第九章汽車用傳感器原理

第九章汽車用傳感器原理第1頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三學(xué)習(xí)要求了解傳感器的概念和分類，掌握電感式進(jìn)氣壓力傳感器、差動(dòng)變壓器式進(jìn)氣壓力傳感器、電容式進(jìn)氣壓力傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，了解銅熱電阻傳感器和熱敏電阻傳感器的工作原理，了解翼片式空氣流量傳感器、卡曼渦旋式空氣流量傳感器、熱式空氣流量傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握電磁式轉(zhuǎn)速傳感器和霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理，了解壓電式爆燃傳感器工作原理，了解傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)和處理方法，了解傳感器常用接口電路的工作原理。第2頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三世界是由物質(zhì)組成的，根據(jù)物質(zhì)的電特性，可分為電量和非電量?jī)煞N。電量一般是指物理學(xué)中的電學(xué)量，例如電壓、電流、電感和電容等；非電量則是指除電量之外的一些參數(shù)，例如壓力、流量、重量、速度及酸堿度等。非電量的測(cè)量不能直接使用一般的電工儀表和電子儀器測(cè)量，因?yàn)橐话愕碾姽x表和電子儀器只能測(cè)量電量，要求輸入的信號(hào)為電信號(hào)。非電量需要轉(zhuǎn)換成與非電量有一定關(guān)系的電量，再進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換技術(shù)的器件被稱為傳感器。

第3頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三現(xiàn)代汽車電子控制中，傳感器廣泛應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤和車身的各個(gè)系統(tǒng)中。汽車傳感器在這些系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著信息的采集和傳輸?shù)墓τ茫杉男畔⒂蒃CU進(jìn)行處理后，形成向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，進(jìn)行電子控制。各個(gè)系統(tǒng)的控制過(guò)程正是依靠傳感器及時(shí)識(shí)別外界的變化和系統(tǒng)本身的變化，再根據(jù)變化的信息去控制系統(tǒng)本身的工作的。因此汽車傳感器在汽車電子控制和自診斷系統(tǒng)中是非常重要的裝置。第4頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

第一節(jié)傳感器概述第5頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、傳感器概念人類獲取的外界信息是依靠人的感覺器官感受的。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，也需要獲取外界信息，這些需要依靠相當(dāng)于人的感覺器官的傳感器來(lái)完成。圖9-1表示了人體與自動(dòng)控制系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖9-1人體系統(tǒng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系第6頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

依照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665—1987），傳感器是能感受被測(cè)物理量，并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成，如圖9-1所示。其中敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。轉(zhuǎn)換電路的作用是把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)變換為便于處理、顯示、記錄和控制的可用電信號(hào)。

圖9-2傳感器的組成框圖第7頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、傳感器的分類傳感器的種類繁多，分類方法也很多，但目前一般采用兩種分類方法；一種是按傳感器的工作原理分類，另一種是按被測(cè)參數(shù)分類。

1.按傳感器工作原理分類這種分類方法是以工作原理劃分，將物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的原理、規(guī)律和效應(yīng)作為分類的依據(jù)。這種子分類法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)傳感器的工作原理表達(dá)比較清楚，而且類別少，有利于傳感器專業(yè)工作者對(duì)傳感器進(jìn)行深入研究分析。其缺點(diǎn)是不便于使用者根據(jù)用途選用，其劃分見表9—1。第8頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

表9—1按傳感器的工作原理分類序號(hào)工作原理序號(hào)工作原理1電阻式8光電式2電感式9諧振式3電容式10霍爾式4阻抗式11超聲波式5磁電式12同位素式6熱電式13電化學(xué)式7壓電式14微波式第9頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、電路組成2.按被測(cè)物理量分類這一種分類方法是根據(jù)測(cè)量的性質(zhì)進(jìn)行類，它把種類繁多的被測(cè)量分為基本被測(cè)量和派生被測(cè)量?jī)煞N。例如力可視為基本被測(cè)量，從力可派生出壓力、重量、應(yīng)力和力矩等派生被測(cè)量。當(dāng)需要測(cè)量這些被測(cè)量時(shí)，只要采用力傳感器就可以了。常見的非電基本被測(cè)量和派生被測(cè)量及其所對(duì)應(yīng)的汽車用傳感器檢測(cè)量或檢測(cè)對(duì)象，如表9—2所示。這種分類方法的優(yōu)點(diǎn)是比較明確地表達(dá)了傳感器的用途，便于使用者根據(jù)其用途用。其缺點(diǎn)是沒有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機(jī)理上有何共性和差異，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。

