第五章 传感器与执行器 传感器概述 传感器的概念：指能感受规定的物理量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 简单的说，传感器即使把非电量转换成电量的装置。 汽车传感器的工作条件极为恶劣，因此，传感器能否精确可靠地工作至关重要。在该领域中，理论研究及材料应用发展迅速，半导体和金属膜技术研究及材料应用技术发展迅速，半导体和金属膜技术、陶瓷烧结技术等得到迅猛发展。智能化、集成化和数字化将是传感器的未来发展趋势。 传感器通常由敏感元件、转换元件及测量电路组成。敏感元件是指能直接感受被测量的部分。转换元件是指能将非电量转换成电量的部分。有些敏感元件可以直接输入电量。测量电路是指将转换元件输入的电量经过处理，以便进行显示、记录和控制的部分。测量电路中较多的使用电桥电路。比如后面要讲到的热线式空气流量计。 传感器的种类比较多，像我们一般碰到的传感器一般有： 温度传感器（冷却水温度传感器THW，进气温度传感器THA）； 流量传感器（空气流量传感器，燃油流量传感器）； 进气压力传感器MAP 节气门位置传感器TPS 发动机转速传感器 车速传感器SPD 曲轴位置传感器（点火正时传感器） 氧传感器 爆震传感器（KNK） 传感器的特征参数也有很多，且不同类型的传感器，其特征参数的定义和要求也各有差异。下面我们来介绍一些主要的、通用的静态特性参数指标的定义。 灵敏度 概念：灵敏度是指温态时传感器输出量y与输入量x之比，或者是传感器输出量y的增量与输入量x的增量之比。 灵敏度用K表示为K=dy/dx，线性传感器的灵敏度为一常数，而非线性的传感器的灵敏度是随输入量变化的。 分辨率 概念：传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最小变化量。 由于分辨率要受到嘈声的限制，我们就用相当于 嘈声电平N若干倍C 的被测量表示分辨率，即M=CN/K，式中，M为最小检测量；C取1-5。 测量范围和量程 在允许的误差范围内，被测量的下限到上限之间的范围称为测量范围。上限值与下限值之差称为量程。 线性度（非线性误差） 在规定的条件下，传感器校准曲线与拟和直线间的最大偏差与满量程输出值的百分比，称为线性度或非线性度误差。 迟滞 迟滞是指在相同的条件下，传感器的正行程特性与反行程特性的不一致程度。 重复性 重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变化多次所得特性曲线的不一致性。 零漂和温漂 零漂是指在无输入或输入为某一定值时，每隔一段时间，其输入值偏离原示值的最大偏差与满量程的百分比。 温漂是指温度每升高1度，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比。 二、空气流量传感器 为了形成符合要求的混合气，使空燃比达到最佳值，我们就必须对发动机进气空气流量进行精确控制。下面我们来介绍一下几种常用的空气流量传感器。 风门式空气流量计 这种空气流量计安装在空气滤清器和节气门之间。 作用：检测吸入空气量的多少，并把检测结果转换成电信号。 组成：风门式空气流量计由两大部分组成，一是担任检测任务的风门部分（看图2-4a），二是担任转换任务的电位计（看图2-4b）。  节气门与电位计之间的关系图 由图2-4a可知，空气流量计的风门部分由测量叶片、缓冲叶片及壳体组成。测量叶片随空气流量的变化在空气主通道内偏转。电位计部分主要由电位计、回位弹簧、调整齿圈等组成。 由节气门与电位计之间的关系图可知，风门式空气流量计是根据空气流动产生的压力差将风门叶片推开的原理进行工作的。而电位计与风门叶片是同轴的，所以当叶片偏转时，电位计滑臂必然转动。由于转轴一端装有螺旋回位弹簧，当其弹力与吸入空气流量对测量叶片产生的推力平衡时，风门叶片就会处于某一个稳定偏转位置，而电位计滑臂也处于镀膜电阻的某一对应位置。 如下图是叶片式空气流量计的检测图，蓄电池的电压经主继电器加到空气流量计的VB端子上，Vc端子的电压加到电子控制器上，其值是由VB与 Vc间的电阻、Vc与E2之间的电阻来决定的，当然Vc端子的电阻稍稍要低于VB端子的电压，且大致为一定值。VS端子的电压随动触点的移动而变化。也就是说，风门叶片的开度大时，VS端子的电压升高；当开度减少时，VS端子的电压下降。VS端子电压是理解空气流量计时的一个重要数据。电子控制器根据Vc端子电压和VS端子电压之差与蓄电池VB端子电压比来求得进气量，见下式Q=K（Vc-VS）/VB，式中Q为进气量，K为系数，Vc 、VS、 VB分别是Vc 、VS、 VB的端子电压。 THA E1 Fc E2 VB VC VS 搭铁 油泵开关 传感器 电瓶电压 基准电压 信号电压 空气温度电压 搭铁 叶片式空气流量计的检测 1、燃油泵控制触点 2、电位器（可变电阻） 3、固定电阻 Q—热敏电阻（进气温度电阻传感器） 风门开度的大小与电压Vc 、VS与 VB之间的关系，大致可以如下图所示。 在丰田1G-EU型发动机上，电子控制器的VB-E2间的电压约为12V，VC-E2之间的电压为8-9V。在风门全闭时，VS-E2间的电压约为1.7V。在风门全开时，VS-E2间的电压约为6.5V。VC-E2曲线 与VS-E2曲线之间的距离越短，风门开度越大。 