21 传感器的结构与工作原理.docx

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21传感器的结构与工作原理

第二章　电子控制系统传感器与执行器

§2.1　电控系统传感器

一、空气流量传感器

使用目的：

计算喷油量（根据给定的空燃比）

要求：

提供质量流量

空气流量传感器是最重要的传感器，也是最复杂的传感器之一。

电喷汽油机的发展就就是以此传感器的发展为线索类的。

以下按该传感器的发展历史讲解各类传感器。

注意：

内在联系是：

质量流量、空气阻力、精度。

一）翼片式流量计（P44，F3－66）

　　此传感器属于体积流量，精度较低、空气阻力较大。

是早期的传感器。

1、结构

如图2.1-1，空气流量计主要由测量板、补偿板、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。

l—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

图2.1-1　翼片式流量计

在流量计内还设有缓冲室和缓冲叶片，利用缓冲室内的空气对缓冲叶片的阻尼作用，可减小发动机进气量急剧的变化引起测量叶片脉动，提高测量精度。

2、工作原理

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。

与测量板同轴转动的电位计检测出叶片转动的角度，将进气量转换成电压信号VS送给ECU。

3、缺点：

体积流量；阻力大；精度低

二）卡门旋涡式空气流量计（P46）

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

图2.1-2　卡门旋涡式空气流量计

　　此传感器属于体积流量，精度有所提高，空气阻力较小，比翼片式有较大的改进，但仍是体积流量。

1、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。

2、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受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。