第10頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三基本被測(cè)量派生被測(cè)量汽車用傳感器檢測(cè)量或檢測(cè)對(duì)象位移線位移長(zhǎng)度、厚度、振動(dòng)車輛高度角位移旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動(dòng)節(jié)氣門開度、廢氣再循環(huán)閥開度速度線速度速度、振動(dòng)、流量車速、吸入空氣量、燃料流量、廢氣再循環(huán)量、角速度轉(zhuǎn)速、角振動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)速、曲軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車輪速度加速度線加速度振動(dòng)、沖擊、質(zhì)量加速度角加速度角振動(dòng)、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量力壓力重量、應(yīng)力、力矩進(jìn)氣歧管壓力、大氣壓力、燃燒壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力、自動(dòng)變速器油壓、制動(dòng)壓力、各種泵壓、輪胎壓力時(shí)間頻率周期、計(jì)數(shù)、統(tǒng)計(jì)分布溫度熱容、氣體速度、渦流冷卻液、排出氣體、吸入空氣、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油、自動(dòng)變速器油。光光通量與密度、光譜分布日照、光照濕度水氣、水分、露點(diǎn)濕度表9—2按基本被測(cè)量和派生被測(cè)量分類第11頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、汽車傳感器的性能要求1、好的環(huán)境適應(yīng)性。因?yàn)槠囀窃诃h(huán)境溫度變化范圍較寬（—40～80OC），道路表面優(yōu)劣程度相差較大，烈日、暴雨或冰雪天氣造成溫度懸殊，有時(shí)甚至在強(qiáng)大的電磁場(chǎng)的情況下工作的，因此要求耐振、耐水、耐溫、耐沖擊、抗電磁干擾等。

第12頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、批量生產(chǎn)性。為了使傳感器用在適合于一般用戶購(gòu)買力的成本而生產(chǎn)的汽車上，必須要求傳感器具有批量生產(chǎn)的可能性，換句話說(shuō)，汽車傳感器在保障其性能的基礎(chǔ)上，成本盡可能低，而且通過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)整就能更換。3、可靠性。同一般傳感器一樣，汽車傳感器的可靠性應(yīng)是最重要，并且穩(wěn)定性要好。4、盡可能小型、質(zhì)量輕、便于安裝。5、符合有關(guān)法規(guī)的要求。第13頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)汽車常用傳感器原理第14頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三傳感器作為現(xiàn)代汽車上電子控制系統(tǒng)的重要組成部分，它擔(dān)負(fù)著發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射、電子點(diǎn)火、怠速控制、進(jìn)氣控制、廢氣再循環(huán)、蒸汽回收及底盤部分的傳動(dòng)、行駛、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、電子懸架和車身部分的防盜、中央門鎖、自動(dòng)空調(diào)等汽車各大電子控制系統(tǒng)的信息采集和傳輸，是電子控制系統(tǒng)中非常重要的元件。因此學(xué)習(xí)好汽車傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理對(duì)于掌握現(xiàn)代汽車維修技術(shù)有著重要的意義。本節(jié)就汽車常用傳感器的基本原理進(jìn)行闡述。一、進(jìn)氣壓力傳感器原理第15頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三進(jìn)氣壓力傳感器一般安裝在節(jié)氣門后部的進(jìn)氣岐管上，節(jié)氣門前部與大氣相通，進(jìn)氣壓力為大氣壓，而其后部的氣壓為負(fù)壓。節(jié)氣門的前后部均有進(jìn)氣管與附加空氣閥相通。進(jìn)氣壓力傳感器的作用是將進(jìn)氣管道中的氣體壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并送給電子控制裝置，再由電子控制裝置控制電動(dòng)噴油器噴油時(shí)間的長(zhǎng)短。1、電感式進(jìn)氣壓力傳感器圖9-3所示是變隙電感式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它由膜盒、鐵心、銜鐵及線圈等組成，銜鐵與膜盒的上端連在一起。第16頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、電路的基本物理量

