采用霍爾效應(yīng)傳感器實(shí)現(xiàn)燃油液位監(jiān)測

簡介

所有汽車都使用燃油液位傳感器 (FLS) 來指示燃油液面位置。但不同廠商往往使用各種不同方法來測量燃油液位水平，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，這些傳感器通過機(jī)械方式連接到浮子上，浮子可隨燃油液位上升或下降，隨著浮子的移動(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(qū)動(dòng)顯示針的線圈組成。當(dāng)燃油傳感器的電阻變化時(shí)，指針的位置與線圈電流成比例變化。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(nèi)部的滑動(dòng)接觸導(dǎo)致傳感器容易出現(xiàn)磨損和破裂，磨損會(huì)導(dǎo)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 IC 的磁場而進(jìn)行監(jiān)測。對于燃油傳感應(yīng)用，必須安裝徑向磁體，使其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與浮子運(yùn)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，采用這種方法更簡單。磁鐵可以密封，以防止在燃油內(nèi)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(yīng)傳感器選項(xiàng)

Allegro能夠?yàn)槿加鸵何桓袦y應(yīng)用提供各種選項(xiàng)以滿足客戶對精度、線性、輸出接口和成本等方面的具體要求。

1.    線性霍爾效應(yīng)傳感器
線性霍爾效應(yīng)傳感器具有與絕對磁場成比例的輸出信號(hào)，輸出電壓隨磁場而變化。

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

B.   模擬電壓： 在數(shù)字式組合中，通常使用微控制器來連接 LCD 和傳感器輸出。來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(bǔ)償。Allegro 還提供多點(diǎn)編程以適應(yīng)不規(guī)則箱體幾何形狀。

2.   角度霍爾效應(yīng)傳感器
角度傳感器依靠磁場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(jié)構(gòu)

燃油箱結(jié)構(gòu)因汽車型號(hào)而異。一些具有規(guī)則幾何形狀的燃油箱會(huì)導(dǎo)致線性體積浮動(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(guī)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(guī)則油箱及其特性。對于這些類型的燃油箱，輸出信號(hào)線性化需要 IC 多點(diǎn)編程。

圖4 用于燃油液位感測的典型交叉線圈組件

用于模擬 FLS（采用線圈組合）的線性 PWM 霍爾傳感器

如圖4所示，這是低成本應(yīng)用中最常見的液位感測系統(tǒng)（FSU），其中顯示了交叉線圈的布置。線圈的一端直接連接電池，另一端通過串聯(lián)傳感器連接電池。當(dāng)兩個(gè)線圈中的電流相同時(shí)，線圈復(fù)位到正常位置。當(dāng)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(yīng)，傳感器電流與指針角度不是線性關(guān)系。

 A1356 能夠 以最少的元件提供系統(tǒng)級(jí)比例（輸出根據(jù)電源電壓進(jìn)行調(diào)整）輸出解決方案。A1356 還具有內(nèi)部反向電池保護(hù)。該IC可提供兩點(diǎn)磁場編程來調(diào)整偏移和靈敏度。這可以允許4～18 V來補(bǔ)償磁體、線圈和制造氣隙公差。

圖 5 是基于 A1356 的 FSU 應(yīng)用電路。

圖5 將 A1356的PWM輸出轉(zhuǎn)換為電流的電路

測試結(jié)果

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

圖6 浮子角度與線圈電流關(guān)系

用于數(shù)字 FLS（帶微控制器組合）的線性模擬霍爾效應(yīng)傳感器

 A1377 是一種可編程線性霍爾效應(yīng)傳感器，可提供與磁場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 ADC 接口所用集群提供的 5 V 電源為 A1377 供電。圖7是基于線性模擬霍爾效應(yīng)傳感器的數(shù)字 FLS。

A1377 提供兩點(diǎn)磁場編程來調(diào)整偏移和靈敏度。這可以實(shí)現(xiàn)用戶來補(bǔ)償磁體、線圈和制造氣隙公差。對于不均勻的箱體幾何形狀，需要多點(diǎn)校準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)線性體積輸出。

圖7 使用 A1377 的線性模擬霍爾效應(yīng)傳感器的數(shù)字 FLS

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

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 線性傳感器和磁體布置。

圖9 燃油傳感器組件的 A1377  線性傳感器和磁體布置

適用于數(shù)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(dǎo)致線性傳感器受影響。線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無關(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(yīng) (CVH) 技術(shù)的無接觸角度位置。圖10是基于角度霍爾傳感器的數(shù)字 FLS。該應(yīng)用使用徑向磁體。

可編程參數(shù)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(yīng)傳感器數(shù)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(jié)果顯示超過 75 度位移的線性輸出電壓與氣隙無關(guān)。

圖11 浮子角度與輸出電壓關(guān)系

結(jié)論

基于霍爾效應(yīng)的燃油液位傳感系統(tǒng)能夠?yàn)槠噾?yīng)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(tǒng)的各種霍爾效應(yīng)傳感器，而且所有傳感器使用簡單的徑向磁體，并提供編程來實(shí)現(xiàn)線性輸出信號(hào)，同樣適用于不規(guī)則的燃油箱形狀。