相位传感器
相位传感器是用于测量两路周期性信号之间相位关系、或测量被测对象相位角的一类检测器件,又叫相位检测传感器,英文常写作 phase sensor。它把相位差转换为电压、数字量或角度值输出,是位置测量、电机控制与微弱信号检测中的基础环节。在汽车领域,这一名称也指检测配气相位的凸轮轴与曲轴位置传感器,用以判断点火与喷油时刻。
定义
相位传感器是一类以相位为测量对象的传感器,其输出反映的是信号或被测对象在周期运动中所处的瞬时相位,而不是单纯的幅值大小。在信号测量中,它比较两路同频信号的相位差;在位置测量中,它把被测物体的直线或旋转位置编码为正弦、余弦两路信号,再由相位角换算出位置。
中文文献中「相位传感器」一词有多种用法。一种指通用的相位检测器件,英文对应 phase sensor[1];另一种是汽车行业的习惯叫法,指检测发动机配气相位的传感器,常见资料把它视为凸轮轴位置传感器与曲轴位置传感器的统称[2]。本词条以相位检测传感器这一义项为主,并涉及后一种用法。
原理
最常见的实现方式基于正交信号解算。传感器先得到两路相位相差 90° 的模拟信号,理想情况下可写成 $A\sin\theta$ 与 $A\cos\theta$,其中 $\theta$ 与位置成正比。计算机把两路信号数字化后求反正切,即可得到单个周期内的相位角:$\theta=\arctan\left(\dfrac{\sin\theta}{\cos\theta}\right)$。这一非线性转换把正弦、余弦电压换成角度阶跃,也可表示为增量式的正交信号或绝对数值字段[3]。
求反正切的方法有多种。快闪型转换器用多个比较器并行比较,速度最快但分辨率有限;矢量跟踪转换器只用少量比较器控制计数器上下计数,再经数模转换生成模拟正切信号与输入比较,可与时钟无关地连续跟踪输入角度;iC-Haus 的白皮书还列出了逐次逼近型与连续采样型等方案[3]。柯西塔直流无刷电机控制中常用的方法是跟踪观测器:把当前位置的估计值 $\hat{\theta}$ 与实际角度 $\theta$ 作差,利用 $\sin(\theta-\hat{\theta})=\sin\theta\cos\hat{\theta}-\cos\theta\sin\hat{\theta}$ 构造误差信号,再经积分环节推动数字输出跟踪输入[4]。
在没有正弦、余弦两路信号可用的场合,相位检测改由波形过零或符号判断完成。一种公开的相位检测方案把 $0$ 到 $2\pi$ 按 $\pi/4$ 分成 8 个区间,先由正弦信号符号、余弦信号符号以及两者绝对值的大小关系判定相位落在哪个区间,再统一调整符号后按同一套流程计算反正切,最后结合区间范围还原完整相位值[5]。
测量两路信号相位差时,广泛采用相敏检波。其做法是把输入信号与同频参考信号相乘,经低通滤波后只剩与相位差有关的直流分量;若同相则输出最大,相差 90° 时输出为零,反相时输出为负,因此可以同时反映幅值和相位关系[6]。单路相敏检波在相位差恰为 90° 时会失效,实际仪器多采用两路相位相差 90° 的参考信号分别解调,得到同向分量与正交分量,再合成幅值和相位,这一结构称为正交锁相法[7]。
汽车上的相位传感器另有专门的检测机理。一种常见结构在探头内设检测线圈,附近无金属时 LC 并联回路处于谐振状态、输出电压最高;金属物体靠近后线圈在金属表面感应涡流,回路失谐使输出下降,据此判断凸轮轴转角[2]。按结构与波形可分为磁电式与霍尔式两类,前者输出正弦波,后者输出方波[2];霍尔式方案基于霍尔效应,由触发叶轮、霍尔集成电路、导磁钢片与永久磁铁构成。
发展历程
早期的相位检测多依托模拟电路完成。1984 年公开的一项锁相放大器专利申请中,相敏检测器已带有信号输入端与参考输入端,并通过移相器补偿参考通道的相位误差,同时用控制器给出的数字信号修正直流偏置、增益与相位[8]。同一时期,通用汽车公司提出了用于凸轮轴相位器位置检测的方案:在相对转动的两个部件上分别布置齿与槽,用单一传感器拾取齿槽边缘的通过时刻,再按时间比值算出相位差,以降低对转速波动和传感器个体差异的敏感度[9]。
随着数字信号处理技术普及,相位检测从模拟解调转向数字解调。数字锁相放大器用 AD 采样后在上位机或 DSP 中生成正弦、余弦参考序列,直接做乘法与低通滤波,避免了模拟器件的输出偏置与温度漂移[10]。在传感器芯片一侧,矢量跟踪转换器把正弦、余弦信号向数字角度的转换集成到单芯片中,使磁电与光电编码器可以直接输出位置数据[3]。
在汽车领域,相位检测的思路也在变化。有专利方案不再单独设置专用相位传感器,而是把像素阵列中的部分成像像素兼作相位检测像素,由其相位信息判断镜头对焦状态,以减少遮光像素造成的光信号损失[11]。
应用
