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第二章第二章 传感器传感器第一节第一节 传感器概述传感器概述一、传感器特性 传感器是指能感受规定的物理量，并按一定规律转换成可用输入信号的器件或装置。简单地说，传感器是把非电量转换成电量的装置。传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。1)敏感元件是指能直接感受（或响应）被测量的部分，即将被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其它量。2）转换元件则将上述非电量转换成电参量。3）测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流或频率等可测电量，以便进行显示、记录、控制和处理的部分。传感器的静态特性参数指标传感器的静态特性参数指标1灵敏度灵敏度是指稳态时传感器输出量和输入量之比，或输出量的增量和输入量的增量之比，用表示为YX2分辨力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称为分辨力。3测量范围和量程在允许误差限内，被测量值的下限到上限之间的范围称为测量范围。4线性度（非线性误差）在规定条件下，传感器校准曲线与拟合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误差。5迟滞迟滞是指在相同的工作条件下，传感器的正行程特性与反行程特性的不一致程度。6重复性重复性是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。7零漂和温漂传感器在无输入或输入为另一值时，每隔一定时间，其输入值偏离原示值的最大偏差与满量程的百分比为零漂。而温度每升高1，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比，称为温漂。发动机常用传感器如下发动机常用传感器如下二、发动机常用传感器工作机理二、发动机常用传感器工作机理二、发动机常用传感器工作机理二、发动机常用传感器工作机理（一）磁电式传感器（一）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2.2.直线移动式磁电传感器直线移动式磁电传感器直线移动式磁电传感器由永久磁铁、线圈和传感器壳体等组成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，由于弹簧较软，运动件质量相对较大，运动件来不及随振动体一起振动（静止不动）。此时，磁铁与线圈之间的相对运动速度接近振动体的振动速度。3.3.转动式磁电传感器转动式磁电传感器软铁、线圈和永久磁铁固定不动。由导磁材料制成的测量齿轮安装在被测旋转体上，每转过一个齿，测量齿轮与软铁之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也变化一次。线圈中感应电动势的变化频率（脉冲数）等于测量齿轮上的齿数和转速的乘积。（二）霍耳式传感器（二）霍耳式传感器 1霍耳效应霍耳效应半导体或金属薄片置于磁场中，当有电流（与磁场垂直的薄片平面方向）流过时，在垂直于磁场和电流的方向上产生电动势，这种现象称为霍耳效应。2霍耳元件霍耳元件目前常用的霍耳材料锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等。N型锗容易加工制造，霍耳系数、温度性能、线性度较好；P型硅的线性度最好，霍耳系数、温度性能同N型锗，但电子迁移率较低，带负载能力较差，通常不作单个霍耳元件。