汽車傳感器的原理與作用講課稿

1、汽車傳感器的原理與作用 (1)光學(xué)式卡門旋渦空氣流量計(jì) 現(xiàn)代物理學(xué)光的粒子說認(rèn)為，光是一種具有能量的粒子流，當(dāng)物體受到光照射時，由于吸收了光子能量而產(chǎn)生的效應(yīng)，稱為光電效應(yīng)。光敏晶體管是一種半 導(dǎo)體器件，它的特點(diǎn)就是受到光的照射時，它們都會產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng)的光生伏特現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電流。 工作原理：在產(chǎn)生卡門旋渦的過程中，旋渦發(fā)生器兩側(cè)的空氣壓力會發(fā)生變化，通過導(dǎo)孔作用在金屬箔上，從而使其振動，發(fā)光二極管的光照在振動的金屬箔上時，光敏晶體管接收到的金屬箔上的反射光是被旋渦調(diào)制的光，再由光敏晶體管輸出調(diào)制過的頻率信號，這種頻率信號就代表了空氣的流量信號。2)超聲波式卡門旋渦式空氣流量計(jì)超聲波是指頻率

2、高于20HZ，人耳聽不到的機(jī)械波。它的特性就是方向性好，穿透力強(qiáng)，遇到雜質(zhì)或物體分界面會產(chǎn)生顯著的反射，譬如自然界里的蝙蝠，鯨魚等動物都是通過超聲波來進(jìn)行方位定向的。利用這種物理特性，我們可以把一些非電量轉(zhuǎn)換成聲學(xué)參數(shù)，通過壓電元件轉(zhuǎn)換成電量。超聲波式卡門旋渦式空氣流量計(jì)的工作原理與光學(xué)式卡門旋渦空氣流量計(jì)的工作原理大致相同，只是光學(xué)元件換成了聲學(xué)元件。在日常生活中，常常會遇到這樣的現(xiàn)象，即當(dāng)順著風(fēng)向喊話人時，對方很容易聽到；而逆著風(fēng)向喊人時，對方就不容易聽到。這是因?yàn)榍罢叩目諝饬鲃臃较蚺c聲波的前進(jìn)方向相同，聲波被加速的結(jié)果，而后者是聲波受阻而減速的結(jié)果。在超聲波式流量傳感器中，同樣存在著這種

3、現(xiàn)象。工作原理是：在旋渦發(fā)生器下游管路兩側(cè)相對安裝超聲波發(fā)射探頭和超聲波接收探頭，超聲波發(fā)射探頭不斷向超聲波接收探頭發(fā)出一定頻率(一般為40KHZ)的超聲波，當(dāng)超聲波通過進(jìn)氣氣流到達(dá)超聲波接收器時，由于受到氣流移動速度及壓力變化的影響，因此接收到的超聲波信號的相位(時間間隔)以及相位差(時間間隔之差)就會發(fā)生變化，集成控制電路根據(jù)相位或相位差的變化情況計(jì)量出渦流的頻率。渦流頻率信號輸入ECU后，ECU就可以計(jì)算出進(jìn)氣量。、熱線式空氣流量計(jì)構(gòu)成：我們來看書上的結(jié)構(gòu)圖，它的基本構(gòu)成包括感知空氣流量的白金熱線、根據(jù)進(jìn)氣溫度進(jìn)行修正的溫度補(bǔ)償電阻(冷線)、控制熱線電流的控制電路以及殼體等。根據(jù)白金熱線

4、在殼體內(nèi)安裝部位的不同，可分為安裝在空氣主通道內(nèi)的主流測量方式和安裝在空氣旁通道內(nèi)的旁通道測量方式。熱線式空氣流量計(jì)是利用空氣流過熱金屬線時的冷卻效應(yīng)工作的。將一根鉑絲熱線置于進(jìn)氣空氣流中，當(dāng)恒定電流通過鉑絲使其加熱后，如果流過鉑絲周圍的空氣增加，金屬絲溫度就會降低。如果要使鉑絲的溫度保持恒定，就應(yīng)根據(jù)空氣量調(diào)節(jié)熱線的電流，空氣流量越大，需要的電流越大。下面的圖是主流測量方式的熱線式空氣流量計(jì)的工作原理圖。其中RH為是直徑為0.03-0.05的細(xì)鉑絲(熱線)，RK是作為溫度補(bǔ)償?shù)睦渚€電阻。RA和RA是精密線橋電阻。四個電阻共同組成一個惠斯登電橋。在實(shí)際工作中，代表空氣流量的加熱電流是通過電橋中

