第九章 汽车用传感器原理

第九章汽车用传感器原理学习要求了解传感器的概念和分类，掌握电感式进气压力传感器、差动变压器式进气压力传感器、电容式进气压力传感器的结构和工作原理，了解铜热电阻传感器和热敏电阻传感器的工作原理，了解翼片式空气流量传感器、卡曼涡旋式空气流量传感器、热式空气流量传感器的结构和工作原理，掌握电磁式转速传感器和霍尔式转速传感器的工作原理，了解压电式爆燃传感器工作原理，了解传感器输出信号的特点和处理方法，了解传感器常用接口电路的工作原理。世界是由物质组成的，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两种。电量一般是指物理学中的电学量，例如电压、电流、电感和电容等；非电量则是指除电量之外的一些参数，例如压力、流量、重量、速度及酸碱度等。非电量的测量不能直接使用一般的电工仪表和电子仪器测量，因为一般的电工仪表和电子仪器只能测量电量，要求输入的信号为电信号。非电量需要转换成与非电量有一定关系的电量，再进行测量，实现这种转换技术的器件被称为传感器。现代汽车电子控制中，传感器广泛应用在发动机、底盘和车身的各个系统中。汽车传感器在这些系统中担负着信息的采集和传输的功用，它采集的信息由ECU进行处理后，形成向执行机构发出指令，进行电子控制。各个系统的控制过程正是依靠传感器及时识别外界的变化和系统本身的变化，再根据变化的信息去控制系统本身的工作的。因此汽车传感器在汽车电子控制和自诊断系统中是非常重要的装置。第一节传感器概述一人类获取的外界信息是依靠人的感觉器官感受的。在自动控制系统中，也需要获取外界信息，这些需要依靠相当于人的感觉器官的传感器来完成。图9-1表示了人体与自动控制系统的对应关系。图9-1人体系统与自动控制系统的对应关系依照中华人民共和国国家标准（GB7665—1987），传感器是能感受被测物理量，并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。传感器通常由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成，如图9-1所示。其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。转换电路的作用是把转换元件输出的电信号变换为便于处理、显示、记录和控制的可用电信号。图9-2传感器的组成框图二、传感器的分类传感器的种类繁多，分类方法也很多，但目前一般采用两种分类方法；一种是按传感器的工作原理分类，另一种是按被测参数分类。1.按传感器工作原理分类这种分类方法是以工作原理划分，将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。这种子分类法的优点是对传感器的工作原理表达比较清楚，而且类别少，有利于传感器专业工作者对传感器进行深入研究分析。其缺点是不便于使用者根据用途选用，其划分见表9—1。表9—1按传感器的工作原理分类序号工作原理序号工作原理1电阻式8光电式2电感式9谐振式3电容式10霍尔式4阻抗式11超声波式5磁电式12同位素式6热电式13电化学式7压电式14微波式一、电路组成2.按被测物理量分类这一种分类方法是根据测量的性质进行类，它把种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量两种。例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、应力和力矩等派生被测量。当需要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。常见的非电基本被测量和派生被测量及其所对应的汽车用传感器检测量或检测对象，如表9—2所示。这种分类方法的优点是比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途用。其缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。