汽车传感器基础知识

汽车传感器基础知识第1章传感器概述第2章温度传感器第3章空气流量传感器第4章压力传感器第5章位置传感器与角度传感器第6章氧传感器第7章全范围空燃比传感器第8章控制燃烧所用的传感器第9章转速传感器第10章加速度(G)传感器第11章光检测传感器第12章液位传感器第13章车辆周围识别用传感器第14章磁场传感器第15章电流传感器、磨损检测用传感器、角速度检测用传感器第1章传感器概述1.1

人的感觉与机械的感觉1.2

信号变换和能量变换1.3能量变换型传感器和能量控制型传感1.4模拟输出信号和数字输出信号1.5汽车用传感器的种类和项目1.1人的感觉与机械的感觉与人的视觉、听觉、触觉等相对应的有光传感器、传声器、应变计等物理传感器。人的味觉、嗅觉等一般称为化学感觉，与此相应，在离子电极以及溶液电导率等检测时采用了化学传感器。当然，物理传感器和化学传感器并没有本质上的区别。

下一页返回1.1人的感觉与机械的感觉如果有人问，把人的感觉器官与传感器相比，哪一个好些?这可是一个非常难的题目。人的感觉是我们生活的基础，生活是以感觉为前提的。因此，在我们的生活中，如果从感觉器官的尺度来评价传感器的话，那么一定是我们的感觉器官好些。以嗅觉为例，与狗的鼻子相比，人鼻子的敏感性要差多了，但对某种物质来说，人鼻子的敏感性超过了现代的化学分析技术。下一页返回上一页1.1人的感觉与机械的感觉但是，再看光传感器时就会知道，已有传感器能够检测出人无法感觉到的红外线和紫外线。另外作为温度传感器的热电偶可以直接置入熔化的钢及燃烧的液化大然气中，从而测定其温度，精度达到11℃，而且，可测温度范围在

-160℃~1600℃之间。下一页返回上一页1.1人的感觉与机械的感觉某人发烧时，有时把手放在额头附近来判断体温，这是因为两者温差不大，若温差太大，就难以做出定量的判断。当很多人聚在一起吵吵闹闹时，如果有人喊自己的名字，自己也会从喧闹声中分辨出来，但传声器对此却望尘莫及。还有，人们对自家附近火车通过的声音，会在不知不觉中习惯。虽然都可以说是五官，但人的五官和机械传感器还是有差别的。返回上一页1.2信号变换和能量变换我们是通过五官获得必要信息的。机器和系统是通过传感器获得周围环境的条件与计量对象的信息。传感器要把接收到的信号变换成电信号后再对外输出。传感器以什么样的敏感度检测信号，变换后的信号与原输入信号相比，失真情况如何?这些项目都可用来评价传感器的优劣。也就是说，要从传感器处理信息的质与量上来评价传感器的性能。对“物质”和“能量”而言，“信息”是一个较新的概念。在研究传感器时，人们比较重视在信号检测与转换过程中的信息的质与量，所以对此过程中的能量和物质的作用，常常置于第二位来考虑。下一页返回1.2信号变换和能量变换信息是以信号的形式进行变换的。在信号的变换过程中必然有能量的传递和转换。传感器是能量变换器。例如光传感器中的太阳能电池就是把光能变换成电能的变换器;温度传感器的热电偶是把热能变换成电能的变换器。返回上一页1.3能量变换型传感器和能量控制型传感器太阳能电池和热电偶所输出的电能分别来源于传感器所吸收的光能和热能。这些能量加在传感器上经变换后再输出，因此把这种传感器叫作“能量变换型传感器”。另一方面，温度传感器以及照相机用自动曝光机构的光传感器是以改变电阻值的方式向外输出信号的。这时，输入到传感器的热能及光能并没有变成其他形式的能量，传感器的电源还是由测试回路供给的，但电源所输出的能量要受控于测试对象输出的信号(热及光)，就把这种传感器叫“能量控制型传感器”。下一页返回1.3能量变换型传感器和能量控制型传感器“能量控制型传感器”要消耗输入信号的能量，但这与被控的输出能量或输出功率比较起来看，通常要小得多。如果着眼于输入能量和输出能量的对比，就会看出，这种传感器具有一种放大作用，因此，也把“能量控制型传感器”叫做“有源型传感器”。与此相应，因为“能量变换型传感器”没有能量放大作用，所以也叫做“无源型传感器”。返回上一页1.4模拟输出信号和数字输出信号什么是模拟信号呢?一般来说电压、电流、阻抗等都是模拟信号。此外，频率以及光输出传感器的输出也是模拟信号。阻抗变化的传感器也属能量控制型的，所以输出信号是电压或电流。以直流电压为例，对模拟信号加以说明。用零至V的电压来传递某一个“量”时，只要把“量”值变换成直流电压就可以了。电压低时传递的“量”比较小，电压高时传递的“量”比较大;即用电信号的变化来传递“量”的变化情况。有时不用电压信号而是用电流信号，变换规律类似。下一页返回1.4模拟输出信号和数字输出信号所谓“数字信号”就是表示量的符号，最简单的例子是用两个符号来表示量。我们平常是用。0~9这10个数字的组合表示量的。但这决不是说，表明“量”的数字非得是十进位不可。我们用“0,1”这样两个符号表示数时，就称为二进制数。与连续的模拟量不同，数字式传感器的输出是离散的数值及符号。数字变换中最简单的输出信号是“0,1"，与此相对应的有通、断(ON/OFF)型传感器，或者是开关触点的通、断(ON/OFF)状态。数字技术在飞跃地发展，已经出现了精度和分解能力都非常高的数字输出传感器。这种传感器的优点是:信号传输过程中的衰减小，即使有干扰混入，误差也很小。返回上一页1.5汽车用传感器的种类和项目在传感器这个词广泛使用之前，在汽车上已经装用带传感器的仪表，如温度表、转速表及速度表等。随着电子技术的发展，作为汽车电子控制系统中、自的微机在迅速地普及，这又促使了信息处理技术及控制技术的进步，为了向微机提供各种必要的信息，人们又开发了许多种传感器，以达到各种目的。有的一辆车上就装了50多个传感器。其中大部分传感器用于动力传动系统、车辆控制系统、车身控制系统、通信系统以及提高工作性能的系统上。目前，为创造一个舒适的驾驶环境以及注重安全也用了很多传感器。下一页返回1.5汽车用传感器的种类和项目提高发动机性能其关键在于燃油喷射量和点火时间。为了确定这两个参数就需要许多信息，如发动机的进气量、温度、发动机转速、曲轴位置等。为此，汽车上装有温度传感器、流速传感器、角度传感器、位置传感器等，还有测定排气中氧气浓度，以便正确进行控制的传感器。为了使汽车安全地行驶采用了电子技术，在进一步提高汽车性能的过程中，传感器所起的作用更加重要。汽车电子技术应用成功与否的关键在于传感器，这样的说法并不过分。汽车传感器，其采用系统、使用日的见表1-1、如图1-1所示.下一页返回上一页1.5汽车用传感器的种类和项目

