第五章 传感器与执行器

1、第5章传感器和执行器一、传感器概述传感器的概念：它指的是一种设备或装置，能够感应特定的物理量，并根据一定的规则将其转换成可用的输出信号。简而言之，传感器是一种将非电转化为电的装置。汽车传感器的工作条件极其恶劣，因此传感器的准确可靠工作非常重要。在这一领域，理论研究和材料应用发展迅速，半导体和金属薄膜技术和材料应用技术发展迅速。智能化、集成化和数字化将是传感器未来的发展趋势。传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路组成。敏感元件是指能够直接感受到测量结果的部分。转换元件是可以将非电转换成电的部件。一些敏感元件可以直接输入电能。测量电路是指对转换元件输入的电量进行显示、记录和控制的部分。桥式电路广

2、泛应用于测量电路中。例如，热线空气流量计将在后面描述。传感器有很多种，比如我们通常遇到的传感器有：温度传感器(冷却水温度传感器THW，tha，空气温度传感器)；流量传感器(空气流量传感器、燃料流量传感器)；进气压力传感器节气门位置传感器发动机转速传感器速度传感器SPD曲轴位置传感器(点火正时传感器)氧传感器爆震传感器传感器的特征参数很多，不同类型的传感器对特征参数有不同的定义和要求。让我们介绍一些主要的和一般的静态特性参数的定义。1.敏感概念：灵敏度是指传感器在温暖状态下的输出Y与输入X之比，或传感器输出Y与输入X的增量之比。灵敏度用K表示为K=dy/dx，线性传感器的灵敏度是一个常数，而非线

3、性传感器的灵敏度随输入而变化。2.解决概念：在规定的测量范围内，传感器能够检测到的最小测量变化。因为分辨率受到噪声的限制，所以我们使用相当于噪声水平n的数倍c的测量分辨率，即M=CN/K，其中M是最小检测量；c取1-5。3.测量范围和范围在允许的误差范围内，从下限到上限的范围称为测量范围。上限和下限之差称为范围。4.线性(非线性误差)在特定条件下，传感器校准曲线和拟合直线与满量程输出值之间的最大偏差百分比称为线性或非线性误差。5.落后滞后是指在相同条件下，传感器的正向冲程特性和反向冲程特性之间的不一致程度。6.可重复性重复性是指在相同的工作条件下，在整个测量范围内，在相同的方向上连续多次改变输

4、入量所得到的特性曲线的不一致性。7.零漂移和温度漂移零漂移指无输入或输入为某一值时，输入值与初始值和满量程之间的最大偏差百分比。温度漂移是指当温度上升1度时，传感器输出值与满量程的最大偏差百分比。第二，空气流量传感器为了形成所需的混合气，使空燃比达到最佳值，必须精确控制发动机的进气流量。让我们介绍一些常见的空气流量传感器。1.阻尼式空气流量计空气流量计安装在空气滤清器和节气门之间。功能：检测吸入的空气量，并将检测结果转换成电信号。组成：风门空气流量计由两部分组成，一部分是用于检测的风门部分(见图2-4a)，另一部分是用于转换的电位器(见图2-4b)。节流阀和电位计的关系图从图2-4a可以看出，

5、空气流量计的阻尼部分由测量叶片、缓冲叶片和壳体组成。随着气流的变化，测量叶片在主风道中偏转。电位器主要由电位器、回位弹簧、调节齿圈等组成。从节流阀与电位器的关系图可以看出，风门空气流量计是根据气流产生的压差将风门叶片推开的原理工作的。电位计与阻尼器叶片同轴，因此当叶片偏转时，电位计滑动臂必须旋转。由于转轴的一端装有螺旋回位弹簧，当其弹力与测量叶片上吸入气流产生的推力平衡时，阻尼叶片将处于稳定的偏转位置，电位计滑动臂也将处于涂层电阻的相应位置。下图是叶片式空气流量计的检测图。电池电压通过主继电器加到空气流量计的VB端，Vc端电压加到电子控制器。它的值由VB和Vc之间的电阻以及Vc和E2之间的电阻

6、决定。当然，Vc端子的电阻比VB端子的电阻稍低，大约是某一值。VS端子的电压随着从动触点的移动而变化。也就是说，当阻尼叶片的开口较大时，VS端子的电压增加；当开口减小时，VS端子的电压降低。VS端电压是了解空气流量计的重要数据。电子控制器根据蓄电池的Vc端电压与VS端电压之差与VB端电压之比计算进气量，如下式所示：Q=K(Vc-VS)/VB，其中Q为进气量，K为系数，Vc、VS和VB分别为Vc、VS和VB的端电压。维生素E2维生素b地面油泵开关传感器蓄电池电压参考电压信号电压空气温度电压地面叶片式空气流量计的检测1.燃油泵控制触点2。电位计(可变电阻器)3。固定电阻器q-热敏电阻(进气温度电阻

