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基础培训 汽车传感器分析 北京运通兴恩一汽大众 基础培训 汽车传感器分析 1 传感器的概念 指能感受规定的物理量 并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置 即传感器是将非电量转换成电量的装置 2 传感器的组成 传感器通常由敏感元件 转换元件及测量电路组成 敏感元件是指能直接感受被测量的部分 转换元件是指能将非电量转换成电量的部分 有些敏感元件可以直接输入电量 测量电路是指将转换元件输入的电量经过处理转换成电压 电流或频率等可测量电量 以便进行显示 记录和控制的部分 测量电路中较多的使用电桥电路 基础培训 汽车传感器分析 3 传感器的静态特性参数指标的含义传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系 当输入量为常量或变化极慢时 其关系为静态特性 当输入量随时间较快变化时 其关系为动态特性 灵敏度 指稳态时传感器输出量Y与输入量X之比 或者是传感器输出量Y的增量与输入量X的增量之比 K dy dx线性传感器的灵敏度为一常数 而非线性传感器的灵敏度随输入变化的量 分辨率 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 测量范围和量程 在允许的误差范围内 被测量的下限到上限之间的范围称为测量范围 基础培训 汽车传感器分析 线性度 非线性误差 在规定的条件下 传感器校准曲线与啮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度误差 迟滞 指在相同的条件下 传感器的正行程特性与反行程特性的不一致度 重复性 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的特性曲线的不一致性 飘零 指在无输入或输入为某一定值时 每隔一段时间 其输入值偏离原示值的最大偏差与满量程的百分比 温漂 指温度每升高1度 传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比 基础培训 汽车传感器分析 4 汽车传感器 基础培训 汽车传感器分析 一 磁电式传感器1 磁电感应式传感器2 霍尔式传感器3 光电式传感器4 压电传感器5 电涡流传感器6 电流式传感器 1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器又称磁电式传感器 是利用电磁感应原理将被测量 如振动 位移 转速等 转换成电信号的一种传感器 它是一种有源传感器 自源型传感器 即不需要辅助电源 就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号 由于它有较大的输出功率 故不需要外部供电电源 电路简单 性能稳定 输出阻抗小 又具有一定的频率响应范围 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 变磁通式 线圈与磁铁之间没有相对运动 由运动着的被测物体 导磁材料 改变磁路的磁阻 引起磁通量变化从而在线圈中产生感应电动势 恒磁通式 恒定的直流磁场 磁场中的气隙固定不变 因而气隙中的磁通也是恒定不变的 线圈与磁铁间存在相对运动 线圈切割磁力线产生与相对速度V成比例的感应电势e 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 磁电式传感器结构分类 变磁通式 磁阻式 开磁路 闭磁路恒磁通式 动圈式 动铁式 基础培训 汽车传感器分析 恒磁通式磁电传感器 它由永久磁铁 线圈 弹簧 金属骨架等组成 磁路系统产生恒定的直流磁场 磁路中的工作气隙固定不变 因而气隙中磁通也是恒定不变的 其运动部件可以是线圈 动圈式 也可以是磁铁 动铁式 动圈式和动铁式的工作原理是完全相同的 当壳体随被测振动体一起振动时 由于弹簧较软 运动部件质量相对较大 当振动频率足够高 远大于传感器固有频率 时 运动部件惯性较大 来不及随振动体一起振动 近乎静止不动 振动能量几乎全被弹簧吸收 永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度 磁铁与线圈的相对运动切割磁力线 从而产生感应电动势 基础培训 汽车传感器分析 车辆上的应用 转速传感器 测量2 3脚电阻 400 1000 ABS转速传感器 测量1 2脚电阻 1 3k 磁阻式传感器脉冲轮为60个齿 其中两个齿缺失确定一缸上止点 检测 波形测试 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 非线性误差 磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是 由于传感器内有电流I流过时 将产生一定的交变磁通 此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上 使恒定的气隙磁通变化 基础培训 汽车传感器分析 温度误差 当温度变化时 图中右侧三项数值都不为零 会随温度的变化放生变化 从而影响测量的数值 解决 进行温度补偿 补偿通常采用热磁分流器 热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成 它在正常工作温度下已经将空气隙磁通分路掉一小部分 当温度升高时 热磁分流器的磁导率显著下降 经它分流掉得磁通比正常时显著下降 从而保证空气隙的工作磁通不随温度变化 维持传感器灵敏度为常数 基础培训 汽车传感器分析 2 霍尔传感器半导体薄片置于磁场感应强度为B的磁场中 磁场方向垂直与薄片 当有电流I流过薄片时 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH 这种现象称为霍尔效应 基础培训 汽车传感器分析 磁感应强度B为零时的情况 基础培训 汽车传感器分析 磁感应强度B较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度B越强 霍尔电势也就越高 基础培训 汽车传感器分析 霍尔传感器的应用 利用霍尔效应制作的霍尔器件 不仅在磁场测量方面 而且在测量技术 无线电技术 计算机技术和自动化技术等领域中均得到了广泛应用 利用霍尔电势与外加磁通密度成比例的特性 可借助于固定元件的控制电流 对磁量以及其他可转换成磁量的电量 机械量和非电量等进行测量和控制 应用这类特性制作的器具有磁通计 电流计 磁读头 位移计 速度计 振动计 罗盘 转速计 无触点开关等 基础培训 汽车传感器分析 转速传感器应用 曲轴位置传感器 CkS Crankshaftpositionsensor作用 采集曲轴转动角度和发动机转速信号 并输入电子控制单元 以便确定点火时刻和喷油时刻 凸轮轴位置传感器 CpS Camshaftpositionsensor又称气缸识别传感器 cylinderidentificationsensor CIS 为了区别凸轮轴位置传感器一般都用CIS表示 也叫同步信号传感器 它是一个气缸判别定位装置 向ECU输入凸轮轴位置信号 是点火控制的主控信号 基础培训 汽车传感器分析 结构 霍尔曲轴和凸轮轴位置传感器内部都采用了一个由霍尔开关集成电路和遮断方式的磁路设计制成的霍尔翼片传感器 该传感器主要由霍尔集成电路 永久磁铁和导磁片组成 霍尔集成电路与永磁体之间有1mm的间隙 导磁片又称信号转子安装在进气凸轮轴上 用螺栓和座圈固定 原理 信号转子的隔板又叫做叶片 在隔板上有一个窗口 窗口对应产生的信号为低电平信号 隔板对应产生的信号为高电平信号 当信号转子随进气凸轮轴一同转动时 隔板和窗口从集成电路与永磁铁之间的间隙中转过 当信号转子的隔板进入间隙时 霍尔集成电路中的磁场被旁路 霍尔元件上没有磁力线穿过 霍尔电压UH为零 集成电路输出三极管截止 输出信号电压为高电位 约4 8v 当信号转子的隔板离开间隙时 永磁铁的磁通经导磁片和霍尔元件集成电路构成回路 集成电路输出三极管导通 传感器输出的信号电压为0 2v 为低电位 基础培训 汽车传感器分析 工作原理 发动机工作时 曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器产生的信号不断的输入ECU 当ECU同时接收到曲轴位置传感器大齿对应地低电位 15 和凸轮轴位置传感器窗口对应地低电位信号时 可以识别出1缸 活塞在压缩上止点 4缸活塞处于排气行程 并根据曲轴位置传感器小齿对应输出的信号控制点火提前角 由于凸轮轴位置传感器与曲轴位置传感器同时输出信号 凸轮轴位置传感器信号作为判缸信号 所以凸轮轴位置传感器也叫做同步信号传感器 基础培训 汽车传感器分析 传感器检测 测量 1 3 5v波形测试电脑自诊断 diagnosistroublecode 基础培训 汽车传感器分析 优缺点 磁电式 优点 结构简单 成本低 缺点 1 输出信号的幅值随车速的变化而变化 若车速过慢 输出信号低于1v 电控单元无法检测 2 响应频率不高 当转速过高时 传感器的频率响应跟不上 3 抗电磁干扰能力差 霍尔式 1 输出信号电压幅值不受车速影响2 频率响应高 其响应频率可高达20kHz相当于车速为1000km h时所检测的信号频率 3 抗电磁波干扰能力强 基础培训 汽车传感器分析 光电传感器光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器 