車用傳感器初步認(rèn)識(shí)

1、汽車傳感器目 錄引言 一、溫度傳感器二、流量傳感器三、壓力傳感器四、位置和轉(zhuǎn)速傳感器五、氧化傳感器六、爆震傳感器七、可變電阻型傳感器八、氣體濃度傳感器九、底盤控制用傳感器引 言汽車傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。目前，一輛普通家用轎車上大約安裝幾十到近百只傳感器，而豪華轎車上的傳感器數(shù)量可多達(dá)二百余只。汽車傳感器在汽車上主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)中。汽車傳感器是汽車計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入裝置，它把汽車運(yùn)行中各種工況信息，如車速、各種介質(zhì)的溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況等，轉(zhuǎn)化成電訊號(hào)輸給計(jì)算機(jī)，以便發(fā)動(dòng)

2、機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。汽車控制系統(tǒng)用傳感器是整個(gè)汽車傳感器的核心，種類很多，包括溫度傳感器、壓力傳感器、位置和轉(zhuǎn)速傳感器、流量傳感器、氣體濃度傳感器和爆震傳感器等。這些傳感器向發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制單元（ECU）提供車身的工作狀況信息，供ECU對(duì)車身工作狀況進(jìn)行精確控制。一、 溫度傳感器溫度傳感器（temperature transducer）是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。溫度傳感器是溫度測(cè)量?jī)x表的核心部分，品種繁多。按測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。主要用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、吸入氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度以及催化溫度等。溫度用

3、傳感器有線繞電阻式、熱敏電阻式和熱偶電阻式三種主要類型。三種類型傳感器各有特點(diǎn)，其應(yīng)用場(chǎng)合也略有區(qū)別。線繞電阻式溫度傳感器的精度高，但響應(yīng)特性差；熱敏電阻式溫度傳感器靈敏度高，響應(yīng)特性較好，但線性差，適應(yīng)溫度較低；熱偶電阻式溫度傳感器的精度高，測(cè)量溫度范圍寬，但需要配合放大器和冷端處理一起使用。已實(shí)用化的產(chǎn)品有熱敏電阻式溫度傳感器(通用型-50130，精度1.5%，響應(yīng)時(shí)間10ms；高溫型6001000，精度5%，響應(yīng)時(shí)間10ms)、鐵氧體式溫度傳感器(ON/OFF型，-40120，精度2.0%)、金屬或半導(dǎo)體膜空氣溫度傳感器(-40150，精度2.0%、5%，響應(yīng)時(shí)間20ms)等。1） 冷卻

4、水溫度傳感器：冷卻水溫度傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體或缸蓋的水套上，與冷卻水接觸，用來(lái)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水溫度。2） 進(jìn)氣溫度傳感器：進(jìn)氣溫度傳感器通常安裝在空氣濾清器之后的進(jìn)氣軟管上或空氣流量計(jì)上，還有的在空氣流量計(jì)和諧振腔上各裝一個(gè)，以提高噴油量的控制精度。二、 流量傳感器 流量傳感器主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量和燃料流量的測(cè)量?？諝饬髁康臏y(cè)量用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)確定燃燒條件、控制空燃比、起動(dòng)、點(diǎn)火等?？諝饬髁總鞲衅饔行D(zhuǎn)翼片式（葉片式）、卡門渦旋式、熱線式、熱膜式等四種類型。旋轉(zhuǎn)翼片式（葉片式）空氣流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較低，測(cè)得的空氣流量需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償；卡門渦旋式空氣流量計(jì)無(wú)可動(dòng)部件，反映靈敏，精

