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    汽車電子之傳感器分析:幾種常見的汽車傳感器

    2016-11-1 14:51:24      點擊:

    為了確保汽車正常行駛,人們把汽車運行中各種工況信息,如車速、各種介質的溫度、發動機運轉工況等,轉化成電信號輸給汽車控制器(如計算機等),以便發動機處于最佳工作狀態,這些信號統稱為汽車傳感器,F代汽車技術發展特征之一就是越來越多的部件采用電子控制。

      汽車傳感器的作用非常大,一旦某個傳感器失靈,對應的裝置就會不正常工作甚至不工作。在過去,汽車傳感器單純用于發動機上,現在巳擴展到底盤、車身和燈光電氣系統上了,具體包括測量溫度、壓力、流量、位置、氣體濃度、速度、光亮度、干濕度、距離等的汽車傳感器。

      車速傳感器

      圖1所示為傳統的車速表,它是機械式的。典型的機械式里程表連接一根軟軸,軟軸內有一根鋼絲纜,軟軸另一端連接到變速器某一個齒輪上,齒輪旋轉帶動鋼絲纜旋轉,鋼絲纜帶動里程表罩圈內一塊磁鐵旋轉,罩圈與指針聯接并通過游絲將指針置于零位,磁鐵旋轉速度的快慢引起磁力線大小的變化,平衡被打破,指針因此被帶動。

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      轉速表單位是1/min×1000,即顯示發動機每分鐘轉多少千轉。轉速表能夠直觀地顯示發動機在各個工況下的轉速,駕駛員可以隨時知道發動機的運轉情況,配合變速器檔位和油門位置,使之保持最佳的工作狀態,對減少油耗、延長發動機壽命有好處。

      除了機械式轉速表,現在更多的是電子式轉速表,有指針式和液晶數字顯示式,表內有數字集成電路,它將點火線圈輸送過來的電壓脈沖經過計算后驅動指針移動或數字顯示(圖2)。

      另外還有一種轉速表是從發電機獲取脈沖信號傳送到轉速表電路后顯示轉速值,不過因受發電機皮帶打滑等因素影響,數值不太精確。

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      溫度傳感器

      溫度傳感器主要用于檢測發動機溫度、吸入氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度以及催化溫度等。溫度用傳感器有線繞電阻式、熱敏電阻式和熱偶電阻式三種主要類型。三種類型傳感器各有特點,其應用場合也略有區別。線繞電阻式溫度傳感器的精度高,但響應特性差;熱敏電阻式溫度傳感器靈敏度高,響應特性較好,但線性差,適應溫度較低;熱偶電阻式溫度傳感器的精度高,測量溫度范圍寬,但需要配合放大器和冷端處理一起使用。

      以圖3所示的水溫傳感器為例,它的內部是一個半導體熱敏電阻,溫度愈低,電阻愈大;反之電阻愈小,安裝在發動機缸體或缸蓋的水套上,與冷卻水直接接觸,從而測得發動機冷卻水的溫度。電控單元根據這一變化測得發動機冷卻水的溫度,溫度愈低,電阻愈大;反之電阻愈小。電控單元根據這一變化測得發動機冷卻水的溫度,作為燃油噴射和點火正時的修正信號。簡單的說就是用戶可以通過發動機水溫的溫度了解汽車現在的運行的狀態,停止或者運動,或者運動的時間有多長等。

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      除了以上電阻式溫度傳感器之外,汽車電子上應用廣泛的還有雙金屬片式溫度傳感器。雙金屬片式溫度傳感器是利用雙金屬片的溫度特性制成的一種溫度傳感器,如冷起動定時開關,它由殼體、雙金屬片、加熱線圈、觸點等構成。

      冷起動定時開關是個“溫度一時間”開關,用螺紋連接方式安裝在發動機出水口處,以檢測發動機水溫。此開關內部有一常閉觸點,其活動臂由雙金屬片制成。雙金屬片由兩片熱膨脹系數不同的金屬片粘合而成,隨著溫度的變化,兩個金屬片產生熱膨脹差,溫度較低時,雙金屬片保持原來的狀態;溫度升高到一定程度時,雙金屬片向低膨脹系數的金屬片一側彎曲。在雙金屬片周圍繞有兩個加熱線圈,加熱后可使雙金屬片彎曲,從而使觸點斷開。發動機暖機到一定溫度后,原來閉合的觸點應為斷開狀態。

      在發動機處于冷機狀態下,定時開關觸點閉合。當冷起動時,點火開關處于起動位置,起動電源端有電流流過。電流由蓄電池經點火開關、冷起動噴油嘴、定時開關的雙金屬片、觸點、接地形成回路,使冷起動噴油嘴噴油。與此同時,也有電流流經定時開關的加熱線圈,兩個加熱線圈使雙金屬片受熱,當其彎曲而斷開觸點時,冷起動噴油器停止噴油。