如图2.1-2所示

3、特点　精度有所提高；仍为体积流量

图2.1－3　热线式空气流量计

三）热线式空气流量计（P46）

　　此传感器已经属于质量流量计，在精度和空气阻力方面均表现不错，但热线寿命较低。

1、结构　热线式空气流量计的结构如图2.1－3所示，其原理简图如图2.1－4所示。

　1）RH　热线

　2）温度补偿电阻　RK

　3）精密电阻　RA

　4）调整电阻　RB

　5）控制线路板　电桥平衡电路、烧净电路、除RH外的三个桥臂电阻。

2．原理

图2.1-4　热线流量计原理图

　1）利用混合集成电路控制流过热丝RH的电流，以保证热线温度比吸入空气温度差保持在100度，此工作由电桥平衡电路实现。

注：

吸气温度由RK测量。

　2）热丝电阻RH放置在空气通道中，其热量被周围空气带走，空气流量越大，带走的热量越多，为热线温度比空气温度高100度，混合集成电路热线RH通过的电流越大。

这样就使流过热线RH的电流是空气质量流量的单一函数。

而此电流流过精密电阻RA，即可在此电阻上得到输出电压。

　3）烧净电路　保证热丝上无污染。

否则空气流量测量现出误差，使输出电压减小（测出的流量小）。

图2.1-5　热线流量计特性图

3、传感器的工作特性　其工作特性如图2.1－5所示。

4、特点　质量流量；精度高；寿命较低。

四）热膜式空气流量计

图2.1-6　热膜式空气流量计

结构：

热膜式空气流量计的结构如图2.1-6所示。

热膜式流量计的结构和工作原理与热线式空气流量计基本相同。

它不采用价格昂贵的铂丝，而是将热线、补偿电阻、精密电阻等镀在一块陶瓷片上。

这样1）制造成本大为　降低，且使发热体不直接承受空气流动所产生的作用力，增加了发热体的强度，从而提高了空气流量的可靠性。

总结：

注意发展过程，现以热膜式为多。

二、曲轴位置传感器

一）控制系统要求的曲轴位置传感器信号：

1、判缸信号　

此信号每缸一个，其中第一缸的信号和其它缸信号有所区别（宽一些）。

其作用是用于判别那一缸喷油或点火。

此信号一般不在上止点，而在上止点前70度左右。

2、曲轴转角信号（1度信号）

图2.1-7　磁电式传感器

要求提供精确到1度曲轴转角的信号。

其作用是用于控制喷油或点火正时。

由于喷油正时尤其是点火对发动机性能影响大，要求控制精度高，因此要求信号提供的精度为1度曲轴转角。

二）曲轴位置传感器的类型：

主要有磁脉冲式、光电式和霍尔式三种。

其中以磁电式和光电式应用较多。

在此可大概介绍磁脉冲式和光电式传感器的基本工作原理。

不论那种方式，在结构上均由信号盘和传感器组成。

磁电式不怕水等干扰，适应环境可以比较恶劣，放在曲轴前端，因此可以做得较大，磁电式传感器应用最为广泛，其结构及原理如图2.1-7所示。

而光电式不能受到水等干扰，适应环境不能恶劣，因此只能放在分电器中，因此信号盘一般较小。

三）信号产生分析

　　两个问题的解决：

1）上止点位置信号的精度；2）1度信号的精度。

1、对判缸信号　其位置精度要求高，因要确定点火提前角等。

由于目前发动机的汽缸数较少。

因信号盘再小也可以比较精确地测出判缸信号。

2、对1度信号　其产生就比较困难了。

因为理论上要求每1度曲轴转角一个脉冲信号，而信号盘不能太大，一个不大的信号盘上要制造360（安装在曲轴前端），或720个（安装在分电器中）齿是非常困难的。

通常解决的方法有如下3个：

图2.1-10　产生曲轴1度信号的原理

图2.1-9　2号磁头与曲轴位置关系判缸信号

图2.1-8　日产公司磁脉冲式曲轴位置传感器　

1）多传感器结构。

通过多个传感器在信号盘上齿数少于360（720）时，通过多个传感器使之产生出1度曲轴信号。

此方法精度高，构思巧妙。

实例：

日产公司磁脉冲式曲轴位置传感器。

日产公司磁脉冲式曲轴位置传感器布置如图2.1-8所示。

判缸信号产生示意图如图2.1-9所示　磁头2用于测量判缸信号。

产生曲轴1度信号的原理图如图2.1-10所示。

磁头1、3用于1度信号测量。

图2.1-12　GNe信号与曲轴转角的关系

2）倍频方式　信号盘每转一周产生的信号数少于360（720），但是它们的整倍数。

例如用磁电式每30度曲轴转角一个脉冲。

采用倍频的方式，达到第1度曲轴转角一个信号。

此方式精度有所降低，因所倍频的信号（30度范围内）不能反映速度的瞬时变化。

但实际使用时，对性能的影响应不大。

实例：

丰田公司磁脉冲式曲轴位置传感器

如图2.1-11和2.1-12所示。

3）采用光电式，信号盘上采用光刻的方法刻出光栅，其精度可以很大基本满足1曲轴转角信号。

光电式可以在信号盘上刻出较密的光栅。

图2.1-15　信号发生器的布置

图2.1-14　信号盘结构

图2.1-13　光电式曲轴位置传感器

实例：

日产公司光电式曲轴位置传感器，如图2.1-13、2.1-14、2.1-15所示。

（P55，F3－91）

三、压力传感器（P49）

　1、概述（主要讲述压力传感器的应用之处）

目前电喷发动机的循环喷油量的确定有两种方式：

其一：

用空气流量计测量空气流量，根据空气流量和要求的空燃比AF计算出循环喷油量。

其二：

用压力传感器油量进气管中的绝对压力（真空度）来表示负荷，再测量出发动机转速，由发动机负荷和转速查喷油MAP图确定循环喷油量。

此类电控汽油喷射系统如：

Boxch公司的D－Jetronic系统）。

压力传感器即为第二种电控喷油方式油量负荷的传感器，它一般安装在进气歧管中，所以也称为“进气歧管绝对压力传感器”，它是此类电控系统中的关键传感器。

压力传感器的类型主要有：

半导体压敏电阻式；电容式膜盒舍去的可变电感式。

以半导体压敏电阻式为多。

　2、半导体压敏电阻式压力传感器

四、氧传感器

1、概述（氧传感器的应用之处及类型）

图2.1-17氧传感器的工作原理

图2.1-16氧化锆式氧传感器

三元催化反应器，要求AF控制精确；化油器方式的控制供油精度远不够。

用电喷，精度虽大幅度提高但仍不够。

在电喷的基础上增加AF的反馈控制。

　2）氧传感器特性

图2.1-19氧传感器的工作特性

氧传感器产生的电压会在过量空气系数为1时发生突变，当过量空气系数大于1时（混合气稀），氧传感器输出电压很小（接近零）；当过量空气系数小于1时（混合气浓），输出电压较大，接近1伏。

