第3天 汽车传感器工作原理

汽车传感器是汽车电子控制系统的关键部件，是汽车电子控制系统信息的主要来源。它的主要功能是利用安装在汽车各部位的信号转换装置，测量或检测汽车在各种运行状态下相关机件的工作参数，并将它们转换成计算机能接受的电信号后送给控制模块，控制模块根据这些信息进行运算处理，进而发出指令对执行元件进行适时地控制，如图1-1所示。

为了分析研究传感器，按照功能原理将它们分为以下几类：

· 电磁传感器。

· 霍尔传感器。

· 电导率传感器。

· 热电传感器。

· 光电传感器。

· 压电传感器。

· 超声波传感器。

· 高频传感器。

· 断路器和切换开关传感器。

· 开关式传感器。

一、电磁传感器

1.基本原理

电磁现象说明了磁性与电的关系。当齿轮旋转时，形成扭曲的磁通量并在线圈中产生正弦交流感应电流，如图1-2所示。导线绕着金属片形成线圈绕组，有电流流过时便成为磁体：在线圈绕组周围形成与永磁铁磁场类似的磁场。这个过程也可以颠倒过来，当线圈绕组处在一个不断变化的磁场中时，会在线圈中产生感应电流（信号），这样形成的电流就是交流电。

2.应用

电磁传感器涵盖的应用范围从转速测量到卫星导航系统中的地球磁场识别。

（1）转速传感器

电磁传感器最常见的应用是作为转速传感器，如图1-3所示。传感器元件感知由电磁感应产生的信号，这个元件由绕着永磁铁心的线圈组成，由齿轮（永磁铁材料制成）形成的自变磁场产生信号。齿轮转动时经过电磁线圈，形成在线圈内产生感应交流电的磁通量。

齿轮转动时，形成扭曲的磁通量并在线圈中产生正弦交流电。

当齿轮转动时，齿接近永磁铁，线圈和永磁铁之间的磁通量经过的距离会发生变化。这种变化在线圈中产生感应电压。

线圈的输出电流频率与齿轮的速度成正比。

（2）安全开关

安全开关，也称为簧片触点，作为电磁开关应用于安全气囊系统中。安全开关由一个在内部有两个独立金属触点的玻璃安瓿构成，如图1-4所示。当玻璃安瓿暴露在由可移动磁化缸产生的磁场中时，触点接通电路。一个弹簧将磁化缸保持在某一特定位置，避免意外触发。

（3）其他应用

电磁传感器在汽车工业中应用广泛，几乎每天都在增加新功能。主要包括：

· 调节阀的位置传感器。

· 增压柴油发动机（TDI）系统的喷油嘴针阀行程传感器。

· GPS的磁场传感器（指南针）。

· 簧片传感器被用作制动液液位传感器，如图1-5所示。

二、霍尔传感器

1.工作原理

霍尔传感器的工作原理是基于所谓的霍尔效应。如果为一个暴露在磁场中的半导体施加一个电压，那么在它的两端会形成一个电压差，如图1-6所示。

图1-6中展示了一个霍尔传感器的功能原理。这个小平板中含有半导体材料，当它暴露在磁场中时，磁力线推动材料中的电荷移动，导致电荷分布不均匀，从而在传感器元件两端产生电压，这和电压磁通量的强度成正比。

霍尔金属片位于一个与信号相匹配的集成开关电路中。霍尔传感器的特性使得它可以广泛应用于需要迅速做出反应的情况。它的功能原理决定了它还可以用于测量磁场强度。横向加速度传感器和电流测量钳都基于此原理，电流测量钳可以测量由磁场在导线周围产生的电流。

霍尔发射极的核心是集成电路，它除了磁敏元件或金属片外还有与之相连的用于提供方形信号的电子装置，如图1-7所示。霍尔元件与磁场接触时产生很小的电压，这个电压被加载到晶体管的基极上，所以晶体管发射极接地并且集电极不接地。因此，当元件暴露在磁场中时，在检查霍尔传感器控制信号时方波处于低水平（晶体管不接地）。

