【正文】 第五章 傳感器與執(zhí)行器一、 傳感器概述傳感器的概念：指能感受規(guī)定的物理量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。簡單的說，傳感器即使把非電量轉(zhuǎn)換成電量的裝置。汽車傳感器的工作條件極為惡劣，因此，傳感器能否精確可靠地工作至關(guān)重要。在該領(lǐng)域中，理論研究及材料應(yīng)用發(fā)展迅速，半導(dǎo)體和金屬膜技術(shù)研究及材料應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，半導(dǎo)體和金屬膜技術(shù)、陶瓷燒結(jié)技術(shù)等得到迅猛發(fā)展。智能化、集成化和數(shù)字化將是傳感器的未來發(fā)展趨勢。傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及測量電路組成。敏感元件是指能直接感受被測量的部分。轉(zhuǎn)換元件是指能將非電量轉(zhuǎn)換成電量的部分。有些敏感元件可以直接輸入電量。測量電路是指將轉(zhuǎn)換元件輸入的電量經(jīng)過處理，以便進(jìn)行顯示、記錄和控制的部分。測量電路中較多的使用電橋電路。比如后面要講到的熱線式空氣流量計。傳感器的種類比較多，像我們一般碰到的傳感器一般有：溫度傳感器（冷卻水溫度傳感器THW，進(jìn)氣溫度傳感器THA）；流量傳感器（空氣流量傳感器，燃油流量傳感器）；進(jìn)氣壓力傳感器MAP節(jié)氣門位置傳感器TPS發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器車速傳感器SPD曲軸位置傳感器（點(diǎn)火正時傳感器）氧傳感器爆震傳感器（KNK）傳感器的特征參數(shù)也有很多，且不同類型的傳感器，其特征參數(shù)的定義和要求也各有差異。下面我們來介紹一些主要的、通用的靜態(tài)特性參數(shù)指標(biāo)的定義。 靈敏度概念：靈敏度是指溫態(tài)時傳感器輸出量y與輸入量x之比，或者是傳感器輸出量y的增量與輸入量x的增量之比。靈敏度用K表示為K=dy/dx，線性傳感器的靈敏度為一常數(shù)，而非線性的傳感器的靈敏度是隨輸入量變化的。 分辨率概念：傳感器在規(guī)定的測量范圍內(nèi)能夠檢測出的被測量的最小變化量。由于分辨率要受到嘈聲的限制，我們就用相當(dāng)于 嘈聲電平N若干倍C 的被測量表示分辨率，即M=CN/K，式中，M為最小檢測量；C取15。 測量范圍和量程在允許的誤差范圍內(nèi)，被測量的下限到上限之間的范圍稱為測量范圍。上限值與下限值之差稱為量程。 線性度（非線性誤差）在規(guī)定的條件下，傳感器校準(zhǔn)曲線與擬和直線間的最大偏差與滿量程輸出值的百分比，稱為線性度或非線性度誤差。 遲滯遲滯是指在相同的條件下，傳感器的正行程特性與反行程特性的不一致程度。 重復(fù)性重復(fù)性是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測量范圍內(nèi)連續(xù)變化多次所得特性曲線的不一致性。 零漂和溫漂零漂是指在無輸入或輸入為某一定值時，每隔一段時間，其輸入值偏離原示值的最大偏差與滿量程的百分比。溫漂是指溫度每升高1度，傳感器輸出值的最大偏差與滿量程的百分比。二、空氣流量傳感器 為了形成符合要求的混合氣，使空燃比達(dá)到最佳值，我們就必須對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣空氣流量進(jìn)行精確控制。下面我們來介紹一下幾種常用的空氣流量傳感器。 風(fēng)門式空氣流量計這種空氣流量計安裝在空氣濾清器和節(jié)氣門之間。