5、度較高，也需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償；熱線式空氣流量計(jì)測(cè)量精度高，無(wú)需溫度補(bǔ)償，但易受氣體脈動(dòng)的影響，易斷絲；熱膜式空氣流量計(jì)和熱線式空氣流量計(jì)測(cè)量原理一樣，但體積少，適合大批量生產(chǎn)，成本低?？諝饬髁總鞲衅鞯闹饕夹g(shù)指標(biāo)為：工作范圍0.11103立方米/min，工作溫度-40120，精度1%。燃料流量傳感器用于檢測(cè)燃料流量，主要有水輪式和循環(huán)球式，其動(dòng)態(tài)范圍060kg/h，工作溫度-40120，精度±1%，響應(yīng)時(shí)間小于10ms。電子控制汽油噴射系統(tǒng)的空氣流量傳感器有多種型式，目前常見的空氣流量傳感器按其結(jié)構(gòu)型式可分為葉片(翼板)式、量芯式、熱線式、熱膜式、卡門渦旋式等幾種。1）葉片式空氣流量傳

6、感器：傳統(tǒng)的波許L型汽油噴射系統(tǒng)及一些中檔車型采用這種葉片式空氣流量傳感器，如豐田CAMRY(佳美)小轎車、豐田PREVIA(大霸王)小客車、馬自達(dá)MPV多用途汽車等。2）卡門渦旋式空氣流量傳感器：在進(jìn)氣管道正中間設(shè)有一流線形或三角形的渦流發(fā)生器，當(dāng)空氣流經(jīng)該渦流發(fā)生器時(shí)，在其后部的氣流中會(huì)不斷產(chǎn)生一列不對(duì)稱卻十分規(guī)則的被稱為卡門渦流的空氣渦流。凌志LS400小轎車即用了這種型式的卡門渦旋式空氣流量傳感器。3）熱線式空氣流量傳感器：熱線式空氣流量傳感器的基本結(jié)構(gòu)由感知空氣流量的白金熱線(鉑金屬線)、根據(jù)進(jìn)氣溫度進(jìn)行修正的溫度補(bǔ)償電阻(冷線)、控制熱線電流并產(chǎn)生輸出信號(hào)的控制線路板以及空氣流量傳

7、感器的殼體等元件組成。根據(jù)白金熱線在殼體內(nèi)的安裝部位不同，熱線式空氣流量傳感器分為主流測(cè)量、旁通測(cè)量方式兩種結(jié)構(gòu)形式。波許LH型汽油噴射系統(tǒng)及一些高檔小轎車采用這種空氣流量傳感器，如別克、日產(chǎn)MAXIMA(千里馬)、沃爾沃等。三、 壓力傳感器壓力傳感器主要用于檢測(cè)氣缸負(fù)壓、大氣壓、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的升壓比、氣缸內(nèi)壓、油壓等。吸氣負(fù)壓式傳感器主要用于吸氣壓、負(fù)壓、油壓檢測(cè)。汽車用壓力傳感器應(yīng)用較多的有電容式、壓阻式、差動(dòng)變壓器式（LVDT）、表面彈性波式（SAW）。 電容式壓力傳感器主要用于檢測(cè)負(fù)壓、液壓、氣壓，測(cè)量范圍20100kPa，具有輸入能量高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)；壓阻式壓力傳

8、感器受溫度影響較大，需要另設(shè)溫度補(bǔ)償電路，但適應(yīng)于大量生產(chǎn)；LVDT式壓力傳感器有較大的輸出，易于數(shù)字輸出，但抗干擾性差；SAW式壓力傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、分辨率高、數(shù)字輸出等特點(diǎn)，用于汽車吸氣閥壓力檢測(cè)，能在高溫下穩(wěn)定地工作，是一種較為理想的傳感器。1）半導(dǎo)體壓敏電阻式進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力傳感器：半導(dǎo)體壓敏電阻式進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力傳感器由壓力轉(zhuǎn)換元件（硅膜片）和把轉(zhuǎn)換元件輸出信號(hào)進(jìn)行放大的混合集成電路組成。壓力轉(zhuǎn)換元件是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)制成的硅膜片。硅膜片的一側(cè)是真空室，另一側(cè)導(dǎo)入進(jìn)氣歧管壓力，所以進(jìn)歧管內(nèi)絕對(duì)壓力越高，硅膜片的變形越大，其變形量與壓力成正比。附