基本被测量派生被测量汽车用传感器检测量或检测对象位移线位移长度、厚度、振动车辆高度角位移旋转角、偏转角、角振动节气门开度、废气再循环阀开度速度线速度速度、振动、流量车速、吸入空气量、燃料流量、废气再循环量、角速度转速、角振动凸轮轴转速、曲轴转速、转向盘转角、车轮速度加速度线加速度振动、冲击、质量加速度角加速度角振动、转矩、转动惯量力压力重量、应力、力矩进气歧管压力、大气压力、燃烧压力、发动机机油压力、自动变速器油压、制动压力、各种泵压、轮胎压力时间频率周期、计数、统计分布温度热容、气体速度、涡流冷却液、排出气体、吸入空气、发动机机油、自动变速器油。光光通量与密度、光谱分布日照、光照湿度水气、水分、露点湿度表9—2按基本被测量和派生被测量分类三、汽车传感器的性能要求1、好的环境适应性。因为汽车是在环境温度变化范围较宽（—40～80OC），道路表面优劣程度相差较大，烈日、暴雨或冰雪天气造成温度悬殊，有时甚至在强大的电磁场的情况下工作的，因此要求耐振、耐水、耐温、耐冲击、抗电磁干扰等。2、批量生产性。为了使传感器用在适合于一般用户购买力的成本而生产的汽车上，必须要求传感器具有批量生产的可能性，换句话说，汽车传感器在保障其性能的基础上，成本尽可能低，而且通过简单的调整就能更换。3、可靠性。同一般传感器一样，汽车传感器的可靠性应是最重要，并且稳定性要好。4、尽可能小型、质量轻、便于安装。5、符合有关法规的要求。第二节汽车常用传感器原理传感器作为现代汽车上电子控制系统的重要组成部分，它担负着发动机的燃油喷射、电子点火、怠速控制、进气控制、废气再循环、蒸汽回收及底盘部分的传动、行驶、转向、制动、电子悬架和车身部分的防盗、中央门锁、自动空调等汽车各大电子控制系统的信息采集和传输，是电子控制系统中非常重要的元件。因此学习好汽车传感器的结构和工作原理对于掌握现代汽车维修技术有着重要的意义。本节就汽车常用传感器的基本原理进行阐述。一、进气压力传感器原理进气压力传感器一般安装在节气门后部的进气岐管上，节气门前部与大气相通，进气压力为大气压，而其后部的气压为负压。节气门的前后部均有进气管与附加空气阀相通。进气压力传感器的作用是将进气管道中的气体压力转换成电信号，并送给电子控制装置，再由电子控制装置控制电动喷油器喷油时间的长短。1、电感式进气压力传感器图9-3所示是变隙电感式压力传感器的结构图。它由膜盒、铁心、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。二、电路的基本物理量图9-3变隙电感式压力传感器结构图二、电物理量为铁心与衔铁的初始气隙厚度，P代表进气歧管的气压，气压作用在膜盒腔内侧。当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P和大气压共同作用下产生压力差，使膜盒发生弹性变形，膜盒的顶端产生位移。膜盒的顶端发生位移大小与压力差成正比，衔铁就被膜盒带动产生移位，使气隙厚度发生变化，那么气隙的磁阻发生相应的变化，从而导致电感的变化，引起流过线圈的电流也发生相应的变化，这样电流表指示值就反映了被测压力的大小。2、差动变压器式进气压力传感器如图9-4所示，为差动变压器的工作原理图。将交流电压u1加到变压器初级绕组上，因为穿过衔铁T的磁通发生变化，在两个反向串联的次级绕组上就会产生电压u2和u2′。二、电路的基本物理量如果工艺上保证变压器结构完全对称，当活动衔铁T处于初始平衡位置时，由于变压器两个二次绕组反向串联，差动变压器的输出电压为零。当衔铁T偏离中心位置时，u2与u2′不再相等，二者在电阻R0上有一差值u3，u3的高低与衔铁T移动距离成正比。图9-4差动变压器的工作原理图差动变压器和弹性敏感元件膜盒相结合，就可以组成差动变压器式进气压力传感器。当进气气压进入膜盒时，就会使膜盒受压变形，从而使得衔铁T产生的位移，导致差动变压器输出与气压成正比的电压信号并输入到ECU中，如果是按电压高低确定喷射时间并使喷嘴工作的话，也就确定了基本喷油量。3、电容式进气压力传感器一个平行板电容器，如果不考虑其边缘效应，则电容器的容量为（9-1）SCd图9-5电容式进气压力传感器结构图及等效电路（a）电容式进气压力传感器结构示意图（b）等效电路上式中，为电容器极板间介质的介电常数；S为两平行板所覆盖的面积；d为两平行板之间的距离。