下面我们在对空气流量计的各部位加以说明，我们来看书上图2-4a。 在图中空气流量计叶片下侧还有一个旁通空气通道。当主空气道内的节流阀将主空气通道几乎全闭时，允许有少量的空气由此流过。在旁通空气道上还设有一个怠速调节螺钉（CO调节螺钉），可以调节通过旁通道的空气量，以调节怠速工况下的混合气浓度。此怠速调节螺钉与节流阀旁通道的怠速调整螺钉的作用是不同的。节流阀旁通道的怠速调整螺钉所调整的是怠速进气量，此进气量是由空气流量计计量过的，调整它可以使进入发动机的混合气增多或减少，从而控制发动机转速，但混合气浓度基本不变。而空气流量计中的旁通道的空气流量计使不由流量计计量的，当此旁通道截面面积变大时，流过叶片的空气量相对变少，也就是经过传感器计量的空气减少，因而就使喷油量减少，从而使混合气变稀。因此，调节此螺钉改变的是混合气浓度，也就是空燃比，从而调节怠速时的废气排放。值得注意的是，此螺钉大多数在出厂时已经铅封，是不可调的。在一些有ISCV（怠速控制阀）的发动机中，没有此螺钉，ECU通过控制ISCV来实现对转速的控制。 发动机起动、吸入空气以后，电位计内的燃油泵开关触点闭合，使燃油泵的供电线路接通，燃油泵开始工作。当发动机停止、不吸入空气时，燃油泵触点断开，燃油泵停止工作。即根据风门的工作状态控制燃油泵电源。 风门式空气流量计的结构简单、可靠性高，但进气阻力大，响应较慢且体积较大。 卡门旋涡式空气流量计 卡门旋涡式空气流量计的原理图如下： 涡流式空气流量传感器是利用超声波或光电信号，通过检测旋涡频率来测量空气流量的一种传感器。 众所周知，当野外架空的电线被风吹时，就会发出“嗡、嗡”的声音，且风速越高声音频率越高，这是气体流过电线后形成旋涡（即涡流）所致。液体、气体等流体均会产生这种现象。 同样，如果我们在进气道中放置一个涡流发生器，比如说一个柱状物，在空气流过时，在涡流发生器后部将会不断产生如图所示的两列旋转方向相反，并交替出现的旋涡。这个旋涡就称为卡门旋涡。 卡门旋涡式空气流量计就是利用这种这种旋涡形成的原理，测量气体流速，并通过流速的测量直接反映空气流量。 对于一台具体的卡门旋涡式空气流量计，有如下关系式：qv=kf , qv为体积流量，f为单列旋涡产生的频率，k为比例常数，它与管道直径，柱状物直径等有关。由这个关系式可知，体积流量与卡门涡流传感器的输出频率成正比。利用这个原理，我们只要检测卡门旋涡的频率f，就可以求出空气流量。 根据旋涡频率的检测方式的不同，汽车用涡流式空气流量传感器分为超声波检测式和光学式检测式两种。例如，中国大陆进口的丰田凌志LS400型轿车和台湾进口的皇冠3.0型轿车采用了 光电检测涡流式空气流量器；日本三菱吉普车、中国长风猎豹吉普车和韩国现代轿车采用了超声波检测涡流式空气流量传感器。 光学式卡门旋涡空气流量计 光学式卡门旋涡空气流量计的工作原理图可以看书上图2-7。（具体结构可视情况讲述） 现代物理学光的粒子说认为，光是一种具有能量的粒子流，当物体受到光照射时，由于吸收了光子能量而产生的效应，称为光电效应。光敏晶体管是一种半导体器件，它的特点就是受到光的照射时，它们都会产生内光电效应的光生伏特现象，从而产生电流。 工作原理：在产生卡门旋涡的过程中，旋涡发生器两侧的空气压力会发生变化，通过导孔作用在金属箔上，从而使其振动，发光二极管的光照在振动的金属箔上时，光敏晶体管接收到的金属箔上的反射光是被旋涡调制的光，再由光敏晶体管输出调制过的频率信号，这种频率信号就代表了空气的流量信号。 超声波式卡门旋涡式空气流量计 超声波是指频率高于20HZ，人耳听不到的机械波。它的特性就是方向性好，穿透力强，遇到杂质或物体分界面会产生显著的反射，譬如自然界里的蝙蝠，鲸鱼等动物都是通过超声波来进行方位定向的。利用这种物理特性，我们可以把一些非电量转换成声学参数，通过压电元件转换成电量。 超声波式卡门旋涡式空气流量计的工作原理与光学式卡门旋涡空气流量计的工作原理大致相同，只是光学元件换成了声学元件。 在日常生活中，常常会遇到这样的现象，即当顺着风向喊话人时，对方很容易听到；而逆着风向喊人时，对方就不容易听到。这是因为前者的空气流动方向与声波的前进方向相同，声波被加速的结果，而后者是声波受阻而减速的结果。在超声波式流量传感器中，同样存在着这种现象。 工作原理是：在旋涡发生器下游管路两侧相对安装超声波发射探头和超声波接收探头，超声波发射探头不断向超声波接收探头发出一定频率（一般为40KHZ）的超声波，当超声波通过进气气流到达超声波接收器时，由于受到气流移动速度及压力变化的影响，因此接收到的超声波信号的相位（时间间隔）以及相位差（时间间隔之差）就会发生变化，集成控制电路根据相位或相位差的变化情况计量出涡流的频率。涡流频率信号输入ECU后，ECU就可以计算出进气量。 热线式空气流量计 构成：我们来看书上的结构图，它的基本构成包括感知空气流量的白金热线、根据进气温度进行修正的温度补偿电阻（冷线）、控制热线电流的控制电路以及壳体等。根据白金热线在壳体内安装部位的不同，可分为安装在空气主通道内的主流测量方式和安装在空气旁通道内的旁通道测量方式。 热线式空气流量计是利用空气流过热金属线时的冷却效应工作的。将一根铂丝热线置于进气空气流中，当恒定电流通过铂丝使其加热后，如果流过铂丝周围的空气增加，金属丝温度就会降低。如果要使铂丝的温度保持恒定，就应根据空气量调节热线的电流，空气流量越大，需要的电流越大。