第10章：加速度傳感器和爆震傳感器

第十章：加速度傳感器和爆震傳感器10.1加速度傳感器原理概述1、“滑翔機牌”車氣囊用加速度傳感器包括“滑翔機牌”車在內(nèi)的豐田車多數(shù)都將三種G傳感器組合起來用氣囊傳感器，這三種傳感器是：前氣囊傳感器、中央氣囊傳感器及輔助傳感器。（1）結構前氣囊和輔助氣囊傳感器（2）原理及工作過程中央氣囊傳感器它采用的是半導體型G傳感器。通過測量碰撞形成的測量元件的應變，再將其轉(zhuǎn)換成電信號，這種傳感器的特點是：對減速具有線性輸出，超過預先設定的數(shù)值時，則輸出ON信號。2、“塞普達”車安全氣囊用傳感器滾軸式傳感器，由滾柱、片簧及擋銷等構成。（1）結構3、“花冠”車安全氣囊用傳感器（1）結構（2）工作原理及過程4、“森鐵阿”牌車安全氣囊用傳感器它是由測量減速度的傳感球，將傳感球保持到某加速度為止的永磁鐵，對傳感球運動提供空氣阻尼器作用的導缸及二級端子構成的。（1）結構（2）工作過程5、“西維克”牌車安全氣囊用傳感器西維克牌車安全氣囊用傳感器分主傳感器和輔助傳感器兩種，前者為氣體阻尼型，后者為笛簧開關型。主傳感器輔助傳感器6、“陸地巡航艦”牌車ABS用加速度傳感器傳感器由2組發(fā)光二極管、光敏二極管、信號板及變換電路構成。（1）結構（2）工作過程7、“帕杰羅”牌車ABS用G傳感器“帕杰羅”牌車ABS采用了檢測位移量的差動變壓型傳感器作為G傳感器，傳感器內(nèi)設有向激磁線圈供給交流電的振蕩電路及檢測線圈整流電路用的控制電路。工作原理輸出電壓相同但極性相反的兩組線圈串聯(lián)，且鐵心處于中間位置時，次級繞組所感應的交流電壓相等；當兩個次級繞組的波形相位相反時，其輸出電壓為0；當減速度加在傳感器上，鐵心偏離中間位置時，兩個次級繞組上的感應電壓不同，放大器上就會產(chǎn)生與其差值成正比的交流電壓。利用這一現(xiàn)象，通過將鐵心的位移量變換成正、負直流電壓值，就可知道鐵心的位移。8、“?，敗?WD車用G傳感器?，?WD車具有牽引力控制、ABS功能，因此車上設置了檢測車輛前、后加速度的傳感器及檢測橫向加速度的橫G傳感器。樹脂外殼內(nèi)充滿了硅油，永久磁鐵置于中間，當車輛加、減速時，形成了永久磁鐵的位移，此位移通過霍爾元件變換成電信號，再輸入到控制組件中。9、“藍鳥”4WD車ABS用G傳感器10.2鋼球式加速度傳感器在一般行車狀況下，急停車時車身前后方向的加速度小于0.5g。車輛前后方向能夠產(chǎn)生的最大加速度是1.1g，橫向最大加速時0.8g，上下方向最大加速度是2g，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以看出，加速度的檢測范圍達到-1.5g～+1.5g就夠了。1、車用加速度傳感器的規(guī)格（1）加速度的檢測范圍（2）基本輸出特性（3）各項基本特性①非線性特性εi=100×Δt/FS；②靈敏度偏差：回歸直線的斜率與基本輸出特性斜率的差值；③垂直軸靈敏度：對垂直于加速度測量軸方向的加速度成分、輸出信號的變化狀況；④溫度漂移：預設定漂移和靈敏度溫度系數(shù)；⑤頻率特性：輸出電壓的大小和響應滯后（4）可靠性①耐跌落性：其含義是要求加速度傳感器即使跌落至地面，也不應出現(xiàn)損壞。從加速度的角度看：傳感器從20cm的高處跌落到柞木板上時的加速度大大超過100g，從1m高處跌落到水泥地上時的加速度大大超過1000g。②高溫性能：溫度范圍為：-40～+80℃，在這樣寬的溫度范圍內(nèi)，傳感器應有穩(wěn)定的輸出，而且經(jīng)溫度循環(huán)試驗后，性能也不會老化。③抗干擾性能：因為車輛傳感器處于相當嚴酷的電磁噪音環(huán)境，所以必須采取充分的措施，以保證對傳感器的輸出電壓沒有多大影響。2、鋼球式加速度傳感器的結構與檢測原理傳感器的檢測部分是由鋼球、一對永久磁鐵、差動變壓器線圈及軛鐵構成，利用一對永久磁鐵支撐的鋼球按照球套的軸向加速度改變位置，利用鋼球位置的變化檢測出來，并以此作為測得的加速度。（1）檢測部分的結構（2）鋼球的磁場力支撐鋼球式加速度傳感器的本質(zhì)特征可以說是慣性質(zhì)量（鋼球）的磁場支撐。