进气歧管压力传感器介绍.doc

进气歧管压力传感器介绍压力传感器的功用是将气体或液体的压力信号变换为电信号。压力传感器按结构可分为应变电阻片式、压阻式和电感式(即波纹管与差动变压器组合式)三种。在汽车电子控制系统中，检测压力较高的制动油液或传动油液一般采用应变电阻片式传感器，检测压力较低的进气歧管压力和大气压力一般采用压阻式传感器。压力传感器大多数都是测定压差，检测原理都是将压力的变化变换为电阻值的变化。汽车用压力传感器的用途见表2-5。进气歧管压力传感器简称为进气压力传感器，它的种类较多，就其信号产生原理，可分为压阻式、电容式、膜盒传动的差动变压器式和表面弹性波式等，其中电容式和压阻式进气压力传感器在当今发动机电子控制系统中应用较为广泛。1压阻式进气压力传感器该进气压力传感器利用的是半导体的压阻效应，因其具有尺寸小，精度高，成本低和响应性、再现性、抗振性较好等优点，现今得到了广泛的应用。它是由压力变换元件和把变换元件输出信号进行放大的混合集成电路等构成的。(1)压阻效应 单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化的现象，称为压阻效应。利用硅的压阻效应和微电子技术制成的压阻式传感器，具有灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等特点，因此目前得到广泛应用。早期的压阻式传感器是利用半导体应变片制成的粘贴型压阻式传感器。20世纪70年代以后，研制出了圆周边缘固定的硅膜片与力敏电阻一体化的扩散型压阻式传感器。这种传感器易于批量生产，能够方便地实现微型化、集成化和智能化，因而受到人们普遍重视，并重点开发具有代表性的新型传感器，发动机燃油喷射系统采用的压阻式歧管压力传感器就是其中的一种。(2)压阻式歧管压力传感器的结构 歧管压力传感器的全称是进气歧管绝对压力传感器(Manifold Absolute Pressure Sensor，MAPS)，其功用是通过检测进气歧管或稳压箱内空气压力来反映发动机的负荷状况，并将发动机负荷状况转变为电信号输入发动机电子控制单元(ECU)。MAPS是一种间接测量发动机进气量的传感器。燃油喷射式发动机采用的歧管压力传感器主要有压阻式和电感式(即波纹管与差动变压器组合式)两种。其压力转换元件是利用半导体的压阻效应制成的硅膜片。硅膜片的一面是真空室，另一面导入进气歧管压力。硅膜片约为3mm的正方形，其中部经光刻腐蚀形成直径约2mm、厚约50mm的薄膜，薄膜周围有4个应变电阻，以单臂电桥方式连接。由于薄膜一侧是真空室，因此薄膜的另一侧即进气歧管内绝对压力越高，硅膜片的变形越大，其应变与压力成正比，附着在薄膜上的应变电阻的阻值随应变成正比地变化，这样就可以利用单臂电桥将硅膜片的变形变成电信号。因为输出的电信号很微弱，所以需用混合集成电路进行放大后输出。这种压阻式进气压力传感器输出的信号电压，具有随进气歧管绝对压力的增大呈线性增大的特性。图2-17中的4个应变电阻为提高传感器的灵敏度一般都采用差动电桥方式。即R2和R4在膜片变形时受到拉力，电阻是随压力加大而变化的；R1和R3是受压力的，电阻是随着压力的增大而减小的，这种接法比单桥臂(即一个桥臂接应变片)和双桥臂式的接法提高输出电压2倍和4倍左右(各桥臂用相同电阻的应变片情况下)。早期也有采用单臂式电桥，双臂式电桥(即R2、R3或R1、R4分别采用受拉和受压的桥臂)。这种半导体应变片比金属应变片有精度高、尺寸小、重量轻、易于生产、通用性强、测量范围广等优点。所以4个半导体应变片臂接成差动电桥形式是目前进气压力传感器最先进的一种。硅膜片一般用线膨胀系数接近于单晶硅(线膨胀系数为24410-6)的铁镍锆合金(线膨胀系数为4710-7)制成，设置在硅膜片与传感器底座之间，用于吸收由于底座材质与硅膜片热膨胀系数不同而加到硅膜片上的热应力，从而提高传感器的测量精度。硅膜片与壳体以及底座之间组成的腔室为真空室。壳体顶部设有排气孔，利用排气孔将该腔室抽真空后，再用锡焊密封排气孔，从而形成真空室。真空室为基准压力室，基准压力为0。在真空管的进气口，一般设有滤清器，用于过滤进气中的尘埃或杂质，以免膜片受到腐蚀和脏污而导致传感器失效。(3)压阻式歧管压力传感器工作原理 压阻式歧管压力传感器的工作原理如图2-18所示，硅膜片一面通真空室，另一面导入进气歧管压力。