1 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣節(jié)流閥位置傳感電位器

眾所周知，汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)是典型的內(nèi)燃引擎，它依靠燃燒汽油與空氣的混合汽，使體積膨脹，推動(dòng)氣缸運(yùn)動(dòng)，得到動(dòng)力。因此燃油與空氣的混合比是動(dòng)力效率的重要因素，空氣的比例過大，動(dòng)力不足；空氣的比例太小，燃油燃燒不完全，不僅浪費(fèi)燃料，而且會(huì)造成空氣污染。

隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，用微處理機(jī)分析、控制油/氣混合比的電子控制燃油噴射技術(shù)在騎車中廣泛使用，這樣就需要對(duì)空氣濾清器提供給引擎的空氣流量進(jìn)行采樣，而空氣進(jìn)入引擎的控制閥一般稱為節(jié)流閥，將節(jié)流閥的位置用電位器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，再由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器翻譯成為數(shù)字信號(hào)提供給微處理器，電子系統(tǒng)就知道了空氣的流量，再經(jīng)過運(yùn)算，向油泵發(fā)出合理的指令，油泵以合理的轉(zhuǎn)速向引擎提供壓力合適的燃油。所以，節(jié)流閥位置傳感器就成為汽車電位器中的常用而重要的成員。

圖1是美國(guó)明尼蘇達(dá)州的福特汽車公司于1992年5月開發(fā)的汽車內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣節(jié)流閥位置傳感器。

圖1 福特節(jié)流閥位置傳感電位器

它的轉(zhuǎn)軸與節(jié)流閥軸相連，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)內(nèi)軸，內(nèi)軸的四方頭帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂，安裝在旋轉(zhuǎn)臂上的動(dòng)電刷將滑動(dòng)，并隨電刷的運(yùn)動(dòng)電接觸在電阻軌道的不同位置上。當(dāng)兩側(cè)引出端接恒定的電壓時(shí)，中間引出端將輸出變化電壓。

這個(gè)位置傳感器的特別之處是電阻軌道是可旋轉(zhuǎn)的。在工作中，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)了旋轉(zhuǎn)臂，而旋轉(zhuǎn)臂除帶動(dòng)電刷旋轉(zhuǎn)外，同時(shí)還要帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)刺爪。驅(qū)動(dòng)刺爪沿單方向推動(dòng)電阻軌道順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而且驅(qū)動(dòng)的角度與轉(zhuǎn)軸的動(dòng)作相同。這樣做有什么好處呢？試想，每動(dòng)作一次，電阻軌道就變換一個(gè)心的位置，所以電阻體表面的磨損被分散開來，該電位器的旋轉(zhuǎn)壽命就大大地延長(zhǎng)了。

的確，由于節(jié)流閥位置傳感器需要不停地動(dòng)作，所以對(duì)旋轉(zhuǎn)壽命的要求特別高，福特汽車公司之所以設(shè)計(jì)如此結(jié)構(gòu)復(fù)雜的傳感器，也是出于這個(gè)原因。

但也不是所有的節(jié)流閥位置傳感器的結(jié)構(gòu)都這樣復(fù)雜?，F(xiàn)代有機(jī)化學(xué)飛速地發(fā)展，產(chǎn)生出眾多的聚合物如樹脂及樹脂助劑。為提高電位器的旋轉(zhuǎn)壽命，提供了廣泛的材料選擇，使電位器設(shè)計(jì)師通過選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，如?dǎo)電塑料，來達(dá)到優(yōu)秀的旋轉(zhuǎn)壽命指標(biāo)。日本的Alps Electric Co.，Ltd.于1991年8月開發(fā)的相同用途的節(jié)流閥位置傳感器就是這樣，它與傳統(tǒng)的電位器更為接近，見圖2。

在實(shí)際的汽車當(dāng)中，應(yīng)用的節(jié)流閥位置傳感器也大都類似這種形式。

為了方便地講解它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在這里顯示了它的剖面圖。請(qǐng)參見圖3。在工作時(shí)，操作系統(tǒng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子及電刷將一起旋轉(zhuǎn)，電刷將沿著電阻基片上的電阻體表面滑動(dòng)，電阻值發(fā)生變化，同時(shí)回力彈簧被拉緊。如果操作軸的旋轉(zhuǎn)力松開，回力彈簧將使操作軸、電刷回轉(zhuǎn)到原始位置。

值得注意的是，這樣的電位器被安裝的位置會(huì)經(jīng)歷相當(dāng)大的溫度變化，因此在結(jié)構(gòu)上要采取一些措施，如波浪形的彈簧墊圈，電阻基片的引出端頭被制造成弓形彎曲。這樣，由于溫度變化引起可能的膨脹和收縮可被有效地吸收，而不致對(duì)電位器的電刷和電阻基片產(chǎn)生過大影響，造成位置傳感器電性能的劣化。