(1)有关发动机控制的检测项目。

(2)有关转向控制系统的检测项目。

(3)有关空调控制的检测项目。

(4)有关仪表、报警、诊断等的控制项目。

(5)变速系统控制项目。

(6)制动系统控制项目。

(7)悬架系统控制项目。

(8)导向系统控制项目。

(9)有关安全控制项目。下一页返回上一页1.5汽车用传感器的种类和项目各控制系统所用传感器按其检测项目分类，可分为:①温度传感器;②压力传感器;③空气流量传感器;④位置、角度传感器;⑤气体浓度传感器;⑥转速传感器;⑦加速度、振动传感器;⑧光量传感器;⑨液位传感器;⑩距离传感器;⑩电流传感器;⑩角速度传感器;⑩载荷传感器等。要想使传感器在汽车上大量地装用，传感器的测定范围、精度、分辨能力、响应性等基本因素应符合要求之外，还要考虑到参数的一致性、耐久性及经济性。要根据使用目的来选定适当水平的传感器。发动机上几种典型计量项目与特性要求见表1-2.下一页返回上一页1.5汽车用传感器的种类和项目此外，发动机的使用环境也非常广，从寒带到热带，车上有的部位达到1000℃左右的高温，加之机械振动、腐蚀、需要防水等，还有许多考虑不到的严酷环境，所以对传感器来说，其使用环境条件是很苛刻的。发动机用传感器的典型环境条件见表1一3、表1一4。在数年以前，对排气装置部件就曾有10年保证期的要求。所以，对汽车用传感器的开发，与其说是传感器自身的开发，不如说更注重于对传感器的互换性及耐久性等可靠性方面的开发。下一页返回上一页1.5汽车用传感器的种类和项目前面已经介绍过，传感器相当于人的感觉接受器官，用以检测各种物理量、化学量，同时还要求传感器对稳定程度及危险程度等状态也能进行测定，对舒服性、不愉快感、臭味等人的感官功能的项目做出定量测定，判断司乘人员的操作意图等。即要求传感器不仅能够检测出单一的变量，而且也可测量出各个变量随时间的变化情况及其空间分布;或具有与其他变量对比、再进行推断与判断的功能。也就是说，传感器不仅具有感官功能，而且与具有信息处理功能的微型计算机形成一个整体的检测系统，这就是集成化传感器。集成化传感器的典型例子是半导体压力传感器。返回上一页表1一1汽车各系统所用传感器的种类与目的返回表1一2发动机的计量项目与特性要求返回表1一3发动机用传感器的典型环境条件(行驶状态，发动机舱)返回表1一4特殊环境条件返回图1一1各系统上与传感器相关的检测项目返回第2章温度传感器2.1关于温度的单位2.2温度传感器的分类2.3金属热电阻2.4热敏电阻2.5热电式温度传感器(热电偶)2.6温度熔断器2.7测量温度时的注意事项2.8温度传感器的实际应用2.9温度传感器在发动机排气上的应用2.1关于温度的单位我国法定计量单位是以国际单位制为基础，根据我国的情况，加选了17个非国际单位制的单位构成。其中包括国际单位制的基本单位7个，这7个基本单位中，有一个量为热力学温度，单位名称为开[尔文]，单位符号为K。热力学温度是根据热力学原理定义的。对热力学温度，过去有过一些其他名称，例如，绝对温度、开氏温度等现已不再继续使用。规定水的三相点(水、水蒸气和冰共存的状态，不包含空气)热力学温度的1/273.16，为热力学温度单位开[尔文]。下一页返回2.1关于温度的单位

国家标准GB3102.4《热学的量和单位》中还规定了另一个量为摄氏温度，摄氏温度是SI中的一个导出量，其单位名称是摄氏度。摄氏温度t按下述公式定义式中:t为摄氏温度;T为热力学温度;T0为273.15K.

摄氏温度的符号为t或θ。“摄氏度”是表示摄氏温度时用来代替[开尔文」的一个专用名称。根据上面的定义可知，热力学温度的273.15K就是摄氏温度的0℃.

有人将20℃读为“摄氏20度”，这种读法把一个单位名称分开，其中插入数值的读法很不恰当，“摄氏度”应作为一个整体使用;在书写符号℃时，也不应把小圈放到数字的右上角，必须使小圈在“C”的左上角，这也是因为℃是一个整体.返回上一页2.2温度传感器的分类温度传感器的种类和工作温度范围见表2一1，就发动机控制用传感器来说，测试范围非常宽，为-40℃~1000℃，而且只用简单的回路就能得到电信号输出，所以基本上来说，不采用弹性、颜色及光线式温度传感器。从表2一1可以看出，用一种传感器难以覆盖很宽的温度范围，所以就需要按使用目的选定传感器。三种典型的温度传感器分别为：热电偶、金属测温电阻、热敏电阻。返回2.3金属热电阻大多数金属导体的电阻都是随温度而变化的，而且具有正温度系数a,即温度越高，电阻越大，由此而称为“热电阻”。纯金属的电阻除受温度影响之外，还受杂质含量的影响，这两个因素之间的相互作用比较小，电阻的温度系数很小而且也比较稳定，一般精度为(3000~7000)x10-6/℃。但是因其自身的电阻值很低，要想达到能够实用的电阻值，就需要制成非常细的金属丝或薄膜，若化学性质不稳定的话，还难以利用;此外还希望在晶格结构不变的范围内使用，所以目前，利用金属热电阻作传感器的，主要是Ni与Pt.下一页返回2.3金属热电阻在金属当中，Pt的熔点较高，化学性质稳定，容易制得高纯度的材料，在很广的温度范围内，电阻大都是按线性变化，所以很久以来，就用铂(Pt)作标准的温度传感器。利用热电阻测量温度的依据是，将被测温度下的电阻值与参考温度0℃时的电阻值相比，看其变化量有多少，所以0℃的阻值R0十分重要，原材料的纯度和制造工艺对R0都有影响;对测量温度有直接影响的另一个温度系数是电阻温度系数，为便于比较，一般常选用100℃的电阻值与0℃时电阻值的比值来表示。下一页返回上一页2.3金属热电阻

Ф50μm铂丝的电阻值为50一100欧姆，在装车使用时，此部件之外的线束阻值的变动也会影响到温度的测量，即形成温度误差，所以在线束较长的情况下，就利用3线桥式接法以补偿引线形成的电阻。在现代的电控发动机上，采用了热丝式空气流量传感器间接测定空气温度。更新型的，还有将这种细丝制成约200nm的薄膜，即逐渐演变成热膜形传感器。镍丝电阻的温度系数约为6700x10-6/℃，此值还是比较高的，所以镍是制作低温用温度传感器的好材料，以前就报导过:将镍丝绕在骨架上，或将含镍浆料烧成在基片上，制作进气温度传感器及水温传感器;也有制作镍膜传感器的。返回上一页2.4热敏电阻热敏电阻用陶瓷半导体材料制成，一般说来，这是一种温度系数很高的电阻材料。金属电阻与热力学温度成比例，而陶瓷半导体的电阻与其呈指数关系。热敏电阻可分为正温度系数(PTC)热敏电阻器、负温度系魏NTC)热敏电阻器和临界温度热敏电阻器(CTR)、线性热敏电阻器.

大多数的热敏电阻具有负温度系数，简称为NTC型热敏电阻，其阻值与温度的关系，可用下列公式表述：下一页返回2.4热敏电阻用曲线表示上述关系，如图2一1所示，温度越高，阻值越低，而且呈明显的非线性关系。热敏电阻在其本身温度变化1℃时，电阻值的相对变化量，为热敏电阻的温度系数，温度系数用αT表示.

