接觸式位置傳感器：什么是位置傳感器，它的分類都有哪些
描述
位置傳感器是一種用于測量機器人自身位置的傳感器。 位置傳感器可分為兩種類型，接觸式傳感器和接近式傳感器。 位置傳感器是一種能夠感應(yīng)被測物體位置并將其轉(zhuǎn)換為可用輸出信號的傳感器。 它可以感應(yīng)被測物體的位置，并將其轉(zhuǎn)換成可以輸出信號的傳感器。
位置傳感器可用于檢測位置并反映開關(guān)的某種狀態(tài)。 與位移傳感器不同，位置傳感器有兩種類型：接觸式和接近式。
(一)接觸式傳感器
接觸式傳感器的觸點通過兩個物體接觸和擠壓而移動，例如行程開關(guān)和二維矩陣位置傳感器。 本行程開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠，價格低廉。 當物體在運動過程中接觸到行程開關(guān)時，其內(nèi)部觸點就會動作，完成控制。 例如，如果在加工中心的X、Y、Z方向兩端都安裝行程開關(guān)，則可以控制運動范圍。 二維矩陣位置傳感器安裝在機械手手掌內(nèi)側(cè)，用于檢測自身與物體的接觸位置。
(二)接近式傳感器
接近開關(guān)是指當物體接近設(shè)定距離時可以發(fā)出“動作”信號的開關(guān)，不需要與物體直接接觸。 接近開關(guān)的種類很多，主要有電磁式、光電式、差動變壓器式、渦流式、電容式、簧片開關(guān)、霍爾式等。 接近開關(guān)在數(shù)控機床上的應(yīng)用主要是刀架選擇控制、 工作臺行程控制、油缸及油缸活塞行程控制等。
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接觸式位置傳感器：位置傳感器
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位置傳感器
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位置傳感器用來測量機器人自身位置的傳感器。位置傳感器可分為兩種，接觸式傳感器和接近式傳感器。
中文名
位置傳感器
外文名
position sensor
目錄
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簡介
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接觸式傳感器
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接近式傳感器
1
應(yīng)用
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直流無刷電機
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曲軸與凸輪軸
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磁感應(yīng)式曲軸與凸輪軸位置傳感器
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捷達、桑塔納轎車磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器
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豐田轎車磁感應(yīng)式曲軸與凸輪軸位置傳感器
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霍爾式曲軸與凸輪軸位置傳感器
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差動霍爾式曲軸位置傳感器
位置傳感器簡介
位置傳感器（position sensor），能感受被測物的位置并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。它能感受被測物的位置并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。位置傳感器可用來檢測位置，反映某種狀態(tài)的開關(guān)，和位移傳感器不同，位置傳感器有接觸式和接近式兩種。
位置傳感器接觸式傳感器
接觸式傳感器的觸頭由兩個物體接觸擠壓而動作，常見的有行程開關(guān)、二維矩陣式位置傳感器等。行程開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、價格低廉。當某個物體在運動過程中，碰到行程開關(guān)時，其內(nèi)部觸頭會動作，從而完成控制，如在加工中心的X、Y、Z軸方向兩端分別裝有行程開關(guān)，則可以控制移動范圍。二維矩陣式位置傳感器安裝于機械手掌內(nèi)側(cè)，用于檢測自身與某個物體的接觸位置。
位置傳感器接近式傳感器
接近開關(guān)是指當物體與其接近到設(shè)定距離時就可以發(fā)出“動作”信號的開關(guān)，它無需和物體直接接觸。接近開關(guān)有很多種類，主要有電磁式、光電式、差動變壓器式、電渦流式、電容式、干簧管、霍爾式等。接近開關(guān)在數(shù)控機床上的應(yīng)用主要是刀架選刀控制、工作臺行程控制、油缸及汽缸活塞行程控制等。