5、的RA轉(zhuǎn)換成電壓輸出的。當(dāng)空氣以恒定流量流過時，電源電壓使熱線保持在一定溫度，此時電橋保持平衡。當(dāng)有空氣流動時，由于RH的熱量被空氣吸收而變冷，其電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡。此時，放大器即增加通過鉑絲的電流，直到恢復(fù)原來的溫度和電阻值，使電橋重新平衡。由于電量的增加，RA的電壓增加，這樣就在RA上得到了代表空氣流量的新的電壓輸出。進(jìn)氣溫度的任何變化都會使電橋失去平衡。為此，在靠近熱線的空氣流中，設(shè)有一個補(bǔ)償電阻絲(冷線)。冷線補(bǔ)償電阻的溫度起一個參照值的作用。在工作中，放大器會使熱線溫度高出進(jìn)氣溫度100度。熱線式空氣流量計(jì)長期使用，會使熱線上積累雜質(zhì)。為此，在熱線式流量計(jì)上采用了燒盡措施解

6、決這個難題。每當(dāng)發(fā)動機(jī)熄火時，ECU自動接通空氣流量計(jì)殼體內(nèi)的電子電路，熱線被自動加熱，使其溫度在1S內(nèi)升高了1000度。由于燒盡溫度必須是非常精確的，因此，在發(fā)動機(jī)熄火后4S后，該電路才被接通.這種空氣流量計(jì)由于沒有運(yùn)動部件，因此工作可靠，而且響應(yīng)特性較好；缺點(diǎn)是在空氣流速分布不均勻時誤差較大。 3、熱膜式空氣流量計(jì) 熱線式空氣流量計(jì)雖然可以提供精確的進(jìn)氣空氣流量，但造價(jià)太高，主要用于高級轎車，為了滿足精度高，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)又便宜的要求，德國博世公司厚膜工藝，開發(fā)出了熱膜式空氣流量計(jì)。熱膜式空氣流量計(jì)的工作原理與熱線式空氣流量計(jì)類似，都是用惠斯登電橋工作的。所不同的是熱膜式空氣流量計(jì)不用鉑金

7、作為熱線，而是將熱線電阻、補(bǔ)償電阻和線橋電阻用厚膜工藝集中在一塊陶瓷片上。這種空氣流量計(jì)已大量使用于各種電控汽油噴射系統(tǒng)中。壓力傳感器 功用：把壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枴?應(yīng)用范圍：它在汽車上主要有兩個方面的應(yīng)用。一是用于氣壓的檢測，包括進(jìn)氣真空度、大氣壓力、氣缸內(nèi)的氣壓及輪胎氣壓等；二是用于用于油壓的檢測，包括變速箱油壓、制動閥油壓及懸掛油壓等。電容式壓力傳感器首先我們來了解一下電容器。電容器的容量與組成的電容的兩極板間的電介質(zhì)及其相對有效面積成正比，而與兩極板間的距離成反比，即C=A/d，其中為電介質(zhì)的介電常數(shù)，A為兩金屬電極板間相對有效面積，d為兩金屬電極板間距離。由這個關(guān)系式可以看出，當(dāng)

8、其中兩個參數(shù)不變，而另一個參數(shù)作為變量時，電容量就會隨著變化的參數(shù)而變化。電容壓力傳感器由置于空腔內(nèi)的兩個動片(彈性金屬膜片)、兩個定片(彈性膜片上下凹玻璃上的金屬涂層)、輸出端子和殼體等組成。其動片與兩個定片之間形成了兩個串聯(lián)的電容。當(dāng)進(jìn)氣壓力作用于彈性膜片時，彈性膜片產(chǎn)生位移，勢必與一個定片距離減小，而與另一個定片距離加大(可以通過一張紙來示范)。我們可以從公式中看出，兩金屬電極板間距離是影響電容量的重要因素之一，距離增大，則電容量減少，距離減少，則電容量增大。這種由一個被測量量引起兩個傳感元件參數(shù)等量、相反變化的結(jié)構(gòu)，稱為差動結(jié)構(gòu)。如果彈性膜片置于被側(cè)壓力與大氣壓之間(彈性膜片上部空腔通