①線圈骨架的軸向磁場力當加速度作用到傳感器的外殼上時,處于軸向中央位置的鋼球,在加速度的方向上,會受到反向慣性力的作用,鋼球?qū)⒁苿又翍T性力與軸向磁場力平衡的位置處,鋼球位置與加在傳感器外殼上的加速度相應,因此,當掌握了鋼球移動位置,方向之后,就可以測出加速度的大小和方向.②骨架軸與垂直方向的磁場力（3）差動變壓器差動變壓器是由激磁方的初級繞組與檢測方的次級繞組組成的，因次級繞組的連接極性不同，所以其兩端形成了差動輸出，與次級繞組交鏈的磁通隨鋼球位置而變化，由此可以檢測出鋼球位置與移動方向。（4）檢測電路該部分由調(diào)節(jié)器和運算放大器構成，作用是產(chǎn)生基準電壓。由振蕩器與振蕩振幅溫度修正電路構成，作用是對初級繞組激磁。用差動放大器對次級繞組的輸出加以放大。利用初期激磁信號形成同步信號，對來自AC放大器的信號進行同步整流。由次級的低通濾波器構成，輸出電壓的中間值為2.5V。3、鋼球式加速度傳感器的外形4、鋼球式加速度傳感器的性能與可靠性（1）傳感器的性能（2）可靠性抗干擾性能：耐沖擊性能：10.3半導體加速度傳感器1、基本結構與工作原理（1）傳感元件結構因為要將加速度形成的慣性力變換成位移，所以半導體硅片制成懸臂梁結構。為提高靈敏度將硅片固定端附近的一部分作等方向腐蝕,減薄其厚度的同時,在其自由端附加有配重.（2）傳感元件力—應變—阻值—電壓變化（3）靈敏度2、頻率特性3、信號放大與溫度補償（1）電路構成（2）溫度補償電路③、4、加速度傳感器的各項特性10.4防爆震傳感器防爆震系統(tǒng)：在這一系統(tǒng)中，通過裝在發(fā)動機上的防爆震傳感器可以檢測出爆震，在發(fā)生爆震時延遲點火時間，而在不出現(xiàn)爆震時，提前點火，總是將點火時間設置在近于爆震附近。1、爆震現(xiàn)象與其檢測方法爆震現(xiàn)象的起因是混合氣中的未燃燒氣體因自燃點火后急劇地燃燒造成的，此時所產(chǎn)生的強烈的沖擊波反復作用氣缸上而引起爆震。(1)爆震起因：表現(xiàn)：在發(fā)生爆震的最高壓力處有高頻成分疊加。發(fā)生爆震時，在6～9kHz的頻帶上可以看出壓力的電平差。（2）檢測方法壓力變動—機體振動—聲音（3）爆震傳感器種類2、爆震傳感器的檢測元件由離子結合而成的固體內(nèi)部，正離子與負離子不成點對稱排列時，外力加到此固體上，造成電荷分布的變化，從而引起極化現(xiàn)象，將此稱為壓電效應；反過來，將外部的電場加到這種固體上時，就會產(chǎn)生應力，將此稱為反壓電效應。（1）壓電效應與反壓電效應（2）影響壓電功能的參數(shù)q=d·FE=g/C=ε·q·F/C影響壓電功能的參數(shù)有：電、機械的連接系數(shù)k，壓電位移常數(shù)d，壓電輸出常數(shù)g。（3）材料轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或較大的壓電常數(shù)；機械性能：作為受力元件，希望其機械強度高，剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率；電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期望減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性；溫度和濕度穩(wěn)定性好：具有較高的居里點，以期望得到寬的工作溫度范圍；時間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時間蛻變。對材料的要求：PZT：鋯鐵酸鉛系壓電陶瓷：以PbTiO3和PbZrO3組成的共熔體Pb（ZrTi）O3為基礎，再添加一些微量元素Nb（鈮），Sb（銻），Sn（錫），Mn（錳）等。（4）等效電路及特性3、非共振型與共振型爆震傳感器（1）非共振型爆震傳感器①結構與工作原理②電負荷阻抗與輸出電壓③計算值與實驗值④關于傳感器形狀非對稱性的討論對非共振型爆震傳感器，希望在加速度一定時，其輸出電壓與頻率的關系呈平頂特性。（2）共振型爆震傳感器①共振頻率的確定r為圓板的半徑，t為厚度，E為楊氏模量，p為密度，σ為泊松比，α為比例常數(shù)。②共振型爆震傳感器面臨的課題缺陷:無法響應發(fā)動機條件變化引起的爆震頻率的變化；脈沖響應性差，難以檢測出高轉(zhuǎn)速時的爆震，共振特性越是呈現(xiàn)尖頂，脈沖的響應性就越差。