汽車傳感器是汽車計算機(jī)系統(tǒng)的輸入裝置,它把汽車運(yùn)行中各種工況信息,如車速、各種介質(zhì)的溫度、發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況等,并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸入信號的器件或裝置。簡單地說,傳感器是把非電量轉(zhuǎn)換成電信號傳遞給ECU,以便汽車處于最佳工作狀態(tài)。
現(xiàn)代汽車電子控制中,傳感器廣泛應(yīng)用在發(fā)動機(jī)、底盤、和車身各個系統(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功用,它采集的信息由電腦(電子控制單元)進(jìn)行處理后,形成向執(zhí)行器發(fā)出的指令,完成電子控制。傳感器在電子控制和自診斷系統(tǒng)中是非常重要的裝置,它能及時識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。各個系統(tǒng)控制過程正是依靠傳感器,進(jìn)行信息的反饋,實現(xiàn)自動控制工作的。
汽車傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路三部分組成。
1、敏感元件是指能直接感受(或響應(yīng))被測量的部分,即將被測量通過傳感器的敏感元件轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系的非電量或其它量。
2、轉(zhuǎn)換元件則將上述非電量轉(zhuǎn)換成電參量。
3、測量電路的作用是將轉(zhuǎn)換元件輸入的電參量經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等可測電量,以便進(jìn)行顯示、記錄、控制和處理的部分。
傳感器處于研究對象與測試系統(tǒng)的接口位置,即檢測與控制之首。傳感器是感知、獲取與檢測信息的窗口,一切科學(xué)研究與自動化生產(chǎn)過程要獲取的信息都要通過傳感器獲取并通過它轉(zhuǎn)換成容易傳輸與處理的電信號,其作用與地位特別重要。
下圖形象的將人體與機(jī)器的對應(yīng)關(guān)系列出,有助于進(jìn)一步的對其作用進(jìn)行認(rèn)識。
現(xiàn)代汽車電子控制中,傳感器廣泛應(yīng)用在發(fā)動機(jī)、底盤和車身各個系統(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,由電腦(電子控制單元ECU)對信號急進(jìn)行處理后向執(zhí)行器發(fā)出指令,實行電子控制。傳感器在電子控制和自我診斷系統(tǒng)中是非常重要的裝置,它能及時識別外界的變化和系統(tǒng)本身的變化,再根據(jù)變化的信息去控制本身系統(tǒng)的工作。各個系統(tǒng)控制過程正是依靠傳感器,進(jìn)行信息的反饋,實現(xiàn)自動控制工作的。
汽車傳感器的發(fā)展史
在20世紀(jì)60年代,汽車上僅有機(jī)油壓力傳感器、油量傳感器和水溫傳感器,它們與儀表或指示燈連接。
進(jìn)入70年代后,為了治理排放,又增加了一些傳感器來幫助控制汽車的動力系統(tǒng),因為同期出現(xiàn)的催化轉(zhuǎn)換器、電子點火和燃油噴射裝置需要這些傳感器來維持一定的空燃比以控制排放。
80年代,防抱死制動裝置和氣囊提高了汽車安全性。
