汽車上傳感器的應(yīng)用與發(fā)展

汽車上傳感器的應(yīng)用與發(fā)展

隨著汽車電子化的提高，尤其是cpu技術(shù)在汽車中的廣泛應(yīng)用，傳感器技術(shù)已成為發(fā)展汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。但就目前傳感器的功能特性、可靠性、通用性、尺寸重量特性及價(jià)格來(lái)看,它是汽車電子控制系統(tǒng)中最為薄弱的環(huán)節(jié)。對(duì)汽車的各種電控系統(tǒng)而言,最重要的兩個(gè)基本參數(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。目前轉(zhuǎn)速測(cè)量無(wú)論在實(shí)驗(yàn)室中還是汽車上,都已達(dá)到了實(shí)用的程度,而負(fù)荷測(cè)量方法雖然在實(shí)驗(yàn)室中得到了廣泛應(yīng)用,但由于檢測(cè)儀器本身的體積、成本、可靠性或精度等問(wèn)題的存在,加之其它一些條件的限制,使其還沒(méi)有完全適用于車載實(shí)測(cè)。目前,汽車上廣泛使用的負(fù)荷檢測(cè)方法,如測(cè)量節(jié)氣門開(kāi)度、進(jìn)氣歧管真空度或針閥升程等,均屬于間接測(cè)量方法,測(cè)量精度比較低。轉(zhuǎn)矩傳感器屬于負(fù)荷的直接檢測(cè)方法,最有希望成為汽車未來(lái)實(shí)用的、高精度的負(fù)荷傳感器,因此,世界各國(guó)都對(duì)此進(jìn)行積極的研究。1國(guó)內(nèi)外旋轉(zhuǎn)傳感器的發(fā)展1.1扭矩傳感器用兩個(gè)套筒分別卡在被測(cè)軸的兩個(gè)相鄰截面上,其鋼弦的兩端分別固定在兩個(gè)套筒上,如圖1所示。當(dāng)受扭變形時(shí),軸的二相鄰截面相對(duì)轉(zhuǎn)一角度,因而鋼弦受拉或受壓而產(chǎn)生的變形也與外加轉(zhuǎn)矩成正比,使鋼弦的振動(dòng)頻率發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量鋼弦的振動(dòng)頻率,便可換算成轉(zhuǎn)矩。這種轉(zhuǎn)矩傳感器靈敏度高,易于數(shù)字化,可遙測(cè),并能做到體積小、重量輕。其傳感器部分與測(cè)力軸分開(kāi),便于在船舶上或車輛上測(cè)量軸功率,但不能用于高速測(cè)量,測(cè)量精度較低。這種轉(zhuǎn)矩傳感器的精度主要取決于鋼弦材料的質(zhì)量,一般依賴進(jìn)口。為解決這個(gè)問(wèn)題,出現(xiàn)了光導(dǎo)纖維轉(zhuǎn)矩傳感器。它利用輸出光強(qiáng)度的變化,或傳輸特性的變化,測(cè)量?jī)煽ōh(huán)間在外加轉(zhuǎn)矩的作用下產(chǎn)生的微位移,進(jìn)而可轉(zhuǎn)換成兩卡環(huán)間的扭轉(zhuǎn)角,求出外加轉(zhuǎn)矩。1.2基于轉(zhuǎn)速傳感器的誤差測(cè)量的方法沿扭力軸的軸向±45°方向分別粘貼4個(gè)應(yīng)變片,組成全橋電路的四個(gè)橋臂,用以感受同向的最大正應(yīng)變。當(dāng)扭力軸受扭時(shí),應(yīng)變片的電阻率發(fā)生變化,電阻的變化通過(guò)電橋輸出與外加轉(zhuǎn)矩成正比的電壓信號(hào),然后經(jīng)適當(dāng)?shù)姆绞綄⒃撾妷旱男盘?hào)引出,通過(guò)處理后便可計(jì)算出外加轉(zhuǎn)矩。這種轉(zhuǎn)矩傳感器使用范圍廣,能測(cè)量瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(動(dòng)態(tài)測(cè)量),而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,測(cè)量精度高,但抗干擾能力較差,溫度、濕度以及粘接劑等對(duì)精度都有影響。應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器的信號(hào)傳輸技術(shù)是這類轉(zhuǎn)矩傳感器的關(guān)鍵技術(shù),業(yè)已有3種成熟的傳輸方法,解決高速旋轉(zhuǎn)工況下,激勵(lì)電源輸入到應(yīng)變橋路及轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸出到顯示儀表所存在的傳輸問(wèn)題。(1)汽車半軸測(cè)量軸更換傳輸技術(shù)利用這種傳輸技術(shù)的應(yīng)變片式轉(zhuǎn)矩傳感器,在測(cè)量小汽車半軸轉(zhuǎn)矩方面得到了應(yīng)用。測(cè)量時(shí)需用測(cè)量軸更換汽車半軸。該傳輸技術(shù)屬于接觸式傳輸,隨著磨損增加,將引起接觸電阻變化,進(jìn)而產(chǎn)生噪聲干擾和零漂,壽命短,費(fèi)用高,不適宜惡劣環(huán)境和高速測(cè)量。另外它對(duì)安裝要求很高,調(diào)試技術(shù)也復(fù)雜。這種傳輸方式適用的轉(zhuǎn)矩范圍大。