位置传感器在工业场景下的选择困难.docx

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1、位置传感器在工业场景下的选择困难FI录前言11 .接触式传感器12 .接近式传感器23 .应用23. 1.直流无刷电机23.2.曲轴与凸轮轴33. 3.光电式曲轴与凸轮轴位置传感器33. 4.磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器43. 5.捷达、桑塔纳轿车磁感应式曲轴位置传感器53. 6.丰田轿车磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器73. 7. 霍尔式曲轴与凸轮轴位置传感器83. 8.差动霍尔式曲轴位置传感器103. 9.磁性位置传感器143. 10.闻声定位的超声波153. 11. 曲轴位置传感器163.12.凸轮轴位置传感器164.传统的不一定是最差的17刖百位置传感器(position sensor

2、),能感受被测物的位置并转换成可用输出信号的传感器。它能感受被测物的位置并转换成可用输出信号的传感器。位置传感器用来测量机器人自身位置的传感器。位置传感器可分为两种，接触式传感器和接近式传感器。位置传感器作为万物互联下的重要传感器件之一，可将被测物体的位置转换为输出信号，给到准确的线性位置、旋转和角度位置信息。然而，在复杂的工业场景中，任何一个传感器的选取都不能马虎，位置传感器也不例外。1 .接触式传感器接触式传感器的触头由两个物体接触挤压而动作，常见的有行程开关、二维矩阵式位置传感器等。行程开关结构简单、动作可靠、价格低廉。当某个物体在运动过程中，碰到行程开关时，其内部触头会动作，从而完成控

3、制，如在加工中心的X、Y、Z轴方向两端分别装有行程开关，则可以控制移动范围。二维矩阵式位置传感器安装于机械手掌内侧，用于检测自身与某个物体的接触位置。2 .接近式传感器接近开关是指当物体与其接近到设定距离时就可以发出“动作”信号的开关，它无需和物体直接接触。接近开关有很多种类，主要有电磁式、光电式、差动变压器式、电涡流式、电容式、干簧管、霍尔式等。接近开关在数控机床上的应用主要是刀架选刀控制、工作台行程控制、油缸及汽缸活塞行程控制等。3 .应用3.1. 直流无刷电机位置传感器是组成无刷直流电动机系统的三大部分之一，也是区别于有刷直流电动机的主要标志。其作用是检测主转子在运动过程中的位置，将转子

4、磁钢磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，以控制它们的导通与截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。直流无刷电机需要位置传感器来测量转子的位置，电机控制器通过接受位置传感器信号来让逆变器换相与转子同步来驱动电机持续运转。尽管直流无刷电机也可以通过定子绕组产生的反感生电动势来检测转子的位置，而省去位置传感器，但是电机启动时，转速太小，反感生电动势信号太小而无法检测。可以用作直流无刷电机位置传感器的霍尔传感器芯片分为开关型和锁定型两种。对于电动自行车电机，这两种霍尔传感器芯片都可以用来精确测量转子磁

5、钢的位置。用这两种霍尔传感器芯片制作的直流无刷电机的性能，包括电机的输出功率、效率和转矩等没有任何差别，并可以兼容相同的电机控制器。位置传感器的应用，降低电机运行的噪音、提高电机的寿命与性能，同时达到降低耗能的效果。位置传感器的应用无疑给电机市场的发展提供了强大的推动力。3. 2.曲轴与凸轮轴曲轴位置传感器(Crankshaft Position Sensor, CPS)乂称为发动机转速与曲轴转角传感器，其功用是采集曲轴转动角度和发动机转速信号，并输入电子控制单元(ECu),以便确定点火时刻和喷油时刻。凸轮轴位置传感器(Camshaft Position Sensor, CPS)乂称为气缸识别

6、传感器(Cylinder Identification Sensor, CIS),为了区别于曲轴位置传感器(CPS),凸轮轴位置传感器一般都用CIS表示。凸轮轴位置传感器的功用是采集配气凸轮轴的位置信号，并输入ECU,以便ECU识别气缸1压缩上止点，从而进行顺序喷油控制、点火时刻控制和爆燃控制。此外，凸轮轴位置信号还用于发动机起动时识别出第一次点火时刻。因为凸轮轴位置传感器能够识别哪一个气缸活塞即将到达上止点，所以称为气缸识别传感器。3. 3.光电式曲轴与凸轮轴位置传感器(1)结构特点日产公司生产的光电式曲轴与凸轮轴位置传感器是由分电器改进而成的，主要由信号盘(即信号转子)、信号发生器、配电器