今天,傳感器有用來測定各種流體溫度和壓力(如進(jìn)氣溫度、氣道壓力、冷卻水溫和燃油噴射壓力等)的傳感器;有用來確定各部分速度和位置的傳感器(如車速、節(jié)氣門開度、凸輪軸、曲軸、變速器的角度和速度、排氣再循環(huán)閥(EGR)的位置等);還有用于測量發(fā)動機(jī)負(fù)荷、爆震、斷火及廢氣中含氧量的傳感器;確定座椅位置的傳感器;在防抱死制動系統(tǒng)和懸架控制裝置中測定車輪轉(zhuǎn)速、路面高差和輪胎氣壓的傳感器;保護(hù)前排乘員的氣囊,不僅需要較多的碰撞傳感器和加速度傳感器。研究人員還用防撞傳感器(測距雷達(dá)或其他測距傳感器)來判斷和控制汽車的側(cè)向加速度、每個車輪的瞬時速度及所需的轉(zhuǎn)矩,使制動系統(tǒng)成為汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的一個組成部分。
汽車傳感器的分類
按能量關(guān)系分類
傳感器按能量關(guān)系分類可分為主動型和被動型兩種。汽車上使用的傳感器大多數(shù)屬于被動型傳感器,這種被動型傳感器需要外加輸入電源才能產(chǎn)生電信號,所以這種傳感器實際上是一個能量控制器。
按信號轉(zhuǎn)換分類
按信號轉(zhuǎn)換關(guān)系分類,可分為由一種非電量轉(zhuǎn)換成另一種非電量,如彈性敏感元件和氣動傳感器;另一種是由非電量轉(zhuǎn)換成電量的傳感器,如熱電偶溫度傳感器、壓電式加速度傳感器等。
按輸入量分類
按輸入量分類即按被測量分類,可分為位移、速度、加速度、角位移、角速度、力、力矩、壓力、真空度、溫度、電流、氣體成分、濃度傳感器等。如下圖空氣流量傳感器:
按工作原理分類
按傳感器的工作原理分類,有電阻式、電容式、應(yīng)變式、電感式、光電式、光敏式、壓電式、熱電式傳感器等。
按輸出信號分類
按傳感器輸出信號分類有模擬式和數(shù)字式傳感器。
細(xì)數(shù)汽車發(fā)動機(jī)用傳感器
發(fā)動機(jī)的電子控制一直被認(rèn)為是汽車主要技術(shù)領(lǐng)域之一。發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)用傳感器是整個汽車傳感器的核心,種類很多,包括溫度傳感器、壓力傳感器、位置和轉(zhuǎn)速傳感器、流量傳感器、氣體濃度傳感器和爆震傳感器等。這些傳感器向發(fā)動機(jī)的電子控制單元提供發(fā)動機(jī)的工作狀況信息,供電子控制單元對發(fā)動機(jī)工作狀況執(zhí)行精確控制,以提高發(fā)動機(jī)的動力性、降低油耗、減少廢氣排放和執(zhí)行故障檢測。
溫度傳感器
汽車用溫度傳感器主要用于檢測發(fā)動機(jī)溫度、吸人氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度以及催化溫度等。
溫度傳感器有熱敏電阻式、線繞電阻式和熱偶電阻式三種主要類型。這三種類型傳感器各有特性,其運(yùn)用場合也略有區(qū)別。熱敏電阻式溫度傳感器靈敏度高、響應(yīng)特征較好,但線性差、適應(yīng)溫度較低。其中,通用型的測溫范圍為-50℃~30℃,精度為1.5%,響應(yīng)時間為10ms;高溫型為600℃~1000℃,精度為5%,響應(yīng)時間為10ms;線繞電阻式溫度傳感器的精度高,但響應(yīng)特征差;熱偶電阻式溫度傳感器的精度高,測量溫度范圍寬,但須要配合放大器和冷端處理一起運(yùn)用。
其他已實用化的產(chǎn)品有鐵氧體式溫度傳感器(測溫范圍為-40℃~120℃,精度為2.0%)、金屬或半導(dǎo)體膜空氣溫度傳感器(測溫范圍為-40℃~150℃,精度為2.0%,5%,響應(yīng)時間約20ms)等。
壓力傳感器
壓力傳感器是汽車中用得最多的傳感器,主要用于檢測氣囊貯氣壓力、傳動系統(tǒng)流體壓力、注入燃料壓力、發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力、進(jìn)氣管道壓力、空氣過濾系統(tǒng)的流體壓力等。
