第二章 传感器

第二章传感器第1页，课件共73页，创作于2023年2月一、传感器特性1.灵敏度概念：灵敏度是指温态时传感器输出量y与输入量x之比，或者是传感器输出量y的增量与输入量x的增量之比。

K=dy/dx

2.分辨率概念：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。第一节传感器概述第2页，课件共73页，创作于2023年2月

3.测量范围和量程在允许的误差范围内，被测量的下限到上限之间的范围称为测量范围。上限值与下限值之差称为量程。4.线性度（非线性误差）

在规定的条件下，传感器校准曲线与拟和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度误差。

5.迟滞指在相同的条件下，传感器的正行程特性与反行程特性的不一致程度。

第3页，课件共73页，创作于2023年2月6.重复性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。7.零漂和温漂

零漂是指在无输入或输入为某一定值时，每隔一段时间，其输入值偏离原示值的最大偏差与满量程的百分比。

温漂是指温度每升高1℃，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比。第4页，课件共73页，创作于2023年2月二、常用传感器工作原理

㈠磁电式传感器1.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第5页，课件共73页，创作于2023年2月2.直线移动式磁电传感器

组成:有永久磁铁、线圈和壳体等

工作原理: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,磁铁与线圈间的相对运动速度接近振动体的振动速度3.转动式磁电传感器

㈡霍尔式传感器1.霍尔效应半导体或金属薄片置于磁场中，当有电流流过时,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

第6页，课件共73页，创作于2023年2月

2.霍尔元件(三)压电式传感器

1.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,这重现象称为正压电效应

逆压电效应

2.压电元件第7页，课件共73页，创作于2023年2月

(四)光电式传感器1.光电效应当光线照射物体时,可看作一束具有能量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,摆脱内部的约束,发生相应电效应的物理现象,称为光电效应

光电效应可分为三类:1)在光线作用下,电子逸出物体外表的现象,称为外光电效应例如:光电管,光电倍增管2)在光线作用下,物体的电阻率改变的现象,称为内光电效应例如:光敏电阻,光敏晶体管3)在光线作用下,物体产生一定方向电动势的现象,称为光生伏特现象第8页，课件共73页，创作于2023年2月

2.光敏电阻光敏电阻受到光照后,使电阻率变小.光照越强,阻值越小

3.光敏管当受到光照时,他们都会产生内光电效应的光伏特现象,从而产生电流

4.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(是将电能直接转换成为光能的过程)第9页，课件共73页，创作于2023年2月

(五)热电式传感器

1.热电效应将两种不同性质的金属导体接成一个闭合回路,如果两接点温度不相等,则在两导体内产生电动势,并且回路中有一定大小的电流存在,此现象称为热电效应

2.热电阻传感器导体的电阻随温度变化的特性称热阻效应

3.热敏电阻传感器正温度系数(PTC);负温度系数(NTC);零界温度系数(CTR)第10页，课件共73页，创作于2023年2月第二节空气流量计一、叶片式空气流量计作用：检测吸入空气量的多少,并把检测结果转换成电信号组成：①担任检测任务的风门部分②担任转换任务的电位计结构:如右图，空气流量计主要由测量叶片、缓冲叶片、回位弹簧、电位计、旁通气道组成，此外还包括怠速调整螺钉、油泵开关及进气温度传感器等。缓冲叶片缓冲室弹簧测量叶片温度传感器旁通气道封口调节螺钉电位计第11页，课件共73页，创作于2023年2月叶片式空气流量计工作原理

如右图，来自空气滤清器的空气通过空气流量计时，空气推力使测量板打开一个角度，当吸入空气推开测量板的力与弹簧变形后的回位力相平衡时，叶片停止转动。与测量扳同轴转动的电位计处于某一对应位置，这样便可将进气量转换成电压信号送给ECU。1、电位计滑臂2、可变电阻3、接进气管4、测量叶片5、旁通空气道6、接空气滤清器第12页，课件共73页，创作于2023年2月第13页，课件共73页，创作于2023年2月3．翼片式空气流量传感器的工作电路图2-4丰田子弹头空气流量传感器的工作电路传感器从ECU的VC端子获取4V~6V的工作电压，再通过ECU的E2端子搭铁。空气流量信号由VS端子输入ECU。第14页，课件共73页，创作于2023年2月4．翼片式空气流量传感器的检测（1）检查空气流量传感器的工作电压（2）检查空气流量传感器①就车检查空气流量传感器的方法：②车下检查空气流量传感器的方法：图2-5检测空气流量传感器（a）就车检查（b）车下检查第15页，课件共73页，创作于2023年2月二、卡门旋涡式空气流量计卡门旋涡:在气流通道中放一个柱体，气体通过时在柱体后产生两列旋转方向相反,并交替出现的涡旋。对于一台具体的卡门旋涡式空气流量计,有如下关系:qv=kfqv:体积流量f:单列旋涡产生的频率k:比列常数(与管道直径,圆柱体直径等有关)按检测分为：超声波检测法和反光镜检测法

