第五章传感器与执行器 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出 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=dydx,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最小变化量 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为最小检测量: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最大偏差与满量程输
第五章 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出 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最小变化量。 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 为最小检测量；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最大偏差与满量程输
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。 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 原示值的最大偏差与满量程的百分比。 温漂是指温度每升髙Ⅰ度,传感器输出值的最大偏差与满量程的百分 比 二、空气流量传慼器 为了形成符合要求的混合气,使空燃比达到最佳值,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)。 电位计 空气旎清器 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
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 原示值的最大偏差与满量程的百分比。 温漂是指温度每升高 1 度，传感器输出值的最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，使空燃比达到最佳值，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)NB,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。 THA 2 VB VC VS 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 电压U/V 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一热敏电阻(进气温度电 1/42/43144全开阻传感器) 进气风门开度 进气风门的开度与电压UD Us之间的关甄 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1GEU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,VSE2间的电压约为17。在 风门全开时,VSE2间的电压约为65V。VCE2曲线与VS-E2曲线之间
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。 THA E1 Fc E2 VB VC VS 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 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 种传感器。 卡门旋涡产生的原理 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,且风速越髙声音频率越高,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
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30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卡门涡流式MAF检测电路 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 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
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 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 A「放大器 低。如果要使铂丝的温度保持恒 x5「mo 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003-005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类似,都是用惠斯登电桥工作 的。所不同的是热膜式空气流量计不用铂金作为热线,而是将热线电阻 补偿电阻和线桥电阻用厚膜工艺集中在一块陶瓷片上。这种空气流量计 已大量使用于各种电控汽油喷射系统中
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类似，都是用惠斯登电桥工作 的。所不同的是热膜式空气流量计不用铂金作为热线，而是将热线电阻、 补偿电阻和线桥电阻用厚膜工艺集中在一块陶瓷片上。这种空气流量计 已大量使用于各种电控汽油喷射系统中
压力传感器 功用:把压力信号转变为电压信号。 应用范围:它在汽车上主要有两个方面的应用。一是用于气压的检测,包 括进气真空度、大气压力、气缸内的气压及轮胎气压等;二是 用于用于油压的检测,包括变速箱油压、制动阀油压及悬挂油 压等 电容式压力传感器 首先我们来了解一下电容器。电容器的容量与组成的电容的两极板间的 电介质及其相对有效面积成正比,而与两极板间的距离成反比,即C=E A/d,其中ε为电介质的介电常 数,A为两金属电极板间相对有 效面积,d为两金属电极板间距 离。由这个关系式可以看出,当 其中两个参数不变,而另一个参 数作为变量时,电容量就会随着 变化的参数而变化。书上图2-13 中的电容压力传感器由置于空腔 内的两个动片(弹性金属膜片)、 电容差动式传感器的测量电路 两个定片(弹性膜片上下凹玻璃 上的金属涂层)、输出端子和壳体 等组成。其动片与两个定片之间形成了两个串联的电容。当进气压力作用 于弹性膜片时,弹性膜片产生位移,势必与一个定片距离减小,而与另 个定片距离加大(可以通过一张纸来示范)。我们可以从公式中看出,两金 属电极板间距离是影响电容量的重要因素之一,距离増大,则电容量减少, 距离减少,则电容量增大。这种由一个被测量量引起两个传感元件参数等 量、相反变化的结构,称为差动结构。如果弹性膜片置于被侧压力与大气 压之间(弹性膜片上部空腔通大气),测得的是表压力:如果弹性膜片置于 被侧压力与真空之间(弹性膜片上部空腔通真空),测得的是绝对压力。 与电容式传感器配合使用的测量电路有很多种,下面我们来以电桥 电路为例说明电容差动式传感器测量电路的工作原理,如图,由于电容是 交流参数,所以电桥通过变压器用交流激励。变压器的两个线圈与两个电 容组成电桥,当无进气压力时,电桥处于平衡状态,两电容值相等并且为 C0,当有压力作用时,其中一个电容值为CO+△C,另一个电容值为C0- △C,(△C为外部压力作用时引起的电容值的变化量),则电桥失去平衡, 电容值高的地方电压也高,两个电容之间产生了电压差,由此电桥产生代 表进气压力的电压输出U。 2、差动变压器进气压力传感器 差动压力传感器是一种开磁互感式电感 传感器。由于具有两个接成差动结构的二次 Lfbf 线圈,所以又称为差动变速器。 当差动变压器的一次线圈由交变电源激 差动变速番原理图
