采用霍尔效应传感器实现燃油液位监测

简介

所有汽车都使用燃油液位传感器 (FLS) 来指示燃油液面位置。但不同厂商往往使用各种不同方法来测量燃油液位水平，如电阻膜、分立电阻、电容和超声波等方式。其中最常用的是基于电阻的传感器，这些传感器通过机械方式连接到浮子上，浮子可随燃油液位上升或下降，随着浮子的移动，传感器的电阻也发生变化。所使用的传感器是燃油表显示电路中电流平衡电路的一部分，通常由用于驱动显示针的线圈组成。当燃油传感器的电阻变化时，指针的位置与线圈电流成比例变化。图1显示了典型的基于电阻的燃油液位传感器工作原理。

基于电阻接触传感器的缺点是，由于传感器元件内部的滑动接触导致传感器容易出现磨损和破裂，磨损会导致传感器寿命缩短。 

鉴于电阻接触传感器的缺点，本文介绍使用霍尔传感器 IC 进行燃油液位非接触感测的方法。

图1 典型的燃油液位检测装置工作原理图

非接触霍尔传感器 FLS

霍尔传感器通常依靠感测通过 IC 的磁场而进行监测。对于燃油传感应用，必须安装径向磁体，使其旋转运动与浮子运动成正比。此外，传感器需要安装在靠近磁铁的地方。与其他非接触式传感器技术相比，采用这种方法更简单。磁铁可以密封，以防止在燃油内部退化。即使燃油被污染，传感器工作也不会受到影响。

图 2：均匀燃油箱和特性。

用于燃油液位感测的霍尔效应传感器选项

Allegro能够为燃油液位感测应用提供各种选项以满足客户对精度、线性、输出接口和成本等方面的具体要求。

1.    线性霍尔效应传感器
线性霍尔效应传感器具有与绝对磁场成比例的输出信号，输出电压随磁场而变化。

A.   PWM 输出： PWM 输出具有更好的抗干扰性等优点。这些类型的传感器适用于基于交叉线圈（cross-coil）的组合。

B.   模拟电压： 在数字式组合中，通常使用微控制器来连接 LCD 和传感器输出。来自传感器的模拟输入电压作为微控制器的 ADC 输入。这些 IC 采用3.3V或5V电源供电，并与电源成比例。

两点编程可提供磁铁和气隙变化的补偿。Allegro 还提供多点编程以适应不规则箱体几何形状。

2.   角度霍尔效应传感器
角度传感器依靠磁场绝对角度而得到测量值。这消除了磁体和气隙变化造成的误差。

A. PWM 输出：PWM 输出IC具有很多优势，比如更好的抗干扰能力，并可以直接连接车载电池。

B. 模拟电压：传感器IC 提供与角度成比例的模拟输出电压。

图3 非均匀燃油箱和特性

燃油箱结构

燃油箱结构因汽车型号而异。一些具有规则几何形状的燃油箱会导致线性体积浮动角度。对于这样的燃油箱，只需两点编程就已经足够。图2是规则型燃油箱及其特性的示例。

 然而，大部分油箱在体积与浮动角度方面是不均匀的。图 3 是典型不规则油箱及其特性。对于这些类型的燃油箱，输出信号线性化需要 IC 多点编程。

图4 用于燃油液位感测的典型交叉线圈组件

用于模拟 FLS（采用线圈组合）的线性 PWM 霍尔传感器

如图4所示，这是低成本应用中最常见的液位感测系统（FSU），其中显示了交叉线圈的布置。线圈的一端直接连接电池，另一端通过串联传感器连接电池。当两个线圈中的电流相同时，线圈复位到正常位置。当传感器电流变化时，针偏离正常位置。这种安排可以消除电池电压的变化。由于热效应，传感器电流与指针角度不是线性关系。

 A1356 能够 以最少的元件提供系统级比例（输出根据电源电压进行调整）输出解决方案。A1356 还具有内部反向电池保护。该IC可提供两点磁场编程来调整偏移和灵敏度。这可以允许4～18 V来补偿磁体、线圈和制造气隙公差。

图 5 是基于 A1356 的 FSU 应用电路。

图5 将 A1356的PWM输出转换为电流的电路

测试结果

图6 显示了相对于浮子角度的线性线圈电流。线圈电流随电源电压而变化，由于自热效应，线圈电流本质上是非线性的。

图6 浮子角度与线圈电流关系

用于数字 FLS（带微控制器组合）的线性模拟霍尔效应传感器

 A1377 是一种可编程线性霍尔效应传感器，可提供与磁场成比例的模拟输出电压。A1377 提供 4.5 至 5.5 V 输入电源电压的比例输出。通过 ADC 接口所用集群提供的 5 V 电源为 A1377 供电。图7是基于线性模拟霍尔效应传感器的数字 FLS。

A1377 提供两点磁场编程来调整偏移和灵敏度。这可以实现用户来补偿磁体、线圈和制造气隙公差。对于不均匀的箱体几何形状，需要多点校准以实现线性体积输出。

图7 使用 A1377 的线性模拟霍尔效应传感器的数字 FLS

图8显示了相对于浮子角度的线性输出电压。输出电压在浮子角度位移50度范围是线性的。

图8 浮子角度与输出电压关系

图9显示了燃油传感器组件中的 A1377 线性传感器和磁体布置。

图9 燃油传感器组件的 A1377  线性传感器和磁体布置

适用于数字 FLS（配有微控制器集群）的角度霍尔传感器

由于气隙或磁体漂移导致线性传感器受影响。线性角度传感器还适用于最大60度的角位移。角度传感器提供宽角位移测量，输出电压与气隙和绝对磁场无关。A1330 是一款 360° 角度传感器 IC，提供基于磁性圆形垂直霍尔效应 (CVH) 技术的无接触角度位置。图10是基于角度霍尔传感器的数字 FLS。该应用使用径向磁体。

可编程参数包括零点偏移，以提供灵活的磁体位置和用于全动态范围的角位移。

图10 使用 A1330 的角度霍尔效应传感器数字 FLS

图11是 A1330 输出电压与浮子角度关系（采用 6mm×3mm 径向磁体）。结果显示超过 75 度位移的线性输出电压与气隙无关。

图11 浮子角度与输出电压关系

结论

基于霍尔效应的燃油液位传感系统能够为汽车应用提供可靠的非接触式燃油测量。Allegro 提供适用于不同 FLS 系统的各种霍尔效应传感器，而且所有传感器使用简单的径向磁体，并提供编程来实现线性输出信号，同样适用于不规则的燃油箱形状。