汽车传感器简介

1、几种重要的汽车传感器原理浅析 立帜汽车电子网 几种重要的汽车传感器原理浅析。一、传感器概述传感器的概念：指能感受规定的物理量，并按照一定规律转换成可用输信号的器件或装置。简单的说，传感器即使把非电量转换成电量的装置。汽车传感器的工作条件极为恶劣，因此，传感器能否精确可靠地工作至关重要。在该领域中，理论研究及材料应用发展迅速，半导体和金属膜技术研究及材料应用技术发展迅速，半导体和金属膜技术、陶瓷烧结技术等得到迅猛发展。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。敏感元件是指能直接感受被测量的部分。转换元件是指能将非电量转换成电量的部分。有些敏感元

2、件可以直接输入电量。测量电路是指将转换元件输入的电量经过处理，以便进行显示、记录和控制的部分。测量电路中较多的使用电桥电路。比如后面要讲到的热线式空气流量计。传感器的种类比较多，像我们一般碰到的传感器一般有：温度传感器（冷却水温度传感器THW，进气温度传感器THA）；流量传感器（空气流量传感器，燃油流量传感器）；进气压力传感器MAP节气门位置传感器TPS发动机转速传感器车速传感器SPD曲轴位置传感器（点火正时传感器）氧传感器爆震传感器（KNK）二、空气流量传感器为了形成符合要求的混合气，使空燃比达到最佳值，我们就必须对发动机进气空气流量进行精确控制。下面我们来介绍一下几种常用的空气流量传感器。

3、1、 卡门旋涡式空气流量计卡门旋涡式空气流量计的原理图如下：涡流式空气流量传感器是利用超声波或光电信号，通过检测旋涡频率来测量空气流量的一种传感器。众所周知，当野外架空的电线被风吹时，就会发出“嗡、嗡”的声音，且风速越高声音频率越高，这是气体流过电线后形成旋涡（即涡流）所致。液体、气体等流体均会产生这种现象。同样，如果我们在进气道中放置一个涡流发生器，比如说一个柱状物，在空气流过时，在涡流发生器后部将会不断产生如图所示的两列旋转方向相反，并交替出现的旋涡。这个旋涡就称为卡门旋涡。卡门旋涡式空气流量计就是利用这种这种旋涡形成的原理，测量气体流速，并通过流速的测量直接反映空气流量。对于一台具体的卡

4、门旋涡式空气流量计，有如下关系式：qv=kf , qv为体积流量，f为单列旋涡产生的频率，k为比例常数，它与管道直径，柱状物直径等有关。由这个关系式可知，体积流量与卡门涡流传感器的输出频率成正比。利用这个原理，我们只要检测卡门旋涡的频率f，就可以求出空气流量。根据旋涡频率的检测方式的不同，汽车用涡流式空气流量传感器分为超声波检测式和光学式检测式两种。例如，中国大陆进口的丰田凌志LS400型轿车和台湾进口的皇冠3.0型轿车采用了 光电检测涡流式空气流量器；日本三菱吉普车、中国长风猎豹吉普车和韩国现代轿车采用了超声波检测涡流式空气流量传感器。（1）光学式卡门旋涡空气流量计光学式卡门旋涡空气流量计的

5、工作原理图。（具体结构可视情况讲述）现代物理学光的粒子说认为，光是一种具有能量的粒子流，当物体受到光照射时，由于吸收了光子能量而产生的效应，称为光电效应。光敏晶体管是一种半导体器件，它的特点就是受到光的照射时，它们都会产生内光电效应的光生伏特现象，从而产生电流。工作原理：在产生卡门旋涡的过程中，旋涡发生器两侧的空气压力会发生变化，通过导孔作用在金属箔上，从而使其振动，发光二极管的光照在振动的金属箔上时，光敏晶体管接收到的金属箔上的反射光是被旋涡调制的光，再由光敏晶体管输出调制过的频率信号，这种频率信号就代表了空气的流量信号。（）超声波式卡门旋涡式空气流量计超声波是指频率高于20HZ，人耳听不到