三、 压力传感器 功用：把压力信号转变为电压信号。 应用范围：它在汽车上主要有两个方面的应用。一是用于气压的检测，包 括进气真空度、大气压力、气缸内的气压及轮胎气压等；二是 用于用于油压的检测，包括变速箱油压、制动阀油压及悬挂油 压等。 1、电容式压力传感器 首先我们来了解一下电容器。电容器的容量与组成的电容的两极板间的 电介质及其相对有效面积成正比，而与两极板间的距离成反比，即 C=ε A/d，其中ε为电介质的介电常 数，A 为两金属电极板间相对有 效面积，d 为两金属电极板间距 离。由这个关系式可以看出，当 其中两个参数不变，而另一个参 数作为变量时，电容量就会随着 变化的参数而变化。书上图 2-13 中的电容压力传感器由置于空腔 内的两个动片（弹性金属膜片）、 两个定片（弹性膜片上下凹玻璃 上的金属涂层）、输出端子和壳体 等组成。其动片与两个定片之间形成了两个串联的电容。当进气压力作用 于弹性膜片时，弹性膜片产生位移，势必与一个定片距离减小，而与另一 个定片距离加大（可以通过一张纸来示范）。我们可以从公式中看出，两金 属电极板间距离是影响电容量的重要因素之一，距离增大，则电容量减少， 距离减少，则电容量增大。这种由一个被测量量引起两个传感元件参数等 量、相反变化的结构，称为差动结构。如果弹性膜片置于被侧压力与大气 压之间（弹性膜片上部空腔通大气），测得的是表压力；如果弹性膜片置于 被侧压力与真空之间（弹性膜片上部空腔通真空），测得的是绝对压力。 与电容式传感器配合使用的测量电路有很多种，下面我们来以电桥 电路为例说明电容差动式传感器测量电路的工作原理，如图，由于电容是 交流参数，所以电桥通过变压器用交流激励。变压器的两个线圈与两个电 容组成电桥，当无进气压力时，电桥处于平衡状态，两电容值相等并且为 C0，当有压力作用时，其中一个电容值为 C0+△C，另一个电容值为 C0- △C，（△C 为外部压力作用时引起的电容值的变化量），则电桥失去平衡， 电容值高的地方电压也高，两个电容之间产生了电压差，由此电桥产生代 表进气压力的电压输出 U。 2、差动变压器进气压力传感器 差动压力传感器是一种开磁互感式电感 传感器。由于具有两个接成差动结构的二次 线圈，所以又称为差动变速器。 当差动变压器的一次线圈由交变电源激
励时,其二次线圈就会产生感应电动势。由于二次线圈作差动连接,所以 总的输出是两线圈感应电动势之差。当铁心不动时,其总输出量为零;当 铁心移动时,输出电动势与铁心位移呈线性变化。 差动变压器进气压力传感器的检测与转换过程是:先将压力的变化转换 成变压器铁心的位移,然后通过差动变速器再将铁心位移转换为电信号输 出。这种压力传感器主要有真空膜盒(波纹管)、差动变速器等组成。当气 压变化时,波纹管变形,带动差速变压器的铁心移动,由于铁心的位移, 差动变压器的输出端即有电压产生,将此电压经过处理后送至ECU输入端 如果按照电压的高低来确定喷射时间并使喷油器工作的话,就可以确定基 本喷油量。 3、半导体应变式进气压力传感器 半导体压力进气传感器是利用应变效应工作的。 所谓应变效应,就是指当导体、半导体在外力作用下产生应变时,其电 阻值发生变化的现象。 电阻应变片是一种片状电阻传感器,它是利用半导体材料当在其轴向施 加一定载荷产生应力时,它的电阻率会发生变化的所谓压阻效应原理工作 的 由电阻应变片构成的进气压力传感器主要由半导体应变片、真空室、混 合集成电路板等组成。半导体应变片是在一个膜片上用半导体工艺制做的 四个等值电阻,并且连接成电桥电阻。半导体电阻电桥应变片放置在一个 真空室内,在进气压力的作用下,应变片产生变形,电阻值发生变化,电 桥失去平衡,从而将进气压力的变化转换成电阻电桥输出电压的变化。 四、气门位置传感器 节气门位置传感器安装在节气门体上,它将节气门开度转换成电压信号输 出,以便计算机控制喷油量 节气门位置传感器有开关量输出和线性输出两种类型。 五、开关式节气门位置传感器 这种节气门位置传感器实质上是一种转换开关,又称为节气门开关。 这种节气门位置传感器包括动触点、怠速触点、满负荷触点。利用怠速触 点和满负荷触点可以检测发动机的怠速状态及重负荷状态。一般将动触点 称为L触点,怠速触点称为IDL触点,满负荷触点称为PSW触点。从结 构图可以看出,在与节气门联动的连杆的作用下,凸轮可以旋转,动触点 可以沿凸轮的槽运动。这种节气门位置传感器结构比较简单,但其输出是 非连续的。 在节气门全关闭时,电压从ⅡL端子加到IDL端子上,再回到电子控 制器上。通过这样的途径传递信号时,电子控制器明白节 气门现在是全关闭状态。当踏下加速踏板,节气门处于某 节气门位置传感器 电子挖制番 一开度以上时,电压从L端子经过PSW端子再传递给 PsR负荷信号 电子控制器。电子控制器明白了,现在节气门打开了一定 的角度。 下面我将怠速信号与负荷信号对喷油量的影响加以 说明。当有IDL信号输出并且发动机转速超过规定转速 一总速信号 节气门传感器与电子控制器的连接