第16页，课件共73页，创作于2023年2月(1)光学式卡门旋涡空气流量计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频率信号。

第17页，课件共73页，创作于2023年2月第18页，课件共73页，创作于2023年2月(2)超声波式卡门旋涡式空气流量计结构：由超声波信号发生器、超声波发射探头、涡流稳定板、涡流发生器、整流器、超声波接受探头和转换电路组成。原理：卡门涡旋造成空气密度变化，受其影响，信号发生器发出的超声波到达接收器的时机或变早或变晚，测出其相位差，利用放大器使之形成矩形波，矩形的脉冲频率为卡门涡旋的频率。1、超声波信号发生器2、超声波发射探头3、涡流稳定板4、涡流发生器5、整流器6、旁通空气道7、超声波接收探头8、转换电路第19页，课件共73页，创作于2023年2月三、热线及热膜式空气流量传感器热线和热膜式空气流量传感器属质量式流量计。采用该种流量计可避免因海拔高度变化而引起的检测误差，并且这种流量计还具有响应速度快、进气阻力小等特点第20页，课件共73页，创作于2023年2月第21页，课件共73页，创作于2023年2月4．热线式空气流量传感器的自清洁常采用两种方法：一种方法是提高热线的保持温度（一般使保持温度升高到200℃以上），以防止灰尘沾附；另一种方法是在ECU中设有自清洁功能，通过加热热线来清除污垢。第22页，课件共73页，创作于2023年2月3.热线式空气流量计工作原理热线电阻RH以铂丝制成，RH和温度补偿电阻RK均置于空气通道中的取气管内，与RA、RB共同构成桥式电路。RH、RK阻值均随温度变化。当空气流经RH时，使热线温度发生变化，电阻减小或增大，使电桥失去平衡，若要保持电桥平衡，就必须使流经热线电阻的电流改变，以恢复其温度与阻值，精密电阻RA两端的电压也相应变化，并且该电压信号作为热式空气流量计输出的电压信号送往ECU。

A：控制电路；RH：热线电阻RK：温度补偿电阻RA：精密电阻RB：电桥电阻第23页，课件共73页，创作于2023年2月控制电路的作用:保持电桥平衡,即保持热线电阻与感应进气温度的温度补偿电阻之间的温差不变(100℃)优点:直接测量进气空气的质量流量,无需进行进气温度和大气压力修正,无运动部件,进气阻力小,响应特性好缺点:流速分布不均时,测量误差较大自洁功能:发动机熄火后,控制电路自动提供自洁电流将热线加热到1000℃以上,并保持约1S,将粉尘烧掉第24页，课件共73页，创作于2023年2月4.热膜式空气流量计不同处:热线代替热膜热膜是由发热金属铂固定在薄的树脂膜上,发热体不直接承受空气流动所产生的作用力,增加了发热体强度,提高了空气流量计的可靠度,误差也小.控制电路热膜温度传感器防护网第25页，课件共73页，创作于2023年2月3．热线式空气流量传感器的工作电路图2-14日产发动机微机集中控制系统热线式空气流量传感器的工作电路第26页，课件共73页，创作于2023年2月5．热线式空气流量传感器的检测（1）检查工作电路（2）检查外观（3）检查热线式空气流量传感器的输出信号图2-15检查空气流量传感器的输出信号（a）静态时（b）动态时第27页，课件共73页，创作于2023年2月第三节、压力传感器一、电容式压力传感器

C=εA/d

ε:电介质的介电常数A:两金属电极板间相对有效面积d:两金属电极板间距离工作原理: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,则一个电容量增加,另一个电容量减小,从而把压力的变化转换成电容量的变化第28页，课件共73页，创作于2023年2月以电桥电路为例,说明电容差动式传感器测量电路工作原理:第29页，课件共73页，创作于2023年2月二、差动变压器进气压力传感器1.组成:膜盒、铁心、差动变压器、壳体等组成2.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。3.工作原理: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。第30页，课件共73页，创作于2023年2月第31页，课件共73页，创作于2023年2月第32页，课件共73页，创作于2023年2月第33页，课件共73页，创作于2023年2月三、半导体应变式进气压力传感器1.组成:主要由绝对真空室、硅片和IC放大电路组成。2.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。3.工作原理: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

