模拟电感式位置传感器

汽车需要能够适应各种驾驶路况，还要应对诸如温度波动等环境变化。因此，开发出能轻松应对这些条件的零件至关重要。在 COMSOL 用户年会 2014 剑桥站收到的研究报告中，有一份就重点研究了电感式位置传感器的功能。

适用于各种条件的位置传感器

假设您正在沙漠中开车，随着夜幕降临，温度开始下降，您将车减速开进公园里并在目的地停车。

车子感应到换挡，并做出恰当的响应。要实现这一点，自动换挡器类部件必须能够正常工作。自动换挡模块和其他汽车部件（比如座椅位置调节器）中包含一个名为位置传感器的器件；这类位置传感器必须在汽车的各类驾驶路况中始终保持正常。

位置传感器在车中的使用示例。图片由 A. K. Palit 提供，取自他在COMSOL 用户年会 2014 剑桥站提交的演讲展示。

在 COMSOL 用户年会 2014 剑桥站，德国 Lemfoerder 电子股份有限公司 (ZF-Friedrichshafen AG. Group) 的一位研究人员展示了他对电感式位置传感器的仿真。他模拟了一款耐热性较好的低成本非接触式电感位置传感器；单从这些方面来看，该款传感器要优于最常使用的霍尔传感器，后者的性能容易受到温度变化的影响，而且成本更高。

使用有限元工具设计电感式位置传感器

为了分析电感式位置传感器的工作方式，该研究人员使用 COMSOL Multiphysics 有限元分析 (FEA) 软件开发了一个频域下平面电感线圈模型。

电感式位置传感器图片，红色菱形代表激活器。 图片由 A. K. Palit 提供，取自他在COMSOL 用户年会 2014 剑桥站提交的演讲展示。

模型包括在印刷电路板 (PCB) 上排成一排的平面螺旋形电感线圈；平面线圈可以是正方形、矩形及圆形等几何形状。

模型还包括一个由铜薄板制成的激活器（菱形）。激活器位于平面线圈上的 0.2 到 0.3 mm 处。激活器可以在平面线圈上水平移动或滑动。请注意：虽然激活器可以水平移动，但此垂直距离保持不变。

当铜制激活器移动到靠近平面线圈处时，涡电流使平面线圈中的电感降低。例如在上图中，线圈 2、3、4 相对激活器的位置改变，所以电感系数也发生了变化。电感的变化转换为对应的电压信号，支持近似出激活器的位置。

上文中的模型只是模拟了 PCB 上的一块极小区域，所以只支持较小尺寸及较少匝数的平面线圈，这会降低产生的电感，使传感器无法进行可靠的位置感应。为了解决该问题，论文中还创建了一个双层平面线圈模型，用于和模型的单层版本进行对比。

整体上，位置传感器可以看做空气为磁芯材料的变压器，其中主、次绕组之间表现为漏磁或松散耦合关系。

如希望了解有关器件模拟的详细信息，您可以阅读相关论文及演讲展示。

结果分析

仿真帮助确定了平面线圈中的电感随铜制激活器在线圈上方的水平移动而产生的变化，借此展示了位置传感器在真实世界中的性能。在位置传感器中，水平 Xoff 位置的变化与铜制激活器物理位置的平移相关。一般情况下，Xoff 信号将指示暂停或停止传输，在仿真中，它表示平面线圈中电感的下降。下图中的 Xoff = 0 表示平面线圈的中心。此时，电感值最低，因为此 Xoff 位置会停止大部分电感。铜制激活器的垂直距离恒定，它的水平滑动会造成电感的变化，下图显示了电感在 10 MHz 频率下的变化。

左：单层平面线圈中铜制激活器的水平 Xoff 位置 (mm) vs. 线圈电感 (nH)。右：双层平面线圈中铜制激活器的水平 Xoff 位置 (mm) vs. 线圈电感 (nH)。图片由 A. K. Palit 提供，取自他在COMSOL 用户年会 2014 剑桥站提交的演讲展示。

虽然两条曲线看起来很像，但结果其实存在明显差异。在单层平面线圈绘图中，激活器的滑移在线圈中造成的电感变化大约为 49%；双层平面线圈中的电感变化更大，约为 53%，而且电感值更高。结果符合预期，因为更大的线圈面积会带来更高的电感。双层平面线圈中的电感量越高（电感变化越大），位置传感器将能越好地计算铜制激活器的位置，感应出的位置也就越可靠。

左：单层平面线圈中的磁通密度模；右：双层平面线圈中的磁通密度模。图片由 A. K. Palit 提供，取自他在COMSOL 用户年会 2014 剑桥站提交的演讲展示。

研究还计算了 10 MHz 频率下单层及双层平面线圈中的磁通密度模 (mT) ，以便观察模型空气内核中磁通量的变化。我们无法直接对比这两张图，因为双层结果图是放大图，但还是可以看出其中的通量密度箭头更密。这说明双层平面线圈中的磁场要强于单层线圈，也进一步证明了双层平面线圈能提供更精确的位置感应。

在路测中验证仿真结果

综合对电感式位置传感器的模拟及从仿真中得到的全部信息，该研究人员进一步了改进设计，使之能在汽车的各种行驶路况下保持正常工作。找出将影响电感式位置传感器性能的各项因素之后，随即优化设计。他们分析了会影响电感式传感器效率及敏感性的各种因素，包括不同元素间的距离（主要是激活器的垂直及水平位置）、几何及尺寸；并发现当激活器位于平面线圈中心，且二者的垂直距离为 0.2 mm 或更小时，线圈的电感会降低。人们直接将这项仿真结果用于开发一款德国汽车中的自动换挡模块。

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• 阅读论文及演讲展示：”使用有限元工具模拟电感式位置传感器的频率响应“