分的磁性层和非磁性层Cu层重叠制成的。在形成磁性层与Cu层的薄膜时，实现了MR比较大而且磁滞最小的最佳化。图9一28所示为刚加工完的GMR电阻以及经170,1000h长期高温存放后的GMR电阻的MR曲线。由图可知，经长期高温存放之后，GMR电阻的特性发生了变化。为了防止特性的这种变化，尝试预先将G

16、MR电阻在高温下进行热处理，以提高其热稳定性。经10h热处理后，改变热处理温度，分析MR曲线的变化情况如图9一29所示。,上一页,下一页,返回,9.9GMR电阻的功能与特点,在热处理温度升到250的过程中，电率是不断增加的。在热处理温度为300时，电阻率不仅急剧地减小，而且饱和磁场及磁滞之也在增加，呈现出不适合作传感元件的特性从检测元件的特性来看，在200250似乎是最佳温度范围，但是考虑到车用的严酷的温度条件，一般认为:从热稳定性要求较高的角度来看，还要提高温度，但一般认为热处理温度为250是适当的温度。这时GMR电阻，的电阻变化率高达34%，但磁滞损耗小，呈现出作为检测元件的良好特性。对于

17、经这种温度热处理后的GMR电阻的长期高温稳定性，可以确保车载用传感器具有足够高的热稳定性。,上一页,下一页,返回,9.9GMR电阻的功能与特点,9.9.3信号处理IC与单片化在将GMR电阻与信号处理IC进行单片化的场合下，考虑到GMR电阻的耐热温度时，应该是先制成IC后再制作GMR电阻。这里应该考虑的有如下两个较大的课题.(1)以信号处理IC的层间绝缘膜(PSG膜)为底层，应得到良好的GMR特性.(2)在GMR膜形成及此后的蚀刻(IBE)过程中，不应该损伤信号处理IC.,上一页,下一页,返回,9.9GMR电阻的功能与特点,众所周知，第一个课题是通过适当的预处理来实现的。这里所说的预处理是指蚀刻

18、技术对GMR膜的底层“层间绝缘膜的表面”的处理，加长预处理的时间时，不但可以得到良好的电阻变化率，而且不一致性也小一般认为，蚀刻(IBE)的效果就是因为经过处理后，已污浊的层间绝缘膜表面变得清洁的同时，较大的凹凸也变的平缓。,上一页,下一页,返回,9.9GMR电阻的功能与特点,第二个课题是指在制造GMR电阻时对IC的损伤。在制造GMR的过程中，在溅射成膜及蚀刻时，由于荷电粒于造成IC损伤，引发IC特性不良，就会出现故障，因此在一般认为特别容易受到损伤的GMR电阻与IC连接部分设置保护用二极管。由此，即便是从最敏感的晶体管的工作特性来看，可以确认到:在制造GMR电阻的前后过程中，IC特性根本不会

19、发生变化。,上一页,下一页,返回,9.9GMR电阻的功能与特点,9.9.4车用转速传感器的构成与原理转速传感器是由本文所述的IC片、永久磁铁以及过电流的保护部件构成的，如图9-30所示。转速传感器用来检测由软磁性材料制成的齿轮的转速，当永久磁铁靠近齿轮时，齿轮的齿被磁化，因为被磁化的齿为GMR电阻建立磁场，这样随着转速的变化，磁场就加到了GMR电阻上。,上一页,下一页,返回,9.9GMR电阻的功能与特点,加到GMR电阻上的磁场的变化使GMR电阻的电阻、进而使其两端的电压发生变化。信号处理电路将此电压变化加以放大，并进行比较，将齿轮的旋转变换成双值的电信号，由此就可以检测出齿轮的边缘。,上一页,

20、下一页,返回,9.9GMR电阻的功能与特点,9.9.5传感器的特性采用以上所示的转速传感器测定图9一31所示形状齿轮的转速，测定精度的误差由转速传感器的输出与对监测齿轮旋转的高精度的编码器信号(基准信号)的时间差给出。图9一32是输出时间与气隙之间的关系，也就是改变齿轮齿顶与传感头间隔d时的测定精度。图9一33是输出时间与气隙之间的关系。图9一34是输出时间与气隙之间的关系。,上一页,下一页,返回,9.9GMR电阻的功能与特点,9.9.6结论以上分析了作为车载用转速传感器的磁场检测元件GMR电阻的应用。一般认为高温稳定性较差的GMR电阻经适当条件的热处理之后，可以提高其热稳定性。经170,20

21、00h的长期高温存放之后，其特性只有微小的变化，因此，可用作车载用传感器。此外，将其与信号处理IC进行单片化制成GMR传感器IC，通过预处理可以得到稳定的MR特性。还有，通过设置保护二极管，在GMR电阻制造的过程中，不仅对信号处理IC没有损害，而且晶体管特性也没有老化现象。,上一页,下一页,返回,9.9GMR电阻的功能与特点,与传统的采用霍尔元件的转速传感器相比，GMR转速传感器具有同等以上的特性，特别是重复精度更呈现出良好的效果。GMR转速传感器是由IC电路块与永久磁铁构成的，而IC电路块是由GMR电阻与处理电路组成的。GMR电阻中的图形检测出齿轮旋转所形成的磁通变化，再利用两个GMR电阻的