圖9-3變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

第17頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、電物理量為鐵心與銜鐵的初始?xì)庀逗穸?，P代表進(jìn)氣歧管的氣壓，氣壓作用在膜盒腔內(nèi)側(cè)。當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，膜盒的頂端在壓力P和大氣壓共同作用下產(chǎn)生壓力差，使膜盒發(fā)生彈性變形，膜盒的頂端產(chǎn)生位移。膜盒的頂端發(fā)生位移大小與壓力差成正比，銜鐵就被膜盒帶動(dòng)產(chǎn)生移位，使氣隙厚度發(fā)生變化，那么氣隙的磁阻發(fā)生相應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致電感的變化，引起流過(guò)線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，這樣電流表指示值就反映了被測(cè)壓力的大小。2、差動(dòng)變壓器式進(jìn)氣壓力傳感器如圖9-4所示，為差動(dòng)變壓器的工作原理圖。將交流電壓u1加到變壓器初級(jí)繞組上，因?yàn)榇┻^(guò)銜鐵T的磁通發(fā)生變化，在兩個(gè)反向串聯(lián)的次級(jí)繞組上就會(huì)產(chǎn)生電壓u2和u2′。第18頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、電路的基本物理量如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，當(dāng)活動(dòng)銜鐵T處于初始平衡位置時(shí)，由于變壓器兩個(gè)二次繞組反向串聯(lián)，差動(dòng)變壓器的輸出電壓為零。當(dāng)銜鐵T偏離中心位置時(shí)，u2與u2′不再相等，二者在電阻R0上有一差值u3，u3的高低與銜鐵T移動(dòng)距離成正比。圖9-4差動(dòng)變壓器的工作原理圖第19頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三差動(dòng)變壓器和彈性敏感元件膜盒相結(jié)合，就可以組成差動(dòng)變壓器式進(jìn)氣壓力傳感器。當(dāng)進(jìn)氣氣壓進(jìn)入膜盒時(shí)，就會(huì)使膜盒受壓變形，從而使得銜鐵T產(chǎn)生的位移，導(dǎo)致差動(dòng)變壓器輸出與氣壓成正比的電壓信號(hào)并輸入到ECU中，如果是按電壓高低確定噴射時(shí)間并使噴嘴工作的話，也就確定了基本噴油量。3、電容式進(jìn)氣壓力傳感器一個(gè)平行板電容器，如果不考慮其邊緣效應(yīng)，則電容器的容量為

（9-1）

第20頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖9-5電容式進(jìn)氣壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖及等效電路（a）電容式進(jìn)氣壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖（b）等效電路第21頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三上式中，為電容器極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；S為兩平行板所覆蓋的面積；d為兩平行板之間的距離。由式（9-1）可知，當(dāng)參數(shù)、S、d中的某一項(xiàng)或某幾項(xiàng)發(fā)生變化時(shí)，電容C就發(fā)生變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變第三個(gè)參數(shù)，就可以將該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。這樣，在實(shí)際應(yīng)用中我們就可以利用電容量C的變化來(lái)進(jìn)行某些物理量的測(cè)量。如圖9-5（a）所示是電容式進(jìn)氣壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、能測(cè)微小壓差。它是由兩個(gè)玻璃圓盤和一個(gè)金屬（不銹鋼）膜片組成。兩玻璃圓盤上的凹面上各鍍以金作為電容式傳感器的兩個(gè)固定極板，而夾在兩凹圓盤中的膜片則為傳感器的可動(dòng)電極，從而形成傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容C1、C2，其等效電路如圖9-5（b）所示。第22頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三當(dāng)兩邊壓力p0、p1相等時(shí)，膜片處在中間位置與左、右固定電容間距相等，因此兩個(gè)電容相等。當(dāng)節(jié)氣門開啟時(shí)，進(jìn)氣歧管內(nèi)氣體的壓力p1增加，而p0不變，膜片彎向p0側(cè)，那么兩個(gè)差動(dòng)電容一個(gè)增大，一個(gè)減小，且變化量大小相同；當(dāng)壓差反向時(shí)，差動(dòng)電容變化量也反向。上圖中如果右側(cè)為真空，p1的值則為絕對(duì)壓力。用電路將這種變化進(jìn)轉(zhuǎn)換及放大，便可獲得與壓力差成比例的直流電壓輸出。

