汽油發動機的傳感器介紹

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豬豬

電梯直達

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發表于 2005-11-5 15:51:44 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

在20世紀60年代，汽車上僅有機油壓力傳感器、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，因為同期出現的催化轉換器、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，傳感器已是無處不大。在動力系統中，有用來測定各種流體溫度和壓力(如進氣溫度、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、節氣門開度、凸輪軸、曲軸、變速器的角度和速度、排氣再循環閥(EGR)的位置等)；還有用于測量發動機負荷、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；在防抱死制動系統和懸架控制裝置中測定車輪轉速、路面高差和輪胎氣壓的傳感器；保護前排乘員的氣囊，不僅需要較多的碰撞傳感器和加速度傳感器，還需要乘員位置、體重等傳感器來保證其及時和準確的工作。面對制造商提供的側量、頂置式氣囊以及更精巧的側置頭部氣囊，還要增加傳感器。隨著研究人員用防撞傳感器(測距雷達或其他測距傳感器)來判斷和控制汽車的側向加速度、每個車輪的瞬時速度及所需的轉矩，使制動系統成為汽車穩定性控制系統的一個組成部分。總之，。
　　老式的油壓傳感器和水溫傳感器是彼此獨立的，由于有著明確的最大值或最小值的限定，其中一些傳感器的實際作用就相當于開關。隨著傳感器向電子化和數字化方向發展，它們的輸出值將得到更多的相關利用。為此，制造商們正在開發和生產更好的傳感器。下面介紹一些一些這方面的新產品。

　　離子檢測系統

　　三菱(Mitsubishi電子公司)正在開發一種車用離子檢測系統。這個系統能夠通過檢測離子來監控發動機每個氣缸的燃燒情況。當可燃混合氣持續燃燒時，在燃燒峰面附近就會發生電離現象。把一個帶偏壓的測頭放入氣缸，就可以測出與電離狀況相關的離子流。

　　這個能反映發動機各種燃燒狀況的信息控制系統由帶測頭的火花塞、裝有測試附件的點火線圈及一套處理離子流信號的電子模塊構成，它可以判別每個缸的點火、燃燒及爆震情況。進一步的功能將是對發動機的混合氣狀況加以監控，即根據離子流所顯示的燃燒情況來控制每個缸的空燃比。

　　快速起動的氧傳感器

　　冷車運轉時的發動機所排放的CO和HC是最多的，這就要求氧傳感器盡快起動進入閉環控制狀態。NGK火花塞有限公司研制出一種新型氧傳感器，它能在15s內達到閉環控制。通過縮小加熱區和降低阻抗，改進了傳感器的加熱裝置。由于采用新材料和新的溫控系統，使加熱器的壽命與現有類型相近，改善了低溫特性。

　　側滑傳感器

　　博世公司開發一種雙向傳感器，它是由采用壓電晶體的線性加速度計組合而成。這樣的組合更有利于傳感器的設置、信號處理和封裝。這種傳感器有兩個經過顯微加工的信號發生器并各自對應著所測加速度方向的基準面，對應于某個基準面的獨立信號就能測出相應的作用力。而很高的品質因數Q值使傳感器的封裝可以在常壓下進行。

　　壓電諧振式角速度傳感器

　　三菱電子公司開發的這種傳感器為玻璃一硅一玻璃結構，其諧振部分是一個用浸蝕法制成的硅梁。通過外置振蕩器激發，其諧振頻率約為4KHz。梁的厚度與硅片相同，它的寬度和長度通過浸蝕加工來決定。硅梁和玻璃支架的連接采用了真空下的陽極焊接工藝，以確保其固有頻率變化很小。

　　角速度的變化可根據硅梁振動頻率變化引起的梁兩側玻璃支架上金屬電極間的電容變化值測出。傳感器電路由電容電壓(C—V)轉換器和同步解調器構成。C—V轉換器是一個轉換電容的比較器(ASIC)。當測量范圍在±200°/s時，非線性為±1%。

　　高壓傳感器

　　Denso公司開發一種浸入式高壓傳感器。這些傳感器可用來檢測機油、液壓系統、汽油以及空調制冷劑的壓力，如制動器的液壓控制系統、怠速下的空調機壓縮器和動力轉向泵、燃油控制系統、懸架控制系統以及自動變速器中的液壓換擋系統。這些系統的壓力變化在2～20MPa，而傳感器可耐壓38MPa。

