采用霍爾效應傳感器實(shí)現燃油液位監測

簡(jiǎn)介

所有汽車(chē)都使用燃油液位傳感器 (FLS) 來(lái)指示燃油液面位置。但不同廠(chǎng)商往往使用各種不同方法來(lái)測量燃油液位水平，如電阻膜、分立電阻、電容和超聲波等方式。其中最常用的是基于電阻的傳感器，這些傳感器通過(guò)機械方式連接到浮子上，浮子可隨燃油液位上升或下降，隨著(zhù)浮子的移動(dòng)，傳感器的電阻也發(fā)生變化。所使用的傳感器是燃油表顯示電路中電流平衡電路的一部分，通常由用于驅動(dòng)顯示針的線(xiàn)圈組成。當燃油傳感器的電阻變化時(shí)，指針的位置與線(xiàn)圈電流成比例變化。圖1顯示了典型的基于電阻的燃油液位傳感器工作原理。

基于電阻接觸傳感器的缺點(diǎn)是，由于傳感器元件內部的滑動(dòng)接觸導致傳感器容易出現磨損和破裂，磨損會(huì )導致傳感器壽命縮短。 

鑒于電阻接觸傳感器的缺點(diǎn)，本文介紹使用霍爾傳感器 IC 進(jìn)行燃油液位非接觸感測的方法。

圖1 典型的燃油液位檢測裝置工作原理圖

非接觸霍爾傳感器 FLS

霍爾傳感器通常依靠感測通過(guò) IC 的磁場(chǎng)而進(jìn)行監測。對于燃油傳感應用，必須安裝徑向磁體，使其旋轉運動(dòng)與浮子運動(dòng)成正比。此外，傳感器需要安裝在靠近磁鐵的地方。與其他非接觸式傳感器技術(shù)相比，采用這種方法更簡(jiǎn)單。磁鐵可以密封，以防止在燃油內部退化。即使燃油被污染，傳感器工作也不會(huì )受到影響。

圖 2：均勻燃油箱和特性。

用于燃油液位感測的霍爾效應傳感器選項

Allegro能夠為燃油液位感測應用提供各種選項以滿(mǎn)足客戶(hù)對精度、線(xiàn)性、輸出接口和成本等方面的具體要求。

1.    線(xiàn)性霍爾效應傳感器
線(xiàn)性霍爾效應傳感器具有與絕對磁場(chǎng)成比例的輸出信號，輸出電壓隨磁場(chǎng)而變化。

A.   PWM 輸出： PWM 輸出具有更好的抗干擾性等優(yōu)點(diǎn)。這些類(lèi)型的傳感器適用于基于交叉線(xiàn)圈（cross-coil）的組合。

B.   模擬電壓： 在數字式組合中，通常使用微控制器來(lái)連接 LCD 和傳感器輸出。來(lái)自傳感器的模擬輸入電壓作為微控制器的 ADC 輸入。這些 IC 采用3.3V或5V電源供電，并與電源成比例。

兩點(diǎn)編程可提供磁鐵和氣隙變化的補償。Allegro 還提供多點(diǎn)編程以適應不規則箱體幾何形狀。

2.   角度霍爾效應傳感器
角度傳感器依靠磁場(chǎng)絕對角度而得到測量值。這消除了磁體和氣隙變化造成的誤差。

A. PWM 輸出：PWM 輸出IC具有很多優(yōu)勢，比如更好的抗干擾能力，并可以直接連接車(chē)載電池。

B. 模擬電壓：傳感器IC 提供與角度成比例的模擬輸出電壓。

圖3 非均勻燃油箱和特性

燃油箱結構

燃油箱結構因汽車(chē)型號而異。一些具有規則幾何形狀的燃油箱會(huì )導致線(xiàn)性體積浮動(dòng)角度。對于這樣的燃油箱，只需兩點(diǎn)編程就已經(jīng)足夠。圖2是規則型燃油箱及其特性的示例。

 然而，大部分油箱在體積與浮動(dòng)角度方面是不均勻的。圖 3 是典型不規則油箱及其特性。對于這些類(lèi)型的燃油箱，輸出信號線(xiàn)性化需要 IC 多點(diǎn)編程。