下面的图是主流测量方式的热线式空气流量计的工作原理图。其中RH为是直径为0.03-0.05的细铂丝（热线），RK是作为温度补偿的冷线电阻。RA和RA是精密线桥电阻。四个电阻共同组成一个惠斯登电桥。在实际工作中，代表空气流量的加热电流是通过电桥中的RA转换成电压输出的。当空气以恒定流量流过时，电源电压使热线保持在一定温度，此时电桥保持平衡。当有空气流动时，由于RH的热量被空气吸收而变冷，其电阻值发生变化，电桥失去平衡。此时，放大器即增加通过铂丝的电流，直到恢复原来的温度和电阻值，使电桥重新平衡。由于电量的增加，RA的电压增加，这样就在RA上得到了代表空气流量的新的电压输出。 进气温度的任何变化都会使电桥失去平衡。为此，在靠近热线的空气流中，设有一个补偿电阻丝（冷线）。冷线补偿电阻的温度起一个参照值的作用。在工作中，放大器会使热线温度高出进气温度100度。热线式空气流量计长期使用，会使热线上积累杂质。为此，在热线式流量计上采用了烧尽措施解决这个难题。每当发动机熄火时，ECU自动接通空气流量计壳体内的电子电路，热线被自动加热，使其温度在1S内升高了1000度。由于烧尽温度必须是非常精确的，因此，在发动机熄火后4S后，该电路才被接通。 这种空气流量计由于没有运动部件，因此工作可靠，而且响应特性较好；缺点是在空气流速分布不均匀时误差较大。 热膜式空气流量计 热线式空气流量计虽然可以提供精确的进气空气流量，但造价太高，主要用于高级轿车，为了满足精度高，结构简单，造价又便宜的要求，德国博世公司厚膜工艺，开发出了热膜式空气流量计。热膜式空气流量计的工作原理与热线式空气流量计类似，都是用惠斯登电桥工作的。所不同的是热膜式空气流量计不用铂金作为热线，而是将热线电阻、补偿电阻和线桥电阻用厚膜工艺集中在一块陶瓷片上。这种空气流量计已大量使用于各种电控汽油喷射系统中。 压力传感器 功用：把压力信号转变为电压信号。 应用范围：它在汽车上主要有两个方面的应用。一是用于气压的检测，包括进气真空度、大气压力、气缸内的气压及轮胎气压等；二是用于用于油压的检测，包括变速箱油压、制动阀油压及悬挂油压等。 1、电容式压力传感器 首先我们来了解一下电容器。电容器的容量与组成的电容的两极板间的电介质及其相对有效面积成正比，而与两极板间的距离成反比，即C=ε A/d，其中ε为电介质的介电常数，A为两金属电极板间相对有效面积，d为两金属电极板间距离。由这个关系式可以看出，当其中两个参数不变，而另一个参数作为变量时，电容量就会随着变化的参数而变化。书上图2-13中的电容压力传感器由置于空腔内的两个动片（弹性金属膜片）、两个定片（弹性膜片上下凹玻璃上的金属涂层）、输出端子和壳体等组成。其动片与两个定片之间形成了两个串联的电容。当进气压力作用于弹性膜片时，弹性膜片产生位移，势必与一个定片距离减小，而与另一个定片距离加大（可以通过一张纸来示范）。我们可以从公式中看出，两金属电极板间距离是影响电容量的重要因素之一，距离增大，则电容量减少，距离减少，则电容量增大。这种由一个被测量量引起两个传感元件参数等量、相反变化的结构，称为差动结构。如果弹性膜片置于被侧压力与大气压之间（弹性膜片上部空腔通大气），测得的是表压力；如果弹性膜片置于被侧压力与真空之间（弹性膜片上部空腔通真空），测得的是绝对压力。 与电容式传感器配合使用的测量电路有很多种，下面我们来以电桥电路为例说明电容差动式传感器测量电路的工作原理，如图，由于电容是交流参数，所以电桥通过变压器用交流激励。变压器的两个线圈与两个电容组成电桥，当无进气压力时，电桥处于平衡状态，两电容值相等并且为C0，当有压力作用时，其中一个电容值为C0+△C，另一个电容值为C0-△C，（△C为外部压力作用时引起的电容值的变化量），则电桥失去平衡，电容值高的地方电压也高，两个电容之间产生了电压差，由此电桥产生代表进气压力的电压输出U。 差动变压器进气压力传感器 差动压力传感器是一种开磁互感式电感传感器。由于具有两个接成差动结构的二次线圈，所以又称为差动变速器。 当差动变压器的一次线圈由交变电源激励时，其二次线圈就会产生感应电动势。由于二次线圈作差动连接，所以总的输出是两线圈感应电动势之差。当铁心不动时，其总输出量为零；当铁心移动时，输出电动势与铁心位移呈线性变化。 差动变压器进气压力传感器的检测与转换过程是：先将压力的变化转换成变压器铁心的位移，然后通过差动变速器再将铁心位移转换为电信号输出。这种压力传感器主要有真空膜盒（波纹管）、差动变速器等组成。当气压变化时，波纹管变形，带动差速变压器的铁心移动，由于铁心的位移，差动变压器的输出端即有电压产生，将此电压经过处理后送至ECU输入端。如果按照电压的高低来确定喷射时间并使喷油器工作的话，就可以确定基本喷油量。 半导体应变式进气压力传感器 半导体压力进气传感器是利用应变效应工作的。 所谓应变效应，就是指当导体、半导体在外力作用下产生应变时，其电阻值发生变化的现象。 电阻应变片是一种片状电阻传感器，它是利用半导体材料当在其轴向施加一定载荷产生应力时，它的电阻率会发生变化的所谓压阻效应原理工作的。 由电阻应变片构成的进气压力传感器主要由半导体应变片、真空室、混合集成电路板等组成。半导体应变片是在一个膜片上用半导体工艺制做的四个等值电阻，并且连接成电桥电阻。半导体电阻电桥应变片放置在一个真空室内，在进气压力的作用下，应变片产生变形，电阻值发生变化，电桥失去平衡，从而将进气压力的变化转换成电阻电桥输出电压的变化。 