9、著在薄膜上的應(yīng)變電阻的阻值則產(chǎn)生與其變形量成正比的變化。利用這種原理，可把進(jìn)氣歧管內(nèi)壓力的變化變換成電信號(hào)?；使?.0轎車2JZ-GE發(fā)動(dòng)機(jī)、北京切諾基轎車等采用了半導(dǎo)體壓敏電阻式進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力傳感器。2）空膜盒式進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力傳感器：真空膜盒傳動(dòng)的可變電感式進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力傳感器主要由膜盒、鐵心、感應(yīng)線圈和電子電路等組成。膜盒是由薄金屬片焊接而成，其內(nèi)部被抽成真空，外部與進(jìn)氣歧管相通。外部壓力變化將使膜盒產(chǎn)生膨脹和收縮的變化。置于感應(yīng)線圈內(nèi)部的鐵芯和膜盒聯(lián)動(dòng)。3）電容式壓力傳感器：電容式壓力傳感器主要用于檢測(cè)負(fù)壓、液壓、氣壓，測(cè)量范圍20100kPa，具有輸入能量高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、環(huán)境

10、適應(yīng)性好等特點(diǎn)。主要有接觸型微機(jī)械加工電容式壓力傳感器和陶瓷電容式壓力傳感器等類型。4）不銹鋼多晶硅壓力傳感器：不銹鋼多晶硅壓力傳感器用在汽車上測(cè)量高壓達(dá)到180mPa。這種傳感器的不銹鋼柱體末端封閉，其下部是很薄的硬膜片。當(dāng)流體壓力增大時(shí)，作用于膜片的內(nèi)表面，使膜片產(chǎn)生變形，多晶硅應(yīng)變敏感元件通過蒸發(fā)工藝淀積在不銹鋼膜片的外部，并和惠斯頓電橋電路連接。四、 位置和轉(zhuǎn)速傳感器位置和轉(zhuǎn)速傳感器主要用于檢測(cè)曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門的開度、車速等。目前汽車使用的位置和轉(zhuǎn)速傳感器主要有交流發(fā)電機(jī)式、磁阻式、霍爾效應(yīng)式、簧片開關(guān)式、光學(xué)式、半導(dǎo)體磁性晶體管式等，其測(cè)量范圍0°360

11、6;，精度±0.5°以下，測(cè)彎曲角達(dá)±0.1 。 曲軸位置傳感器是發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)中最主要的傳感器之一，它提供點(diǎn)火時(shí)刻（點(diǎn)火提前角）、確認(rèn)曲軸位置的信號(hào)，用于檢測(cè)活塞上止點(diǎn)、曲軸轉(zhuǎn)角及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。曲軸位置傳感器所采用的結(jié)構(gòu)隨車型不同而不同，可分為磁脈沖式、光電式和霍爾式三大類。它通常安裝在曲軸前端、凸輪軸前端、飛輪上或分電器內(nèi)。1）磁脈沖式曲軸位置傳感器：日產(chǎn)公司磁脈沖式曲軸位置傳感器，該曲軸位置傳感器安裝在曲軸前端的皮帶輪之后，在皮帶輪后端設(shè)置一個(gè)帶有細(xì)齒的薄圓齒盤（用以產(chǎn)生信號(hào)，稱為信號(hào)盤），它和曲軸皮帶輪一起裝在曲軸上，隨曲軸一起旋轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，信號(hào)盤