光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应 由于光电测量方法灵活多样 可测参数众多 具有非接触 高精度 高可靠性和反应快等特点 使得光电传感器在检测和控制领域获得了广泛的应用 基础培训 汽车传感器分析 光电部件 光电器件是构成光电式传感器最主要的部件 光电式传感器的工作原理如下图 首先把被测量的变化转换光信号的变化 然后通过光电转换成电信号 图中X1表示被测量能直接引起光量变化的检测方式 X2表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式 X1 X2 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 外光电元件 1 紫外管 当入射紫外线照射在紫外管阴极板时 电子克服金属表面对他的约束 形成电子发射 多用于紫外线测量 火焰测量 2 光电管 阴极受到从光窗透进的光照射后 向真空发射光电子 这些光电子向阳极做加速度运动 形成空间电子流 光电流取决于阴极的灵敏度与光强 3 光电倍增管光电倍增管的电流是逐级增加的 由于光电倍增管具有放大作用 因此使用做灵敏的弱光探测器 一般外光电效应产生的是真空光电元件 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 内光电效应 当光照在物体上 使物体的电导率发生变化 或产生光生电动势的效应 内光电效应又可分为以下两大类 1 光电导效应 在光线作用下 电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态 而引起材料电导率的变化 半导体材料受到光照时 使其导电性能增强 光线越强 阻值越低 这种效应称为光电导效应 基于这种效应的器件有光敏电阻 光电导型 和反向工作的光敏二极管 光敏三极管 光电导结型 等 暗电阻 光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻 此时流过的电流称为暗电流 亮电阻 光敏电阻在受光照时的电阻称为亮电阻 此时流过的电流为亮电流 光电流 亮电流 暗电流 暗电阻越大越好 亮电阻越小越好 基础培训 汽车传感器分析 光敏电阻的结构 它是涂于玻璃底板上的一层半导体物质 半导体的两端装有金属电极 金属电极与引出线段相连接 光敏电阻就通过引出线端接入电路 光敏电阻的主要参数 1 几乎都是用半导体材料制成的光电元件2 没有极性 纯电阻元件 即可直流也可交流3 无光照时 暗电阻很大 暗电流很小4 当光敏电阻受到光照时 阻值减小5 光电流 亮电流 暗电流6 一般希望暗电阻越大越好 亮电阻越小越好 此时光敏电阻的灵敏度高 实际光敏电阻的暗电阻一般在兆欧级 亮电阻在几千欧以下 基础培训 汽车传感器分析 2 光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象 基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管 光敏二极管和光敏晶体管1 结构原理光敏二极管的结构与一般二极管相似 它装在透明玻璃外壳中 其PN结装在管的顶部 可以直接受到光照射 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态 在没有光照射时 反向电阻很大 反向电流很小 这反向电流称为暗电流 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 光电传感器的类型 按照光电传感器中电元件输出电信号的型式可以将光电传感器分为模拟和脉冲式两大类 1 模拟式光电传感器这种传感器中光电元件接受的光通量随被测量连续变化 因此 输出的光电流也是连续变化的 并与被测量呈确定的函数关系 这类传感器一般有以下四种型式 基础培训 汽车传感器分析 1 光源本身是被测物 他发出的光投射到光电元件上 光电元件的输出反映了光源的某些物理参数 如图6 1 22a所示 这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计 2 恒定光源发射的光通量穿过被测物 其中一部分被吸收 剩余的部分投射到光电元件 吸收量取决于被测的某些参数 如图6 1 22b所示 可用于测量透明度 浑浊度 3 恒定光源发射的光通量投射到被测物上 由被测物表面反射后再投射到光电元件上 如图6 1 22c所示 反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态 因此可用于测量工件表面粗糙度 纸张的白度等 4 从恒定光源发射出的光通量在到达电元件的途中受到被测物的遮挡 使投射到光电元件上的光通量减弱 光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置 