传感器与执行器

传感器与执行器一、传感器概述传感器的概念：指能感受规定的物理量，并按照一定规律转换成可用输信号的器件或装置。简单的说，传感器即使把非电量转换成电量的装置。汽车传感器的工作条件极为恶劣，因此，传感器能否精确可靠地工作至关重要。在该领域中，理论研究及材料应用发展迅速，半导体和金属膜技术研究及材料应用技术发展迅速，半导体和金属膜技术、陶瓷烧结技术等得到迅猛发展。智能化、集成化和数字化将是传感器的未来发展趋势。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，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。比如后面要讲到的热线式空气流量计。传感器的种类比较多，像我们一般碰到的传感器一般有：温度传感器（冷却水温度传感器THW，进气温度传感器THA）；流量传感器（空气流量传感器，燃油流量传感器）；进气压力传感器MAP节气门位置传感器TPS发动机转速传感器车速传感器SPD曲轴位置传感器（点火正时传感器）氧传感器爆震传感器（KNK）传感器的特征参数也有很多，且不同类型的传感器，其特征参数的定义和要求也各有差异。下面我们来介绍一些主要的、通用的静态特性参数指标的定义。1、灵敏度概念：灵敏度是指温态时传感器输出量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。灵敏度用K表示为K=dy/dx，线性传感器的灵敏度为一常数，而非线性的传感器的灵敏度是随输入量变化的。2、分辨率概念：传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的昀小变化量。由于分辨率要受到嘈声的限制，我们就用相当于嘈声电平N若干倍C的被测量表示分辨率，即M=CN/K，式中，M为昀小检测量；C取1-5。3、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。上限值与下限值之差称为量程。4、线性度（非线性误差）在规定的条件下，传感器校准曲线与拟和直线间的昀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。5、迟滞迟滞是指在相同的条件下，传感器的正行程特性与反行程特性的不一致程度。6、重复性重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变化多次所得特性曲线的不一致性。7、零漂和温漂零漂是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昀大偏差与满量程的百分比。温漂是指温度每升高1度，传感器输出值的昀大偏差与满量程的百分比。二、空气流量传感器为了形成符合要求的混合气，使空燃比达到昀佳值，我们就必须对发动机进气空气流量进行精确控制。下面我们来介绍一下几种常用的空气流量传感器。1、风门式空气流量计这种空气流量计安装在空气滤清器和节气门之间。作用：检测吸入空气量的多少，并把检测结果转换成电信号。组成：风门式空气流量计由两大部分组成，一是担任检测任务的风门部分（看图2-4a），二是担任转换任务的电位计（看图2-4b）。节气门与电位计之间的关系图由图2-4a可知，空气流量计的风门部分由测量叶片、缓冲叶片及壳体组成。测量叶片随空气流量的变化在空气主通道内偏转。电位计部分主要由电位计、回位弹簧、调整齿圈等组成。由节气门与电位计之间的关系图可知，风门式空气流量计是根据空气流动产生的压力差将风门叶片推开的原理进行工作的。而电位计与风门叶片是同轴的，所以当叶片偏转时，电位计滑臂必然转动。由于转轴一端装有螺旋回位弹簧，当其弹力与吸入空气流量对测量叶片产生的推力平衡时，风门叶片就会处于某一个稳定偏转位置，而电位计滑臂也处于镀膜电阻的某一对应位置。如下图是叶片式空气流量计的检测图，蓄电池的电压经主继电器加到空气流量计的VB端子上，Vc端子的电压加到电子控制器上，其值是由VB与Vc间的电阻、Vc与E2之间的电阻来决定的，当然Vc端子的电阻稍稍要低于VB端子的电压，且大致为一定值。