汽车传感器基础知识解析

车用传感器是汽车计算机系统的输入装置，它把汽车运行中各种工况信息，如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等，转化成电信号输给计算机，以便发动机处于最佳工作状态。车用传感器很多，判断传感器出现的故障时，不应只考虑传感器本身，而应考虑出现故障的整个电路。因此，在查找故障时，除了检查传感器之外，还要检查线束、插接件以及传感器与电控单元之间的有关电路。

详细介绍汽车技术发展特征之一就是越来越多的部件采用电子控制。根据传感器的作用，可以分类为测量温度、压力、流量、位置、气体浓度、速度、光亮度、干湿度、距离等功能的传感器，它们各司其职，一旦某个传感器失灵，对应的装置工作就会不正常甚至不工作。因此，传感器在汽车上的作用是很重要的。汽车传感器过去单纯用于发动机上，已扩展到底盘、车身和灯光电气系统上了。这些系统采用的传感器有100多种。在种类繁多的传感器中，常见的有∶进气压力传感器：反映进气歧管内的绝对压力大小的变化，是向ECU（发动机电控单元）提供计算喷油持续时间的基准信号；空气流量计：测量发动机吸入的空气量，提供给ECU作为喷油时间的基准信号；节气门位置传感器：测量节气门打开的角度，提供给ECU作为断油、控制燃油/空气比、点火提前角修正的基准信号；曲轴位置传感器：检测曲轴及发动机转速，提供给ECU作为确定点火正时及工作顺序的基准信号；氧传感器：检测排气中的氧浓度，提供给ECU作为控制燃油/空气比在最佳值（理论值）附近的的基准信号；进气温度传感器：检测进气温度，提供给ECU作为计算空气密度的依据；冷却液温度传感器：检测冷却液的温度，向ECU提供发动机温度信息；爆震传感器：安装在缸体上专门检测发动机的爆燃状况，提供给ECU根据信号调整点火提前角。这些传感器主要应用在变速器、方向器、悬架和ABS上。变速器：有车速传感器、温度传感器、轴转速传感器、压力传感器等，方向器有转角传感器、转矩传感器、液压传感器；悬架：有车速传感器、加速度传感器、车身高度传感器、侧倾角传感器、转角传感器等；下面我们来认识一下汽车上的主要传感器。空气流量传感器是将吸入的空气转换成电信号送至电控单元（ECU），作为决定喷油的基本信号之一。根据测量原理不同，可以分为旋转翼片式空气流量传感器、卡门涡游式空气流量传感器、热线式空气流量传感器和热膜式空气流量传感器四种型式。前两者为体积流量型，后两者为质量流量型。主要采用热线式空气流量传感器和热膜式空气流量传感器两种。进气压力传感器可以根据发动机的负荷状态测出进气歧管内的绝对压力，并转换成电信号和转速信号一起送入计算机，作为决定喷油器基本喷油量的依据。广泛采用的是半导体压敏电阻式进气压力传感器。节气门位置传感器安装在节气门上，用来检测节气门的开度。它通过杠杆机构与节气门联动，进而反映发动机的不同工况。此传感器可把发动机的不同工况检测后输入电控单元（ECU），从而控制不同的喷油量。它有三种型式：开关触点式节气门位置传感器，线性可变电阻式节气门位置传感器、综合型节气门位置传感器。曲轴位置传感器也称曲轴转角传感器，是计算机控制的点火系统中最重要的传感器，其作用是检测上止点信号、曲轴转角信号和发动机转速信号，并将其输入计算机，从而使计算机能按气缸的点火顺序发出最佳点火时刻指令。曲轴位置传感器有三种型式：电磁脉冲式曲轴位置传感器、霍尔效应式曲轴位置传感器、光电效应式曲轴位置传感器。曲轴位置传感器型式不同，其控制方式和控制精度也不同。曲轴位置传感器一般安装于曲轴皮带轮或链轮侧面，有的安装于凸轮轴前端，也有的安装于分电器。爆震传感器安装在发动机的缸体上，随时监测发动机的爆震情况。采用的有共振型和非共振型两大类。测试特点被测对象的多样性及快速变化性汽车上常用的传感器类型包括轮速传感器、曲轴/凸轮轴位置传感器、温度传感器、压力传感器、爆震传感器等。针对层出不穷的车型，每个功能相同的传感器在外形上又有着各种各样的差异，再加上测量指标、生产环境等要求越来越苛刻，使得传统单一的测试工作台无法兼顾如此多样的传感器生产。测试近似性在实际生产中，不同传感器的测试内容又有着一定的近似性。因为从测试原理上讲，汽车传感器主要分为主动式/被动式、温度、压力传感器等类型。