第五節　轉向盤轉角傳感器

汽車轉向盤轉角傳感器用于測量汽車轉向時轉向盤的旋轉角度，主要應用于車道保持輔助系統、自適應前照明系統、自動泊車系統等。

一、轉向盤轉角傳感器的分類

轉向盤轉角傳感器根據工作原理可以分為霍爾式轉角傳感器、磁阻式轉角傳感器、光電式轉角傳感器和電阻分壓式轉角傳感器等；根據原始信號編/解碼方式的不同，轉向盤轉角傳感器可以分為絕對值轉角傳感器和相對值轉角傳感器。目前又出現了一些新型轉角傳感器，如GMR（巨磁阻）轉角傳感器、AMR（各向異性磁阻）轉角傳感器，應用較為廣泛。

1.絕對值轉角傳感器

絕對值轉角傳感器輸出轉向盤的絕對轉動角度，能夠直接為控制系統的ECU所使用。但是，這種傳感器對于安裝空間有一定要求。同時，這種傳感器的成本高，信號處理電路也比較復雜，限制了絕對值轉角傳感器的應用。

傳統的絕對值轉角傳感器基于電阻分壓原理，通常使用導電塑料作為電阻器來分壓。在電阻器的兩端施加一直流電壓，一個滑動接觸點隨著轉向盤的轉動在電阻器兩端內運動，轉向盤轉動到2個端點位置時，滑動接觸點剛好運動到電阻器兩端。測量接觸點和電阻器一端的電壓即可求得轉向盤的絕對轉角位置。

由于電阻分壓式絕對值轉角傳感器是接觸式傳感器，在滑動觸點和電阻器的相互運動過程中，兩者會產生磨損，這影響了傳感器的使用壽命，因此，材料的合理選擇、潤滑的合理使用都是這種傳感器設計過程中必須認真考慮的問題。

2.相對值轉角傳感器

相對值轉角傳感器包括光電感應式轉角傳感器和電磁感應式轉角傳感器。

（1）光電感應式轉角傳感器　光電感應式轉角傳感器包括至少2個光敏元件、1個透光膠片以及對應的信號處理電路。透光膠片指的是在不透光的基片（通常做成圓環形）上均勻分布著一些透光矩形孔的膠片。透光膠片一般固定在轉向管柱上，可以隨著轉向盤的轉動而轉動。在透光膠片的轉動過程中，光線通過矩形孔入射在透光膠片后面固定的光敏元件表面。光敏元件表面的光強可以通過轉換電路轉換成不同幅值的輸出電壓。由于矩形孔均勻分布，因此，輸出的電壓呈現方波形狀。通過合理的設計，讓2個光敏元件輸出的兩路電壓存在一定相位差（通常為90°），通過比較兩路信號的相位關系就可以判斷轉向盤的轉動方向。

轉向盤轉動一周，輸出的方波信號數就是矩形孔的個數，因此，每個方波周期對應的轉向盤轉角可以求出。在2個時刻之間，知道了轉向盤的轉動方向以及方波的個數，就可以知道2個時刻之間轉向盤轉動的相對角度。

因此，這種傳感器被稱為相對值轉角傳感器。通過一定的算法判斷出轉向盤的中間位置，再由相對值轉角傳感器求出相對于中間位置轉動的角度，就可以求出轉向盤的絕對轉動角度。

（2）電磁感應式轉角傳感器　電磁感應式轉角傳感器利用永磁體和電子線路來產生方波信號，使用的原理包括霍爾效應、磁阻效應以及可變磁阻效應。這種傳感器需要各種電子線路將傳感器原始信號轉換為適合應用的信號形式。由于這種傳感器內部有比較多的電子部件，因此，它們對于溫度比較敏感，最高工作溫度一般不超過125℃，同時，由于永磁體的存在，外部磁場可能對于這種傳感器造成影響。

二、AMR轉向盤轉角傳感器

AMR（各向異性磁阻）傳感器基于各向異性磁電阻效應。磁性薄膜在平行于膜面的外磁場作用下，到達飽和磁化時，薄膜的電阻將隨外磁場方向和電流方向變化而變化，這種效應就是各向異性磁電阻效應。AMR傳感器是用于測量角度和轉速的非接觸式傳感器，它應用氧化硅晶體作為載體，傳感器元件的電阻隨著外加磁場方向的變化而改動，應用測量所得的電阻變化可以求得角度變化或依據電阻變化規律可以求得角速度。這種傳感器的量程一般為180°，經過特殊設計，這種傳感器的量程可以滿足轉向盤轉角測量的要求。德國博世公司的轉向盤轉角傳感器LWS3系列就是AMR傳感器。

LWS3型磁阻式轉向盤轉角傳感器的結構如圖2-13所示。

2個小齒輪由轉向軸上的一個大齒輪驅動，這2個小齒輪之間差1個齒，通過測量2個小齒輪的角度就可以得到轉向盤的角度信號。按一定的計算流程，在微處理器中計算出轉向盤轉角，供控制系統使用。

巨磁阻（GMR）傳感器應用的是磁性多層膜的巨磁阻效應，由一系列薄層（磁性多層膜）疊加而成，這些層只有納米級厚度，它對最微弱的磁場也會有反應。這意味著這種傳感器可以遠離被測量物體。這種傳感器可以被用來測量達到360°的轉角，經過特殊設計，這種傳感器的量程可以滿足轉向盤轉角測量的要求。博世公司的轉向盤轉角傳感器LWS5系列就是GMR傳感器。