汽车发动机电控技术 传感器及检测

模块二传感器及检测,课题一空气流量传感器,课题二进气歧管绝对压力传感器,课题三曲轴与凸轮轴位置传感器,课题四节气门位置传感器,课题五温度传感器,课题六氧传感器,课题七爆震传感器,课题八开关量信号,空气流量传感器的作用是检测进入汽缸的空气流量。根据检测进气量的方式不同，空气流量传感器分为D型（即压力型）和L型（即空气流量型）两种类型。,课题一发动机电子控制技术发展史,一、翼片式空气流量传感器,1翼片式空气流量传感器的结构,2翼片式空气流量传感器的测量原理,图2-3空气流量传感器的工作原理,3翼片式空气流量传感器的工作电路,图2-4丰田子弹头空气流量传感器的工作电路,传感器从ECU的VC端子获取4V6V的工作电压，再通过ECU的E2端子搭铁。空气流量信号由VS端子输入ECU。,4翼片式空气流量传感器的检测（1）检查空气流量传感器的工作电压（2）检查空气流量传感器就车检查空气流量传感器的方法：车下检查空气流量传感器的方法：,图2-5检测空气流量传感器（a）就车检查（b）车下检查,二、卡尔曼涡流式空气流量传感器,1涡流式空气流量传感器的测量原理,图2-6卡尔曼涡流产生的原理,v涡流发生器两侧流体的速度；d涡流发生器迎流面的最大宽度；St斯特罗巴尔系数,流速与涡流频率之间关系,2涡流式空气流量传感器的结构,（1）光电式空气流量传感器,图2-7光电式空气流量传感器的外形图和结构图1整流栅；2-涡流发生器；3导压孔；4涡流；5-光敏晶体管；6板弹簧；7发光二极管；8反射镜,（2）超声波式空气流量传感器,图2-8超声波式空气流量传感器的结构1大气压力传感器；2集成控制电路；3涡流发生器；4涡流稳定板；5旋涡；6超声波接收器；7主空气通道；8旁通空气道；9进气温度传感器；10超声波发生器,图2-9超声波式空气流量传感器,图2-10超声波式空气流量传感器的工作原理（a）发射的超声波（b）无旋涡时接收的超声波（c）低速时接收的超声波（d）低速时传感器输出波形（e）高速时接收的超声波（f）高速时传感器输出波形,3涡流式空气流量传感器的工作电路,图2-11卡尔曼涡流式空气流量传感器的检测及工作电路,4.涡流式空气流量传感器的检测,（1）检查空气流量传感器的电阻（2）检查整流栅（蜂窝状零件）（3）检查空气流量传感器电压,三、热线及热膜式空气流量传感器,热线和热膜式空气流量传感器属质量式流量计。采用该种流量计可避免因海拔高度变化而引起的检测误差，并且这种流量计还具有响应速度快、进气阻力小等特点,1热线式空气流量传感器的结构,图2-12热线式空气流量传感器（a）结构图（b）工作原理图1-防护网；2-取样管；3-铂金热线；4-冷线电阻；5-控制电路；6-插接器A集成电路；RH热线电阻；RK温度补偿电阻；RA精密电阻；RB电桥电阻,2热线式空气流量传感器的工作原理在环境温度一定时，给惠斯通桥形电路供电，电桥会达到平衡。当有空气流过取样管中的铂丝热线时，进气会带走热线的热量，使其温度降低，热线的电阻值随即也降低，桥形电路的平衡被破坏。为重新达到平衡，使热线电阻恢复到原来数值，就必须增大电流，使热线温度提高。当空气流量大时，带走的热量就越多，热线电阻的变化就越大，为重新达到平衡所需增加的电流值也就越大。这样，就把空气流量的变化转换为电流的变化。电流的变化又使固定电阻RA两端的电压Uo发生变化，此变化的电压就是热线式空气流量传感器的传感信号。