汽車電位器淺析

1 發動機進氣節流閥位置傳感電位器

眾所周知，汽車的發動機是典型的內燃引擎，它依靠燃燒汽油與空氣的混合汽，使體積膨脹，推動氣缸運動，得到動力。因此燃油與空氣的混合比是動力效率的重要因素，空氣的比例過大，動力不足；空氣的比例太小，燃油燃燒不完全，不僅浪費燃料，而且會造成空氣污染。

隨著電子技術的進步，用微處理機分析、控制油/氣混合比的電子控制燃油噴射技術在騎車中廣泛使用，這樣就需要對空氣濾清器提供給引擎的空氣流量進行采樣，而空氣進入引擎的控制閥一般稱為節流閥，將節流閥的位置用電位器轉換成相應的電壓信號，再由模/數轉換器翻譯成為數字信號提供給微處理器，電子系統就知道了空氣的流量，再經過運算，向油泵發出合理的指令，油泵以合理的轉速向引擎提供壓力合適的燃油。所以，節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是美國明尼蘇達州的福特汽車公司于1992年5月開發的汽車內燃機進氣節流閥位置傳感器。

圖1 福特節流閥位置傳感電位器

它的轉軸與節流閥軸相連，轉軸帶動內軸，內軸的四方頭帶動旋轉臂，安裝在旋轉臂上的動電刷將滑動，并隨電刷的運動電接觸在電阻軌道的不同位置上。當兩側引出端接恒定的電壓時，中間引出端將輸出變化電壓。

這個位置傳感器的特別之處是電阻軌道是可旋轉的。在工作中，轉軸帶動了旋轉臂，而旋轉臂除帶動電刷旋轉外，同時還要帶動驅動刺爪。驅動刺爪沿單方向推動電阻軌道順時針旋轉，而且驅動的角度與轉軸的動作相同。這樣做有什么好處呢？試想，每動作一次，電阻軌道就變換一個心的位置，所以電阻體表面的磨損被分散開來，該電位器的旋轉壽命就大大地延長了。

的確，由于節流閥位置傳感器需要不停地動作，所以對旋轉壽命的要求特別高，福特汽車公司之所以設計如此結構復雜的傳感器，也是出于這個原因。

但也不是所有的節流閥位置傳感器的結構都這樣復雜?，F代有機化學飛速地發展，產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壽命，提供了廣泛的材料選擇，使電位器設計師通過選擇適當的材料，如導電塑料，來達到優秀的旋轉壽命指標。日本的Alps Electric Co.，Ltd.于1991年8月開發的相同用途的節流閥位置傳感器就是這樣，它與傳統的電位器更為接近，見圖2。

在實際的汽車當中，應用的節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構特點，在這里顯示了它的剖面圖。請參見圖3。在工作時，操作系統帶動轉軸旋轉，轉子及電刷將一起旋轉，電刷將沿著電阻基片上的電阻體表面滑動，電阻值發生變化，同時回力彈簧被拉緊。如果操作軸的旋轉力松開，回力彈簧將使操作軸、電刷回轉到原始位置。

值得注意的是，這樣的電位器被安裝的位置會經歷相當大的溫度變化，因此在結構上要采取一些措施，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，而不致對電位器的電刷和電阻基片產生過大影響，造成位置傳感器電性能的劣化。

圖2 ALPS節流閥位置傳感電位器

2 油箱燃油液面高度傳感電位器

據日本某汽車雜志的測驗，有62%的汽車駕駛者認為，在儀表盤中被關注次數最多的是油量表?？梢娪拖淙加鸵好娓叨鹊娘@示系統的重要性。而油箱燃油液面高度的顯示系統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構如圖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，浮子漂在液體表面，且隨液面不斷升高而升高，浮子通過杠桿驅動轉子轉動，電刷向左滑動，電阻片的阻值減小，電路中的電流增大，電流的增大導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，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，在結構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境中，要求所使用的材料必須能夠經受汽油的溶解，所以，電阻基片通常采用金屬陶瓷體系。又因為，該裝置處于油箱內，微小的火花將引發巨大的事故，所以滑動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體漿料，梳狀電極再與電阻體接觸，構成一系列串聯電阻。圖5顯示的是一個具體的油箱燃油液面高度傳感電位器的電阻基片，在這個基片上可以清晰地看到梳狀電極和電阻體的圖形，同時在這個基片上還設計有“油箱將滿”和“油箱將空”的報警引出電極。

圖5 油位傳感電位器的電阻基片

為了配合數字式油量表，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，方向盤的操作更加輕便敏捷，各式各樣的方向盤操縱系統應運而生，特別是針對重型載重卡車和四輪轉向車輛。普通的汽車都是四輪轉向，轉彎半徑較大，四輪轉向汽車的后輪在轉向時也會發生偏轉，而且方向與前輪相反，這樣可減小轉彎半徑。那么，助力系統是怎樣感知駕駛員手中的方向盤轉動呢？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中，需要測量前輪的轉向角度，汽車的速度，據此中央處理器定出后輪的轉向角度。因此，在四輪操縱系統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起亞汽車公司與1998年開發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量操縱角度的絕對值，為轉向系統提供操縱信號，見圖6所示。

圖6 方向盤角度傳感電位器

該操縱傳感器適應的前車輪對于方向盤軸的操作比例是大約17.5∶1，方向盤軸旋轉角度大約±35度。其結構特點實際是一個徑向多圈電位器。電阻體為漸開線形，電刷在轉子的矩形槽中可以做徑向移動，漸開線的總角度為1080度，當方向盤轉動時，轉子帶動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，這個變化被模/數轉換器量化形成數字信號，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，而對于方向盤軸的旋轉圈數不能嚴密監視。因此，若方向盤軸旋轉圈數的絕對值不能忽視時，電位器型操縱傳感器就顯得很重要了。

4 結論