6、的机械波。它的特性就是方向性好，穿透力强，遇到杂质或物体分界面会产生显著的反射，譬如自然界里的蝙蝠，鲸鱼等动物都是通过超声波来进行方位定向的。利用这种物理特性，我们可以把一些非电量转换成声学参数，通过压电元件转换成电量。超声波式卡门旋涡式空气流量计的工作原理与光学式卡门旋涡空气流量计的工作原理大致相同，只是光学元件换成了声学元件。在日常生活中，常常会遇到这样的现象，即当顺着风向喊话人时，对方很容易听到；而逆着风向喊人时，对方就不容易听到。这是因为前者的空气流动方向与声波的前进方向相同，声波被加速的结果，而后者是声波受阻而减速的结果。在超声波式流量传感器中，同样存在着这种现象。工作原理是：在旋涡

7、发生器下游管路两侧相对安装超声波发射探头和超声波接收探头，超声波发射探头不断向超声波接收探头发出一定频率（一般为40KHZ）的超声波，当超声波通过进气气流到达超声波接收器时，由于受到气流移动速度及压力变化的影响，因此接收到的超声波信号的相位（时间间隔）以及相位差（时间间隔之差）就会发生变化，集成控制电路根据相位或相位差的变化情况计量出涡流的频率。涡流频率信号输入ECU后，ECU就可以计算出进气量。、 热线式空气流量计构成：我们来看书上的结构图，它的基本构成包括感知空气流量的白金热线、根据进气温度进行修正的温度补偿电阻（冷线）、控制热线电流的控制电路以及壳体等。根据白金热线在壳体内安装部位的不同

8、，可分为安装在空气主通道内的主流测量方式和安装在空气旁通道内的旁通道测量方式。热线式空气流量计是利用空气流过热金属线时的冷却效应工作的。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。下面的图是主流测量方式的热线式空气流量计的工作原理图。其中RH为是直径为0.03-0.05的细铂丝（热线），RK是作为温度补偿的冷线电阻。RA和RA是精密线桥电阻。四个电阻共同组成一个惠斯登电桥。在实际工作中，代表空气流量的加热电流是通过电桥中的RA转换成电压输出的

9、。当空气以恒定流量流过时，电源电压使热线保持在一定温度，此时电桥保持平衡。当有空气流动时，由于RH的热量被空气吸收而变冷，其电阻值发生变化，电桥失去平衡。此时，放大器即增加通过铂丝的电流，直到恢复原来的温度和电阻值，使电桥重新平衡。由于电量的增加，RA的电压增加，这样就在RA上得到了代表空气流量的新的电压输出。进气温度的任何变化都会使电桥失去平衡。为此，在靠近热线的空气流中，设有一个补偿电阻丝（冷线）。冷线补偿电阻的温度起一个参照值的作用。在工作中，放大器会使热线温度高出进气温度100度。热线式空气流量计长期使用，会使热线上积累杂质。为此，在热线式流量计上采用了烧尽措施解决这个难题。每当发动机

10、熄火时，ECU自动接通空气流量计壳体内的电子电路，热线被自动加热，使其温度在1S内升高了1000度。由于烧尽温度必须是非常精确的，因此，在发动机熄火后4S后，该电路才被接通。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。、 热膜式空气流量计热线式空气流量计虽然可以提供精确的进气空气流量，但造价太高，主要用于高级轿车，为了满足精度高，结构简单，造价又便宜的要求，德国博世公司厚膜工艺，开发出了热膜式空气流量计。热膜式空气流量计的工作原理与热线式空气流量计类似，都是用惠斯登电桥工作的。所不同的是热膜式空气流量计不用铂金作为热线，而是将热线电阻、

11、补偿电阻和线桥电阻用厚膜工艺集中在一块陶瓷片上。这种空气流量计已大量使用于各种电控汽油喷射系统中。三、压力传感器功用：把压力信号转变为电压信号。应用范围：它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。1、电容式压力传感器首先我们来了解一下电容器。电容器的容量与组成的电容的两极板间的电介质及其相对有效面积成正比，而与两极板间的距离成反比，即C= A/d，其中为电介质的介电常数，A为两金属电极板间相对有效面积，d为两金属电极板间距离。由这个关系式可以看出，当其中两个参数不变，而