气门位置传感器 节气门位置传感器安装在节气门体上，它将节气门开度转换成电压信号输出，以便计算机控制喷油量。 节气门位置传感器有开关量输出和线性输出两种类型。 开关式节气门位置传感器 这种节气门位置传感器实质上是一种转换开关，又称为节气门开关。这种节气门位置传感器包括动触点、怠速触点、满负荷触点。利用怠速触点和满负荷触点可以检测发动机的怠速状态及重负荷状态。一般将动触点称为TL触点，怠速触点称为IDL触点，满负荷触点称为PSW触点。从结构图可以看出，在与节气门联动的连杆的作用下，凸轮可以旋转，动触点可以沿凸轮的槽运动。这种节气门位置传感器结构比较简单，但其输出是非连续的。 在节气门全关闭时，电压从TL端子加到IDL端子上，再回到电子控制器上。通过这样的途径传递信号时，电子控制器明白节气门现在是全关闭状态。当踏下加速踏板，节气门处于某一开度以上时，电压从TL端子经过PSW端子再传递给电子控制器。电子控制器明白了，现在节气门打开了一定的角度。 下面我将怠速信号与负荷信号对喷油量的影响加以说明。当有IDL信号输出并且发动机转速超过规定转速时，则中断供油，以防止催化剂过热及节省燃油。当IDL信号从有输出转换到无输出时，电子控制器判断出节气门从全关闭状态换至打开状态，当然也就判断出车辆处于起步或再加速状态，所以就会根据发动机的暖机状态进行加速加浓，增大喷油量，以供给加速所需要的较浓混合气。 当有PSW信号输入到电子控制器中时，则发挥输出加浓功能，增大喷油量。在重负荷行车时，若没有PSW信号输出的话，就会没有输出加浓作用，发动机输出的力量就要稍微低一些。 2）线性节气门位置传感器 线性节气门位置传感器装在节气门上，它可以连续检测节气门的开度。它主要由与节气门联动的电位器、怠速触点等组成。电位计的动触点（即节气门开度输出触点）随节气门开度在电阻膜上滑动，从而在该触点上（TTA 端子）得到与节气门开度成正比例的线性电压输出。如图。当节气门全闭时，另外一个与节气门联动的动触点与IDL触点接通，传感器输出怠速信号。节气门位置输出的线性电压信号经过A/D转换后输送给计算机。 五、氧传感器 在使用三元催化进化装置的汽油喷射发动机中，一般都在排气管中安排氧传感器，用以检测排气中氧的含量，从而间接地判断进入气缸内混合气的浓度，以便对实际空燃比进行闭环控制。当排气中氧的含量过高时，说明混合气过稀，氧传感器即输出一个电信号给ECU，让其指令喷油器增加喷油量；当排气中氧的含量过低时，说明混合气过浓，氧传感器立刻将此信息传递给ECU，让其指令喷油器减少喷油量。目前在汽车上使用的氧传感器主要有二氧化钛氧传感器和二氧化锆氧传感器两种类型的传感器。  工作原理：氧传感器装在发动机的排气管里，用来测量排气中氧的含量。它是按照大气与排气中氧浓度之差而产生电动势的一种电池。如图，在陶瓷电解质的内、外两面分别涂有白金以形成电极。当它插入排气管中时，其外表面接触废气，内表面则通大气。在约300度以上的温度时，陶瓷电解质可变为氧离子的传导体。当混合气较稀，也就是过量空气系数α〉1时，排气中含氧必然多，陶瓷电解质的内外表面的氧浓度差小，只产生小的电压；而当混合气较浓，也就是过量空气系数α〈1时，排气中氧含量较少，同时伴有大量的未完全燃烧物如CO、碳氢化合物等，这些成分都可能在催化剂的作用下与氧发生反应，消耗排气中残余的氧，使陶瓷电解质外表面的氧浓度趋向于零，这样就使得电解质内外的氧浓度差突然增大，传感器输出电压也突然增大了，其数值趋向于1V。 六、温度传感器 作用：用来测量冷却水温度、进气温度和排气温度。 种类：温度传感器的种类很多，如热敏电阻式、半导体式和热电偶式等， 所谓热敏电阻，是指这种电阻对温度敏感，当作用在这种电阻上的温度变化时，其阻值会随温度的变化而变化。其中，随温度升高的叫做正温度型热敏电阻，相反随温度升高阻值减少的，叫做负温度系数型热敏电阻。 热敏电阻温度传感器的测量电路比较简单，只要把传感器与一个精密电阻串联接到一个稳定的电源上，就能够用串联电阻的分压输出反映温度的变化。 七、爆震传感器 爆震传感器是发动机集中控制系统中的重要部件，它的功用是用来检测发动机有无爆震现象发生，并把信号输送给发动机微机控制装置。 检测发动机爆震可以有三个路径，一是检测气缸压力，二是检测发动机振动，三是检测燃烧噪声。根据气缸压力的检测法，精度最好，但是存在着传感器的耐久性差和难以安装的问题。根据燃烧噪声的检测法，由于是非接触式的，其耐久性很好，但是精度和灵敏度偏低，。现在常用检测发动机振动的方法来判断有无爆震。 采用振动检测方法的爆震传感器有磁滞伸缩式和压电式两种。 1）磁滞伸缩式爆震传感器 磁滞伸缩式爆震传感器应用的较早，它安装在发动机上，是一种电感式传感器，其内部有永久磁铁、强磁性铁心以及电磁绕组等。 其工作原理是：当爆震发生，也就是当发动机气缸体出现振动时，铁心受振使电磁绕组的磁通发生变化，根据电磁感应原理，通过线圈的磁通变化时，线圈就会产生感应电动势，这个电动势就是爆震传感器的输出电压信号。当传感器的固有频率与发动机爆震时的振动频率相同时，传感器输出最大信号。 压电式爆震传感器 压电式爆震传感器是利用压电效应原理制成的传感器。什么是压电效应呢？压电效应就是指当沿着一定方向向某些电介质施力而使其变形时，其内部会发生极化，同时在其表面产生电荷的现象。