传感器在发动机中的典型应用

1.曲轴转动位置及转速检测传感器

图15－13所示为曲轴转动位置、转速传感器。这类传感器一般安装在曲轴端部飞轮上或分电器内，由磁电型、磁阻型、霍尔效应型、威耿德 （Weigand）磁线型等信号发生器测定曲轴转动位置及转速。磁电型 ［图15－13（a）］和磁阻型 ［图15－13（b）］的工作原理是利用齿轮或具有等间隔的凸起部位的圆盘在旋转过程中引起感应线圈产生与转角位置和转速相关的脉冲电压信号，经整形后变为时序脉冲信号，通过计算机计算处理来确定曲轴转角位置及其转速。这类传感器一般安装在曲轴端部飞轮上或分电器内。霍尔效应型 ［图15－13（c）］也有一个带齿圆盘，当控制电流Ic流过霍尔元件时，在垂直于该电流的方向加上磁场B，则在垂直于Ic和B的方向产生输出电压，经放大器放大输出Eo。利用这种霍尔效应制作的传感器已用于汽车，其中最受重视的是Ga As霍尔元件。威耿德磁线传感器是J.R.Weigand利用磁力的反向作用研制而成，其原理如图15－13（d）所示。它利用0.5Ni－0.5Fe磁性合金制成丝状，并进行特殊加工，使其外侧矫顽力和中心部位不同。当外部加给磁线的磁场超过临界值时，仅仅在中心部位引起反向磁化。若在威耿德磁线上绕上线圈，则可利用磁场换向产生脉冲电压。因此，威耿德磁线与磁铁配对，可构成磁性传感器。这种传感器不用电源，使用方便，用在汽车上可检测转速和曲轴角。光电型传感器由发光二极管、光纤、光敏三极管等构成，利用光的通断可检测曲轴转角位置与转速。这种传感器具有抗噪声能力强及安装地点易于选择等优点，但不耐泥、油污染。

2.压力传感器

汽车发动机的负荷状态信息通过压力传感器测量气缸负压即可知道，发动机根据压力传感器获取的信息进行电子点火器控制。汽车用压力传感器不仅用于检测发动机负压，还可用于检测其他压力，其主要功能是：

①检测气缸负压，从而控制点火和燃料喷射；

②检测大气压，从而控制爬坡时的空燃比；

③检测涡轮发动机的升压比；

④检测气缸内压；

⑤检测EGR（废气再循环）流量；

⑥检测发动机油压；

⑦检测变速箱油压；

⑧检测制动器油压；

⑨检测翻斗车油压；

⑩检测轮胎空气压力。

图15－13 曲轴转动位置、转速传感器

（a）磁电型；（b）磁阻型；（c）霍尔效应型；（d）威耿德磁线型1—磁铁；2—感应线圈；3—软铁芯；4—检测用带齿转盘；5—霍尔元件；6—Weigand组件

汽车用压力传感器目前已有若干种，但从价格和可靠性考虑，当前主要用压阻式压力传感器和静电电容式压力传感器。压阻式压力传感器由3mm×3mm×3mm的硅单晶片构成，晶面用化学腐蚀法减薄，在其上面用扩散法形成4个压阻应变片膜。这种传感器的特点是灵敏度高，但灵敏度的温度系数大。灵敏度随温度的变化用串联在压阻应变片桥式电路上的热敏电阻进行补偿，不同温度下零点漂移由并联在应变片上的温度系数小的电阻增减进行补偿。