二、溫度傳感器原理現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)變速器和空調(diào)等系統(tǒng)均使用溫度傳感器，它們用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度、自動(dòng)變速器油溫度、空調(diào)系統(tǒng)環(huán)境溫度等，為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射、自動(dòng)變速器的換檔、離合器鎖定、油壓控制以及空調(diào)自動(dòng)控制提供了重要依據(jù)。第23頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三汽車上實(shí)際應(yīng)用的溫度傳感器主要有繞組電阻式、熱敏電阻式和熱電偶三種。面以銅熱電阻傳感器和汽車常用的熱敏電阻傳感器為例講述其工作原理。第24頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1、銅熱電阻傳感器銅熱電阻傳感器是金屬熱電阻傳感器常用的一種，它是利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。最基本的銅熱電阻傳感器由銅熱電阻，連接導(dǎo)線及顯示儀表組成，如圖9-6所示，它可以用來(lái)測(cè)量—50～150OC范圍內(nèi)的溫度。圖9-6金屬熱電阻傳感器測(cè)量示意圖

第25頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三銅電阻與溫度間的關(guān)系為

(9-2)式中，是溫度為t時(shí)的銅電阻值；是溫度為時(shí)銅電阻值；是常數(shù)，。銅熱電阻傳感器是由電阻體、絕緣管、保護(hù)套管、引線和接線盒等組成，如圖9-7所示

圖9-7銅熱電阻傳感器結(jié)構(gòu)第26頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(a)熱電阻傳感器結(jié)構(gòu)(b)電阻體結(jié)構(gòu)1—銅熱電阻體2—不銹鋼套管3—安裝固定件4—接線盒5—瓷絕緣套管6—引線口7—引線端8—保護(hù)膜9—電阻絲10—心柱熱電阻傳感器外接引線如果較長(zhǎng)時(shí)，引線電阻的變化會(huì)使測(cè)量結(jié)果有較大誤差，為減小誤差，可采用三線式電橋連接法測(cè)量電路或四線電阻測(cè)量電路，具體可參考相關(guān)資料。2、熱敏電阻傳感器熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的感溫元件。通常采用重金屬氧化物錳、鈦、鈷等材料，在高溫下燒結(jié)混合而成，其常見結(jié)構(gòu)和表示符號(hào)如圖9-8所示。第27頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三熱敏電阻按照其溫度特性的不同可分為兩大類：負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC和正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC。NTC和PTC熱敏電阻都可以細(xì)分為指數(shù)變化型和

圖9-8熱敏電阻的結(jié)構(gòu)與符號(hào)1—?dú)んw2—熱敏探頭3—引線突變型（又稱為臨界溫度型，英文縮寫CTR）。第28頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（1）熱敏電阻的溫度特性熱敏電阻的溫度特性是指半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度變化而變化的特性。用半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻與金屬熱電阻相比，有如下特點(diǎn)：1）熱敏電阻的溫度系數(shù)值遠(yuǎn)大于金屬熱電阻，所以靈敏度很高。2）同溫度情況下，熱敏電阻阻值遠(yuǎn)大于金屬熱電阻。所以連接導(dǎo)線電阻的影響很小，適用于遠(yuǎn)距離測(cè)量。3）熱敏電阻的阻值與溫度變化呈非線性關(guān)系，其測(cè)量溫度范圍遠(yuǎn)小于金屬熱電阻。（2）負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻用于測(cè)量的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，在較小的溫度范圍內(nèi)，其電阻—溫度特性關(guān)系為：