12、的齒和凸緣引起通過感應(yīng)線圈的磁場(chǎng)發(fā)生變化，從而在感應(yīng)線圈里產(chǎn)生交變的電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)濾波整形后，即變成脈沖信號(hào)。豐田公司磁脈沖式曲軸位置傳感器：豐田公司TCCS系統(tǒng)用磁脈沖式曲軸位置傳感器安裝在分電器內(nèi)，利用帶有輪齒的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，使信號(hào)發(fā)生器感應(yīng)線圈內(nèi)的磁通變化，從而在感應(yīng)線圈里產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，再將它放大后，送入ECU。2）光電式曲軸位置傳感器：日產(chǎn)公司光電式曲軸位置傳感器設(shè)置在分電器內(nèi)，它由信號(hào)發(fā)生器和帶縫隙和光孔的信號(hào)盤組成，兩只發(fā)光二極管分別正對(duì)著光敏二極管，發(fā)光二極管以光敏二極管為照射目標(biāo)。信號(hào)盤位于發(fā)光二極管和光敏二極管之間，當(dāng)信號(hào)盤隨發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因信號(hào)盤上有光孔，產(chǎn)生透光和遮

13、光的交替變化，造成信號(hào)發(fā)生器輸出表征曲軸位置和轉(zhuǎn)角的脈沖信號(hào)。所示為光電式信號(hào)發(fā)生器的作用原理?！艾F(xiàn)代SONATA”汽車用光電式曲軸位置傳感器：“現(xiàn)代SONATA”，汽車光電式曲軸位置傳感器的工作原理與日產(chǎn)公司光電式曲軸位置傳感器相似，其信號(hào)盤的結(jié)構(gòu)稍有不同。3）節(jié)氣門位置傳感器：開關(guān)量輸出型節(jié)氣門位置傳感器又稱為節(jié)氣門開關(guān)，是用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的設(shè)備。其主要功用是檢測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)是處于怠速工況還是負(fù)荷工況，是加速工況還是減速工況。它實(shí)質(zhì)上是一只可變電阻器和幾個(gè)開關(guān)，安裝于節(jié)氣門體上。4）同步信號(hào)傳感器：ECU根據(jù)曲軸位置傳感器的輸出信號(hào)可以知道氣缸的活塞在接近上止點(diǎn)位置，但并不清楚是哪個(gè)氣缸，還

14、需要有判缸信號(hào)相配合，即需要有同步信號(hào)傳感器向ECU提供信息，故同步信號(hào)傳感器是一個(gè)提供氣缸判別定位信號(hào)的傳感器。同步信號(hào)傳感器安裝在分電器內(nèi)，它主要由脈沖環(huán)和霍爾信號(hào)發(fā)生器組成。可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常的噴油和點(diǎn)火順序。5）速度及加速度傳感器：光電式車速信號(hào)傳感器：它由光源、帶孔圓盤（光柵）和光敏管組成。汽車車輪在光滾筒上滾動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)光柵以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，光源連續(xù)發(fā)光，當(dāng)光束通過光柵上的小孔時(shí)，光束照到光敏管上，使它產(chǎn)生相應(yīng)的電脈沖信號(hào)。此信號(hào)送入計(jì)數(shù)器即可得到被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速。車速信號(hào)有兩種，其一是單位時(shí)間計(jì)數(shù)（頻率），其二是測(cè)脈寬（周期），兩者菌可得到滾筒的轉(zhuǎn)速信號(hào)，根據(jù)滾筒的半徑及光柵盤上小孔的

15、個(gè)數(shù)可得到車速信號(hào)。 磁電式車速傳感器：圖2-9為磁電式傳感器工作示意圖。它由旋轉(zhuǎn)齒輪和永久磁鐵及感應(yīng)線圈等組成。汽車車輪在光滾筒上滾動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)齒輪以一定速度旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁電傳感器對(duì)準(zhǔn)齒頂時(shí)，磁電傳感器感生電動(dòng)勢(shì)增強(qiáng)，同理，當(dāng)磁電傳感器對(duì)準(zhǔn)齒槽時(shí)，磁電傳感器感生電動(dòng)勢(shì)減弱，由于磁阻的變化，磁電傳感器輸出的電壓信號(hào)為交變信號(hào)。因信號(hào)較弱（一般在3mV左右），所以必須經(jīng)過信號(hào)放大整形電路，將交變信號(hào)變?yōu)槊}沖信號(hào)，送入CPU高速輸入口（HSI），以獲取車速信號(hào)。霍爾傳感器：汽車在滾筒上滾動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，當(dāng)霍爾傳感器（霍爾元件）對(duì)準(zhǔn)永久磁鐵時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，輸出電壓可達(dá)10mV，當(dāng)霍爾傳

