发布于 06-24 21:24:52
除前面已介绍的各种传感器外，汽车上还有其他很多传感器，本节简要介绍这些传感器的作用和结构原理。
一、光电式烟尘浓度传感器
烟尘浓度传感器用于监测车内的烟雾，当车内有烟雾并达到一定的浓度时，烟尘浓度传感器就会产生相应的电信号，并通过驱动电路启动空气净化装置工作，驱走烟尘。
1.光电式烟尘浓度传感器的测量原理
光电式烟尘浓度传感器的结构如图10-59所示，传感器的主要组成部件是发光元件、光敏元件和信号处理电路。
光电式烟尘浓度传感器的工作原理如图10-60所示。发光元件通电后按某种频率发出红外光线，在无烟尘的情况下，从发光元件发出的光线不会照射到光敏元件上。当车内空气中有烟尘时，进入传感器的烟尘颗粒对红外光线就有漫反射的作用，使红外光线照射到光敏元件上，光敏元件产生电信号，并通过信号处理电路使空气净化器鼓风机电动机通电工作。
图10-59 光电式烟尘浓度传感器结构
1—烟雾进口 2—光敏元件 3—发光元件 4—信号处理电路
图10-60 光电式烟尘浓度传感器的工作原理
1—细缝 2—光敏元件 3—发光元件 4—烟尘颗粒 5—香烟
2.光电式烟尘浓度传感器防止干扰光线的措施
为防止外部干扰光线使传感器产生电信号而引发空气净化装置误启动，该传感器控制电路采用了脉冲振荡的工作方式，传感器内部信号处理电路功能框图如图10-61所示。这种信号处理方式，只有当光敏元件产生的间歇电压脉冲的频率与发光元件发出的间歇光同步时，信号判断电路才确认车内有烟雾。当有其他的光线射入传感器，即使有相同波长的红外光线照射到了光敏元件上，光敏元件虽然也产生了相应的电压，但由于其脉冲频率与发光元件的间歇光不同，传感器信号处理电路也不会作出有烟雾的判断。
图10-61 光电式烟尘浓度传感器信号处理电路功能框图
二、柴油机烟度传感器
在电控柴油机上，广泛采用一种可以连续测量柴油机排烟浓度的传感器，用它来检测发动机排放气体中形成的炭烟和未燃烧的炭粒，并把反映炭烟浓度的电信号输入柴油发动机ECU，ECU根据烟度传感器的信号调节空气和柴油的供给量，以改善燃烧，减少柴油机的炭烟排放。
1.柴油机烟度传感器的测量原理
该传感器的核心部件是由绝缘材料和两个贵金属电极组成的探头，其测量原理如图10-62所示。电极下端有很小的缝隙，上端连接直流电源，电压为12V或24V，图中A为电流表，表盘上标有对应的烟度值，A1、A2与ECU相连。
传感器探头插入排气管的排气通道中，当排气中无炭烟或炭烟很少时，由于电极之间的电阻很大，电流表A无电流指示或指示很微小的电流；当排气中有炭烟时，电极之间的缝隙就会充满炭烟而形成炭桥，电极之间的电阻就发生变化。电极之间的电阻大小与炭烟的浓度密切相关，炭烟少电阻大，炭烟多电阻小。于是，通过电极之间炭烟的电流与炭烟的浓度有着一一对应的关系，从电流表的示值就可读出炭烟浓度值。
由于电极之间的间隙很小，仅为0.1mm左右，很容易造成炭的存积，这会导致传感器不能继续测量。为解决这个问题，在传感器探头的电极上涂有强催化剂。工作时，在排气中的氧气作用下，沉积在电极上的炭粒能迅速氧化，因而不会有电极上存积炭烟的情况发生，传感器可持续进行炭烟的监测。
图10-62 柴油机烟度测量原理
1—催化剂 2—电极 3—绝缘体 4—电极间隙
2.柴油机烟度传感器的结构
柴油机烟度传感器的结构如图10-63所示。传感器探头安装于金属壳体中，通过中间体与接线盒连接。传感器通过其壳体下端的螺纹安装在排气管上。传感器探头的绝缘体是Al2O3粉末加黏合剂制成的陶瓷体，暴露在烟气中的电极用金属铂或铂合金制成。为节省贵金属，电极通常采用组合结构，即用15mm长的铂丝和其他金属丝在焊点处点焊在一起。
图10-63 柴油机烟度传感器的结构
1—中间体 2—金属壳体 3—传感器探头本体 4—其他金属丝 5—焊点 6—电极间缝隙 7—催化剂 8—铂丝 9—陶瓷粉末与黏合剂 10—接线盒
3.柴油机烟度传感器的工作特性
