第一章 汽車電控系統傳感器原理及檢修

第一節 傳感器概述

一、傳感器的組成

傳感器是將各種非電量（物理量、化學量、生物量等）按一定規律轉換成便于傳輸和處理的另一種物理量（一般為電量）的裝置。

傳感器一般由敏感元件、轉換元件和測量電路三部分組成，必要時還需要輔助電源電路，組成框圖如圖1-1所示。

敏感元件是指能直接感受（或響應）被測量的部分，即將被測量通過傳感器的敏感元件轉換成與被測量有確定關系的非電量或其他量。在將非電量變換成電量的過程中，并非所有的非電量都能利用現有手段直接變換為電量，往往需要先將被測非電量預先變換為另一種易于變換成電量的非電量，然后再變換為電量。因此在傳感器中，各種類型的彈性元件常被稱為敏感元件，并統稱為彈性敏感元件。

轉換元件是指將感受到的非電量直接轉換為電量的器件，例如，壓電晶體、熱電偶等。需要特別指出的是，并非所有的傳感器都包括敏感元件和轉換元件。如熱敏電阻、壓敏電阻和光電元件等，這些傳感器的敏感元件和轉換元件可以合二為一，如固態壓阻式壓力傳感器、熱敏電阻式溫度傳感器等。

測量電路是指將轉換元件輸出的電量轉變成便于顯示、記錄、控制和處理等電信號的電路。測量電路的類型取決于轉換元件的類型，常用的有電橋電路、脈沖調制電路、振蕩電路和高阻抗輸入電路等。

二、傳感器的分類

傳感器種類繁多、形式各異，目前尚無統一的分類方法，常用分類方法有以下幾種。

1．按輸入量分類

如輸入量分別為溫度、壓力、位移、速度、加速度、濕度等非電量，則將傳感器相應的稱為溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、濕度傳感器等。這種分類方法簡單實用，使用者根據測量對象即可方便的選擇所需的傳感器。

2．按測量原理分類

現有傳感器的測量原理主要是基于電磁原理和固體物理學理論。例如，根據各種效應的原理，相應的有霍爾式、磁感應式、光電效應式、壓電效應式傳感器等；根據電阻變化的原理，相應的有電位器式、應變式傳感器；根據磁阻變化的原理，相應的有電感式、差動變壓器式、電渦流式傳感器；根據半導體有關理論，相應的有半導體力敏、熱敏、光敏、氣敏等固態傳感器。

3．按結構與物理性能分類

傳感器按結構與物理性能可分為結構型和物性型兩種類型。

結構型傳感器主要是指通過機械結構的幾何形狀或尺寸的變化，將外界被測參數轉換成相應的電阻、電感、電容等物理量的變化，從而檢測出被測信號的傳感器。汽車上采用的空氣流量傳感器、曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、車身高度傳感器、車速傳感器以及各種液位傳感器均屬于結構型傳感器。

物性型傳感器又稱為固態傳感器，是指利用材料本身物理性質的變化，從而檢測出被測信號的傳感器。物性型傳感器是以半導體、導體、鐵氧體材料等作為敏感材料的固態器件，傳感器的特性與其材料的性能密切關聯。例如，由光—電變換元件（半導體光電池）、磁—電變換元件（鐵氧體）、溫度—電阻（熱敏電阻）、壓力—電變換元件（壓敏電阻）、氣體—電變換元件、濃差電池、吸附效應型半導體、氧化還原型半導體等制成的傳感器都屬于物性型傳感器。汽車上采用的熱敏電阻式溫度傳感器、壓電效應式爆震傳感器、氧化鋯和氧化鈦式氧傳感器以及壓阻效應式壓力傳感器等都屬于物性型傳感器。

三、車用傳感器的種類

在汽車電子控制系統中，傳感器相當于人的眼、耳、鼻、舌、身等五官，擔負著向電控單元提供各種信息的任務。汽車型號和檔次不同，裝備傳感器的多少也不相同。有的汽車只有幾只傳感器，如發動機控制系統只有6～8個，有的汽車則裝備有50多個傳感器。一般來說，汽車裝備傳感器越多，則其檔次也越高。按檢測項目不同，汽車電子控制系統所用傳感器可分為以下幾種類型。