（3）壓力檢測性爆震傳感器（墊圈形缸內(nèi)壓力傳感器）4、爆震傳感器的應用點火時間：在發(fā)生爆震時，使點火時間延遲，這種傳感器的響應性好，效果好，系統(tǒng)的能力與效率的對比評價高；空燃比：將空燃比加濃到不發(fā)生爆震的程度，但對油耗有一定的影響；發(fā)動機的負荷：降低增壓壓力，但對響應性能及運轉(zhuǎn)性能有一定影響（1）爆震的控制點火時間控制方式：發(fā)動機的點火時間是在滿足車輛的排放、油耗、運轉(zhuǎn)性能等特性要求下設定的。①車輛/發(fā)動機點火時間的設定②爆震界限與爆震控制爆震控制系統(tǒng)，就是在設定余量時，盡量將其控制在最小的程度，并在可能發(fā)生爆震的條件下，總是將點火時間設定在界限值附近。③爆震反饋控制（2）爆震的判斷①比較電平(標準電壓)的決定傳感器的輸出振幅隨轉(zhuǎn)速的不同有很大的變化，在判斷是否屬于是容許界限內(nèi)的爆震時，不檢測傳感器輸出電壓的絕對值，一般采取的是比較法，將無爆震時的傳感器輸出電壓與有爆震時的輸出電壓加以比較。比較電平：將傳感器的輸出信號簡單地加以平均，之后再乘以常數(shù)倍就可以形成比較電平。②爆震強度的判定爆震很強時，積分值V1較高，爆震較弱時積分值V1較小，將V1與預先確定的數(shù)值VR相比，當積分值超過VR時就可判斷：發(fā)生了爆震。10.5寬頻帶防爆震傳感器爆震的檢測頻帶比較窄，對不同的發(fā)動機之間以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化時，無法采取有效措施；傳感器的元件容量比較小，并且微機側的輸入阻抗比較高，抗干擾能力差；部件數(shù)量多，不利于生產(chǎn)與降低成本。老式爆震傳感器的不足：優(yōu)勢：通過減低共振增益的辦法擴大傳感器的爆震檢測頻帶寬度；通過降低阻抗提高信噪比；通過采用壓電共振型傳感器方式簡化傳感器的結構。1、基本分析在傳感器的輸出端子上并聯(lián)電阻R，即通過降低共振增益的辦法可以擴展壓電共振傳感器的檢測頻帶。要減小Q，就要增大r+rn在R=1/ω0C時rn（Rn）為極大值。為此需要滿足兩個條件：增大力系數(shù)N；使電阻R約等于1/ω0C。圓盤中心固定形的爆震傳感器的頻帶擴展狀況最好。使力系數(shù)達到最大值的條件是：h1：h2=1：1;a：b=1.414：1.2、對防爆震傳感器的分析從分析可知，使增益為最小值的條件是：一是負荷阻抗RL=1/ω0C，二是增大力系數(shù)N。（1）降低共振增益①關于負荷電阻R的分析②對提高力系數(shù)N條件的分析提高力系數(shù)N的條件，就是能夠?qū)崿F(xiàn)電與機械的高效率變換。前述最佳值為：壓電圓盤固定形結構的壓電元件與振動板厚度之比為1：1，壓電元件直徑與振動板直徑之比為1：√2。（2）減輕副共振在設計時，是將振動板系統(tǒng)（包括粘接到壓電元件）設計成對稱形狀，在生產(chǎn)過程中，還會造成微小的非對稱，究其原因是振動板落料時的翹曲及焊接到板底上時造成的翹曲而形成的，這也是發(fā)生副共振的原因。（3）傳感器結構（4）與老式傳感器的對比3、發(fā)動機上的爆震控制分析（1）頻帶展寬提高了爆震控制性能（2）副共振的影響在爆震頻率附近發(fā)生的副爆震將使爆震時的傳感器輸出下降，也會造成S/N值下降。當在爆震頻率帶之外處發(fā)生副共振時，將造成雜音輸出增大，S/N值下降。①表現(xiàn)②評價參數(shù)K爆震控制性能的標志是看以適當參數(shù)下的K值的適應寬度，K值是為確定爆震判斷電平的常數(shù)。K值適合區(qū)域?qū)挼谋鹂刂菩阅芎?。發(fā)生副共振的傳感器，很明顯其適合范圍變窄。K值適合范圍的寬裕度=試驗傳感器的K值適合范圍/無副共振傳感器的K值適合范圍×100%副共振的高度越高，K值適合范圍的富裕量就越小，爆震控制性能就越差。4、優(yōu)良的抗干擾性能因為元件的電容量C0大，傳感器高頻范圍的輸出阻抗小，所以可減小迭加在信號線上的靜電耦合干擾；因為元件的電容量大，所以傳感器的負荷輸出特性穩(wěn)定，即信號線容抗引起的輸出變化比較??；因為并聯(lián)了阻尼電阻以減低Q值，所以可減小微機的輸入阻抗，從而可以把微機輸入端所產(chǎn)生的干擾電平控制在