位置傳感器應(yīng)用
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語音
位置傳感器直流無刷電機
位置傳感器是組成無刷直流電動機系統(tǒng)的三大部分之一，也是區(qū)別于有刷直流電動機的主要標志。其作用是檢測主轉(zhuǎn)子在運動過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，以控制它們的導(dǎo)通與截止，使電動機電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按次序換向，形成氣隙中步進式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。直流無刷電機需要位置傳感器來測量轉(zhuǎn)子的位置，電機控制器通過接受位置傳感器信號來讓逆變器換相與轉(zhuǎn)子同步來驅(qū)動電機持續(xù)運轉(zhuǎn)。盡管直流無刷電機也可以通過定子繞組產(chǎn)生的反感生電動勢來檢測轉(zhuǎn)子的位置，而省去位置傳感器，但是電機啟動時，轉(zhuǎn)速太小，反感生電動勢信號太小而無法檢測。可以用作直流無刷電機位置傳感器的霍爾傳感器芯片分為開關(guān)型和鎖定型兩種。對于電動自行車電機，這兩種霍爾傳感器芯片都可以用來精確測量轉(zhuǎn)子磁鋼的位置。用這兩種霍爾傳感器芯片制作的直流無刷電機的性能，包括電機的輸出功率、效率和轉(zhuǎn)矩等沒有任何差別，并可以兼容相同的電機控制器。位置傳感器的應(yīng)用，降低電機運行的噪音、提高電機的壽命與性能，同時達到降低耗能的效果。位置傳感器的應(yīng)用無疑給電機市場的發(fā)展提供了強大的推動力。
位置傳感器曲軸與凸輪軸
曲軸位置傳感器(Crankshaft Position Sensor，CPS)又稱為發(fā)動機轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)角傳感器，其功用是采集曲軸轉(zhuǎn)動角度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，并輸入電子控制單元(ECu)，以便確定點火時刻和噴油時刻。凸輪軸位置傳感器(Camshaft Position Sensor，CPS)又稱為氣缸識別傳感器(Cylinder Identification Sensor，CIS)，為了區(qū)別于曲軸位置傳感器(CPS)，凸輪軸位置傳感器一般都用CIS表示。凸輪軸位置傳感器的功用是采集配氣凸輪軸的位置信號，并輸入ECU，以便ECU識別氣缸1壓縮上止點，從而進行順序噴油控制、點火時刻控制和爆燃控制。此外，凸輪軸位置信號還用于發(fā)動機起動時識別出第一次點火時刻。因為凸輪軸位置傳感器能夠識別哪一個氣缸活塞即將到達上止點，所以稱為氣缸識別傳感器。光電式曲軸與凸輪軸位置傳感器(1)結(jié)構(gòu)特點日產(chǎn)公司生產(chǎn)的光電式曲軸與凸輪軸位置傳感器是由分電器改進而成的，主要由信號盤(即信號轉(zhuǎn)子)、信號發(fā)生器、配電器、傳感器殼體和線束插頭等組成。信號盤是傳感器的信號轉(zhuǎn)子，壓裝在傳感器軸上，如圖2-22所示。在靠近信號盤的邊緣位置制作有均勻間隔弧度的內(nèi)、外兩圈透光孔。其中，外圈制作有360個透光孔(縫隙)，間隔弧度為1。(透光孔占0．5。，遮光孔占0．5。)，用于產(chǎn)生曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速信號；內(nèi)圈制作有6個透光孔(長方形孑L)，間隔弧度為60。，用于產(chǎn)生各個氣缸的上止點信號，其中有一個長方形的寬邊稍長，用于產(chǎn)生氣缸1的上止點信號。信號發(fā)生器固定在傳感器殼體上，它由Ne信號(轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角信號)發(fā)生器、G信號(上止點信號)發(fā)生器以及信號處理電路組成。Ne信號與G信號發(fā)生器均由一個發(fā)光二極管(LED)和一個光敏晶體管(或光敏二極管)組成，兩個LED分別正對著兩個光敏晶體管。(2)工作原理光電式傳感器的工作原理如圖2-22所示。信號盤安裝在發(fā)光二極管(LED)與光敏晶體管(或光敏二極管)之間。當信號盤上的透光孔旋轉(zhuǎn)到LED與光敏晶體管之間時，LED發(fā)出的光線就會照射到光敏晶體管上，此時光敏晶體管導(dǎo)通，其集電極輸出低電平(0．1～O．3V)；當信號盤上的遮光部分旋轉(zhuǎn)到LED與光敏晶體管之間時，LED發(fā)出的光線就不能照射到光敏晶體管上，此時光敏晶體管截止，其集電極輸出高電平(4．8～5．2V)。如果信號盤連續(xù)旋轉(zhuǎn)，透光孔和遮光部分就會交替地轉(zhuǎn)過LED而透光或遮光，光敏晶體管集電極就會交替地輸出高電平和低電平。當傳感器軸隨曲軸和配氣凸輪軸轉(zhuǎn)動時，信號盤上的透光孔和遮光部分便從LED與光敏晶體管之間轉(zhuǎn)過，LED發(fā)出的光線受信號盤透光和遮光作用就會交替照射到信號發(fā)生器的光敏晶體管上，信號傳感器中就會產(chǎn)生與曲軸位置和凸輪軸位置對應(yīng)的脈沖信號。