在压力作用下，硅膜片就会产生机械应变而产生应力，应变电阻的阻值在膜片应力的作用下就会发生变化，单臂电桥上电阻值的平衡就被打破(为了便于理解，下面将硅膜片由机械应变而产生应力的现象夸大为产生变形)，当电桥的输入端输入一定的电压或电流时，在电桥的输出瑞就可得到变化的信号电压或信号电流。在圆形硅膜片周边固定的情况下，均匀分布的压力p作用到膜片上的应力分布表达式为 由r、t的计算公式作出圆形平面膜片上各点应力分布曲线可得：当x0，即为拉应力；当x=0635r时，r=0，即没有压应力；当x0635r时，r0，即为压应力；当x=0812r时，t=0，r0，即仅有压应力。在制作四个阻值相等的应变电阻时，如果将电阻R1、R4。制作在x因为x=0812r时，t=0，所以由式(2-2)式(2-5)可得电桥输出电压Uo为665)this.resized=true;this.style.width=665;由此可见，当传感器结构和输人电压一定时，作用在圆形硅膜片上的压力越高，则输出电压越高。当发动机工作时，进气歧管内的部分空气经传感器进气口和滤清器作用在硅膜片上，硅膜片就会产生变形，应变电阻的阻值就会发生变化，电桥输出电压随之变化。因为进气压力随进气流量的变化而变化，当节气门开度增大(即进气流量增大)时，空气流通截面积增大，气流速度降低，进气压力升高，膜片的变形量增大，应变电阻的变化率增大，电桥输出的电压升高，经集成电路进行比例放大后，传感器输入电子控制单元(ECU)的信号电压升高。反之，当节气门开度由大变小(即进气流量减小)时，进气流通截面积减小，气流速度升高，进气压力降低，膜片的变形量减小，应变电阻的变化率减小，电桥输出电压降低，经过比例放大后，传感器输入：ECU的信号电压降低。由于压阻式歧管压力传感器的功能部件是硅膜片和应变电阻，其工作参数取决于作用在膜片上的压力大小，因此传感器的取样压力应从压力波动较小的部位选取。桑塔纳2000Gli型轿车进气压力从稳压箱(动力腔)处取样，可以避免压力波动对检测信号产生的影响。2电容式进气压力传感器电容式进气压力传感器是使氧化铝膜片和底板彼此靠近排列，形成电容，利用电容依膜片上下的压力差而改变的性质，获得与压力成正比的电容值信号，如图2-19所示。它事实上是一个变间隙电容式压力传感器。两个极板之间的电容与其两极板之间的间隙成反比(在其他参数不变的条件下)。在它受外力时，极板之间的间隙发生变化，其电容随之变化。把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当进气压使电容发生变化时，电振荡回路的谐振频率发生相应的变化，其输出信号的频率与进气歧管绝对压力成正比。其频率大约在80120Hz内变化。微机控制装置根据信号的频率便可算出进气歧管的绝对压力。3声表面波(SAW)式进气压力传感器该进气压力传感器的结构如图2-20a所示。它是在一块压电基片上用超声波加工出一薄膜敏感区，上面刻制换能器(压敏SAW延时线)，换能器与电路组合成振荡器。为了提高测量精度，补偿温度对基片的影响，在薄膜敏感区边缘设置一个性能相同的换能器(温基SAW延时线)。换能器是在抛光的压电基片上设置两个金属叉指构成的，如图2-20b所示。若在输入换能叉指T1上加电信号，便由逆压电效应在基片表面上激励起声表面波，传播到换能叉指T2变换成电信号，经放大后反馈到T1，以便保持振荡状态。声表面波(SAW)在两个换能叉指之间的传播时间即是所获得的延迟时间，其大小取决于两换能叉指间的距离。由于导入的歧管压力作用于压电基片上，压力变化将在薄膜敏感区产生应变，即使换能叉指间距离发生变化，因而声表面波传播的延迟时间相应变化。根据与延迟时间成反比的振荡频率，即可输出压力信号。4膜盒传动的差动变压器式进气压力传感器膜盒传动的差动变压器式进气压力传感器主要由膜盒、铁心、感应线圈和电子电路等组成。膜盒是由薄金属片焊接而成，其内部被抽成真空，外部与进气歧管相通，膜盒外表压力变化将使其产生膨胀和收缩的变化。置于变压器感应线圈内部的铁心与膜盒联动，如图2-2l所示。差动变压器由一次绕组(接振荡器的线圈)与两个二次绕组和插入可移动的铁心组成。两个二次绕组反相串联。当一次绕组加上振荡器产生的交流电压时，在二次绕组中产生感应电动势。当铁心在中间位置时(即在发动机无负荷时)，