汽车电子控制装置-正确认识汽车传感器

智能汽车电子与软件 2024-03-05 17:00

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汽车电子控制装置

课题一传感器的原理

一、任务引入

汽车传感器广泛应用在发动机、底盘和车身各个系统中。例如在发动机电子控制系统中当发动机的水温较低时，水温传感器输入ECU的水温信息使空燃比变浓，从而使发动机工作稳定，如果此时水温传感器不发出冷机状态信息，将会使空燃比变稀，导致发动机运转不正常，同样，如果暖机后发出冷机状态信息，则将使空燃比变浓，发动机工作也不正常。本课题要求学生能够了解传感器结构，并且熟悉传感器的原理。

二、任务分析

电子控制单元不断地检测各个传感器的信号，一旦检测出某个输入信号不正常，就可将错误的信号存人存储器内，需要时可以通过专用诊断仪或采取人工方法读取故障信息，再根据故障码信息内容，进行维修。汽车计算机控制系统的性能首先取决于获取的与控制过程有关的工作变量和参数的精度，传感器或变换器可以将这些物理变量转换为相应的电信号，传感器可以通过多种方式将被测物理量转换为电信号。汽车计算机控制系统中普遍测量的物理量是温度、压力、速度、位置、流量和氧气浓度等。传感器的性能指标包括测定范围、精度、分辨率、响应特性、可靠性、耐久性、紧凑性、互换性和经济性等。

三、相关知识

（一）温度传感器

温度是汽车计算机控制系统的重要输入变量，特别是在发动机控制系统中，冷却液温度和进气温度直接关系到喷油量和点火正时。温度传感器常用的有热敏电阻型和热电偶型两类。这里只介绍热敏电阻型，热敏电阻温度传感器由镍或钴的氧化物等半导体材料制成，其电阻值随温度变化会产生可以预期的变化。当热敏电阻受热时，半导体中的电子会打破共价键成为自由电子，使热敏电阻的电阻值减小，如图7-1a)所示，电阻值随温度的变化关系如图7-1b)所示，由于电阻值随着温度的提高而减小，故为负温度系数(NTC)型热敏电阻，温度变化1℃电阻值可以变化5％～10％，电阻值为10kΩ的热敏电阻在发动机工作温度范围内的阻值变化范围为500—10000Ω。

尽管热敏电阻在高温范围内的灵敏度有所降低，但热敏电阻温度传感器仍然具有很高的灵敏度，可以测量到0．05℃的温度变化。

图7-1 热敏电阻工作原理

a）热敏电阻温度传感器；b) 热敏电阻温度传感器的温阻特性

（二）空气流量传感器

叶板式空气流量传感器叶板式空气流量传感器如图7-2所示，它的壳体中有一根转轴，转轴的一端设有螺旋回位弹簧，在转轴上固定着传感叶板，传感叶板由测量叶片和缓冲叶片构成，传感叶板的转轴与一个电位计的滑臂相联，电位计的陶瓷底板上镀有耐磨的滑轨。空气通过叶板式空气流量传感器时，流动的空气将推动测量叶片绕转轴摆动，空气流量越大，叶片的摆角越大，同时，与测量叶片连为一体的缓冲叶片在阻尼室进行同样的摆动，它可以对叶板形成平稳的阻尼力，使叶板摆动变得较为平稳，叶板带动电位计滑臂在滑轨上滑动，电位计的电压输出图7-2 叶板式空气流量传感器

将与叶板摆角成正比。为使流量传感器具有期望的输出特性，电位计在陶瓷底板的背部有几个薄膜电阻，这些薄膜电阻与滑轨相连，使电位计具有微调能力。

由于空气的体积是由进气管中的压力和温度决定的，所以，用间接方法测量进入气缸的空气质量流量不够精确，要减小进入气缸空气质量的测量与实际进气量的偏差，可以采用更直接的测量方法。空气流量直接测量方法更为迅速和精确，有助于提高空燃比的控制精度，改善燃烧过程。