由于曲軸旋轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)，傳感器軸帶動信號盤旋轉(zhuǎn)一圈，因此，G信號傳感器將產(chǎn)生6個脈沖信號。Ne信號傳感器將產(chǎn)生360個脈沖信號。因為G信號透光孔間隔弧度為60。，曲軸每旋轉(zhuǎn)120。就產(chǎn)生一個脈沖信號，所以通常G信號稱為120。信號。設(shè)計安裝保證120。信號在上止點前70。(BTDC70。)時產(chǎn)生，且長方形寬邊稍長的透光孔產(chǎn)生的信號對應(yīng)于發(fā)動機氣缸1上止點前70。，以便ECU控制噴油提前角與點火提前角。因為Ne信號透光孔間隔弧度為1。(透光孔占0．5。，遮光孔占0．5。)，所以在每一個脈沖周期中，高、低電平各占1。曲軸轉(zhuǎn)角，360個信號表示曲軸旋轉(zhuǎn)720。。曲軸每旋轉(zhuǎn)120。，G信號傳感器產(chǎn)生一個信號，Ne信號傳感器產(chǎn)生60個信號。
位置傳感器磁感應(yīng)式曲軸與凸輪軸位置傳感器
磁感應(yīng)式傳感器的工作原理如圖2-23所示，磁力線穿過的路徑為永久磁鐵N極一定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙一轉(zhuǎn)子凸齒一轉(zhuǎn)子凸齒與定子磁頭間的氣隙一磁頭一導(dǎo)磁板一永久磁鐵S極。當信號轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，磁路中的氣隙就會周期性地發(fā)生變化，磁路的磁阻和穿過信號線圈磁頭的磁通量隨之發(fā)生周期性變化。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，傳感線圈中就會感應(yīng)產(chǎn)生交變電動勢。當信號轉(zhuǎn)子按順時針方向旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子凸齒與磁頭間的氣隙減小，磁路磁阻減小，磁通量φ增多，磁通變化率增大(dφ/dt>0)，感應(yīng)電動勢E為正(E>0)，如圖2-24中曲線abc所示。當轉(zhuǎn)子凸齒接近磁頭邊緣時，磁通量φ急劇增多，磁通變化率最大[dφ/dt=(dφ/dt)max]，感應(yīng)電動勢E最高(E=Emax)，如圖2-24中曲線b點所示。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過b點位置后，雖然磁通量φ仍在增多，但磁通變化率減小，因此感應(yīng)電動勢E降低。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到凸齒的中心線與磁頭的中心線對齊時(見圖2-24b)，雖然轉(zhuǎn)子凸齒與磁頭間的氣隙最小，磁路的磁阻最小，磁通量φ最大，但是由于磁通量不可能繼續(xù)增加，磁通變化率為零，因此感應(yīng)電動勢E為零，如圖2-24中曲線c點所示。當轉(zhuǎn)子沿順時針方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，凸齒離開磁頭時(見圖2-23c)，凸齒與磁頭間的氣隙增大，磁路磁阻增大，磁通量φ減少(dφ/dt< 0)，所以感應(yīng)電動勢E為負值，如圖2-24中曲線cda所示。當凸齒轉(zhuǎn)到將要離開磁頭邊緣時，磁通量φ急劇減少，磁通變化率達到負向最大值[dφ/df=-(dφ/dt)max]，感應(yīng)電動勢E也達到負向最大值(E=-Emax)，如圖2-24中曲線上d點所示。由此可見，信號轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個凸齒，傳感線圈中就會產(chǎn)生一個周期性交變電動勢，即電動勢出現(xiàn)一次最大值和一次最小值，傳感線圈也就相應(yīng)地輸出一個交變電壓信號。磁感應(yīng)式傳感器的突出優(yōu)點是不需要外加電源，永久磁鐵起著將機械能變換為電能的作用，其磁能不會損失。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化時，轉(zhuǎn)子凸齒轉(zhuǎn)動的速度將發(fā)生變化，鐵心中的磁通變化率也將隨之發(fā)生變化。轉(zhuǎn)速越高，磁通變化率就越大，傳感線圈中的感應(yīng)電動勢也就越高。轉(zhuǎn)速不同時，磁通和感應(yīng)電動勢的變化情況如圖2-24所示。由于轉(zhuǎn)子凸齒與磁頭間的氣隙直接影響磁路的磁阻和傳感線圈輸出電壓的高低，因此在使用中，轉(zhuǎn)子凸齒與磁頭間的氣隙不能隨意變動。氣隙如有變化，必須按規(guī)定進行調(diào)整，氣隙一般設(shè)計在0．2～0．4mm范圍內(nèi)。
位置傳感器捷達、桑塔納轎車磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器