2.应用

（1）曲轴的转速及角度位置传感器

霍尔传感器常被用作曲轴的转速及角度位置传感器。在某些系统中，传感器位于分配器中。转子转动并因此中断侵入它的磁场，产生了可以被发动机电子系统利用的电脉冲。

（2）其他应用

霍尔传感器还有多种其他用途，其中包括：

· 电子稳定程序（ESP）中的横向加速度传感器，如图1-8所示。

· 识别汽车位置以调整高度。

· 调节氙气前照灯的位置。

· 里程表的转速传感器。

· 节气门操纵（Mono-Motronic）的位置传感器。

· 在ESP系统中测量转向盘转角的角度传感器。

三、电导率传感器

1.工作原理

导电性是指在特定物理条件下，电流通过某种材料的难易程度。

材料的导电性可以通过改变原子结构实现，改变原子结构使得电子能够自由移动或者离子更容易转变成其他物质（离子是带电原子）。导电性与自由电子的数量有关；金属的导电性与温度不成正比。当温度接近绝对零度时，有些金属的导电性几乎为无穷大（无电阻）。这种现象称为超导。

2.应用

（1）氧传感器

氧传感器（也称为氧探针）用于测量排气管内的氧含量。传感器由一个环绕着电极的陶瓷体构成，电极（铂）可以透气。传感器外部与废气接触，而内部与周围空气接触，超过一定的温度（300℃）后，氧离子可以通过陶瓷。当传感器两侧（外侧和内侧）的氧含量不同（例如，稀薄的混合气有很多氧气）时，会产生一个100mV范围内的电压。但是，如果氧含量之间差别很大（例如，浓稠混合气有少量氧气），则陶瓷会产生900mV的电压。控制单元通过氧传感器提供的信号修正燃油喷射时间，使混合气的成分在λ=1左右。

（2）节气门电位计

节气门电位计是一种能够以机械方式改变导电性（改变电阻）的传感器，如图1-9所示。节气门电位计位于中央喷射单元壳体内。它有一条轨道，滑动触点就在该轨道上移动，并根据节气门的位置发出线性信号；这样，控制单元就能随时识别节气门的位置以及随着节气门的位置变化速度。

（3）其他应用

基于改变导电性的传感器还有一些其他应用方式，例如：

· 冷却液液位传感器，如图1-10所示。

· 风窗玻璃刮水器位置传感器。

· TDI加速踏板传感器。

· 燃油位置传感器。

四、热电传感器

1.工作原理

金属以及一些其他化合物对温度变化相当敏感。温度升高时，体积膨胀，此时，金属的电阻发生变化。这种特性是热电阻的基础。热电传感器就是电阻变化与电阻所承受温度成正比的传感器。为了获得正或负温度系数，还特别制造了某些化合物。因此出现了正温度系数（PTC）或负温度系数（NTC）电阻。

（1）PTC电阻的功能原理

当温度升高时，电子通过的阻力增大，电子流减小。简而言之，温度越高，电阻越大。

（2）NTC电阻的功能原理

当温度升高时，电子通过的阻力减小，电子流增大，工作原理如图1-11所示。简而言之，温度越高，电阻越小。

热敏电阻的一个特例是纯铂制造的传感器元件，它非常精确且具有线性反应，在0℃时的电阻为100Ω。

2.应用

（1）冷却液温度传感器

冷却液温度传感器是内部安装有NTC热敏电阻的空腔，如图1-12所示。当所承受的温度升高时，电阻减小，这种变化被转换成电压变化，然后传递给连接的元件，以便说明温度情况。

（2）空气质量流量计

空气质量流量计常用于发动机内的电子系统，如图1-13所示。它被安装在进气冲程中，目的是测量进入发动机的空气流量并由此确定相应的功能参数。

空气质量流量计传感器由在空气经过时电阻发生变化的热铂丝（PTC电阻）或铂膜构成。一个电子电路控制传感器元件的电流并使温度高于环境温度100℃；保持这个温度所需的电流与因为进气流流过铂丝导致的冷却温度成正比。流过传感器元件的电流与发动机吸入的空气质量成正比，并显示控制单元为此所使用的量，目的是确定发动机吸入空气的质量值，其工作原理如图1-14所示。

安装在传感器元件前面的NTC电阻用于探测吸入空气的温度，并根据相应环境温度计算铂丝电流。因此，测量吸入空气的质量时总是以环境温度为参考。

（3）其他应用

温度传感器的其他应用也同样是在汽车行业中：

· 发动机机油温度传感器。

· 单点喷射（SPI）发动机管理系统的进气温度传感器。

· 空调系统的外部温度传感器。

五、光电传感器

1.工作原理

光电传感器包括能对各种光辐射做出反应的各种不同的元件：可见光、红外线、超声波等。

光电传感器能将捕获的光能转换为电能，例如太阳能电池。它的工作原理是：当光线照射到半导体材料上时，一些电子吸收足够能量，能够脱离原子中的运转轨道，成为可以形成电流的自由电子，如图1-15所示。

