汽车用传感器学习

1、汽车传感器学习汽车传感器学习 工艺科学习资料 目录 汽车用传感器原理.3 汽车用传感器接口电路.28 汽车用常见传感器举例.333汽车用传感器原理汽车用传感器原理 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。4汽车用传感器原理汽车用传感器原理一一 、传感器概念、传感器概念 人类获取的外

2、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。 如图表示了人体与自动控制系统的对应关系。5汽车用传感器原理汽车用传感器原理依照中华人民共和国国家标准（GB76651987），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

3、信号。6汽车用传感器原理汽车用传感器原理 二二 、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。7汽车用传感器原理汽车用传感器原理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：如图

4、8汽车用传感器原理汽车用传感器原理三、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（4080OC），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

5、求。9汽车用传感器原理汽车用传感器原理第二节第二节 汽车常用传感器原理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。 现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

6、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。10汽车用传感器原理汽车用传感器原理 1、电感式进气压力传感器如图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。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

7、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。11汽车用传感器原理汽车用传感器原理2、差动变压器式进气压力传感器 如图所示，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。 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

8、衔铁T移动距离成正比。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。 12汽车用传感器原理汽车用传感器原理 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SCd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

9、，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（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（b）所示。 13汽车用传感器原理汽车用传感器原理当两边压力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

10、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。14汽车用传感器原理汽车用传感器原理二二 、 温度传感器原理温度传感器原理 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

11、阻式、热敏电阻式和热电偶三种。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。15汽车用传感器原理汽车用传感器原理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，如图所示，它可以用来测量50150OC范围内的温度。 (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

12、，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。16汽车用传感器原理汽车用传感器原理 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所示。热敏电阻的结构与符号1壳体 2热敏探头 3引线 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

13、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17汽车用传感器原理汽车用传感器原理三、空气流量传感器原理三、空气流量传感器原理 车用空气流量传感器（或称空气流量计）是用来直接或间接检测进入发动机气缸空气量大小，并将检测结果转变成电信号输入电子控制单元ECU。电子控制汽油喷射发动机为了在各种运转工况下都能获得最佳浓度的混合气，必须正确地测定每一瞬间吸入发动机的空气量，以此作为ECU计算(控制)喷油量的主要依据。如果空气流量传感器或线路出现故障，ECU得不到正确的进气量信号，就不能正常地进行喷油量的控制，将造成混合气过浓或过稀，使发动机运

14、转不正常。电子控制汽油喷射系统的空气流量传感器有多种型式，目前常见的空气流量传感器按其结构型式可分为翼片(叶片)式、卡尔曼涡流式、热膜式等几种。18汽车用传感器原理汽车用传感器原理1、翼片式空气流量传感器 如图是翼片式空气流量计工作原理图，该空气流量传感器在主进气道内安装有一个可绕轴旋转的翼片。在发动机工作时，空气经空气滤清器过滤清 器过滤后进入空气流量传感器并推动翼片旋转，使其开 启。翼片开启角度由进气量产生的推力大小和安装在翼 片轴上复位弹簧弹力的平衡情况决定。当驾驶员操纵加 速踏板来改变节气门开度时，进气量增大，进气气流对 翼片的推力也增大，这时翼片开启的角度也增大。在翼 片轴上安装有一

15、个与翼片同轴旋转的电位计，这样在电 位计上滑片的电阻的变化转变成电压信号 。19汽车用传感器原理汽车用传感器原理2、卡曼涡旋式空气流量传感器 为了克服动片式空气流量传感器的缺点，即在保证测量精度的前提下，扩展测量范围、并且取消滑动触点，人们又开发出小型轻巧的空气流量传感器，即卡曼涡旋式空气流量传感器。在管道里设置柱状物，使流体流过柱状物之后形成两列涡旋，根据涡旋出现的频率就可以测量流量。因为涡旋呈两列平行状，并且交替出现，与街道两旁的路灯类似，所以有“涡街”之称。因为这种现象首先为卡曼发现，所以也称为卡曼涡街。利用这种原理制成的流量计称为旋涡流量计或涡街流量计。例如运用光学、超声波可以检测流场

16、内局部速度或压力的变化获得涡街频率，制成卡曼涡旋式空气流量传感器。rvfSd20汽车用传感器原理汽车用传感器原理3、热式空气流量传感器 20世纪80年代后生产的日本日产公爵轿车和美国福特车系轿车多采用热式空气流量传感器。热式空气流量传感器的主要元件是热线电阻，可分为热线式和热膜式两种类型，其结构和工作原理基本相同。下面以热线式空气流量传感器为例进行阐述。21汽车用传感器原理汽车用传感器原理热线式空气流量传感器的工作原理如图所示。安装在控制电路板上的精密电阻RA和RB与热线电阻RH及和温度补偿电阻RK组成惠斯登电桥电路。当空气流经热线电阻RH时，使热线温度降低，热线电阻值减小，则RA分压增高，a