7、、传感器壳体和线束插头等组成。信号盘是传感器的信号转子，压装在传感器轴上，如图2.22所示。在靠近信号盘的边缘位置制作有均匀间隔弧度的内、外两圈透光孔。其中，外圈制作有360个透光孔(缝隙)，间隔弧度为1。(透光孔占0.5。，遮光孔占0. 5。),用于产生曲轴转角与转速信号；内圈制作有6个透光孔(长方形孑L),间隔弧度为60。，用于产生各个气缸的上止点信号，其中有一个长方形的宽边稍长，用于产生气缸1的上止点信号。信号发生器固定在传感器壳体上，它由Ne信号(转速与转角信号)发生器、G信号(上止点信号)发生器以及信号处理电路组成。Ne信号与G信号发生器均由一个发光二极管(LED)和一个光敏晶体管(

8、或光敏二极管)组成，两个LED分别正对着两个光敏晶体管。(2)工作原理光电式传感器的工作原理如图2-22所示。信号盘安装在发光二极管(LED)与光敏晶体管(或光敏二极管)之间。当信号盘上的透光孔旋转到LED与光敏晶体管之间时，LED发出的光线就会照射到光敏晶体管上，此时光敏晶体管导通，其集电极输出低电平(0.1O.3V)；当信号盘上的遮光部分旋转到LED与光敏晶体管之间时，LED发出的光线就不能照射到光敏晶体管上，此时光敏晶体管截止，其集电极输出高电平(4.85. 2V)O如果信号盘连续旋转，透光孔和遮光部分就会交替地转过LED而透光或遮光，光敏晶体管集电极就会交替地输出高电平和低电平。当传感

9、器轴随曲轴和配气凸轮轴转动时; 信号盘上的透光孔和遮光部分便从LED与光敏晶体管之间转过，LED发出的光线受信号盘透光和遮光作用就会交替照射到信号发生器的光敏晶体管上，信号传感器中就会产生与曲轴位置和凸轮轴位置对应的脉冲信号。由于曲轴旋转两转，传感器轴带动信号盘旋转一圈，因此，G信号传感器将产生6个脉冲信号。Ne信号传感器将产生360个脉冲信号。因为G信号透光孔间隔弧度为60。，曲轴每旋转120。就产生一个脉冲信号，所以通常G信号称为120。信号。设计安装保证120。信号在上止点前70。(BTDC70o 时产生，且长方形宽边稍长的透光孔产生的信号对应于发动机气缸1上止点前70o ,以便ECU控

10、制喷油提前角与点火提前角。因为Ne信号透光孔间隔弧度为1。(透光孔占0.5o ,遮光孔占0. 5o ),所以在每一个脉冲周期中，高、低电平各占1。曲轴转角，360个信号表示曲轴旋转720。曲轴每旋转120o , G信号传感器产生一个信号，Ne信号传感器产生60个信号。3. 4.磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器磁感应式传感器的工作原理如图2-23所示，磁力线穿过的路径为永久磁铁N极一定子与转子间的气隙一转子凸齿一转子凸齿与定子磁头间的气隙一磁头一导磁板一永久磁铁S极。当信号转子旋转时，磁路中的气隙就会周期性地发生变化，磁路的磁阻和穿过信号线圈磁头的磁通量随之发生周期性变化。根据电磁感应原理，传感线

11、圈中就会感应产生交变电动势。当信号转子按顺时针方向旋转时，转子凸齿与磁头间的气隙减小，磁路磁阻减小，磁通量力增多，磁通变化率增大（d（l）/dt0）,感应电动势E为正（E0,如图224中曲线abc所示。当转子凸齿接近磁头边缘时，磁通量6急剧增多，磁通变化率最大dd）/dt=（d6/dt）max,感应电动势E最高（E二Emax）,如图2.24中曲线b点所示。转子转过b点位置后，虽然磁通量力仍在增多，但磁通变化率减小，因此感应电动势E降低。当转子旋转到凸齿的中心线与磁头的中心线对齐时（见图2-24b）,虽然转子凸齿与磁头间的气隙最小，磁路的磁阻最小，磁通量”最大，但是由于磁通量不可能继续增加，磁通