霍尔效应式传感器霍尔效应式传感器永久磁铁永久磁铁霍尔元件霍尔元件触发轮触发轮 当触发叶轮上的叶片进入永久磁铁与霍尔元件之间当触发叶轮上的叶片进入永久磁铁与霍尔元件之间时，磁场被叶片旁路，不产生霍尔电压；当缺口部分进时，磁场被叶片旁路，不产生霍尔电压；当缺口部分进入磁铁与霍尔元件之间时，磁力线进入霍尔元件，传感入磁铁与霍尔元件之间时，磁力线进入霍尔元件，传感器输出电压信号。器输出电压信号。（三）压电式传感器1 1压电效应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，这种现象称为正压电效应。在电介质的极化方向施加电场，电介质会在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外电场去除后，变形或应力随之消失，此现象称为逆压电效应。2 2压电元件压电元件压电式传感器是物性型的、发电式传感器。常用的压电材料有石英晶体（SiO2）和人工合成的压电陶瓷。压电陶瓷的压电常数是石英晶体的几倍，灵敏度较高。（四）光电式传感器（四）光电式传感器 1 1光电效应光电效应当光线照射物体时，可看作一串具有能量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，摆脱内部力的约束，发生相应电效应的物理现象，称为光电效应。1）在光线作用下，电子逸出物体表面的现象，称为外光电效应，如光电管、光电倍增管等。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，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。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，如光电池（属于对感光面入射光点位置敏感的器件）等。2 2光敏电阻光敏电阻 光敏电阻受到光线照射时，电子迁移，产生电子空穴对，使电阻率变小。光照越强，阻值越低。入射光线消失，电子空穴对恢复，电阻值逐渐恢复原值。3 3光敏管光敏管光敏管（光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等）属于半导体器件。4电致发光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。电致发光是将电能直接转换成光能的过程。发光二极管(LED)是以特殊材料掺杂制成的半导体电致发光器件。当其PN结正向偏置时，由于电子空穴复合时产生过剩能量，该能量以光子形式放出而发光。信号盘随分电器轴转动，产生透光和遮光交替变化。信号盘随分电器轴转动，产生透光和遮光交替变化。当发光二极管的光束照到光敏二极管时，光敏二极管产生当发光二极管的光束照到光敏二极管时，光敏二极管产生低电压；当发光二极管光束被挡住时，光敏二极管输出高低电压；当发光二极管光束被挡住时，光敏二极管输出高电压。电压。光电式传感器光电式传感器发光管发光管分火头分火头密封盖密封盖信号盘信号盘电路电路 光敏二极管光敏二极管输出信号输出信号光敏二极管光敏二极管发光二极管发光二极管遮光盘遮光盘（五）热电式传感器五）热电式传感器1 1热电效应热电效应将两种不同性质的金属导体A、B接成一个闭合回路，如果两接合点温度不相等（T0T），则在两导体间产生电动势，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热电阻传感器热电阻传感器热电阻材料通常为纯金属，广泛使用的是铂、铜、镍、铁等3 3热敏电阻传感器热敏电阻传感器 热敏电阻用半导体制成，与金属热电阻相比有以下特点：1）电阻温度系数大，灵敏度高；2）结构简单，体积小，易于点测量；3）电阻率高，且适合动态测量；4）阻值与温度变化的关系是非线性的；5）稳定性较差。第二节第二节 空气流量计空气流量计一、叶片式空气流量计一、叶片式空气流量计 叶片式空气流量计安装在空气过滤器和节气门之间，其作用是检测吸入空气量的多少，并把检测结果转换成电信号。