(2)基于摩擦磨損的轉(zhuǎn)速傳感器它利用電感耦合機(jī)理,把應(yīng)變橋路的交流激勵(lì)電壓和交流輸出電壓進(jìn)行非接觸傳輸。因?yàn)檫@種傳感器是非接觸式,也就不存在信號(hào)傳輸過(guò)程中的磨損問(wèn)題,以及相應(yīng)引起的一系列問(wèn)題,維修也比較方便,另外還可以改善轉(zhuǎn)矩傳感器的頻率特性和溫度特性。但這種傳感器的信號(hào)輸出損失比較大,體積大,安裝復(fù)雜,價(jià)格也比較高。這種傳感器一般適用于小轉(zhuǎn)矩測(cè)試。美國(guó)R.B.Reich等人已將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在測(cè)量汽車半軸扭矩方面。(3)固體模塊器件及微型電路該傳輸方式的原理如圖2所示。這種傳輸方式隨著大規(guī)模集成電路、固體模塊器件及微型電路的發(fā)展,使發(fā)射機(jī)可以做得極小(可達(dá)克級(jí)),耗電極少。因此,采用無(wú)線傳輸方法檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械和往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)械上的參數(shù),具有突出優(yōu)點(diǎn)。它的檢測(cè)精度超過(guò)了集流環(huán)式。1.3基于應(yīng)力電勢(shì)的扭矩傳感器對(duì)于由鐵磁材料制作的扭力軸,在其受扭后,沿正應(yīng)力方向磁阻減小,沿負(fù)應(yīng)力方向磁阻增大。在該扭力軸上,繞有線圈的兩個(gè)π形鐵心A和B相互垂直放置,而開(kāi)口端與被測(cè)軸保持1～2mm的間隙,導(dǎo)磁的軸把磁路閉合,AA沿軸向,BB垂直于軸向。在鐵心A的線圈中通以交流電,形成交變磁場(chǎng)。在扭力軸未受轉(zhuǎn)矩作用時(shí),其各向磁阻相同,BB方向正好處于磁力線的等位中心線上,因而鐵心B上的繞阻不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。當(dāng)扭力軸受轉(zhuǎn)矩作用時(shí),其表面上出現(xiàn)各向異性磁阻特性,磁力線等重新分布,不再對(duì)稱,因此就在鐵心B的線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。轉(zhuǎn)矩愈大,感應(yīng)電勢(shì)就愈大,在一定范圍內(nèi),感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系。這樣,通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)電勢(shì),便可測(cè)量轉(zhuǎn)矩。這種傳感器屬于非接觸測(cè)量,響應(yīng)速度快,靈敏度高,穩(wěn)定性好,抗過(guò)載能力及抗干擾能力強(qiáng),壓變形小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,堅(jiān)固,內(nèi)阻低。但其致命弱點(diǎn)是沿扭力軸圓周分布的磁導(dǎo)率存在固有偏差。另外它還存在互換性差、受電源影響大等缺點(diǎn)。由于它自身的特點(diǎn),適合于在線實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩。例如,日本YutakaNonomura等人將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。它將繞有線圈的兩只U形疊片鐵心組成的典型轉(zhuǎn)矩傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的最后一個(gè)主軸承內(nèi)。該傳感器的外形尺寸僅為12mm×8mm×16mm。測(cè)試結(jié)果表明:發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在10～160N·m時(shí),傳感器具有高達(dá)±2%的線性度和0.16mV/N·m的靈敏度,在溫度為70～90℃、轉(zhuǎn)速為1500～3000r/min時(shí),傳感器的總轉(zhuǎn)矩測(cè)量精度為±10%(FS)。目前該轉(zhuǎn)矩傳感器可以測(cè)量平均轉(zhuǎn)矩信號(hào),但不能測(cè)出瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩信號(hào)。為了克服磁致伸縮式轉(zhuǎn)矩傳感器的缺陷,解決實(shí)際軸的磁化特性沿圓周分布不均勻的問(wèn)題,有人嘗試?yán)梅蔷B(tài)材料作為敏感元件,原理如圖3所示。試驗(yàn)表明,其效果良好。1.4基于旋轉(zhuǎn)軸的扭矩傳感器這種轉(zhuǎn)矩傳感器的測(cè)量原理基于柵降遙測(cè)技術(shù),如圖4所示。