1)曲軸位置傳感器結(jié)構(gòu)特點：捷達AT和GTX、桑塔納2000GSi型轎車的磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器安裝在曲軸箱內(nèi)靠近離合器一側(cè)的缸體上，主要由信號發(fā)生器和信號轉(zhuǎn)子組成，如圖2-25所示。信號發(fā)生器用螺釘固定在發(fā)動機缸體上，由永久磁鐵、傳感線圈和線束插頭組成。傳感線圈又稱為信號線圈，永久磁鐵上帶有一個磁頭，磁頭正對安裝在曲軸上的齒盤式信號轉(zhuǎn)子，磁頭與磁軛(導(dǎo)磁板)連接而構(gòu)成導(dǎo)磁回路。信號轉(zhuǎn)子為齒盤式，在其圓周上均勻間隔地制作有58個凸齒、57個小齒缺和一個大齒缺。大齒缺輸出基準信號，對應(yīng)發(fā)動機氣缸1或氣缸4壓縮上止點前一定角度。所以信號轉(zhuǎn)子圓周上的凸齒和齒缺所占的曲軸轉(zhuǎn)角為360。2)曲軸位置傳感器工作情況：當曲軸位置傳感器隨曲軸旋轉(zhuǎn)時，由磁感應(yīng)式傳感器工作原理可知，信號轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個凸齒，傳感線圈中就會產(chǎn)生一個周期性交變電動勢(即電動勢出現(xiàn)一次最大值和一次最小值)，線圈相應(yīng)地輸出一個交變電壓信號。因為信號轉(zhuǎn)子上設(shè)有一個產(chǎn)生基準信號的大齒缺，所以當大齒缺轉(zhuǎn)過磁頭時，信號電壓所占的時間較長，即輸出信號為一寬脈沖信號，該信號對應(yīng)于氣缸1或氣缸4壓縮上止點前一定角度。電子控制單元(ECU)接收到寬脈沖信號時，便可知道氣缸1或氣缸4上止點位置即將到來，至于即將到來的是氣缸1還是氣缸4，則需根據(jù)凸輪軸位置傳感器輸入的信號來確定。由于信號轉(zhuǎn)子上有58個凸齒，因此信號轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈(發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)一圈)，傳感線圈就會產(chǎn)生58個交變電壓信號輸入電子控制單元。每當信號轉(zhuǎn)子隨發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)動一圈，傳感線圈就會向電子控制單元(ECU)輸入58個脈沖信號。因此，ECU每接收到曲軸位置傳感器58個信號，就可知道發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)了一圈。如果在1min內(nèi)ECU接收到曲軸位置傳感器個信號，ECU便可計算出曲軸轉(zhuǎn)速n為2000(n=/58=2000)r/rain；如果ECU每分鐘接收到曲軸位置傳感器個信號，ECU便可計算出曲軸轉(zhuǎn)速為5000(n=/58=5000)r/min。依此類推，ECU根據(jù)每分鐘接收曲軸位置傳感器脈沖信號的數(shù)量，便能計算出發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號和負荷信號是電子控制系統(tǒng)最重要、最基本的控制信號，ECU根據(jù)這兩個信號就能計算出基本噴油提前角(時間)、基本點火提前角(時間)和點火導(dǎo)通角(點火線圈一次電流接通時間)三個基本控制參數(shù)。捷達AT和GTx、桑塔納2000GSi型轎車磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器信號轉(zhuǎn)子上大齒缺產(chǎn)生的信號為基準信號，ECU控制噴油時間和點火時間是以大齒缺產(chǎn)生的信號為基準進行控制的。當ECu接收到大齒缺產(chǎn)生的信號后，再根據(jù)小齒缺信號來控制點火時間、噴油時間和點火線圈一次電流接通時間(即導(dǎo)通角)。
位置傳感器豐田轎車磁感應(yīng)式曲軸與凸輪軸位置傳感器
豐田計算機控制系統(tǒng)(1FCCS)采用的磁感應(yīng)式曲軸與凸輪軸位置傳感器由分電器改進而成，由上、下兩部分組成。上部分為檢測曲軸位置基準信號(即氣缸識別與上止點信號，稱為G信號)發(fā)生器；下部分為曲軸轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角信號(稱為Ne信號)發(fā)生器。a)Ne信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點：Ne信號發(fā)生器安裝在G信號發(fā)生器的下面，主要由No．2信號轉(zhuǎn)子、Ne傳感線圈和磁頭組成，如圖2-26a所示。信號轉(zhuǎn)子固定在傳感器軸上，傳感器軸由配氣凸輪軸驅(qū)動，軸的上端套裝分火頭，轉(zhuǎn)子外制有24個凸齒。傳感線圈及磁頭固定在傳感器殼體內(nèi)，磁頭固定在傳感線圈中。b)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角信號的產(chǎn)生原理與控制過程：當發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)時，配氣凸輪軸便驅(qū)動傳感器信號轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子凸齒與磁頭間的氣隙交替發(fā)生變化，傳感線圈的磁通隨之交替發(fā)生變化，由磁感應(yīng)式傳感器工作原理可知，在傳感線圈中就會感應(yīng)產(chǎn)生交變電動勢，信號電壓的波形如圖2-26b所示。