(9-3)第29頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三上式中—溫度T時(shí)的阻值—溫度（通常指或室溫）時(shí)的阻值B—熱敏電阻材料常數(shù)，常取2000～6000KT—熱力學(xué)溫度負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是一種以過(guò)渡金屬氧化物為主要原材料制造的半導(dǎo)體陶瓷元件，它具有電阻值隨著溫度的變化而相應(yīng)變化的特性。即在一定的功率測(cè)量下，電阻值隨著溫度的上升而下降。利用這一特性，可將負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻應(yīng)用在溫度補(bǔ)償、抑制浪涌電流和溫度測(cè)控等場(chǎng)合。

第30頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、空氣流量傳感器原理車用空氣流量傳感器（或稱空氣流量計(jì)）是用來(lái)直接或間接檢測(cè)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸空氣量大小，并將檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸入電子控制單元ECU。電子控制汽油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)為了在各種運(yùn)轉(zhuǎn)工況下都能獲得最佳濃度的混合氣，必須正確地測(cè)定每一瞬間吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量，以此作為ECU計(jì)算(控制)噴油量的主要依據(jù)。如果空氣流量傳感器或線路出現(xiàn)故障，ECU得不到正確的進(jìn)氣量信號(hào)，就不能正常地進(jìn)行噴油量的控制，將造成混合氣過(guò)濃或過(guò)稀，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不正常。電子控制汽油噴射系統(tǒng)的空氣流量傳感器有多種型式，目前常見的空氣流量傳感器按其結(jié)構(gòu)型式可分為翼片(葉片)式、卡爾曼渦流式、熱膜式等幾種。第31頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1、翼片式空氣流量傳感器圖9-9是翼片式空氣流量計(jì)工作原理圖，該空氣流量傳感器在主進(jìn)氣道內(nèi)安裝有一個(gè)可繞軸旋轉(zhuǎn)的翼片。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，空氣經(jīng)空氣濾清器過(guò)濾清器過(guò)濾后進(jìn)入空氣流量傳感器并推動(dòng)翼片旋轉(zhuǎn)，使其開啟。翼片開啟角度由進(jìn)氣量產(chǎn)生的推力大小和安裝在翼片軸上復(fù)位彈簧彈力的平衡情況決定。當(dāng)駕駛員操縱加速踏板來(lái)改變節(jié)氣門開度時(shí)，進(jìn)氣量增大，進(jìn)氣氣流對(duì)翼片的推力也增大，這時(shí)翼片開啟的角度也增大。在翼片軸上安裝有一個(gè)與翼片同軸旋轉(zhuǎn)的電位計(jì)，這樣在電位計(jì)上滑片的電阻的變化轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。第32頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

當(dāng)空氣量增大時(shí)，其端子VC和VS之間的電阻值減小，兩端子之間輸出的信號(hào)電壓降低；當(dāng)進(jìn)氣量減小時(shí)，進(jìn)氣氣流對(duì)翼片的推力減小，推力克服彈簧彈力使翼片偏轉(zhuǎn)的角度也減小，端子VC與VS之間的電阻值增大，使兩端子間輸圖9-9翼片式空氣流量計(jì)工作原理第33頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三出的信號(hào)電壓升高。ECU通過(guò)變化的信號(hào)電壓控制發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油和點(diǎn)火時(shí)間。2、卡曼渦旋式空氣流量傳感器為了克服動(dòng)片式空氣流量傳感器的缺點(diǎn)，即在保證測(cè)量精度的前提下，擴(kuò)展測(cè)量范圍、并且取消滑動(dòng)觸點(diǎn)，人們又開發(fā)出小型輕巧的空氣流量傳感器，即卡曼渦旋式空氣流量傳感器。野外的架空電線被風(fēng)吹時(shí)會(huì)嗡嗡發(fā)出聲響，風(fēng)速越高聲音頻率越高，這是因氣流流過(guò)電線后形成渦旋所致，液體、氣體等流體中均會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象，利用這一現(xiàn)象可以制成渦旋式流量傳感器。在管道里設(shè)置柱狀物，使流體流過(guò)柱狀物之后形成兩列渦旋，根據(jù)渦旋出現(xiàn)的頻率就可以測(cè)量流量。因?yàn)闇u旋呈兩列平行狀，并且交替出現(xiàn)，與街道兩旁的路燈類似，所以有“渦街”之稱。因?yàn)檫@種現(xiàn)象首先為卡曼發(fā)現(xiàn)，所以也稱為卡曼渦街。第34頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖9-10卡曼渦街原理圖(a)卡曼渦街形成圖(b)渦流發(fā)生體(c)f與v關(guān)系圖