22、图形所构成的惠斯顿电桥，将温度变化造成的影响抑制到最小的程度，将惠斯顿电桥的输出经放大电路、比较电路放大之后形成矩形波对外输出。,上一页,返回,9.10GMR元件在转速传感器上的应用,9.10.1前言为了对燃油喷射、点火时间以及变速等实施更精细的控制，就需要车用转速传感器能够高精度地检测旋转角度。传感器的装车环境、温度、湿度以及噪声等环境是相当严酷的，因此，传感器必须具有高可靠性，耐环境特性(耐热性，耐干扰特性等)。,下一页,返回,9.10GMR元件在转速传感器上的应用,此外，作为实现与采用启动时的早期点火，汽车厂提出了怠速停机机构等的新方案。为了能够制造出新的系统，从1990年起，汽车电气厂

23、家开始批量生产采用了高性能磁电变换(将磁场强度变换成电压的元件)的GMR(巨磁)元件，用于车用转速传感器上。这就是上面说明过的从1990年开始，批量生产的采用GMR元件的车用转速传感器。此外，厂家还开发并批量生产了可以检测旋转停止位置的传感器(停止位置检测传感器)，以及可以检测旋转方向的传感器(反向旋转检测用传感器)。,上一页,下一页,返回,9.10GMR元件在转速传感器上的应用,9.10.2车用转速传感器图9一35所示为车用普通转速传感器检测系统的构成，其由安装在旋转轴(例如发动机的曲轴)上的齿轮及相应配置的转速传感器组成。转速传感器上内装有磁电变换元件与永久磁铁，在齿轮旋转时，永久磁铁与软

24、磁性材料制作的齿轮产生磁场变化，元件检测出此磁场的变化。,上一页,下一页,返回,9.10GMR元件在转速传感器上的应用,9.10.3GMR转速传感器(1)特点。要想实现传感器的高精度，很重要的一点是获得高信噪比的信号，与半导体霍尔元件相比，GMR元件的灵敏度要高两个数量级。与强磁性体(MR)元件相比，GMR元件的电阻变化率高一个数量级以上，在实用的磁场范围的条件下，可以获得很大幅度的信号，由此可以实现高信噪比(S/N).,上一页,下一页,返回,9.10GMR元件在转速传感器上的应用,(2)工作原理。图9一36是GMR元件的特性曲线(MR曲线)。利用传感器内装的永久磁铁，将偏磁场加到MR元件上。

25、利用齿轮的旋转，当接近凸齿时，加在元件上的磁场变强，元件的电阻变小。,上一页,下一页,返回,9.10GMR元件在转速传感器上的应用,(3)构成。图9一37为GMR转速传感器的内部结构。传感器的顶端为GMR元件与单片化的双极式IC、永久磁铁，由此构成了磁路IC块就是由高电压、过电压保护用以及电磁兼容性(EMC)芯片部件封装而成。此IC封装件就固定在嵌件模块部件上，并用树脂制成一个整体.(4)电路的构成。图9一38是GMR转速传感器基本电路的构成。GMR元件构成桥式电路，工作时，将桥式电路中的中点电位进行差动放大，再由比较电路输出数字信号。,上一页,下一页,返回,9.10GMR元件在转速传感器上的

26、应用,9.10.4GMR转速传感器的应用(1)标准传感器应用。标准传感器具有GMR转速传感器的特点，并实现高精度检测，因此，其被广泛地应用在发动机控制与变速箱控制上。元件构成与元件信号。传感器布置在IC块的2处构成桥式电路。当齿轮旋转时，桥式电路的中心点电位就会按照元件距离的时间差变化，即按正弦波变化。输出信号与特点。因为中点电位的差动放大信号按正弦波变化、在齿的两端附近出现峰值，所以比较电路输出边沿信号，在齿的中心附近对外输出。通过元件的布置与桥式电路，可以有效地放大GMR元件的信号幅度，实现高精度检测。,上一页,下一页,返回,9.10GMR元件在转速传感器上的应用,(2)停止位置检测用传感

27、器。应用。停止位置检测用传感器除了具有标准传感器的高精度检测功能之外，还可以检测出齿轮的停止位置，称这种性能为PUR(PowerUpRecognition)功能，在发动机上、特别是在凸轮角度传感器上采用这种传感器，就可以实现发动机气缸的早期判别。,上一页,下一页,返回,9.10GMR元件在转速传感器上的应用,元件构成与元件信号。传感器元件布置在IC块的三处构成桥式电路，当齿轮旋转时、磁场就会按照图中的C部位一D部位一E部位的顺序加到元件上，按照元件距离的时间差，桥式电路的中点电位发生变化，从而在D部位产生较大变化。输出信号与特点。因为中点电位的差动放大信号会与齿形产生相似的变化，所以比较电路输

28、出信号的边缘信号(图中的上升信号与下降信号)可在齿的两棱附近输出。由于信号波形与齿形相似，即使在齿轮的停止状态，也可以按照齿顶或齿底的差别输出电位。,上一页,下一页,返回,9.10GMR元件在转速传感器上的应用,(3)反向旋转检测用传感器。应用。反向旋转检测用传感器除了具有标准传感器的高精度检测之外，还可以检测齿轮的旋转方向。适用于新型怠速停机机构及高效变速器等上，由此可应用于发动机及变速器的控制。旋转方向的检测(反向旋转检测)的原理。为了检测齿轮的旋转方向，需要两个信号，一个是时钟信号，另一个是数据信号。也就是说，根据时钟信号的时间检测出数据信号，再利用逻辑电路判断旋转方向。因此，这两个信号需要有相位差，从原理上看，标准传感器的信号(齿中间)与停止位置检测传感器的信号有相位差，所以是适用的。,上一页,下一页,返回,9.10GMR元件在转速传感器上的应用,元件的构成与元件的信号。其布置在IC块上的5个部位，构成两个桥式电路,A部分与B部分构成的是标准传感器的元件，C部分、D部分及E部分构成的是停止位置