因為信號轉(zhuǎn)子有24個凸齒，所以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈，傳感線圈就會產(chǎn)生24個交變信號。傳感器軸每轉(zhuǎn)一圈(360。)相當于發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈(720。)，所以一個交變信號(即一個信號周期)相當于曲軸旋轉(zhuǎn)30。(720。÷24=30。)，相當于分火頭旋轉(zhuǎn)15。(30。÷2=15。)。ECU每接收Ne信號發(fā)生器24個信號，即可知道曲軸旋轉(zhuǎn)了兩圈、分火頭旋轉(zhuǎn)了一圈。ECU內(nèi)部程序根據(jù)每個Ne信號周期所占時間，即可計算確定發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速和分火頭轉(zhuǎn)速。為了精確控制點火提前角和噴油提前角，還需將每個信號周期所占的曲軸轉(zhuǎn)角(30。角)分得更小。微機完成這一工作十分方便，由分頻器將每個Ne信號(曲軸轉(zhuǎn)角30。)等分成30個脈沖信號，每個脈沖信號就相當于曲軸轉(zhuǎn)角1。(30。÷30=1。)。如將每個Ne信號等分成60個脈沖信號，則每個脈沖信號相當于曲軸轉(zhuǎn)角0．5。(30。÷60=0．5。)。具體設(shè)定由轉(zhuǎn)角精度要求和程序設(shè)計確定。c)G信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點：G信號發(fā)生器用來檢測活塞上止點位置與判別是哪一個氣缸即將到達上止點位置等基準信號。故G信號發(fā)生器又稱為氣缸識別與上止點信號發(fā)生器或基準信號發(fā)生器。G信號發(fā)生器由No．1信號轉(zhuǎn)子、傳感線圈G1、G2和磁頭等組成。信號轉(zhuǎn)子帶有兩個凸緣，固定在傳感器軸上。傳感線圈G1、G2相隔180。安裝，G1線圈產(chǎn)生的信號對應(yīng)于發(fā)動機第六缸壓縮上止點前10。、G2線圈產(chǎn)生的信號對應(yīng)于發(fā)動機第一缸壓縮上止點前l(fā)O。。d)氣缸識別與上止點信號的產(chǎn)生原理與控制過程：G信號發(fā)生器的工作原理與Ne信號發(fā)生器產(chǎn)生信號的原理相同。當發(fā)動機凸輪軸驅(qū)動傳感器軸旋轉(zhuǎn)時，G信號轉(zhuǎn)子(No．1信號轉(zhuǎn)子)的凸緣便交替經(jīng)過傳感線圈的磁頭，轉(zhuǎn)子凸緣與磁頭之間的氣隙交替發(fā)生變化，在傳感線圈Gl、G2中就會感應(yīng)產(chǎn)生交變電動勢信號。當G信號轉(zhuǎn)子的凸緣部分接近傳感線圈G1的磁頭時，由于凸緣與磁頭之間的氣隙減小、磁通量增大、磁通變化率為正，因此傳感線圈G1中產(chǎn)生正向脈沖信號，稱為G1信號；當G信號轉(zhuǎn)子的凸緣部分接近傳感線圈G2時，由于凸緣與磁頭之間的氣隙減小、磁通量增大、磁通變化率為正，因此傳感線圈G2中也產(chǎn)生正向脈沖信號，稱為G2信號。當G信號轉(zhuǎn)子的凸緣部分經(jīng)過G1、G2的磁頭時，由于凸緣與磁頭之間的氣隙不變、磁通量不變、磁通變化率為零，因此傳感線圈G1、G2中的感應(yīng)電動勢均為零。當G信號轉(zhuǎn)子的凸緣部分離開G1、G2的磁頭時，由于凸緣與磁頭之間的氣隙增大、磁通量減小、磁通變化率為負，因此傳感線圈G1、G2中將感應(yīng)產(chǎn)生負向交變電動勢信號。傳感器每轉(zhuǎn)一圈(360。)相當于曲軸轉(zhuǎn)兩圈(720。)，因為傳感線圈G1、G2相隔180。安裝，所以G1、G2中各產(chǎn)生一個正向脈沖信號。其中G1信號對應(yīng)于發(fā)動機第六缸，用來檢測第六缸上止點的位置；G2信號對應(yīng)于第一缸，用來檢測第一缸上止點的位置。電子控制單元檢測的對應(yīng)位置實際上是G轉(zhuǎn)子凸緣的前端接近并與傳感線圈G1、G2的磁頭對齊時刻(此時磁通量最大、信號電壓為零)的位置，該位置對應(yīng)于活塞壓縮上止點前10。(BT-DCl0。)位置。
位置傳感器霍爾式曲軸與凸輪軸位置傳感器