如圖9-10(a)所示在流動(dòng)的流體中放入一個(gè)非流線形的對(duì)稱形狀的物體，則在其下游會(huì)出現(xiàn)很規(guī)律的卡曼渦街當(dāng)渦街穩(wěn)定時(shí)，渦街發(fā)生頻率（單側(cè)）和流速這間有如下關(guān)系：

（9-4）第35頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三式中為頻率；為流速；為旋渦發(fā)生體寬度；為無(wú)量綱數(shù)，在旋渦發(fā)生體形狀確定后，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)為常數(shù)，稱為斯特勞哈爾數(shù)。由式（9-4）可知，流速與頻率成正比，測(cè)出旋渦的發(fā)生頻率，便可測(cè)得流量，利用這種原理制成的流量計(jì)稱為旋渦流量計(jì)或渦街流量計(jì)。例如運(yùn)用光學(xué)、超聲波可以檢測(cè)流場(chǎng)內(nèi)局部速度或壓力的變化獲得渦街頻率，制成卡曼渦旋式空氣流量傳感器。3、熱式空氣流量傳感器20世紀(jì)80年代后生產(chǎn)的日本日產(chǎn)公爵轎車和美國(guó)福特車系轎車多采用熱式空氣流量傳感器。熱式空氣流量傳感器的主要元件是熱線電阻，可分為熱線式和熱膜式兩種類型，其結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。下面以熱線式空氣流量傳感器為例進(jìn)行闡述。第36頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖9-11熱線式空氣流量傳感器工作原理圖第37頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三熱線式空氣流量傳感器的工作原理如圖9-11所示。安裝在控制電路板上的精密電阻RA和RB與熱線電阻RH及和溫度補(bǔ)償電阻RK組成惠斯登電橋電路。當(dāng)空氣流經(jīng)熱線電阻RH時(shí)，使熱線溫度降低，熱線電阻值減小，則RA分壓增高，a點(diǎn)電位升高,運(yùn)算放大器A的同相端電位也就升高，于是運(yùn)算放大器的輸出電壓U0升高（即b點(diǎn)的電壓升高），這就使得橋體的電流增加；其作用一是補(bǔ)償RH的電流，使其不至于因空氣流量增加造成溫度過(guò)低，二是可使RA的分壓進(jìn)一步升高，增加信號(hào)電壓U0的值，增強(qiáng)了測(cè)量電路的靈敏度。反之，過(guò)程與上述相反。流經(jīng)熱線的空氣量不同，熱線的溫度變化量不同，熱線電阻的變化量也就不同。控制電路將電阻RA兩端變化的電壓輸送給ECU，便可計(jì)算出進(jìn)氣量。第38頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四、轉(zhuǎn)速傳感器原理1、電磁式轉(zhuǎn)速傳感器原理圖9-12電磁式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理及輸出波形圖第39頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖9-12（a）為電磁式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理圖，它由永久磁鐵、感應(yīng)線圈、信號(hào)盤等組成。在信號(hào)盤上加工有齒形凸起，信號(hào)盤裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)盤的凸凹齒形將引起信號(hào)盤與永久磁鐵間氣隙大小的變化，從而使永久磁鐵組成的磁路中磁通量隨之發(fā)生變化。磁路通過(guò)感應(yīng)線圈，當(dāng)磁通量發(fā)生突變時(shí)，感應(yīng)線圈會(huì)感應(yīng)出一定幅度的脈沖電勢(shì)，其頻率為：f=zn(9-5)式（9-5）中，z為信號(hào)盤的齒數(shù)；n為信號(hào)盤的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/秒）。由上式可知，轉(zhuǎn)數(shù)越大，感應(yīng)線圈感應(yīng)的脈沖電勢(shì)的頻率就越高，如圖9-12(b)所示。如果將這些脈沖電壓信號(hào)輸入發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，通過(guò)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)脈沖電壓的數(shù)目，即可確定發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。2、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器原理