其他传感器因为电阻降低，所以对光照有不同的反应，光敏电阻就属于这种情况。能对太阳光线产生反应的元件还有光电二极管。这种半导体在没有光照时，只有微弱的电流；一旦阳光辐射增加，电流也随之增大。阳光辐射越强，电流越大。有些光电二极管能对其他光谱做出反应，例如，红外线或超声波光电二极管。

2.应用

（1）太阳能电池

太阳能电池被用作空调系统的发电机。

空调系统具有配备太阳能集电极的滑动天窗。各个电池在滑动天窗上组成一层膜并利用照射到汽车上的阳光辐射，将它转换为电能。将通过这种方法获得的能量用于驱动涡轮，涡轮可以更换车内的空气并因此降低车内温度。控制单元承担着系统功能的操作和调节。

（2）红外传感器（IR）

某些具有遥控功能的中控锁系统采用了红外传感器。

红外传感器元件由一组能对红外范围内的光线做出反应的光电二极管构成。在运行期间，传感器接收到发射器发出的（肉眼不可见的）信号，信号中含有关闭/打开锁芯机构的代码。

（3）其他应用

光电二极管作为光电传感器还可以用于测量阳光辐射。在空调系统中，光电二极管安装在仪表板内，流经它的电流强度取决于射入的光照。这样，控制单元就能调节空调运行。

六、压电传感器

1.工作原理

当材料受到压力而形变时会产生极化现象，这就是压电效应。根据所使用的材料，这种现象可能会造成微弱电压或改变材料电阻。某些自然晶体（石英）或人工晶体也有类似的原子排列方式，在受到压力时，它们的结构发生变形，电荷（电子和质子）沿逆时针方向移动，从而失去其自然的平衡状态，在两侧形成电压差。压电晶体的内部结构如图1-16所示。

基于此原理的压电传感器是有源传感器，并且可以开发成能够测量压力、振动和加速力的装置。另一种类型的传感器是压电电阻。它是一种无源传感器，当覆盖在氧化表面的硅化合物（半导体材料）薄膜的电阻变化时，它可以做出反应。当传感器的几何形状变化时，其原子的排列也发生改变，从而改变自由电子的路径并因此导致自身电阻的变化。

2.应用

（1）进气歧管压力传感器

这种压力传感器是无源传感器，它通过由电阻制成的分压器将进气歧管内的压力差转换为电压差，如图1-17所示。它由一个覆盖着薄膜的空腔构成，薄膜对进气歧管的绝对压力做出反应。在薄膜上是压电材料制成的电阻，这个电阻是测量电路的一部分。当薄膜由于进气歧管内的压力而变形时，传感器输出一个直接与当前压力强度（发动机负荷）成正比的电压值。

电子控制单元可以通过该信息确定发动机的功能参数。

（2）其他应用

还有许多有源传感器也是基于压电现象的，例如：

· 在电子点火系统中的爆燃传感器，如图1-18所示。

· 柴油发动机的转速和负荷传感器。

· 电子稳定程序（ESP）弯道半径传感器。

· 测量汽车加速度和减速度的安全气囊加速度传感器。

其他无源传感器还有：

· 为发动机电子系统测量重要气压的海拔传感器。

· 制动压力传感器。

七、超声波传感器

1.工作原理

超声波就是振动频率高于人类听觉感知范围的声波。当它穿过空气运动时，如果遇到物体或被弹回，则频率会发生改变。使用与能发出高频（超过40kHz）声波的陶瓷扬声器类似的发射器产生超声波，当接收器（与传声器类似）接收到振动时，它便发出能够感知电子的电信号。

2.应用

（1）车内空间监控传感器

超声波车内空间监控传感器在报警系统中被当作探测器使用。

发射器和接收器均位于车内。发射器产生超声波信号，接收器感知回声并将其转换为电信号（就像传声器一样），如图1-19所示。汽车内部出现任何运动，记录的回声都会发生变化。控制单元通过该信号确定是否有未经授权的人员侵入汽车内部。