(1)霍爾式傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理霍爾式曲軸與凸輪軸位置傳感器及其他形式的霍爾式傳感器都是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的傳感器。1)霍爾效應(yīng)：霍爾效應(yīng)(Hall Effect)是美國約翰霍普金斯大學(xué)物理學(xué)家霍爾博士(Dr．E．H．Hall)于1879年首先發(fā)現(xiàn)的。他發(fā)現(xiàn)把一個通有電流I的長方體形白金導(dǎo)體垂直于磁力線放入磁感應(yīng)強度為B的磁場中時(見圖2-27)，在白金導(dǎo)體的兩個橫向側(cè)面上就會產(chǎn)生一個垂直于電流方向和磁場方向的電壓UH，當取消磁場時，電壓立即消失。該電壓后來稱為霍爾電壓，UH與通過白金導(dǎo)體的電流I和磁感應(yīng)強度B成正比，即(見下頁）利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾元件，利用霍爾元件制成的傳感器稱為霍爾式傳感器。利用霍爾效應(yīng)不僅可以通過接通和切斷磁場來檢測電壓，而且可以檢測導(dǎo)線中流過的電流，因為導(dǎo)線周圍的磁場強弱與流過導(dǎo)線的電流成正比關(guān)系。20世紀80年代以來，汽車上應(yīng)用的霍爾式傳感器與日劇增，主要原因在于霍爾式傳感器有兩個突出優(yōu)點：一是輸出電壓信號近似于方波信號；二是輸出電壓高低與被測物體的轉(zhuǎn)速無關(guān)。霍爾式傳感器與磁感應(yīng)式傳感器不同的是需要外加電源。2)霍爾式傳感器基本結(jié)構(gòu)：霍爾式傳感器主要由觸發(fā)葉輪、霍爾集成電路、導(dǎo)磁鋼片(磁軛)與永久磁鐵等組成。觸發(fā)葉輪安裝在轉(zhuǎn)子軸上，葉輪上制有葉片(在霍爾式點火系統(tǒng)中，葉片數(shù)與發(fā)動機氣缸數(shù)相等)。當觸發(fā)葉輪隨轉(zhuǎn)子軸一同轉(zhuǎn)動時，葉片便在霍爾集成電路與永久磁鐵之間轉(zhuǎn)動。霍爾集成電路由霍爾元件、放大電路、穩(wěn)壓電路、溫度補償電路、信號變換電路和輸出電路等組成。3)霍爾式傳感器工作原理：當傳感器軸轉(zhuǎn)動時，觸發(fā)葉輪的葉片便從霍爾集成電路與永久磁鐵之間的氣隙中轉(zhuǎn)過：當葉片離開氣隙時，永久磁鐵的磁通便經(jīng)霍爾集成電路和導(dǎo)磁鋼片構(gòu)成回路，此時霍爾元件產(chǎn)生電壓(UH=1．9～2．0V)，霍爾集成電路輸出級的晶體管導(dǎo)通，傳感器輸出的信號電壓U0為低電平(實測表明：當電源電壓Ucc=14．4V或5V時，信號電壓U0=0．1～0．3 V)。當葉片進入氣隙時，霍爾集成電路中的磁場被葉片旁路，霍爾電壓UH為零，集成電路輸出級的晶體管截止，傳感器輸出的信號電壓U0為高電平(實測表明：當電源電壓Ucc=14．4V時，信號電壓U0=9．8 V；當電源電壓Ucc=5V時，信號電壓U0=4．8 V)。(2)捷達、桑塔納轎車霍爾式凸輪軸位置傳感器1)結(jié)構(gòu)特點：捷達AT和GTx、桑塔納2000GSi型轎車采用的霍爾式凸輪軸位置傳感器安裝在發(fā)動機進氣凸輪軸的一端，結(jié)構(gòu)如圖2-28所示。它主要由霍爾信號發(fā)生器和信號轉(zhuǎn)子組成。信號轉(zhuǎn)子又稱為觸發(fā)葉輪，安裝在進氣凸輪軸上，．用定位螺栓和座圈定位固定。信號轉(zhuǎn)子的隔板又稱為葉片，在隔板上制有一個窗口，窗口對應(yīng)產(chǎn)生的信號為低電平信號，隔板(葉片)對應(yīng)產(chǎn)生的信號為高電平信號。霍爾式信號發(fā)生器主要由霍爾集成電路、永久磁鐵和導(dǎo)磁鋼片等組成。霍爾元件用硅半導(dǎo)體材料制成，與永久磁鐵之間留有0．2～0．4mm的間隙，當信號轉(zhuǎn)子隨進氣凸輪軸一同轉(zhuǎn)動時，隔板和窗口便從霍爾集成電路與永久磁鐵之間的氣隙中轉(zhuǎn)過。該傳感器接線插座上有三個引線端子，端子1為傳感器電源正極端子，與控制單元端子62連接：端子2為傳感器信號輸出端子，與控制單元端子76連接：端子3為傳感器電源負極端子，與控制單元端子67連接。2)工作情況：由霍爾式傳感器工作原理可知，當隔板(葉片)進入氣隙(即在氣隙內(nèi))時，霍爾元件不產(chǎn)生電壓，傳感器輸出高電平(5V)信號；當隔板(葉片)離開氣隙(即窗口進入氣隙)時，霍爾元件產(chǎn)生電壓。傳感器輸出低電平信號(0．1V)。凸輪軸位置傳感器輸出的信號電壓與曲軸位置傳感器輸出的信號電壓之間的關(guān)系如圖2-29所示。發(fā)動機曲軸每轉(zhuǎn)兩圈(720。)，霍爾式傳感器信號轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一圈(360。)，對應(yīng)產(chǎn)生一個低電平信號和一個高電平信號，其中低電平信號對應(yīng)于氣缸1壓縮上止點前一定角度。發(fā)動機工作時，磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器(CPS)和霍爾式凸輪軸位置傳感器(CIS)產(chǎn)生的信號電壓不斷輸入電子控制單元(ECU)。當ECU同時接收到曲軸位置傳感器大齒缺對應(yīng)的低電平(15。)信號和凸輪軸位置傳感器窗口對應(yīng)的低電平信號時，便可識別出此時為氣缸1活塞處于壓縮行程、氣缸4活塞處于排氣行程，并根據(jù)曲軸位置傳感器小齒缺對應(yīng)輸出的信號控制點火提前角。電子控制單元識別出氣缸1壓縮上止點位置后，便可進行順序噴油控制和各缸點火時刻控制。如果發(fā)動機產(chǎn)生了爆燃，電子控制單元還能根據(jù)爆燃傳感器輸入的信號判別出是哪一個缸產(chǎn)生了爆燃，從而減小點火提前角，以便消除爆燃。
位置傳感器差動霍爾式曲軸位置傳感器