柴油机烟度传感器的烟度与传感器电流I有如下关系：
R=kI
式中 R——博世烟度；
k——比例常数。
可见，烟度与传感器电流成正比关系。发动机转速保持在2000r/min，传感器用24V直流电源，柴油机的负荷、排气温度、烟度及传感器电流值的对应关系见表10-5。
表10-5 随柴油机负荷变化的排气温度、烟度与传感器电流之间的关系
①BSU为博世烟度单位。
三、NOx传感器
NOx是发动机燃烧过程中高温的产物，燃烧温度越高，NOx的排放量也越大。NOx传感器的作用是监测排气中的含量，并将相应的电信号送入发动机ECU，使ECU能实施抑制排放量的相关控制。
一种薄膜式NOx传感器的组成如图10-64所示。在铝制的底板的表面贴上传感器的传感元件SnO2薄膜，背面则贴有加热器。
工作时，当SnO2薄膜吸附了NOx后，其电阻就会发生相应的改变。SnO2薄膜相对于NOx的电阻变化，通过测量电路转换为相应的电压信号，并输送给柴油机ECU，ECU根据NOx传感器的信号和其他相关传感器的信号，进行相关的优化控制，以控制NOx的排放量。
图10-64 NOx传感器
a）正面 b）背面
1—底板 2—SnO2薄膜 3—加热器
四、超声波距离传感器
一些汽车上安装有倒车时的车后障碍物距离的显示与报警系统，该系统的测距一般采用超声波距离传感器。
汽车倒车超声波距离传感器通常采用两对，即有两个发射传感器和对应的两个接收传感器，如图10-65所示。当车辆倒车时，发射传感器发射超声波，如果车后在传感器测量的范围内无障碍物，发射传感器发射的超声波会随着距离的增加逐渐衰减，不会被反射回来；如果在可测的范围内有障碍物，超声波就会被反射回来，并被接收传感器接收。接收传感器接收到“回声”，就可测定超声波返回的时间，并将时间转换为相应的距离，再通过显示器显示。当车辆离障碍物距离达到了设定的极限时，倒车报警系统就会接通蜂鸣器电路，蜂鸣器鸣响，以示报警。
图10-65 超声波距离传感器
1—主开关 2—倒车距离显示器 3—电控单元 4—接收传感器 5—发射传感器
五、方位与方向传感器
方位与方向传感器在汽车导航系统应用，用以指示汽车行驶方向的偏差。
1.磁通量闸门式方位传感器
磁通量闸门式方位传感器用在汽车的导航系统中，是利用地磁进行检测的传感器，可以指示方向的偏差。方向指示的原理如图10-66所示。
当绕在环状铁心上的励磁线圈通入交流电时，产生强度与方向呈周期变化的磁场，测定与磁场交链的检测线圈X、Y的输出电压，就可知道方位了（图10-66b）。
以丰田汽车上使用的导航系统为例，说明方位传感器在汽车导航中的应用，导航系统由显示部分、操纵部分、地磁方位传感器及行驶距离传感器等组成。导航系统在车上的布置如图10-67所示，导航系统的电路原理如图10-68所示。
图10-66 磁通量闸门式方位传感器位偏差指示原理
a）指示原理图 b）方位判断图
图10-67 丰田汽车导航系统部件在车上的布置情况
图10-68 丰田皇冠轿车导航系统电路原理
导航系统的工作原理如图10-69所示。导航时，先是在电子地图中找出从出发地到目的地的东西方向距离a，南北方向距离b，同时找出到达目的地的直线距离i0，输入计算机。车辆在行驶中，无论往哪个方向移动，地磁方位传感器都能检测出车辆当前移动的绝对方向θ1，并在仪表板上的方位显示仪显示出来，而目的地的方向θ2和距离l也可由计算机计算并通过仪表板上的显示仪显示出来。
2.双线圈发电机式地磁矢量方位传感器
双线圈发电机式地磁矢量方位传感器的组成如图10-70所示。该方位传感器的上、下线圈的相位相反，所以垂直方向的磁感应电动势互相抵消。如果改用电动机转动线圈和铁心，地磁的水平分量（图10-71）使铁心中的磁通密度发生变化，从而建立磁场。在图10-71中a所示的位置，磁场方向朝内；图10-71中b所示位置，磁场强度为零；在图10-71中c所示位置，磁场方向朝外。所以，在地磁检测线圈中，产生一个正弦交变电压，其相位由地磁场的方位决定。此外，由光电式脉冲发生器发出相位固定的脉冲信号，根据这两个输出信号的相位差，可以检测出地磁的方向，由此可检测出汽车的方位。