也就是说，对于不同的传感器，只要测试原理是一样的，那就意味着它们的测试仪器等设备也是一样的。测试设备汽车传感器生产线都要求采用经济、高效、自动、灵活的测试设备，而且要具备高自动化、高效率、高产能、高可靠性的特点。传感器生产厂家希望一次性投入以后，测试设备本身还能不断地进行扩充，有效地支持最新产品和更高的性能指标要求，从而保证设备资本投入的有效性。其他要求为了保证生产质量，设备需要具备一定的生产过程统计能力，并有助于减少由于人为因素造成的生产质量降低的问题。集成化、智能化是汽车传感器的发展趋势。如果只进行终检测试，发现问题为时已晚，所以往往测试会和生产过程交互进行。这样，一方面要求测试设备与生产线上其他设备良好衔接，另一方面能够实现设备间的信息和数据共享。常用类型里程表在差速器或者半轴上面的传感器，来感觉转动的圈数，一般用霍尔，光电两个方式来检测信号，其目的利用里程表记数可有效的分析判断汽车的行驶速度和里程，因为半轴和车轮的角速度相等，已知轮胎的半径，直接通过里程参数来计算。在传动轴上设计两个轴承，大大减轻了运行中的力距，减少了摩擦力，增强了使用寿命；由原来的动态检测信号改为齿轮运转式检测信号；由原来直插式垂直变速箱改为倒角式接口变速箱。里程表传感器插头一般是在变速箱上，有的打开发动机盖可以看到，有的要在地沟操作。机油压力是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。常用的有硅压阻式和硅电容式，两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器。一般情况上，我们通过机油压力传感器来检测汽车的机油向内的机油还有多少，并将检测到的信号转换成我们可以理解的信号，提醒我们还有多少机油，或者还可以走多远，甚至是提醒汽车需要加机油了。水温传感它的内部是一个半导体热敏电阻，温度愈低，电阻愈大；反之电阻愈小，安装在发动机缸体或缸盖的水套上，与冷却水直接接触。从而侧得发动机冷却水的温度。电控单元根据这一变化测得发动机冷却水的温度，温度愈低，电阻愈大；反之电阻愈小。电控单元根据这一变化测得发动机冷却水的温度，作为燃油喷射和点火正时的修正号。就是我们可以通过发动机水温的温度了解汽车运行的状态，停止或者运动，或者运动的时间有多长等。空气流量它的作用是检测发动机进气量的大小，并将进气量信息转换成电信号输出，并传送到ECU。我们知道汽车的行驶是需要点火装置点火得到向前的冲量，因此，充气量得大小是ECU计算汽车在点火的时候点火装置需要喷油时间和喷油量和点火时间的依据。它的作用是可以让我们更好的让汽车进行加减速行驶。ABS传感器在制动活塞旁边（卡制动碟的卡钳，里面是制动活塞），ABS工作就是保证制动活塞和制动碟不卡死，保证它们处于滑动摩擦和静摩擦的边缘。大多由电感传感器来监控车速，abs传感器通过与随车轮同步转动的齿圈作用，输出一组准正弦交流电信号，其频率和振幅与轮速有关。该输出信号传往ABS电控单元（ECU），实现对轮速的实时监控。安全气囊也称碰撞传感器，按照用途的不同，分为触发碰撞传感器和防护碰撞传感器。触发碰撞式用于检测碰撞时的加速度变化，并将碰撞信号传给气囊电脑，作为气囊电脑的触发信号；防护碰撞式它与触发碰撞式串联，用于防止气囊误爆。气体浓度主要用于检测车体内气体和废气排放。其中，最主要的是氧传感器，它检测汽车尾气中的氧含量，根据排气中的氧浓度测定空燃比，向微机控制装置发出反馈信号，以控制空燃比收敛于理论值。当空燃比变高，废气中的氧浓度增加时，氧传感器的输出电压减小；当空燃比变低，废气中的氧浓度降低时，输出电压增大。电子控制单元识别这一突变信号，对喷油量进行修正，从而相应地调节空燃比，使其在理想空燃比附近变动。位置和转速主要用于检测发动机曲轴转角、发动机转速、节气门的开度、车速检测，汽车加速度检测、汽车减速检测等，为点火时刻和喷油时刻提供参考点信号，同时，提供发动机转速信号。汽车使用的位置和转速传感器主要有交流发电机式、磁阻式、霍尔效应式、簧片开关式、光学式、半导体磁性晶体管式。速度传感器速度传感器是电动汽车较为重要的传感器，也是应用较多的传感器。