,图2-13上海桑塔纳2000GSi轿车AJR发动机热膜式空气流量传感器的结构（a）外形图（b）剖视图,热膜式空气流量传感器,3热线式空气流量传感器的工作电路,图2-14日产发动机微机集中控制系统热线式空气流量传感器的工作电路,4热线式空气流量传感器的自清洁,常采用两种方法：一种方法是提高热线的保持温度（一般使保持温度升高到200以上），以防止灰尘沾附；另一种方法是在ECU中设有自清洁功能，通过加热热线来清除污垢。,5热线式空气流量传感器的检测（1）检查工作电路（2）检查外观（3）检查热线式空气流量传感器的输出信号,图2-15检查空气流量传感器的输出信号（a）静态时（b）动态时,（4）检查热线式空气流量传感器内的热线自清洁电路,图2-16检查自清洁功能,课题二进气歧管绝对压力传感器,一、进气歧管绝对压力传感器的结构与工作原理,1压阻效应式进气歧管绝对压力传感器,图2-17压阻效应式进气歧管绝对压力传感器1-滤清器；2-塑料外壳；3-过滤器；4-混合集成电路；5-压力转换元件；6-真空室,图2-18进气歧管绝对压力传感器的结构1-引线端子；2-壳体；3-硅杯；4-真空室；5-硅膜片；6-锡焊封口；7-应变电阻；8-金线电极；9-电极引线；10-底座；11-真空管,图2-19进气歧管绝对压力传感器的等效电路,桥形电路的电源电压为UCC时，电桥的输出电压U0为：U0=（R+R）UCC/（R+R）+（RR）（RR）UCC/（R+R）+（RR）=UCC（R/R）式中：R初始值（一般为100m）；RR的阻值变化量。进气歧管的压力越大，硅膜片的变形就越大，输出电压U0就越大。,2电容式进气歧管绝对压力传感器当忽略边缘效应的影响时，平板电容器的电容量为：,可以看出，影响电容器电容量的因素是S和d。改变S和d，即可改变电容，这是电容式变换器（传感器）的基本工作原理。,图2-21电容式进气歧管绝对压力传感器原理示意图,氧化铝膜片和底板彼此靠近排列，形成电容。当膜片上下压力差变化时，两极板之间的距离变化，电容随之变化，这样便获得与进气歧管压力成正比的电容信号。,3电感式进气歧管绝对压力传感器电感式进气歧管绝对压力传感器的主要由膜盒、铁心、感应线圈、电子电路等组成,图2-22电感式进气歧管绝对压力传感器的结构,图2-23电感式进气歧管绝对压力传感器的工作原理图,二、进气歧管绝对压力传感器的检测,1压阻效应式进气歧管压力传感器的检测以丰田皇冠轿车2JZ-GE发动机进气歧管压力传感器为例,图2-24丰田2JZ-GE发动机进气歧管绝对压力传感器工作电路,2电感式进气歧管压力传感器的检测检查传感器的输出信号：接通点火开关，在开放传感器通往进气歧管的真空管道时,电压表应指示1.5V左右；用真空泵对真空管道施加真空时，表针从1.5V向降低方向摆动；怠速时，电压降到大约0.4V左右；当转速升高时，电压值也会随之升高。若测量结果不符合上述，则说明传感器有故障。检查传感器线圈有无断路：,课题三曲轴与凸轮轴位置传感器,曲轴位置传感器CPS（CrankshaftPositionSensor）又称为发动机转速与曲轴转角传感器，其功用是采集曲轴转动角度和发动机转速信号，并将信号输入控制单元，进行点火控制和喷油控制。凸轮轴位置传感器CPS(CamshaftPositionSensor)又称为汽缸判别传感器CIS(CylinderIdentificationSensor)和相位传感器，功用是采集配气凸轮轴的位置信号，并将信号输入ECU，以便ECU识别1缸压缩上止点，从而进行顺序喷油控制、点火控制和爆震控制。