励时，其二次线圈就会产生感应电动势。由于二次线圈作差动连接，所以 总的输出是两线圈感应电动势之差。当铁心不动时，其总输出量为零；当 铁心移动时，输出电动势与铁心位移呈线性变化。 差动变压器进气压力传感器的检测与转换过程是：先将压力的变化转换 成变压器铁心的位移，然后通过差动变速器再将铁心位移转换为电信号输 出。这种压力传感器主要有真空膜盒（波纹管）、差动变速器等组成。当气 压变化时，波纹管变形，带动差速变压器的铁心移动，由于铁心的位移， 差动变压器的输出端即有电压产生，将此电压经过处理后送至 ECU 输入端。 如果按照电压的高低来确定喷射时间并使喷油器工作的话，就可以确定基 本喷油量。 3、半导体应变式进气压力传感器 半导体压力进气传感器是利用应变效应工作的。 所谓应变效应，就是指当导体、半导体在外力作用下产生应变时，其电 阻值发生变化的现象。 电阻应变片是一种片状电阻传感器，它是利用半导体材料当在其轴向施 加一定载荷产生应力时，它的电阻率会发生变化的所谓压阻效应原理工作 的。 由电阻应变片构成的进气压力传感器主要由半导体应变片、真空室、混 合集成电路板等组成。半导体应变片是在一个膜片上用半导体工艺制做的 四个等值电阻，并且连接成电桥电阻。半导体电阻电桥应变片放置在一个 真空室内，在进气压力的作用下，应变片产生变形，电阻值发生变化，电 桥失去平衡，从而将进气压力的变化转换成电阻电桥输出电压的变化。 四、 气门位置传感器 节气门位置传感器安装在节气门体上，它将节气门开度转换成电压信号输 出，以便计算机控制喷油量。 节气门位置传感器有开关量输出和线性输出两种类型。 五、 开关式节气门位置传感器 这种节气门位置传感器实质上是一种转换开关，又称为节气门开关。 这种节气门位置传感器包括动触点、怠速触点、满负荷触点。利用怠速触 点和满负荷触点可以检测发动机的怠速状态及重负荷状态。一般将动触点 称为 TL 触点，怠速触点称为 IDL 触点，满负荷触点称为 PSW 触点。从结 构图可以看出，在与节气门联动的连杆的作用下，凸轮可以旋转，动触点 可以沿凸轮的槽运动。这种节气门位置传感器结构比较简单，但其输出是 非连续的。 在节气门全关闭时，电压从 TL 端子加到 IDL 端子上，再回到电子控 制器上。通过这样的途径传递信号时，电子控制器明白节 气门现在是全关闭状态。当踏下加速踏板，节气门处于某 一开度以上时，电压从 TL 端子经过 PSW 端子再传递给 电子控制器。电子控制器明白了，现在节气门打开了一定 的角度。 下面我将怠速信号与负荷信号对喷油量的影响加以 说明。当有 IDL 信号输出并且发动机转速超过规定转速
时,则中断供油,以防止催化剂过热及节省燃油。当IDL信号从有输出转 换到无输出时,电子控制器判断出节气门从全关闭状态换至打开状态,当 然也就判断出车辆处于起步或再加速状态,所以就会根据发动机的暖机状 态进行加速加浓,增大喷油量,以供给加速所需要的较浓混合气。 当有PSW信号输入到电子控制器中时,则发挥输出加浓功能,增大喷 油量。在重负荷行车时,若没有PSW信号输出的话,就会没有输出加浓作 用,发动机输出的力量就要稍微低一些。 2)线性节气门位置传感器 线性节气门位置传感器装在节气门上,它可以连续检测节气门的开度。 它主要由与节气门联动的电 位器、怠速触点等组成。电 轴出电压 位计的动触点(即节气门开 度输出触点)随节气门开度 g速输出 在电阻膜上滑动,从而在该 触点上(TIA端子)得到与 VTA出 节气门开度成正比例的线性 VTA 电压输出。如图。当节气门节气订开度电源g速触点 输出信 全闭时,另外一个与节气门 g速节气门开度全开 联动的动触点与IDL触点接 等效电路图 输出特性图 通,传感器输出怠速信号 线性节气门位置传感器 节气门位置输出的线性电压 信号经过AD转换后输送给计算机 五、氧传感器 在使用三元催化进化装置的汽油喷射发动机中,一般都在排气管中安排 氧传感器,用以检测排气中氧的含量,从而间接地判断进入气缸内混合气 的浓度,以便对实际空燃比进行闭环控制。当排气中氧的含量过高时,说 明混合气过稀,氧传感器即输出一个电信号给ECU,让其指令喷油器增加 喷油量:当排气中氧的含量过低时,说明混合气过浓,氧传感器立刻将此 信息传递给ECU,让其指令喷油器减少喷油量。目前在汽车上使用的氧传 感器主要有二氧化钛氧传感器和二氧化锆氧传感器两种类型的传感器
