汽车电位器浅析

1 发动机进气节流阀位置传感电位器

众所周知，汽车的发动机是典型的内燃引擎，它依靠燃烧汽油与空气的混合汽，使体积膨胀，推动气缸运动，得到动力。因此燃油与空气的混合比是动力效率的重要因素，空气的比例过大，动力不足；空气的比例太小，燃油燃烧不完全，不仅浪费燃料，而且会造成空气污染。

随着电子技术的进步，用微处理机分析、控制油/气混合比的电子控制燃油喷射技术在骑车中广泛使用，这样就需要对空气滤清器提供给引擎的空气流量进行采样，而空气进入引擎的控制阀一般称为节流阀，将节流阀的位置用电位器转换成相应的电压信号，再由模/数转换器翻译成为数字信号提供给微处理器，电子系统就知道了空气的流量，再经过运算，向油泵发出合理的指令，油泵以合理的转速向引擎提供压力合适的燃油。所以，节流阀位置传感器就成为汽车电位器中的常用而重要的成员。

图1是美国明尼苏达州的福特汽车公司于1992年5月开发的汽车内燃机进气节流阀位置传感器。

图1 福特节流阀位置传感电位器

它的转轴与节流阀轴相连，转轴带动内轴，内轴的四方头带动旋转臂，安装在旋转臂上的动电刷将滑动，并随电刷的运动电接触在电阻轨道的不同位置上。当两侧引出端接恒定的电压时，中间引出端将输出变化电压。

这个位置传感器的特别之处是电阻轨道是可旋转的。在工作中，转轴带动了旋转臂，而旋转臂除带动电刷旋转外，同时还要带动驱动刺爪。驱动刺爪沿单方向推动电阻轨道顺时针旋转，而且驱动的角度与转轴的动作相同。这样做有什么好处呢？试想，每动作一次，电阻轨道就变换一个心的位置，所以电阻体表面的磨损被分散开来，该电位器的旋转寿命就大大地延长了。

的确，由于节流阀位置传感器需要不停地动作，所以对旋转寿命的要求特别高，福特汽车公司之所以设计如此结构复杂的传感器，也是出于这个原因。

但也不是所有的节流阀位置传感器的结构都这样复杂。现代有机化学飞速地发展，产生出众多的聚合物如树脂及树脂助剂。为提高电位器的旋转寿命，提供了广泛的材料选择，使电位器设计师通过选择适当的材料，如导电塑料，来达到优秀的旋转寿命指标。日本的Alps Electric Co.，Ltd.于1991年8月开发的相同用途的节流阀位置传感器就是这样，它与传统的电位器更为接近，见图2。

在实际的汽车当中，应用的节流阀位置传感器也大都类似这种形式。

为了方便地讲解它的结构特点，在这里显示了它的剖面图。请参见图3。在工作时，操作系统带动转轴旋转，转子及电刷将一起旋转，电刷将沿着电阻基片上的电阻体表面滑动，电阻值发生变化，同时回力弹簧被拉紧。如果操作轴的旋转力松开，回力弹簧将使操作轴、电刷回转到原始位置。

值得注意的是，这样的电位器被安装的位置会经历相当大的温度变化，因此在结构上要采取一些措施，如波浪形的弹簧垫圈，电阻基片的引出端头被制造成弓形弯曲。这样，由于温度变化引起可能的膨胀和收缩可被有效地吸收，而不致对电位器的电刷和电阻基片产生过大影响，造成位置传感器电性能的劣化。

图2 ALPS节流阀位置传感电位器

2 油箱燃油液面高度传感电位器

据日本某汽车杂志的测验，有62%的汽车驾驶者认为，在仪表盘中被关注次数最多的是油量表。可见油箱燃油液面高度的显示系统的重要性。而油箱燃油液面高度的显示系统的重要组成部分就是油箱燃油液面高度传感电位器。油箱燃油液面高度传感电位器的典型结构如图4所示。

图3  ALPS传感电位器的剖面图

图4 油箱燃油液面高度传感电位器

其典型工作原理是：如果向油箱中注入燃油时，浮子漂在液体表面，且随液面不断升高而升高，浮子通过杠杆驱动转子转动，电刷向左滑动，电阻片的阻值减小，电路中的电流增大，电流的增大导致仪表盘上的油量表的指针摆幅增大，使驾驶员得知油箱内的情况。如果在驾驶中，燃油不断被消耗，浮子随液面的下降逐渐下降，电刷向右移动，电阻片的阻值逐渐增大，电路中的电流逐渐变小，仪表盘上的油量表的指针逐渐向零位靠拢。

作为油箱燃油液面高度传感电位器，在结构和材料上都有很多特殊之处，特别是电阻基片。首先，该电位器一直处于汽油蒸汽的环境中，要求所使用的材料必须能够经受汽油的溶解，所以，电阻基片通常采用金属陶瓷体系。又因为，该装置处于油箱内，微小的火花将引发巨大的事故，所以滑动电刷不是接触在电阻提表面上，而是接触在梳状电极上，为了达到必要的耐磨性，作为梳状电极的材料通常采用高含钯的导体浆料，梳状电极再与电阻体接触，构成一系列串联电阻。图5显示的是一个具体的油箱燃油液面高度传感电位器的电阻基片，在这个基片上可以清晰地看到梳状电极和电阻体的图形，同时在这个基片上还设计有“油箱将满”和“油箱将空”的报警引出电极。

图5 油位传感电位器的电阻基片

为了配合数字式油量表，也有电压变化型油箱燃油液面高度传感电位器，基本原理相同。

3 方向盘角度传感电位器

为了使汽车在驾驶时，方向盘的操作更加轻便敏捷，各式各样的方向盘操纵系统应运而生，特别是针对重型载重卡车和四轮转向车辆。普通的汽车都是四轮转向，转弯半径较大，四轮转向汽车的后轮在转向时也会发生偏转，而且方向与前轮相反，这样可减小转弯半径。那么，助力系统是怎样感知驾驶员手中的方向盘转动呢？答案是使用方向盘角度传感电位器。

通常在汽车的四轮操纵系统中，需要测量前轮的转向角度，汽车的速度，据此中央处理器定出后轮的转向角度。因此，在四轮操纵系统中前轮的操纵传感器是非常重要的元件。

这里例举的是由韩国起亚汽车公司与1998年开发的方向盘角度传感电位器，电位器型操纵传感器安装在方向盘的操纵轴上，并利用电阻变化特性测量操纵角度的绝对值，为转向系统提供操纵信号，见图6所示。

图6 方向盘角度传感电位器

该操纵传感器适应的前车轮对于方向盘轴的操作比例是大约17.5∶1，方向盘轴旋转角度大约±35度。其结构特点实际是一个径向多圈电位器。电阻体为渐开线形，电刷在转子的矩形槽中可以做径向移动，渐开线的总角度为1080度，当方向盘转动时，转子带动电刷接触在电阻体的不同位置，电阻值的变化引起电压的变化，这个变化被模/数转换器量化形成数字信号，再馈入CPU，完成传感工作。

近几年，虽然使用编译码器型的操纵传感器测量前轮的操纵角度，但编译码器传感器仅能显示前车轮角度的变化状态，而对于方向盘轴的旋转圈数不能严密监视。因此，若方向盘轴旋转圈数的绝对值不能忽视时，电位器型操纵传感器就显得很重要了。

4 结论