,一、曲轴与凸轮轴位置传感器的结构与工作原理,1电磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器主要结构有转子（即触发齿轮）、永久磁铁、铁心、感应线圈,图2-25电磁感应式曲轴位置传感器1永久磁铁；2铁心；3感应线圈；4转子,曲轴位置传感器靶轮图（位于发动机飞轮上）,曲轴位置传感器图,图2-26曲轴与凸轮轴位置传感器的工作原理（a）靠近（b）正对（c）远离（d）磁通量和感生电动势的波形,2霍尔式曲轴与凸轮轴位置传感器,图2-27霍尔效应原理图,式中：RH霍尔系数；d霍尔基片的厚度。霍尔电压UH与通过的电流I和外加磁场的强度B成正比。,图2-28霍尔式曲轴位置传感器的工作原理,霍尔式曲轴与凸轮轴位置传感器的工作原理图,部分汽车（如切诺基（Cherokee）吉普车等）采用差动霍尔式传感器。差动霍尔式传感器又称双霍尔式传感器，其基本工作原理与霍尔式传感器相同，传感器的输出电压由两个霍尔信号叠加而成。差动霍尔式传感器主要由带凸齿的信号转子和霍尔信号发生器组成，如图2-29.,图2-29差动霍尔式传感器结构原理（a）基本结构（b）输出波形,3光电式曲轴与凸轮轴位置传感器光电式曲轴与凸轮轴位置传感器是利用半导体的光电效应原理制成的。,图2-30光敏晶体管的结构原理图,光电式传感器主要由带有叶片的信号转子和包括发光二极管、光敏晶体管及放大整形电路的信号发生器所组成,图2-31光电式信号发生器的工作原理（a）信号转子透光时（b）信号转子遮光时1-发光二极管；2-信号转子；3-光敏晶体管,二、典型的曲轴与凸轮轴位置传感器,1丰田轿车电磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器,图2-32丰田2JZ-GE发动机磁脉冲式曲轴位置传感器1G1耦合线圈；2No.2正时转子；3分电器轴；4Ne耦合线圈；5分电器壳体；6No.1正时转子；7分火头；8G2耦合线圈,图2-32Ne信号发生器的结构与输出波形,当Ne转子随分电器轴转一圈（即曲轴转两圈）时，Ne线圈产生24个电压脉冲信号。ECU根据此脉冲信号的脉冲间隔时间计算出发动机转速；同时，为提高喷油时刻和点火时刻的控制精度，ECU内部的分频器将每个Ne信号等分成30个脉冲信号，每个脉冲信号相当于1曲轴转角。ECU根据G1、G2耦合线圈产生的基准信号和Ne耦合线圈产生转角信号，便可进行点火控制和喷油控制。,图2-33G1、G2脉冲信号的产生,G1和G2耦合线圈产生的信号用于检测活塞在汽缸中的位置，即检测活塞上止点与判别哪一个汽缸即将到达上止点位置等基准信号，因此G信号发生器又称为判缸与上止点信号发生器或基准信号发生器,图2-34G、Ne信号与曲轴转角的关系,G1、G2和Ne信号与曲轴转角的关系如图,2上海桑塔纳轿车电磁感应式曲轴位置传感器和霍尔式凸轮轴位置传感器（1）上海桑塔纳轿车电磁感应式曲轴位置传感器,图2-35电磁感应式曲轴位置传感器及输出电压信号1-空缺两轮齿；2-信号盘；3-传感器；4-发动机机体,（2）上海桑塔纳轿车霍尔式凸轮轴位置传感器,图2-36霍尔效应式凸轮轴位置传感器1-凸轮轴同步带带轮；2-信号轮；3-霍尔效应式信号发生器,霍尔式凸轮轴位置传感器由带有半周（180）叶片的信号轮2和霍尔效应式信号发生器3组成。,3切诺基轿车差动霍尔式曲轴位置传感器和霍尔式凸轮轴位置传感器切诺基吉普车采用了差动霍尔式曲轴位置传感器，凸轮轴位置传感器为普通霍尔式传感器。