9、大氣)，測得的是表壓力；如果彈性膜片置于被側(cè)壓力與真空之間(彈性膜片上部空腔通真空)，測得的是絕對壓力。與電容式傳感器配合使用的測量電路有很多種，下面我們來以電橋電路為例說明電容差動式傳感器測量電路的工作原理，如圖，由于電容是交流參數(shù)，所以電橋通過變壓器用交流激勵。變壓器的兩個線圈與兩個電容組成電橋，當(dāng)無進(jìn)氣壓力時，電橋處于平衡狀態(tài)，兩電容值相等并且為C0，當(dāng)有壓力作用時，其中一個電容值為C0+C，另一個電容值為C0-C，(C為外部壓力作用時引起的電容值的變化量)，則電橋失去平衡，電容值高的地方電壓也高，兩個電容之間產(chǎn)生了電壓差，由此電橋產(chǎn)生代表進(jìn)氣壓力的電壓輸出U差動變壓器進(jìn)氣壓力傳感器 差

10、動壓力傳感器是一種開磁互感式電感傳感器。由于具有兩個接成差動結(jié)構(gòu)的二次線圈，所以又稱為差動變速器。 當(dāng)差動變壓器的一次線圈由交變電源激勵時，其二次線圈就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由于二次線圈作差動連接，所以總的輸出是兩線圈感應(yīng)電動勢之差。當(dāng)鐵心不動時，其總輸出量為零；當(dāng)鐵心移動時，輸出電動勢與鐵心位移呈線性變化。 差動變壓器進(jìn)氣壓力傳感器的檢測與轉(zhuǎn)換過程是：先將壓力的變化轉(zhuǎn)換成變壓器鐵心的位移，然后通過差動變速器再將鐵心位移轉(zhuǎn)換為電信號輸出。這種壓力傳感器主要有真空膜盒(波紋管)、差動變速器等組成。當(dāng)氣壓變化時，波紋管變形，帶動差速變壓器的鐵心移動，由于鐵心的位移，差動變壓器的輸出端即有電壓產(chǎn)生，將此

11、電壓經(jīng)過處理后送至ECU輸入端。如果按照電壓的高低來確定噴射時間并使噴油器工作的話，就可以確定基本噴油量。半導(dǎo)體應(yīng)變式進(jìn)氣壓力傳感器 半導(dǎo)體壓力進(jìn)氣傳感器是利用應(yīng)變效應(yīng)工作的。 所謂應(yīng)變效應(yīng)，就是指當(dāng)導(dǎo)體、半導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變時，其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。 電阻應(yīng)變片是一種片狀電阻傳感器，它是利用半導(dǎo)體材料當(dāng)在其軸向施加一定載荷產(chǎn)生應(yīng)力時，它的電阻率會發(fā)生變化的所謂壓阻效應(yīng)原理工作的。 由電阻應(yīng)變片構(gòu)成的進(jìn)氣壓力傳感器主要由半導(dǎo)體應(yīng)變片、真空室、混合集成電路板等組成。半導(dǎo)體應(yīng)變片是在一個膜片上用半導(dǎo)體工藝制做的四個等值電阻，并且連接成電橋電阻。半導(dǎo)體電阻電橋應(yīng)變片放置在一個真空室內(nèi)，在進(jìn)氣

12、壓力的作用下，應(yīng)變片產(chǎn)生變形，電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，從而將進(jìn)氣壓力的變化轉(zhuǎn)換成電阻電橋輸出電壓的變化。氣門位置傳感 節(jié)氣門位置傳感器安裝在節(jié)氣門體上，它將節(jié)氣門開度轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，以便計(jì)算機(jī)控制噴油量。 節(jié)氣門位置傳感器有開關(guān)量輸出和線性輸出兩種類型。開關(guān)式節(jié)氣門位置傳感器這種節(jié)氣門位置傳感器實(shí)質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)換開關(guān)，又稱為節(jié)氣門開關(guān)。這種節(jié)氣門位置傳感器包括動觸點(diǎn)、怠速觸點(diǎn)、滿負(fù)荷觸點(diǎn)。利用怠速觸點(diǎn)和滿負(fù)荷觸點(diǎn)可以檢測發(fā)動機(jī)的怠速狀態(tài)及重負(fù)荷狀態(tài)。一般將動觸點(diǎn)稱為TL觸點(diǎn)，怠速觸點(diǎn)稱為IDL觸點(diǎn)，滿負(fù)荷觸點(diǎn)稱為PSW觸點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)圖可以看出，在與節(jié)氣門聯(lián)動的連桿的作用下，凸輪可以旋轉(zhuǎn)，