切諾基(Cherokee)吉普車與紅旗CA7220E型轎車采用了差動霍爾式曲軸位置傳感器，其凸輪軸位置傳感器均為普通霍爾式傳感器。(1)差動霍爾式傳感器結(jié)構(gòu)特點差動霍爾式傳感器又稱為雙霍爾式傳感器，其結(jié)構(gòu)與磁感應(yīng)式傳感器相似，如圖2-30a所示。它由帶凸齒的信號轉(zhuǎn)子和霍爾信號發(fā)生器組成。差動霍爾式傳感器的工作原理與普通霍爾式傳感器相同。根據(jù)霍爾式傳感器的工作原理。當發(fā)動機飛輪上的齒缺與凸齒轉(zhuǎn)過差動霍爾電路的兩個探頭時，齒缺或凸齒與霍爾探頭之間的氣隙就會發(fā)生變化，磁通量隨之變化，在傳感器的霍爾元件中就會產(chǎn)生交變電壓信號，如圖2-30b所示。其輸出電壓由兩個霍爾信號電壓疊加而成。因為輸出信號為疊加信號，所以轉(zhuǎn)子凸齒與信號發(fā)生器之間的氣隙可以增大到(1±0．5)mm(普通霍爾式傳感器僅為0．2～0．4mm)，因而便可將信號轉(zhuǎn)子制成像磁感應(yīng)式傳感器轉(zhuǎn)子一樣的齒盤式結(jié)構(gòu)，其突出優(yōu)點是信號轉(zhuǎn)子便于安裝。在汽車上，一般將凸齒轉(zhuǎn)子裝在發(fā)動機曲軸上或?qū)l(fā)動機飛輪作為傳感子。(2)切諾基吉普車差動霍爾式曲軸位置傳感器1)結(jié)構(gòu)特點：切諾基吉普車2．5L(四缸)、4．0L(六缸)電子控制燃油噴射式發(fā)動機采用了差動霍爾電路的霍爾式曲軸位置傳感器。它安裝在變速器殼體上。該傳感器向ECu提供發(fā)動機轉(zhuǎn)速與曲軸位置(轉(zhuǎn)角)信號，作為計算噴油時刻和點火時刻的重要依據(jù)之一。2．5L四缸電子控制發(fā)動機的飛輪上制有8個齒缺，如圖2-31a所示。8個齒缺分成兩組，每4個齒缺為一組，兩組之間相隔角度為180。，同一組中相鄰兩個齒缺之間間隔角度為20。。4．0L六缸電子控制發(fā)動機的飛輪上制有12個齒缺，如圖2．3lb所示。12個齒缺分成三組，每4個齒缺為一組，相鄰兩組之間相隔角度為120。，同一組中相鄰兩個齒缺之間間隔角度也為20。2)工作情況：飛輪上的每一組齒缺轉(zhuǎn)過霍爾探頭時，傳感器就會產(chǎn)生一組共4個脈沖信號。其中，四缸發(fā)動機每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生兩組共8個脈沖信號；六缸發(fā)動機每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生三組共12個脈沖信號。對于四缸發(fā)動機，ECU每接收到8個信號，即可知道曲軸旋轉(zhuǎn)了一轉(zhuǎn)，再根據(jù)接收8個信號所占用的時間，就可計算出曲軸轉(zhuǎn)速。對于六缸發(fā)動機，ECU每接收到12個信號，即可知道曲軸旋轉(zhuǎn)了一轉(zhuǎn)，再根據(jù)接收12個信號所占用的時間，就可計算出曲軸轉(zhuǎn)速。電子控制單元控制噴油和點火時，都有一定的提前角，因此需要知道活塞接近上止點的位置。切諾基吉普車在每組信號輸入ECU時，可以知道有兩個氣缸的活塞即將到達上止點位置。 例如，在四缸發(fā)動機控制系統(tǒng)中，利用一組信號，ECU可知氣缸1、4活塞接近上止點；利用另一組信號可知氣缸2、3活塞接近上止點。在六缸發(fā)動機控制系統(tǒng)中。利用一組信號，可知氣缸1與6、2與5、3與4活塞接近上止點。由于第4個齒缺產(chǎn)生的脈沖下降沿對應(yīng)于壓縮上止點前4。(BTDC4。)，因此第1個齒缺產(chǎn)生的脈沖信號下降沿對應(yīng)于壓縮上止點前64。(BT-DC64。)，如圖2-32所示。當氣缸1、4對應(yīng)的第1個脈沖下降沿到來時，ECU即可知道此時氣缸1、4活塞位于壓縮上止點前64。(BTDC64。)，從而便可控制噴油提前角和點火提前角。但是，僅有曲軸轉(zhuǎn)角信號，ECU還不能確定是哪一個缸位于壓縮行程，哪一個缸位于排氣行程，為此還需要一個氣缸判別信號(即需要一只凸輪軸位置傳感器)。(3)切諾基吉普車霍爾式凸輪軸位置傳感器1)結(jié)構(gòu)特點：切諾基吉普車發(fā)動機控制系統(tǒng)的氣缸判別信號由霍爾式凸輪軸位置傳感器提供，該傳感器又稱為同步信號傳感器，安裝在分電器內(nèi)，主要由脈沖環(huán)(信號轉(zhuǎn)子)、霍爾信號發(fā)生器組成。脈沖環(huán)上制有凸起的葉片，占180。分電器軸轉(zhuǎn)角(相當于360。曲軸轉(zhuǎn)角)。沒有葉片的部分也占180。分電器軸轉(zhuǎn)角(360。曲軸轉(zhuǎn)角)。脈沖環(huán)安裝在分電器軸上，隨分電器軸一同轉(zhuǎn)動。2)工作情況：當脈沖環(huán)上的葉片進入信號發(fā)生器時，傳感器輸出高電平(5V)；當脈沖環(huán)上的葉片離開信號發(fā)生器時，傳感器輸出低電平(0V)。分電器軸轉(zhuǎn)一圈，傳感器輸出一個高電平和一個低電平，高、低電平各占180。分電器軸轉(zhuǎn)角(分別相當于360。曲軸轉(zhuǎn)角)。同步信號的波形如圖2-32所示。