（1）切诺基吉普车差动霍尔式曲轴位置传感器,图2-37切诺基吉普车差动霍尔式曲轴位置传感器,（2）切诺基吉普车霍尔式凸轮轴位置传感器切诺基吉普车发动机控制系统的汽缸判别信号由霍尔式凸轮轴位置传感器提供，该传感器又称为同步信号传感器，安装在分电器内，主要由脉冲环（信号转子）、霍尔信号发生器组成。,图2-38切诺基CPS信号、CIS信号与正时关系,4日产轿车光电式曲轴与凸轮轴位置传感器图2-39所示为日产轿车光电式曲轴与凸轮轴位置传感器，该传感器安装在分电器内部，主要由发光二极管、光敏晶体管、信号盘（又称转盘）以及整形电路组成。,图2-39光电式曲轴位置和凸轮轴位置传感器（a）传感器结构（b）信号盘1-光电信号发生器；2-信号盘；3-120信号孔（第1缸）；4-1信号缝隙；5-120信号缝隙,图3-40光电式曲轴位置和凸轮轴位置传感器基本工作原理1-发光二极管；2-光敏晶体管；3-信号发生器,发动机工作时，信号盘随着分电器轴同步旋转，信号盘上的缝隙便连续切断从发光二极管照向光敏晶体管的光束。当发光二极管发出的光线穿过信号盘上的缝隙照射到光敏晶体管上时，光敏晶体管导通；当发光二极管发出的光线被信号盘遮挡住时，光敏晶体管截止,三、曲轴与凸轮轴位置传感器的工作电路,1电磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器的工作电路,图2-42丰田2JZ-GE发动机曲轴位置传感器的工作电路,2差动霍尔式曲轴位置传感器与霍尔式同步信号传感器的工作电路,图2-43北京切诺基曲轴位置传感器的工作电路（a）电路图（b）线束插接器,图2-44北京切诺基同步信号传感器的工作电路（a）电路图（b）线束插接器,ECU由7号端子向两传感器提供8V的稳定工作电源，两传感器通过ECU的4号端子搭铁。曲轴位置传感器信号和同步信号分别由24号端子、44号端子输入ECU。,3光电式曲轴与凸轮轴位置传感器的工作电路,图2-45日产阳光轿车光电式曲轴位置传感器工作电路,四、曲轴与凸轮轴位置传感器的检测,1电磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器及其工作电路的检测以图2-42所示丰田公司电磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器为例检查传感器内线圈电阻：检查传感器的输出信号：传感器输出信号的检查有两种方法:方法一：使发动机怠速运转，用指针式电压表分别测量曲轴与凸轮轴位置传感器上G1与G-、G2与G-、Ne与G-端子之间的电压。方法二：在发动机怠速运转时，用示波器检查曲轴与凸轮轴位置传感器上G1与G-、G2与G-、Ne与G-端子之间的波形。,图2-46G1、G2、Ne信号波形,传感器正常时，其波形应符合图2-46所示,检查磁隙：用厚薄规检查信号转子与传感线圈凸出部分的间隙。其标准值为0.20.4mm。检查传感器连接导线：用万用表欧姆挡检查传感器与ECU之间三根连接导线，均应导通。否则，应修复或更换导线。2差动霍尔式曲轴位置传感器和霍尔式同步信号传感器及其工作电路的检测以图2-43所示北京切诺基吉普车差动霍尔式曲轴位置传感器为例，介绍其检测方法。检查曲轴位置传感器的信号电压：检查曲轴位置传感器的电源电压：,检查传感器的连接导线：用万用表测量传感器与ECU之间的连接线路，正常情况下，其阻值应小于0.5。同步信号传感器的检测方法：将电压表置于15V挡上，测试传感器三接线柱A、B、C之间电压值（测试时不要将分电器上的插接件拆下）。