汽車傳感器技術中電磁感應現象的應用

呂露

摘要：汽車傳感器技術對汽車功能產生重要影響，而電磁感應現象則是影響傳感器技術發展的重要因素。在本次研究中，本文詳細分析了汽車傳感器技術現狀，并對其智能化、集成化等技術發展方向進行分析;之后從技術角度出發，詳細研究電磁感應現象在汽車傳感器技術中的應用路徑，包括在扭矩傳感器方向、輪速傳感器方面的應用等，希望為進一步完善汽車傳感器性能提供支持。

關鍵詞：汽車傳感器;電磁感應現象;扭矩傳感器

0 ?引言

汽車電子技術的發展對于推動整個行業的革新具有重要影響，汽車電子控制主要是依靠信號輸入裝置（即傳感器），在經過電控單元處理信號后，命令執行元件，確保車輛的功能得以實現。電磁感應現象在汽車傳感器技術中占據重要位置，隨著我國汽車市場發展，為了能夠更好的適應未來需求，需要從電磁感應現象角度探索汽車傳感器技術的發展新方向。

1 ?汽車傳感器技術現狀

結合當前汽車傳感器技術現狀來看，其發展趨勢主要體現為：

1.1 智能化

隨著汽車的不斷更新換代，汽車傳感器技術也表現出了較為明顯的變化[1]。結合當前新型汽車中的傳感器技術應用狀況來看，引入智能化傳感器的汽車產品數量明顯增加。這一改變標志著汽車傳感器技術正朝向智能化方向發展。

1.2 集成化

近年來，易于集成的傳感器逐漸成為汽車生產中選擇傳感器技術的主要依據。以MEMS傳感器為例，這種新型傳感器具有良好易集成特性。上述優勢為其在汽車生產領域的普及奠定了良好的基礎。

1.3 微型化

體積限制性特征也是汽車傳感器技術的主要發展趨勢之一。與傳統大體積汽車傳感器相比，小體積傳感器的優勢在于：其空間耗用更少，可適用于不同條件、位置，其適用范圍更加廣闊。此外，小體積的汽車傳感器更加契合消費者的實際要求。

2 ?電磁感應現象在汽車傳感器技術中的運用

這里主要從以下幾方面入手，針對電磁感應現象在汽車傳感器技術中的運用進行分析：

2.1 輪速傳感器方面

輪速傳感器的功能以采集車輪轉速信息為主[2]。該設備的轉子通常被安裝于汽車中隨車輪共同運轉的從動輪、驅動車輪等設備中，而其本體則被安裝于不受車輪轉速影響的部件中（同樣位于車輪周圍）。

基于電磁感應現象的輪速傳感器的磁通量、電動勢參數的變化規律為：汽車運行狀態下，該傳感裝置信號轉子內部的磁芯、齒圈均沿順時針方向逐漸開始轉動。隨著轉動的持續，磁頭、轉子齒圈的空氣間隙明顯縮小，引發傳感裝置磁路內磁阻參數的下降，此時，通過傳感裝置感應線圈的磁通量參數呈升高趨勢，而其變化率則按照先增大、后減小（與磁頭、齒圈間間隙的持續變化有關）的順序不斷變化。而當齒圈運行至與磁頭相對應方向時，磁路的磁阻參數達到最小值，而磁通量參數則為最大值，因此，磁通量變化率及輪速傳感器的感應電動勢均為0。隨著轉子的進一步旋轉，齒圈與磁頭間隙逐漸拉大，磁阻明顯增大，磁通量減少，磁通量變化率轉為負值，變化率參數的絕對值呈先升高后降低趨勢，該時段的感應電動勢則保持先下降后升高趨勢。隨著電磁感應現象的引導作用，輪速傳感器的轉子可逐漸隨汽車車輪正常旋轉，并將所采集的輪速信息傳輸至電腦內，由電腦通過對輪速信息的識別及分析做出相應指令。

2.2 扭矩傳感器方面

電磁感應式扭矩傳感器屬于一類經典非接觸式傳感器。這類汽車傳感器主要由扭桿、輸入軸、輸出軸、線圈以及線軸套等元件構成。其中，該傳感裝置的輸出軸、輸入軸由一根相同扭桿連接;輸入軸表面設置兩排鍵槽（材料類型為非磁性材料），而輸出軸表面則配置以磁性材料制成的花鍵。鍵槽、花鍵外部分別設置相對應的感應線圈、線軸套等元件。

汽車運行狀態下，該傳感裝置受扭矩作用影響，促使扭桿出現變形，進而引發分布于輸入軸、輸出軸表面的鍵槽、花鍵隨之轉動。以磁性材料制成的花鍵的磁感強度參數迅速出現變化，并造成與之對應線圈電壓信號參數的變化。上述變化（扭矩變化）可促使扭矩傳感器獲得相應扭矩數據信息。由該傳感裝置將上述信息傳輸至汽車電腦后，電腦可根據所接收參數狀況，向外發出相應指令。

與傳統傳感器相比，基于電磁感應原理的扭矩傳感器的優勢在于：其采集扭矩信息的精度水平較高。此外，該設備的運行可靠性較強，使用壽命較長，其運行期間出現故障問題的風險水平較低。