17、点电位升高,运算放大器A的同相端电位也就升高，于是运算放大器的输出电压U0升高（即b点的电压升高），这就使得桥体的电流增加；其作用一是补偿RH的电流，使其不至于因空气流量增加造成温度过低，二是可使RA的分压进一步升高，增加信号电压U0的值，增强了测量电路的灵敏度。反之，过程与上述相反。流经热线的空气量不同，热线的温度变化量不同，热线电阻的变化量也就不同。控制电路将电阻RA两端变化的电压输送给ECU，便可计算出进气量。22汽车用传感器原理汽车用传感器原理四、转速传感器原理四、转速传感器原理 1、电磁式转速传感器原理 图（a）为电磁式转速传感器的工作原理图，它由永久磁铁、感应线圈、信号盘等组成。在

18、信号盘上加工有齿形凸起，信号盘装在被测转轴上，与转轴一起旋转。当转轴旋转时，信号盘的凸凹齿形将引起信号盘与永久磁铁间气隙大小的变化，从而使永久磁铁组成的磁路中磁通量随之发生变化。磁路通过感应线圈，当磁通量发生突变时，感应线圈会感应出一定幅度的脉冲电势，其频率为： f=z n 式中，z为信号盘的齿数；n为信号盘的转速（转/秒）。由上式可知，转数越大，感应线圈感应的脉冲电势的频率就越高，如图(b)所示。如果将这些脉冲电压信号输入发动机ECU，通过计算单位时间内脉冲电压的数目，即可确定发动机的转速。23汽车用传感器原理汽车用传感器原理2、霍尔式转速传感器原理 （1）霍尔效应 霍尔效应是由美国科学家霍

19、尔在1879年发现的，其原理如图所示。将霍尔元件（如电子导电型半导体基片）置于磁场中，并通入一个垂直于磁场方向的电流，在磁场的作用下，电子将受到一个力F的作用，这个力就是洛仑兹力，大小为： 上式中，e为电子电荷；v为电子运动平均速度；B为磁感应强度。 FevB24汽车用传感器原理汽车用传感器原理 由于导电体上底面积累电子，而下底面积累正电荷，从而在垂直于磁场和电流方向的霍尔元件的横向两侧会产生一个与电流和磁感应强度乘积成正比的电压，我们把这种现象称之为霍尔效应，这个电压称之为霍尔电压，其大小表示为：式中,UH为霍尔电压；RH为霍尔系数；d是半导体基片的厚度；I为通过霍尔基片的电流；B是通过霍尔

20、基片的磁感应强度。由式可知，当电流I为定值时，霍尔电压RH随磁感应强度B的大小而变化。 霍尔效应与霍尔元件图(a) 霍尔效应 (b) 霍尔元件图形符号 (c) 霍尔元件外形HHRUI Bd25汽车用传感器原理汽车用传感器原理 （2）霍尔式转速传感器 图是几种不同结构的霍尔式转速传感器。磁性转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，磁性转盘随之转动，固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率。 几种不同结构的霍尔式转速传感器1输入轴 2转盘 3小磁铁 4霍尔传感器 上

21、述三种结构的霍尔转速传感器产生霍尔电压频率为：上式中，f 为霍尔电压频率；z为齿轮齿数；n为转速。 6 0z nf26汽车用传感器原理汽车用传感器原理五、压电式爆燃传感器五、压电式爆燃传感器 压电传感器在力的测量中应用也十分广泛。某些晶体受一定方向外力作用而发生机械变形时，相应地在一定的晶体表面产生符号相反的电荷，外力去掉后，电荷消失。力的方向改变时，电荷的符号也随之改变，这种现象称为压电效应。具有压电效应的晶体称为压电晶体。下面以石英晶体为例讲述压电元件的工作原理。 石英晶体结构及压电效应(a)石英晶体结构 (b)轴施加压力 (c) 轴施加拉伸力 (d) 轴施加压力 (e) 轴施加拉伸力27

22、汽车用传感器原理汽车用传感器原理通常情况下，晶格上的正、负电荷中心重合，表面呈电中性。当在x轴向施加压力时，如图(b)所示，各晶格上的带电粒子均产生相对位移，正电荷中心向B面移动，负电荷中心向A面移动，因而B面呈现正电荷，A面呈现负电荷。当在x轴向施加拉伸力时，如图(c)所示，晶格上的粒子均沿x轴向外产生位移，但硅离子和氧离子向外位移大，正负电荷中心拉开，B面呈现负电荷，A面呈现正电荷。在y方向施加压力时，如图(d)所示，晶格离子沿y轴被向内压缩，A面呈现正电荷，B面呈现负电荷。沿y轴施加拉伸力时，如图(e)所示，晶格离子在y向被拉长，x向缩短，B面呈现正电荷，A面呈现负电荷。 压电式爆燃传感