由式（9-1）可知，当参数、S、d中的某一项或某几项发生变化时，电容C就发生变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变第三个参数，就可以将该参数的变化转换为电容量的变化。这样，在实际应用中我们就可以利用电容量C的变化来进行某些物理量的测量。如图9-5（a）所示是电容式进气压力传感器结构示意图。这种传感器结构简单、灵敏度高、响应速度快、能测微小压差。它是由两个玻璃圆盘和一个金属（不锈钢）膜片组成。两玻璃圆盘上的凹面上各镀以金作为电容式传感器的两个固定极板，而夹在两凹圆盘中的膜片则为传感器的可动电极，从而形成传感器的两个差动电容C1、C2，其等效电路如图9-5（b）所示。当两边压力p0、p1相等时，膜片处在中间位置与左、右固定电容间距相等，因此两个电容相等。当节气门开启时，进气歧管内气体的压力p1增加，而p0不变，膜片弯向p0侧，那么两个差动电容一个增大，一个减小，且变化量大小相同；当压差反向时，差动电容变化量也反向。上图中如果右侧为真空，p1的值则为绝对压力。用电路将这种变化进转换及放大，便可获得与压力差成比例的直流电压输出。二、温度传感器原理现代汽车发动机、自动变速器和空调等系统均使用温度传感器，它们用于测量发动机的冷却液温度、进气温度、自动变速器油温度、空调系统环境温度等，为发动机的燃油喷射、自动变速器的换档、离合器锁定、油压控制以及空调自动控制提供了重要依据。汽车上实际应用的温度传感器主要有绕组电阻式、热敏电阻式和热电偶三种。面以铜热电阻传感器和汽车常用的热敏电阻传感器为例讲述其工作原理。1、铜热电阻传感器铜热电阻传感器是金属热电阻传感器常用的一种，它是利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理进行测温的。最基本的铜热电阻传感器由铜热电阻，连接导线及显示仪表组成，如图9-6所示，它可以用来测量—50～150OC范围内的温度。图9-6金属热电阻传感器测量示意图铜电阻与温度间的关系为(9-2)式中，是温度为t时的铜电阻值；是温度为时铜电阻值；是常数，。铜热电阻传感器是由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等组成，如图9-7所示t01(1)RRt图9-7铜热电阻传感器结构tR0RC00130114.2810C(a)热电阻传感器结构(b)电阻体结构1—铜热电阻体2—不锈钢套管3—安装固定件4—接线盒5—瓷绝缘套管6—引线口7—引线端8—保护膜9—电阻丝10—心柱热电阻传感器外接引线如果较长时，引线电阻的变化会使测量结果有较大误差，为减小误差，可采用三线式电桥连接法测量电路或四线电阻测量电路，具体可参考相关资料。2、热敏电阻传感器热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的感温元件。通常采用重金属氧化物锰、钛、钴等材料，在高温下烧结混合而成，其常见结构和表示符号如图9-8所示。热敏电阻按照其温度特性的不同可分为两大类：负温度系数热敏电阻NTC和正温度系数热敏电阻PTC。NTC和PTC热敏电阻都可以细分为指数变化型和图9-8热敏电阻的结构与符号1—壳体2—热敏探头3—引线突变型（又称为临界温度型，英文缩写CTR）。（1）热敏电阻的温度特性热敏电阻的温度特性是指半导体材料的电阻值随温度变化而变化的特性。用半导体材料制成的热敏电阻与金属热电阻相比，有如下特点：1）热敏电阻的温度系数值远大于金属热电阻，所以灵敏度很高。2）同温度情况下，热敏电阻阻值远大于金属热电阻。所以连接导线电阻的影响很小，适用于远距离测量。3）热敏电阻的阻值与温度变化呈非线性关系，其测量温度范围远小于金属热电阻。（2）负温度系数热敏电阻用于测量的负温度系数热敏电阻，在较小的温度范围内，其电阻—温度特性关系为：(9-3)011B()TTT0RRe上式中—温度T时的阻值—温度（通常指或室温）时的阻值B—热敏电阻材料常数，常取2000～6000KT—热力学温度负温度系数热敏电阻是一种以过渡金属氧化物为主要原材料制造的半导体陶瓷元件，它具有电阻值随着温度的变化而相应变化的特性。即在一定的功率测量下，电阻值随着温度的上升而下降。利用这一特性，可将负温度系数热敏电阻应用在温度补偿、抑制浪涌电流和温度测控等场合。TR0RC00三、空气流量传感器