12、另一个参数作为变量时，电容量就会随着变化的参数而变化。电容压力传感器由置于空腔内的两个动片（弹性金属膜片）、两个定片（弹性膜片上下凹玻璃上的金属涂层）、输出端子和壳体等组成。其动片与两个定片之间形成了两个串联的电容。当进气压力作用于弹性膜片时，弹性膜片产生位移，势必与一个定片距离减小，而与另一个定片距离加大（可以通过一张纸来示范）。我们可以从公式中看出，两金属电极板间距离是影响电容量的重要因素之一，距离增大，则电容量减少，距离减少，则电容量增大。这种由一个被测量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。如果弹性膜片置于被侧压力与大气压之间（弹性膜片上部空腔通大气），测得的是表压

13、力；如果弹性膜片置于被侧压力与真空之间（弹性膜片上部空腔通真空），测得的是绝对压力。与电容式传感器配合使用的测量电路有很多种，下面我们来以电桥电路为例说明电容差动式传感器测量电路的工作原理，如图，由于电容是交流参数，所以电桥通过变压器用交流激励。变压器的两个线圈与两个电容组成电桥，当无进气压力时，电桥处于平衡状态，两电容值相等并且为C0，当有压力作用时，其中一个电容值为C0+C，另一个电容值为C0-C，（C为外部压力作用时引起的电容值的变化量），则电桥失去平衡，电容值高的地方电压也高，两个电容之间产生了电压差，由此电桥产生代表进气压力的电压输出U。2、 差动变压器进气压力传感器差动压力传感器是

14、一种开磁互感式电感传感器。由于具有两个接成差动结构的二次线圈，所以又称为差动变速器。当差动变压器的一次线圈由交变电源激励时，其二次线圈就会产生感应电动势。由于二次线圈作差动连接，所以总的输出是两线圈感应电动势之差。当铁心不动时，其总输出量为零；当铁心移动时，输出电动势与铁心位移呈线性变化。差动变压器进气压力传感器的检测与转换过程是：先将压力的变化转换成变压器铁心的位移，然后通过差动变速器再将铁心位移转换为电信号输出。这种压力传感器主要有真空膜盒（波纹管）、差动变速器等组成。当气压变化时，波纹管变形，带动差速变压器的铁心移动，由于铁心的位移，差动变压器的输出端即有电压产生，将此电压经过处理后送至

15、ECU输入端。如果按照电压的高低来确定喷射时间并使喷油器工作的话，就可以确定基本喷油量。3、 半导体应变式进气压力传感器半导体压力进气传感器是利用应变效应工作的。所谓应变效应，就是指当导体、半导体在外力作用下产生应变时，其电阻值发生变化的现象。电阻应变片是一种片状电阻传感器，它是利用半导体材料当在其轴向施加一定载荷产生应力时，它的电阻率会发生变化的所谓压阻效应原理工作的。由电阻应变片构成的进气压力传感器主要由半导体应变片、真空室、混合集成电路板等组成。半导体应变片是在一个膜片上用半导体工艺制做的四个等值电阻，并且连接成电桥电阻。半导体电阻电桥应变片放置在一个真空室内，在进气压力的作用下，应变片

16、产生变形，电阻值发生变化，电桥失去平衡，从而将进气压力的变化转换成电阻电桥输出电压的变化。四、气门位置传感器节气门位置传感器安装在节气门体上，它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。节气门位置传感器有开关量输出和线性输出两种类型。（1）、开关式节气门位置传感器这种节气门位置传感器实质上是一种转换开关，又称为节气门开关。这种节气门位置传感器包括动触点、怠速触点、满负荷触点。利用怠速触点和满负荷触点可以检测发动机的怠速状态及重负荷状态。一般将动触点称为TL触点，怠速触点称为IDL触点，满负荷触点称为PSW触点。从结构图可以看出，在与节气门联动的连杆的作用下，凸轮可以旋转，动触点可以

17、沿凸轮的槽运动。这种节气门位置传感器结构比较简单，但其输出是非连续的。在节气门全关闭时，电压从TL端子加到IDL端子上，再回到电子控制器上。通过这样的途径传递信号时，电子控制器明白节气门现在是全关闭状态。当踏下加速踏板，节气门处于某一开度以上时，电压从TL端子经过PSW端子再传递给电子控制器。电子控制器明白了，现在节气门打开了一定的角度。下面我将怠速信号与负荷信号对喷油量的影响加以说明。当有IDL信号输出并且发动机转速超过规定转速时，则中断供油，以防止催化剂过热及节省燃油。当IDL信号从有输出转换到无输出时，电子控制器判断出节气门从全关闭状态换至打开状态，当然也就判断出车辆处于起步或再加速状态