叶片式空气流量计的结构简单，可靠性高；但进气阻力大，响应较慢且体积较大补偿挡板补偿挡板缓冲室缓冲室弹簧弹簧测量板测量板空气滤清空气滤清器器旁通气道旁通气道封口封口调节调节螺钉螺钉电位计电位计 测量板打开的角度测量板打开的角度随进气量大小而变化随进气量大小而变化二、卡门旋涡式空气流量计二、卡门旋涡式空气流量计1 1）卡门旋涡的定义卡门旋涡的定义 所谓卡门旋涡，是指在流体中放置一个圆柱状或三角状物体时，在这一物体的下游就会产生两列旋转方向相反，并交替出现的旋涡。而空气流量与卡门旋涡的频率成正比，即qv=kf。(式2-16)/P342 2）光学式卡门旋涡空气流量计）光学式卡门旋涡空气流量计工工作作原原理理：在产生卡门旋涡的过程中，旋涡发生器6两侧的空气压力会发生变化，通过导孔作用在金属箔（由簧片4固定）上，从而使其振动，LED的光照射在振动的金属箔上时，光敏三极管3接收到的金属箔上的反射光将是被旋涡调制的光，其输出经解调可得到代表空气流量的频率信号。3 3）超声波式卡门旋涡空气流量计）超声波式卡门旋涡空气流量计 工作原理：在卡门涡流发生器下游管路两侧相对安装超声波发射探头和接收探头。因卡门涡流对空气密度的影响，就会使超声波从发射探头到接收探头的时间较无旋涡变晚而产生相位差。对此相位信号进行处理，就可得到旋涡脉冲信号，即代表体积流量的电信号输出。原理：把通电加热的铂丝置于空气流中，使铂丝温度原理：把通电加热的铂丝置于空气流中，使铂丝温度 和吸入空气温度差保持一定。铂丝成为惠斯顿电桥中和吸入空气温度差保持一定。铂丝成为惠斯顿电桥中的一个臂。的一个臂。控制电路控制电路热膜热膜温度传感器温度传感器防护网防护网A A：集成电路；：集成电路；R RH H：热线电阻：热线电阻R RK K：温度补偿电阻：温度补偿电阻R RA A：精密电阻：精密电阻 R RB B：电桥电阻：电桥电阻三、热线式空气流量计三、热线式空气流量计工作原理 当无空气流动时，电桥处于平衡状态，控制电路输出某一固定的加热电流至热线电阻RH以保持平衡；当有空气流动时，由于RH的热量被空气吸收而变冷，其电阻值降低，电桥失去平衡，如果保持热线电阻与吸入空气的温差不变并为一定值，就必须增加流过热线电阻的电流IH。空气流量越大，所须增加流过热线电阻的电流IH也就越大。因此，热线电流就是空气质量流量的函数。四、热膜式空气流量计 热膜式空气流量计的工作原理与热线式空气流量计类似，都是用惠斯登电桥工作的。所不同的是：热膜式不使用白金丝作为热线，而是将热线电阻、补偿电阻及桥路电阻用厚膜工艺制作在同一陶瓷基片上构成的。第三节第三节 压力传感器压力传感器作用：检测气压（进气真空度、大气压力和汽缸内气压等）和油压。半导体应变式进气压力传感器是利用压阻效应原理工作的。进气管绝对压力传感器进气管绝对压力传感器半导体压敏电阻式：由半导体压敏电阻式：由半导体应变片半导体应变片、集成电路和真空室组成。、集成电路和真空室组成。原理：压力变化，半导体应变片变形，应变电阻阻值变化，电原理：压力变化，半导体应变片变形，应变电阻阻值变化，电桥输出电压变化。桥输出电压变化。第四节第四节 节气门位置传感器节气门位置传感器一、开关式节气门位置传感器传感器由与节气门轴联动的凸轮、动触点、怠速触点、满负荷触点等组成。动触点接微机电源，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。(仅满负荷、怠速2种状态，简单但精度低)作用：将节气门开度的大小和动作的快慢，转变为电信号输入到电脑，以反映负荷的大小。作用：将节气门开度的大小和动作的快慢，转变为电信号输入到电脑，以反映负荷的大小。二、线性节气门位置传感器线性节气门位置传感器采用线性电位计，由节气门轴带动电位计的滑动触点，在不同的节气门开度下，接入回路的电阻不同 工作原理：工作原理：由节气门轴带动电位计的滑动触点，利用滑动由节气门轴带动电位计的滑动触点，利用滑动阻值的变化，测得与节气门开度相对应的输出电压。