第九章 车用传感器(第2课)

汽车拖拉机学——电器与电子设备主讲人：鲁植雄教授《汽车拖拉机学——电器与电子设备》课件Email：luzx@电话：1395171578005二月2023205二月2023第1课温度、压力、转速传感器第2课爆震、流量、位移、气体浓度传感器第九章车用传感器作为汽车拖拉机“感觉器官”的传感器将各种输入参量转换为电信号，这些电信号是调节和控制发动机管理系统、安全系统和舒适性系统所必需的。本章主要介绍汽车拖拉机常应用的压力传感器、转速传感器、速度传感器、加速度传感器、流量传感器、液量传感器、位移方位传感器、气体浓度传感器等的构造与工作原理。305二月2023一、爆震传感器二、流量传感器三、位移方位传感器四、气体浓度传感器本节课的主要内容第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器405二月2023（一）作用与类型1.功用：是将发动机爆震信号转化为电信号传递给ECU，ECU根据爆震信号对点火提前角进行修正，使点火提前角保持最佳。2.安装位置：爆震传感器通常安装在发动机体上或火花塞上。3.类型：按发动机缸体振动频率的检测方式不同，爆震传感器分为共振型和非共振型两种；按爆震传感器结构不同，分为压电式和磁致伸缩式两种。4.抑制爆震的方法：（1）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；（2）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；（3）发动机的负荷。降低增压压力，但这对运转特性有一定影响。目前，爆震控制系统几乎采用的都是点火时间控制方式。一、爆震传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器505二月2023（二）压电式爆震传感器压电式爆震传感器是利用压电效应制成的。压电式爆震传感器主要由压电元件、配重块及导线等组成（图9-10）。一、爆震传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图9-10压电式爆震传感器的构造605二月2023当发动机缸体发生振动时，传感器套桶底座及惯性配重随之产生振动，套桶底座和配重的振动作用在压电元件上，由压电效应可知，压电元件的信号输出端，就会输出与振动频率和振动强度有关的交变电压信号。实验证明，发动机爆震频率一般在6～9kHz之间，其振动强度较大，所以信号电压较高。发动机转速越高，信号电压幅值越大。因为发动机爆震是在活塞运行到压缩上止点前后产生，此时缸体振动强度最大，所以爆震传感器在活塞运行到压缩上止点前后产生的输出电压较高，爆震传感器输出信号与曲轴转角的对应关系如图9-11所示。一、爆震传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图9-11爆震传感器输出信号的对应关系705二月2023（三）磁致伸缩式爆震传感器磁致伸缩式爆震传感器为共振型爆震传感器，主要由感应线圈、伸缩杆、永久磁铁和壳体组成，其结构如图9-12a所示。可见其外形结构与润滑油压力传感器相似，不同的是其旋入发动机缸体部分为实心结构。伸缩杆用高镍合金制成，在其一端设置有永久磁铁，另一端安放在弹性部件上。感应线圈绕制在伸缩杆的周围，线圈两段引出电极与控制线路连接。一、爆震传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图9-12磁致伸缩式爆震传感器的805二月2023当发电机缸体产生振动时，传感器的伸缩杆就会随之产生振动，感应线圈中的磁通量就会发生变化。由电磁感应原理可知，线圈中就会感应产生交变电动势，即传感器就有信号电压输出，输出电压高低取决于发动机的振动强度和振动频率。当发动机缸体振动频率达到6～9kHz时，传感器产生共振，振动强度最大，线圈中产生的电压最高，如图9-12b所示。一、爆震传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器信号波形905二月2023（四）压力检测式爆震传感器根据燃烧压力检测发动机爆震是测量精度最高的测量方法，但传感器安装困难且耐久性较差。其实用的方法是采用一种近似的燃烧压力检测方法，压力测量传感器安装在火花塞垫圈下面，如图9-13所示，这种传感器又称为垫圈型压力传感器或压力检测式爆震传感器。一、爆震传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图9-13垫圈型压力传感器的结构1005二月2023垫圈型压力传感器是一种非共振型压电效应式传感器，其结构原理与压电效应式传感器相同。传感器安装在火花塞垫圈与发动机气缸盖之间，燃烧压力作用到火花塞上，经过火花塞垫圈再传递给传感器，通过检测火花塞拧紧力矩的变化，即可间接地测量燃烧压力。在燃烧压力的作用下，形成将火花塞上推的一个力，传感器上的紧固载荷发生变化，由此可以测定燃烧压力。因此燃烧压力的检测与气缸上的火花塞安装螺纹及火花塞的螺纹部分密切相关，利用装在燃烧室上的压力表可测得输出信号，也可测得爆震、燃烧压力的峰值位置信号。各缸上都设有垫圈型压力传感器，所以可以可靠地测出各缸是否将发生爆震，可将各缸都控制在最佳点火时间，从而最大限度地发挥发动机的性能。一、爆震传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图9-13垫圈型压力传感器的结构1105二月2023车辆上流量传感器主要用检测吸入空气量、燃料流量、废气再循环量、二次空气量、制冷剂流量等，其中检测吸入空气量是发动机重要传感器之一，本节主要介绍空气流量传感器。（一）空气流量传感器的功用与类型1.