与金属热电阻相比，热敏电阻的阻值化量要高10多倍，而且其电阻温度系数也不是常数，而是随温度变化的。因此，一般是把B(单位为K)看作是常数，来求出电阻温度系数的。这也说明，B值越大，热敏电阻随温度变化的程度就越大。下一页返回上一页2.4热敏电阻从前面的公式与说明中可以看出:随着温度的变化，热敏电阻阻值有很大的变化，从实用上来说，容易得到很大的信号变化。此外，与金属热电阻相比，很容易制出数kΩ至数百kΩ的热敏电阻，所以即便是加长引线，引线的电阻也可以忽略不计，这就是热敏电阻的优点。但另一方面，温度范围很宽时，因为阻值变化过大，用简单的电路难以测量，这是其缺点。热敏电阻的特点是:用很简单的电路可以检测某一特定点的温度，测试精度高;但想测量宽范围的温度时，用金属热电阻或热电偶好些。返回上一页2.5热电式温度传感器(热电偶)将两种材质不同的金属导线连接在一起，如图2一2所示，当在A,B两点间形成温度差△TAB时，两点间就会出现电位差△VAB，称这种现象为塞贝克效应。温差电动势温度传感器就是通过测定△VAB来求出温度的。这种测量方法的特点是:如A,B的材质均匀，其电势大小与沿热电极长度上的温度分布无关，仅取决于A,B两端的温度差。因此，当用很细的金属丝且至测定端的触点又做得很小的话，就可以测定相当狭窄区域处的温度。将△VAB/△TAB之比称作热电偶的热电势率或塞贝克系数，对两种不同金属的组合来说，它是一项固定的数值.下一页返回2.5热电式温度传感器(热电偶)测量发动机主要用的是高温传感器，即从PR,CA,CRC,CC之中选用。实际常用的还是CA型，高温环境也用一部分PR型，后面解释时也主要是针对这两类而言。一般采用图2一3所示的接线方法，在A,B之间低温部位的B,C之间采用耐热能力较低且价格低廉的低电阻导线，而且往往采用与热电偶温差电势特性很相似的补偿导线。下一页返回上一页2.5热电式温度传感器(热电偶)根据各热电偶准备专用的补偿导线，并正确地使用补偿导线。因为利用温差电动势测量的是两点之间的温度差，所以就要保证一个测量点的温度为一定值，或者是一直测量那一部位的温度，并及时修正。前者多半是利用水一冰的混合液来保持0℃(即冰点式基准触点)，后者有用晶体管与二极管的温差电动势的。但采用温差电动势法测量温度时，需要很复杂的控制电路，它包括有传感器—补偿导线—基准触点补偿—放大—线性放大，造价很高，虽然在测量发动机时常用这种方法，但在控制上用的不多。

(1)铬镍一铝镍热电偶。

(2)铂一锗(PR)热电偶。返回上一页2.6温度熔断器纯金属的熔点是稳定值，可以作为基准温度值使用按国际实用温度(IPTS),Sn,Zn,Ag,Au的凝固点分别为231.9681℃,419.58℃,961.93℃,1064.43℃，此外Pd,Pt的熔点1554℃、1772℃也是作基准使用的，但这些都是在计量温度时作为标准用的。由于这些物质的熔点不能自由选择，在氧化还原时，熔断体稳定，不是达到某种程度以上时就没有流动性，所以从这两点看还不能作为熔断器使用。下一页返回2.6温度熔断器

Pb一Sn系列的低温焊锡仅能用于保护家电产品及其电路。为了得到适宜的熔点，就要利用含两种以上金属成分的合金，一般来说，不是制作特定化合物，而将两种金属混合时的典型特性如图2一4所示。图2一4(a)是两种成分连续变化的固熔形，熔点随着混合比连续地变化。图2一4(b)是将A,B两种混合后的熔点降低形，将C点叫作共熔点。这两个状态图存在着共同点，那就是，将两种材料混合后，只要不是制作特定的化合物，除共熔点之外没有明确的熔点，并都有液体与固体同时存在的区域，如图中L+S部分，在这一区域内，未熔化的成分漂混在已熔化的液体之中，呈半熔化状态，它将对熔断器的熔断状态产生影响。就纯金属、金属化合物及有共熔点的合金来说，其固体会一下子全部熔化成液体，若制作熔断器的话，其熔断状态好。返回上一页2.7测量温度时的注意事项2.7.1表面温度的测定测量温度时，大部分的误差是因测量时破坏了热传导的平衡而形成的，需测定的表面(规定点)与被测点的温度不同时，就无法实现准确的测量。实际上，当钻结剂的热传导率低于被测体的话，就会产生温度差，因此要尽可能使实际测量点靠近规定点。因为热量会从规定点传入实际测量点，并传至热电偶的芯线中，所以规定点的温度就会低于实际温度。与被测物体的热容量相比，若热电偶、钻结剂的热容量较大，达到不可忽略的程度时，这一影响就更大了。为了正确地测量表面温度，最好采用Ф50μm的极细热电偶，并尽量贴近规定点。下一页返回2.7测量温度时的注意事项2.7.2固体表面的影响截面积为A，周长为P的温度传感器离开固体表面至流体中的误差△T可用下式表示:

式中:h为从流体至传感器的热传递系数;k为从传感器至固体表面的热传导系数.下一页返回上一页2.7测量温度时的注意事项2.7.3响应性温度传感器的响应性近似于1次滞后方式，即可用下式来表示:

式中:τ为时间常数;T为温度;t为时间;h为热传递系数;A为传感器的表面积;W为传感器的质量;c为传感器的比热。下一页返回上一页2.7测量温度时的注意事项2.7.4温度传感器的寿命预测只要温度传感器的元件不是直接置于流体中，对温度传感器的寿命来说，仅考虑热老化就可以了。这时，与化学反应速度的原理相似，老化速度可用下式表示:

式中:△R/R为电阻或者是输出的变化率;t为时间;L为寿命;A,B,C为常数;Ea为活化能;k为玻尔兹曼常数。返回上一页2.8温度传感器的实际应用2.8.1水(液)温传感器之一采用热敏电阻作检测元件的水温传感器的结构如图2一5所示，可以说这是一种典型的水温传感器，主要用于电子控制式燃油喷射装置上检测冷却水温，它把温度的变化以电阻值变化的方式检测出来，随温度的不同电阻值发生很大的变化。热敏电阻式水温传感器特性的例子如图2一6所示，当水温较低时，电阻值较大，随着水温的升高，电阻值逐渐降低。下一页返回2.8温度传感器的实际应用2.8.2水(液)温传感器之二这种传感器所用检测元件也是热敏电阻，其结构如图2一7所示，在汽车上一般用于检测冷却水温、润滑油温度等，用于水温表上的例子如图2一8所示。热敏电阻用于发送信号部件上，它与接收部件的加热线圈串联，当水温较低时，因为热敏电阻的阻值较高，所以电路中的电流比较小，加热线圈的发热量较小，双金属片只弯曲一点点，指针指示于低温侧。当水温升高时，热敏电阻的阻值减小，回路中的电流增大，加热线圈的加热温度升高，双金属片弯曲度较大，指针指向高温侧。水温表用水温传感器的特性如图2一9所示.下一页返回上一页2.8温度传感器的实际应用2.8.3车外气温传感器这种传感器用于检测车辆外部的空气温度。它采用的是防水结构，即便在淋水的环境中也可以使用。对这种传感器也允分考虑了它的热响应性，以保证在等待交通信号时不会检测到前方车辆排放气体的热量。这种传感器的结构如图2一10所示，检测元件采用的是热敏电阻。车外气温变化时，传感器的阻值发生变化，温度升高时，电阻值下降;温度下降时，电阻值升高。下一页返回上一页2.8温度传感器的实际应用在汽车的微机控制空调系统上，利用这种传感器测量车外空气温度。微机控制空调系统的温度控制系统如图2一11所示.