压电式传感器是一种力敏元件，发誓能够转换为力的动态物理量，比如说应力、压力、加速度等都能够进行检测。 压电式传感器又可分为共振型和非共振型两种。 共振型电压爆震传感器主要由压电元件、振荡片、基座等组成。压电元件紧密地贴合在振荡片上，振荡片则固定在传感器的基座上。振荡片随发动机的振荡而振荡。波及压电元件，使其变形而产生电压信号。当发动机爆震时的振动频率与振荡片的固有频率相符合时，振荡片产生共振，此时压电元件将产生最大的电压信号。它的输出特性与磁致伸缩式类似。 非共振型压电式爆震传感器 非共振型压电式爆震传感器是以接收加速度信号的形式，来判断爆震是否产生。这种传感器与共振型传感器的不同之处在于：它内部没有振荡片，但设置了一个配重块。配重块以一定的预紧力压紧在压电片上。当发动机产生爆震时，配重块就以一个正比于加速度的交变力，施加在压电片上，从而产生输出信号。 这种传感器产生的输出电压不会很大，不象磁致伸缩式爆震传感器在爆震频率产生一个较高的输出电压，而是具有平的输出特性。因此，必须将反映发动机振动频率的输出电压信号输送给识别爆震的滤波器中，判别是否由爆震信号产生。 比较共振型压电式传感器，共振型在爆震时输出电压明显增大，易于测量，但传感器必须有发动机配套使用；非共振型用于不同发动机时，只须调整滤波器的频率范围就可以工作，不需要更换传感器，通用性比较强，这是非共振型压电式爆震传感器的突出优点。 压电式爆震传感器与其他压电传感器一样，必须配合一定的电压放大器，将信号放大并将高阻抗输入变换为低阻抗输出。 八、曲轴位置传感器 曲轴位置传感器（又称点火信号发生器），是发动机集中控制系统中最主要的传感器，它用于点火正时控制，也就是控制点火时刻，确定点火的提前角。另外，它还是检测发动机转速的信号源。 曲轴位置传感器可分为磁脉冲式、光电式、霍尔式等等，其中磁脉冲式和霍尔式应用的比较多。 1）磁脉冲式曲轴位置传感器 磁脉冲式曲轴位置传感器由定时转子、永久磁铁、耦合线圈等组成。（具体结构看书） 定时转子装在分电器轴上并由良好的导磁材料制成。转子外缘设有与气缸数相等且等距离分布的定时齿。在书中转子有四个齿，分别代表四缸发动机的四个缸。耦合线圈绕在衔铁上，衔铁固定在分电器壳体上。当曲轴带动分电器旋转时，由于转子定时齿相对线圈位置的变化，使线圈内的磁通发生变化，从而在线圈内产生感应电动势输出。在a图中，当该缸定时齿接近线圈时，磁通增加（如曲线所示），到达A点时磁通量的变化率最大，由于感应电动势的大小与磁通的变化率成正比，因此转子转到这个点上，线圈上产生的感应电动势最大；当定时齿对准线圈时，磁通达到最大值（图中B点），但磁通量的变化率却最小，由法拉第电磁感应定律可知，这个时候线圈中产生的感应电动势是最小的。当定时齿离开线圈时，磁通开始下降如图，到达C点时磁通量下降的幅度最大，这个时候线圈中产生的感应电动势又达到了最大值。把上述信号进行转换、放大后送入功率开关电路，就可以控制点火线圈一次电流的通断。以上介绍的是磁脉冲式曲轴位置传感器的基本原理，实际的要远比这个复杂。 霍尔式曲轴位置传感器 霍尔传感器是一种磁敏元件。它是利用导体或半导体的磁电转换原理工作的。如图霍尔元件是一种半导体四端薄片，其四端均有引出线。它的工作原理是：当在其a、b两端以电流激励并有垂直于薄片的磁场作用时，在垂直于电流和磁场方向的c、d端会出现与激励电流I和磁场强度H乘积成正比的电动势，这种现象称为霍尔效应。所产生的电动势称为霍尔电动势。 上面介绍了霍尔元件，那么，我们将霍尔元件、放大器、稳定电源、功能电路及输出电路集成在一个芯片上，就构成了霍尔集成电路。霍尔集成电路可分为线性和开关型两类，汽车上一般使用的是开关型霍尔集成电路。 霍尔式曲轴位置传感器由两个部件组成，一个是与分火头制成一体的定时转子，即触发叶轮，另一个部件是霍尔信号发生器，触发叶轮由导磁材料制成，其上的叶片数与发动机的气缸数相同，触发叶轮由分电器带动。霍尔信号发生器由霍尔开关集成电路、永久磁铁等组成，两折纸间有一个间隙，以便叶轮的叶片能在空隙中转动。 霍尔式曲轴位置传感器的工作原理是：触发叶轮由分电器带动旋转，每当叶片进入永久磁铁与霍尔开关集成电路之间的空气间隙时，永久磁铁的磁场就被导磁的叶片旁路，霍尔开关集成电路表面就没有了磁场的作用，内部的霍尔元件不产生霍尔电动势。当叶片离开空气间隙时，永久磁铁的磁场竟过导磁板、空气间隙形成磁路并作用在霍尔开关集成电路上，其内部的霍尔元件产生霍尔电动势输出。这样，随着叶轮的旋转，每个叶片都会使霍尔开关集成电路产生脉冲输出。然后通过电子点火组件控制点火或者经过计算机控制点火。 九、转速传感器 转速传感器主要用于发动机转速及车速的检测。发动机转速检测与曲轴位置检测原理相同，但为了提高转速检测精度，需要增加每一转的输出脉冲。 转速传感器一般有两种形式，一种是舌簧开关型，一种是光电耦合型。 1）舌簧开关型 舌簧开关安装在组合仪表内。舌簧开关是在一个玻璃管内装有两个细长的触头构成的开关元件。其触头由磁性材料制成。当由磁场作用时，两个触头就会相互吸引而闭合或者互相排斥而断开。 车速传感器由带有四磁极的转子、舌簧开关组成。当变速器输出轴通过软轴带动转子旋转时，舌簧开关就会在转子永久磁铁的作用下进行周期性的开关动作，转子每转一周，舌簧开关开闭四次，通过外电路输出4个脉冲。如果将该脉冲信号送数字电路或者计算机进行记数和运算，就可以得到车速输出。 