如图6 1 22d所示 这种传感器可用于工件尺寸测量 振动测量等场合 基础培训 汽车传感器分析 脉冲式光电传感器 在这种传感器中 光电元件接受的光信号是断续变化的 因此光电元件处于开关工作状态 它输出的光电流通常是只有两种稳定状态的脉冲型式的信号 多用于光电计数器和光电式转速测量等场合 基础培训 汽车传感器分析 光电传感器的常用光源 光源是许多光电传感器的重要组成部分 要使光电传感器很好的工作 除了合理选用光电元件外 还必须配备合适的光源 常用光源有以下几种 1 发光二极管发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件 它具有体积小 功耗低 寿命长 响应快 机械强度高等优点 并能和集成电路相匹配 因此 广泛地用于计算机 仪器仪表和自动控制设备中 2 钨丝灯泡常用光源 它具有丰富的红外线 如果使用的光电元件对红外光敏感 构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除 而仅用它的红外线做光源 这样 可有效防止其他光线的干扰 3 激光激光与普通光线相比具有能量高度集中 方向性好 频率单纯 相干性好等优点 是很理想得光源 基础培训 汽车传感器分析 车辆上的应用 1 阳光强度光敏电阻日光传感器可检测太阳能辐射 将日光照射量的变化转换为电流变化 将信号输入空调ECU 空调ECU根据此信号调整车内空调器吹出风量与温度 检测 利用光敏二极管对光线变化时的阻值变化的特性 方法 拆下传感器连接器 用布盖住传感器测量2 3脚电阻应无穷大 用灯光照射传感器 电阻有数值随灯光距离变化 基础培训 汽车传感器分析 2 光电式光亮传感器原理 半导体元件硫化镉电阻值随光照变化其阻值变化 根据此信号控制汽车上各种灯具亮 熄的自动控制 作用 傍晚时将尾灯点亮 天色变得更暗时 前照灯被点亮 对方来车时具有变光功能 检测原理与方法同日照传感器 基础培训 汽车传感器分析 光电式速度传感器 1 对射式2 折射式被测物体为旋转元件 上部装有反光元件 发光元件与接收元件的光轴在同一平面而且以某一角度相交 当反光纸经过时 接收原件将接收到从物体表面反射的光 没有物体时则接收不到 基础培训 汽车传感器分析 压电式传感器 压电式传感器是一种典型的有源传感器 压电效应具有可逆性 也是一种典型的 双向传感器 材料受力变形时 其表面会有电荷产生而实现非电量测量 特点 工作频率带宽 灵敏度高 结构简单 体积小 重量轻 工作可靠 应用范围 各种动态力 机械冲击 振动测量 生物医学 超声 通讯 宇航等领域 基础培训 汽车传感器分析 什么是压电效应 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时 其内部会产生极化现象 同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷 当外力去掉后 它又会恢复到不带电的状态 这种现象称为正压电效应 当作用力的方向改变时 电荷的极性也随之改变 相反 当在电介质的极化方向上施加电场 这些电介质也会发生变形 电场去掉后 电介质的变形随之消失 这种现象称为逆压电效应 或称为电致伸缩现象 基础培训 汽车传感器分析 压电材料 1 石英晶体石英晶体是单晶体结构 它是一个正六面体 有右旋和左旋晶体之分 外形互为镜像对称 石英晶体各个方向的特性是不同的 在直角坐标系中 它有三个轴 电轴 X轴 1 垂直于此轴面上的压电效应最强 机械轴 Y轴 2 在电场沿X向作用下 沿该轴方向的机械变形最大 光轴 Z轴 3 垂直于XY 光线沿该轴通过石英晶体时 无折射 在此方向加外力 无压电效应现象 基础培训 汽车传感器分析 通常把沿电轴X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为 纵向压电效应 而把沿机械轴Y方向的作用下产生电荷的压电效应称为 横向压电效应 而沿光轴Z方向受力时不产生压电效应 在X轴方向施加压力时 左旋石英晶体的X轴正向带正电 如果作用力Fx改为拉力时 则电荷仍出现在垂直于X轴的平面上 但极性相反 如图 a b 如果在同一晶体上作用力是沿着机械轴的方向 其电荷仍在与X轴垂直平面出现 其极性见图 c d 基础培训 汽车传感器分析 压电陶瓷 1 未加电场 a 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料 在无外电场作用时 电畴在晶体中杂乱分布 它们的极化效应被相互抵消 压电陶瓷内极化强度为零 因此原始的压电陶瓷呈中性 不具有压电性质 2 加电场 b 电畴方向发生转动 趋向于按外电场方向的排列 从而使材料得到极化 外电场越强 就有更多的电畴更完全的转向外电场方向 让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度 