16、感器遠(yuǎn)離磁場(chǎng)時(shí)，輸出電壓降至0V，這樣可得到脈沖信號(hào)，送入CPU高速輸入口（HSI），通過檢測(cè)脈沖頻率或周期，變可得到車速信號(hào)。 測(cè)速電機(jī)：汽車車輪在滾筒上滾動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)測(cè)速電機(jī)旋轉(zhuǎn)，測(cè)速電機(jī)產(chǎn)生的電壓正比于滾筒轉(zhuǎn)速，通過A/D采集可得到車速信號(hào)。 五、 氧化傳感器在使用三效催化轉(zhuǎn)化器降低排放污染的發(fā)動(dòng)機(jī)上，氧傳感器是必不可少的。三效催化轉(zhuǎn)化器安裝在排氣管的中段，它能凈化排氣中CO、HC和NOx三種主要的有害成分，但只在混合氣的空燃比處于接近理論空燃比的一個(gè)窄小范圍內(nèi)，三效催化轉(zhuǎn)化器才能有效地起到凈化作用。故在排氣管中插入氧傳感器，借檢測(cè)廢氣中的氧濃度測(cè)定空燃比。并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)或電阻信號(hào)，

17、反饋給ECU。ECU控制空燃比收斂于理論值。    目前使用的氧傳感器有氧化鋯式和氧化鈦式兩種，其中應(yīng)用最多的是氧化鋯式氧傳感器。1）氧化鋯式氧傳感器：氧化鋯式氧傳感器的基本元件是氧化鋯陶瓷管（固體電解質(zhì)），亦稱鋯管。鋯管固定在帶有安裝螺紋的固定套中，內(nèi)外表面均覆蓋著一層多孔性的鉛膜，其內(nèi)表面與大氣接觸，外表面與廢氣接觸。氧傳感器的接線端有一個(gè)金屬護(hù)套，其上開有一個(gè)用于鋯管內(nèi)腔與大氣相通的孔；電線將鋯管內(nèi)表面鉑極經(jīng)絕緣套從此接線端引出。氧化鋯在溫度超過300后，才能進(jìn)行正常工作。早期使用的氧傳感器靠排氣加熱，這種傳感器必須在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)分鐘后才能開始工作，它只

18、有一根接線與ECU相連。2）氧化鈦式氧傳感器：氧化鈦式氧傳感器是利用二氧化鈦材料的電阻值隨排氣中氧含量的變化而變化的特性制成的，故又稱電阻型氧傳感器。二氧化鈦式氧傳感器的外形和氧化鋯式氧傳感器相似，在傳感器前端的護(hù)罩內(nèi)是一個(gè)二氧化鈦厚膜元件。六、 爆震傳感器爆震傳感器是發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)中必不可少的重要部件，它的功用是檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)有無(wú)爆震現(xiàn)象，并將信號(hào)送入發(fā)動(dòng)機(jī)ECU。常見的爆震傳感器有兩種，一種是磁致伸縮式爆震傳感器，另一種是壓電式爆震傳感器。1）磁致伸縮式爆震傳感器：內(nèi)部有永久磁鐵、靠永久磁鐵激磁的強(qiáng)磁性鐵心以及鐵心周圍的線圈。其工作原理是:當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)，該傳感器在7kHz左右處與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振，強(qiáng)磁性材料鐵心的導(dǎo)磁率發(fā)生變化，致使永久磁鐵穿過鐵心的磁通密度也變化，從而在鐵心周圍的繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并將這一電信號(hào)