Бесконтактные датчики положения

Известно несколько типов бесконтактных датчиков: магнито­электрические, на эффекте Холла, высокочастотные, оптоэлектронные, токовихревые, на эффекте Виганда, фотоэлектрические.

Магнитоэлектрический датчик преобразует изменение угла по­ворота Да коленчатого вала в изменение магнитного потока АФ, ко­торое в свою очередь преобразуется в напряжение U.

Наиболее распространенным типом магнитоэлектрического датчика является генераторный датчик коммутаторного типа с пульсирующим потоком (т.е. потоком, изменяющимся по своему значению, но по­стоянным по направлению). Схема датчика представлена на рис.3.14.

При вращении зубчатого ротора 4 изменяется магнитное сопротив­ление магнитной цепи, а следовательно, изменяется значение маг­нитного потока Ф (рис. 3.15). В обмотке индуцируется напряжение:

где k - коэффициент, зависящий от характеристик магнитной цепи; W - число витков обмотки; п - частота вращения зубчатого ротора; - изменение потока Ф при изменении угла поворота на dα.

Рис. 3.14. Схема магнитоэлектрического датчика с пульсирующим магнитным потоком

Рис. 3.15. Зависимости магнитного потока Ф и напряжения обмотки U_B от угла поворота а распределителя потока

Из приведенной формулы видно, что выходное напряжение датчика зависит от частоты вращения. Одно и то же ненулевое напряжение при разных частотах вращения будет соответствовать разным углам поворота коленчатого вала (рис. 3.16). Частота вращения практически не влияет на выходное напряжение при его нулевом значении (точка 0 на рис. 3.16). Поэтому для получения момента зажигания выбирают допустимо низкое значение выходного напряжения между точками а и Ь. При этом должна обеспечиваться нечувствительность системы зажигания к помехам и надежное срабатывание системы в период пуска двигателя. Распределитель потока, или зубчатый ротор, устанавливается на распределительный валик распределителя зажигания. Число зубцов зависит от числа цилиндров двигателя.

Рассмотренный магнитоэлектрический датчик чувствителен к из­менению зазора, происходящему из-за конструктивных допусков, вибраций. Это приводит к неправильному искрообразованию. На практике применяется симметричная магнитная система, где чис­ло ветвей магнитной цепи увеличено (рис.3.17). В такой системе уменьшение одного зазора из-за вибрации сопровождается увеличе­нием другого зазора. Поэтому магнитный поток, а следовательно, и момент зажигания будут зависеть только от углового положения распределителя потока.

Рис. 3:16. Зависимости напряжения обмотки U_вых от угла поворота а распределителя потока при различной частоте его вращения п

Рис. 3.17. Схема магнитоэлектрического датчика с симметричной магнитной системой: 1 - магнитная цепь (статор с постоянным магнитом); 2 — обмотка; 3 - распределитель потока

Другой тип магнитоэлектрических датчиков - датчики с пере­менным (по направлению) потоком, или датчики с вращающимся магнитным потоком (рис. 3.18, а). В этих датчиках зубчатый ро­тор представляет собой постоянный магнит, зубцами которого яв­ляются чередующиеся северные и южные магнитные полюсы. Число пар полюсов равно числу цилиндров двигателя. Такие датчики на­зываются датчиками с вращающимися магнитами. Выходное напря­жение датчика (рис. 3.18, б) находится в сильной зависимости от частоты вращения магнита. В зоне низких частот вращения необхо­дима корректировка момента зажигания.

Рис. 3.18. Магнитоэлектрический датчик с переменным потоком:

а - схема датчика: 1 — статор; 2 — обмотка; 3 - магнит;

б ~ зависимости магнитного потока и выходного напряжения

от угла поворота магнитного ротора

Датчик на эффекте Холла. Эффект Холла наблюдается в тонкой полупроводниковой пластине с четырьмя электродами (рис.3.19).

Рис. 3.19. Элемент Холла

Если через такую пластину проходит ток I и на нее одновре­менно действует магнитное поле с вектором магнитной индукции, перпендикулярным плоскости пластины, то на параллельных на­правлению тока гранях возникает ЭДС Холла:

где k_x - постоянная Холла, зависящая от материала пластины; d - толщина пластины.

Так как ЭДС Холла очень мала, зависит от значения тока и тем­пературы, то в датчик Холла, кроме элемента Холла, добавляется преобразовательная схема. В нее входят усилитель, пороговый элемент, выходной каскад (транзистор), стабилизатор напряжения. Для устранения влияния радиоэлектрических помех элемент Холла и преобразовательная схема выполняются в виде единой интеграль­ной схемы, называемой магнитоуправляемой интегральной схемой. Эту схему конструктивно жестко соединяют с магнитной системой (магнитом). В результате получается микропереключатель на эф­фекте Холла (рис. 3.20). Данный переключатель устанавливается в традиционный распределитель.

Рис. 3.20. Схема микропереключателя на эффекте Холла: 1 - магнит; 2 - ротор; 3 — валик распределителя; 4 - экран;5 — корпус микропереключателя; 6 — магнитоуправляемая интегральная схема

Ротор 2 переключателя изготовлен из магнитопроводящего мате­риала. Он имеет экраны, число которых равно числу цилиндров. При прохождении экранов через зазор между магнитоуправляемой интегральной схемой 6 и магнитом 1 происходит периодическое ос­лабление/усиление магнитного потока. На выходе датчика фор­мируется напряжение прямоугольной формы, задающее момент зажигания.