使用霍尔效应传感器 IC 的燃料液位传感器

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作者：Shashank Wekhande 和 Ranjit Farakate,
AvantGarde Solutions Pvt.Ltd.,
Allegro MicroSystems, LLC 顾问

 

摘要

我们开发了基于霍尔效应的燃料液位传感器 IC，为汽车应用提供高可靠性和准确的燃料液位传感。本应用笔记介绍了线性和角度传感器 IC 在线圈和数字组合指示器中的应用。

介绍

所有汽车都使用燃料液位传感器 (FLS) 来指示燃油油位。厂家使用各种方法来测量燃料水平，如电阻膜、分立电阻、电容和超声波。该应用最常使用基于电阻的传感器。这些传感器通过机械方式连接到浮子上，浮子可随燃料液位上升或下降。随着浮子的移动，传感器的电阻发生变化。该传感器是燃油表显示电路的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。当燃料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 FLS。

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出现磨损和破裂。磨损导致传感器寿命缩短。

 

 

本文介绍了使用霍尔传感器 IC 进行 FLS 应用非接触感测的方法。

非接触霍尔传感器 FLS

霍尔传感器 IC 通常感测通过 IC 的磁场。对于燃料传感应用，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，以防止在燃料内部退化。即使燃料被污染，传感操作也不会受到影响。

用于 FLS 的霍尔效应传感器 IC 选项

Allegro 为 FLS 应用提供各种选项以适应精度、线性、输出接口和成本。

1. 线性霍尔效应传感器
   线性霍尔效应传感器 IC 具有与绝对磁场成比例的输出信号。IC 输出电压根据磁场而变化。

1. PWM 输出：PWM 输出具有更好的抗噪性等优点。这些类型的传感器适用于基于交叉线圈的组合。
   
   
2. 模拟电压：在数字组合中，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 3.3 V 或 5 V 电源供电，并与电源成比例。

两点编程提供磁铁和气隙变化的补偿。Allegro 还提供多点编程以适应不均匀的箱体几何形状。

1.  Angle 霍尔效应传感器
   角度传感器基于磁场绝对角度的测量值。这消除了磁体和气隙变化造成的误差。
   
   
   1. PWM 输出：PWM 输出 IC 具有很多优势，比如更好的抗噪声能力并可以直接连接车载电池。
      
      
   2. 模拟电压：IC 提供与角度成比例的模拟输出电压。

表 1：Allegro MicroSystems 提供的燃料传感应用传感器产品 

传感器	输出	技术	可编程	精度	成本
A1356	PWM	线性霍尔效应	灵敏度 + QVO 偏置	更好	低
A1377	模拟电压	线性霍尔效应	灵敏度 + QVO 偏置	更好	中
A1330	模拟 + PWM	角度霍尔感应 (CVH)	增益 + 短行程 + 零偏移 + 牵位 + 平均 + 旋转	最佳	低
A1338	PWM	角度霍尔感应 (CVH)	灵偏移 + 平均 + 旋转	最佳	高

 

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，只需两点编程就足够了。图 2 是均匀燃油箱及其特点的例子。

 

 

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

 

用于模拟 FLS（采用线圈组合）的线性 PWM 霍尔传感器

这是低成本应用中最常用的 FSU。交叉线圈的布置如图 4 所示。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的。

 

A1356 IC 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 用于内部反向电池保护。该 IC 提供两点磁场编程来调整偏移和灵敏度。这可以实现 4 至 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。

R2 和 C2 的 RC 滤波器将 A1356 的 PWM 输出转换成比例模拟电压。MOSFET Q1 将此电压转换为适合驱动线圈的电流输出。

 

磁体选择对于这个应用不是特别关键。钕铁硼或铁氧体磁体适用于此应用。为了获得更好的重复性，应使用公差更小的磁体。

用于此应用的磁体是图 7 所示的直径型磁体（圆形），它安装在浮子的枢轴上，传感器布置在具有 2mm 气隙的磁体表面，如图 6 所示。磁体定位和线性霍尔传感器定位如图 8 所示。

 

试验结果

图 9 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。

 

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 10 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。

试验结果

图 11 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 12 显示了燃油传感器组件中的 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 13 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。

 

试验结果

图 14 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 15 显示了燃油传感器组件上的 A1330 角度传感器 IC 和磁体布置。

对于电池供电的 FLS，请使用非比率版本的 A1330，并在燃料传感器组件中提供本地 LDO。

A1330 的 PWM 输出版本可用于数字 FLS，以获得更好的抗噪声性能。

表 2：各种可编程霍尔效应传感器选项的比较

传感器	应用	优点	缺点
A1356 线性传感器 (PWM)	线圈 模拟 FLS	更好的噪声抑制能力、基于电池电压的比例输出、偏移 和灵敏度编程可补偿制造过程中磁体 和气隙公差。	在装配过程中，磁体方向 至关重要。与 磁场漂移有关的输出误差。
A1377 线性传感器 （模拟）	数字 FLS	偏移和灵敏度编程 可补偿制造过程中磁体和气隙的偏差。	装配过程中，磁体方向 至关重要，与 磁场漂移有关的输出误差。需要 5 V 电源。
A1330 角度传感器 （模拟 + 比例）	数字 FLS	输出电压与气隙和绝对磁场无关， 灵活的磁体布置，全动态范围内的短角位移， SMD 封装。	需要器件组合提供 5 V 电源
A1330 角度传感器 （模拟 + 非 比例）	模拟 FLS	输出电压与气隙和绝对磁场无关， 灵活的磁体布置，全动态范围内的短角位移， SMD 封装。	需要 LDO 提供 5 V 电源。
A1330 角度传感器 (PWM)	数字 FLS	输出电压与气隙和绝对磁场无关。 灵活的磁体布置、适合全动态范围的短角度位移 、抗噪声性提高、SMD 封装	需要集群或 LDO 提供 5 V 电源 。

 

结论

基于霍尔效应的燃料液位传感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。所有的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，同样适用于不对称的燃料箱形状。

 

 

 

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