第一章 汽車傳感器概述

第一節 傳感器的組成及分類

隨著汽車向電子化、集成化、信息化、網絡化、智能化方向發展，電子控制技術在現代汽車上的應用已越來越普遍。現代汽車是以計算機為控制中心的高度自動化控制系統，該系統隨著汽車功能的不斷增加而日臻完善和復雜化。如果沒有各類傳感器提供發動機、汽車工作狀況和外部環境等信息，那么電子控制裝置就失去了決策依據。因此，汽車電子技術應用得成功與否在很大程度上取決于傳感器。

一、傳感器的定義和組成

l.傳感器的定義

傳感器是一種信號轉換裝置，它可以將非電信號轉換為電信號，其主要作用是向ECU提供汽車運行的各種工況信息。汽車傳感器在過去僅用于發動機，而到現在已擴展到底盤、車身和電氣等各個系統。

2.傳感器的組成

傳感器一般由敏感元件、轉換元件和其他輔助元件組成，有時也將信號調節與轉換電路及輔助電源作為其組成部分。

1)信號調節與轉換電路一般是指能把傳感元件輸出的電信號轉換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號的電路。信號調節與轉換電路的選擇要視傳感元件的類型而定，常用的電路有信號放大器電橋、振蕩器、阻抗變換器等。

2)敏感元件是指直接感受被測量（一般為非電量），并輸出與被測量成確定關系的其他量（一般為電量）的元件。如應變式壓力傳感器的彈性膜片就是敏感元件，其作用是將壓力轉換成膜片的變形。

3)轉換元件是指傳感器中能將敏感元件感受（或響應）的被測量轉換成適合于傳輸和（或）測量的電信號的元件。當輸出量為規定的標準信號時，則一般稱為變送器，又稱轉換器，一般情況下不直接接收被測量，而是通過敏感元件將被測量轉換為電量后輸出。如應變式壓力傳感器的應變片，其作用是將彈性膜片的變形轉換為電阻值的變化。

二、傳感器的分類

汽車傳感器的種類很多，且一種被測參數可用多種不同類型的傳感器來測量，而同類型傳感器往往也可以測量多種被測參數。傳感器的分類有多種方法，常見的分類方法如下：

1)按能量關系分類。傳感器按能量關系的不同可分為主動型傳感器和被動型傳感器兩類。汽車上使用的傳感器大多數屬被動型傳感器.這種傳感器需要外加輸入電源才能產生電信號，所以這種傳感器實際上是一個能量控制器。

2)按信號轉換關系分類。按信號轉換關系的不同，可分為由一種非電量轉換成另一種非電量的傳感器和由同種非電量轉換為電量的傳感器兩種。由一種非電量轉換成另一種非電量的傳感器，如彈性敏感元件和氣動傳感器：由非電量轉換成電量的傳感器，如熱電偶溫度傳感器、壓電式加速度傳感器等。

3)按輸入量分類。按輸入量的不同分類即按被測量的不同分類，可分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、角位移傳感器、角速度傳感器、力傳感器、力矩傳感器、壓力傳感器、真空度傳感器、溫度傳感器、電流傳感器、氣體成分傳感器、濃度傳感器等。

4)按工作原理分類。按工作原理的不同，可分為電阻式、電容式、應變式、電感式、光電式、光敏式、壓電式、熱電式等多種形式。

5)按輸出信號分類。按輸出信號的不同，可分為模擬式傳感器和數字式傳感器兩種。

①模擬電壓信號是指隨時間延續而連續變化的電信號。在汽車電腦控制系統中，大多數的傳感器以產生模擬電壓信號為主。

②數字電壓信號是指隨時間延續而不連續變化的電信號。該信號只有兩種狀態，即高電平和低電平，同時也包括一些開關信號。數字電壓信號不需要經過A/D轉換即可以處理，能夠直接被ECU處理。

6)按使用功能分類。汽車用各種傳感器按其使用功能的不同可分為兩類：一類是使駕駛人了解汽車各部分狀態的傳感器：另一類是用于控制汽車運行狀態的傳感器。

三、傳感器的信號

汽車上傳感器的電子信號可以分為直流信號、交流信號、頻率調制信號、脈寬調制信號和串行數據信號。電子信號是控制系統中各個傳感器、ECU和其他設備之間相互通信的基本語言，電子信號各有不同的特點，用于實現不同的通信目的。

圖1-1 非恒壓直流信號波形

1)直流(DC)信號。在任何周期里，方向不隨時間變化的電壓和電流信號均屬于直流信號。直流信號可以分為恒壓直流信號和非恒壓直流信號兩種。在汽車中產生恒壓直流信號的有蓄電池電壓和控制單元（PCM)輸出的傳感器參考電壓。圖1-1所示為非恒壓直流信號波形。

2)頻率調制信號。保持波的幅度恒定而改變頻率稱為頻率調制。在汽車中產生可變頻率信號的傳感器主要是光電式傳感器和霍爾式傳感器。

圖1-2 磁電式傳感器產生的交流信號波形

3)交流(AC)信號。在任何周期內大小和方向均隨時間變化的信號屬于交流信號。在汽車中產生交流信號的傳感器主要是磁電式傳感器和爆燃傳感器等。圖1-2所示為磁電式傳感器產生的交流信號波形。

4)串行數據多路信號。串行數據信號是指按時序逐位將組成數據和字符的碼元予以傳輸的信號。串行數據傳輸所需通信線路少，串行傳送的速度低，但傳送的距離可以很長，因此串行適用于長距離而速度要求不高的傳輸場合。若汽車有自診斷能力和其他串行數據傳送能力的控制模塊，則串行數據由發動機控制單元（PCM）、車身控制單元（BCM）、防盜和防滑制動系統或其他控制模塊產生。

在汽車發動機控制ECU和其他電子智能設備中用來通信的串行數字信號是最復雜的信號，在實際中，要用專門的解碼器讀取。當發動機冷卻液溫度傳感器發生故障時，PCM輸出的串行數據（多路）信號波形如圖1-3所示。

圖1-3 串行數據信號波形

5）脈寬調制信號。脈沖寬度調制（PWM）簡稱脈寬調制。脈寬調制信號就是經過脈沖寬度調制的信號。脈沖寬度就是在一個周期內元件的持續工作時間，其信號波形如圖1-4所示。

圖1-4 脈寬調制信號波形