（三）压力传感器

进气歧管绝对压力传感器应用在 D 型 EFI 汽油喷射系统中，它是 D 型汽油喷射系统的重要部件，相当于L型 EFI 汽油喷射系统中的空气流量传感器。

半导体压敏电阻式压力传感器是利用半导体的压敏效应制成的，它的特点是尺寸小，精度高，响应性好，再现性、抗震性好，且生产成本低，所以得到广泛应用。如美国通用汽车公司、日本丰田汽车公司、克莱斯勒汽车公司生产的汽车，以及国产桑塔纳 2000GLi 型轿车等都使用半导体压敏电阻式压力传感器。

该传感器的结构如图7-3所示，它由压力转换元件和把转换元件输出信号进行放大的混合集成电路构成。

图7-3压敏电阻式进气歧管压力传感器

（四）位置传感器

应用在汽车上的位置传感器有曲轴位置传感器、节气门位置传感器等。其中曲轴位置传感器是发动机电子控制系统的主要部件，它是控制发动机点火正时、确认曲轴位置的信号源。曲轴位置传感器用于检测活塞上止点信号和曲轴转角信号，它也是测量发动机转速的信号源。曲轴位置传感器的结构形式有磁脉冲式、光电式和霍尔式三种。它们安装在曲轴前端、凸轮轴前端、分电器内或飞轮上。节气门位置传感器有线性输出型和开关型两种。它安装在节气门体上，它可将节气门开度的变化转换成电信号输入电子控制单元 ECU , ECU根据节气门位置信号判定发动机的运转工况。

丰田公司TCCS系统使用转子磁脉冲曲轴位置传感器并安装在分电器内，其结构如图7-4所示。该传感器分上下两部分，上部分产生G信号，下部分产生Ne信号。两部分都是利用带轮齿的转子旋转，使信号发生器内的线圈磁通变化，从而产生交变电势，经放大后，将该信号输入电子控制单元。

Ne信号用来检测曲轴转角和发动机转速信号，它相当于轮齿式曲轴位置传感器的1º信

号。它由固定在分电器内下半部等间隔24个齿轮的转子(即Ne正时转子)及固定在轮齿转

子对面的感应线圈组合而成，如图7-4所示。当转子转动时，轮齿与感应线圈凸缘(即磁头)的空气间隙变化，使感应线圈的磁场变化而产生感应电动势。因为轮齿靠近及远离磁头时，将会产生一次增减磁通的变化。所以，每一个轮齿通过磁头时，都会在感应线圈中产生一

图7-7 转子磁脉冲式曲轴位置传感器

1. Gl感应线圈 2.No.2正时转子 3.No.1正时转子 4.G2感应线圈 5.Ne感应线圈

个完整的交流电压信号。

Ne正时转子上有24个齿，转子转一圈，即曲轴转两圈(720º)时，感应线圈产生24个交流信号，即Ne信号。Ne信号如图7-5所示。它的一个周期的脉冲相当于30º曲轴转角(720º÷24=30º)。更精确的转角测量是利用30º转角的时间，由ECU再均分30等份，产生1º曲轴转角的信号。同时，检测发动机的转速，是由ECU依照Ne信号的两个脉冲，即60º曲轴图7-5 Ne信号发生器结构与波形

转角所经过的时间为基准测量发动机的转速。

G信号用于辨别气缸及检测活塞上止点位置，这相当于轮齿磁脉冲式曲轴位置传感器的

120º信号。G信号是位于Ne信号发生器上方的凸缘轮(即G正时转子)及其对面对称的两个感应线圈产生的，它的结构如图7-6所示。G信号的产生原理与Ne信号产生原理相同，G

信号也用于作为Ne信号计算曲轴转角的基准信号。

图7-6 G信号发生器结构与波形

G₁、G₂信号分别用于检测六缸及一缸上止点信号，由于G₁、G₂信号发生器设置的关系，当产生G₁、G₂信号时，实际上活塞并不是正好在上止点，而是在上止点前10º的位置。