就其定义而言，速度传感器主要是用来测量速度的传感器，分为转速传感器、车速传感器、车轮转速传感器等。转速传感器主要用于电动汽车电动机旋转速度的检测。常用的转速传感器有三种，分别为电磁感应式转速传感器、光电感应式转速传感器、霍尔效应式转速传感器，均采用非接触式测量原理，以增强检测的安全性、提高检测精度。车速传感器用来测量电动汽车行驶速度。车速传感器信号主要用于仪表板的车速表显示及发动机怠速、电动汽车加速其间的控制等。目前我国绝大部分电动汽车上的速度表都是以汽车轮胎的旋转转速转换成汽车速度进行测速的。这在汽车制动、打滑的情况下，以及轮胎因新旧、摩擦、路面、胎压高低等造成其外圆周长的变化都会造成误差过大，甚至无法工作，车速传感器主要有电磁感应式、光电式、可变磁阻式和霍尔式集中。电动汽车上普遍采用电磁感应式和霍尔式速度传感器。基本特性传感器特性传感器是指能感受规定的物理量，并按一定规律转换成可用输入信号的器件或装置。简单地说，传感器是把非电量转换成电量的装置。传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。1）、敏感元件是指能直接感受（或响应）被测量的部分，即将被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其它量。2）、转换元件则将上述非电量转换成电参量。3）、测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流或频率等可测电量，以便进行显示、记录、控制和处理的部分。传感器的静态特性参数指标⒈灵敏度灵敏度是指稳态时传感器输出量y和输入量x之比，或输出量y的增量和输入量x的增量之比，用k表示为k=dY/dX⒉分辨力传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最小变化量称为分辨力。⒊测量范围和量程在允许误差限内，被测量值的下限到上限之间的范围称为测量范围。⒋线性度（非线性误差）在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线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误差。⒌迟滞迟滞是指在相同的工作条件下，传感器的正行程特性与反行程特性的不一致程度。⒍重复性重复性是指在同一工作条件下，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。⒎零漂和温漂传感器在无输入或输入为另一值时，每隔一定时间，其输入值偏离原示值的最大偏差与满量程的百分比为零漂。而温度每升高1℃，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比，称为温漂。工作机理一、磁电效应根据法拉第电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动，切割磁力线（或线圈所在磁场的磁通变化）时，线圈中所产生的感应电动势的大小取决于穿过线圈的磁通的变化率，直线移动式磁电传感器直线移动式磁电传感器由磁铁、线圈和传感器壳体等组成当壳体随被测振动体一起振动且在振动频率远大于传感器的固有频率时，由于弹簧较软，运动件质量相对较大，运动件来不及随振动体一起振动（静止不动）。此时，磁铁与线圈之间的相对运动速度接近振动体的振动速度。转动式软铁、线圈和磁铁固定不动。由导磁材料制成的测量齿轮安装在被测旋转体上，每转过一个齿，测量齿轮与软铁之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也变化一次。线圈中感应电动势的变化频率（脉冲数）等于测量齿轮上的齿数和转速的乘积。二、霍尔式传感器⒈霍尔效应半导体或金属薄片置于磁场中，当有电流（与磁场垂直的薄片平面方向）流过时，在垂直于磁场和电流的方向上产生电动势，这种现象称为霍尔效应。⒉霍尔元件常用的霍尔材料锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等。