若传感器正常，接通点火开关（ON）时，A、C间的电压值约为8V。,3光电式曲轴与凸轮轴位置传感器及其工作电路的检测以2-45日产阳光（SUNNY）轿车B14车系为例，介绍光电式曲轴与凸轮轴位置传感器的检测:拆下分电器;断开点火线，点火开关置于ON;用手缓慢地转动分电器轴并用万用表检查信号输出端子与车身搭铁之间的电压，数值应在5V0V之间摆动。若不符合，则应更换分电器总成（连同凸轮轴位置传感器一同更换）。目视检查曲轴与凸轮轴位置传感器信号转子盘是否积尘或损坏，必要时清洗或更换。,课题四节气门位置传感器,一、节气门位置传感器的结构与工作原理,常见的节气门位置传感器有触点式、可变电阻式、触点与可变电阻结合式三种。1触点式节气门位置传感器,图2-47日产VG30E发动机触点式节气门位置传感器,图2-48开关量输出型节气门位置传感器输出信号1-全开（功率触点）；2-全闭（怠速触点）,图2-49多触点式节气门位置传感器（a）结构图（b）原理图1-ACC1；2-ACC2；3-加减速检测触点；4-IDL；5-PSW,图2-50多触点式节气门位置传感器的输出特性,2可变电阻式节气门位置传感器可变电阻式节气门位置传感器由滑动电刷、电阻片组成。节气门轴带动滑动电刷在电阻片上滑动，从而将节气门开度的变化转变为电阻的变化。,图2-51可变电阻式节气门位置传感器1-工作电源；2-输出电压；3-接地,3触点与可变电阻结合式节气门位置传感器在可变电阻式节气门位置传感器的基础上增设了一个怠速触点，形成触点与可变电阻结合式节气门位置传感器,图2-52丰田2TZ-FE发动机可变电阻式节气门位置传感器（a）结构图（b）原理图1-可变电阻滑动触点；2-电源电压输入端子；3-绝缘体；4-节气门轴；5怠速触点,二、节气门位置传感器的工作电路及检测,图2-53触点式节气门位置传感器的工作电路,1触点式节气门位置传感器的检测,检查搭铁电路：检查工作电压：检查传感器：,2触点与可变电阻结合式节气门位置传感器的检测检查搭铁电路：检查工作电压：检查传感器：,图2-55触点与可变电阻结合式节气门位置传感器的工作电路,常见的温度传感器按结构与物理性能不同可分为热敏电阻式、双金属片式、热敏铁氧体式、蜡式等。双金属片式和蜡式温度传感器属于结构型传感器，热敏电阻式和热敏铁氧体式温度传感器属于物性（物理性能）型传感器。现代汽车广泛采用热敏电阻式温度传感器。,课题五温度传感器,图2-56热敏电阻特性,一、冷却液温度传感器,水温传感器安装位置,冷却液温度传感器的作用是把冷却冷却液温度转换为电信号。该信号输入ECU后用于：修正喷油量：修正点火提前角：冷启动时决定喷油量：影响怠速控制阀动作：影响怠速断油：影响废气再循环,1冷却液温度传感器的结构,图2-57冷却液温度传感器1-绝缘管；2-壳体；3-接线端子；4-引线；5-热敏元件,2冷却液温度传感器的工作电路,图2-58冷却液温度传感器的工作电路,3冷却液温度传感器的检测,（1）检查冷却液温度传感器的电源电压,（2）检查冷却液温度传感器的信号电压,（3）检查冷却液温度传感器的工作特性,二、进气温度传感器,进气温度传感器安装位置,进气温度传感器的作用是把进气温度转换为电信号输入ECU。ECU据此信号确定进气密度，并结合进气量传感信号，精确计算出进气质量，从而控制喷油量。进气温度传感器的检测可参照冷却液温度传感器的检测方法进行。,课题六氧传感器,氧浓度传感器（又称氧传感器）作用就是把排气中氧的浓度转换为电压信号，ECU根据氧浓度传感器输入的信号判断混合气的浓度，进而修正喷油量，最终将缸内混合气的浓度控制在理想空燃比14.7附近。