时，则中断供油，以防止催化剂过热及节省燃油。当 IDL 信号从有输出转 换到无输出时，电子控制器判断出节气门从全关闭状态换至打开状态，当 然也就判断出车辆处于起步或再加速状态，所以就会根据发动机的暖机状 态进行加速加浓，增大喷油量，以供给加速所需要的较浓混合气。 当有 PSW 信号输入到电子控制器中时，则发挥输出加浓功能，增大喷 油量。在重负荷行车时，若没有 PSW 信号输出的话，就会没有输出加浓作 用，发动机输出的力量就要稍微低一些。 2）线性节气门位置传感器 线性节气门位置传感器装在节气门上，它可以连续检测节气门的开度。 它主要由与节气门联动的电 位器、怠速触点等组成。电 位计的动触点（即节气门开 度输出触点）随节气门开度 在电阻膜上滑动，从而在该 触点上（TTA 端子）得到与 节气门开度成正比例的线性 电压输出。如图。当节气门 全闭时，另外一个与节气门 联动的动触点与 IDL 触点接 通，传感器输出怠速信号。 节气门位置输出的线性电压 信号经过 A/D 转换后输送给计算机。 五、氧传感器 在使用三元催化进化装置的汽油喷射发动机中，一般都在排气管中安排 氧传感器，用以检测排气中氧的含量，从而间接地判断进入气缸内混合气 的浓度，以便对实际空燃比进行闭环控制。当排气中氧的含量过高时，说 明混合气过稀，氧传感器即输出一个电信号给 ECU，让其指令喷油器增加 喷油量；当排气中氧的含量过低时，说明混合气过浓，氧传感器立刻将此 信息传递给 ECU，让其指令喷油器减少喷油量。目前在汽车上使用的氧传 感器主要有二氧化钛氧传感器和二氧化锆氧传感器两种类型的传感器
理论空燃比 大气 输出电压 陶瓷 空燃比稀 结构 特性 氧传感器 工作原理:氧传感器装在发动机的排气管里,用来测量排气中氧的含量。 它是按照大气与排气中氧浓度之差而产生电动势的一种电池。 如图,在陶瓷电解质的内、外两面分别涂有白金以形成电极。 当它插入排气管中时,其外表面接触废气,内表面则通大气 在约300度以上的温度时,陶瓷电解质可变为氧离子的传导体。 当混合气较稀,也就是过量空气系数a〉1时,排气中含氧必然 多,陶瓷电解质的内外表面的氧浓度差小,只产生小的电压 而当混合气较浓,也就是过量空气系数α(1时,排气中氧含量 较少,同时伴有大量的未完全燃烧物如CO、碳氢化合物等,这 些成分都可能在催化剂的作用下与氧发生反应,消耗排气中残 余的氧,使陶瓷电解质外表面的氧浓度趋向于零,这样就使得 电解质内外的氧浓度差突然增大,传感器输出电压也突然增大 了,其数值趋向于IV。 六、温度传感器 作用:用来测量冷却水温度、进气温度和排气温度 种类:温度传感器的种类很多,如热敏电阻式、半导体式和热电偶式等 所谓热敏电阻,是指这种电阻对温度敏感,当作用在这种电阻上的温度 度开高的叫做正温度型热敏电阻,相反随温度升高阻 值减少的,叫做负温度系数型热敏电阻 热敏电阻温度传感器的测量电路比较简单,只要 把传感器与一个精密电阻串联接到一个稳定的电源 上,就能够用串联电阻的分压输出反映温度的变化。 七、爆震传感器 爆震传感器是发动机集中控制系统中的重要部 件,它的功用是用来检测发动机有无爆震现象发生 滞悼缩式传感器出特性
工作原理：氧传感器装在发动机的排气管里，用来测量排气中氧的含量。 它是按照大气与排气中氧浓度之差而产生电动势的一种电池。 如图，在陶瓷电解质的内、外两面分别涂有白金以形成电极。 当它插入排气管中时，其外表面接触废气，内表面则通大气。 在约 300 度以上的温度时，陶瓷电解质可变为氧离子的传导体。 当混合气较稀，也就是过量空气系数α〉1 时，排气中含氧必然 多，陶瓷电解质的内外表面的氧浓度差小，只产生小的电压； 而当混合气较浓，也就是过量空气系数α〈1 时，排气中氧含量 较少，同时伴有大量的未完全燃烧物如 CO、碳氢化合物等，这 些成分都可能在催化剂的作用下与氧发生反应，消耗排气中残 余的氧，使陶瓷电解质外表面的氧浓度趋向于零，这样就使得 电解质内外的氧浓度差突然增大，传感器输出电压也突然增大 了，其数值趋向于 1V。 六、温度传感器 作用：用来测量冷却水温度、进气温度和排气温度。 种类：温度传感器的种类很多，如热敏电阻式、半导体式和热电偶式等， 所谓热敏电阻，是指这种电阻对温度敏感，当作用在这种电阻上的温度 变化时，其阻值会随温度的变化而变化。其中，随温 度升高的叫做正温度型热敏电阻，相反随温度升高阻 值减少的，叫做负温度系数型热敏电阻。 热敏电阻温度传感器的测量电路比较简单，只要 把传感器与一个精密电阻串联接到一个稳定的电源 上，就能够用串联电阻的分压输出反映温度的变化。 七、爆震传感器 爆震传感器是发动机集中控制系统中的重要部 件，它的功用是用来检测发动机有无爆震现象发生