第一章 汽车电控系统传感器原理及检修

第一节 传感器概述

一、传感器的组成

传感器是将各种非电量（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于传输和处理的另一种物理量（一般为电量）的装置。

传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，必要时还需要辅助电源电路，组成框图如图1-1所示。

敏感元件是指能直接感受（或响应）被测量的部分，即将被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其他量。在将非电量变换成电量的过程中，并非所有的非电量都能利用现有手段直接变换为电量，往往需要先将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量，然后再变换为电量。因此在传感器中，各种类型的弹性元件常被称为敏感元件，并统称为弹性敏感元件。

转换元件是指将感受到的非电量直接转换为电量的器件，例如，压电晶体、热电偶等。需要特别指出的是，并非所有的传感器都包括敏感元件和转换元件。如热敏电阻、压敏电阻和光电元件等，这些传感器的敏感元件和转换元件可以合二为一，如固态压阻式压力传感器、热敏电阻式温度传感器等。

测量电路是指将转换元件输出的电量转变成便于显示、记录、控制和处理等电信号的电路。测量电路的类型取决于转换元件的类型，常用的有电桥电路、脉冲调制电路、振荡电路和高阻抗输入电路等。

二、传感器的分类

传感器种类繁多、形式各异，目前尚无统一的分类方法，常用分类方法有以下几种。

1．按输入量分类

如输入量分别为温度、压力、位移、速度、加速度、湿度等非电量，则将传感器相应的称为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、湿度传感器等。这种分类方法简单实用，使用者根据测量对象即可方便的选择所需的传感器。

2．按测量原理分类

现有传感器的测量原理主要是基于电磁原理和固体物理学理论。例如，根据各种效应的原理，相应的有霍尔式、磁感应式、光电效应式、压电效应式传感器等；根据电阻变化的原理，相应的有电位器式、应变式传感器；根据磁阻变化的原理，相应的有电感式、差动变压器式、电涡流式传感器；根据半导体有关理论，相应的有半导体力敏、热敏、光敏、气敏等固态传感器。

3．按结构与物理性能分类

传感器按结构与物理性能可分为结构型和物性型两种类型。

结构型传感器主要是指通过机械结构的几何形状或尺寸的变化，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测信号的传感器。汽车上采用的空气流量传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、车身高度传感器、车速传感器以及各种液位传感器均属于结构型传感器。

物性型传感器又称为固态传感器，是指利用材料本身物理性质的变化，从而检测出被测信号的传感器。物性型传感器是以半导体、导体、铁氧体材料等作为敏感材料的固态器件，传感器的特性与其材料的性能密切关联。例如，由光—电变换元件（半导体光电池）、磁—电变换元件（铁氧体）、温度—电阻（热敏电阻）、压力—电变换元件（压敏电阻）、气体—电变换元件、浓差电池、吸附效应型半导体、氧化还原型半导体等制成的传感器都属于物性型传感器。汽车上采用的热敏电阻式温度传感器、压电效应式爆震传感器、氧化锆和氧化钛式氧传感器以及压阻效应式压力传感器等都属于物性型传感器。

三、车用传感器的种类

在汽车电子控制系统中，传感器相当于人的眼、耳、鼻、舌、身等五官，担负着向电控单元提供各种信息的任务。汽车型号和档次不同，装备传感器的多少也不相同。有的汽车只有几只传感器，如发动机控制系统只有6～8个，有的汽车则装备有50多个传感器。一般来说，汽车装备传感器越多，则其档次也越高。按检测项目不同，汽车电子控制系统所用传感器可分为以下几种类型。

（1）流量传感器。如发动机燃油喷射系统采用的叶片式、量芯式、涡流式、热丝式与热膜式空气流量传感器等。

（2）位置传感器。如发动机燃油喷射与点火控制系统采用的曲轴位置传感器（又称为发动机转速与曲轴转角传感器）、凸轮轴位置传感器、节气门位置传感器；悬架控制系统采用的车身位置（又称为车身高度）传感器以及各种液面位置（或高度）传感器；自动变速系统采用的选挡操纵手柄位置传感器；巡航控制系统采用的节气门拉线位置传感器等。

（3）压力传感器。如发动机控制系统采用的进气歧管压力传感器、大气压力传感器、排气压力传感器、汽缸压力传感器、燃油压力传感器等。

（4）温度传感器。如发动机控制系统采用的冷却液温度传感器、进气温度传感器、排气温度传感器、燃油温度传感器；自动变速系统采用的自动传动液温度传感器；空调控制系统采用的车内温度传感器等。

（5）浓度传感器。如发动机控制系统采用的氧传感器；安全控制系统采用的酒精浓度传感器等。

（6）爆震传感器。如发动机控制系统采用的氧传感器。

（7）速度传感器。如防抱死制动系统采用的车轮速度传感器、车身纵向和横向加（减）速度传感器；发动机控制系统采用的转速传感器；发动机、自动变速以及巡航控制系统采用的车速传感器；变速器输出轴转速传感器等。

（8）碰撞传感器。如辅助防护系统采用的滚球式、滚轴式、偏心锤式、压电式碰撞传感器等。

四、传感器的发展趋势

当电子技术在1975年进入“超大规模集成”阶段时，在每块芯片上只能集成一万多个电子元件，到20世纪90年代末期电子技术进入“微电子时代”时，在几十平方毫米的芯片上，可以集成上百万个电子元件。电子技术的进步和材料科学的发展，为汽车传感器的发展创造了极为有利的条件。从传感器技术发展的前景来看，主要具有以下几个特点。

（1）传感器固态化。物性型传感器（即固态传感器）包括半导体、导体和强磁性体3种类型。在固态传感器中，半导体传感器的发展最引人注目。这是因为半导体传感器不仅灵敏度高、响应速度快、体积小、质量轻，而且便于实现集成化和多功能化。例如，目前最先进的固态传感器，在一块芯片上可以同时集成差压、静压、温度3个传感器，使差压传感器具有温度和压力补偿功能。汽车上采用的压阻效应式压力传感器，也同时集成有静压、温度两个传感器，使压力传感器具有温度补偿功能。

（2）传感器集成化与多功能化。随着传感器应用领域的不断扩大，借助半导体的蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、精密加工及组装技术等，使传感器从单个元件、单一功能向集成化和多功能化方向发展。所谓集成化，就是利用半导体加工技术，将敏感元件、信息处理或转换元件以及电源电路等元件制作在同一芯片上，如集成压力传感器、集成温度传感器、集成磁敏传感器等。多功能化是指传感器具有多种参数的检测功能，如半导体温湿敏传感器、多功能气体传感器等。汽车发动机控制系统采用的热膜式空气流量传感器就是一种集成化、多功能传感器，不仅具有测量空气流量的功能，而且还有温度补偿功能。

（3）传感器智能化。智能传感器是指带有微型计算机，并具有信息检测与处理功能的传感器。智能传感器通常将信号检测、处理和驱动回路等外围电路全部集成在一块基片上，使传感器具有自诊断、远距离通信、自动调整零点和量程等功能。