阻值的变化，测得与节气门开度相对应的输出电压。二、综合式节气门位置传感器 采用线性电位计，由节气门轴带动电位计的滑动触点，在不同的节气门开度下，接入回路的电阻不同，从而可连续测出节气门的开度。而当节气门全关闭时，怠速触点与动触点接通。第五节第五节 氧传感器氧传感器 氧传感器安装在排气管内。由于排气中的氧气浓度可以反映空燃比的大小，所以，在电子控制燃油喷射系统中广泛使用氧传感器。氧传感器随时将检测的氧气浓度反馈给ECU，ECU据此判断空燃比是否偏离理论值，一旦偏离，就调节喷油量，以控制空燃比收殓于理论值。零部件零部件 -氧传感器(O2)实物图一、二氧化钛（一、二氧化钛（i2）氧传感器）氧传感器 二氧化钛氧传感器是利用半导体材料二氧化钛的电阻值，随排气中氧含量的变化而改变的特性制成的，是一种电阻型氧传感器。通常，二氧化钛氧传感器的输出电压在0.1-0.9V之间，电压高，表示混合气浓，反之则表示混合气稀。ECU据此电压信号调节控制喷油量。二、二氧化锆（二、二氧化锆（r2）氧传感器）氧传感器 二氧化锆氧气传感器的基本元件是二氧化锆（r2）陶瓷，因其为固定电解质管，亦称锆管。锆管固定在带有安装螺丝的固定套内，锆管内表面与大气相通，外表面与排气相通，其内外表面都覆盖着一层多孔性的铂膜作为电极。其本质为化学电池（氧浓差电池），而其电动势大小与氧浓差大小相关。第六节第六节 温度传感器温度传感器 为了解发动机的热状态，计算进气的质量流量及进行排气净化处理，需要有能够连续、精确地测量冷却液温度、进气温度与排气温度的传感器。温度传感器的种类很多，如热敏电阻式、半导体二极管式、热电偶式等 热敏电阻式冷却液温度传感器一般安装在发动机缸体、缸盖的水套或节温器壳内并伸入水套中。所用热敏电阻通常具有副温度系数，即其电阻值随温度升高而降低。图2-35/P45第七节第七节 爆震传感器爆震传感器 什么是爆震？发动机燃烧室内的油气点火后，火焰尚未完全扩散，远程未燃的油气即因为高温或高压而自燃，其火焰与正规燃烧产生的火焰撞击而产生极大冲击力，使发动机产生不正常振动。产生原因：1）点火提前角过大 2）发动机温度过高第七节第七节 爆震传感器爆震传感器【功能功能】爆震传感器K Knock nock S Sensorensor(KSKS)用来检测发动机有无爆震发生，检测方法有三种：一是检测气缸压力；二是检测发动机振动；三是检测燃烧噪声。目前常用检测发动机振动的方法来判断有无爆震，并把爆燃信号送给发动机控制电脑作为修正点火提前角的重要参考信号。l【安装位置安装位置】缸体侧面或火花塞座孔上l【分类分类】磁滞伸缩式爆燃传感器压电式爆燃传感器。这又分为：l压电式共振型爆燃传感器 l压电式非共振型爆燃传感器 l压电式火花塞座金属垫型爆燃传感器一、磁致伸缩式爆震传感器一、磁致伸缩式爆震传感器(电感式爆燃传感器电感式爆燃传感器)l【组成组成】铁心、永久磁铁、线圈及外壳。l【原理原理】利用电磁感应原理检测发动机爆燃。当发动机发生爆燃时，铁芯受振偏移，使线圈中磁通发生变化，从而产生感应电动势。当传感器的固有振动频率与发动机爆燃时的振动频率相同而共振时，传感器输出的信号电压最大。一、磁致伸缩式爆震传感器一、磁致伸缩式爆震传感器线圈铁心壳体永久磁铁谐振点频率f输出电压u0磁致伸缩式爆震传感器二、压电式爆震传感器 1）压电式共振型爆燃传感器l【组成组成】压电元件、振荡片、基座、外壳等组成。l【原理原理】压电效应原理。l当发生爆燃时，振荡片与发动机共振，压电元件输出的信号电压明显增大，易于测量。其输出特性与磁滞伸缩式类似。l该类传感器必须与发动机配套使用。爆燃传感器至ECU压电元件振荡片频率电压ECUKNK信号波形带开路/断路检测电阻的传感器2）压电式非共振型爆燃传感器 与共振式相比，非共振式内部无震荡片，但设一个配重块，以一定的预紧压力压紧在压电元件上。