　　這種傳感器使用一種樹脂膠而不是通常使用的金屬和玻璃來封裝，以形成足夠大的油分子通道，實現了外型和元件間封尺寸的優化設計。包括壓力感應元件和放大電路在內的所有元件都集中在一塊芯片上。

　　直熱式檢測裝置

　　GM研發中心正在試驗使用一種直熱式檢測系統來抑制后排末成年人座椅(RFIS)處的側量氣囊展開。將乘員席表面的溫度與駕駛員座椅表現溫度加以對比，若兩者不同且與預定值差異較大，則氣囊的展開就會受到抑制。乘員席的溫度由安置在座椅表面的熱敏電阻來測定，可采用直熱式或非直熱式熱敏電阻。

　　實際上這種抑制系統可采用多種檢測方式，當直熱式探測器的工作不夠可靠時，可采用其他方式來提高該系統的可靠性。曾有人建議配置別的傳感器，如測量體重、電容、振動，使用超聲波、微波、光學及紅外線等。還有人建議為一個抑制系統配置多種檢測裝置，使其工作更加可靠。

　　機油粘度傳感器

　　何時更換機油一般是根據廠家規定的時間或里程來進行。少數廠家采用了更先進的方式，通過記錄發動機轉速和溫度來計算換油間隔。Lucas Varity公司正在研制一種壓電振動式粘度傳感器，其工作原理與振動式粘度計相近——振子(球型、片狀或棒式)在受到粘滯阻尼時其振頻會發生衰變。因此，依靠不同形狀的振子，就可以測出粘度和密度的一些參數。有一種振動式粘度計的振子是石英棒，它能被激發扭振，通過測量與液體粘度相對應的振幅和諧振頻寬，就可以確定粘度(準確地說應是粘度和密度的綜合值)。可見，振動式粘度計是通過測量液體所傳遞的切變波形來確定粘度的一種裝置。然而，由于傳感元件與液體的接觸處切變波形會產生畸變而導致測試值與液體的對應關系較差。

　　粘度傳感器設置了一種界面來改善傳感元件與液體之間的接觸關系，其原理與我們熟知的應用于生物醫學和海洋船舶上的超聲波換能器相似。

　　傳感器的核心是一個壓電轉換器，在它兩側施加電壓時，就會產生切向運動。電極是用金屬蒸發沉積法布置在壓電晶體表面，然后整體涂上一層絕緣層。

　　一臺掃頻儀通過振蕩器所產生的交變電壓來確定傳感元件的諧振頻率。因為在諧振時，傳感元件的電阻達到最大值，隨著液體粘度的變化，這個蜂值也相應變化，并通過峰值檢測電路轉化為電壓信號。

　　絕緣層的厚度根據所測粘度的范圍來確定，因為從液體界面處反射回來的切變波必須被絕緣層全部吸收，所以絕緣層的厚度大約是四分之一個波長。

　　磁敏式速度傳感器

　　SST技術有限公司開發了一種一體化的傳感器，它是把高磁阻(GMR)材料與半導體裝置合為一體的磁敏式速度傳感器。高磁阻材料的特點是隨磁場的變化其電阻值也發生變化。半導體裝置是由制作在同一塊BICMOS電路板上的信號處理器和電壓調節器所構成。先將高磁阻材料噴鍍在BICMOS板基上，采用光刻腐蝕工藝將其制成電阻，通過鋁箔把其連入BICMOS電路，再周邊鍍上一層合金以聚集磁力線。

　　這種傳感器是雙極型結構，通過電平轉換輸出一個方波形脈沖信號，其輸出頻率與軟磁信號輪齒的回轉頻率是相同的，而勵磁機構是一塊永久磁鐵。由于傳感器的信號處理電路是直流耦合式，所以可處理零速狀態。而其具有高靈敏度使之在較大氣隙下也能工作。

　　采用上述技術的ABS傳感器具有零速處理、輸出信號在兩電平之間變化的雙極型結構，脈沖頻率與信號輪齒或磁極的回轉頻率相同的特點。在允許溫度和工作頻率范圍內，其頻寬比為(50±10)%，輪齒模數2.5時，氣隙特性可達3mm。