将车内气温传感器、电位计及车外气温传感器串联，车外气温传感器的阻值随车外气温变化，这样，即便车外气温改变，也能保持车厢内的温度是一定的。车外气温传感器的特性如图2一12所示.下一页返回上一页2.8温度传感器的实际应用2.8.4进气温度传感器进气温度传感器的结构如图2一13所示，与前面讲过的传感器类似，检测元件采用的是热敏电阻。进气温度传感器的作用是检测发动机吸入空气的温度。在L型电子控制燃油喷射装置上，此传感器安装在空气流量传感器内。在D型电子控制燃油喷射装置上，它安装在空气滤清器的外壳上或稳压罐内。传感器内的热敏电阻的特性与水温传感器之一的热敏电阻特性相同。为正确地检测进气温度，用塑料制外壳将进气温度传感器保护起来，以防止安装部位的温度影响传感器.下一页返回上一页2.8温度传感器的实际应用在电子控制汽油喷射装置上，将进气温度传感器的进气温度信号输入到电子控制器(ECU)中，根据温度的变化状况，利用ECU控制喷油量。进气温度传感器与汽油喷射系统之间关系的示意图如图2一14所示。进气温度传感器的特性如图2一15所示。下一页返回上一页2.8温度传感器的实际应用2.8.5热敏传感器这种传感器也是用在电子控制式燃油喷射系统上，用于检测进气温度的。其上的检测元件与前面介绍过的其他温度传感器一样，也是采用热敏电阻。它最大的优点是:利用一个垫圈就可以很方便地安装在空气滤清器的壳体上。很多小客车上的进气温度都采用这种形式的进气温度传感器进行检测，其结构如图2一16所示。其安装于车上时的示意图如图2一17所示。采用热敏传感器检测进气温度的检测系统原理图如图2一18所示。热敏传感器的特性如图2一19所示.下一页返回上一页2.8温度传感器的实际应用2.8.6蒸发器出口温度传感器这种传感器也是用热敏电阻作温度检测元件的，它安装在空调出风口处蒸发器的散热筋上，用以检测散热筋表面的温度变化以便控制压缩机的工作状态，其温度的工作范围为一20℃一60℃。传感器的结构如图2一20所示，其安装状态如图2一21所示。图2一22是空调系统的方框图，工作时，利用温度测量用热敏电阻与温度设定用调节电位器的信号，并将热敏电阻与调节电位器的输入信号加以比较、放大，以接通或断开电磁离合器。此外，利用此传感器的信号，可防止蒸发器出现冰堵现象。蒸发器出口温度传感器特性的例子如图2一23所示。下一页返回上一页2.8温度传感器的实际应用2.8.7热敏开关热敏开关用于空调上检测温度。目的是根据设定状态控制压缩机，以提高压缩机的工作效率。热敏开关的结构如图2一24所示，传感器内包括有热敏铁氧体、舌簧开关及永久磁铁。当达到设定温度以上时，热敏铁氧体的导磁率急剧下降，就利用热敏铁氧体的这一性质来接通与断开舌簧开关。此外，通过选择适当的热敏铁氧体，保证在一20℃一105℃之间设定温度。下一页返回上一页2.8温度传感器的实际应用2.8.8微机控制空调用传感器小结微机控制空调就是根据车内气温(车内气温传感器)、车外气温(车外气温传感器)及日照量(日照传感器)的信息，通过输出必要的控制量(出风温度、出风量、出风口、车内外气温及压缩机通断)，形成舒适的车内环境。为了实现所需要的出风温度，利用冷风侧温度(蒸发器出口温度传感器)及暖风侧温度(加热器水温传感器)来控制空气混合的比例。下一页返回上一页2.8温度传感器的实际应用2.8.9热敏铁氧体式热敏开关之二这种传感器的工作原理与2.8.7节介绍的热敏开关的工作原理与构成相同，但其结构有所不同。在汽车上，可以利用这种传感器控制散热器的冷却风扇。当检测出冷却水温度较低时，则使舌簧开关闭合，冷却风扇继电器断开，冷却风扇不旋转。此外，也有用这种传感器来控制发动机油压指示灯的。热敏铁氧体式热敏开关的结构如图2一25所示。下一页返回上一页2.8温度传感器的实际应用2.8.10双金属片型热敏开关这种传感器也是用于检测发动机冷却水温、通断电信号，由此控制散热器冷却风扇工作状态的。双金属片是由热膨胀系数不同的两枚金属片粘合而成的部件。温度变化时，两枚金属片的热膨胀程度不同，结果会向热膨胀程度小的一侧弯曲，利用这一原理实现控制作用。双金属片主要采用铁镍合金与青铜制成。本节所说的热敏开关，选用了圆盘形金属片，以便快速断开电信号。双金属片式热敏开关的结构如图2一26所示。采用双金属片式热敏开关的散热器冷却系统的工作原理与上节讲过的采用铁氧体式热敏开关的散热器冷却系统相同。双金属片式热敏开关的工作方式分常闭型和常开型两种。这种热敏开关也可用于控制油温报警灯。下一页返回上一页2.8温度传感器的实际应用2.8.11气体温度传感器还有少部分小客车用发动机采用了化油器供油方式，其进气控制可以采用气体温度传感器这种传感器的结构如图2一27所示。发动机的进气温度调节装置(HAI系统)采用双金属片式气体温度传感器后，就可测出进气温度的变化，再通过真空膜片调节冷空气和温暖空气的比例。下一页返回上一页2.8温度传感器的实际应用2.8.12气体温度传感器(ITC阀)

这也是在化油器规格车上使用的传感器，它可以用作低温时发动机进气温度调节装置用传感器(HAI传感器)及高温时怠速补偿用传感器(HIC传感器)。传感器利用石蜡作检测元件，当温度升高时，石蜡膨胀，推动活塞运动，再设定温度打开及关闭阀门，此外，在温度升高时，改变节流孔的截面积。气体温度传感器(ITC阀)的结构如图2一28所示。这种传感器也有执行器的作用。返回上一页2.9温度传感器在发动机排气上的应用2.9.1催化剂用温度传感器催化剂用温度传感器又称为排气温度传感器，属于高温型温度传感器，它作为一项较大的科研项目是从20世纪70年代开始研究、开发的。因为对装用催化剂变换器的车辆规定了必须要配有高温报警系统，因此就需要高温型温度传感器。这种传感器的工作环境非常恶劣，它属于保证安全、防止公害为目的的传感器，对其可靠性的要求非常高。下一页返回2.9温度传感器在发动机排气上的应用催化剂用温度传感器安装在催化剂变换器的后面。催化剂用温度传感器不仅总是处于高温、具有腐蚀性的排放气体中，而且还要反复承受从低温区怠速启动至满负荷高速条件下的温度急剧变化，承受发动机与车身的振动;还要具有防水性;对路面的飞石要有对策等。设计传感器，就是要开发出从结构上满足上述要求，具有足够可靠性，并与之配合的检测元件，能够恰当组合的产品。下一页返回上一页2.9温度传感器在发动机排气上的应用

(1)催化剂温度传感器的种类及使用。这种传感器的作用是:在催化剂变换器异常发热时，能够快速地发出报警信号，以便保护催化剂变换器并防止高温引发故障。从可靠性与成本两方面平衡考虑，目前实现大批量生产的有热敏电阻型、热电偶型、熔断器型三种，直至现在还是按使用目的分别选用。下一页返回上一页2.9温度传感器在发动机排气上的应用

(2)排气温度传感器的结构。已大批量生产的热敏电阻型、热电偶型、熔断器型温度传感器的结构如图2一29所示。不论哪一种传感器，都是把测温元件置于不锈钢套内部的顶端处，其周围用耐高温的无机氧化物粉末保护起来，再用玻璃将传感器的本体加以密封，利用耐高温的引出线输出信号。下一页返回上一页2.9温度传感器在发动机排气上的应用

