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车身高度传感器的基本原理

车身高度传感器（英文Chassis Height Sensor，又叫轴高传感器，车姿传感器，悬架高度传感器等），是汽车上用于测量车身前后悬架姿态变化必不可少的零部件。目前汽车的悬架控制系统（如主动悬架系统、悬架阻尼控制系统、空气悬架系统等），前大灯自动调节系统均需要通过该传感器测量汽车行驶姿态的变化。

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王建华

2020-5-7 15:21:44
近些年来，高强度气体放电灯（HID）在汽车上的应用越来越流行。相比传统的卤素车灯，采用HID技术的汽车大灯具有亮度高、寿命长、耗电少的一系列优点。但是由于HID的亮度过高，在不采取其他辅助措施的情况下，会造成会车时对面驾驶员的炫目，从而存在严重安全隐患。因此，国内外一些国家和地区针对HID等高亮度车灯都制定或修订了相关的法规，避免由于采用HID大灯所带来的负面影响。其中，欧盟针对HID灯具修订了ECE R48法规。中国也对原法规进行了修订，并颁布了《GB4785-2007 汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定》。《GB4785-2007》中规定：“如果近光灯使用光通量超过2000lm的光源，必须配备前照灯清洗装置，并且4.3.2.6.2定义的手动前照灯调光机构不适用”［1］。因此，如果使用2000lm以上的气体放电灯，必须至少配备大灯水平自动调节装置。同时，针对LED光源前大灯，强制安装大灯水平自动调节装置的法规也在制定中，预计在下一版的灯光法规修订版中发布实施。

图1 GB4785-2007中对近光灯照射角度的强制要求
大灯水平自动调节装置由控制ECU、大灯调节执行器、传感器几个部分组成，目前主流的技术方案如下图所示：

图2 汽车大灯自动调节系统方案
从上图中可以看出，车身高度传感器为大灯水平自动调节装置中必不可少的一个零部件，并且每辆车会用到1到2个传感器。可见，随着HID大灯以及LED大灯普及度的不断提高，该车身高度传感器的市场需求将非常巨大。
目前测量车身高度的方法主要采用如下图所示机构测量，其中汽车的下摆臂通过四连杆结构与一个角度传感器的旋转臂连接，当车身高度发生变化时，下控制臂会以旋转轴为圆心发生旋转，同时带动四连杆机构运动，角度传感器的摆臂被带动旋转，角度传感器的输出信号发生变化，间接反映了车身高度的变化。所以，采用旋转角度传感器以及四连杆机构就可以测量出车身高度的变化。也就是说这种车身高度传感器的核心就是一个角度传感器。

图3 四连杆式车身高度传感器
当然，近年还出现过另外一种测量方法，不同于以上的四连杆结构，其采用了电涡流测距的原理，可以完全非接触式的测量车身高度的变化。其在实车上的安装图如下图所示，这种测量方案的优点是实现了传感器同被测体的完全非接触测量，传感器寿命更长，可靠性更高。



电涡流测距原理示意图
图4 电涡流式车身高度传感器
但是由于电涡流测量技术比较复杂，开发难度较大，同时传感器成本也较高，目前在车上的普及度远不如四连杆式测量方案。
测量车身高度所用的传感器已经发展了好几代，从最初的采用的接触式电阻膜式角度传感器到各种非接触式角度传感器。其中接触式角度传感器由于存在寿命短、精度低、抗干扰能力差等缺点已经被淘汰。目前主流的非接触式传感器又分为线性霍尔型、磁阻型、电磁感应型、差分霍尔型等几种。
线性霍尔型是最早应用在车身高度测量上的非接触式传感器，其利用了霍尔元件输出与磁场成正比的特点，通过设计一个特殊的磁路，确保在一定角度范围内，通过霍尔元件的磁场与转轴角度呈正比关系。同时专用Hall ASIC的出现也使在一定角度范围内能够对输出进行编程及线性补偿，提高了测量的精度。但是，由于线性霍尔只能直接测量一个方向磁场强度的原因，磁场强度的细微变化都会引起输出的变化，这就需要在制造传感器时确保很高的定位精度，已确保磁场与角度的线性度，同时还需要选用在汽车级工作温度内温度系数很小的钐钴磁钢。这些都不利于传感器精度的提高以及成本的控制。
磁阻型、电磁感应型、以及差分霍尔型是近几年新兴起的技术，由于均采用了类似对原始测量信号的差分处理方式，因此在确保了很高的测量精度的同时，对传感器的制造工艺以及磁铁材料等却没有很高的要求，并且随着IC技术的不断发展，成本与线性霍尔元件已经基本相当，具有很广阔的应用前景。

图5几代车身高度传感器技术对比
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