（五）速度传感器

曲轴位置传感器又称曲轴转角传感器，它是发动机集中控制系统最主要的传感器，它是控制发动机燃油喷射和点火时刻确认曲轴位置的信号源。

舌簧开关式发动机转速传感器安装在分电器内部，它的结构如图7-7所示。舌簧开关触点由强磁休制成，在装于分电器轴上的磁铁的作用下动作，舌簧开关触点不直接与大气接触，其容器内充有惰性气体。

图7-7舌簧开关式转速传感器的结构

（六）氧传感器

氧传感器安置在发动机排气管或排气尾管中，用于测量发动机排气中的剩余氧气浓度，由于排气中的氧气浓度由发动机进气过量空气系数(A)决定，故也将这类传感器称为A传感器。氧传感器由多孔性材料制成，当发动机排气中的氧离子在传感器的多孔性材料中扩散时，就会在多孔材料的两个侧面之间产生电压。在过量空气系数λ=1时，氧传感器的输出电压将会有急剧的变化，目前，氧传感器有氧化锆(ZrO₂)和氧化钛(TiO₂)两种类型。现介绍氧化锆(ZrO₂)氧传感器。

氧化锆传感器的基体是多孔陶瓷，在陶瓷孔的表面附着着氧化锆，传感器有两个传感探头，其中的一个探头用于提供正常大气压力下大气中氧气浓度的参考值，另一个探头则暴露于排气中，用于感测由排气中剩余氧气产生的分压力。发动机燃用浓混合气时，排气中的氧气分压力是大气压力的10^-16～10^-32，发动机燃用稀混合气时，排气中的氧气分压力约为10^-2。如果传感器两个探头处的氧气浓度相同，传感器的输出电压就为零；如果传感器两个探头处的氧气浓度不同，两个探头之间就会有电压产生。氧传感器的工作原理如图7-8所示，当氧气渗入温度较高表面附着氧化铝的陶瓷微孔时，氧气将会发生电离，形成带负电荷的氧离子，如果陶瓷体两侧的氧含量不同，氧离子就会由较浓的一侧向另一侧扩散，使多孔陶瓷体两表面之间产生电压，而电压的高低取决于陶瓷体两表面处的氧气浓度差。

图7-8 氧化锆式氧传感器的工作原理

1.电动势 2.大气一侧铂金电极 3.固态电解质(氧化锆元素) 4.排气一侧的铂金电极 5.陶瓷涂层

（七）爆震传感器

燃料品质差和点火提前角过大等许多因素会引发爆震燃烧，爆震燃烧会导致缸内压力急剧升高，并产生压力振荡。爆震传感器的作用是在发动机爆震燃烧时向发动机ECU反馈电信号，由ECU通过减小点火提前角使爆震得到抑制。

汽车发动机采用加速度计作为爆震传感器最为合适，用压电陶瓷作为转换元件测量发动机的缸体振动，它具有很高的自振频率和良好的线性，可以提供用于爆震分析的理想信号由铅、锆和钛组成的压电陶瓷的工作温度可以达到360℃，其典型结构如图7-9所示，这种结构的爆震传感器可以很方便地安置在发动机的两个气缸之间，这是检测爆震的最佳位置。在陶瓷晶体承受机械应力发生变化时将会产生电压，电压方向与机械应力处于两个相对的表面，电压的高低与所受的机械压力成正比，振动质量对压电传感元件产生初始预压力，这使压电晶体相当于一个弹簧，当发动机发生爆震并通过机体传给传感器时，将引起振动质量与压电晶体组成的弹性体系产生共振，使压电晶体发生变形产生正比于爆震强度的输出电压，当加速度为1g(9．81m／s²)时爆震传感器的输出电压25mV。传感器的安装紧固力矩必须保持精确，但不能超过设定的最大力矩。

压力振动频率除了包含典型的爆震频率以外，还包含机体的振动信号，所以，必须通过计算电路进行分析，将爆震的特征信号从其他信号中分离出来后供给ECU，由ECU决定是否推迟相应气缸的点火定时。