功用空气流量传感器）又称为空气流量计，其功用是检测发动机进气量大小，并将进气量信息转换成电信号输入电控单元（ECU），以供ECU计算确定喷油时间（即喷油量）和点火时间，进气量信号是控制单元计算喷油时间和点火时间的主要依据。空气流量传感器一般安装在进气管上。二、流量传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器1205二月20232.类型空气流量传感器的类型空气流量的测量原理主要有：热膜式、热线式、翼片式、卡门涡旋式、压力式等。各种空气流量传感器的性能比较如表9-5所示。二、流量传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器项目热膜式热线式翼片式卡门涡旋式压力式响应特性良良良良良怠速稳定性良良良良良废气再循环适应性良良良良良发动机性能随时间的变化优优优优优海拔高度修正不要不要要要要进气温度修正不要不要要要要安装性良良良良良成本高较高较高较高较高表9-5各种空气流量传感器的性能比较1305二月2023（二）热膜式空气流量传感器热膜式空气流量传感器是热丝式传感器的改进产品，其发热元件采用平面形铂金属膜电阻器，故称热膜电阻。热膜电阻的制作方法是：首先在氧化铝陶瓷基片上采用蒸发工艺淀积金属薄膜，然后通过光刻工艺制作成梳状图形电阻，将电阻值调节到设计要求的阻值后在其表面覆盖一层绝缘保护膜，再引出电极引线而制成。热膜式空气流量传感器的结构如图9-14所示。二、流量传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图9-14热膜式空气流量传感器的结构1405二月2023在热膜式流量传感器中，采用了恒温差控制电路来实现流量检测。恒温差控制电路如图9-15所示，发热元件电阻RH和温度补偿电阻（进气温度传感器）RT分别连接在惠斯登电桥电路的两个臂上。当发热元件的温度高于进气温度时，电桥电压才能达到平衡，并由具有电流放大作用的控制电路A控制加热电流（50～120mA）来使发热元件温度TH与补偿电阻温度TT之差保持恒定（即ΔT=TH-TT=120℃）。二、流量传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器a.电路连接b.电桥电路图9-15热膜式流量传感器电路原理RT.温度补偿电阻（进气温度传感器）RH.发热元件（热膜）电阻RS.信号取样电阻R1、R2.精密电阻UCC.电源电压US信号电压A.控制电路1505二月2023当空气气流流经发热元件并使其受到冷却时，发热元件温度降低，阻值减小，电桥电压失去平衡控制电路将增大供给发生热元件的电流，使其温度保持高于温度补偿电阻温度120℃。电流增量的大小，取决于发热元件受到冷却的程度，即取决于流过传感器的空气量。当电桥电流增大时，取样电阻RS上的电压就会升高，从而将空气流量的变化转化为电压信号US的变化。输出电压与空气流量之间近似于4次方根的关系特征曲线。信号电压输入ECU后，ECU可根据信号电压的高低计算出空气质量流量QM的大小。当发动机怠速或空气为热空气时，因为怠速时节气门关闭或接近全闭，所以空气流速低，空气量少；又因空气温度越高，空气密度越小，所以在体积相同的情况下，热空气的质量小，因此发热元件受到冷却的程度小，阻值减小的幅度小，所以电桥平衡需要的电流小，故取样电阻上的信号电压低。控制单元ECU根据信号电压即可计算出空气量。当发动机负荷增大或空气为冷空气时，因为节气门开度增大空气流速加快使空气流量增大；而冷空气密度大，在体积相同的情况下冷空气质量大，所以发热元件受到冷却的程度增大，阻值减小幅度大，保持电桥平衡需要的电流增大，因此当发动机负荷增大时，信号电压升高。二、流量传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器1605二月2023(三)热线式空气流量传感器热线式空气流量传感器，按其铂金热线安装位置的不同可分为主流测量方式、旁通测量方式两种，如图9-16和图9-17所示。主流测量方式热线式空气流量传感器由取样管、铂金热线、温度补偿电阻、控制线路板、连接器和防护网组成。热线是一根直径为70μm的铂金丝，安装在取样管中，取样管则安装在主进气道的中央部位，两端有金属防护网，并用卡箍固定在壳体上。控制线路板上有六端子插座与发动机ECU相连，用于输入信号。二、流量传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图9-16热线式空气流量传感器（主流测量方式）1705二月2023旁通测量方式热线式空气流量传感器与主流测量方式热线式空气流量传感器的主要区别是，它把铂金热线和补偿电阻（冷线）安装在旁通空气道上。热线和温度补偿电阻用铂线缠绕在陶瓷螺旋管上。二、流量传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图9-17热线式空气流量传感器（旁通测量方式）1805二月2023热线式空气流量传感器的工作原理如图9-18所示。在进气道上放置一热线RH当空气流经热线时，热线的热量被空气带走，使其冷却。热线周围流过的空气质量越大，被带走的热量越多。热线式空气流量传感器就是利用热线与空气之间的热传递现象，进行空气质量流量测定的。铂金丝由控制电路提供的电流加热到120℃左右，为解决进气温度变化使热线温度发生变化而影响进气量的测量精度，所以在热线附安置一根温度补偿电阻。该电阻被安置在进气口一侧，所以又称之为冷线，它的电阻也随温度变化而变化。当传感器工作时，控制电路向冷线提供的电流使冷线温度始终低于热线温度100℃。这样冷线温度起到参考标准作用，使进气温度的变化不会影响热线测量进气量的精度。二、流量传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图9-18热线式空气流量传感器工作原理A.混合集成电路