图15－14所示为压阻应变式压力传感器 （亦称真空传感器）的原理图。它实际上是一个由硅杯组成的半导体应变元件，硅杯的一端通大气，另一端接发动机进气管。其结构原理如图15－14（a）所示，硅杯的主要部位为一个很薄 （3pm）的硅片，外围较厚 （约250pm），中部最薄。硅片上、下两面各有一层二氧化硅膜。在膜层中，沿硅片四周有4个应变电阻。在硅片四角各有一个金属块，通过导线与应变电阻相连。在硅片底部粘贴了一块硼硅酸玻璃片，使硅膜中部形成一个真空窗以感应压力。使用时，用橡胶或塑料管将发动机吸气歧管的真空负压连接到真空窗口 （真空室）即可。传感器的4个电阻连接成桥形电路，如图15－14（b）所示，无变形时将电桥调到平衡状态。当硅杯2中硅片1受真空负压弯曲时，引起电阻值的变化，其中R1和R4的阻值增加，R2和R3的阻值等量减小，使电桥失去平衡，从而在a、b端形成电势差。此电势差正比于进气真空度，故作为发动机的负荷信号。

图15－14 压阻应变式压力传感器的原理图

（a）结构原理图；（b）转换电路图1—硅片；2—硅杯；3—真空室；4—硼硅酸玻璃片；5—二氧化硅膜；6—传感电阻；7—金属块；8—稳压电源；9—差动放大器

图15－15所示为较早使用的膜盒线性差动变换压力传感器的原理图。膜盒2外部腔与吸气歧管相通，随着气压的变化，膜盒2带动芯子做直线运动，通过差动变换器3将芯子位移信号检测输出，从而计算负压大小。

3.爆震传感器

爆震指燃烧室中本应逐渐燃烧的部分混合气突然自燃的现象。这种现象通常发生在离火花塞较远区域的末端混合气中。爆震时，产生很高强度的压力波冲击燃烧室，所以能听到尖锐的金属部件敲击声。爆震不仅使发动机部件承受高压，而且使末端混合气区域的金属温度剧增，严重的可使活塞顶部熔化。点火时间过早是产生爆震的一个主要原因。由于要求发动机能够发出最大功率，点火时间最好能提早到刚好不至于发生爆震的程度。但在这种情况下，发动机的工况略有改变，就可能发生爆震而造成损害。过去为避免这种危险，通常采用减小点火提前角的办法，但这样要损失发动机的功率。为了不损失发动机的功率及不产生爆震现象，必须研制和应用爆震传感器。发动机爆震时产生的压力波的频率范围为1～10k Hz。压力波传给缸体，使其金属质点产生振动加速度。加速度计爆震传感器就是通过测量缸体表面的振动加速度来检测爆震压力的强弱，如图15－16（a）所示。这种传感器用螺纹旋入气缸壁，其主要元件为一个压电元件 （压电陶瓷晶体片）1，螺钉使一个惯性配重2压紧压电片而产生预加载荷。载荷大小影响传感器的频率响应和线性度。图15－16（b）所示的爆震压力波作用于传感体时，通过惯性配重2使压电元件1的压缩状况产生约20m V／g的电动势。传感器以模拟信号 （小电流）传输给微型电子计算机，经滤波后，再转换成指示爆震后爆震的数字信号。当逻辑电路感测到爆震数字脉冲时，控制计算机立即发出指令推迟点火时间，以消除爆震。

图15－15 膜盒线性差动变换压力传感器的原理图

1—接吸气歧管；2—膜盒；3—差动变换器

图15－16 加速度计爆震传感器

（a）测量缸体表面振动加速度来检测爆震压力的强弱；（b）爆震传感器检测、传输于输出信号1—压电元件；2—惯性配重；3—输出引线；4—传感器；5—气缸壁

4.冷却液温度传感器

目前使用的温度传感器主要是热敏电阻和铁氧体热敏元件。冷却液温度传感器常用一个铜壳，与需要测量的物体接触，壳内装有热敏电阻。一般金属热敏电阻的阻值随温度升高而增加，具有正温度系数。与此相反，由半导体材料 （最常用的是硅）制成的传感器具有负温度系数，其电阻值随温度升高而降低。使用时，传感器装在发动机冷却水箱壁上，其输出的与冷却液温度成比例的直流电压作为修正点火提前角的依据。发动机冷却液温度传感器采用正温度系数的热敏电阻。