23、器就是利用压电元件的压电效应进行工作的，在每缸火花塞的垫圈部位各装上一个压电元件，根据燃烧压力直接检测爆燃信息，并将压力转换电压信号输入ECU，进行计算后控制点火时刻。28汽车用传感器接口电路汽车用传感器接口电路一一、传感器接口电路、传感器接口电路1、传感器输出信号的特点和处理方法传感器种类繁多，传感器输出信号形式也是各式各样的，其输出信号特点如下：1）传感器的输出信号一般都比较微弱。有的传感器的输出电压最小只有0.1 V；2）传感器的输出阻抗都比较高。这样会使传感器输出信号输入到测量电路时，产生较大的信号衰减；3）传感器的输出信号的动态范围很宽。输出信号随着输入物理量的变化而变化，但不一定是

24、线性比例关系。 29汽车用传感器接口电路汽车用传感器接口电路根据传感器输出信号的特点，采取不同的信号处理方法来提高测量系统的测量精度和线性度，这正是传感器信号处理的主要目的。传感器在测量过程中常掺杂许多噪声信号，它会直接影响测量系统的精度。因此抑制噪声也是传感器信号处理的重要内容。 传感器输出信号的处理主要由传感器接口电路完成。因此，传感器接口电路应具有一定的信号预处理功能，经预处理后的信号，应成为可供测量、控制及便于向微机输入的信号形式。接口电路对不同的传感器是不同的。 30汽车用传感器接口电路汽车用传感器接口电路2、常用电路 （1）直流电桥电路 直流电桥的基本电路如图9-16所示。它是由直

25、流电源供电的电桥电路，电阻和构成桥式电路的桥臂。桥路的一对角线是输出端，一般接有高输入阻抗的放大器，因此可以把电桥的输出端看成是开路，电路不受负载电阻的影响。在电桥的另一对角线接点上加有直流电压，电桥的输出电压可由下式给出，即电桥的平衡条件为： 当电桥平衡时，输出电压为零。 当电桥四个臂的电阻发生变化而产生增量 、 、 、 时，电桥的平衡被打破，电桥此时的输出电压为 如果，则电桥电路被称为四等臂电桥，此时输出灵敏度最高，非线性误差最小，传感器在实际应用中多采用四等臂电桥，其输出电压为 2413out1423()()()U R RR RURRRR2413RRR R1R2R3R4R314421ou

26、t2144321()()RRRURRRURRRRRR3421out4321()4RRRRUURRRR31汽车用传感器接口电路汽车用传感器接口电路2）交流电桥电路 如图所示9-17为交流电桥式电路，其中变压器T的输出为双，和为阻抗元件，它们同时可以为电感或电容，电桥两臂为差动方式，又称为差动交流电桥。在初始状态时， ，电桥平衡，输出电压 。测量时，一个元件的阻抗增加，另一个元件的阻抗减小，假定 则电桥的输出电压为如果假定 则电桥的输出电压为 10Z ZZ 20Z ZZ 120ZZZout0U0out001()222ZZZUUUZZ10ZZZ20Z ZZ o u t02Z UUZ 32汽车用传感器

27、接口电路汽车用传感器接口电路 （3）传感器与放大电路配接的示例 图9-18所示是应变片式传感器与测量电桥配接的放大电路。应变片式传感器作为电桥的一个桥臂，在电桥的输出端接入一个输入阻抗高、共模抑制作用好的放大电路。当被测物理量引起应变片电阻变化时，电桥的输出电压也随之改变，以实现被测物理量和电压之间的转换，在一般情况下，电桥的输出电压为毫伏数量级，因此必须加接放大电路。 和 是两个同相放大器， 为差动放大器。当电桥产生的检测信号经放大器放大后，它们的输出电压将作为差动输入信号给 进行放大。放大电路的输出电压为1A2A3A62outin412(1)RRUURR 应该指出，差动放大器的四个电阻精度

28、要求很高，否则将会产生一定的测量误差。在实际应用中，常在 支路串联一个电位器，通过调节电位器，使在 和 输出相等时，输出电压 为零。此外，在实际应用中，电桥电路和放大电路之间往往用电缆进行连接，此时应采取一定的抗干扰措施，使干扰信号得抑制。 图为：应变片式传感器与测量电桥配接的放大电路 7R1A2AoutU33汽车用常见传感器举例汽车用常见传感器举例一一. .车速里程传感器车速里程传感器 车速里程传感器 LC系列 本传感器由霍尔元件、旋转磁钢等组成。当传动轴旋转时，输出脉冲信号。 传感器三根输出线必须单独接到控制器相应接线端。负极线不能与其它负极搭铁线共用。防止其它信号干扰系统正常工作。 二二. .轮速传感器轮速传感器现代汽车的ABS系统中都设置有电磁感应式的轮速传感器，它可以安装在主减速器或变速器中，分为主动、被动两种基本形式。轮速传感器的组成和工作原理如图所示。它是由永久磁铁、磁极、线圈和齿圈组成。齿圈5在磁场中旋转时，齿圈齿顶和电极之间的间隙就以一定的速度变化，则使磁路中的磁阻