2.3 曲軸位置傳感器方面

作為一種以電磁感應為基本原理的常用傳感器，曲軸位置傳感器的主要構成包含永久磁鐵、信號轉子（以導磁材料制成）等[3]。曲軸位置傳感器的功能以監控曲軸及發電機轉動狀況為主。上述兩種被監控設備的運行原理為：發電機啟動后，曲軸位置傳感器可促使活塞的往復性運動（上下方向）轉變為以自身為中心的圓周運動。隨著活塞產生動力參數的變化（呈增長趨勢），該傳感器可借助離合器等相關傳動機制，將動力傳輸至驅動輪，實現汽車行駛目的。在曲軸飛輪組運行過程中，曲軸位置傳感器的作用為：該傳感裝置可動態收集來自發動機、曲軸的轉速信號、轉動角度信號，并將所采集信號信息轉入發動機電腦內，便于發動機電腦根據上述原始信息，確定汽車各氣缸的點火順序及噴油順序。如該傳感裝置受故障因素影響而未能正常運行，發動機電腦無法獲取相應轉速、轉動角度信號，其可自動判定發動機處于停滯狀態，此時，發動機電腦迅速向外發出切斷噴油指令，進而造成汽車熄火。

傳感裝置運行期間，電磁感應現象對其運行狀況的影響主要體現為：

第一，傳感裝置信號轉子與永久磁鐵間隔縮小。曲軸位置傳感裝置運行后，內部信號轉子與永久磁鐵磁頭的間隔逐漸縮短，在這一過程中，磁頭與轉子之間的空氣間隙持續縮小，導致磁通量參數持續增長。此時，傳感裝置磁通量變化率參數處于>0范圍內。隨著該參數的增大，傳感裝置產生的感應電動勢也逐漸增加，并呈現出迅速上升變化規律。

第二，信號轉子與磁鐵間距持續縮短。隨著信號轉子的持續貼近，其凸齒與磁頭間距進一步縮小，在該過程中，雖然磁通量參數呈增加趨勢，但其變化率緩慢降低，同時，感應電動勢參數也逐漸降低。因此，該階段感應電動勢的變化規律為逐漸降低。

第三，轉子與磁頭處于同一直線（水平面）。當轉子凸齒運動至與磁頭相同平面內時，二者間隙達到最小值，此時，磁通量為最大值，由于整個變化過程中磁場強度無變化，因此，磁通量變化率、感應電動勢均為0。

第四，轉子離開磁頭。轉子脫離與磁頭同平面狀態后，其與磁頭間距逐漸增大，此時，磁通量不斷縮小，變化率逐漸增大，而感應電動勢也逐漸縮小。上述變化規律構成了完整的正弦波形。

2.4 轉角傳感器方面

汽車電磁感應轉角傳感器也是電磁感應現象在汽車傳感器技術中應用的主要體現。這類傳感裝置的構成為：轉子、激勵線圈、感應線圈及輔助電路等。具體而言，激勵線圈與感應線圈的材料相同，前者為細導線繞制而成，而后者則以轉子輪廓為參照，通過導線的合理繞制獲得兩條呈極性相反狀態的線圈。

在汽車啟動狀態下，這類傳感裝置的運行原理為：啟動后，轉角傳感器內置的激勵電路可持續產生交流電壓信號（具有高頻性特征），上述信號信息直接作用于激蕩線圈，使其產生磁場。隨著傳感裝置的運行，感應線圈與激勵線圈的間距不斷縮小，并逐漸進入后者形成的磁場范圍內。在電磁感應耦合機制的影響下，感應線圈立即形成感生電壓，此時，與感應線圈相連的轉子（以導電材料制成）也會受到激勵線圈形成交變磁場的影響。隨著傳感裝置轉軸的持續變化，轉子所處的空間位置隨之改變，上述變化可對傳感裝置內部激勵線圈、感應線圈間的感應耦合機制形成一定影響，此時，感應線圈基于電磁感應作用產生的感生電壓參數逐漸變化（與轉子空間位置改變有關），即形成特定的轉角、感生電壓幅值映射關系。由感應線圈向外輸出的感生電壓經過傳感裝置內置的處理電路進行處理后，可形成準確的信號信息。此時，參照既定算法規律，即可確定不同轉子旋轉角度下產生的電量信息。在上述變化過程中，轉子轉動引發的感應線圈輸出信號峰值變化規律，與正弦波周期特征相符。當汽車電腦接收到轉角傳感器提供的原始信息后，可隨之發出相應指令，以保障汽車的安全運行。

與其他可用于轉角參數監測的汽車傳感器技術相比，以電磁感應為原理的轉角傳感器的優勢在于：

第一，成本低。該傳感裝置內部構成簡單，整體成本較低，符合推廣要求。

第二，轉角參數測量精度高。以該傳感裝置監測汽車的轉角參數，其所得監測結果的精度水平較高，上述優勢可為汽車正常運行提供良好保障。

3 ?結論

汽車傳感器作為汽車的重要組成部分，在未來呈現出多樣化發展趨勢，從本文的研究結果可知，電子感應現象在汽車傳感器技術中具有廣泛的應用，其技術發展直接影響了傳感器技術水平，因此相關人員需要根據現有技術要求，探索電磁感應現象新的應用路徑，爭取能夠實現汽車傳感器技術變革，最終為實現汽車制造工藝發展奠定基礎。

參考文獻：

[1]谷星瑩，湯其富，彭東林，等.一種雙邊傳感型電磁感應式直線位移傳感器[J].儀表技術與傳感器，2020（04）：1-5，10.

[2]翁道纛，湯其富，彭東林，等.一種互補耦合型電磁感應式直線位移傳感器的研究[J].傳感技術學報，2019，32（07）：996-1002.

[3]于淑霞.汽車傳感器技術中電磁感應現象的應用[J].中學物理教學參考，2017，46（18）：40-41.