當脈沖環(huán)的葉片前沿進入信號發(fā)生器、傳感器輸出高電平(5V)時，對于四缸發(fā)動機，表示氣缸1、4活塞即將到達上止點，其中氣缸1活塞位于壓縮行程，氣缸4活塞位于排氣行程；對于六缸發(fā)動機，表示氣缸3、4活塞即將到達上止點，其中氣缸4活塞位于壓縮行程，氣缸3活塞位于排氣行程。當脈沖環(huán)的葉片后沿進入信號發(fā)生器、傳感器輸出低電平(0V)時，對于四缸發(fā)動機，表示即將到達上止點的仍然是氣缸1、4活塞，其中氣缸4活塞位于壓縮行程，氣缸1活塞位于排氣行程；對于六缸發(fā)動機，表示氣缸3活塞位于壓縮行程，氣缸4活塞位于排氣行程。利用凸輪軸位置傳感器判別出是哪一個氣缸即將到達排氣上止點之后，ECU根據(jù)曲軸位置傳感器信號，即可控制噴油提前角和點火提前角。設(shè)某一時刻的噴油提前角為上止點前64。(BTI)C64。)，當凸輪軸位置傳感器脈沖環(huán)的葉片進入信號發(fā)生器、傳感器輸出高電平(5V)時，ECU判定四缸發(fā)動機的氣缸4活塞位于排氣行程(六缸發(fā)動機的氣缸3活塞位于排氣行程)，此時ECU在接收到曲軸位置傳感器(CPS)第一個脈沖信號的下降沿(BTDC64。)時，向噴油器發(fā)出噴油信號，從而實現(xiàn)提前64。噴油。在凸輪軸位置傳感器輸出高電平(5V))時，ECU還判定四缸發(fā)動機的氣缸1活塞(六缸發(fā)動機氣缸4活塞)位于壓縮行程，此時ECU根據(jù)曲軸位置傳感器CPS信號和點火提前角計算值，在活塞運行到上止點前點火提前角度時，向點火控制器發(fā)出點火指令，控制火花塞點火，實現(xiàn)點火提前。利用凸輪軸位置傳感器對兩個氣缸的位置判定作為參考點，即可按照四缸發(fā)動機1—3—4—2(六缸發(fā)動機l一5—3—6—2—4)的工作順序，對各個氣缸進行提前噴油與提前點火控制。(4)紅旗CA7720E型轎車差動霍爾式曲軸位置傳感器紅旗CA7220E型轎車CA488．3型發(fā)動機上裝備的SIMOS4S3型電子控制燃油噴射系統(tǒng)采用的差動霍爾式曲軸位置傳感器由信號轉(zhuǎn)子與信號發(fā)生器組成。信號轉(zhuǎn)子為齒盤式，安裝在變速器殼體前端，它與捷達AT、GTX型轎車用磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器轉(zhuǎn)子相似，在其圓周上均勻間隔地制作有58個凸齒、 57個小齒缺和一個大齒缺。大齒缺輸出基準信號，對應(yīng)于發(fā)動機氣缸1或氣缸4壓縮上止點前一定角度。大齒缺所占的弧度相當于兩個凸齒和三個小齒缺所占的弧度。因為信號轉(zhuǎn)子隨曲軸一同旋轉(zhuǎn)，曲軸旋轉(zhuǎn)一圈(360。)，信號轉(zhuǎn)子也旋轉(zhuǎn)一圈(360。)，所以信號轉(zhuǎn)子圓周上的凸齒和齒缺所占的曲軸轉(zhuǎn)角為 360。，每個凸齒和小齒缺所占的曲軸轉(zhuǎn)角均為3。(58×3。+57×3。=345。)，大齒缺所占的曲軸轉(zhuǎn)角為15。(2×3。+3×3。=15。)，信號波形如圖2-33a所示。
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大多數(shù)物體
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長
短
短
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低
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高
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快
慢
一般
慢
灰塵、水、油等
強
一般
一般
一般
強
測量面
一般
小
大
小
小
項目
渦電流式
光學(xué)式
超聲波式
檢測對象物體
金屬
大多數(shù)物體
大多數(shù)物體
測量距離
短
一般
長
精度
高
高
低
響應(yīng)速度
快
快
慢
灰塵、水、油等
強
一般
一般
測量面
一般
小
大
渦電流式
激光對焦式
接觸式
檢測對象物體
大多數(shù)物體
固體
測量距離
短
短
精度
高
高
響應(yīng)速度
一般
慢
慢
一般
強
測量面
小
小
接觸式位置傳感器：接觸式圖像傳感器
CIS由LEn光源陣列(LEolightsource)、微自聚焦棒狀透鏡陣列(Rod Lens array)、光電傳感器陣列(CMOS image sensor array)及其電路板、保護玻璃、接口、外殼等部分組成。CIS的組成部分都集中于外殼內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、重量輕，其主要部件生產(chǎn)需要微制造工藝完成。當CIS工作時，LED光源陣列發(fā)出的光線直射到待掃描物體表面(印刷品等)，從其表面反射回的光線經(jīng)自聚焦棒狀透鏡陣列聚焦，成像在光電傳感器陣列上(一般是MOS器件)，被轉(zhuǎn)化為電荷存儲起來。掃描面不同部位的光強不同，因而不同位置傳感器單元(即CIS的像素)接收到的光強不一樣。每個讀取周期每個像素的光照時間(電荷積蓄時間)是一致的，達到積蓄時間后，由移位寄存器控制模擬開關(guān)依次打開，將像素的電信號以模擬信號的形式依次輸出，從而得到紙幣的模擬圖像信號。