其特性如图2.1－18示。

在实际使用中，氧传感器相当于一个浓稀开关，根据混合气空燃比变化向电脑输送脉冲宽度变化的电压脉冲信号，如图2.1－19所示。

应注意氧传感器的输出不是一个象温度传感器一样的连续的物理量（不能测量出具体的氧气浓度）。

4、氧传感器的温度恒定问题

　　氧传感器工作时需要一定的温度，其原因有：

1）氧传感器本身要求一定的温度，氧气才能电离，氧传感器方能正常工作；2）当混合气较浓时，只有在一定的温度下，未燃烧的特性才能在铂的催化作用下和氧气进行氧化反应。

实验表明：

在600度左右的温度时，氧传感器工作最好。

　保证温度的方法：

PTC元件。

五、温度传感器

　　测试技术课中以讲很多，在此不再重复。

六、爆震传感器

1、总论

1）点火提前角的控制方式

开环控制方式：

闭环控制方式：

爆震传感器用于进行点火的闭环控制。

可简述此闭环控制过程。

2）爆震检测思路：

爆震强度强度和气缸中气体压力波动的频率有关，频率高，爆震强度大。

如何检测气缸中气体压力波动的频率有三种：

1）发动机机体振动、2）气缸压力、3）燃烧噪音。

用气缸压力的方法虽然很直接，但不易实现。

用燃烧噪音的方式精度不高。

目前广泛采用的是测量发动机机体振动的方式。

3）爆震传感器的类型：

磁致伸缩式和压电式。

（可简要叙述工作原理）

4）按输出信号形式分类有：

共振型和非共振型。

（可简要叙述输出信号）

　共振型：

可测量出规定的爆震强度，但不能判断规定爆震强度之外，是强烈爆震还是无爆震。

　非共振型：

不但可测量出规定的爆震强度，还能识别全部信息。

2、共振型磁致伸缩式爆震传感器

结构：

高镍合金组成的磁心（外设有永久磁铁）；感应线圈。

如图2.1-20所示。

原理：

磁心受振偏移，使感应线圈内磁力线发生变化，在线圈中产生感应电动势。

传感器设计成其共振频率和规定爆震强度的机体振动频率相等，则在汽油机发生规定爆震强度时，传感器发生共振，输出最大，如图2.1-21所示。

图2.1-21磁致伸缩式爆燃传感器的输出特性

图2.1-20磁致伸缩式爆燃传感器结构

注意：

此传感器的针对性非常强，每一种发动机需要配专用的传感器，因每一型号的发动机的爆震强度是不一样的。

3、非共振型压电式爆震传感器

结构：

其核心结构是：

两个压电晶体同极性安装；其上安装配重块并用螺钉固定在壳体上。

如图2.1－22所示。

原理：

当发动机机体振动时，配重将其惯性力作用于压电晶体上，压电晶体产生电压输出，其输出如图2.1－23所示。

分析输出波形，发动机振动频度不同，输出电压的频率也不同。

将规定的爆震的频率用滤波器滤出，作为判断是否有爆震的信号。

图2.1-23非共振型压电式传感器特性

图2.1-22非共振型压电式传感器

优点：

对不同发动机，只需要根据规定爆震强度的频率调整滤波器的频率即可，而不需要更换传感器。

这也是共振型和非共振型的区别，即共振型的要求和发动机的爆震频率相配合；而非共振型的就有通用性。

图2.1-24共振型压电式传感器

4、共振型压电式爆震传感器

结构：

核心结构：

压电晶体；振荡片。

设计时将振荡片的共振频率设计成发动机的爆震频率。

其结构如图2.1－24所示。

原理：

发动机工作时，机体发生振动，当发生爆震时，振荡片振动最大，压电晶体输出最大。

其输出特性如图2.1－25所示。

图2.1-25共振型压电式传感器输出特性

七、节气门位置传感器（P49）