即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时 外电场去掉后 电畴的极化方向基本不变 这时的材料具有压电特性 基础培训 汽车传感器分析 传感器的应用 爆震传感器 knocksensor 发动机爆震是指气缸内的可燃混合气在火焰前锋尚未到达之前自行燃烧导致压力急剧上升引起缸体振动的现象 爆震传感器作用是检测发动机的爆震信号 送到电脑 控制点火时刻 防止爆震 有爆震则推迟点火时刻 无爆震则提前点火时刻 使点火时刻在任何工况都保持最佳值爆震不仅会导致发动机输出功率降低 而且可能导致发动机损坏 1 结构 压电式 检测方法 非共振型 2 结构 磁致伸缩式 检测方法 共振型 基础培训 汽车传感器分析 1 压电式有源传感器 采用了预紧筒加载结构 预紧筒是一个薄壁厚底的金属圆筒 通过拉紧预紧筒对石英精片组施加预压紧力 并在加载状态下用电子束将预紧筒与芯体焊接成一体 膜片是后焊接到壳体上去的 通过螺栓按规定公斤力 20N M不加垫片 固定在缸体上 来测量发动机燃烧时的压力 1 套筒底座2 绝缘垫圈3 压电元件4 惯性配重5 塑料壳体6 固定螺栓7 接线插座8 电极 工作原理 当发动机振动时 安装在发动机缸体上的爆震传感器内部配重因受振动影响而产生加速度 配重首先将机体加速度信号转换成压力信号 作用于压电元件上 压电元件再将压力信号转换成电压信号 基础培训 汽车传感器分析 爆震传感器的检修 1 用万用表检测 桑塔纳2000 动态信号 拔下连接器 怠速 或敲击缸体 测量插头座两接脚电压 应与规定相符 交流电压信号 静态电阻 测量传感器电阻 应与规定相符 大于1M 或1 2 3之间不导通 线路检测 测量导线电阻 应为0 基础培训 汽车传感器分析 2 示波器检测用木槌敲击传感器附近的缸体 应显示有一振动波形 敲击越重 振动幅度就越大 随车检测 信号波形的峰值电压和频率随发动机负载和转速的增加而增加 非共振型压电式爆震传感器信号输出特性曲线较为平缓 因此 必须将反映发动机振动频率的输出电压信号送至能识别的滤波器中 以判别是否有爆震 基础培训 汽车传感器分析 2 磁致伸缩式 振动式 振动检出型爆震传感器通常安装在发动机的机体上 可将发动机的振动信号转换成电压信号以此检测发动机的爆震强度 结构 工作原理 当发动机产生振动时 磁芯受振动偏移 致使感应线圈内磁通量发生感应电动势 其大小与发动机振动的频率有关 当传感器的固有振动频率与发动机发生爆震时的振动频率一致且产生谐振时 传感器将输出最大电压信号 ECU根据谐振点输出的电压信号 即可判断出发动机爆震强度 基础培训 汽车传感器分析 磁致伸缩式检测 电阻检测 用万用表 档检测线圈的电阻 其阻值应符合规定值 具体数据见具体车型维修手册 否则更换爆震传感器 爆震传感器输出信号的检测 拔出爆震传感器的连接插头 在发动机怠速时用万用表电压档检测爆震传感器的接线端子和搭铁间的电压 应有脉冲电压输出 2 压力式加速度传感器压电式加速度传感器又称压电加速度计 它是利用某些物质如石英晶体的压电效应设计的 属于惯性式传感器 在加速度计受振时 质量块加在压电元件的力也随之变化 当被测频率远低于加速度计的固有频率时 则力的变化与被测加速度成正比 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 电涡流演示 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 电涡流传感器的应用 1 位移测量电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子器件 接通电源后 在电涡流探头的有效面 感应工作面 将产生一个交变磁场 当金属物体接近此感应面时 使振荡器的输出幅度线性的衰减 根据衰减量的变化 使振荡器的输出幅度线性的衰减 根据衰减量的变化 可以计算出与被检物体的距离 振动等参数 这种位移传感器属于非接触测量 工作时不受灰尘等非金属因素的影响 寿命较长 可在各种恶劣条件下使用 位移测量包含 偏心 间隙 位置 倾斜 弯曲 变形 移动 圆度 冲击 偏心率 冲程 宽度等等 来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙的变化 基础培训 汽车传感器分析 2 振动测量用电涡流探头 调幅法测量简谐振动时 探头的输出波形 右图为调频法测量简谐振动时 探头的输出波形 基础培训 汽车传感器分析 振动测量 基础培训 汽车传感器分析 3 转速测量若转轴上开Z个槽 或齿 频率计的读数为f 单位为Hz 则转轴的转速n 单位为r min 的计算公式为 基础培训 汽车传感器分析 电涡流式转速传感器工作原理 如下图所示电涡流式转速传感器工作原理图 