圖4 用于燃油液位感測的典型交叉線(xiàn)圈組件

用于模擬 FLS（采用線(xiàn)圈組合）的線(xiàn)性 PWM 霍爾傳感器

如圖4所示，這是低成本應用中最常見(jiàn)的液位感測系統（FSU），其中顯示了交叉線(xiàn)圈的布置。線(xiàn)圈的一端直接連接電池，另一端通過(guò)串聯(lián)傳感器連接電池。當兩個(gè)線(xiàn)圈中的電流相同時(shí)，線(xiàn)圈復位到正常位置。當傳感器電流變化時(shí)，針偏離正常位置。這種安排可以消除電池電壓的變化。由于熱效應，傳感器電流與指針角度不是線(xiàn)性關(guān)系。

 A1356 能夠 以最少的元件提供系統級比例（輸出根據電源電壓進(jìn)行調整）輸出解決方案。A1356 還具有內部反向電池保護。該IC可提供兩點(diǎn)磁場(chǎng)編程來(lái)調整偏移和靈敏度。這可以允許4～18 V來(lái)補償磁體、線(xiàn)圈和制造氣隙公差。

圖 5 是基于 A1356 的 FSU 應用電路。

圖5 將 A1356的PWM輸出轉換為電流的電路

測試結果

圖6 顯示了相對于浮子角度的線(xiàn)性線(xiàn)圈電流。線(xiàn)圈電流隨電源電壓而變化，由于自熱效應，線(xiàn)圈電流本質(zhì)上是非線(xiàn)性的。

圖6 浮子角度與線(xiàn)圈電流關(guān)系

用于數字 FLS（帶微控制器組合）的線(xiàn)性模擬霍爾效應傳感器

 A1377 是一種可編程線(xiàn)性霍爾效應傳感器，可提供與磁場(chǎng)成比例的模擬輸出電壓。A1377 提供 4.5 至 5.5 V 輸入電源電壓的比例輸出。通過(guò) ADC 接口所用集群提供的 5 V 電源為 A1377 供電。圖7是基于線(xiàn)性模擬霍爾效應傳感器的數字 FLS。

A1377 提供兩點(diǎn)磁場(chǎng)編程來(lái)調整偏移和靈敏度。這可以實(shí)現用戶(hù)來(lái)補償磁體、線(xiàn)圈和制造氣隙公差。對于不均勻的箱體幾何形狀，需要多點(diǎn)校準以實(shí)現線(xiàn)性體積輸出。

圖7 使用 A1377 的線(xiàn)性模擬霍爾效應傳感器的數字 FLS

圖8顯示了相對于浮子角度的線(xiàn)性輸出電壓。輸出電壓在浮子角度位移50度范圍是線(xiàn)性的。

圖8 浮子角度與輸出電壓關(guān)系

圖9顯示了燃油傳感器組件中的 A1377 線(xiàn)性傳感器和磁體布置。

圖9 燃油傳感器組件的 A1377  線(xiàn)性傳感器和磁體布置

適用于數字 FLS（配有微控制器集群）的角度霍爾傳感器

由于氣隙或磁體漂移導致線(xiàn)性傳感器受影響。線(xiàn)性角度傳感器還適用于最大60度的角位移。角度傳感器提供寬角位移測量，輸出電壓與氣隙和絕對磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。A1330 是一款 360° 角度傳感器 IC，提供基于磁性圓形垂直霍爾效應 (CVH) 技術(shù)的無(wú)接觸角度位置。圖10是基于角度霍爾傳感器的數字 FLS。該應用使用徑向磁體。

可編程參數包括零點(diǎn)偏移，以提供靈活的磁體位置和用于全動(dòng)態(tài)范圍的角位移。

圖10 使用 A1330 的角度霍爾效應傳感器數字 FLS

圖11是 A1330 輸出電壓與浮子角度關(guān)系（采用 6mm×3mm 徑向磁體）。結果顯示超過(guò) 75 度位移的線(xiàn)性輸出電壓與氣隙無(wú)關(guān)。

圖11 浮子角度與輸出電壓關(guān)系

結論

基于霍爾效應的燃油液位傳感系統能夠為汽車(chē)應用提供可靠的非接觸式燃油測量。Allegro 提供適用于不同 FLS 系統的各種霍爾效應傳感器，而且所有傳感器使用簡(jiǎn)單的徑向磁體，并提供編程來(lái)實(shí)現線(xiàn)性輸出信號，同樣適用于不規則的燃油箱形狀。