圖2 ALPS節(jié)流閥位置傳感電位器

2 油箱燃油液面高度傳感電位器

據(jù)日本某汽車雜志的測(cè)驗(yàn)，有62%的汽車駕駛者認(rèn)為，在儀表盤中被關(guān)注次數(shù)最多的是油量表。可見油箱燃油液面高度的顯示系統(tǒng)的重要性。而油箱燃油液面高度的顯示系統(tǒng)的重要組成部分就是油箱燃油液面高度傳感電位器。油箱燃油液面高度傳感電位器的典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3  ALPS傳感電位器的剖面圖

圖4 油箱燃油液面高度傳感電位器

其典型工作原理是：如果向油箱中注入燃油時(shí)，浮子漂在液體表面，且隨液面不斷升高而升高，浮子通過杠桿驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，電刷向左滑動(dòng)，電阻片的阻值減小，電路中的電流增大，電流的增大導(dǎo)致儀表盤上的油量表的指針擺幅增大，使駕駛員得知油箱內(nèi)的情況。如果在駕駛中，燃油不斷被消耗，浮子隨液面的下降逐漸下降，電刷向右移動(dòng)，電阻片的阻值逐漸增大，電路中的電流逐漸變小，儀表盤上的油量表的指針逐漸向零位靠攏。

作為油箱燃油液面高度傳感電位器，在結(jié)構(gòu)和材料上都有很多特殊之處，特別是電阻基片。首先，該電位器一直處于汽油蒸汽的環(huán)境中，要求所使用的材料必須能夠經(jīng)受汽油的溶解，所以，電阻基片通常采用金屬陶瓷體系。又因?yàn)?，該裝置處于油箱內(nèi)，微小的火花將引發(fā)巨大的事故，所以滑動(dòng)電刷不是接觸在電阻提表面上，而是接觸在梳狀電極上，為了達(dá)到必要的耐磨性，作為梳狀電極的材料通常采用高含鈀的導(dǎo)體漿料，梳狀電極再與電阻體接觸，構(gòu)成一系列串聯(lián)電阻。圖5顯示的是一個(gè)具體的油箱燃油液面高度傳感電位器的電阻基片，在這個(gè)基片上可以清晰地看到梳狀電極和電阻體的圖形，同時(shí)在這個(gè)基片上還設(shè)計(jì)有“油箱將滿”和“油箱將空”的報(bào)警引出電極。

圖5 油位傳感電位器的電阻基片

為了配合數(shù)字式油量表，也有電壓變化型油箱燃油液面高度傳感電位器，基本原理相同。

3 方向盤角度傳感電位器

為了使汽車在駕駛時(shí)，方向盤的操作更加輕便敏捷，各式各樣的方向盤操縱系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，特別是針對(duì)重型載重卡車和四輪轉(zhuǎn)向車輛。普通的汽車都是四輪轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑較大，四輪轉(zhuǎn)向汽車的后輪在轉(zhuǎn)向時(shí)也會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而且方向與前輪相反，這樣可減小轉(zhuǎn)彎半徑。那么，助力系統(tǒng)是怎樣感知駕駛員手中的方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)呢？答案是使用方向盤角度傳感電位器。

通常在汽車的四輪操縱系統(tǒng)中，需要測(cè)量前輪的轉(zhuǎn)向角度，汽車的速度，據(jù)此中央處理器定出后輪的轉(zhuǎn)向角度。因此，在四輪操縱系統(tǒng)中前輪的操縱傳感器是非常重要的元件。

這里例舉的是由韓國(guó)起亞汽車公司與1998年開發(fā)的方向盤角度傳感電位器，電位器型操縱傳感器安裝在方向盤的操縱軸上，并利用電阻變化特性測(cè)量操縱角度的絕對(duì)值，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供操縱信號(hào)，見圖6所示。

圖6 方向盤角度傳感電位器

該操縱傳感器適應(yīng)的前車輪對(duì)于方向盤軸的操作比例是大約17.5∶1，方向盤軸旋轉(zhuǎn)角度大約±35度。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)際是一個(gè)徑向多圈電位器。電阻體為漸開線形，電刷在轉(zhuǎn)子的矩形槽中可以做徑向移動(dòng)，漸開線的總角度為1080度，當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)電刷接觸在電阻體的不同位置，電阻值的變化引起電壓的變化，這個(gè)變化被模/數(shù)轉(zhuǎn)換器量化形成數(shù)字信號(hào)，再饋入CPU，完成傳感工作。

近幾年，雖然使用編譯碼器型的操縱傳感器測(cè)量前輪的操縱角度，但編譯碼器傳感器僅能顯示前車輪角度的變化狀態(tài)，而對(duì)于方向盤軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)不能嚴(yán)密監(jiān)視。因此，若方向盤軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的絕對(duì)值不能忽視時(shí)，電位器型操縱傳感器就顯得很重要了。

4 結(jié)論