第7讲 传感器与执行器

2020/2/111第6章传感器与执行器2020/2/112目录概述汽车中的传感器汽车中的执行器2020/2/1136.1概述传感器：指能感受规定的物理量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，即把非电量转换成电量的装置。智能化、集成化和数字化将是传感器的未来发展趋势。传感器通常由敏感元件、转换元件及测量电路组成。敏感元件直接感受被测量；转换元件将非电量转换成电量，有些敏感元件可以直接输入电量；测量电路将转换元件输入的电量经过处理，以便进行显示、记录和控制。测量电路中较多地使用电桥电路。2020/2/1146.1概述（续）分类：可按被测物理量来分，按工作原理来分，或者按输出信号的性质来分。按被测物理量温度传感器湿度传感器压力传感器位移传感器流量传感器液位传感器力传感器加速度传感器转矩传感器2020/2/1156.1概述（续）按工作原理电学式传感器磁学式传感器光电式传感器电势型传感器（热电效应、光电效应、霍尔效应）电荷传感器半导体传感器谐振式传感器电化学传感器按输出信号的性质开关型传感器2020/2/1166.1概述（续）模拟型传感器脉冲或代码数字型传感器传感器的基本特性静态特性：指传感器转换的被测量处在稳定状态时，传感器的输出与输入之间的关系。线性度：传感器实际输入/输出特性曲线与理论直线之间的最大偏差与满量程输出值的百分比，称为线性度或非线性度误差。灵敏度：稳态时传感器输出变化量与输入变化量之比。迟滞：在相同条件下，传感器的正行程特性与反行程特性的不一致程度。2020/2/117重复性：在相同条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变化多次所得特性曲线的不一致性。6.1概述（续）测量范围：在允许的误差范围内，被测量的下限到上限之间的范围，上限值与下限值之差称为量程。分辨率：在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最小变化量，受噪声的限制。零漂：在无输入或输入为某一定值时，输出值偏离原示值的最大偏差与满量程的百分比。温漂：温度每升高1度，输出值的最大偏差与满量程的百分比。2020/2/1186.1概述（续）动态特性：指输入变化时，传感器的输出特性。实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。对标准输入信号的响应与对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。2020/2/1196.2汽车中的传感器2020/2/11106.2汽车中的传感器（续）空气流量传感器风门式空气流量计：安装在空气滤清器和节气门之间，用于检测吸入空气量的多少，并把检测结果转换成电信号。由风门和电位计组成。2020/2/11116.2汽车中的传感器（续）热线式空气流量计：利用空气流过热金属线时的冷却效应进行工作。将一根铂丝热线置于进气空气流中，当恒定电流通过铂丝使其加热后，如果流过铂丝周围的空气增加，金属丝温度就会降低。如果要使铂丝的温度保持恒定，就应根据空气量调节热线的电流，空气流量越大，需要的电流越大。这种空气流量计由于没有运动部件，因此工作可靠，而且响应特性较好；缺点是在空气流速分布不均匀时误差较大。2020/2/11126.2汽车中的传感器（续）压力传感器：在汽车上主要有两个方面的应用。一是用于气压的检测，包括进气真空度、大气压力、气缸内的气压及轮胎气压等；二是用于用于油压的检测，包括变速箱油压、制动阀油压及悬挂油压等。电容式压力传感器2020/2/1113由一个被测量引起两个传感元件参数等量、相反变化的结构，称为差动结构。差动结构具有较高的灵敏度。6.2汽车中的传感器（续）2020/2/11146.2汽车中的传感器（续）差动变压器式压力传感器由波纹管、铁芯、差动变压器组成2020/2/11156.2汽车中的传感器（续）应变式压力传感器2020/2/1116节气门位置传感器节气门位置传感器安装在节气门体上，将节气门开度转换成电压信号输出，以便计算机控制喷油量。6.2汽车中的传感器（续）节气门位置传感器有开关量输出和线性输出两种类型。2020/2/11176.2汽车中的传感器（续）2020/2/11186.2汽车中的传感器（续）氧传感器常安放在排气管中检测排气中氧的含量，从而间接地判断进入气缸内混合气的浓度，以对实际空燃比进行闭环控制。当排气中氧的含量过高时，说明混合气过稀，应增加喷油量；反之，说明混合气过浓，应减少喷油量。它是按照大气与排气中氧浓度之差而产生电动势的一种电池。当混合气较稀，只产生小的电压；而当混合气较浓，产生大的电压。2020/2/11196.2汽车中的传感器（续）在陶瓷电介质的内、外两面分别涂有白金以形成电极。当它插入排气管中时，其外表面接触废气，内表面则通大气。在约300度以上的温度时，陶瓷电介质可变为氧离子的传导体。2020/2/11206.2汽车中的传感器（续）温度传感器用来测量冷却水温度、进气温度和排气温度。有热敏电阻式、热电偶式和半导体式多种形式。热敏电阻随温度升高阻值增加的叫做正温度型热敏电阻，反之叫做负温度型热敏电阻。测量电路比较简单，只要把传感器与一个精密电阻串联接到一个稳定的电源上，就能够用串联电阻的分压输出反映温度的变化。热敏电阻的测温范围相对较窄。2020/2/11216.2汽车中的传感器（续）热电偶：构造简单，测量精度高，测量范围广。塞贝克效应：将两种不同的金属A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当金属A和B的两个执着点之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成电流。