图10-69 导航系统的工作原理
图10-70 双线圈发电机式地磁矢量方位传感器的组成
1—修正用电位器 2—铁心 3—线圈 4—光电式脉冲发生器 5—修正用发电机部分 6—电动机
图10-71 双线圈发电机式地磁矢量方位传感器工作原理
3.惯性式方向传感器
在日本丰田公司的惯性行驶系统中，采用氦气的惯性检测方位，而不是利用地磁。惯性式方向传感器的结构如图10-72所示。
密封在容器中的氦气在压电振子的一侧，这使得固定在汽车上检测器的两根热线冷却程度不同而产生温度差，并形成电位差。两热线与两个常值电阻连接成电桥电路（图10-72b），从A、B两点输出电压，并通过电压放大器放大后输送给ECU。传感器的输出电压与汽车偏转率成正比，ECU根据传感器输出的电压信号可判断出汽车的方向。
图10-72 惯性式方向传感器
a）结构原理 b）电路原理
1—输入轴 2—壳体 3—喷嘴 4—探测部 5—泵 6—气泵部 7—热线对 8—信号放大部 9—热线电源
六、雨滴与雨量传感器
雨滴与雨量传感器用于监测是否下雨和雨量的大小，以自动控制刮水的开、停和刮水片的摆动速度。
1.压电式雨滴传感器
压电式雨滴传感器的核心元件是振动板和压电元件，压电式雨滴传感器的组成如图10-73所示。
振动板是传感器的感受元件，将雨滴的冲击能量以自身振动的方式传递给压电元件，压电元件在振动板力的作用下，产生与雨滴冲击能量大小相对应的电压信号，该电压信号再经放大电路进行信号放大后，输入自动刮水器电控单元，实现自动刮水控制。
由于该传感器安装在车外，需要直接与雨滴接触，因而要求其壳体的密封性好，壳体通常用不锈钢材料制成。
图10-73 压电式雨滴传感器
1—橡胶垫 2—压电元件 3—振动板 4—上盖 5—集成电路 6—电容器 7—金属封口 8—护管 9—配线 10—电路基板 11—下壳 12—密封圈
2.光电式雨量传感器
光电式雨量传感器的测量原理如图10-74所示。光学元件（Optical Element）通过硅胶垫粘贴在前风窗玻璃的内侧，通常安装在内视镜支架座的下方。发射管、接收管在雨量传感器的PCB板上，雨量传感器通过机械锁止机构固定在光学元件上。光学元件的导光面为一抛物面，这样如果将发射管、接收管均放置在抛物面的焦点上，则通过光学元件入射到风窗玻璃上的是平行光线。
光电式雨量传感器为相对量测量，在玻璃表面干燥的情况下，发射管发出的光平行入射到风窗玻璃上后被100%反射回来，通过光学元件汇聚后由接收管接收。当风窗玻璃外表面有雨滴时，入射到风窗玻璃上的光线被部分散射掉，反射后接收管的光线变少，雨量越大则反射回来的光线越少。通过与风窗玻璃干燥情况下接收光强的比较，就可以得出目前风窗玻璃上水滴的大小和多少，进而可以判断出不同的下雨模式，将信号送至车身电控单元或者独立的刮水器电控单元，以控制刮水器进行间歇刮水、低速连续刮水以及高速连续刮水。
图10-74 光电式雨量传感器
七、光电式燃油流量传感器
一些汽车装有燃油流量传感器，用于监测汽车燃油的消耗量和耗油率，估算汽车的续驶里程等。光电式燃油流量传感器的组成与工作原理如图10-75所示。
图10-75 光电式燃油流量传感器
a）结构 b）电路原理
1—燃油箱 2—遮光盘 3—叶轮 4—光电耦合器
输出的燃油带动叶轮转动，遮光盘随之转动，通过光电耦合器，产生脉冲电压。脉冲电压的频率与燃油的流量成比例关系，因此，ECU根据此信号可确定燃油的流量、计算当前的油耗率、续驶里程等。
八、静电式制冷剂流量传感器
在一些汽车空调中，装有制冷剂流量传感器，用于监测制冷系统工作时的制冷剂循环流量，ECU根据制冷剂流量传感器的信号可判断制冷系统工作正常与否。静电式制冷剂流量传感器通常安装在储液干燥罐和膨胀阀之间的制冷管路中，如图10-76所示。
图10-76 静电式制冷剂流量传感器