7、传感器)阻尼器的开度与电压Vc、VS和VB之间的关系可大致显示在下图中。在丰田1G-EU发动机上，VB-E2和VC-E2之间的电压分别约为12V和8-9V。当风门完全关闭时，VS-E2之间的电压约为1.7V。当风门完全打开时，VS-E2之间的电压约为6.5V。VC-E2曲线和VS-E2曲线之间的距离越短，阻尼器的开度越大。接下来，我们将解释空气流量计的每个部分。让我们看看书中的图2-4a。在图中，空气流量计叶片的下侧也有一个旁路空气通道。当主空气通道中的节流阀几乎完全关闭主空气通道时，允许少量空气流过它。旁通空气通道上还有一个怠速调节螺钉(一氧化碳调节螺钉)，可调节通过旁通通道的空气量，从而调

8、节怠速时混合物的浓度。该怠速调节螺钉的功能与节气门旁通通道中的怠速调节螺钉不同。节气门旁通道中的怠速调节螺钉调节由空气流量计测量的怠速进气量。调节它可以增加或减少进入发动机的混合气，从而控制发动机转速，但混合气的浓度基本不变。空气流量计中旁路通道的空气流量计不能用流量计测量。当旁路通道的横截面积变大时，流过叶片的空气量相对减少，即，由传感器测量的空气量减少，从而减少燃料喷射量并使混合物稀释。因此，调整该螺钉会改变混合气浓度，即空燃比，从而调整怠速时的废气排放。值得注意的是，这些螺钉大部分都是在工厂密封的，不可调节。在一些带有ISCV(怠速控制阀)的发动机中，如果没有这个螺钉，电子控制单元控制I

9、SCV来实现速度控制。发动机起动并吸入空气后，电位计中燃油泵的开关触点闭合，燃油泵的电源线接通，燃油泵开始工作。当发动机停止且不吸入空气时，燃油泵触点断开，燃油泵停止工作。也就是说，根据阻尼器的工作状态来控制燃料泵的电源。阻尼式空气流量计结构简单，可靠性高，但进气阻力大，响应慢，体积大。2.卡门涡街空气流量计图式众所周知，当野外架空电线被风吹动时，会发出“嗡嗡”声，风速越大，声音频率越高，这是由气体流过电线后形成的涡流(即涡流)引起的。液体、气体和其他流体会产生这种现象。类似地，如果我们在空气入口放置一个涡流发生器，例如一个圆柱，当空气流过时，如图所示，在涡流发生器的后部将连续产生两排旋转方向

10、相反且交替出现的涡流。这个漩涡叫做卡门漩涡。卡门涡街空气流量计利用这种涡流形成原理来测量气体流量，并通过测量流量来直接反映空气流量。对于特定的卡门涡街空气流量计，有以下关系式：qv=kf，qv为体积流量，F为单列涡街产生的频率，K为比例常数，与管径、柱径等有关。从这个关系可以看出，体积流量与卡门涡电流传感器的输出频率成正比。利用这一原理，我们可以通过检测卡门涡街的频率f来确定空气流量。根据涡流频率检测方法的不同，汽车涡流空气流量传感器可分为超声波检测型和光学检测型。如从中国大陆进口的丰田雷克萨斯LS400轿车和从台湾进口的皇冠3.0轿车采用光电检测涡流空气流量装置；日本三菱吉普车、中国长风猎豹

11、吉普车和韩国现代汽车都采用了超声波涡流空气流量传感器。(1)光学卡门涡流空气流量计光学卡门涡街空气流量计的工作原理图见图2-7。(具体结构可根据情况描述)根据现代物理学中光的粒子理论，光是有能量的粒子流。当物体受到光的照射时，吸收光子能量所产生的效应称为光电效应。光敏晶体管是半导体器件，其特点是当它们受到光的照射时，都会产生具有内部光电效应的光电效应，从而产生电流。工作原理：在卡门涡街产生过程中，涡街发生器两侧的气压会发生变化，通过导孔作用在金属箔上，引起金属箔振动。当来自发光二极管的光照射在振动的金属箔上时，光电晶体管接收到的金属箔上的反射光是由涡流调制的光，然后光电晶体管输出调制频率信号，