(3)排气温度传感器的规格与可靠性评价试验的例子。典型的耐久性试验方法如下所述:耐久性试验分为检测部位的耐久性试验—高温存放、温度循环以及异常高温试验和装配结构的耐久性试验—机械强度与环境试验。①温度循环试验②高温存放试验③异常高温试验④振动试验⑤引线抗弯性能试验⑥盐雾试验⑦跌落试验下一页返回上一页2.9温度传感器在发动机排气上的应用2.9.2EGR监测温度传感器在汽车控制用温度传感器的开发过程中，与排放法规相关的另一个产品是EGR监测温度传感器这种传感器必须具有非常高的可靠性。此外还有监测EGR阀工作位置型的传感器、监测排气流量的传感器。但这里仅对中温热敏电阻式的EGR监测温度传感器的概况加以说明。下一页返回上一页2.9温度传感器在发动机排气上的应用

(1)背景。由于美国的加利福尼亚州颁布了世界上最严格的排放法规，因而就要强制安装EGR监测温度传感器。加利福尼亚州的法规中规定:自1988年生产的车辆上的排气装置无法发挥自身功能时，必须就此提醒司乘人员，也就是说，要时刻监测EGR(排气循环系统)上的阀门是否正常工作。它一直都被作为是普通的汽车用环保装置。EGR系统的结构原理如图2一30所示，此系统将排气歧管排放气体中的部分气体再循环到进气歧管中，这一部分就由EGR阀控制。

EGR监测温度传感器，处于EGR阀的下游，它的作用就是监测EGR阀的工作是否正常.下一页返回上一页2.9温度传感器在发动机排气上的应用

(2)EGR监测温度传感器的结构与用法。EGR监测温度传感器的作用是检测EGR阀下游的再循环气体的温度变化情况，由此来监测EGR阀的工作状况。在普通的行车条件下，EGR阀附近的废气温度为100℃一200℃，在高速、重负荷的条件下，升高到300℃一400℃。当因某种故障没有废气循环时，EGR阀附近的废气温度立刻下降，与当时的进气温度及发动机舱内温度有关，但大致是降到50℃以下。没有废气循环的原因可能有:控制器引起系统停止工作;EGR管路中的沉淀物堵塞了通路。标准型EGR监测温度传感器的结构.下一页返回上一页2.9温度传感器在发动机排气上的应用从以上说明可知:这种传感器应该检测的温度范围为50℃一400℃，因此就要求各构成部件对上表所示的工作温度具有足够的可靠性。作为测温元件来说，就应选用稳定性好、可靠性高的热敏电阻。而热电偶就不适于用作EGR监测温度传感器的测温元件，这是因为在此温度范围下，其输出电压仅有2一16mV，此点火系统的干扰也会造成其误动作。返回上一页表2一1温度传感器种类和工作温度范围返回图2一1Pt电阻与热敏电阻的温度特性返回图2一2热电偶的原理返回图2一3补偿导线返回图2一4两种成分混合时的状态图返回图2一5水温传感器的结构返回图2一6水温传感器特性的例子返回图2一7仪表用水温传感器的结构返回图2一8水温表用水温传感器的例子返回图2一9用于水温表上的传感器的特性返回图2一10车外气温传感器的结构返回图2一11微机控制牢调系统上的温度控制系统返回图2一12车外气温传感器的特性(举例)返回图2一13进气温度传感器的结构返回图2一14进气温度传感器与汽油喷射系统返回图2一15进气温度传感器的特性返回图2一16热敏传感器的结构返回图2一17热敏传感器的安装示例返回图2一18电子控制燃油喷射装置上进气温度检测系统的原理图返回图2一19热敏传感器特性返回图2一20蒸发器出口温度传感器的结构返回图2一21蒸发器出口温度传感器的安装状态返回图2一22利用蒸发器出口温度传感器的牢调压缩机控制系统方框图返回图2一23蒸发器温度传感器的特性返回图2一24热磁式热敏开关的结构返回图2一25热敏铁氧体式热敏开关的结构返回图2一26双金属片式热敏开关的结构原理返回图2一27双金属片式气体温度传感器的结构返回图2一28热敏石蜡式气体温度传感器返回图2一29各种排气温度传感器的结构返回图2一30EGR系统(废气循环系统)返回第3章空气流量传感器3.1动片式空气流量传感器3.2卡曼涡旋式空气流量传感器3.3热丝式空气流量传感器3.4各种空气流量传感器的比较3.5MEMS空气流量传感器的传感部件3.6微型空气流量传感器3.1动片式空气流量传感器3.1.1动片式空气流量传感器的结构动片式空气流量传感器装在汽油发动机上，它安装于空气滤清器与节气门之间，其功能是检测发动机的进气量，并把检测结果转换成电信号，再输入到微机中。该传感器由空气流量计与电位计两部分组成，其结构的剖面图与示意图分别如图3一1与图3一2所示。下一页返回3.1动片式空气流量传感器先来看空气流量传感器的工作过程。由空气滤清器吸入的空气冲向动片，动片转动到进气量与回位弹簧平衡的位置处停止，也就是说，动片的开度与进气量成正比。在动片的转动轴上还装有电位计，电位计的滑动臂与动片同步转动，利用滑动电阻的电压降把测量片的开度转换成电信号，然后输入到控制电路中。

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电位计上设有燃油泵触点，当发动机工作时，动片张开一定角度，燃油泵触点闭合(ON),燃油泵工作;当发动机停止时，燃油泵触点断开(OFF)，燃油泵停止。电位计的内部电路与输出特性的一个例子如图3一3所示。空气流量计与电位计共同将动片的转动状况变换成电压来反映出进气量的多少。进气量与电压之间的关系有两种，一种是电压比检测，另一种是电压值检测，如图3一4所示。采用电压比检测方式时，因电压比与进气量成反比。

上一页下一页返回3.1动片式空气流量传感器3.1.2动片式空气流量传感器的测试原理

动片式空气流量传感器的原理图如图3一5所示，设空气流量为Q.

在回位弹簧的弹簧常数很小时，因为可以把p1—p2:看成是一定值，所以可认为Q∝A。此外，动片的开口面积与打开角度相对应，即与电位计的输出电压Us相关，所以在设定电位计时就要保证空气流量Q与输出电压Us的关系符合Q∝(1/Us)。而且为了消除蓄电池电压UB变化对测试值的影响，将Us/UB作为空气流量传感器的输出。从上述可知，输出Us/UB与体积流量Q成函数关系，所以采用进气温度热敏电阻修正空气密度ρ随温度产生的变化，采用大气压传感器对高原行车引起的变化加以修正。

上一页返回3.2卡曼涡旋式空气流量传感器3.2.1检测原理野外的架空电线被风吹时会嗡嗡发出声响，风速越高声音频率越高，这是因气流流过电线后形成涡旋所致，液体、气体等中均会发生这种现象，利用这一现象可以制成涡旋式流量传感器。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，并且左右交替出现，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，所以也叫作卡曼涡街。

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管路中设置了圆柱状物之后，就会形成涡旋，若两列平行的涡旋相距为h，同一列中先后出现的两个涡旋的间隔距离为l，当比值h/l为0.281时，所形成的涡旋是稳定的并且是周期性的，这时，单侧涡旋的产生频率f与流体速度v1之间有如下关系:

在管道尺寸及柱状体尺寸都已确定时，上式中f之前的各量均为常数，即qv与f成正比.

