採用霍爾效應傳感器實現燃油液位監測
2020-12-15 電子產品世界簡介
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。其中最常用的是基於電阻的傳感器，這些傳感器通過機械方式連接到浮子上，浮子可隨燃油液位上升或下降，隨著浮子的移動，傳感器的電阻也發生變化。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，通常由用於驅動顯示針的線圈組成。當燃油傳感器的電阻變化時，指針的位置與線圈電流成比例變化。圖1顯示了典型的基於電阻的燃油液位傳感器工作原理。
基於電阻接觸傳感器的缺點是，由於傳感器元件內部的滑動接觸導致傳感器容易出現磨損和破裂，磨損會導致傳感器壽命縮短。
鑑於電阻接觸傳感器的缺點，本文介紹使用霍爾傳感器 IC 進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 的磁場而進行監測。對於燃油傳感應用，必須安裝徑向磁體，使其旋轉運動與浮子運動成正比。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相比，採用這種方法更簡單。磁鐵可以密封，以防止在燃油內部退化。即使燃油被汙染，傳感器工作也不會受到影響。
圖 2：均勻燃油箱和特性。
用於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. 線性霍爾效應傳感器
線性霍爾效應傳感器具有與絕對磁場成比例的輸出信號，輸出電壓隨磁場而變化。
A. PWM 輸出： PWM 輸出具有更好的抗幹擾性等優點。這些類型的傳感器適用於基於交叉線圈（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 採用3.3V或5V電源供電，並與電源成比例。
兩點編程可提供磁鐵和氣隙變化的補償。Allegro 還提供多點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具有很多優勢，比如更好的抗幹擾能力，並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
燃油箱結構
燃油箱結構因汽車型號而異。一些具有規則幾何形狀的燃油箱會導致線性體積浮動角度。對於這樣的燃油箱，只需兩點編程就已經足夠。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角度方面是不均勻的。圖 3 是典型不規則油箱及其特性。對於這些類型的燃油箱，輸出信號線性化需要 IC 多點編程。
圖4 用於燃油液位感測的典型交叉線圈組件
用於模擬 FLS（採用線圈組合）的線性 PWM 霍爾傳感器
如圖4所示，這是低成本應用中最常見的液位感測系統（FSU），其中顯示了交叉線圈的布置。線圈的一端直接連接電池，另一端通過串聯傳感器連接電池。當兩個線圈中的電流相同時，線圈復位到正常位置。當傳感器電流變化時，針偏離正常位置。這種安排可以消除電池電壓的變化。由於熱效應，傳感器電流與指針角度不是線性關係。
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可提供兩點磁場編程來調整偏移和靈敏度。這可以允許4～18 V來補償磁體、線圈和製造氣隙公差。
圖 5 是基於 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 顯示了相對於浮子角度的線性線圈電流。線圈電流隨電源電壓而變化，由於自熱效應，線圈電流本質上是非線性的。
圖6 浮子角度與線圈電流關係
用於數字 FLS（帶微控制器組合）的線性模擬霍爾效應傳感器
A1377 是一種可編程線性霍爾效應傳感器，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是基於線性模擬霍爾效應傳感器的數字 FLS。
A1377 提供兩點磁場編程來調整偏移和靈敏度。這可以實現用戶來補償磁體、線圈和製造氣隙公差。對於不均勻的箱體幾何形狀，需要多點校準以實現線性體積輸出。
圖7 使用 A1377 的線性模擬霍爾效應傳感器的數字 FLS
圖8顯示了相對於浮子角度的線性輸出電壓。輸出電壓在浮子角度位移50度範圍是線性的。
圖8 浮子角度與輸出電壓關係
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
適用於數字 FLS（配有微控制器集群）的角度霍爾傳感器
由於氣隙或磁體漂移導致線性傳感器受影響。線性角度傳感器還適用於最大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。A1330 是一款 360° 角度傳感器 IC，提供基於磁性圓形垂直霍爾效應 (CVH) 技術的無接觸角度位置。圖10是基於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偏移，以提供靈活的磁體位置和用於全動態範圍的角位移。
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係（採用 6mm×3mm 徑向磁體）。結果顯示超過 75 度位移的線性輸出電壓與氣隙無關。
圖11 浮子角度與輸出電壓關係
結論
基於霍爾效應的燃油液位傳感系統能夠為汽車應用提供可靠的非接觸式燃油測量。Allegro 提供適用於不同 FLS 系統的各種霍爾效應傳感器，而且所有傳感器使用簡單的徑向磁體，並提供編程來實現線性輸出信號，同樣適用於不規則的燃油箱形狀。
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