第10章：加速度传感器和爆震传感器

第十章：加速度传感器和爆震传感器10.1加速度传感器原理概述1、“滑翔机牌”车气囊用加速度传感器包括“滑翔机牌”车在内的丰田车多数都将三种G传感器组合起来用气囊传感器，这三种传感器是：前气囊传感器、中央气囊传感器及辅助传感器。（1）结构前气囊和辅助气囊传感器（2）原理及工作过程中央气囊传感器它采用的是半导体型G传感器。通过测量碰撞形成的测量元件的应变，再将其转换成电信号，这种传感器的特点是：对减速具有线性输出，超过预先设定的数值时，则输出ON信号。2、“塞普达”车安全气囊用传感器滚轴式传感器，由滚柱、片簧及挡销等构成。（1）结构3、“花冠”车安全气囊用传感器（1）结构（2）工作原理及过程4、“森铁阿”牌车安全气囊用传感器它是由测量减速度的传感球，将传感球保持到某加速度为止的永磁铁，对传感球运动提供空气阻尼器作用的导缸及二级端子构成的。（1）结构（2）工作过程5、“西维克”牌车安全气囊用传感器西维克牌车安全气囊用传感器分主传感器和辅助传感器两种，前者为气体阻尼型，后者为笛簧开关型。主传感器辅助传感器6、“陆地巡航舰”牌车ABS用加速度传感器传感器由2组发光二极管、光敏二极管、信号板及变换电路构成。（1）结构（2）工作过程7、“帕杰罗”牌车ABS用G传感器“帕杰罗”牌车ABS采用了检测位移量的差动变压型传感器作为G传感器，传感器内设有向激磁线圈供给交流电的振荡电路及检测线圈整流电路用的控制电路。工作原理输出电压相同但极性相反的两组线圈串联，且铁心处于中间位置时，次级绕组所感应的交流电压相等；当两个次级绕组的波形相位相反时，其输出电压为0；当减速度加在传感器上，铁心偏离中间位置时，两个次级绕组上的感应电压不同，放大器上就会产生与其差值成正比的交流电压。利用这一现象，通过将铁心的位移量变换成正、负直流电压值，就可知道铁心的位移。8、“希玛”4WD车用G传感器希玛4WD车具有牵引力控制、ABS功能，因此车上设置了检测车辆前、后加速度的传感器及检测横向加速度的横G传感器。树脂外壳内充满了硅油，永久磁铁置于中间，当车辆加、减速时，形成了永久磁铁的位移，此位移通过霍尔元件变换成电信号，再输入到控制组件中。9、“蓝鸟”4WD车ABS用G传感器10.2钢球式加速度传感器在一般行车状况下，急停车时车身前后方向的加速度小于0.5g。车辆前后方向能够产生的最大加速度是1.1g，横向最大加速时0.8g，上下方向最大加速度是2g，根据这些数据可以看出，加速度的检测范围达到-1.5g～+1.5g就够了。1、车用加速度传感器的规格（1）加速度的检测范围（2）基本输出特性（3）各项基本特性①非线性特性εi=100×Δt/FS；②灵敏度偏差：回归直线的斜率与基本输出特性斜率的差值；③垂直轴灵敏度：对垂直于加速度测量轴方向的加速度成分、输出信号的变化状况；④温度漂移：预设定漂移和灵敏度温度系数；⑤频率特性：输出电压的大小和响应滞后（4）可靠性①耐跌落性：其含义是要求加速度传感器即使跌落至地面，也不应出现损坏。从加速度的角度看：传感器从20cm的高处跌落到柞木板上时的加速度大大超过100g，从1m高处跌落到水泥地上时的加速度大大超过1000g。②高温性能：温度范围为：-40～+80℃，在这样宽的温度范围内，传感器应有稳定的输出，而且经温度循环试验后，性能也不会老化。③抗干扰性能：因为车辆传感器处于相当严酷的电磁噪音环境，所以必须采取充分的措施，以保证对传感器的输出电压没有多大影响。2、钢球式加速度传感器的结构与检测原理传感器的检测部分是由钢球、一对永久磁铁、差动变压器线圈及轭铁构成，利用一对永久磁铁支撑的钢球按照球套的轴向加速度改变位置，利用钢球位置的变化检测出来，并以此作为测得的加速度。（1）检测部分的结构（2）钢球的磁场力支撑钢球式加速度传感器的本质特征可以说是惯性质量（钢球）的磁场支撑。