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柱状体几何形状的设计，一方面与涡旋频率的检测手段有关，另一方面要使涡旋尽量沿柱状物的长方向同时产生，且同时与柱状物分离，这样才容易得到稳定的涡列，而且信噪比强，容易检测。但是柱状体的长度是有限的，靠近管道轴线处的流速高，靠近管壁处的流速低，而且沿柱状物长方向的各处产生的涡旋也不容易同步，由此，应采用几何形状合理的柱状物。关于涡旋频率的检测，目前已有多种方法。无非是利用涡旋的局部压力、密度、流速等的变化作用于敏感元件，产生周期性电信号，再经放大整形，得到方形脉冲。本节先来介绍超声波式卡曼涡旋空气流量传感器。

上一页下一页返回3.2卡曼涡旋式空气流量传感器3.2.2超声波式卡曼涡旋空气流量传感器超声波式卡曼涡旋空气流量传感器的结构如图3-6所示，它安装于空气滤清器的内部。超声波空气流量传感器设有两个进气通道:主通道和旁通道，进气流量的检测部分就设在主通道上，设置旁通道的目的是为了能够调整主通道的流量，以便使主通道的检测特性呈理想状态。也就是说，对排气量不同的发动机来说，通过改变空气流量传感器旁通道截面大小的方法，就可以用一种规格的空气流量传感器来覆盖多种发动机。主通道上的三角柱和数个涡旋放大板构成卡曼涡旋发生器。

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在产生卡曼涡旋处的两侧，相对地设置了属于电子检测装置的超声波发送器和超声波接收器，也可以把这两个部件归入传感器，这两个电子传感器产生的电信号经空气流量传感器的控制电路(混合集中电路)整形、放大后成理想波形，再输入到微机中。为了利用超声波检查涡旋，在涡旋通道的内壁上都粘有吸音材料，目的是防止超声波出现不规则反射。

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这种空气流量传感器的流量检测的原理电路如图3一7所示。当有卡曼涡旋产生时，就伴随有速度及压力的变化，流量检测的基本原理就是利用其中速度的变化随着空气流动方向的不同，声波会被加速或者被减速。在日常生活中我们常常会遇到下述现象，当逆风方向喊人的时候，对方不容易听到，而顺风方向喊人时，对方很容易听到。因为前者的空气流动方向与声波前进方向相反，声波受阻而减速，后者的声波被加速，在超声波式空气流量传感器中，也存在着同样的现象。

上一页下一页返回3.2卡曼涡旋式空气流量传感器3.2.3压力变化检测型卡曼涡旋式空气流量传感器本节介绍利用压力的变化来检测涡旋频率的空气流量传感器，有的将其称为光学型卡曼涡旋式空气流量传感器。

图3一8是压力变化检测型卡曼涡旋式空气流量传感器的原理图。图3一9是这种空气流量传感器的结构图，进入传感器的空气流先经蜂窝状整流器，在考虑低流量下涡旋的稳定性、压力损耗等因素之后设计出蜂窝状整流器单件尺寸的。在空气通道内设置有涡旋发生器，从其两侧就会产生与流速成正比的涡旋。在设计时就确定了流速与涡旋频率之间为正比例关系，以保证在很宽的流量范围上涡旋发生器都会产生稳定的强烈的涡旋。

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下面再对这种空气流量器稍加说明，涡旋是从涡旋发生器两端交替产生的，因此涡旋发生器两端的压力也交替变化，这种压力变化通过涡流发生器下游侧锥形柱上的导压孔引导到反光镜腔中，反光镜腔中的反光镜是用很细的张紧带张紧的，所以，张紧带上出现扭曲与振动。此外，利用板弹簧给张紧带加上适当的张力，由此，除振动与涡旋压力之外的压力变化等难以造成影响，从而可得到稳定的扭转与振动。

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因涡旋出现而形成的压力经导压孔到反光镜腔中，与反射腔中的压力变化同步、反光镜在张紧带上形成扭转、振动。反光镜非常轻巧，即使在低流量、压力变化非常小的状况下，也会动作。在反光镜的上部，相应配置有发光二极管(LED)与用光敏三极管等构成的光传感器，二极管发出的光经反光镜反射，并射到光敏三极管上时，就会变成电流，经波形电路后输出。

上一页下一页返回3.2卡曼涡旋式空气流量传感器3.2.4带微差压力传感器的超声波型卡曼涡旋空气流量传感器卡曼涡旋空气流量传感器的特点是精度高、寿命长、可靠性高。但是，高性能的发动机即进一步降低油耗、提高输出功率的发动机还要求打一展进气量的检测范围，但老式超声波型卡曼涡旋空气流量传感器在高流量的区域将产生过调制的现象，受这一因素的影响，这种传感器有计量范围不足的缺点。为此，又研制出带微差压力传感器的空气流量传感器。

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(1)采用压力损耗小的涡旋发生器。

(2)压力损耗较小的管道结构。

(3)测量微小的涡旋压力。

(4)带微差压力传感器的空气流量传感器。

上一页返回3.3热丝式空气流量传感器3.3.1热丝式空气流量传感器的结构热丝式空气流量传感器(以下简称H/W)的结构如图3一10所示。作为发热体的热丝是用直径为Ф70μm的铂丝制成的，以u形状张紧装于管道内部，设计时就使其比进气温度高120℃。在温度传感器中还设有空气温度补偿电阻。它是由氧化铝陶瓷基片印刷的铂膜而形成的，它与精密电阻一起设置在管道内。为防止附着在热丝上的灰尘等造成性能下降，设有灰尘燃烧电路，在点火开关置于断开挡时，在一定的条件下，将热丝加热1000℃,1s，烧掉灰尘等附着物。因为是用铂丝做发热元件的，所以响应性好。与此类似的还有热膜式空气流量传感器(以下简称为H/F)。

下一页返回3.3热丝式空气流量传感器3.3.2工作原理在进气通道上设有用电流加热的铂金属丝(热丝)，为了保证热丝的温度为一定值，就必须控制加热电流，由此可以测定出空气流量。当气流通过已被加热的热丝上时，热丝就要变冷，气流速度越高，从热丝上夺走的热量就越多，即热丝上被夺取的热量是一个变化值。热丝式空气流量传感器就是利用电加热热丝，并把气流速度变换成电信号实现检测的。

上一页下一页返回3.3热丝式空气流量传感器3.3.3质量流量检测精度

(1)温度特性

(2)压力特性

(3)湿度特性

上一页下一页返回3.3热丝式空气流量传感器3.3.4响应特性传感器的响应特性不仅与发热元件的热时间常数有关，而且与恒定温差控制电路的回路常数有关。流量越大，热时间常数越小。上一页下一页返回3.3热丝式空气流量传感器

这里说明的频率响应适用于流量变化比较小的场合，当幅度变化更大的场合下，就需要考虑到非线性特性以及发热元件至支撑部件的热传导的损耗特性等造成的影响。在恒定温差控制电路的作用下，即使流速在变化，热膜元件上加热面(通过布线形成电阻的平面)的平均温度基本上不变，但在热时间常数的传播时间内，因元件支撑部位附近的温度发生变化，所以响应性变差。

上一页下一页返回3.3热丝式空气流量传感器

为了明确热损耗特性与响应性的关系，在热回路网模型中，根据热回路方程式和闭合回路的特性作阶跃响应模拟，在热膜元件厚度与测量管道内突起长度为一定的条件改变加热元件长度时，热损耗特性与阶跃流量变化时的响应特性的关系用图3-11表示。

上一页返回3.4各种空气流量传感器的比较3.4.1输出特性已经大批生产的动片式、卡曼涡旋式、热丝式空气流量传感器的输出特性如图3-12所示，动片式与热丝式是非线性输出，因此还需要做线性处理。无论哪一种空气流量计，在制造过程中其测试精度都是按士3%的标准进行调整的，这就是空气流量传感器的杂散性，重复精度，其中也包括标准流量计的重复精度。