第40頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（1）霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)是由美國(guó)科學(xué)家霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的，其原理如圖9-13所示。將霍爾元件（如電子導(dǎo)電型半導(dǎo)體基片）置于磁場(chǎng)中，并通入一個(gè)垂直于磁場(chǎng)方向的電流，在磁場(chǎng)的作用下，電子將受到一個(gè)力F的作用，這個(gè)力就是洛侖茲力，大小為（9-6）

上式中，e為電子電荷；v為電子運(yùn)動(dòng)平均速度；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

第41頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三由于導(dǎo)電體上底面積累電子，而下底面積累正電荷，從而在垂直于磁場(chǎng)和電流方向的霍爾元件的橫向兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度乘積成正比的電壓，我們把這種現(xiàn)象稱之為霍爾效應(yīng)，這個(gè)電壓稱之為霍爾電壓，其大小表示為：

（9-7）第42頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

式中,UH為霍爾電壓；RH為霍爾系數(shù)；d是半導(dǎo)體基片的厚度；I為通過(guò)霍爾基片的電流；B是通過(guò)霍爾基片的磁感應(yīng)強(qiáng)度。由式（9-7）可知，當(dāng)電流I為定值時(shí)，霍爾電壓RH隨磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小而變化。圖9-13霍爾效應(yīng)與霍爾元件圖(a)霍爾效應(yīng)(b)霍爾元件圖形符號(hào)(c)霍爾元件外形第43頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器圖9-14是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過(guò)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目的多少?zèng)Q定了傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。圖9-14幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器1—輸入軸2—轉(zhuǎn)盤3—小磁鐵4—霍爾傳感器第44頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

上述三種結(jié)構(gòu)的霍爾轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生霍爾電壓頻率為：

(9-8)上式中，f為霍爾電壓頻率；z為齒輪齒數(shù)；n為轉(zhuǎn)速。

五、壓電式爆燃傳感器壓電傳感器在力的測(cè)量中應(yīng)用也十分廣泛。某些晶體受一定方向外力作用而發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，相應(yīng)地在一定的晶體表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，外力去掉后，電荷消失。力的方向改變時(shí)，電荷的符號(hào)也隨之改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的晶體稱為壓電晶體。下面以石英晶體為例講述壓電元件的工作原理。第45頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖9-15石英晶體結(jié)構(gòu)及壓電效應(yīng)(a)石英晶體結(jié)構(gòu)(b)軸施加壓力(c)軸施加拉伸力(d)軸施加壓力(e)軸施加拉伸力通常情況下，晶格上的正、負(fù)電荷中心重合，表面呈電中性。當(dāng)在x軸向施加壓力時(shí)，如圖9-15(b)所示，各晶格上的帶電粒子均產(chǎn)生相對(duì)位移，正電荷中心向B面移動(dòng)，負(fù)電荷中心向A面移動(dòng)，因而B面呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。當(dāng)在x軸向施加拉伸力時(shí)，如圖9-15(c)所示，晶格上的粒子均沿x軸向外產(chǎn)生位移，但硅離子和氧離子向外位移大，正負(fù)電荷中心拉開，B面呈現(xiàn)負(fù)電荷，A面呈現(xiàn)正電荷。在y方向施加壓力時(shí)，如圖9-15(d)所示，晶格離子沿y軸被向內(nèi)壓縮，A面呈現(xiàn)正電荷，B面呈現(xiàn)負(fù)電荷。沿y軸施加拉伸力時(shí)，如圖9-15(e)所示，晶格離子在y向被拉長(zhǎng)，x向縮短，B面呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。第46頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三壓電式爆燃傳感器就是利用壓電元件的壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的，在每缸火花塞的墊圈部位各裝上一個(gè)壓電元件，根據(jù)燃燒壓力直接檢測(cè)爆燃信息，并將壓力轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)輸入ECU，進(jìn)行計(jì)算后控制點(diǎn)火時(shí)刻。六、傳感器接口電路1、傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)和處理方法傳感器種類繁多，傳感器輸出信號(hào)形式也是各式各樣的，其輸出信號(hào)特點(diǎn)如下：1）傳感器的輸出信號(hào)一般都比較微弱。有的傳感器的輸出電壓最小只有0.1V；2）傳感器的輸出阻抗都比較高。這樣會(huì)使傳感器輸出信號(hào)輸入到測(cè)量電路時(shí)，產(chǎn)生較大的信號(hào)衰減；3）傳感器的輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍很寬。輸出信號(hào)隨著輸入物理量的變化而變化，但不一定是線性比例關(guān)系。第47頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)，采取不同的信號(hào)處理方法來(lái)提高測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度和線性度，這正是傳感器信號(hào)處理的主要目的。傳感器在測(cè)量過(guò)程中常摻雜許多噪聲信號(hào)，它會(huì)直接影響測(cè)量系統(tǒng)的精度。因此抑制噪聲也是傳感器信號(hào)處理的重要內(nèi)容。傳感器輸出信號(hào)的處理主要由傳感器接口電路完成。因此，傳感器接口電路應(yīng)具有一定的信號(hào)預(yù)處理功能，經(jīng)預(yù)處理后的信號(hào)，應(yīng)成為可供測(cè)量、控制及便于向微機(jī)輸入的信號(hào)形式。接口電路對(duì)不同的傳感器是不同的。