RH.热线电阻

RK.温度补偿电阻

RA.精密电阻

RB.电桥电阻1905二月2023当空气质量增大时，由于空气带走的热量增多，为保持热线温度，集成电路应使热线RH通过的电流增大，反之，则应减小。这样，使通过热线RH的电流随空气质量流量的增大而增大，反之，随空气质量的减小而减小。热线电流IH在50～120mA之间变化，大小取决于空气质量流量。热线加热电流给出输出信号，大小为通过惠斯登电桥电路中精密电阻RA上的电压降。在惠斯登电桥的另一端有温度补偿电阻RK和电桥电阻RB，为了减少电能消耗，它的电阻值较高，通过的电流仅有几毫安。补偿电阻RK用于测量进气温度。热线式空气流量传感器还有自洁功能，当发动机停火时，电路会把热线自动加热至1000℃，以清洁流量传感器。二、流量传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图9-18热线式空气流量传感器工作原理A.混合集成电路

RH.热线电阻

RK.温度补偿电阻

RA.精密电阻

RB.电桥电阻2005二月2023(四)卡门涡旋式空气流量传感器1.测量原理在进气通道中设置一锥形涡流发生器，当空气通过时，涡流发生器的后面便会产生两列并排的旋涡，此旋涡被称之为卡门涡旋。卡门涡旋的频率f与空气流速v有如下关系：