18、，所以就会根据发动机的暖机状态进行加速加浓，增大喷油量，以供给加速所需要的较浓混合气。当有PSW信号输入到电子控制器中时，则发挥输出加浓功能，增大喷油量。在重负荷行车时，若没有PSW信号输出的话，就会没有输出加浓作用，发动机输出的力量就要稍微低一些。（2）线性节气门位置传感器线性节气门位置传感器装在节气门上，它可以连续检测节气门的开度。它主要由与节气门联动的电位器、怠速触点等组成。电位计的动触点（即节气门开度输出触点）随节气门开度在电阻膜上滑动，从而在该触点上（TTA 端子）得到与节气门开度成正比例的线性电压输出。如图。当节气门全闭时，另外一个与节气门联动的动触点与IDL触点接通，传感器输出怠

19、速信号。节气门位置输出的线性电压信号经过A/D转换后输送给计算机。五、氧传感器在使用三元催化进化装置的汽油喷射发动机中，一般都在排气管中安排氧传感器，用以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，以便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，氧传感器即输出一个电信号给ECU，让其指令喷油器增加喷油量；当排气中氧的含量过低时，说明混合气过浓，氧传感器立刻将此信息传递给ECU，让其指令喷油器减少喷油量。目前在汽车上使用的氧传感器主要有二氧化钛氧传感器和二氧化锆氧传感器两种类型的传感器。工作原理：氧传感器装在发动机的排气管里，用来测量排气中氧的含量。它是按照大

20、气与排气中氧浓度之差而产生电动势的一种电池。如图，在陶瓷电解质的内、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，陶瓷电解质可变为氧离子的传导体。当混合气较稀，也就是过量空气系数1时，排气中含氧必然多，陶瓷电解质的内外表面的氧浓度差小，只产生小的电压；而当混合气较浓，也就是过量空气系数1时，排气中氧含量较少，同时伴有大量的未完全燃烧物如CO、碳氢化合物等，这些成分都可能在催化剂的作用下与氧发生反应，消耗排气中残余的氧，使陶瓷电解质外表面的氧浓度趋向于零，这样就使得电解质内外的氧浓度差突然增大，传感器输出电压也突然增大了，其数值趋向

21、于1V。六、温度传感器作用：用来测量冷却水温度、进气温度和排气温度。种类：温度传感器的种类很多，如热敏电阻式、半导体式和热电偶式等。所谓热敏电阻，是指这种电阻对温度敏感，当作用在这种电阻上的温度变化时，其阻值会随温度的变化而变化。其中，随温度升高的叫做正温度型热敏电阻，相反随温度升高阻值减少的，叫做负温度系数型热敏电阻。热敏电阻温度传感器的测量电路比较简单，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。七、爆震传感器爆震传感器是发动机集中控制系统中的重要部件，它的功用是用来检测发动机有无爆震现象发生，并把信号输送给发动机微机控制装置。检测发动机爆

22、震可以有三个路径，一是检测气缸压力，二是检测发动机振动，三是检测燃烧噪声。根据气缸压力的检测法，精度最好，但是存在着传感器的耐久性差和难以安装的问题。根据燃烧噪声的检测法，由于是非接触式的，其耐久性很好，但是精度和灵敏度偏低，。现在常用检测发动机振动的方法来判断有无爆震。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。（1）磁滞伸缩式爆震传感器磁滞伸缩式爆震传感器应用的较早，它安装在发动机上，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。其工作原理是：当爆震发生，也就是当发动机气缸体出现振动时，铁心受振使电磁绕组的磁通发生变化，根据电磁感应原理，通过线圈的磁通变化时，线