下一页返回3.4各种空气流量传感器的比较3.4.2怠速时流量的测定精度评价空气流量传感器的工作稳定性时，特别对怠速时的测量精度有要求，此外就是发动机罩下温度达到最高时的工作区域。所以，温度特性难以补偿的空气流量传感器的怠速测试精度较低。从原理上讲，利用热量的热丝式空气流量传感器容易受到热的影响。半导体压力传感器具有半导体特有的温度特性，关于温度对这种传感器的影响也必须充分加以考虑。

上一页下一页返回3.4各种空气流量传感器的比较3.4.3加速时的响应特性动片式的可动部分有惯性，热丝式的有热惯性，响应性就是由这些惯性决定的。卡曼涡旋式空气流量传感器是靠气流的自身形成卡曼涡旋的，所以基本上可以说，这种传感器没有响应滞后。在类似怠速的情况时，空气流量小，也就是说，在涡旋发生频率较低时振幅也小。在节气门快速动作无滞后时，涡旋的发生频率也会增加。如加以比较的话，就传感器总成的响应特性来讲，压力式最好，其次是卡曼涡旋式和热丝式，稍差一点的是动片式。

上一页下一页返回3.4各种空气流量传感器的比较3.4.4减速时的流量测试能力配有涡轮增压机特别是装有中间冷却器的进气系统上，因为节气门上游的管路比较长，所以在急减速时，因水锤现象产生气柱振动。在急减速时进气管压力传感器与热丝式空气流量传感器的输出变化情况如图3-13所示。在节气门上游产生的气柱振动的影响下，热丝式将有数10Hz的振动输出，此振动输出一般的持续时间为2一5s，因此，上游管道设置的空气流量传感器无法测定这类减速时的进气量。另一方面，设置在节气门下游的进气压力传感器可以输出对应于发动机减速运转时的信号。

上一页下一页返回3.4各种空气流量传感器的比较3.4.5脉动气流的测定功能发动机在节气门全开状态下运转时，进气是脉动气流。要想精确地测定脉动气流，传感器的响应性能要好。经试验证明，在进气为脉动气流时，卡曼涡旋式及热丝式空气流量传感器都具有相应的功能。当4缸发动机，出现进气倒流的激烈脉动气流时，从原理上讲，都不可能准确地测定，因为热丝式没有识别正、反向气流的功能，卡曼涡旋式没有测定反向气流的功能，动片式无法跟踪方向变换的正、反向气流。

在4缸发动机转速为1500r/min，节气门近于全开，有进气倒流的状况下，各种传感器的输出误差对比如图3一14所示，无论哪种形式传感器都是:脉动增大时，误差增大。

上一页下一页返回3.4各种空气流量传感器的比较3.4.6空气流量传感器的管道阻力(压力损耗)就管道阻力来讲，当然是进气压力传感器最低。已批量生产的动片式、卡曼涡旋式、热丝式的管道阻力的对比如图3一15所示。与卡曼涡旋式相比，热丝式的管道阻力小些。在2L发动机最大输出功率时，其影响为1%左右。

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目前的空气流量计，基本上都是设法对吸气温度及大气压的变化分别加以修正，但都忽略了湿度的影响。无论哪种传感器都不是氧气流量计，所以检测出的大气中的水蒸气比率对发动机来说，就是误差。针对干燥空气，计算水蒸气部分压力的误差，所得结果如图3-16所示。当温度升高时，湿度所造成的误差将增加。此外，在热丝式传感器上，热丝的热打一散系数随湿度的不同而变化，要注意到这一因素的影响。

上一页下一页返回3.4各种空气流量传感器的比较3.4.8综合比较

表3一1是四种已批量生产的空气流量传感器的对比，它们有直接测量式与间接测量式之分、体积流量计与质量流量计之分，此外还可以从输出方式、可靠性、成本等各个角度进行比较判断，但最后要按发动机系统进行综合判断。

上一页返回3.5MEMS空气流量传感器的传感部件3.5.1旋制氧化硅的一般概念旋制氧化硅一般解释是:利用旋制芯片，将含有硅化物的溶液均匀地平涂在芯片上，再利用加热的方法使其与溶剂脱离，并将固体硅化物硬化成为稳定的非晶相氧化硅。其简单流程如下:旋转平涂、加热烧成、高温硬化(一450℃)。旋制氧化硅技术应用在组件制造中，用于金属层间的平面化(Planization)，以增加层与层之间的结合特性，避免空洞的形成及膜片的剥裂。

下一页返回3.5MEMS空气流量传感器的传感部件3.5.2空气流量传感器的热膜的结构与制造工艺

图3-17是传感元件的平面图与剖面图，首先说明传感元件的制造方法。所用的基片为带热氧化膜的(100)P型Si基片。

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第一步是利用溅射法将SiNx在Si基片上形成支承膜，然后利用溅射法将铂金制成感温电阻膜，在其上利用溅射法再将SiNx制成第一保护膜。再经退火处理后，制成铂金膜，退火处理的目的是使电阻值稳定。之后，利用旋制工艺法(SOG)制作薄膜、进行烧成，再利用溅射工艺用SiNx制成第二保护膜、并对其进行退火处理、目的为使保护膜稳定。然后是利用蚀刻工艺对电极的底层填料加以开口，利用湿式异向蚀刻法除掉热膜图形下部分的Si，最后是利用湿式异向蚀刻法从传感元件的内侧除掉膜片下部分的Si。

上一页下一页返回3.5MEMS空气流量传感器的传感部件3.5.3热膜的可靠性与耐久性试验3.5.3.1热膜的粉尘破坏试验粉尘破坏试验采用玻璃珠进行。对上述工艺制得的热膜进行粉尘破坏试验的结果如图3-18所示。图中，横轴表示膜片的厚度，纵轴表示膜片破坏时的流速比(相对值)，相对值的含义为相对于采用SOG技术之前的膜片破坏时的流速，粉尘破坏试验装置是由安装在已拆掉滤清器的管路上的空气流量传感器和接在传感器上游的粉尘投放机构成的。粉尘投放机1min可以投放1g的玻璃珠。

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破坏流速的测量方法是:在稳定的气流中投放玻璃珠，在10min内传感器没有损坏的话，则增加流速，再投放玻璃珠，没有损坏的话，进一步增加流速，就这样重复操作，不断地增加流速，直到膜片损坏为止。从试验结果来看，在膜片厚度相同的情况下，与采用SOG之前相比，采用SOG之后破坏流速提高了44%。

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3.5.3.2高温通电耐久试验高温通电耐久试验的试验方法是:在恒温箱中进行通电后，将传感元件即热膜在250℃下存放1000h，再利用光学显微镜观察高温通电耐久试验结束后的传感元件，即铂金膜的状态。从试验结果可知，在未采用SOG技术的元件的图形上，可以看到有局部的变质层，而在采用SOG技术的元件的图形上，就看不到这种局部的变质层。

上一页下一页返回3.5MEMS空气流量传感器的传感部件3.5.4技术分析在采用SOG技术之前，支承膜的厚度大约是2μm，在粉尘破坏试验中，在采用SOG技术后，根据元件的破坏流速比的预测值来看，在破坏流速比为1时的膜片的厚度大约是2μ

m对采用SOG之前的元件来说，因为多孔区域处于铂金膜到保护膜之间，所以，膜片部位的强度可能是由支承膜的厚度决定的。

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总之，在采用SOG技术的元件上，在铂金图形的尖角部位已经不存在多孔区，经高温通电耐久试验结束后，在铂金膜上再也找不到变质层。由于导入了SOG技术，导入前所看到的从保护膜到铂金膜的通道已经被切断，因此可以得出结论:高温通电耐久试验后，在铂金膜上几乎不再会产生变质层。

