§2.1传感器的结构与工作原理
传感器和执行器 第 1 页 共 11 页 第二章 电子控制系统传感器与执行器 §2.1 电控系统传感器 一、空气流量传感器 使用目的:计算喷油量(根据给定的空燃比) 要求:提供质量流量 空气流量传感器是最重要的传感器,也是最复杂的传感器之一。电喷汽油机的发展 就就是以此传感器的发展为线索类的。以下按该传感器的发展历史讲解各类传感器。注 意:内在联系是:质量流量、空气阻力、精度。 一)翼片式流量计(P44,F3-66) 此传感器属于体积流量,精度较低、空气阻力较大。是早期的传感器。 1、结构 如图 2.1-1,空气流量计主要由测量 板、补偿板、回位弹簧、电位计、旁通气 道组成,此外还包括怠速调整螺钉、油泵 开关及进气温度传感器等。 在流量计内还设有缓冲室和缓冲叶 片,利用缓冲室内的空气对缓冲叶片的阻 尼作用,可减小发动机进气量急剧的变化 引起测量叶片脉动,提高测量精度。 2、工作原理 来自空气滤清器的空气通过空气流 量计时,空气推力使测量板打开一个角 度,当吸入空气推开测量板的力与弹簧变 形后的回位力相平衡时,叶片停止转动。 l—电位计滑臂 2—可变电阻 3—接进气管 4—测量叶片 5—旁通空气道 6—接空气滤清器 传感器和执行器 第 2 页 共 11 页 与测量板同轴转动的电位计检测出叶片转动的角度,将进气量转换成电压信号 VS 送给 ECU。 3 、缺点:体积流量;阻力大;精度低 二)卡门旋涡式空气流量计(P46) 此传感器属于体积流量, 精度有所提高,空气阻力较 小,比翼片式有较大的改进, 但仍是体积流量。 1 、结构:由超声波信号发生 器、超声波发射探头、涡流稳 定板、涡流发生器、整流器、 超声波接受探头和转换电路 组成。 2 、原理:卡门涡旋造成空气 密度变化,受其影响,信号发 生器发出的超声波到达接受 器的时机或变早或变晚, 测出 其相位差, 利用放大器使之形 成矩形波, 矩形的脉冲频率为 卡门涡旋的频率。如图 2.1-2 所示 3 、特点 精度有所提高;仍 为体积流量 三)热线式空气流量计(P46) 此传感器已经属于质量 流量计, 在精度和空气阻力方面均 表现不错,但热线寿命较低。 1 、结构 热线式空气流量计的结 构如图 2.1-3 所示,其原理简图 如图 2.1-4 所示。 1 )RH 热线 2 )温度补偿电阻 RK 3 )精密电阻 RA 4 )调整电阻 RB 5 ) 控制线路板 电桥平衡电路、 烧净电路、除 RH 外的三个桥臂电 图 2.1-3 热线式空气流量计 1,超声波信号发生器 2,超声波发射探头 3,涡流稳定板 4,涡流发生器; 5,整流器; 6,旁通空气道; 7,超声波接收探头 8、转换电路 图 2.1-2 卡门旋涡式空气流量计 传感器和执行器 第 3 页 共 11 页 阻。 2 .原理 1 )利用混合集成电路控制流过热丝 RH 的电流,以保证热线温度比吸入空气温度差保 持在 100度,此工作由电桥平衡电路实现。 注:吸气温度由 RK 测量。 2 )热丝电阻 RH 放置在空气通道中,其热 量被周围空气带走,空气流量越大,带走的 热量越多, 为热线温度比空气温度高100度, 混合集成电路热线 RH 通过的电流越大。 这样就使流过热线 RH 的电流是空气质 量流量的单一函数。 而此电流流过精密电阻 RA,即可在此电阻上得到输出电压。 3 )烧净电路 保证热丝上无污染。否则 空气流量测量现出误差,使输出电压减小 (测出的流量小)。 