①线圈骨架的轴向磁场力当加速度作用到传感器的外壳上时,处于轴向中央位置的钢球,在加速度的方向上,会受到反向惯性力的作用,钢球将移动至惯性力与轴向磁场力平衡的位置处,钢球位置与加在传感器外壳上的加速度相应,因此,当掌握了钢球移动位置,方向之后,就可以测出加速度的大小和方向.②骨架轴与垂直方向的磁场力（3）差动变压器差动变压器是由激磁方的初级绕组与检测方的次级绕组组成的，因次级绕组的连接极性不同，所以其两端形成了差动输出，与次级绕组交链的磁通随钢球位置而变化，由此可以检测出钢球位置与移动方向。（4）检测电路该部分由调节器和运算放大器构成，作用是产生基准电压。由振荡器与振荡振幅温度修正电路构成，作用是对初级绕组激磁。用差动放大器对次级绕组的输出加以放大。利用初期激磁信号形成同步信号，对来自AC放大器的信号进行同步整流。由次级的低通滤波器构成，输出电压的中间值为2.5V。3、钢球式加速度传感器的外形4、钢球式加速度传感器的性能与可靠性（1）传感器的性能（2）可靠性抗干扰性能：耐冲击性能：10.3半导体加速度传感器1、基本结构与工作原理（1）传感元件结构因为要将加速度形成的惯性力变换成位移，所以半导体硅片制成悬臂梁结构。为提高灵敏度将硅片固定端附近的一部分作等方向腐蚀,减薄其厚度的同时,在其自由端附加有配重.（2）传感元件力—应变—阻值—电压变化（3）灵敏度2、频率特性3、信号放大与温度补偿（1）电路构成（2）温度补偿电路③、4、加速度传感器的各项特性10.4防爆震传感器防爆震系统：在这一系统中，通过装在发动机上的防爆震传感器可以检测出爆震，在发生爆震时延迟点火时间，而在不出现爆震时，提前点火，总是将点火时间设置在近于爆震附近。1、爆震现象与其检测方法爆震现象的起因是混合气中的未燃烧气体因自燃点火后急剧地燃烧造成的，此时所产生的强烈的冲击波反复作用气缸上而引起爆震。(1)爆震起因：表现：在发生爆震的最高压力处有高频成分叠加。发生爆震时，在6～9kHz的频带上可以看出压力的电平差。（2）检测方法压力变动—机体振动—声音（3）爆震传感器种类2、爆震传感器的检测元件由离子结合而成的固体内部，正离子与负离子不成点对称排列时，外力加到此固体上，造成电荷分布的变化，从而引起极化现象，将此称为压电效应；反过来，将外部的电场加到这种固体上时，就会产生应力，将此称为反压电效应。（1）压电效应与反压电效应（2）影响压电功能的参数q=d·FE=g/C=ε·q·F/C影响压电功能的参数有：电、机械的连接系数k，压电位移常数d，压电输出常数g。（3）材料转换性能：具有较高的耦合系数或较大的压电常数；机械性能：作为受力元件，希望其机械强度高，刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率；电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；温度和湿度稳定性好：具有较高的居里点，以期望得到宽的工作温度范围；时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。对材料的要求：PZT：锆铁酸铅系压电陶瓷：以PbTiO3和PbZrO3组成的共熔体Pb（ZrTi）O3为基础，再添加一些微量元素Nb（铌），Sb（锑），Sn（锡），Mn（锰）等。（4）等效电路及特性3、非共振型与共振型爆震传感器（1）非共振型爆震传感器①结构与工作原理②电负荷阻抗与输出电压③计算值与实验值④关于传感器形状非对称性的讨论对非共振型爆震传感器，希望在加速度一定时，其输出电压与频率的关系呈平顶特性。（2）共振型爆震传感器①共振频率的确定r为圆板的半径，t为厚度，E为杨氏模量，p为密度，σ为泊松比，α为比例常数。