基于電渦流效應(yīng)的APP傳感器應(yīng)用研究

任春暉

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，陜西 西安 710018）

隨著現(xiàn)代汽車的發(fā)展，越來越多汽車采用電子節(jié)氣門。電子節(jié)氣門工作原理示意如圖1所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)電控過程中，加速踏板位置傳感器將駕駛員腳踩加速踏板的加減速信息，傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊ECM，ECM計(jì)算出最佳的節(jié)氣門位置，發(fā)出控制信號(hào)給節(jié)氣門電機(jī)以執(zhí)行最佳的節(jié)氣門開度位置。節(jié)氣門實(shí)際所轉(zhuǎn)過的角度再由節(jié)氣門位置傳感器獲取，反饋給ECM。

APP傳感器即加速踏板位置傳感器，加速踏板位置傳感器產(chǎn)生電信號(hào)用于反映油門踏板的位置。APP傳感器電信號(hào)的精確度、靈敏度與可靠性，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性能的提高。

在發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)中，常用的APP傳感器主要有滑動(dòng)電阻式和電渦流式兩種類型。其中滑動(dòng)電阻式的APP傳感器是一種應(yīng)用較早的傳感器，屬于典型接觸式位移傳感器，在工作過程中有機(jī)械磨損，存在機(jī)械遲滯，其工作可靠性和耐久性欠佳；而電渦流式的APP傳感器是非接觸式位移傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、長(zhǎng)期工作可靠性好、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測(cè)量線性范圍大、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)和測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為車用APP傳感器的研究重點(diǎn)。

1 電渦流傳感器

電渦流式傳感器主要由產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的通電線圈和置于線圈附近因而處于交變磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體兩部分組成。金屬導(dǎo)體也可以是被測(cè)對(duì)象本身。

電渦流位移傳感器是利用電渦流效應(yīng)，將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為阻抗的變化 （或電感的變化），從而進(jìn)行非電量測(cè)量構(gòu)件。

圖2 電渦流傳感器測(cè)量原理圖

電渦流傳感器測(cè)量原理如圖2所示。當(dāng)接通電渦流位移傳感器電源時(shí)，其線圈將通過一個(gè)交變激勵(lì)電流信號(hào)，在線圈的周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)H1。當(dāng)被測(cè)金屬導(dǎo)體置于該磁場(chǎng)內(nèi)時(shí)，在被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生電渦流。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，電渦流也將形成一個(gè)方向相反的交變磁場(chǎng)H2；由于磁場(chǎng)H2的反作用，渦流要消耗一部分能量，抵消部分原磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因素發(fā)生變化。由此可見，被測(cè)金屬導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率、線圈與被測(cè)導(dǎo)體的距離d，以及線圈激勵(lì)電流的角頻率等參數(shù)，都將通過渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線圈阻抗有關(guān)。如果只改變上述參數(shù)中的一個(gè)，即線圈與被測(cè)導(dǎo)體的距離d，則距離d與阻抗就成為這個(gè)變化參數(shù)的單值函數(shù)，從而可確定該參數(shù)的大小。

2 電渦流APP傳感器的應(yīng)用

2.1 電渦流APP傳感器的結(jié)構(gòu)

圖3為福特車用油門踏板位置傳感器，其主要由金屬體轉(zhuǎn)子和帶有兩線圈的集成電路板構(gòu)成。該傳感器中兩線圈分別是發(fā)射線圈和接收線圈，發(fā)射線圈工作時(shí)通以高頻振蕩電流，在線圈中產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。電渦流APP傳感器工作原理如圖4所示，當(dāng)被測(cè)金屬轉(zhuǎn)子靠近這一磁場(chǎng)時(shí)，則在金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電渦流A。接收線圈是電渦流檢測(cè)線圈，其功能在于感應(yīng)渦流磁信號(hào)。由前述電渦流傳感器原理可知，當(dāng)傳感器各構(gòu)件其他參數(shù)不變，只改變線圈與被測(cè)導(dǎo)體（即轉(zhuǎn)子）的距離時(shí)，線圈阻抗隨之發(fā)生變化，則將使渦流檢測(cè)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U發(fā)生變化。通過檢測(cè)A（模擬交流電信號(hào)）的大小和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U（占空比方波信號(hào)）的大小，就可以確定踏板位置。

圖3 油門踏板位置傳感器

圖4 電渦流APP傳感器工作原理

2.2 電渦流APP傳感器故障診斷

電渦流傳感器的故障主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：①傳感器電源與搭鐵出現(xiàn)故障；②傳感器模擬信號(hào)與占空比信號(hào)都沒有信號(hào)；③傳感器模擬信號(hào)與占空比信號(hào)中有一個(gè)工作不良。在進(jìn)行故障診斷時(shí)，本著從易到難的原則，從外觀診斷、線路診斷到信號(hào)檢測(cè)依次進(jìn)行故障診斷。

1）外觀診斷 在進(jìn)行外觀診斷時(shí)，主要檢查傳感器的固定螺栓是否符合規(guī)定，檢查插頭是否松動(dòng)，外觀是否破損。

2）線路診斷 福特電渦流APP傳感器線路如圖5所示，利用萬用表對(duì)該傳感器電源線與搭鐵線進(jìn)行診斷 （該傳感器電源線電壓應(yīng)該為蓄電池電壓）。如果電源與搭鐵都正常，則需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢查。

3）信號(hào)檢測(cè) 福特電渦流APP傳感器信號(hào)如圖6所示。福特APP傳感器輸出兩路信號(hào)：APP1為占空比信號(hào)，APP2輸出模擬直流電壓信號(hào)，電壓范圍為0～4.5V。在進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)時(shí)，測(cè)量5號(hào)腳占空比信號(hào)是否隨油門開度增大而增大；測(cè)量2號(hào)腳模擬信號(hào)是否隨著油門的開度增大而增大。如果信號(hào)超差或信號(hào)沒有隨著開度變化，說明傳感器損壞。

圖5 福特電渦流APP傳感器線路圖

圖6 電渦流APP傳感器信號(hào)

3 結(jié)束語

本文基于電渦流效應(yīng)，結(jié)合福特車用APP傳感器，分析了電渦流APP傳感器結(jié)構(gòu)與故障診斷。該傳感器和常見滑動(dòng)式APP傳感器相比各方面都有不可替代的優(yōu)越性，有效地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中感應(yīng)信號(hào)的精確度，為發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)性能提高提供了有力的可靠性支持，具有重要的實(shí)際意義。