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 9.9 GMR电阻的功能与特点 9.10 GMR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

2、感器,柴油机用转速传感器就装在喷油泵的飞锤齿轮处，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，

3、当信号转子旋转时，信号转子与线圈铁芯之间的气隙是变化的。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.

4、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

5、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,9.3.1 1信号 因为发动机转1圈，曲轴角度传

6、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0.3V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. 2 120。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

7、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

8、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，

9、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、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

10、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

11、，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VTr

12、1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

13、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

14、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9-27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,9.9 GMR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，

15、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,9.9 GMR电阻的功能与特点,9. 9. 2 GMR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

16、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GMR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,9.9 GMR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，

17、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,9.9 GMR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. (

18、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,9.9 GMR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,9.9 GMR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特性根本不会发生变化。,上一页,下一页,返回,9.9 GMR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