②共振型爆震传感器面临的课题缺陷:无法响应发动机条件变化引起的爆震频率的变化；脉冲响应性差，难以检测出高转速时的爆震，共振特性越是呈现尖顶，脉冲的响应性就越差。（3）压力检测性爆震传感器（垫圈形缸内压力传感器）4、爆震传感器的应用点火时间：在发生爆震时，使点火时间延迟，这种传感器的响应性好，效果好，系统的能力与效率的对比评价高；空燃比：将空燃比加浓到不发生爆震的程度，但对油耗有一定的影响；发动机的负荷：降低增压压力，但对响应性能及运转性能有一定影响（1）爆震的控制点火时间控制方式：发动机的点火时间是在满足车辆的排放、油耗、运转性能等特性要求下设定的。①车辆/发动机点火时间的设定②爆震界限与爆震控制爆震控制系统，就是在设定余量时，尽量将其控制在最小的程度，并在可能发生爆震的条件下，总是将点火时间设定在界限值附近。③爆震反馈控制（2）爆震的判断①比较电平(标准电压)的决定传感器的输出振幅随转速的不同有很大的变化，在判断是否属于是容许界限内的爆震时，不检测传感器输出电压的绝对值，一般采取的是比较法，将无爆震时的传感器输出电压与有爆震时的输出电压加以比较。比较电平：将传感器的输出信号简单地加以平均，之后再乘以常数倍就可以形成比较电平。②爆震强度的判定爆震很强时，积分值V1较高，爆震较弱时积分值V1较小，将V1与预先确定的数值VR相比，当积分值超过VR时就可判断：发生了爆震。10.5宽频带防爆震传感器爆震的检测频带比较窄，对不同的发动机之间以及发动机转速变化时，无法采取有效措施；传感器的元件容量比较小，并且微机侧的输入阻抗比较高，抗干扰能力差；部件数量多，不利于生产与降低成本。老式爆震传感器的不足：优势：通过减低共振增益的办法扩大传感器的爆震检测频带宽度；通过降低阻抗提高信噪比；通过采用压电共振型传感器方式简化传感器的结构。1、基本分析在传感器的输出端子上并联电阻R，即通过降低共振增益的办法可以扩展压电共振传感器的检测频带。要减小Q，就要增大r+rn在R=1/ω0C时rn（Rn）为极大值。为此需要满足两个条件：增大力系数N；使电阻R约等于1/ω0C。圆盘中心固定形的爆震传感器的频带扩展状况最好。使力系数达到最大值的条件是：h1：h2=1：1;a：b=1.414：1.2、对防爆震传感器的分析从分析可知，使增益为最小值的条件是：一是负荷阻抗RL=1/ω0C，二是增大力系数N。（1）降低共振增益①关于负荷电阻R的分析②对提高力系数N条件的分析提高力系数N的条件，就是能够实现电与机械的高效率变换。前述最佳值为：压电圆盘固定形结构的压电元件与振动板厚度之比为1：1，压电元件直径与振动板直径之比为1：√2。（2）减轻副共振在设计时，是将振动板系统（包括粘接到压电元件）设计成对称形状，在生产过程中，还会造成微小的非对称，究其原因是振动板落料时的翘曲及焊接到板底上时造成的翘曲而形成的，这也是发生副共振的原因。（3）传感器结构（4）与老式传感器的对比3、发动机上的爆震控制分析（1）频带展宽提高了爆震控制性能（2）副共振的影响在爆震频率附近发生的副爆震将使爆震时的传感器输出下降，也会造成S/N值下降。当在爆震频率带之外处发生副共振时，将造成杂音输出增大，S/N值下降。①表现②评价参数K爆震控制性能的标志是看以适当参数下的K值的适应宽度，K值是为确定爆震判断电平的常数。K值适合区域宽的爆震控制性能好。发生副共振的传感器，很明显其适合范围变窄。K值适合范围的宽裕度=试验传感器的K值适合范围/无副共振传感器的K值适合范围×100%副共振的高度越高，K值适合范围的富裕量就越小，爆震控制性能就越差。4、优良的抗干扰性能因为元件的电容量C0大，传感器高频范围的输出阻抗小，所以可减小迭加在信号线上的静电耦合干扰；因为元件的电容量大，所以传感器的负荷输出特性稳定，即信号线容抗引起的输出变化比较小；因为并联了阻尼电阻以减低Q值，所以可减小微机的输入阻抗，从而可以把微机输入端所产生的干扰电平控制在