VS端子的电压随动触点的移动而变化。也就是说，风门叶片的开度大时，VS端子的电压升高；当开度减少时，VS端子的电压下降。VS端子电压是理解空气流量计时的一个重要数据。电子控制器根据Vc端子电压和VS端子电压之差与蓄电池VB端子电压比来求得进气量，见下式Q=K（Vc-VS）/VB，式中Q为进气量，K为系数，Vc、VS、VB分别是Vc、VS、VB的端子电压。THAE1FcE2VBVCVS搭铁油泵开关传感器电瓶电压基准电压信号电压空气温度电压搭铁叶片式空气流量计的检测1、燃油泵控制触点2、电位器（可变电阻）3、固定电阻Q—热敏电阻（进气温度电阻传感器）风门开度的大小与电压Vc、VS与VB之间的关系，大致可以如下图所示。在丰田1G-EU型发动机上，电子控制器的VB-E2间的电压约为12V，VC-E2之间的电压为8-9V。在风门全闭时，VS-E2间的电压约为1.7V。在风门全开时，VS-E2间的电压约为6.5V。VC-E2曲线与VS-E2曲线之间的距离越短，风门开度越大。下面我们在对空气流量计的各部位加以说明，我们来看书上图2-4a。在图中空气流量计叶片下侧还有一个旁通空气通道。当主空气道内的节流阀将主空气通道几乎全闭时，允许有少量的空气由此流过。在旁通空气道上还设有一个怠速调节螺钉（CO调节螺钉），可以调节通过旁通道的空气量，以调节怠速工况下的混合气浓度。此怠速调节螺钉与节流阀旁通道的怠速调整螺钉的作用是不同的。节流阀旁通道的怠速调整螺钉所调整的是怠速进气量，此进气量是由空气流量计计量过的，调整它可以使进入发动机的混合气增多或减少，从而控制发动机转速，但混合气浓度基本不变。而空气流量计中的旁通道的空气流量计使不由流量计计量的，当此旁通道截面面积变大时，流过叶片的空气量相对变少，也就是经过传感器计量的空气减少，因而就使喷油量减少，从而使混合气变稀。因此，调节此螺钉改变的是混合气浓度，也就是空燃比，从而调节怠速时的废气排放。值得注意的是，此螺钉大多数在出厂时已经铅封，是不可调的。在一些有ISCV（怠速控制阀）的发动机中，没有此螺钉，ECU通过控制ISCV来实现对转速的控制。发动机起动、吸入空气以后，电位计内的燃油泵开关触点闭合，使燃油泵的供电线路接通，燃油泵开始工作。当发动机停止、不吸入空气时，燃油泵触点断开，燃油泵停止工作。即根据风门的工作状态控制燃油泵电源。风门式空气流量计的结构简单、可靠性高，但进气阻力大，响应较慢且体积较大。2、卡门旋涡式空气流量计卡门旋涡式空气流量计的原理图如下：涡流式空气流量传感器是利用超声波或光电信号，通过检测旋涡频率来测量空气流量的一种传感器。众所周知，当野外架空的电线被风吹时，就会发出“嗡、嗡”的声音，且风速越高声音频率越高，这是气体流过电线后形成旋涡（即涡流）所致。液体、气体等流体均会产生这种现象。同样，如果我们在进气道中放置一个涡流发生器，比如说一个柱状物，在空气流过时，在涡流发生器后部将会不断产生如图所示的两列旋转方向相反，并交替出现的旋涡。这个旋涡就称为卡门旋涡。卡门旋涡式空气流量计就是利用这种这种旋涡形成的原理，测量气体流速，并通过流速的测量直接反映空气流量。对于一台具体的卡门旋涡式空气流量计，有如下关系式：qv=kf,qv为体积流量，f为单列旋涡产生的频率，k为比例常数，它与管道直径，柱状物直径等有关。由这个关系式可知，体积流量与卡门涡流传感器的输出频率成正比。利用这个原理，我们只要检测卡门旋涡的频率f，就可以求出空气流量。根据旋涡频率的检测方式的不同，汽车用涡流式空气流量传感器分为超声波检测式和光学式检测式两种。例如，中国大陆进口的丰田凌志LS400型轿车和台湾进口的皇冠3.0型轿车采用了光电检测涡流式空气流量器；日本三菱吉普车、中国长风猎豹吉普车和韩国现代轿车采用了超声波检测涡流式空气流量传感器。（1）光学式卡门旋涡空气流量计光学式卡门旋涡空气流量计的工作原理图可以看书上图2-7。