12、该信号代表气流信号。(2)超声波卡门涡街空气流量计超声波是指频率高于20HZ、人耳听不到的机械波。其特点是方向性好，穿透力强，遇到杂质或物体界面时反射明显。例如，蝙蝠、鲸鱼和自然界中的其他动物都是通过超声波来定位的。利用这一物理性质，我们可以把一些非电量转换成声学参数，并通过压电元件把它们转换成电量。超声波卡门涡街空气流量计的工作原理与光学卡门涡街空气流量计大致相同，只是光学元件被声学元件代替。在日常生活中，我们经常会遇到这样一种现象，即当人们沿着风向大喊大叫时，对方很容易就能听到他们；逆风大喊时，对方不容易听到。这是因为前者的气流方向与声波的气流方向相同，声波被加速，而后者是声波被阻挡和减速

13、的结果。这种现象也存在于超声波流量传感器中。其工作原理是：超声波发射探头和超声波接收探头相对安装在涡流发生器下游管道的两侧，超声波发射探头连续向超声波接收探头发送一定频率(一般为40KHZ)的超声波。当超声波通过进气流到达超声波接收器时，接收到的超声波信号的相位(时间间隔)和相位差(时间间隔差)将发生变化，集成控制电路将根据相位或相位差的变化来测量涡流频率。涡流频率信号输入到电子控制单元后，电子控制单元可以计算进气量。3.热线空气流量计作文：让我们读一下书上的结构图。其基本组成包括传感空气流量的铂丝、根据进气温度进行校正的温度补偿电阻(冷丝)、控制热线电流的控制电路、外壳等。根据铂热线在壳体中

14、的不同安装位置，可分为安装在空气主通道中的主流量测量模式和安装在空气旁路通道中的旁路通道测量模式。热线式空气流量计利用空气流过热金属线的冷却效果来工作。在进气流中放置一根铂丝热线。当恒定电流通过铂丝加热时，如果铂丝周围流动的空气增加，丝的温度将降低。如果铂丝的温度要保持恒定，热丝的电流应根据空气流量进行调节。空气流量越大，所需的电流就越大。下图是热线式空气流量计在主流测量模式下的工作原理图。其中右侧是直径为0.03-0.05的细铂丝(热丝)，RK是作为温度补偿的冷丝电阻。电阻抗和电阻抗是精密电桥电阻。这四个电阻一起构成了惠斯通电桥。在实际工作中，代表空气流速的加热电流被电桥中的电阻转换成电压输

15、出。当空气以恒定的流速流过时，电源电压将热线保持在一定的温度，此时电桥是平衡的。当空气流动时，相对湿度的热量被空气吸收并变冷，因此其电阻值发生变化，桥梁失去平衡。此时，放大器增加通过铂丝的电流，直到恢复原始温度和电阻值，并重新平衡电桥。随着电量的增加，RA的电压增加，从而在RA上获得代表空气流量的新的电压输出。进气温度的任何变化都会导致桥梁失去平衡。因此，补偿电阻丝(冷丝)设置在热丝附近的气流中。冷线补偿电阻的温度作为参考值。在操作中，放大器将使热线温度比进气温度高100度。长期使用热线式空气流量计会导致杂质积聚在热线上。因此，在热线流量计上采取烧坏措施来解决这个问题。每当发动机关闭时，电子控

16、制单元自动打开空气流量计外壳中的电子电路，热线自动加热，使其温度在一秒钟内上升1000度。因为燃尽温度必须非常精确，所以在发动机关闭后4S之前电路不会接通。该空气流量计无运动部件，工作可靠，响应特性好。缺点是当风速分布不均匀时，误差较大。4.热膜空气流量计热线式空气流量计虽然能提供准确的进气流量，但成本太高，主要用于高档汽车。为了满足高精度、结构简单、成本低廉的要求，德国博世公司采用厚膜技术开发了热膜式空气流量计。热膜式空气流量计的工作原理与热线式空气流量计相似，均采用惠斯通电桥。不同之处在于热膜式空气流量计不使用铂作为热线，而是通过厚膜技术将热线电阻、补偿电阻和线桥电阻集中在陶瓷芯片上。这种

17、空气流量计已广泛应用于各种电控汽油喷射系统。第三，压力传感器功能：将压力信号转换成电压信号。应用范围：它在汽车上有两个主要应用。首先，它用于气压检测，包括进气真空度、大气压力、气缸内气压和轮胎压力等。二是用于油压检测，包括变速箱油压、制动阀油压和悬架油压等。1.电容式压力传感器首先，让我们看一下电容。电容器的电容与电容器的两个极板之间的电介质及其相对有效面积成正比，但与两个极板之间的距离成反比，即，C= A/d，其中是介电常数，A是两个金属电极极板之间的相对有效面积，D是两个金属电极极板之间的距离。从这种关系可以看出，当两个参数不变而另一个参数作为变量时，电容将随着参数的变化而变化。书中图2-13所示的电容式压力传感器由两个移动件(弹性金属膜片)、