（1）流量傳感器。如發動機燃油噴射系統采用的葉片式、量芯式、渦流式、熱絲式與熱膜式空氣流量傳感器等。

（2）位置傳感器。如發動機燃油噴射與點火控制系統采用的曲軸位置傳感器（又稱為發動機轉速與曲軸轉角傳感器）、凸輪軸位置傳感器、節氣門位置傳感器；懸架控制系統采用的車身位置（又稱為車身高度）傳感器以及各種液面位置（或高度）傳感器；自動變速系統采用的選擋操縱手柄位置傳感器；巡航控制系統采用的節氣門拉線位置傳感器等。

（3）壓力傳感器。如發動機控制系統采用的進氣歧管壓力傳感器、大氣壓力傳感器、排氣壓力傳感器、汽缸壓力傳感器、燃油壓力傳感器等。

（4）溫度傳感器。如發動機控制系統采用的冷卻液溫度傳感器、進氣溫度傳感器、排氣溫度傳感器、燃油溫度傳感器；自動變速系統采用的自動傳動液溫度傳感器；空調控制系統采用的車內溫度傳感器等。

（5）濃度傳感器。如發動機控制系統采用的氧傳感器；安全控制系統采用的酒精濃度傳感器等。

（6）爆震傳感器。如發動機控制系統采用的氧傳感器。

（7）速度傳感器。如防抱死制動系統采用的車輪速度傳感器、車身縱向和橫向加（減）速度傳感器；發動機控制系統采用的轉速傳感器；發動機、自動變速以及巡航控制系統采用的車速傳感器；變速器輸出軸轉速傳感器等。

（8）碰撞傳感器。如輔助防護系統采用的滾球式、滾軸式、偏心錘式、壓電式碰撞傳感器等。

四、傳感器的發展趨勢

當電子技術在1975年進入“超大規模集成”階段時，在每塊芯片上只能集成一萬多個電子元件，到20世紀90年代末期電子技術進入“微電子時代”時，在幾十平方毫米的芯片上，可以集成上百萬個電子元件。電子技術的進步和材料科學的發展，為汽車傳感器的發展創造了極為有利的條件。從傳感器技術發展的前景來看，主要具有以下幾個特點。

（1）傳感器固態化。物性型傳感器（即固態傳感器）包括半導體、導體和強磁性體3種類型。在固態傳感器中，半導體傳感器的發展最引人注目。這是因為半導體傳感器不僅靈敏度高、響應速度快、體積小、質量輕，而且便于實現集成化和多功能化。例如，目前最先進的固態傳感器，在一塊芯片上可以同時集成差壓、靜壓、溫度3個傳感器，使差壓傳感器具有溫度和壓力補償功能。汽車上采用的壓阻效應式壓力傳感器，也同時集成有靜壓、溫度兩個傳感器，使壓力傳感器具有溫度補償功能。

（2）傳感器集成化與多功能化。隨著傳感器應用領域的不斷擴大，借助半導體的蒸鍍技術、擴散技術、光刻技術、精密加工及組裝技術等，使傳感器從單個元件、單一功能向集成化和多功能化方向發展。所謂集成化，就是利用半導體加工技術，將敏感元件、信息處理或轉換元件以及電源電路等元件制作在同一芯片上，如集成壓力傳感器、集成溫度傳感器、集成磁敏傳感器等。多功能化是指傳感器具有多種參數的檢測功能，如半導體溫濕敏傳感器、多功能氣體傳感器等。汽車發動機控制系統采用的熱膜式空氣流量傳感器就是一種集成化、多功能傳感器，不僅具有測量空氣流量的功能，而且還有溫度補償功能。

（3）傳感器智能化。智能傳感器是指帶有微型計算機，并具有信息檢測與處理功能的傳感器。智能傳感器通常將信號檢測、處理和驅動回路等外圍電路全部集成在一塊基片上，使傳感器具有自診斷、遠距離通信、自動調整零點和量程等功能。