上一页返回3.6微型空气流量传感器3.6.1检测原理

微型空气流量传感器的工作原理是:通过向检测元件上的发热体供给电流，使其发热，对气流的热传递量与气流的流速相关。3.6.2结构

(1)检测元件部分

(2)插人式检测管

下一页返回3.6微型空气流量传感器3.6.3特点(1)轻量与小型化(2)高速响应(3)低压力损耗

上一页返回表3一1进气量测量方式的对比返回图3一1空气流量传感器的结构返回图3一2电位计部分的结构返回图3一3电位计的内部电路与输出特性返回图3一4电压比检测与电压值检测返回图3一5动片式空气流量传感器原理返回图3一6超声波式卡曼涡旋空气流量传感器的结构返回图3一7流量检测的原理电路返回图3一8压力变化型卡曼涡旋式

空气流量传感器原理图返回图3一9压力变化型卡曼涡旋式

空气流量传感器返回图3一10热丝式空气流量传感器的结构返回图3一11热损耗特性与响应特性的关系(模拟结果)返回图3一12三种空气流量传感器输出特性的对比返回图3一13带中间冷却器的发动机减速时，传感器的输出返回图3一14有进气倒流时的检测误差比较返回图3一15管道阻力的对比返回图3一16湿度的影响程度返回图3一17传感元件的平面图与剖面图返回图3一18膜片的厚度与膜片破坏时

的流速比的关系返回第4章

压力传感器4.1压力的概念及单位4.2汽车用压力传感器种类与用途4.3半导体进气压力传感器4.4集成电路型(IC)大气压传感器4.5半导体微差压力传感器4.6发动机控制用小型压力传感器4.7利用微控制器技术的高压传感器4.8共轨系统用超高压传感器4.9采用压粉铁芯的电动助力转向用非接触式扭矩传感器4.10接触式转向角度/扭矩传感器4.11动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传感器4.1压力的概念及单位人站在地面上以及汽车停在地面上都会对地面产生压力，我们把垂直作用在物体表面上的力叫作压力。把物体的单位面积上受到的压力叫作压强。上面所说的两个定义是物理学中的概念。工程技术上将物理学里的“压强”也称为压力。国际单位制中定义压力的单位是:1N的力垂直均匀作用在1m2面积上，所形成的压力为1个帕斯卡，简称为帕，符号为Pa。帕斯卡是一个很小的压力单位。下一页返回4.1压力的概念及单位长期以来，工程技术界广泛使用着很多其他压力的计量单位，为便于阅读一些技术资料，下面介绍几种将废除的计量单位。气象部门较早使用的压力单位为巴，符号为bar，它大体上等于一个“工程大气压”，“工程大气压”的符号为at，相当于1kg的力垂直作用在1cm2面积上所形成的压力，“标准大气压”的符号为atm，它是指在纬度45°的海平面上，0℃时的平均大气压力。以上这两种单位中虽有“大气压”三字，但其并不受气象条件的影响，而是作为计量单位使用的恒定值。上一页下一页返回4.1压力的概念及单位“约定毫米汞柱”普通简称为毫米汞柱，其符号为mmHg，它是指在标准重力加速度(980.655cm/s2)下，0℃时，1mm高水银柱底面上的压力。“约定毫米水柱”简称为毫米水柱，其符号为mmH2O，它是指在标准重力加速度之下，4℃时，1mm高的水柱底面上的压力。上一页返回4.2汽车用压力传感器种类与用途4.2.1真空开关真空开关的作用是检测空气滤清器有否堵塞，它主要用于化油器规格的车辆上，利用压力差检测堵塞状况。真空开关的结构如图4一1所示，其工作原理是:A腔与B腔之间会产生压力差，利用膜片向负压侧运动使笛簧开关动作。将A接头与B接头分别与要检测压力的部位接好管道，就可以测出压力差。在这种状态下，当产生压力差时(A>B)，在B腔负压的作用下，膜片推压弹簧向图示的下方移动，与膜片成为一体的磁铁向下移动，笛簧开关导通。下一页返回4.2汽车用压力传感器种类与用途4.2.2检测堵塞的连杆式传感器这种传感器用于检测滤清器是否堵塞，它利用膜片检测进气管的负压，再通过连杆控制触点的闭合与断开，其结构如图4一2所示。进气歧管内会产生脉动，此传感器可将这种脉动加以滤波并检测其是否有堵塞。上一页下一页返回4.2汽车用压力传感器种类与用途4.2.3油压开关这种传感器用于检测发动机有无油压，以及用于油压指示器上等，其结构如图4一3所示。它是由膜片、弹簧及触点构成的。当膜片上没有压力作用时，在弹簧弹力的作用下，触点闭合，当压力作用到膜片上时，压缩弹簧，使触点断开。油压指示器的原理如图4一4所示，当油压开关的触点闭合时，指示灯亮。因此，在启动发动机之前闭合点火开关时，油压指示灯亮;当启动发动机之后，油压上升时，油压指示灯灭。油压开关的特性如图4一5所示。上一页下一页返回4.2汽车用压力传感器种类与用途4.2.4油压传感器这种传感器用于带油压助力装置的制动系统的油压控制，它可检测出储压器的压力、输出油泵的闭合或断开信号以及油压的异常报警。其结构如图4一6所示，其内设有半导体应变片，利用了应变片具有形状变化时电阻也发生变化的特性;另外还设有金属膜片，通过金属膜片应变片检测出压力的变化，并将其转换成电信号后对外输出。上一页下一页返回4.2汽车用压力传感器种类与用途4.2.5绝对压力型传感器绝对压力型传感器用于主动型悬架系统的油压检测。传感器内设有放大电路、温度补偿电路及与压力媒体接触的不锈钢膜片。其结构如图4一7所示，它是用硅材料加工成膜片，再在其上形成扩散电阻而制成的传感元件。上一页下一页返回4.2汽车用压力传感器种类与用途4.2.6相对压力型高压传感器相对压力型高压传感器用于检测汽车空调的冷媒压力。传感器内设有放大电路、温度补偿电路，其工作原理与4.2.5介绍的高压传感器的工作原理相同，其结构如图4一8所示。上一页下一页返回4.2汽车用压力传感器种类与用途4.2.7半导体压力传感器半导体压力传感器用于检测电子控制燃油喷射系统(EFI一D)的进气歧路压力，并将其变换成电信号，放大后输入至发动机控制微机中。传感器的结构如图4一9所示，其上采取了防干扰措施。上一页下一页返回4.2汽车用压力传感器种类与用途4.2.8真空传感器因为真空传感器可把压力变化变换成电压的变化，所以也称作“波纹管加差动变压器式”传感器。这种传感器可用于电子汽油喷射装置上做真空传感器用。电子汽油喷射装置是根据进气歧管的压力(负压)确定基本喷油量的。这一压力就是靠压力传感器检测出来的真空传感器的结构如图4-10所示，它包括有:中间为真空的波纹管，随波纹管膨胀、收缩而左右运动的铁芯，设置在铁芯周围的差动变压器以及膜片。膜片根据压力差改变波纹管的位置，选定在输出区或者经济区。上一页下一页返回4.2汽车用压力传感器种类与用途4.2.9增压传感器在日产的vQ30DET等发动机上，采用增压压力传感器，传感元件是在硅膜片上扩散电阻制成的，用其检测涡轮增压机的增压压力，以便于修正喷射脉冲及控制增压压力。

VQ30DET的燃油喷射系统如图4-11所示，在怠速、使用普通汽油、水温超过