温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。2020/2/11226.2汽车中的传感器（续）爆震传感器可燃混合气未点火而提前自燃的现象称为爆震。爆震不仅会降低发动机的功率，而且可能导致发动机损坏。采用振动检测方法的爆震传感器有磁滞伸缩式和压电式两种。磁滞伸缩式爆震传感器应用较早，安装在发动机上，是一种电感式传感器，其内部有永久磁铁、强磁性铁心以及电磁绕组等。当爆震发生，铁心受振使电磁绕组的磁通发生变化，线圈产生感应电动势。当传感器的固有频率与发动机爆震时的振动频率相同时，传感器输出最大信号。压电式爆震传感器：利用压电效应制成的传感器。2020/2/11236.2汽车中的传感器（续）当沿着一定方向向某些电介质施力而使其变形时，其内部会发生极化，同时在其表面产生电荷的现象。压电式传感器是一种力敏元件。2020/2/11246.2汽车中的传感器（续）曲轴位置传感器曲轴位置传感器（又称点火信号发生器），用于点火正时控制，还是检测发动机转速的信号源。曲轴位置传感器主要有磁脉冲式和霍尔式。磁脉冲式曲轴位置传感器由定时转子、永久磁铁、耦合线圈等组成。2020/2/11256.2汽车中的传感器（续）霍尔位置传感器：利用半导体的磁电转换原理进行工作。霍尔元件是一种半导体四端薄片。霍尔式曲轴位置传感器有两个部件，一个是由导磁材料制成的触发叶轮，另一个是霍尔信号发生器。触发叶轮上的叶片数与发动机的气缸数相同，触发叶轮由分电器带动。2020/2/11266.2汽车中的传感器（续）转速传感器用于发动机转速及车速的检测。一般有两种形式，一种是舌簧开关型，另一种是光电耦合型。舌簧开关是在一个玻璃管内装有两个细长的触头构成的开关元件。其触头由磁性材料制成。当有磁场作用时，两个触头就会相互吸引而闭合或者互相排斥而断开。车速传感器由带有四磁极的转子、舌簧开关组成。2020/2/11276.2汽车中的传感器（续）光电型车速传感器主要由转子、遮光板、光电传感器等组成。加速度传感器加速度=惯性力/质量，只需要测量力就可以了。2020/2/11286.2汽车中的传感器（续）超声波传感器超声波探头利用压电陶瓷作为换能器件实现超声波的发射和接收。给压电陶瓷片施加一定的超音频电信号，压电陶瓷片将电能转换成声能发送超声波；反射的超声波作用于探头压电陶瓷片，压电陶瓷片又将声能转换成电信号。2020/2/11296.3汽车中的执行器根据汽车电子系统具备的控制功能强弱不同，各种车型上执行器亦有多有少。一般来讲，发动机主要的执行器有：电动燃油泵、电磁喷油器和点火装置等。滚柱式电动汽油泵主要由驱动电动机、转子、滚柱、安全阀、单向阀和阻尼减振器等组成。装有滚柱的转子与泵体间偏心安装。齿轮式电动汽油泵主要由带外齿的主动齿轮、带内齿的从动齿轮和泵套组成。电动汽油泵：提供足够的具有规定压力的汽油。按结构的不同，电动汽油泵可以分为滚柱式、涡轮式、齿轮式和叶片式等。2020/2/11306.3汽车中的执行器（续）有些发动机上专门设汽油泵ECU，通过控制加到汽油泵电动机上的不同电压来实现对汽油泵转速和泵油量的控制。与滚柱式电动汽油泵相似，带内齿的从动齿轮和泵套偏心。主动齿轮被燃油泵电动机拖动旋转，从而带动从动齿轮一起旋转。在从动齿轮和主动齿轮的内外齿啮合的过程中，由内外齿所围合的的腔室发生容积大小的变化。合理地设置进出油口的位置，即可利用这种容积的变化将燃油以一定压力喷出。2020/2/11316.3汽车中的执行器（续）电磁喷油器：根据ECU的控制信号，向进气歧管、进气总管内喷射定量的雾化汽油。喷油量可由针阀开启时间和喷射压力决定。喷油时，磁芯被吸动，针阀随之离开阀座，喷油器开始喷油。当三极管截止时，电磁力消失，弹簧力使针阀返回到阀座上，阀门关闭，喷油器停止供油。2020/2/11326.3汽车中的执行器（续）ABS（自动刹车系统）：由加速度传感器、油泵、电磁阀和控制器组成。车辆紧急制动时，车速迅速降低。当车轮即将停止转动时，刹车系统减小制动力，当车轮恢复转动后制动力又会加大，到车轮又要停转时制动力再减小，如此反复，确保车轮不被抱死。2020/2/11336.3汽车中的执行器（续）步进电机将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。2020/2/11346.3汽车中的执行器（续）基本结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：2020/2/11356.3汽车中的执行器（续）工作原理：如A相通电，B、C相不通电时，齿1与A对齐，转子不动；如B相通电，A、C相不通电时，齿2应与B对齐，转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て；如C相通电，A、B相不通电，齿3应与C对齐，转子再向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐；如A相通电，B、C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て。这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距。如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て地向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。