,一、氧传感器的结构与工作原理,1氧化锆式氧传感器主要由锆管、电极、电极引线、金属保护套（管）、加热元件（仅指加热式氧传感器）、线束插接器等组成。,图2-60氧化锆式氧传感器（a)不带加热器的（b)带加热器的1-钢质保护套管；2-废气；3-锆管；4-电极；5-弹簧；6-绝缘体；7-电极引线；8-空气；9-接地端；10-加热器接线端；11-信号输出端；12-加热器,图2-61氧传感器工作原理图,图2-62氧传感器的输出特性,图2-64加热式氧传感器,加热式氧传感器的线束插接器一般有4个端子（也有的是3个），其中2个是传感器信号输出端子，另2个是电加热元件的电源输入端子,2氧化钛式氧传感器当二氧化钛表面氧浓度发生变化时，其电阻值也随着变化，ECU根据此变化来确定混合气的浓度变化。,图2-65二氧化钛氧传感器,图2-66氧化钛型氧传感器的输出特性,图2-67二氧化钛氧传感器的工作电路1-TiO2型氧传感器；2-1V电源电压端子；3-氧传感器信号输出端子,二、氧传感器的工作电路,图2-68非加热式氧传感器工作电路,图2-69北京切诺基汽车氧传感器工作电路,三、氧传感器的故障,氧传感器常见的故障有：氧传感器老化、氧传感器中毒、氧传感器破裂、氧传感器内部电热元件损坏、导线断开、氧传感器信号不正确等，其中传感元件老化和中毒是氧传感器失效的主要原因。1氧传感器老化2铅中毒3硅中毒4磷中毒,四、氧传感器的检测,1检查氧传感器的加热元件2检查氧传感器加热元件工作电路3检查氧传感器的工作情况以丰田1UZFE型发动机为例。4检查氧传惑器,课题七爆震传感器,爆震传感器的作用是把发动机爆震信号转换为电信号输入发动机ECU。该信号输入ECU后用于控制点火提前角，使发动机在最接近爆震的时刻点火。检测发动机爆震的方法有三种：检测发动机燃烧室压力检测发动机缸体振动检测燃烧噪声,一、爆震传感器的结构与工作原理,按检测方式不同可分为共振型与非共振型两种；按结构不同可分为磁致伸缩式和压电式两种。,1磁致伸缩式爆震传感器磁致伸缩式爆震传感器属共振型传感器。如图2-70所示，磁致伸缩式爆震传感器主要由感应线圈、铁心、永久磁铁和传感器外壳等组成。,图2-70磁致伸缩式爆震传感器的外形与结构1-线圈；2-铁心；3-外壳；4-永久磁铁,图2-71磁致伸缩式爆震传感器的输出特性,当发动机发生爆震时，发动机缸体的振动频率与传感器固有的振动频率（约7kHz左右）匹配，发生谐振现象，振动强度最大，铁心的位移最大，线圈内的磁通变化率最大，传感器输出最大信号,2压电式爆震传感器压电式爆震传感器是利用压电效应制成的。压电效应是指某些晶体（如石英、压电陶瓷等）在某一定方向受压（或受拉）产生变形时，在晶体内部产生极化现象，并在其两个表面出现异性电荷；当去掉外力后，又重新回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应。压电式爆震传感器按检测缸体振动频率的方式不同，又可分为共振型与非共振型。（1）共振型压电式爆震传感器共振型爆震传感器的主要元件是压电元件与振荡片（如图2-72所示）。压电元件的材料为压电陶瓷晶体片。,图2-72共振型压电式爆震传感器1-压电元件，2-振子；3-基座；4-O型密封圈；5-连接器；6-接头；7-密封剂；8-壳体；9-引线,（2）非共振型压电式爆震传感器非共振型压电式爆震传感器的主要元件是惯性配重和压电陶瓷元