2) 光电耦合型 光电型车速传感器主要由转子、遮光板、光电传感器等组成。遮光板安装在转子轴上，其开槽的径向部位恰好位于光电传感器的U形开口内，U形开口一侧装有二级发光管，另一侧装有光敏晶体管。当软轴带动遮光板旋转时，发光二极管射向光敏二极管的光线被断续遮挡，从而使光敏二极管输出脉冲。如果遮光板开槽数为20，则转子每转一周，传感器输出20个脉冲。该脉冲信号经计算机处理后，就可以得到车速输出。 执行器 发动机微机控制系统的各种控制功能的实现，都是借助于各自的执行器来完成的；因此，根据发动机微机控制系统具备的控制功能强弱不同，各种车型上控制发动机的执行器亦有多有少。一般来讲，主要的执行器有：电动燃油泵、电磁喷油器和点火装置等。下面将重点介绍发动机微机控制系统中这些主要执行器的结构及工作原理。 一、电动汽油泵 （一）电动汽油泵的构造与工作原理 在现代轿车中采用了各种不同的汽油喷射系统，它们的供油方式也不尽相同，但是所有的系统都必须有一个基本部件——电动燃油泵。电动燃油泵的主要任务是提供燃油系统足够的具有规定压力的汽油。 按结构的不同，电动汽油泵可以分为滚柱式、涡轮式、齿轮式和叶片式等。 按安装位置的不同，电动汽油泵又可分为外装式和内装式。 内装式电动汽油泵安装在油箱内部，优点是工作噪声小，不宜产生气阻和泄露， 外装式电动汽油泵串接在油箱外部的输油管路中，优点是容易不置，但是工作噪声大，且容易产生气泡形成气阻。外装式一般采用滚柱式电动汽油泵。 1）滚柱式电动汽油泵 滚柱式电动汽油泵属于外装泵。 组成：主要由驱动电动机、滚柱泵、安全阀、单向阀和阻尼减振器等组成。 驱动电动机通电带动泵体旋转，将燃油从进油口吸入，流经电动燃油泵内部，再从出油口压出，给燃油系统供油。燃油流经电动燃油泵内部，对驱动电动机的电枢起到冷却的作用。 燃油泵的附加功能由安全阀和单向阀完成。 安全阀：为了防止由于某种原因造成喷油口压力异常升高，在油泵工作压力升高到400kpa时，安全阀打开，汽油泵出油腔与进油腔相通，汽油在泵内循环，以防止供油压力过高。 单向阀：为了防止发动机停转时，供油压力突然下降而引起汽油倒流，在汽油泵出油口安装了单向阀。当发动机熄火时，汽油泵停止转动，单向阀关闭，使燃油系统保持一定的残余压力，以便于发动机再次起动。 工作原理：装有滚柱的转子与泵体间偏心安装。转子凹槽内的滚柱在旋转惯性力的作用下紧紧地压在泵体内表面上。相邻两滚柱与泵体内表面形成一个油腔。在转子转动过程中，油腔的容积不断变化。转向进油腔时容积增大，吸入汽油；在转向出油腔时，容积减小，压力升高并泵出汽油。 阻尼减振器：由于滚柱泵工作过程中的非连续性，在油路中的油压有波动，因此在汽油泵出油端还装有阻尼减振器。阻尼减振器利用膜片和弹簧组成的缓冲系统吸收汽油的压力波，降低压力波动和噪声，提高喷油的控制精度。 2）涡轮式电动汽油泵 涡轮式电动汽油泵属于内装泵。 结构：主要由驱动电动机、涡轮泵、单向阀和安全阀组成。 工作原理：与滚柱式电动汽油泵相似。汽油泵部分主要由一个或两个叶轮、外壳和泵盖组成，当叶轮旋转时，叶轮边缘的叶片把汽油从进油口压向出油口。 特点：供油压力的脉动小，供油系统中不需要设置减振器，易于小型化，适合装在油箱内，简化供油系统管路，降低噪声。 适用场合：低压且输送量大的场合。 3）齿轮式和叶片式电动汽油泵 齿轮式结构：如图：由带外齿的主动齿轮、带内齿的从动齿轮和泵套组成。 齿轮式工作原理：与滚柱式电动汽油泵相似，带内齿的从动齿轮和泵套偏心，主动齿轮被燃油泵电动机拖动旋转，由于齿轮啮合，则带动从动齿轮一起旋转。在从动齿轮和主动齿轮的内外齿啮合的过程中，由内外齿所围合的的腔室发生容积大小的变化，这样，若合理地设置进出油口的位置，即可利用这种容积的变化将燃油以一定压力喷出。 特点：泵数较多， 输油的流量和压力波动都比较均匀。 适用场合：轿车 叶片式结构：如图 叶片式工作原理：与涡轮式电动汽油泵相似，主要利用液体之间的动能转换实现汽油的输送和压力升高。 齿轮式与叶片式区别：叶轮的形状，数目和滚道布置。 优点：能以蒸汽和汽油的混合物运转，并能通过适当的放气口分离蒸汽，防止气阻。 双级电动汽油泵的应用： 汽油是一种容易挥发的物质，在加上油泵工作时温度升高和吸油时产生的局部真空，使汽油容易汽化而形成气泡，引起泵油量明显减少，并导致输送压力的波动。为此，在现代汽车上，电动燃油泵采用双级泵的结构形式并将其安装在油箱内的趋势日益明显。双级泵是由初级泵和主输油泵两者合成一个组件，由一只电动机驱动的结构（如图）。初级泵一般采用叶片泵，它能分离吸油端产生的蒸汽，并以较低的压力输送到主输油泵内。主输油泵一般为齿轮泵或是涡轮泵，用以提高泵油压力。它们相互独立并且轴向串联，由同一根电枢轴驱动。这种双级燃油泵具有良好的热输油能力，其主输油泵起着主导作用，初级泵起改善热燃油输送性能的作用。 （二）电动汽油泵的控制 控制方面：（1）汽油泵开关控制；（2）汽油泵转速控制 汽油泵开关控制 装有电控汽油喷射系统的发动机，对电动燃油泵有一定的要求。通常只有在发动机起动和运转时油泵才工作，此时即使是点火开关接通，发动机没有转动，油泵也不工作。 油泵工作的控制，通常是指对油泵电路断开继电器的控制。继电器触点闭合，油泵通电工作；继电器触点断开，油泵停止工作。由于L型和D型EFI系统的油泵控制电路不同，现在分别进行分别讲述。 L型EFI系统的油泵开关继电器的控制 L型EFI系统的油泵工作控制电路如图。