作用：檢測吸入空氣量的多少，并把檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換成電信號。組成：風(fēng)門式空氣流量計由兩大部分組成，一是擔(dān)任檢測任務(wù)的風(fēng)門部分（看圖24a），二是擔(dān)任轉(zhuǎn)換任務(wù)的電位計（看圖24b）。 節(jié)氣門與電位計之間的關(guān)系圖 由圖24a可知，空氣流量計的風(fēng)門部分由測量葉片、緩沖葉片及殼體組成。測量葉片隨空氣流量的變化在空氣主通道內(nèi)偏轉(zhuǎn)。電位計部分主要由電位計、回位彈簧、調(diào)整齒圈等組成。由節(jié)氣門與電位計之間的關(guān)系圖可知，風(fēng)門式空氣流量計是根據(jù)空氣流動產(chǎn)生的壓力差將風(fēng)門葉片推開的原理進(jìn)行工作的。而電位計與風(fēng)門葉片是同軸的，所以當(dāng)葉片偏轉(zhuǎn)時，電位計滑臂必然轉(zhuǎn)動。由于轉(zhuǎn)軸一端裝有螺旋回位彈簧，當(dāng)其彈力與吸入空氣流量對測量葉片產(chǎn)生的推力平衡時，風(fēng)門葉片就會處于某一個穩(wěn)定偏轉(zhuǎn)位置，而電位計滑臂也處于鍍膜電阻的某一對應(yīng)位置。如下圖是葉片式空氣流量計的檢測圖，蓄電池的電壓經(jīng)主繼電器加到空氣流量計的VB端子上，Vc端子的電壓加到電子控制器上，其值是由VB與 Vc間的電阻、Vc與E2之間的電阻來決定的，當(dāng)然Vc端子的電阻稍稍要低于VB端子的電壓，且大致為一定值。VS端子的電壓隨動觸點(diǎn)的移動而變化。也就是說，風(fēng)門葉片的開度大時，VS端子的電壓升高；當(dāng)開度減少時，VS端子的電壓下降。VS端子電壓是理解空氣流量計時的一個重要數(shù)據(jù)。電子控制器根據(jù)Vc端子電壓和VS端子電壓之差與蓄電池VB端子電壓比來求得進(jìn)氣量，見下式Q=K（VcVS）/VB，式中Q為進(jìn)氣量，K為系數(shù)，Vc 、VS、 VB分別是Vc 、VS、 VB的端子電壓。 THA E1 Fc E2 VB VC VS 搭鐵 油泵開關(guān) 傳感器 電瓶電壓 基準(zhǔn)電壓 信號電壓 空氣溫度電壓 搭鐵 葉片式空氣流量計的檢測燃油泵控制觸點(diǎn) 電位器（可變電阻） 固定電阻 Q—熱敏電阻（進(jìn)氣溫度電阻傳感器）風(fēng)門開度的大小與電壓Vc 、VS與 VB之間的關(guān)系，大致可以如下圖所示。 在豐田1GEU型發(fā)動機(jī)上，電子控制器的VBE2間的電壓約為12V，VCE2之間的電壓為89V。在風(fēng)門全閉時。在風(fēng)門全開時。VCE2曲線 與VSE2曲線之間的距離越短，風(fēng)門開度越大。 下面我們在對空氣流量計的各部位加以說明，我們來看書上圖24a。在圖中空氣流量計葉片下側(cè)還有一個旁通空氣通道。當(dāng)主空氣道內(nèi)的節(jié)流閥將主空氣通道幾乎全閉時，允許有少量的空氣由此流過。在旁通空氣道上還設(shè)有一個怠速調(diào)節(jié)螺釘（CO調(diào)節(jié)螺釘），可以調(diào)節(jié)通過旁通道的空氣量，以調(diào)節(jié)怠速工況下的混合氣濃度。此怠速調(diào)節(jié)螺釘與節(jié)流閥旁通道的怠速調(diào)整螺釘?shù)淖饔檬遣煌?。?jié)流閥旁通道的怠速調(diào)整螺釘所調(diào)整的是怠速進(jìn)氣量，此進(jìn)氣量是由空氣流量計計量過的，調(diào)整它可以使進(jìn)入發(fā)動機(jī)的混合氣增多或減少，從而控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，但混合氣濃度基本不變。