在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽 在距输入表面d0处设置电涡流传感器 输入轴与被测旋转轴相连 基础培训 汽车传感器分析 当被测旋转轴转动时 电涡流传感器与输出轴的距离变为d0 d 由于电涡流效应 使传感器线圈阻抗随 d的变化而变化 这种变化将导致振荡谐振回路的品质因数发生变化 它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率 因此 随着输入轴的旋转 从振荡器输出的信号中包含有与转速成正比的脉冲频率信号 该信号由检波器检出电压幅值的变化量 然后经整形电路输出频率为f的脉冲信号 该信号经电路处理便可得到被测转速 该值与频率和槽数有关 特点 可实现非接触式测量 抗污染能力很强 最高测量转速可达60万r min 基础培训 汽车传感器分析 涡流式传感器的应用 基础培训 汽车传感器分析 电流传感器 电流传感器是传感器分类的一种 其主要信号源是采集信号的电流大小 主要参数为电流的大小 检测方法一般是检测电流特性的器件 一般有电流表 工作原理主要是霍尔效应原理 电子设备故障的60 来自电源 因此 电源问题的重要性日益凸显出来 电源技术遂发展成为一门崭新的技术 为了自动检测和显示电流 并在过流 过压等危害情况发生时具有自动保护功能和更高级的智能控制 具有传感器检测 传感采样 传感保护的电源技术渐成趋势 基础培训 汽车传感器分析 霍尔电流传感器由于具有精度高 线性好 频率宽 响应快 过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点被广泛的应用 可用于测电流的传感器 1 电流互感器2 霍尔传感器3 采样电阻4 光纤电流传感器 基础培训 汽车传感器分析 电流互感器 原理 电流互感器原理是依据电磁感应原理 电流互感器是有闭合的铁芯和绕组组成 它的一次绕组匝数很少 串在需要测量的电流的线路中 因此它经常有线路的全部电流流过 二次绕组匝数比较多 串接在测量仪表和保护回路中 电流互感器在工作时 它的2次回路始终是闭合的 因此测量仪表和保护回路串接线圈的阻抗很小 电流互感器的工作状态接近短路 作用 电流互感器的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流 用来进行保护 测量等用途 如变比为400 5的电流互感器 可以把实际为400A的电流转变为5A的电流 基础培训 汽车传感器分析 产生很高的电势 可 以达到数千伏甚至更高 从而危及人身及设备的安全 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 直检式 开环 一个开环霍尔电流传感器由磁芯和放置在磁芯开口空气隙的霍尔元件组成 载流导线穿过磁芯中心孔 他将产生一个和其电流成比例的磁场 这个磁场被磁芯集中并被霍尔元件检测到 大部分开环电流传感器含有温度补偿的电子线路 它输出一个经过校正的电压输出 开环电流传感器测量直流和交流电流并提供被测电流和输出电压之间的电气隔离 开环传感器的典型功耗远小于闭环传感器 它们是在电池供电的要求功耗较小的系统中最优的选择 基础培训 汽车传感器分析 开环控制 If 被测电流 15V 正极输入 15V 负极输入Vout 传感器输出GND ground搭铁 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 闭环霍尔电流传感器的工作原理 基础培训 汽车传感器分析 在车用电源系统中的应用 传感器的主要作用是隔离检测发电系统的输出电流 通过对传感器的输出信号处理 设定限流工作点 确保发电系统的输出功率不高于发电机的额定功率 在汽车中 将发电机或电源输出线通过霍尔闭环电流传感器通过无接触测量检测发电机的输出电流 传感器的输出端与发电机或控制器相连 根据此信号由控制器对发电机或电源的输出进行控制 从而减小由于大负荷输出导致电源或发电设备损坏 基础培训 汽车传感器分析 电阻式传感器的分类 1 电位计式 物理量变化传感元件电阻变化属于大电阻变化型 R 0 R传2 应变式 物理变化量敏感元件变形传感元件电阻变化量属于微电阻变化型 R 0 20 R传 基础培训 汽车传感器分析 电位计式传感器分类 将机械的线位移或角位移的变化一定函数关系电阻或电压的变化变阻器式变压器式 基础培训 汽车传感器分析 电位计式传感器的优 缺点 优点 结构简单 尺寸小 重量轻 精度高 0 1 0 05 性能稳定 受环境因素影响小 可实现输出 输入任意函数关系 输出信号较大 一般不用放大 缺点 存在滑动触头与线圈等之间的摩擦 输入能量要求较大 且磨损降低寿命和可靠性 也会降低测量精度 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 常用电位器式传感器有直线位移型 