它主要是靠燃油泵继电器与空气流量计内的燃油泵开关完成控制的。 工作原理：在L型燃油喷射系统中，油泵开关装在空气流量计内，是一对常开触点。当发动机不工作，空气流量传感器无空气流动时，触点常开；而当发动机工作，空气流过空气传感器时，随着测量片转动，触点闭合。断路继电器线圈L1由流量计上的触点控制，线圈L2接在点火开关的起动触点“ST”上。当发动机起动时，点火开关的“ST”接通，油泵开关继电器（图中为电路断开继电器）内线圈L2通电，断路继电器触点闭合，又因为主继电器也处于得电状态，所以从主继电器到燃油泵有电流通过，燃油泵开始工作。当发动机起动后，随着起动过程的结束，点火开关将置于工作档，电动燃油泵继电器线圈L2断电。此时因为发动机已工作，空气流过空气流量传感器，使空气流量传感器中的控制电路燃油泵的触点闭合，为电动燃油泵继电器线圈L1提供搭铁，电流流过继电器线圈L1。因L1线圈中有电流通过，所以燃油泵继电器的触点仍保持闭合状态，当然燃油泵可以持续运转。当发动机由于某种原因停止转动时，空气流量计的油泵开关断开，继电器线圈L1断电，继电器触点断开，燃油泵停止工作，不再供给燃油。这就是点火开关处于闭合状态，燃油泵也无法运转的理由。从图中还可以看到，油泵控制电路中有一个检查连接器插座。该插座的其中一个作用就是检查油泵工作情况时使用的。用跨接线连接插座内的+B和Fp端子，当点火开关位于工作档时，燃油泵就能工作。 实例可以看丰田大霸王轻型客车装用的2TZ—FE发动机电动燃油泵控制电路。 D型EFI系统的油泵开关继电器的控制 D型EFI系统的油泵工作电路图如图所示。 工作原理：D型EFI系统的油泵控制电路与L型的基本工作原理相同。两者之间的区别在于燃油泵继电器内线圈L1的通电回路的不同。L型燃油喷射装置是利用空气流量计内的燃油泵开关的闭合来检测出发动机的旋转状态，而D型燃油喷射装置上没有空气流量计，电子控制器是通过分电器的信号来检测发动机旋转状态的，并形成燃油泵继电器内L1线圈的通电回路。 当起动发动机时，从点火开关的“ST”端子经过燃油泵继电器内的L2线圈至搭铁有电流通过，因为继电器的触点闭合，从主继电器到燃油泵有电流流过，所以燃油泵运转。发动机运转时，发动机转速信号（NE）输入ECU，使晶体管VT导通，来控制L1的搭铁回路，线圈L1中就有电流通过，触点继续保持闭合状态。 在电子控制燃油喷射发动机的燃油系统中，燃油泵继电器对燃油泵的控制起着很重要的作用。 2)汽油泵转速的控制 发动机在低速或者是中小负荷下工作时，需要供油量相对较小，此时油泵低速运转，可减少油泵的磨损噪音以及不必要的电能消耗；发动机在高转速或大负荷下工作时，需要供油量较大，此时油泵高速运转，以增加油泵的喷油量。一般油泵转速控制分低速和高速两级。 如图2-41所示为汽油泵转速控制原理图。当发动机在中、小负荷工作时，ECU使晶体管VT导通，控制继电器工作，触点B接通，由于电路中串联了电阻器，汽油泵以低转速运转。当发动机工作在高速、大负荷状态时，油耗增加，ECU时晶体管VT截止，控制继电器断电，触点A闭合，汽油泵工作电压提高，工作转速升高，增加供油量。 有些发动机上专设汽油泵ECU，通过控制加到汽油泵电动机上的不同电压来实现对汽油泵转速和泵油量的控制。 如图2-42所示，当发动机低于最低转速时，汽油泵ECU失去发动机转速信号，电动燃油泵继电器断开油泵电路，即使点火开关接通，汽油泵也不工作。当发动机在起动或高转速、大负荷工况时，发动机ECU给汽油泵ECU的“FPC”端输入一个高电平信号14V，汽油泵ECU的“FP”端向驱动电动机提供较高的电压（蓄电池电压），汽油泵高速转动。当发动机在怠速或小负荷工况时，发动机ECU向汽油泵ECU的“FPC”端输入一个低电平9伏，汽油泵ECU的“FP”端向驱动电动机提供低于蓄电池的电压，汽油泵以低转速转动。（实例可参照丰田4A-GE发动机控制电路） 二、电磁喷油器 汽油喷射系统采用的是由发动机ECU 直接控制的电磁控制式喷油器。电磁喷油器的功用是根据ECU的控制信号，向进气歧管、进气总管内喷射定量的雾化汽油。 工作原理：电磁喷油器通过绝缘垫圈安装在进气歧管或是进气道附近的缸盖上，发动机工作时，微机根据传感器输入的信号，经运算判断后输出控制信号，控制大功率三极管导通与截止。当三极管导通时，即接通喷油器电磁线圈电路，产生电磁吸力，当电磁力超过弹簧力的时侯，磁芯被吸动，针阀随之离开阀座，即阀门打开，喷油器开始向进气歧管或者是总管喷射汽油。当大功率三极管截止时，则喷油器电磁线圈电路被切断，电磁力消失，当弹簧力超过电磁力时，弹簧力又使针阀返回到阀座上，阀门关闭，喷油器停止供油。 喷油器的喷油量取决于针阀的行程、喷口面积、喷射环境压力与燃油压力等因素，这些因素一旦确定，喷油量就由针阀的开启时间，即电磁线圈的通电时间来决定了。 （一）电磁喷油器的分类 电磁喷油器按用途和工作条件的需要，有很多种形式，但大致可分为如下几类： 按喷油器用途分有多点喷射用和单点喷射用两种。 特点：多点喷射用喷油器一般是细长的。单点喷射用喷油器由于供给量大，一般直径比较大，且为了装在节气门体上，因而比较短。 按供油方式分有上部供油和下部供油两种。 特点：上部供油方式的进油口在喷油器上部，结构简单，成本低，为多点喷射系统采用。下部供油方式的进油孔在喷油器的下部，从供油分配器来的汽油直接流向喷油器下部，其压力损失较小。