当发动机发生爆燃时，配重块以正比于振动加速度的交变力施加在压电元件上，压电元件则将此压力信号转变成电信号输送给ECU。实际上是一种加速度传感器，通用性较强。配重块压电元件引线频率（kHz）输出电压（mV）压电式非共振型爆燃传感器压电式非共振型爆燃传感器3）压电式火花塞座金属垫型爆燃传感器 安装在火花塞的垫圈处，每缸一个，根据各缸的燃烧压力直接检测各缸的爆燃信息，并转换成电信号输送给ECU。火花塞爆燃传感器第八节第八节 曲轴位置传感器曲轴位置传感器 曲轴位置传感器亦称点火信号发生器，用于点火正时控制。传统点火系统中的曲轴位置传感器是分电器凸轮轴和断电器。作用：反映曲轴转角，使电脑控制正确的点火提前角和作用：反映曲轴转角，使电脑控制正确的点火提前角和喷油时刻。喷油时刻。一、磁脉冲式曲轴位置传感器一、磁脉冲式曲轴位置传感器 线圈和永久磁铁固定不动。由导磁材料制成的测量齿轮（信号圆盘）安装在分电器轴上，测量齿轮每转过一个齿，其与磁铁之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也变化一次。线圈中感应电动势的变化频率（脉冲数）等于测量齿轮上的齿数和转速的乘积。二、霍耳式曲轴位置传感器二、霍耳式曲轴位置传感器 1 1）结构组成）结构组成 传感器由两个部件组成。一个部件是与分火头制成一体的定时转子即所谓的触发叶轮触发叶轮；另一个部件是霍耳信号发生器。霍耳信号发生器。触发叶轮由导磁材料制成，其上的叶片数与发动机气缸数相同，触发叶轮由分电器轴带动。霍耳信号发生器由霍耳元件、永久磁铁等组成，两者之间留有一个空隙，以便触发叶轮的叶片能在该空隙内转动。2 2）霍尔效应式曲轴位置传感器工作原理）霍尔效应式曲轴位置传感器工作原理永久磁铁永久磁铁霍尔元件霍尔元件触发叶轮触发叶轮 当触发叶轮上的叶片部分进入永久磁铁与霍尔元件当触发叶轮上的叶片部分进入永久磁铁与霍尔元件之间时，磁场被导磁叶片旁路，不产生霍尔电压；当叶之间时，磁场被导磁叶片旁路，不产生霍尔电压；当叶片间的缺口部分进入磁铁与霍尔元件之间时，磁力线进片间的缺口部分进入磁铁与霍尔元件之间时，磁力线进入霍尔元件，传感器输出电压信号。这样，随着叶轮的入霍尔元件，传感器输出电压信号。这样，随着叶轮的旋转，每个叶片都会使霍尔元件产生脉冲输出。旋转，每个叶片都会使霍尔元件产生脉冲输出。3 3）主要优点：）主要优点：工作可靠、正时精度高 工作频带宽、耐高温、耐潮湿、耐油污 在汽车上应用广泛三、光电式位置传感器 信号遮光盘上开有信号遮光盘上开有4个缺口（与个缺口（与4缸汽油机匹配）。缸汽油机匹配）。遮光盘随分遮光盘随分电器轴转动，产生透光和遮光交替变化。当发光二极管的光束照电器轴转动，产生透光和遮光交替变化。当发光二极管的光束照到光敏二极管上时，光敏二极管导通输出低电压（到光敏二极管上时，光敏二极管导通输出低电压（0V）；当发光）；当发光二极管光束被挡住时，光敏二极管截止输出高电压（二极管光束被挡住时，光敏二极管截止输出高电压（5V）。）。分电器旋转分电器旋转1周，输出与缺口数相同的周，输出与缺口数相同的4个电压脉冲信号，此信个电压脉冲信号，此信号供号供ECU判定曲轴位置或计算转速。判定曲轴位置或计算转速。1 1）光电式位置传感器工作原理）光电式位置传感器工作原理发光管发光管分火头分火头密封盖密封盖信号盘信号盘电路电路 光敏二极管光敏二极管输出信号输出信号光敏二极管光敏二极管发光二极管发光二极管遮光盘遮光盘2 2）主要优点：）主要优点：工作十分可靠 无时间滞后 输出信号呈方波，清晰明快，不受汽油机转速影响 能使点火正时长久不变第九节第九节 转速传感器转速传感器 作用：将发动机转速的高低，以电信号的形式输送到作用：将发动机转速的高低，以电信号的形式输送到ECU，控，控制喷油量。制喷油量。转速传感器有磁脉冲式、光电式、霍耳式等。其结构、工作原理与相应的曲轴位置传感器类似，即将输出脉冲信号经ECU处理后，就可得到转速输出。Theend