（2）其他应用

超声波的另一种应用是作为自动泊车系统（APS）的超声波传感器。

八、高频传感器

1.工作原理

通过无线电波发送和接收的电信号称为高频信号。这个定义指的是通过车内发出和接收的无线电波进行通信的信号。

在车内发射并含有信息的电波由流经天线的高频交流电产生。接收器接收电波，将其转换为指令，从而进行激活、关闭等。

2.应用

（1）遥控器

高频遥控系统由小型的便携式发射器和车内的接收器构成，如图1-20所示。

操作发射器时，产生含有信息代码的载波向四周发射。接收器接收代码并与其程序中的内容比对，只有两者相同时，才会激活指令中规定的功能：激活或关闭中控锁或者激活或关闭报警装置。

（2）其他应用

另一种高频传感器元件是接收天线。

电子防盗锁止系统的钥匙的读取单元就是接收天线。另一种天线类型是音频天线，它可以是有源天线的结构。它具有放大信号的电子装置并且因为其尺寸小，可以插在天线内。音频天线也可以是无源天线的结构，与有源天线相比，它不需要自己的电源。因此，某些频段的接收质量取决于天线的位置。

九、断路器和切换开关传感器

1.工作原理

许多传感器通过机械操作、热操作或其他物理变化发出信号。一般它们的功能仅限于接通或切断电路，这个过程代表了命令的执行。

2.应用

（1）机油压力开关

这个断路器也被称为压力开关，该压力开关和机油循环回路相连并将其校准为一特定的压力。

通过油底壳内的机油压力操作这个开关。当达到一定的补偿压力时，电路接通或断开，仪表板中的指示灯熄灭，如图1-21所示。

（2）风扇热敏开关

风扇热敏开关可以打开发动机冷却液散热器的风扇。这要通过转换系统完成：转换系统在不同的温度下激活两个触点，风速分为两个不同的速度等级。传感器元件由蜡质胶囊构成。蜡质胶囊受温度影响时膨胀，并在膨胀时被校准为不同力的两个触点相接触。

结果是在符合特定温度的撞击力作用下，触点接合电路。

（3）碰撞传感器

这种传感器用于识别可能的碰撞。传感器单元由4块膜片、2个金属球和2个橡胶分离器组成。中间膜片经过磁化并且作为开关的触点。

碰撞传感器工作原理：正常状态时，金属球在磁场作用下贴在膜片上；出现碰撞时，金属球的重力克服磁场，从原来的位置松开，金属球接触膜片并接通电路，如图1-22所示。

（4）玻璃破碎传感器

这种传感器是一条细金属丝，它是电路的一部分并且被嵌入玻璃中。玻璃破碎时，电路断开并且触发警报装置，工作原理如图1-23所示。

（5）其他应用

还有很多基于机械操作的应用，例如：

· 中控锁的车门锁开关。

· 打开车内照明灯的车门断路器。

· 车窗升降机开关。

· 自动变速器的多功能开关。

· 制动灯开关。

十、开关式传感器

常规的开关是控制部件，现在汽车采用的开关大多是传递信号的传感器，称为开关式传感器。

开关式传感器一般有两种状态：断开或闭合。当需要知道被监测的部件或装置处于两个状态中的某一个时，可以使用开关式传感器向控制模块提供信息。几乎所有的电控系统都至少有一个开关传感器输入电路。

（1）开关式传感器输入电路

开关式传感器输入电路仅提供高/低（HI/LO）或开/关（ON/OFF）信号。开关位置电路产生0V或外加电压信号。开关电路分为电源侧或接地侧开关，如图1-24所示。其中，3/62为接地侧开关；3/9为电源侧开关。

（2）接地侧开关传感器电路

如图1-25所示，接地侧开关传感器电路由电压调节器、限流电阻R₁和电压表构成完整回路。

（3）电源侧开关传感器电路

电源侧开关传感器电路如图1-26所示，控制模块中除了没有电压调节器外，其他元件均与接地侧开关传感器电路相同。此电路由外部电源如蓄电池或点火开关供电。限流电阻串接在开关与地线之间。

你学会了吗？

1.汽车传感器按工作原理分类主要有哪些？

2.电磁传感器是怎样工作的？车上的具体应用有哪些（至少列举两个）？

3.霍尔传感器是怎样工作的？车上的具体应用有哪些（至少列举两个）？

4.电导率传感器是怎样工作的？车上的具体应用有哪些（至少列举两个）？

5.光电传感器是怎样工作的？车上的具体应用有哪些（至少列举一个）？

6.压电传感器是怎样工作的？车上的具体应用有哪些（至少列举一个）？