同时，下部供油方式采用循环供油，压力油从下部进来，上部回油，即使高温环境下产生蒸汽也可以通过上部排出，因而可以防止气阻现象的发生。下部供油方式多为单喷射系统采用。 按结构形式分有轴针式和孔式两种。 特点：轴针式的优点是不宜堵塞，但喷射雾化效果差。孔式喷油器的最大优点是雾化质量高。 按磁化线阻分有高阻值和低阻值两种。 特点：高阻值喷油器的磁化线圈电阻为12—17欧姆。低阻值喷油器的磁化线圈电阻为0.6—3欧姆不等。高阻值磁化线圈的电感较大，对控制信号的响应较慢。为了提高响应速度，一般减少线圈匝数以降低电感，即产生了低阻值喷油器。 （1）轴针式喷油器主要有滤网、弹簧、磁化线圈、针阀和衔铁等组成。 特点：轴针可使汽油环状喷出，有利于雾化 ，针阀在喷口中往复运动，不宜引起喷口阻塞。 （2）孔式喷油器主要有球阀式和片阀式等。 特点：球阀杆为空心杆，质量轻。另外，由于球阀有自动定心的作用，因而有较高的密封性。 片阀式喷油器常用低阻值电流驱动型和高阻值电压驱动型两种。如图，当磁化线圈未通电时，阀片被弹簧力和汽油压力压紧在阀座上。当ECU控制装置给磁化线圈通电后，电磁力克服弹簧力和液压力之和，使弹簧压缩、阀片升起，汽油通过计量孔喷出。当ECU输出的喷油脉冲结束后，阀片在弹簧力的作用下复位。 单点喷射用喷油器安装在节气门体上，也称为中央喷射单元。 （二）喷油器的驱动与控制 喷油器的结构不同，则驱动方式也不同。 驱动方式：电流驱动和电压驱动 电压驱动是按照ECU输出电压信号驱动喷油器工作。 电流驱动是按照ECU输出较大的电流进行驱动。 低电阻喷油器可与电压驱动方式或者是电流驱动方式配合使用。 低电阻喷油器与电压驱动方式配合使用时，应在驱动回路中加入附加电阻。这是因为在低电阻喷油器中减少了电磁线圈的电阻和匝数，减少了电感，其优点是喷油器本身响应性好。但由于电磁线圈电阻的减少会使电流线圈的发热而损坏，为此在回路中设置附加电阻。 附加电阻与喷油器连接有两种方式（图2-50）。一种是每个喷油器各自串入一个附加电阻的独立式，其优点是当一个电阻损坏时，只影响一只气缸的工作，缺点是当一个电阻损坏时，只影响一只气缸的工作；缺点是由于串入电阻的阻值不可能完全一致，造成各缸供油量不同，影响各缸的功率平衡。还有一种是共用电阻连接方式，优点是各缸工作的一致性容易保证；缺点是一个电阻损坏后，全组的气缸都无法工作。 电流驱动的回路中中没有使用附加电阻。低电阻喷油器直接与电源连接，因而回路阻抗小，触发脉冲接通后，电磁线圈电流上升很快，针阀能够快速打开，缩短了无效喷射时间（定义：针阀开启与喷油信号导通有一段迟滞期，称为无效喷射期，其对应的时间称为无效喷射时间）。 当ECU控制三极管基极导通时，驱动电路为：蓄电池 、点火开关 、熔断器 、喷油器线圈 、三极管 、电阻、搭铁 、蓄电池。 电流驱动方式的回路中，增加了电流的控制回路。当脉冲电流使电磁线圈电路接通后，它能控制回路中的工作电流，当三极管导通时，又可以及时的接通喷油器电磁线圈电路。通过对A点电位的检测，可以知道喷油器线圈中电流的大小。为了满足打开速度要快，又要防止电流过大使线圈过热损坏，ECU控制线圈电流在开始通电时，提供约为8A的较大电流；打开后，则提供约为2A的较小保持电流。过程中VT以20KHZ的频率导通或截止。 三、冷起动喷油器与热限时开关 安装位置：冷起动喷油器安装在进气总管上。 功用：发动机在低温起动时投入工作，以改善发动机的低温起动性能。 组成：主要由磁化线圈、弹簧、柱塞阀与阀座、旋流式喷油器、滤网和电解头等 。 工作原理：图2-52a 冷起动喷油器是在发动机低温起动时，向进气管道附加地喷入一定量的汽油。 未起动状态，即冷起动机回路不工作时，冷起动喷油器阀门关闭，冷起动阀门起密封作用。当冷起动开始，点火开关和热限时开关都接通，冷起动喷油器磁化线圈通电，将阀门吸起，燃油从喷油器喷出，使这部分附加的加浓燃油与进气总管的空气均匀混合，经进气歧管进入气缸，加浓混合气。 控制方式： 热限时开关控制 控制原理：热限时开关由电热线圈和双金属片组成，当发动机在热状态下起动时，电热丝加热双金属片，使双金属片弯曲断开触点，热限时开关处于断开状态，冷起动喷油器不喷油。低温起动时，触点闭合，冷起动喷油器闭合。冷起动喷油器附加喷油，同时电热线圈加热，双金属片受热变形弯曲断开触点，冷起动喷油器停止供油。因此冷起动喷油器的开启持续时间取决于热限时开关的受热。例如：在20度温度下，最大的开启持续时间为7.5S，随着温度的上升，开启持续时间将逐渐减少。当温度达到35度时，冷起动喷油器便停止喷油。在发动机处于正常的热状态下起动时，热限时开关是一直处于断开状态的，冷起动喷油器并不喷射附加燃油。 冷却水的温度也可以影响冷起动喷油器喷射的时间。当冷却水温度升高时，双金属片受热弯曲的时间较短，触点断开的快，冷起动喷油器喷射时间短，喷射的燃油减少。 冷起动开关的状态对发动机的工作状态有很大的影响。假如说在温度很高的状态下冷起动开关触点闭合，因混合气过浓就会使起动性能变动，有时刚起动就会产生放炮现象。假如触点熔断或断不开并且线圈又烧断时，发动机就会无法起动，有时勉强起动也会突然停机。假如是多次重复起动时，每次都要用冷起动开关使冷起动喷油器喷油，从而熏黑火花塞。 微机与热限时开关协同控制 为了改善冷起动性能，使热机混合气过渡更平稳，微机可以根据水温传感器信号协同热限时开关对冷起动喷油器的特性进行部分修正。