第一章 汽車電控系統(tǒng)傳感器原理及檢修

第一節(jié) 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(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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(xiàn)有手段直接變換為電量，往往需要先將被測非電量預(yù)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(tǒng)稱為彈性敏感元件。

轉(zhuǎn)換元件是指將感受到的非電量直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換元件可以合二為一，如固態(tài)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(zhuǎn)換元件輸出的電量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換元件的類型，常用的有電橋電路、脈沖調(diào)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(tǒng)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(yīng)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(shí)用，使用者根據(jù)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(xiàn)有傳感器的測量原理主要是基于電磁原理和固體物理學(xué)理論。例如，根據(jù)各種效應(yīng)的原理，相應(yīng)的有霍爾式、磁感應(yīng)式、光電效應(yīng)式、壓電效應(yīng)式傳感器等；根據(jù)電阻變化的原理，相應(yīng)的有電位器式、應(yīng)變式傳感器；根據(jù)磁阻變化的原理，相應(yīng)的有電感式、差動變壓器式、電渦流式傳感器；根據(jù)半導(dǎo)體有關(guān)理論，相應(yīng)的有半導(dǎo)體力敏、熱敏、光敏、氣敏等固態(tài)傳感器。

3．按結(jié)構(gòu)與物理性能分類

傳感器按結(jié)構(gòu)與物理性能可分為結(jié)構(gòu)型和物性型兩種類型。

結(jié)構(gòu)型傳感器主要是指通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何形狀或尺寸的變化，將外界被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(jié)構(gòu)型傳感器。

物性型傳感器又稱為固態(tài)傳感器，是指利用材料本身物理性質(zhì)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(dǎo)體、導(dǎo)體、鐵氧體材料等作為敏感材料的固態(tài)器件，傳感器的特性與其材料的性能密切關(guān)聯(lián)。例如，由光—電變換元件（半導(dǎo)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(yīng)型半導(dǎo)體、氧化還原型半導(dǎo)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(yīng)式爆震傳感器、氧化鋯和氧化鈦式氧傳感器以及壓阻效應(yīng)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(tǒng)中，傳感器相當(dāng)于人的眼、耳、鼻、舌、身等五官，擔(dān)負(fù)著向電控單元提供各種信息的任務(wù)。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(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)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(xiàng)目不同，汽車電子控制系統(tǒng)所用傳感器可分為以下幾種類型。

（1）流量傳感器。如發(fā)動機(jī)燃油噴射系統(tǒng)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(fā)動機(jī)燃油噴射與點(diǎn)火控制系統(tǒng)采用的曲軸位置傳感器（又稱為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)角傳感器）、凸輪軸位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器；懸架控制系統(tǒng)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(tǒng)采用的選擋操縱手柄位置傳感器；巡航控制系統(tǒng)采用的節(jié)氣門拉線位置傳感器等。

（3）壓力傳感器。如發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)采用的進(jìn)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(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)采用的冷卻液溫度傳感器、進(jìn)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(tǒng)采用的自動傳動液溫度傳感器；空調(diào)控制系統(tǒng)采用的車內(nèi)溫度傳感器等。

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

（6）爆震傳感器。如發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)采用的氧傳感器。

（7）速度傳感器。如防抱死制動系統(tǒng)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(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)采用的轉(zhuǎn)速傳感器；發(fā)動機(jī)、自動變速以及巡航控制系統(tǒng)采用的車速傳感器；變速器輸出軸轉(zhuǎn)速傳感器等。

（8）碰撞傳感器。如輔助防護(hù)系統(tǒng)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(fā)展趨勢

當(dāng)電子技術(shù)在1975年進(jìn)入“超大規(guī)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(jì)90年代末期電子技術(shù)進(jìn)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(shù)的進(jìn)步和材料科學(xué)的發(fā)展，為汽車傳感器的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的條件。從傳感器技術(shù)發(fā)展的前景來看，主要具有以下幾個特點(diǎn)。

（1）傳感器固態(tài)化。物性型傳感器（即固態(tài)傳感器）包括半導(dǎo)體、導(dǎo)體和強(qiáng)磁性體3種類型。在固態(tài)傳感器中，半導(dǎo)體傳感器的發(fā)展最引人注目。這是因?yàn)榘雽?dǎo)體傳感器不僅靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小、質(zhì)量輕，而且便于實(shí)現(xiàn)集成化和多功能化。例如，目前最先進(jìn)的固態(tài)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(bǔ)償功能。汽車上采用的壓阻效應(yīng)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(bǔ)償功能。

（2）傳感器集成化與多功能化。隨著傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，借助半導(dǎo)體的蒸鍍技術(shù)、擴(kuò)散技術(shù)、光刻技術(shù)、精密加工及組裝技術(shù)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(fā)展。所謂集成化，就是利用半導(dǎo)體加工技術(shù)，將敏感元件、信息處理或轉(zhuǎn)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(shù)的檢測功能，如半導(dǎo)體溫濕敏傳感器、多功能氣體傳感器等。汽車發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)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(bǔ)償功能。

（3）傳感器智能化。智能傳感器是指帶有微型計(jì)算機(jī)，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(qū)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(yuǎn)距離通信、自動調(diào)整零點(diǎn)和量程等功能。