（具体结构可视情况讲述）现代物理学光的粒子说认为，光是一种具有能量的粒子流，当物体受到光照射时，由于吸收了光子能量而产生的效应，称为光电效应。光敏晶体管是一种半导体器件，它的特点就是受到光的照射时，它们都会产生内光电效应的光生伏特现象，从而产生电流。工作原理：在产生卡门旋涡的过程中，旋涡发生器两侧的空气压力会发生变化，通过导孔作用在金属箔上，从而使其振动，发光二极管的光照在振动的金属箔上时，光敏晶体管接收到的金属箔上的反射光是被旋涡调制的光，再由光敏晶体管输出调制过的频率信号，这种频率信号就代表了空气的流量信号。（2）超声波式卡门旋涡式空气流量计超声波是指频率高于20HZ，人耳听不到的机械波。它的特性就是方向性好，穿透力强，遇到杂质或物体分界面会产生显著的反射，譬如自然界里的蝙蝠，鲸鱼等动物都是通过超声波来进行方位定向的。利用这种物理特性，我们可以把一些非电量转换成声学参数，通过压电元件转换成电量。超声波式卡门旋涡式空气流量计的工作原理与光学式卡门旋涡空气流量计的工作原理大致相同，只是光学元件换成了声学元件。在日常生活中，常常会遇到这样的现象，即当顺着风向喊话人时，对方很容易听到；而逆着风向喊人时，对方就不容易听到。这是因为前者的空气流动方向与声波的前进方向相同，声波被加速的结果，而后者是声波受阻而减速的结果。在超声波式流量传感器中，同样存在着这种现象。工作原理是：在旋涡发生器下游管路两侧相对安装超声波发射探头和超声波接收探头，超声波发射探头不断向超声波接收探头发出一定频率（一般为40KHZ）的超声波，当超声波通过进气气流到达超声波接收器时，由于受到气流移动速度及压力变化的影响，因此接收到的超声波信号的相位（时间间隔）以及相位差（时间间隔之差）就会发生变化，集成控制电路根据相位或相位差的变化情况计量出涡流的频率。涡流频率信号输入ECU后，ECU就可以计算出进气量。3、热线式空气流量计构成：我们来看书上的结构图，它的基本构成包括感知空气流量的白金热线、根据进气温度进行修正的温度补偿电阻（冷线）、控制热线电流的控制电路以及壳体等。根据白金热线在壳体内安装部位的不同，可分为安装在空气主通道内的主流测量方式和安装在空气旁通道内的旁通道测量方式。热线式空气流量计是利用空气流过热金属线时的冷却效应工作的。将一根铂丝热线置于进气空气流中，当恒定电流通过铂丝使其加热后，如果流过铂丝周围的空气增加，金属丝温度就会降低。如果要使铂丝的温度保持恒定，就应根据空气量调节热线的电流，空气流量越大，需要的电流越大。下面的图是主流测量方式的热线式空气流量计的工作原理图。其中RH为是直径为0.03-0.05的细铂丝（热线），RK是作为温度补偿的冷线电阻。RA和RA是精密线桥电阻。四个电阻共同组成一个惠斯登电桥。在实际工作中，代表空气流量的加热电流是通过电桥中的RA转换成电压输出的。当空气以恒定流量流过时，电源电压使热线保持在一定温度，此时电桥保持平衡。当有空气流动时，由于RH的热量被空气吸收而变冷，其电阻值发生变化，电桥失去平衡。此时，放大器即增加通过铂丝的电流，直到恢复原来的温度和电阻值，使电桥重新平衡。由于电量的增加，RA的电压增加，这样就在RA上得到了代表空气流量的新的电压输出。进气温度的任何变化都会使电桥失去平衡。为此，在靠近热线的空气流中，设有一个补偿电阻丝（冷线）。冷线补偿电阻的温度起一个参照值的作用。在工作中，放大器会使热线温度高出进气温度100度。热线式空气流量计长期使用，会使热线上积累杂质。为此，在热线式流量计上采用了烧尽措施解决这个难题。每当发动机熄火时，ECU自动接通空气流量计壳体内的电子电路，热线被自动加热，使其温度在1S内升高了1000度。由于烧尽温度必须是非常精确的，因此，在发动机熄火后4S后，该电路才被接通。这种空气流量计由于没有运动部件，因此工作可靠，而且响应特性较好；缺点是在空气流速分布不均匀时误差较大。4、热膜式空气流量计热线式空气流量计虽然可以提供精确的进气空气流量，但造价太高，主要用于高级轿车，为了满足精度高，结构简单，造价又便宜的要求，德国博世公司厚膜工艺，开发出了热膜式空气