式中d——涡流发生器外径；St——斯特罗巴尔数。合理地设计进气通道截面积和涡流发生器的尺寸，使发动机进气流速范围内的St为一常数。这样，只要测出卡门涡旋的频率f，就可以知道空气的流速v，乘以空气通道的截面积便可获得空气的体积流量。根据卡门涡旋频率的检测方法不同分，卡门涡旋式空气流量传感器分为超声波检测式和光电检测式两种。二、流量传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器2105二月20232.光电检测涡流式空气流量传感器光电检测涡流式空气流量传感器主要由涡流发生器、发光二极管LED、光敏三极管、反光镜、张紧带、集成厚膜控制电路和进气温度传感器组成，其结构如图9-19所示。二、流量传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图9-19光电检测涡流式空气流量传感器的结构2205二月20233.超声波检测涡流式空气流量传感器超声波检测涡流式空气流量传感器，主要由涡流发生器、超声波发生器、超声波接受器、集成控制电路、进气温度传感器和大气压力传感器，其结构如图9-21所示。超声波式空气流量传感器设有两个空气道，涡流发生器设在主空气道上。设置旁通空气道的目的是为了调节主空气道的流量。因此，对于排气量不同的发动机，通过改变旁通空气道截面积大小，就可使用同一规格的流量传感器来满足流量检测的要求。二、流量传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图9-21超声波检测涡流式空气流量传感器2305二月2023超声波检测涡流式空气流量传感器测量空气流量的原理电路如图9-22所示。超声波是频率超过20kHz的机械波，当发动机运转时，超声波发生器发出的超声波通过发射器不断向接收器发出一定频率（40kHz）的超声波。超声波发生器之所以设定40kHz的超声波，这是因为在没有旋涡的通道上，发送的超声波与接受到的信号相位和相位差完全相同。二、流量传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图9-22超声波检测涡流式空气流量传感器原理电路2405二月2023当进气通道上有旋涡时，在接收到的超声波信号中，有的受加速作用而超前，有的受减速作用而滞后，因此其相位和相位差就会发生变化（图9-23）。集成控制电路在信号相位超前时输出一个正向脉冲信号，在信号相位滞后时输出一个负向脉冲信号，从而表明旋涡的产生频率。当发动机转速低时，进气量小，因此产生涡流的频率低；反之，当发动机转速高时，进气量大，产生涡流的频率就高。旋涡频率信号输入ECU后，ECU就可计算出进气量。二、流量传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图9-23超声波通过卡尔曼涡旋后的加、减速情况2505二月2023（五）翼片式空气流量传感器翼片式空气流量传感器又称叶片式空气流量传感器，是一种力矩平衡原理和电位器原理而开发研制的机械式传感器，已经持续生产使用多年。具有结构简单、价格便宜、可靠性较高等优点。翼片式空气流量传感器，主要由检测部件、电位计、调整部件、接线插座、和进气温度传感器五部分组成。其结构如图9-24所示。二、流量传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图9-24翼片式空气流量传感器的结构2605二月2023车辆上位移方位传器主要用于检测节气门开度、废气再循环阀开度、车辆高度（悬架、位移）、行驶距离、行驶方位、GPS全球定位等。（一）节气门位置传感器节气门位置传感器的功用是将节气门开度（即发动机负荷）大小转变为电信号输入ECU。ECU根据节气门位置信号判别发动机的工况，如怠速工况，部分负荷工况，大负荷工况等等，并根据发动机不同工况对混合气浓度的需求来控制喷油时间。在装备有电控自动变速器的车上，节气门开度信号还作为确定变速器换挡时机和变矩器锁止时机的主要信号之一。三、位移方位传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器2705二月2023（一）节气门位置传感器节气门位置传感器通常采用电位器式原理，又常称为线性可变电阻型节气门位置传感器。由节气门轴带动电位计的滑动触点（见图3-86），在不同的节气门开度下，电位计的电阻也不同，从而将节气门开度转变为电流或电压信号输送给电控单元ECU，ECU通过节气门位置传感器可以获得节气门由全闭到全开的所有开启角度的连续变化的模拟信号，以及节气门开度的变化速率，从而更精确地判定发动机的运行工况，提高控制精度和效果。在装有电控自动变速器的汽车上，该信号作为控制不同行驶条件下的挡位变换的主要依据。三、位移方位传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图3-86线性可变电阻型节气门位置传感器图3-87线性式节气门位置传感器的特性2805二月2023（二）加速踏板位置传感器加速踏板位置传感器安装在加速踏板上（见图3-88）。