1—真空室2—半导体应变片3—混合集成电路

第34页，课件共73页，创作于2023年2月第四节节气门位置传感器一、开关式节气门位置传感器1.组成:凸轮、动触点、怠速触点、满负荷触点等2.工作原理:动触点接计算机电源,当节气门全关闭时,怠速触点与动触点接通;当节气门开度达50%以上时,满负荷触点与动触点接通;而当节气门开度在全闭至50%之间时,动触点悬空。这样，计算机根据怠速触点和满负荷触点提供的信号判断节气门位置，以便对发动机进行喷油控制或对自动变速器控制。3.优缺点:结构简单,但输出是非连续的.第35页，课件共73页，创作于2023年2月第36页，课件共73页，创作于2023年2月二、线性节气门位置传感器工作原理电位计的动触点随节气门开度在电阻膜上滑动，从而在该触点上得到与节气门开度成正比例的线性电压输出。

第37页，课件共73页，创作于2023年2月第38页，课件共73页，创作于2023年2月三、综合式节气门位置传感器1.组成:主要由与节气门联动的电位器、怠速触点等组成。2.工作原理:电位计的动触点随节气门开度在电阻膜上滑动，从而在该触点上得到与节气门开度成正比例的线性电压输出。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，传感器输出怠速信号第39页，课件共73页，创作于2023年2月第40页，课件共73页，创作于2023年2月第41页，课件共73页，创作于2023年2月第五节氧传感器

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。第42页，课件共73页，创作于2023年2月一、二氧化钛氧传感器结构如右图，主要由二氧化钛元件、导线、金属外壳和接线端子等组成。工作原理利用半导体材料二氧化钛在与氧气接触时产生氧化还原反应的原理使晶格结构发生变化,从而使电阻值变化的原理

1—二氧化钛元件2—金属外壳3—陶瓷绝缘体4—接线端子5—陶瓷元件6—导线7—金属保护套

第43页，课件共73页，创作于2023年2月第44页，课件共73页，创作于2023年2月3.工作过程:当废气中的氧浓度高时，二氧化钛的电阻值增大；反之，废气中氧浓度较低时二氧化钛的电阻值减小，利用适当的电路对电阻变量进行处理，即转换成电压信号输送给ECU，用来确定实际的空燃比。4.电压转换电路第45页，课件共73页，创作于2023年2月第46页，课件共73页，创作于2023年2月二、氧化锆氧传感器1.工作原理在400℃以上的高温时，若氧化锆内外表面处的气体中的氧的浓度差很大，则在铂电极之间将会产生电压。2.工作过程当混合气稀时，排气中氧的含量高，传感器元件内外侧氧的浓度差小，氧化锆元件内外侧两极之间产生的电压很低（接近0V），反之，如排气中几乎没有氧，内外侧的之间电压高（约为1V）。在理论空燃比附近，氧传感器输出电压信号值有一个突变。第47页，课件共73页，创作于2023年2月第48页，课件共73页，创作于2023年2月第49页，课件共73页，创作于2023年2月第50页，课件共73页，创作于2023年2月第六节温度传感器1.作用：用来测量冷却水温度、进气温度和排气温度。2.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3.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。第51页，课件共73页，创作于2023年2月第52页，课件共73页，创作于2023年2月第七节爆震传感器功用: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。检测发动机爆震可以有三个路径:

①检测气缸压力②检测发动机振动③检测燃烧噪声。

①气缸压力检测法: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。

②燃烧噪声检测法:由于是非接触式的，其耐久性很好，但是精度和灵敏度偏低。

③检测发动机振动的方法来判断有无爆震。

第53页，课件共73页，创作于2023年2月一磁滞伸缩式爆震传感器1.组成:永久磁铁、强磁性铁心以及电磁绕组等。

2.工作原理当爆震发生，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。第54页，课件共73页，创作于2023年2月二压电式爆震传感器

压电效应: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。

⑴共振型压电式爆震传感器1.组成:压电元件、振荡片、基座等组成.2.工作原理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。振荡片随发动机的振荡而振荡,从而使其变形产生电压信号。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。

第55页，课件共73页，创作于2023年2月第56页，课件共73页，创作于2023年2月⑵非共振型压电式爆震传感器1.组成:压电元件、配重块、引线等2.工作原理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。3.缺点:输出电压不会很大，不象磁致伸缩式爆震传感器在爆震时产生一个较高的输出电压，而是具有平的输出特性。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第57页，课件共73页，创作于2023年2月第58页，课件共73页，创作于2023年2月

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。第59页，课件共73页，创作于2023年2月第八节曲轴位置传感器一磁脉冲式曲轴位置传感器

1.组成:定时转子、永久磁铁、耦合线圈等组成。

2.工作原理第60页，课件共73页，创作于2023年2月1、工作原理(1)电子点火器：根据点火信号发生器产生的点火脉冲信号，接通和断开点火系初级电路，相当于传统点火系断电器触点。(2)点火信号发生器：根据各缸的点火时刻产生相应的点火脉冲信号，控制电子点火器接通和断开点火系初级电路的具体时刻。第61页，课件共73页，创作于2023年2月第62页，课件共73页，创作于2023年2月

凸齿靠近铁心磁通量向