位置与运动测量是相位传感器最直接的用途。磁电或光电传感器把角度或长度信息按 90° 关系编码为正弦、余弦信号,再由细分器转换为角度阶跃或绝对数值,用于驱动器的速度控制与定位[3]。在永磁同步电机与电梯曳引机中,常使用带正交 A、B 正余弦模拟量输出的正余弦编码器,经细分后获得远高于原始脉冲的分辨率,以实现矢量控制[12]。
电机控制还需要检测电流相位与转子位置信号之间的相位差,并据此补正驱动正弦波的相位[13]。转子位置检测由此分为绝对式与增量式两类:前者由正余弦电压直接换算角度,没有累积误差;后者依靠正交脉冲计数,成本较低,但需先找到参考零点[14]。
在精密测量与科学仪器中,相位检测用于从强噪声中提取微弱信号,锁相放大器即以此为核心部件,可用于电生理、传感器测量与阻抗分析等场景[6]。光学测量同样依赖相位:有研究以四路相位差为 90° 的正弦信号构建反正切函数,经细分插值把位移分辨率做到纳米量级[15]。此外,相位检测还用于流体相变监测等场合,例如以声速传感器的输出变化判断流体相性质的变化[16]。
汽车发动机是相位传感器的另一大应用场景。凸轮轴与曲轴位置传感器采集配气相位,输入电子控制单元,用于识别气缸 1 压缩上止点,进而实现顺序喷油控制、点火时刻控制与爆燃控制。配气相位指进气门、排气门按工作循环开闭时刻所对应的曲轴转角,其准确程度影响动力性、经济性与排放[2]。发动机相位也可以借助凸轮轴信号盘上的正齿、缺齿与霍尔元件,配合曲轴信号盘的齿与缺齿组合来识别[17]。
局限
正交信号解算的精度受制于两路信号的质量。偏置误差会直接影响反正切结果,有仿真显示 1% 的偏置误差即可使反正切最大误差达到 0.2 rad,从而限制可用的细分倍数[15]。幅值不等、相位非严格正交、采样延迟不对称同样带来细分误差,正余弦两路采样延时不等时精度会明显下降[18]。
多周期测量中的计数问题也难以回避。反正切只能给出一个周期内的角度,无法分辨起点与终点之间跨过了几个正余弦周期;若采用增量式累加,每次计算与采样的误差会被叠加,形成累积误差[12]。矢量跟踪类转换器在误差过大时则可能失锁,需要引入低分辨率的正交编码器作为辅助支路来维持稳定[4]。
相敏检波对参考信号条件要求严格。单路相敏检波无法区分相位差为 90° 的输入,须改用两路正交参考;两路参考除相位外参数须严格一致,否则会出现输出不匹配、信号不稳和信噪比下降[7]。当输入信号频率波动时,低通滤波器带宽需要放宽,又会引入额外噪声[7]。
汽车用相位传感器的能力边界同样明显。传感器失效会导致故障灯报警,出现启动困难、动力下降与排放污染物增加等现象;线路断路或安装间隙异常会造成信号缺失或偏移,使控制单元无法判断一缸压缩冲程,进而中断喷油与点火控制[19]。凸轮轴与曲轴位置传感器必须安装在彼此有精确传动关系的位置,才能保证所测相位可用。
参见
参考资料
- 【相位传感器】英语怎么说_在线翻译_有道词典 [引用日期2026-10-29]
- 相位传感器 [引用日期2026-10-29]
- 白皮书 [引用日期2026-10-29]
- 在一个特别优选的实施例中，处理单元包括正交编码器 [引用日期2026-10-29]
- PHASE DETECTION DEVICE AND POSITION DETECTION DEVICE [引用日期2026-10-29]
- 锁相放大器（LIA）基本原理 [引用日期2026-10-29]
- CN108333138B(PDF) [引用日期2026-10-29]
- EP 0119711 A1 19840926 [引用日期2026-10-29]
- US5715780 [引用日期2026-10-29]
- 數字鎖相放大器的設計與實現 - 中國優秀碩士學文論文全文數據庫 [引用日期2026-10-29]
- [0032] 相位输出信号线106连接到选自像素阵列102的相位检测像素，并被配置为输出相位检测像素的相位信息 [引用日期2026-10-29]
- CN116317780A(PDF) [引用日期2026-10-29]
- CN101594037A(PDF) [引用日期2026-10-29]
- 永磁同步电机转子位置复合检测及起动运行策略\* [引用日期2026-10-29]
- 通过泰曼-格林型同步相移系统可形成四路相位差为90°的正弦信号 [引用日期2026-10-29]
- [0067] 如图4所示，一个或多个传感器402可以包括一个或多个相位检测传感器410 [引用日期2026-10-29]
- google.com 上的网页 [引用日期2026-10-29]
- 非对称延迟对正余弦编码器的影响及补偿策略 [引用日期2026-10-29]
- 相位传感器_百度百科 [引用日期2026-10-29]