角位移型和非线性型等 如下图所示 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 电阻应变器 利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器 传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成 工作过程 被测物理量弹性元件变形弹性元件应变应变片阻值变化测量电路电量输出应用 电阻应变式传感器是目前测量力 力矩 压力 加速度 重量等参数应用最广泛的传感器 基础培训 汽车传感器分析 电阻应变片工作原理 应变效应 电阻应变片的工作原理是基于应变效应 即在导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时 它的电阻值相应发生变化 这种现象称为 应变效应 应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变 当外力去除后 物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件 具有弹性应变特性的物体 金属电阻应变片的基本原理基于电阻应变效应即 导体产生机械形变时它的电阻值发生变化 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 应变片的基本结构及测量原理 电阻应变片结构 基底 绝缘材料敏感栅 高阻金属丝 金属箔盖片 保护层有时加上引出线组成 用粘结剂将其粘贴在一起 构成完整的应变片 传感器测量原理 将应变片粘贴在被测对象上 当被测对象受力变形时 应变片的敏感栅也随之变形 其电阻值发生相应变化 通过转换电路为电压或电流的变化量 来测量应变 基础培训 汽车传感器分析 实验发现 实际应变片的K值比单丝的K值要小 造成此现象原因是横向效应 还有粘结层传递变形失真 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 横向效应在圆弧产生 消除圆弧段即可消除横向效应 为了减小横向效应产生的测量误差 现在一般多采用箔片式应变片 其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多 电阻值较小 因而电阻变化量也就小得多 基础培训 汽车传感器分析 三 机械滞后 零漂和蠕变滞后 加载和卸载特性曲线之间的最大差值值称为应变片的滞后值 零漂 粘贴在试件上的应变片 在温度保持恒定没有机械应变的情况下 电阻值随时间变化的特性称为应变片的零漂 产生原因 敏感栅通电后的温度效应 应变片的内应力逐渐变化 粘结剂固化不充分等 蠕变 粘贴在试件上的应变片 温度保持恒定 在承受某一恒定的机械应变 其电阻值随时间变化而变化的特性称为应变片的蠕变 一般来说 蠕变的方向与原应变量变化的方向相反 产生原因 由于胶层之间发生 滑动 使力传到敏感栅的应变量逐渐减少 这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标 在长时间测量中其意义更为突出 实际上 蠕变中包含零漂 它是一个特例 基础培训 汽车传感器分析 四 应变极限和疲劳寿命应选用抗剪强度高的粘结剂和基底材料 基底和粘结剂的厚度不宜太大 并经适当的固化处理 对于已经安装的应变片 在恒定幅值的交变力作用下 可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数称为应变片的疲劳寿命 五 最大工作电流和绝缘电阻最大工作电流 是指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流 工作电流越大 应变片输出信号大 灵敏度高 但过大的电流会把应变片烧毁 绝缘电阻 应变片的引线与被测件之间的电阻值 六 应变片的电阻值应变片的电阻 电阻值大可加大应变片承受电压 信号输出大 但敏感栅尺寸也增大 基础培训 汽车传感器分析 转换电路 电路的作用 将电阻的变化量转换为电压输出 通常采用直流电桥和交流电桥 一 直流电桥1 直流电桥工作原理 直流电桥电路如图所示 它的四个桥臂由电阻R1 R2 R3 R4组成 AC端接直流电压UBD端输出电压U0一般情况下接成等臂电桥 输出为零 这样无论哪个桥臂上受到外来信号作用后 桥路都将失去平衡 就会有信号输出 基础培训 汽车传感器分析 电桥输出端接入阻抗很高的指示仪表或放大器时 可认为电桥负载为无穷大 电桥输出端相当于开路 只能输出电压信号 称为电压输出 此时 桥路电流为 基础培训 汽车传感器分析 电桥平衡条件 相邻两臂电阻的比值应相等 或相对两臂电阻的乘积相等 基础培训 汽车传感器分析 电桥接入的是电阻应变片时 即为应变桥 当一个桥臂 