第48頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、常用電路（1）直流電橋電路直流電橋的基本電路如圖9-16所示。它是由直流電源供電的電橋電路，電阻和構(gòu)成橋式電路的橋臂。橋路的一對(duì)角線是輸出端，一般接有高輸入阻抗的放大器，因此可以把電橋的輸出端看成是開路，電路不受負(fù)載電阻的影響。在電橋的另一對(duì)角線接點(diǎn)上加有直流電壓，電橋的輸出電壓可由下式給出，即第49頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

(9-9)電橋的平衡條件為：

(9-10)當(dāng)電橋平衡時(shí)，輸出電壓為零。

當(dāng)電橋四個(gè)臂的電阻發(fā)生變化而產(chǎn)生增量、、、時(shí)，電橋的

圖9-16直流電橋的基本電路

第50頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三平衡被打破，電橋此時(shí)的輸出電壓為

（9-11）如果，則電橋電路被稱為四等臂電橋，此時(shí)輸出靈敏度最高，非線性誤差最小，傳感器在實(shí)際應(yīng)用中多采用四等臂電橋，其輸出電壓為

（9-12）（2）交流電橋電路如圖所示9-17為交流電橋式電路，其中變壓器T的輸出為雙，和為阻抗元件，它們同時(shí)可以為電感或電容，電橋兩臂為差動(dòng)方式，又稱為差動(dòng)交流電橋。在初始狀態(tài)時(shí)，，電橋平衡，輸出電壓。測(cè)量時(shí)，一個(gè)元件的阻抗增加，另一個(gè)元件的阻抗減小，假定

，，則電橋的輸出電壓為第51頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（9-13）如果假定則電橋的輸出電壓為（9-14)

圖9-17電感式傳感器配用的交流電橋電路，，

第52頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（3）傳感器與放大電路配接的示例圖9-18所示是應(yīng)變片式傳感器與測(cè)量電橋配接的放大電路。應(yīng)變片式傳感器作為電橋的一個(gè)橋臂，在電橋的輸出端接入一個(gè)輸入阻抗高、共模抑制作用好的放大電路。當(dāng)被測(cè)物理量引起應(yīng)變片電阻變化時(shí)，電橋的輸出電壓也隨之改變，以實(shí)現(xiàn)被測(cè)物理量和電壓之間的轉(zhuǎn)換，在一般情況下，電橋的輸出電壓為毫伏數(shù)量級(jí)，因此必須加接放大電路。和是兩個(gè)同相放大器，為差動(dòng)放大器。當(dāng)電橋產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)放大器放大后，它們的輸出電壓將作為差動(dòng)輸入信號(hào)給進(jìn)行放大。放大電路的輸出電壓為(9-15)第53頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖9-18應(yīng)變片式傳感器與測(cè)量電橋配接的放大電路

應(yīng)該指出，差動(dòng)放大器的四個(gè)電