1—蒸发器 2—膨胀阀 3—制冷剂流量传感器 4—储液干燥罐 5—冷凝器 6—压缩机
制冷系统工作时，液态制冷剂流经静电式制冷剂流量传感器，制冷剂流量传感器内的电极产生与制冷剂流量变化相对应的脉冲信号。制冷剂流量传感器的信号输入空调ECU，ECU根据此信号，结合制冷系统的工作状态，判断当前的制冷剂流量是否正常。当出现异常时，ECU就会发出报警信号，通过监控显示系统向驾驶人报警。
九、角速度传感器
角速度传感器是将汽车转弯时车身旋转角速度转换为相应的电信号，在汽车行驶稳定系统中，角速度传感器提供的信号是ECU实施汽车行驶稳定性控制的重要依据。
1.振动型角速度传感器
振动型角速度传感器的工作原理如图10-77所示。在作为振子的四方体的相邻两面上，粘贴有兼驱动和检测作用的压电元件，当对压电元件施加交流电压时，就会在负压电效应的作用下，使振子振动。当振动着的振子又旋转时，就会产生一个与旋转速度相对应的哥氏力。
图10-77 振动型角速度传感器
a）构成 b）无旋转时 c）旋转时
1—压电元件 2—振子振动成分 3—电流检测 4—振动信号 5—哥氏力成分 6—输入信号 7—哥氏力信号
哥氏力是指旋转坐标内具有速度的物体所受到的力，力的方向既与旋转轴垂直，也与物体的速度方向垂直，而力的大小与物体的速度与系统的转速成正比。
当车辆旋转时，角速度传感器振子随之转动，这时，测出的压电元件电流包含有振动和哥氏力两部分。角速度传感器内部信号处理电路是相邻两压电元件输出信号的相减，这样，就消除了振动部分同频又同相两个信号（图10-77b），只剩下反映哥氏力的信号（图10-77c）。将电流信号转换为电压信号，就可得到与旋转角速度成一一对应关系的输出信号。
振动型角速度传感器应用于车辆主动稳定控制系统（ASC），实例如图10-78所示。ASC是在防抱死制动系统（ABS）和防滑转控制系统（ASR）的基础上，又加上角速度传感器、横向减速度传感器（G）、主油缸压力传感器、蓄压器压力传感器等部件。
图10-78 ASC的构成
1—主油缸压力传感器 2—转向盘转角传感器 3、6—车轮转速传感器 4—制动压力调节器 5—横向G传感器 7—蓄压器压力传感器 8—角速度传感器 9—ABS ECU
ASC的作用示例如图10-79所示。ASC通过对4个车轮制动力的控制，实现车辆的行驶稳定性控制。例如，当ECU根据角速度传感器及其他相关传感器的信号，判断出车辆转向不足时，就输出控制信号，减小前外轮的制动力、增大后内轮的制动力（图10-79a），产生一个抑制转向不足（与自转同向）的转矩。ECU如果判断出车辆转向过度，则增大前外轮的制动力、减小后内轮的制动力（图10-79b），产生一个抑制转向过度（与自转反向）的转矩。当ECU判断出车辆转向时速度过快时，对前内侧车轮施以制动，使其减速，实现安全平稳的转向。
图10-79 ASC的作用示例
a）转向不足 b）转向过度
2.音叉式角速度传感器
音叉式角速度传感器的结构如图10-80所示。音叉式角速度传感器的本体为音叉形，振子由振动（激振）和检测两部分构成，两者互成90°。在音叉上粘贴有压电陶瓷片（PTZ）。
图10-80 音叉式角速度传感器的结构
1—缓冲器 2、4—传感器本体 3—电压元件 5—专用集成电路（IC）
音叉式角速度传感器原理如图10-81所示。当交流电压加于激振PTZ时，检测PTZ也总是在左右方向（V方向）振动。当车辆转弯（ω方向）时，哥氏力作用于检测PTZ，在与激振方向垂直的F方向的力，使检测PTZ产生交流电压信号。此信号包含有激振PTZ产生的振荡波，经放大后进入检波电路，检波后输出反映旋转方向和旋转速度的信号，再经整形电路整形后，输出与车辆旋转角速度呈线性关系的电压信号。
图10-81 音叉式角速度传感器的工作原理
音叉式角速度传感器的优点是：两个振子是反向运动的，其产生的哥氏力的方向也相反，因此，车辆前后、左右方向加速度所形成的挠曲变形可以互相抵消，从而提高了测量的精度。