而空氣流量計中的旁通道的空氣流量計使不由流量計計量的，當(dāng)此旁通道截面面積變大時，流過葉片的空氣量相對變少，也就是經(jīng)過傳感器計量的空氣減少，因而就使噴油量減少，從而使混合氣變稀。因此，調(diào)節(jié)此螺釘改變的是混合氣濃度，也就是空燃比，從而調(diào)節(jié)怠速時的廢氣排放。值得注意的是，此螺釘大多數(shù)在出廠時已經(jīng)鉛封，是不可調(diào)的。在一些有ISCV（怠速控制閥）的發(fā)動機(jī)中，沒有此螺釘，ECU通過控制ISCV來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制。發(fā)動機(jī)起動、吸入空氣以后，電位計內(nèi)的燃油泵開關(guān)觸點(diǎn)閉合，使燃油泵的供電線路接通，燃油泵開始工作。當(dāng)發(fā)動機(jī)停止、不吸入空氣時，燃油泵觸點(diǎn)斷開，燃油泵停止工作。即根據(jù)風(fēng)門的工作狀態(tài)控制燃油泵電源。風(fēng)門式空氣流量計的結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，但進(jìn)氣阻力大，響應(yīng)較慢且體積較大。 卡門旋渦式空氣流量計卡門旋渦式空氣流量計的原理圖如下：渦流式空氣流量傳感器是利用超聲波或光電信號，通過檢測旋渦頻率來測量空氣流量的一種傳感器。眾所周知，當(dāng)野外架空的電線被風(fēng)吹時，就會發(fā)出“嗡、嗡”的聲音，且風(fēng)速越高聲音頻率越高，這是氣體流過電線后形成旋渦（即渦流）所致。液體、氣體等流體均會產(chǎn)生這種現(xiàn)象。同樣，如果我們在進(jìn)氣道中放置一個渦流發(fā)生器，比如說一個柱狀物，在空氣流過時，在渦流發(fā)生器后部將會不斷產(chǎn)生如圖所示的兩列旋轉(zhuǎn)方向相反，并交替出現(xiàn)的旋渦。這個旋渦就稱為卡門旋渦。卡門旋渦式空氣流量計就是利用這種這種旋渦形成的原理，測量氣體流速，并通過流速的測量直接反映空氣流量。對于一臺具體的卡門旋渦式空氣流量計，有如下關(guān)系式：qv=kf , qv為體積流量，f為單列旋渦產(chǎn)生的頻率，k為比例常數(shù)，它與管道直徑，柱狀物直徑等有關(guān)。由這個關(guān)系式可知，體積流量與卡門渦流傳感器的輸出頻率成正比。利用這個原理，我們只要檢測卡門旋渦的頻率f，就可以求出空氣流量。根據(jù)旋渦頻率的檢測方式的不同，汽車用渦流式空氣流量傳感器分為超聲波檢測式和光學(xué)式檢測式兩種。例如， 光電檢測渦流式空氣流量器；日本三菱吉普車、中國長風(fēng)獵豹吉普車和韓國現(xiàn)代轎車采用了超聲波檢測渦流式空氣流量傳感器。（1） 光學(xué)式卡門旋渦空氣流量計光學(xué)式卡門旋渦空氣流量計的工作原理圖可以看書上圖27。（具體結(jié)構(gòu)可視情況講述）現(xiàn)代物理學(xué)光的粒子說認(rèn)為，光是一種具有能量的粒子流，當(dāng)物體受到光照射時，由于吸收了光子能量而產(chǎn)生的效應(yīng)，稱為光電效應(yīng)。光敏晶體管是一種半導(dǎo)體器件，它的特點(diǎn)就是受到光的照射時，它們都會產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng)的光生伏特現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電流。工作原理：在產(chǎn)生卡門旋渦的過程中，旋渦發(fā)生器兩側(cè)的空氣壓力會發(fā)生變化，通過導(dǎo)孔作用在金屬箔上，從而使其振動，發(fā)光二極管的光照在振動的金屬箔上時，光敏晶體管接收到的金屬箔上的反射光是