13、動觸點(diǎn)可以沿凸輪的槽運(yùn)動。這種節(jié)氣門位置傳感器結(jié)構(gòu)比較簡單，但其輸出是非連續(xù)的。在節(jié)氣門全關(guān)閉時，電壓從TL端子加到IDL端子上，再回到電子控制器上。通過這樣的途徑傳遞信號時，電子控制器明白節(jié)氣門現(xiàn)在是全關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)踏下加速踏板，節(jié)氣門處于某一開度以上時，電壓從TL端子經(jīng)過PSW端子再傳遞給電子控制器。電子控制器明白了，現(xiàn)在節(jié)氣門打開了一定的角度。下面我將怠速信號與負(fù)荷信號對噴油量的影響加以說明。當(dāng)有IDL信號輸出并且發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超過規(guī)定轉(zhuǎn)速時，則中斷供油，以防止催化劑過熱及節(jié)省燃油。當(dāng)IDL信號從有輸出轉(zhuǎn)換到無輸出時，電子控制器判斷出節(jié)氣門從全關(guān)閉狀態(tài)換至打開狀態(tài)，當(dāng)然也就判斷出車輛處于起步或

14、再加速狀態(tài)，所以就會根據(jù)發(fā)動機(jī)的暖機(jī)狀態(tài)進(jìn)行加速加濃，增大噴油量，以供給加速所需要的較濃混合氣。當(dāng)有PSW信號輸入到電子控制器中時，則發(fā)揮輸出加濃功能，增大噴油量。在重負(fù)荷行車時，若沒有PSW信號輸出的話，就會沒有輸出加濃作用，發(fā)動機(jī)輸出的力量就要稍微低一些。線性節(jié)氣門位置傳感器 線性節(jié)氣門位置傳感器裝在節(jié)氣門上，它可以連續(xù)檢測節(jié)氣門的開度。它主要由與節(jié)氣門聯(lián)動的電位器、怠速觸點(diǎn)等組成。電位計(jì)的動觸點(diǎn)(即節(jié)氣門開度輸出觸點(diǎn))隨節(jié)氣門開度在電阻膜上滑動，從而在該觸點(diǎn)上(TTA端子)得到與節(jié)氣門開度成正比例的線性電壓輸出。如圖。當(dāng)節(jié)氣門全閉時，另外一個與節(jié)氣門聯(lián)動的動觸點(diǎn)與IDL觸點(diǎn)接通，傳感器輸

15、出怠速信號。節(jié)氣門位置輸出的線性電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸送給計(jì)算機(jī)。氧傳感器在使用三元催化進(jìn)化裝置的汽油噴射發(fā)動機(jī)中，一般都在排氣管中安排氧傳感器，用以檢測排氣中氧的含量，從而間接地判斷進(jìn)入氣缸內(nèi)混合氣的濃度，以便對實(shí)際空燃比進(jìn)行閉環(huán)控制。當(dāng)排氣中氧的含量過高時，說明混合氣過稀，氧傳感器即輸出一個電信號給ECU，讓其指令噴油器增加噴油量；當(dāng)排氣中氧的含量過低時，說明混合氣過濃，氧傳感器立刻將此信息傳遞給ECU，讓其指令噴油器減少噴油量。目前在汽車上使用的氧傳感器主要有二氧化鈦氧傳感器和二氧化鋯氧傳感器兩種類型的傳感器。工作原理：氧傳感器裝在發(fā)動機(jī)的排氣管里，用來測量排氣中氧的含量。它是按照大

16、氣與排氣中氧濃度之差而產(chǎn)生電動勢的一種電池。如圖，在陶瓷電解質(zhì)的內(nèi)、外兩面分別涂有白金以形成電極。當(dāng)它插入排氣管中時，其外表面接觸廢氣，內(nèi)表面則通大氣。在約300度以上的溫度時，陶瓷電解質(zhì)可變?yōu)檠蹼x子的傳導(dǎo)體。當(dāng)混合氣較稀，也就是過量空氣系數(shù)1時，排氣中含氧必然多，陶瓷電解質(zhì)的內(nèi)外表面的氧濃度差小，只產(chǎn)生小的電壓；而當(dāng)混合氣較濃，也就是過量空氣系數(shù)1時，排氣中氧含量較少，同時伴有大量的未完全燃燒物如CO、碳?xì)浠衔锏?，這些成分都可能在催化劑的作用下與氧發(fā)生反應(yīng)，消耗排氣中殘余的氧，使陶瓷電解質(zhì)外表面的氧濃度趨向于零，這樣就使得電解質(zhì)內(nèi)外的氧濃度差突然增大，傳感器輸出電壓也突然增大了，其數(shù)值趨向于1V。溫度傳感器 作用：用來測量冷卻水溫度、進(jìn)氣溫度和排氣溫度。 種類：溫度傳感器的