      起動后,起動開關斷開,點火開關由起動位置轉至斷開位置,沒有電流流經冷起動噴油器,使其停止噴油。與此同時,兩個加熱線圈均斷電,但此時發動機已處于暖機狀態,其水溫升高到足以使雙金屬片彎曲,觸點被斷開,也就是說發動機正常運轉時,冷起動噴油器定時開關的觸點保持斷開狀態,冷起動噴油器不噴油。

      汽車制造商都根據自身的設計規定了冷起動噴油器定時開關的工作溫度,如日產系列的為18℃以下,豐田系列的為35℃以下。水溫越低,冷起動噴油器的工作時間就越長。冷起動噴油器噴油時間取決于噴油閥門打開的時間長短。

    壓力傳感器主要用于檢測氣缸負壓、大氣壓、渦輪發動機的升壓比、氣缸內壓、油壓等。吸氣負壓式傳感器主要用于吸氣壓、負壓、油壓檢測。汽車用壓力傳感器應用較多的有電容式、壓阻式、差動變壓器式(LVDT)、表面彈性波式(SAW)。 電容式壓力傳感器主要用于檢測負壓、液壓、氣壓,測量范圍20~100kPa,具有輸入能量高、動態響應特性好、環境適應性好等特點;壓阻式壓力傳感器受溫度影響較大,需要另設溫度補償電路,但適應于大量生產;LVDT式壓力傳感器有較大的輸出,易于數字輸出,但抗干擾性差;SAW式壓力傳感器具有體積小、質量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、分辨率高、數字輸出等特點,用于汽車吸氣閥壓力檢測,能在高溫下穩定地工作,是一種較為理想的傳感器。

      機油壓力傳感器是指集微型傳感器、執行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統。常用的有硅壓阻式和硅電容式,兩者都是在硅片上生成的微機械電子傳感器。一般情況上,用戶通過機油壓力傳感器來檢測汽車的機油箱內的汽油還有多少,并將檢測到的信號轉換成我們可以理解的信號,提醒還有多少汽油,或者還可以走多遠,甚至提醒汽車需要加汽油了。

      空氣流量傳感器

      空氣流量傳感器是將吸入的空氣轉換成電信號送至電控單元(ECU),作為決定噴油的基本信號之一。根據測量原理不同,可以分為旋轉翼片式空氣流量傳感器(豐田PREVIA 旅行車)、卡門渦游式空氣流量傳感器(豐田凌志LS400 轎車)、熱線式空氣流量傳感器(日產千里馬車用VG30E 發動機和國產天津三峰客車TJ6481AQ4 裝用的沃爾沃B230F 發動機)和熱膜式空氣流量傳感器四種型式。前兩者為體積流量型,后兩者為質量流量型。目前主要采用熱線式空氣流量傳感器和熱膜式空氣流量傳感器兩種。

      進氣壓力傳感器

      進氣壓力傳感器可以根據發動機的負荷狀態測出進氣歧管內的絕對壓力,并轉換成電信號和轉速信號一起送入計算機,作為決定噴油器基本噴油量的依據。國產奧迪100 型轎車(V6 發動機)、桑塔納2000 型轎車、北京切諾基(25L 發動機)、豐田皇冠3.0 轎車等均采用這種壓力傳感器。目前廣泛采用的是半導體壓敏電阻式進氣壓力傳感器。

      節氣門位置傳感器

      節氣門位置傳感器安裝在節氣門上,用來檢測節氣門的開度。它通過杠桿機構與節氣門聯動,進而反映發動機的不同工況。此傳感器可把發動機的不同工況檢測后輸入電控單元(ECU),從而控制不同的噴油量。它有三種型式:開關觸點式節氣門位置傳感器(桑塔納2000 型轎車和天津三峰客車)、線性可變電阻式節氣門位置傳感器(北京切諾基)、綜合型節氣門位置傳感器(國產奧迪100 型V6 發動機)。

      曲軸位置傳感器也稱曲軸轉角傳感器,是計算機控制的點火系統中最重要的傳感器,其作用是檢測上止點信號、曲軸轉角信號和發動機轉速信號,并將其輸入計算機,從而使計算機能按氣缸的點火順序發出最佳點火時刻指令。曲軸位置傳感器有三種型式:電磁脈沖式曲軸位置傳感器、霍爾效應式曲軸位置傳感器(桑塔納2000 型轎車和北京切諾基)、光電效應式曲軸位置傳感器。曲軸位置傳感器型式不同,其控制方式和控制精度也不同。曲軸位置傳感器一般安裝于曲軸皮帶輪或鏈輪側面,有的安裝于凸輪軸前端,也有的安裝于分電器(桑塔納2000 型轎車)。

      爆震傳感器

      爆震傳感器安裝在發動機的缸體上,隨時監測發動機的爆震情況。目前采用的有共振型和非共振型兩大類。

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