加速踏板位置传感器的工作原理如图3-89所示，一个简单的电位计或可变电阻将踏板的踩下情况直接转变为电压信号输出。当驾驶员移动加速踏板或手动油门时，与加速踏板位置传感器线圈接触的小型滑臂沿圆弧转动，加速踏板位置传感器从ECU接收恒定的5V直流基准电压当油门关闭时（怠速），滑臂转动到使基准电压通过全部线圈位置，加速踏板位置传感器产生约为0.5V的输出信号，向ECU回馈；当油门处于全开位置时，滑臂转动到基准电压只通过很少线圈的位置。向ECU回馈的信号电压约为4.5V；油门处于怠速和油门全开之间位置时，加速踏板位置传感器向ECU回馈的信号电压将与滑臂在电阻上的位置成正比。ECU按照程序将回馈电压信号进行查表比较，就能判定驾驶员所要求的油门开度。三、位移方位传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图3-88加速踏板位置传感器2905二月2023（三）车高传感器车高传感器的作用是把车身高度的变化，即悬架变形量的变化转变为电信号，并输入ECU。车高传感器的构造如图9-29所示。在车高传感器内部，有一个靠连杆带动旋转的轴，在轴上装有一个开有许多槽的遮光板，遮光板的两侧装有4组光电耦合元件。随轴转动的遮光板上刻有一定数量的窄缝，信号发生器由发光二极管和光敏三极管组成。遮光板位于发光二极管与光敏管之间，转动遮光板，发光二极管发出的光不断被遮光板挡住，信号发生器的光敏管输出端出现电平高低的变化。ECU接受到电平信号的变化，可检测出遮光板的转动角度。当车身高度发生变化（即悬架变形量发生变化）时，轴即驱动遮光板转动，从而使ECU检测出车身高度的变化三、位移方位传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图9-29车高传感器的构造图9-30车高传感器的工作原理3005二月2023（四）转向盘转角传感器转角传感器装于转向轴管上，可向ECU提供车辆转向速率、转角大小及转动方向信息，由ECU确定需调节哪些车轮的悬架以及调节量。转向盘转角传感器一般采用压电式传感器。在压入转向轴的圆盘中间，装有带窄缝的窄缝板。传感器的信号发生器（由发光二极管和光敏三极管组成）以2个为一组，从上面套装在遮光板之上。遮光板上等距离均匀排列着窄缝（图9-31）。三、位移方位传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图9-31转向盘转角传感器的构造3105二月2023车辆上气体浓度传感器主要用于检测排气管氧气含量、车内烟尘浓度、柴油机烟度等。（一）氧传感器1.作用：通过监测排气中氧离子的含量来获得混合气的空燃比信号，并将该信号转变为电信号输入ECU。ECU根据氧传感器信号，对喷油时间进行修正，实现空燃比反馈控制（闭环控制），从而将过量空气系数（λ）控制在0.98～1.02之间（空燃比A/F约为14.7），使发动机得到最佳浓度的混合气，从而达到降低有害气体的排放量和节约燃油之目的。2.类型：氧化锆（ZrO2）式和氧化钛（TiO2）式两种类型氧化锆式又分为加热型与非加热型氧传感器两种，氧化钛式一般都为加热型传感器。氧传感器安装在排气管上。四、气体浓度传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器3205二月20233.二氧化锆式氧传感器氧化锆式氧传感器的基本元件是氧化锆（ZrO2）陶瓷管（固体电解质），亦称锆管（图9-33a）。锆管固定在带有安装螺纹的固定套中内外表面均覆盖着一层多孔性的铂膜，其内表面与大气接触，外表面与废气接触。氧传感器的接线端有一个金属护套，其上开有一个用于锆管内腔与大气相通的孔，电线将锆管内表面的铂极经绝缘套从此接线端引出。四、气体浓度传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图9-33氧化锆式氧传感器3305二月2023锆管的陶瓷体是多孔的，渗入其中的氧气，在温度较高时发生电离。由于锆管内、外侧氧含量不一致，存在浓差，因而氧离子从大气侧向排气一侧扩散，从而使锆管成为一个微电池，在两铂极间产生电压（图9-33b）。当混合气的实际空燃比小于理论空燃比，即发动机以较浓的混合气运转时，排气中氧含量少，但CO、HC、H2等较多。这些气体在锆管外表面的铂催化作用下与氧发生反应，将耗尽排气中残余的氧，使锆管外表面氧气表面变为零，这就使得锆管内、外侧氧浓度差加大，两铂极间电压陡增。因此锆管传感器产生的电压将在理论空燃比时发生突变：稀混合气时，输出电压几乎为零；浓混合气时，输出电压接近1V。四、气体浓度传感器第2课爆震、流量、位移、

气体浓度传感器第九章车用传感器图9-34氧传感器的工作特性氧化锆式氧传感器的工作原理3405二月20234.二氧化钛式氧传感器二氧化钛（TiO2）属N型半导体材料。氧化钛氧传感器与氧化锆式氧传感器相似结构如图9-35所示，主要由二氧化钛传感元件、钢质壳体、加热元件和电极引线等组成。钢质壳体上制有螺纹，以便于传感器安装。与氧化锆（ZrO2）式传感器不同的是，氧化钛式氧传感器不需要与大气压进行比较，因此传感元件的密封与防水十分方便，利用玻璃或滑石粉等密封即达到使用要求。此外，在电极