一種新型汽車節氣門角度傳感器設計*

陳科球，謝偉廣

（暨南大學物理系思源實驗室，廣東廣州 510632）

0 引言

節氣門是控制空氣進入發動機的一道可控閥門，氣體進入進氣管后會和汽油混合成可燃混合氣，從而燃燒做功。它上接空氣濾清器，下接發動機缸體，被稱為汽車發動機的咽喉［1］。現行的汽車節氣門角度傳感器大部分采用三線碳膜接觸式結構，通過觸點在環形碳膜上滑動來改變電阻值，時間久了將產生滑片電阻值不準確、可動觸點（觸臂）與滑片電阻接觸不良等安全隱患［2］。

本文提出了采用MLX90316設計節氣門角度傳感器，從原有的電位計式發展到應用霍爾線性元件測量磁體位置，而非接觸式測量比電位計式可靠性高，精確度高，耐久性好，比光電式測量成本低，也更能適應車體惡劣的工作環境，并得到大量的推廣與應用。

1 MLX90316芯片介紹

Melexis公司的 MLX90316芯片是一種線性霍爾元件［3］，可輸出與芯片表面平行磁場的角度位置信息，該元件采用三軸霍爾技術，在芯片上方放置一個圓盤形磁集中器（IMC），將平行作用于芯片表面的磁場集中起來，并在IMC結構的邊緣產生正比于磁場的垂直分量，通過2對位于IMC下方的相互垂直的平面霍爾元件檢測平行于芯片表面的磁通密度［4］。2對霍爾元件的放置方向相互垂直，并都平行于芯片表面（X和Y方向），這樣2對霍爾元件輸出的正比于磁場強度的信號（Vx和Vy）可以將實際角度編碼為2個相位差為90°的正弦信號，Vx和Vy經多路復用器選通放大、A/D轉換為數字信號。芯片內置的16位數字信號處理（DSP）對這2路信號進行采樣和處理，最后的輸出信號可以在0～5 V模擬方式、脈寬調變（PWM）模式以及串口通信方式（SPI）中選擇，輸出曲線是完全可以編程的（例如:偏移值、增益、鉗位電平等參數都可編程）。

2 MLX90316汽車節氣門傳感器檢測系統硬件設計

本文選用MLX90316芯片設計了汽車節氣門角度傳感器，替代現在的碳膜結構，檢測原理如圖1所示。在芯片上方放置的圓盤形永磁鐵與節氣門機械部件連接，當節氣門開合動作時，產生變化的磁場，被MLX90316表面的IMC收集，并在其邊緣產生正比于磁場的垂直分量，由霍爾元件檢測。為實驗方便，采用步進電機驅動圓盤形永磁鐵，替代節氣門的開合動作，節氣門角度傳感器檢測系統與控制電路的框圖如圖2，系統檢測與控制圖如圖3。為了驗證其可行性，使用精密角度傳感器測試儀［5］，利用計算機并口來控制步進電機（步距為0.36°）帶動傳感器的轉軸轉動，即永磁鐵在水平方向上的方位角每步改變0.36°，加在霍爾芯片上的外磁場發生變化，通過霍爾效應，使傳感器的輸出電壓發生改變。傳感器的輸出信號送入A/D轉換器ADS774JP［6］，ADS774JP在并口的控制下對傳感器的輸出電壓進行轉換，轉換結果通過并口讀入PC。

圖1 霍爾傳感器檢測原理Fig 1 Detecting principle diagram of Hall sensor

圖2 系統結構框圖Fig 2 Block diagram of system structure

圖3 系統檢測與控制圖Fig 3 Diagram of system testing and control

3 實驗結果與分析

節氣門位置傳感器是一種三線傳感器。其中一線從電腦的傳感器電源引來的5 V電壓對傳感器電阻材料供電，另一線連接電阻材料的另一端為傳感器提供接地，第三根線連至傳感器的可動觸點，提供信號輸出至電腦。電阻材料上每點的電壓，由可動觸點探測，并與節氣門角度呈正比，其輸出特性如圖4。為了驗證傳感器，分別對獨立線性度、重復性、一致性等做了測量。

圖4 節氣門傳感器輸出特性Fig 4 Output characteristics of throttle sensor

3.1 傳感器的獨立線性度

圖5 MLX90316芯片輸出電壓與轉角的關系Fig 5 Relationship between output voltage of MLX90316 chip and rotating angle

3.2 重復性測試

重復性是傳感器的另一個重要靜態特性，通過對同一角度傳感器的重復測量，來檢測其重復性。同一傳感器重復測試12次，每次測量步進電機旋轉2周，即720°，轉速為150 r/s。其結果如圖6，根據重復性相對標準偏差（RSD）=標準偏差/平均值，得出RSD=2%，滿足實際應用要求。

3.3 一致性測試

一致性也稱為互換性，通過對同批次角度傳感器的測量，可以看出傳感器的一致性。轉角范圍為50°，分別測量6只同批次的傳感器，測量時步進電機旋轉2周，即720°，轉速為150 r/s。其測量結果如圖7，參照重復性的測試公式，得出此批傳感器的一致性約2%，滿足實際應用。

圖6 多次測量的獨立線性度Fig 6 Independent linearity of multiple metering

圖7 不同傳感器的獨立線性度測試Fig 7 Test of independent linearity of different sensors

4 結論

目前，汽車節氣門角度傳感器基本都是基于三線碳膜滑動電阻器式設計，存在磨損大，接觸不良等缺點，本文設計了基于MLX90316非接觸式節氣門角度傳感器，并研制了相應的測試系統，從檢測結果來看，傳感器的獨立線性度小于1.1%，重復性保持在2%，一致性約為2%，滿足汽車實際應用，可以替代碳膜滑動變阻器結構，具有很大的應用前景。

［1］李 浩，徐衍亮.電動汽車方向盤絕對角位置傳感器的研究［J］.傳感器與微系統，2011，30（3）:32-34.

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［5］徐文濤，黃釗洪.基于計算機并口的磁敏無接觸式角度傳感器測試系統［J］.傳感器世界，2008（4）:49-52.

［6］周 征.12位A/D轉換器ADS774JP及其在高精度檢測中的應用［J］.國外電子元器件，2003（4）:35-37.

［7］何培杰，陳翠英，王多輝.傳感器獨立線性度的研究［J］.傳感器技術，1999，18（6）:26-27.

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