3 、 传感器的工作特性 其工作特性如图 2.1 -5 所示。 4 、特点 质量流量;精度高;寿命较低。 四)热膜式空气流量计 结构:热膜式空气流量计的结构如图 2.1-6所示。 热膜式流量计的结构和工作原理与 热线式空气流量计基本相同。它不采用价 格昂贵的铂丝,而是将热线、补偿电阻、 精密电阻等镀在一块陶瓷片上。这样 1 ) 制造成本大为 降低,且使发热体不直接 承受空气流动所产生的作用力,增加了发 热体的强度,从而提高了空气流量的可靠 性。 总结:注意发展过程,现以热膜式为多。 图 2.1-4 热线流量计原理图 图 2.1-5 热线流量计特性图 图 2.1-6 热膜式空气流量计 传感器和执行器 第 4 页 共 11 页 二、曲轴位置传感器 一)控制系统要求的曲轴位置传感器信号: 1 、判缸信号 此信号每缸一个,其中第一缸的信号和其它缸信号有所区别(宽一些)。其作用是 用于判别那一缸喷油或点火。 此信号一般不在上止点,而在上止点前 70 度左右。 2 、曲轴转角信号(1 度信号) 要求提供精确到 1度曲轴转角的信号。其作用是用于控制喷油或点火正时。由于喷 油正时尤其是点火对发动机性能影响大, 要求控制精度高, 因此要求信号提供的精度为 1 度曲轴转角。 二)曲轴位置传感器的类型: 主要有磁脉冲式、光电式和霍尔式三种。其中以磁电式和光电式应用较多。在此可 大概介绍磁脉冲式和光电式传感器的基本工作原理。 不论那种方式,在结构上均由信号盘和传感器组成。磁电式不怕水等干扰,适应环 境可以比较恶劣,放在曲轴前端,因此可以做得较大,磁电式传感器应用最为广泛,其 结构及原理如图 2.1-7所示。而光电式不能受到水等干扰,适应环境不能恶劣,因此只 能放在分电器中,因此信号盘一般较小。 三)信号产生分析 两个问题的解决:1 )上止点位置信号的精度;2 )1 度信号的精度。 1 、对判缸信号 其位置精度要求高,因要确定点火提前角等。由于目前发动机的汽缸 数较少。因信号盘再小也可以比较精确地测出判缸信号。 2 、对 1 度信号 其产生就比较困难了。因为理论上要求每 1 度曲轴转角一个脉冲信号, 而信号盘不能太大,一个不大的信号盘上要制造 360(安装在曲轴前端),或 720个(安 装在分电器中)齿是非常困难的。通常解决的方法有如下 3 个: 图 2.1-7 磁电式传感器 传感器和执行器 第 5 页 共 11 页 1 )多传感器结构。通过多个传感器在信号盘上齿数少于 360(720)时,通过多个传感器 使之产生出 1 度曲轴信号。 此方法精度高, 构思 巧妙。 实例:日产公司磁脉冲式曲轴位置传感器。 日产公司磁脉冲式曲轴位置传感器布置如 图 2.1-8所示。 判缸信号产生示意图如 图2.1-9所示 磁头2 用于测 量判缸信号。 产生曲轴1 度信号的原理 图如图 2.1-10所示。磁头 1 、 3 用于 1 度信号测量。 2 )倍频方式 信号盘每转一 周产生的信号数少于 360 (720),但是它们的整倍数。 例如用磁电式每 30 度曲轴转 图 2.1-9 2 号磁头与曲轴位置关系判缸信号 图 2.1-11 Ne 信号发生器结构与波形 图 2.1-8 日产公司磁脉冲式曲轴位置传感器 图 2.1-10 产生曲轴 1 度信号的原理 图 2.1-12 GNe信号与曲轴转角的关系 传感器和执行器 第 6 页 共 11 页 角一个脉冲。采用倍频的方式,达到第 1度曲轴转角一个信号。此方式精度有所降低, 因所倍频的信号(30 度范围内)不能反映速度的瞬时变化。但实际使用时,对性能的影