N型锗容易加工制造，霍尔系数、温度性能、线性度较好；P型硅的线性度最好，霍尔系数、温度性能同N型锗，但电子迁移率较低，带负载能力较差，通常不作单个霍尔元件。三、压电式传感器⒈压电效应对某些电介质沿着一定方向加力而使其变形时，在一定表面上产生电荷，当外力撤除后，又恢复到不带电状态，这种现象称为正压电效应。在电介质的极化方向施加电场，电介质会在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外电场去除后，变形或应力随之消失，此现象称为逆压电效应。⒉压电元件压电式传感器是物性型的、发电式传感器。常用的压电材料有石英晶体（SiO2）和人工合成的压电陶瓷。压电陶瓷的压电常数是石英晶体的几倍，灵敏度较高。四、光电式传感器⒈光电效应当光线照射物体时，可看作一串具有能量E的光子轰击物体，如果光子的能量足够大，物质内部电子吸收光子能量后，摆脱内部力的约束，发生相应电效应的物理现象，称为光电效应。1）在光线作用下，电子逸出物体表面的现象，称为外光电效应，如光电管、光电倍增管等。2）在光线作用下，物体的电阻率改变的现象，称为内光电效应，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。3）在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象，称为光生伏特现象，如光电池（属于对感光面入射光点位置敏感的器件）等。⒉光敏电阻光敏电阻受到光线照射时，电子迁移，产生电子—空穴对，使电阻率变小。光照越强，阻值越低。入射光线消失，电子—空穴对恢复，电阻值逐渐恢复原值。⒊光敏管光敏管（光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等）属于半导体器件。⒋电致发光固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光。电致发光是将电能直接转换成光能的过程。发光二极管（LED）是以特殊材料掺杂制成的半导体电致发光器件。当其PN结正向偏置时，由于电子—空穴复合时产生过剩能量，该能量以光子形式放出而发光。五、热电式传感器1.热电效应将两种不同性质的金属导体A、B接成一个闭合回路，如果两接合点温度不相等（T0≠T），则在两导体间产生电动势，并且回路中有一定大小的电流存在，此现象称为热电效应。⒉热电阻传感器热电阻材料通常为纯金属，广泛使用的是铂、铜、镍、铁等⒊热敏电阻传感器热敏电阻用半导体制成，与金属热电阻相比有以下特点：1.电阻温度系数大，灵敏度高；2.结构简单，体积小，易于点测量；3.电阻率高，且适合动态测量；4.阻值与温度变化的关系是非线性的；5.稳定性较差。分类常用的有如下三种：1.按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器2.按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。3.按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“1”和“0”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。如何检测发动机汽车节气门由驾驶员通过加速踏板来操纵，以改变发动机的进气量，从而控制发动机的运转。不同的汽车节气门开度标志着发动机的不同运转工况。1.开关量输出型汽车节气门位置传感器的检测（1）结构和电路开关量输出型节气门位置传感器又称为节气门开关。它有两副触点，分别为怠速触点（IDL）和全负荷触点（PSW）。由一个和节气门同轴的凸轮控制两开关触点的开启和闭合。当节气门处于全关闭的位置时，怠速触点IDL闭合，ECU根据怠速开关的闭合信号判定发动机处于怠速工况，从而按怠速工况的要求控制喷油量；当节气门打开时，怠速触点打开，ECU根据这一信号进行从怠速到小负荷的过渡工况的喷油控制；全负荷触点在节气门由全闭位置到中小开度范围内一直处于开启状态，当节气门打开至一定角度（丰田1G-EU车为55°）的位置时，全负荷触点开始闭合，向ECU送出发动机处于全负荷运转工况的信号，ECU根据此信号进行全负荷加浓控制。丰田1G