12、变化率为零，因此感应电动势E为零，如图2.24中曲线c点所示。当转子沿顺时针方向继续旋转，凸齿离开磁头时（见图223c）,凸齿与磁头间的气隙增大，磁路磁阻增大，磁通量”减少（d6/dt0）,所以感应电动势E为负值，如图2.24中曲线cda所示。当凸齿转到将要离开磁头边缘时，磁通量”急剧减少，磁通变化率达到负向最大值dd）/df=（dd）/dt）max,感应电动势E也达到负向最大值（E二.Emax）,如图2-24中曲线上d点所示。由此可见，信号转子每转过一个凸齿，传感线圈中就会产生一个周期性交变电动势，即电动势出现一次最大值和一次最小值，传感线圈也就相应地输出一个交变电压信号。磁感应式传感器的突

13、出优点是不需要外加电源，永久磁铁起着将机械能变换为电能的作用，其磁能不会损失。当发动机转速变化时，转子凸齿转动的速度将发生变化，铁心中的磁通变化率也将随之发生变化。转速越高，磁通变化率就越大，传感线圈中的感应电动势也就越高。转速不同时，磁通和感应电动势的变化情况如图2-24所示。由于转子凸齿与磁头间的气隙直接影响磁路的磁阻和传感线圈输出电压的高低，因此在使用中，转子凸齿与磁头间的气隙不能随意变动。气隙如有变化，必须按规定进行调整，气隙一般设计在0.2-0. 4mm范围内。3. 5.捷达、 桑塔纳轿车磁感应式曲轴位置传感器1）曲轴位置传感器结构特点：捷达AT和GTX、桑塔纳2000GSi型轿车的

14、磁感应式曲轴位置传感器安装在曲轴箱内靠近离合器一侧的缸体上，主要由信号发生器和信号转子组成，如图225所示。信号发生器用螺钉固定在发动机缸体上，由永久磁铁、传感线圈和线束插头组成。传感线圈又称为信号线圈，永久磁铁上带有一个磁头，磁头正对安装在曲轴上的齿盘式信号转子，磁头与磁物（导磁板）连接而构成导磁回路。信号转子为齿盘式，在其圆周上均匀间隔地制作有58个凸齿、57个小齿缺和一个大齿缺。大齿缺输出基准信号，对应发动机气缸1或气缸4压缩上止点前一定角度。所以信号转子圆周上的凸齿和齿缺所占的曲轴转角为360o2）曲轴位置传感器工作情况：当曲轴位置传感器随曲轴旋转时，由磁感应式传感器工作原理可知，信号

15、转子每转过一个凸齿，传感线圈中就会产生一个周期性交变电动势（即电动势出现一次最大值和一次最小值），线圈相应地输出一个交变电压信号。因为信号转子上设有一个产生基准信号的大齿缺，所以当大齿缺转过磁头时，信号电压所占的时间较长，即输出信号为一宽脉冲信号，该信号对应于气缸1或气缸4压缩上止点前一定角度。电子控制单元（ECU）接收到宽脉冲信号时，便可知道气缸1或气缸4上止点位置即将到来，至于即将到来的是气缸1还是气缸4,则需根据凸轮轴位置传感器输入的信号来确定。由于信号转子上有58个凸齿，因此信号转子每转一圈（发动机曲轴转一圈），传感线圈就会产生58个交变电压信号输入电子控制单元。每当信号转子随发动机曲轴转动一圈，传感线圈就会向电子控制单元（ECU）输入58个脉冲信号。因此，ECU每接收到曲轴位置传感器58个信号，就可知道发动机曲轴旋转了一圈。如果在lmin内ECU接收到曲轴位置传感器116000个信号，ECU便可计算出曲轴转速n为2000（n=116000/58=2000）r/rain