23、圈就会产生感应电动势，这个电动势就是爆震传感器的输出电压信号。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。（）压电式爆震传感器压电式爆震传感器是利用压电效应原理制成的传感器。什么是压电效应呢？压电效应就是指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，发誓能够转换为力的动态物理量，比如说应力、压力、加速度等都能够进行检测。压电式传感器又可分为共振型和非共振型两种。共振型电压爆震传感器共振型电压爆震传感器主要由压电元件、振荡片、基座等组成。压电元件紧密地贴合在振荡片上，振荡片则固定在传感器的基座上。

24、振荡片随发动机的振荡而振荡。波及压电元件，使其变形而产生电压信号。当发动机爆震时的振动频率与振荡片的固有频率相符合时，振荡片产生共振，此时压电元件将产生最大的电压信号。它的输出特性与磁致伸缩式类似。非共振型压电式爆震传感器非共振型压电式爆震传感器是以接收加速度信号的形式，来判断爆震是否产生。这种传感器与共振型传感器的不同之处在于：它内部没有振荡片，但设置了一个配重块。配重块以一定的预紧力压紧在压电片上。当发动机产生爆震时，配重块就以一个正比于加速度的交变力，施加在压电片上，从而产生输出信号。这种传感器产生的输出电压不会很大，不象磁致伸缩式爆震传感器在爆震频率产生一个较高的输出电压，而是具有平的

25、输出特性。因此，必须将反映发动机振动频率的输出电压信号输送给识别爆震的滤波器中，判别是否由爆震信号产生。比较共振型压电式传感器，共振型在爆震时输出电压明显增大，易于测量，但传感器必须有发动机配套使用；非共振型用于不同发动机时，只须调整滤波器的频率范围就可以工作，不需要更换传感器，通用性比较强，这是非共振型压电式爆震传感器的突出优点。压电式爆震传感器与其他压电传感器一样，必须配合一定的电压放大器，将信号放大并将高阻抗输入变换为低阻抗输出。八、曲轴位置传感器曲轴位置传感器（又称点火信号发生器），是发动机集中控制系统中最主要的传感器，它用于点火正时控制，也就是控制点火时刻，确定点火的提前角。另外，它

26、还是检测发动机转速的信号源。曲轴位置传感器可分为磁脉冲式、光电式、霍尔式等等，其中磁脉冲式和霍尔式应用的比较多。（1）磁脉冲式曲轴位置传感器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。（具体结构看书）定时转子装在分电器轴上并由良好的导磁材料制成。转子外缘设有与气缸数相等且等距离分布的定时齿。在书中转子有四个齿，分别代表四缸发动机的四个缸。耦合线圈绕在衔铁上，衔铁固定在分电器壳体上。当曲轴带动分电器旋转时，由于转子定时齿相对线圈位置的变化，使线圈内的磁通发生变化，从而在线圈内产生感应电动势输出。在a图中，当该缸定时齿接近线圈时，磁通增加（如曲线所示），到达A点时磁通量的变化率最大

27、，由于感应电动势的大小与磁通的变化率成正比，因此转子转到这个点上，线圈上产生的感应电动势最大；当定时齿对准线圈时，磁通达到最大值（图中B点），但磁通量的变化率却最小，由法拉第电磁感应定律可知，这个时候线圈中产生的感应电动势是最小的。当定时齿离开线圈时，磁通开始下降如图，到达C点时磁通量下降的幅度最大，这个时候线圈中产生的感应电动势又达到了最大值。把上述信号进行转换、放大后送入功率开关电路，就可以控制点火线圈一次电流的通断。以上介绍的是磁脉冲式曲轴位置传感器的基本原理，实际的要远比这个复杂。（） 霍尔式曲轴位置传感器霍尔传感器是一种磁敏元件。它是利用导体或半导体的磁电转换原理工作的。如图霍尔元件是一种半导体四端薄片，其四端均有引出线。它的工作原理是：当在其a、b两端以电流激励并有垂直于薄片的磁场作用时，在垂直于电流和磁场方向的c、d端会出现与激励电流I和磁场强度H乘积成正比的电动势，这种现象称为霍尔效应。所产生的电动势称为霍尔电动势。上面介绍了霍尔元件，那么，我们将霍尔元件、放大器、稳定电源、功能电路及输出电路集成在一个芯片上，就构成了霍尔集成电路。霍尔集成电路可分为线性和开关型两类