在旋轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)無(wú)源諧振電路,電路中的電感量或電容量隨作用在旋轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩變化而改變,這將使電路中的諧振頻率改變,于是,轉(zhuǎn)矩就可以通過(guò)諧振頻率的變化來(lái)測(cè)量。這種轉(zhuǎn)矩傳感器的性能主要受電容器的幾何形狀、介質(zhì)材料、粘合劑、柔性印刷電路板的粘貼以及旋轉(zhuǎn)軸的影響。這種傳感器屬于非接觸測(cè)量,靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。目前在汽車上應(yīng)用的最大障礙是汽車的惡劣環(huán)境條件,須經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的耐久性考驗(yàn)。1.5基于光柵的扭矩傳感器美國(guó)NASA劉易斯研究中心等曾對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行過(guò)研究。它是在扭力軸上相距一定的位置上固定安裝兩片圓盤形光柵,在無(wú)轉(zhuǎn)矩作用時(shí),兩片光柵的明暗條紋錯(cuò)開(kāi),完全遮擋光路,因此置于光柵另一側(cè)的光敏元件無(wú)光照射,亦無(wú)電信號(hào)輸出。當(dāng)有轉(zhuǎn)矩作用在扭力軸上時(shí),安裝光柵處的兩截面產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)角,使得兩片光柵的明暗條紋發(fā)生部分重合,便有部分光線透過(guò)兩光柵照射到光敏元件上,從而輸出電信號(hào)。轉(zhuǎn)矩越大,扭轉(zhuǎn)角就越大,照射到光敏元件上的光越多,因而輸出的電信號(hào)也就越大。因此通過(guò)檢測(cè)輸出的電信號(hào),即可測(cè)量出外加的轉(zhuǎn)矩。這種轉(zhuǎn)矩傳感器屬于非接觸測(cè)量,測(cè)量精度較高,數(shù)字化,結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。但它抗污染能力和可靠性較差,不能測(cè)量起動(dòng)和低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩,靜標(biāo)困難,目前很少使用。1.6扭矩傳感器該轉(zhuǎn)矩傳感器的測(cè)量方法基于磁感應(yīng)原理。使用時(shí)在被測(cè)的扭力軸上相距一定距離的兩端處各安裝一個(gè)齒形轉(zhuǎn)輪(相差盤),靠近轉(zhuǎn)輪沿徑向各放置一個(gè)感應(yīng)式脈沖發(fā)生器(在永久磁鐵上繞一固定線圈而成,又稱電磁檢測(cè)器)。當(dāng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)時(shí),便在兩個(gè)脈沖發(fā)生器中產(chǎn)生正弦信號(hào),而這兩個(gè)正弦信號(hào)的相位差與外加轉(zhuǎn)矩成正比,所以,通過(guò)檢測(cè)這個(gè)相位差,即可測(cè)量出扭力軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩。這種轉(zhuǎn)矩傳感器也是非接觸測(cè)量,測(cè)量精度高,轉(zhuǎn)速范圍大,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠,對(duì)工作環(huán)境要求不高,可測(cè)起動(dòng)和低速轉(zhuǎn)矩,是目前國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用最廣泛的轉(zhuǎn)矩傳感器,但該轉(zhuǎn)矩傳感器很難直接應(yīng)用于汽車上。此外,國(guó)外文獻(xiàn)還曾報(bào)道過(guò)一種利用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的前、后端在工作時(shí)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法,但這種方法只有在較大負(fù)荷時(shí)才可靠。1.7相位差檢測(cè)轉(zhuǎn)速其測(cè)量原理如圖5所示。左右兩個(gè)相差盤上的磁塊是交替安裝的,而且磁塊的中心位于同一圓周上,采用單磁頭結(jié)構(gòu)。這樣,當(dāng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),就在單磁頭中產(chǎn)生一個(gè)由左右相差盤共同產(chǎn)生的諧波信號(hào),通過(guò)檢測(cè)相鄰諧波之間相位差的變化,就可以測(cè)量出所傳遞的轉(zhuǎn)矩。其磁頭是利用磁敏元件(Ha11元件)作為敏感元件的。該轉(zhuǎn)矩傳感器具有實(shí)車測(cè)量精度高,抗干擾、抗震動(dòng)能力強(qiáng),成本低等特點(diǎn),其長(zhǎng)期耐久性有待于進(jìn)一步考核。2幾種類型2.1磁致伸縮式轉(zhuǎn)矩傳感器雖然曾在汽車