两个桥臂乃至四个桥臂接入应变片时 相应的电桥为单臂桥 半臂桥和全臂桥 基础培训 汽车传感器分析 进气压力传感器 1 压敏电阻式进气压力传感器进气压力传感器采用间接检测的方法来检测进气量 而不是像进气流量传感器那样直接检测的方法检测进气量 它测量的是节气门后面的进气歧管的绝对压力 而且利用发动机的负荷以及转速的大小来测量歧管里绝对压力的该变量 接着它可以使其转换成为信号电压 然后把它送到电子控制器 而电子控制器就会根据信号电压的大小来控制基本的所需喷油量的多少 进气压力式传感器的种类分为很多种 有电容式和压敏电阻式等等 因为压敏电阻式的尺寸小 测量的精度高 安装很灵活以及响应时间快等优点 因此它普遍适用于D型喷射系统中 基础培训 汽车传感器分析 压敏电阻式进气压力传感器结构及原理 结构 硅膜片和有传感器的四个应变电阻组成的惠斯顿电桥是粘结在一起的 而硅膜片在歧管里受到的绝对压力的作用下 形状会发生改变 因此应变电阻R阻值会发生变化 进气歧管绝对压力 MAP manifoldabsolutepressuresensorMAP的值是由大气压力值与进气歧管真空度合成的 或者说是进气歧管外大气压力与进气歧管内真空度的差值 MAP是相对于零压力 高真空度 而讲的 大气压力 进气歧管真空度和MAP三者的关系为 MAP 大气压力 真空度 基础培训 汽车传感器分析 半导体压敏电阻式MAP传感器的读数及其变化 一般来说 半导体压敏电阻式MAP传感器的输出信号电压值与绝对压力成正比 与真空度成反比 即 发动机不启动时 信号电压应与电源电压相同 当进气歧管真空度较大时信号电压较小 原则上讲 发动机的燃油供给状态与进气歧管压力成正比关系 发动机的点火正时时间 点火提前角 则与进气歧管压力成反比 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 进气温度传感器 intakemanifoldtemperaturesensor功能 给ECU提供进气温度信号 作为燃油喷射和点火正时控制的修正信号 安装位置 D型 空气滤芯内或进气管内L型 空气流量计内工作原理 负热敏特性 温度低时电阻大 温度高时电阻小 进气温度传感器电阻值信号电压THA进气温度传感器电阻值信号电压THA针脚 1 系统信号接地2 进气温度电阻输出3 5V参考电压 Vref 5v 4 进气压力信号 温度对应阻值 20 时电阻4 7k 20 时电阻2 3k 40 时电阻900 1300 60 时电阻400 700 80 时电阻200 400 基础培训 汽车传感器分析 热模式空气流量计析 桑塔纳系列和捷达车辆使用热模式空气流量计 主要是将加热电阻 补偿电阻 精密电阻等镀在一块陶瓷片上 不采用昂贵的铂丝 制造成本低 不直接承受气流作用力 使用寿命长 热模式工作原理与热丝式空气流量计相似 都是用惠斯顿电桥 不同的是热模式不适用白金丝作为热丝 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 基础培训 汽车传感器分析 基础培训 汽车传感器分析 工作原理 RH 白金热线 是一个桥臂 是正温度系数的热敏电阻 RC 白金冷线 是另一个桥臂 是负温度系数的热敏电阻 它又是气温传感器ATS 用来测量进气温度 RH和RC的温差为100 保持不变RA 精密电阻 10k 是另一个桥臂 时ECU的测量端 取值端 RB 电桥电阻 是电桥的另一个桥臂 基础培训 汽车传感器分析 当有空气流过热线时 空气流过热线时 带走热量 热线RH的电阻变小 冷线RC的电阻变大 电桥失去平衡 为了保持电桥的平衡 提高桥压 放大器即加大流过热线RH的补偿电流IH 使冷线恢复正常温差 100 电流IH的增大 会使RA的电压降增大 只要测量RA两端的电压降Vs 即可得知流过空气量的多少 基础培训 汽车传感器分析 传感器线路检测 桑塔纳3000 1 进气温度传感器信号2 空气流量计供电12v3 空气流量信号V 4 进气温度传感器参考电压5v5 空气流量信号V 1 6 1 8发动机 2 4g s2 0 3 0发动机 2 6g s如检测低于2g s 检测泄露 如检测高于5 0g s检测附加用电设备 节气门开度 变速箱档位或传感器本身 基础培训 汽车传感器分析 节气门位置传感器 电子节气门安装与进气歧管的前端 发动机控制单元通过调节节气门的角度来控制进气管的截面积 从而控制发动机进气量 节气门开度由步进电机G186驱动 它使节气门在怠速位置和全开位置之间无级定位 发动机控制单元通过罩壳内2个传感器G187和G188来反馈节气门的位置信号 来判断对G186控制是否正确 基础培训 汽车传感器分析 线路分析 1脚 G187信号输出2脚 节气门位置传感器参考电压5v3脚 步进电机正极输入12v4脚 G188信号输出5脚 步进电机负极接地6脚 位置信号接地测量 节气门内有两个开度传感器组成 它们传递的