目前,比較常用的汽車壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動變壓器式、聲表面波式。電容式壓力傳感器主要用于檢測負(fù)壓、液壓、氣壓,測量范圍為20kPa~100kPa,其特性是輸入能量高,動態(tài)響應(yīng)特征好、環(huán)境適應(yīng)性好;壓阻式壓力傳感器的性能則受溫度影響較大,須要另設(shè)溫度補(bǔ)償電路,但適應(yīng)于大批量生產(chǎn);差動變壓器式壓力傳感器有較大的輸出,易于數(shù)字輸出,但抗干擾性差;聲表面波式壓力傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、分辨力高、數(shù)字輸出等特性,用于汽車吸氣閥壓力檢測,能在高溫下穩(wěn)定地工作。
流量傳感器
流量傳感器主要用于發(fā)動機(jī)空氣流量和燃料流量的測量。進(jìn)氣量是燃油噴射量計算的基本參數(shù)之一。
空氣流量傳感器的功能:感知空氣流量的大小,并轉(zhuǎn)換成電信號傳輸給發(fā)動機(jī)的電子控制單元??諝饬髁康臏y量用于發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)確定燃燒條件、控制空燃比、起動、點火等。
空氣流量傳感器有旋轉(zhuǎn)翼片式、卡門渦旋式、熱線式、熱膜式等4種類型??諝饬髁總鞲衅鞯闹饕寄苤笜?biāo):
工作范圍為0.11m3/min~103m3/min,工作溫度為-40℃~120℃,精度>1%。燃料流量傳感器用于檢測燃料流量,主要有水輪式和循環(huán)球式,其動態(tài)范圍為0~60kg/h,工作溫度為-40℃~120℃,精度為±1%,響應(yīng)時間<10ms。
位置和轉(zhuǎn)速傳感器
曲軸位置與轉(zhuǎn)速傳感器主要用于檢測發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門的開度、車速等,為點火時刻和噴油時刻提供參考點信號,同時,提供發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號。
目前,汽車運(yùn)用的位置和轉(zhuǎn)速傳感器主要有交流發(fā)電機(jī)式、磁阻式、霍爾效應(yīng)式、簧片開關(guān)式、光學(xué)式、半導(dǎo)體磁性晶體管式等,其測量范圍為0°~360°,精度優(yōu)于±0.5°,測彎曲角達(dá)±0.1°。
車速傳感器種類繁多,有敏感車輪旋轉(zhuǎn)的、也有敏感動力傳動軸轉(zhuǎn)動的,還有敏感差速從動軸轉(zhuǎn)動的。當(dāng)車速高于100km/h時,一般測量要領(lǐng)誤差較大,需采用非接觸式光電速度傳感器,測速范圍為0.5km/h~250km/h,重復(fù)精度為0.1%,距離測量誤差優(yōu)于為0.3%。
氣體濃度傳感器
氣體濃度傳感器主要用于檢測車體內(nèi)氣體和廢氣排放。其中,最主要的是氧傳感器,它檢測汽車尾氣中的氧含量,根據(jù)排氣中的氧濃度測定空燃比,向微機(jī)控制裝置發(fā)出反饋信號,以控制空燃比收斂于理論值。
常用的有氧化鍺傳感器(運(yùn)用溫度為-40℃~900℃,精度為1%)、氧化鉻濃差電池型氣體傳感器(運(yùn)用溫度為300℃~800℃)、固體電解質(zhì)式氧化鉻氣體傳感器(運(yùn)用溫度為0~400℃,精度為0.5%),另外,還有二氧化欽氧傳感器以及二氧化錯氧傳感器。
和氧化鍺傳感器相比,二氧化鈦氧傳感器具有結(jié)構(gòu)基本、輕巧、便宜,且抗鉛污染能力強(qiáng)的特性。二氧化鋯微離子傳感器由氧化鈣穩(wěn)定氧化錯離子體、多孔鉑厚膜工作電極、鈀/氧化把厚膜參數(shù)電極、不透水層、電極接觸和保衛(wèi)層構(gòu)成。