2.3 电控燃油喷射系统传感器的结构原理
2.3.1 歧管压力传感器
1．歧管压力传感器的作用
歧管压力传感器（图2.25）用于测量发动机的进气量，又称为进气歧管绝对压力传感器或进气绝对压力传感器。歧管压力传感器采用间接测量方式测量进气量，即依据发动机的负荷变化测出进气歧管内绝对压力值，进而测算发动机的进气量。
图2.25 几种常见的歧管压力传感器实物图
2．歧管压力传感器的分类
歧管压力传感器按其信号产生的原理可分为电容式、半导体压敏电阻式、膜盒传动的可变电感式和表面弹性波式等。其中电容式和半导体压敏电阻式歧管压力传感器在D型燃油喷射系统中应用广泛。
1）电容式歧管压力传感器
电容式歧管压力传感器（MAP）利用传感器的电容效应测量进气歧管绝对压力，主要由氧化铝膜片及厚膜电极等构成，如图2.26所示。
图2.26 电容式歧管压力传感器
压力转换元件由可产生电容效应的厚膜电极构成，电极被附在氧化铝膜片上。当发动机进气歧管绝对压力变化时，可使氧化铝膜片产生变形，导致传感器电极的电容产生相应变化，引起与其相关的振荡电路的振荡频率发生相应变化。
ECU则根据传感器输出信号的频率便可确定进气歧管的绝对压力。其信号频率和进气歧管绝对压力值成正比，该频率在80～120Hz范围内变化。
2）半导体压敏电阻式歧管压力传感器
半导体压敏电阻式歧管压力传感器利用半导体的压阻效应测量进气歧管的绝对压力，主要由压力转换元件和将转换元件输出信号进行放大的混合集成电路等构成，如图2.27所示。
图2.27 半导体压敏电阻式歧管压力传感器
压力转换元件是利用半导体的压阻效应制成的硅膜片。硅膜片为约3mm2的正方形，其上面是真空室，而另一面则导入进气歧管压力，如图2.28所示。其中部经光刻、腐蚀形成直径约2mm，厚约50mm的薄膜，薄膜周围安置有4个应变电阻，且以惠斯顿电桥方式连接而成。
图2.28 半导体压敏电阻式歧管压力传感器工作原理
1—硅片；2—硅；3—真空管；4—硼硅酸玻璃片；5—二氧化硅膜；6—应变电阻；7—金属片；8—稳压电源；9—差动放大器
当硅膜片受力变形时，其中应变电阻R2和R4受拉，其电阻值随应力增加而增加；而应变电阻R1和R3受压，电阻变化则相反，即随应力增加而减小，使惠斯顿电桥失去平衡，有信号输出；此外，进气歧管绝对压力越大，硅膜片受力变形越大，输出的信号越强烈。该传感器的输出信号电压具有随进气歧管绝对压力的增大而呈线性增大的特性。
由于输出信号较弱，需用混合集成电路进行放大后再输出。该电路采用了差动电桥放大方式，可明显提高传感器灵敏度。
该类传感器具有尺寸小、精度高、成本低、响应性好、通用性强和测量范围广等优点，是目前进气压力传感器中最先进的一种，应用广泛。
3）膜盒传动的可变电感式（LVDT）歧管压力传感器
膜盒传动的可变电感式歧管压力传感器主要由膜盒、铁心、感应线圈和电子电路等组成，如图2.29所示。
图2.29 LVDT式歧管压力传感器
膜盒是由薄金属片焊接而成，其内部被抽成真空，外部与进气歧管相通，膜盒外表压力变化将使其产生膨胀和收缩。置于感应线圈内部的铁心与膜盒联动。
感应线圈由两个绕组构成，如图2.30所示，一个与振荡电路相连，产生交流电压，在线圈周围产生磁场；另一个为感应绕组，用于产生信号电压。
图2.30 LVDT式歧管压力传感器工作原理
当进气歧管压力变化时，膜盒带动铁心在磁场中移动，使感应线圈产生的信号电压随之变化，再将该电压信号送到电子电路，后经检波、整形和放大后，作为传感器的输出信号送至ECU。
4）表面弹性波式（SAW）歧管压力传感器
表面弹性波式（SAW）歧管压力传感器的结构如图2.31所示，在一块压电基片上用超声波加工出一薄膜敏感区，上面刻制换能器（压敏SAW延时线），换能器与电路组合成振荡器。
图2.31 SAW式歧管压力传感器
为了提高测量精度，补偿温度对基片的影响，在薄膜敏感区边缘设置一只性能相同的换能器（温基SAW延时线）。换能器是由在抛光的压电基片上设置两个金属叉指构成，若在输入换能叉指T1上加电信号，便因逆压电效应在基片表面上激励起弹性表面波，传播到换能叉指T2转换成电信号，经放大后反馈到T1，以便保持振荡状态。
表面弹性波（SAW）在两个换能叉指之间的传播时间即是所获得的延迟时间，其大小取决于两换能叉指间的距离。由于导入的歧管压力作用于压电基片上，压力变化使得薄膜敏感区产生应变，即换能叉指间距离发生变化，引起表面弹性波传播的延迟时间相应变化。根据与延迟时间成反比的振荡频率，即可输出绝对压力信号。
2.3.2 空气流量传感器
1．空气流量传感器的作用
空气流量传感器（AFS）又称为空气流量计（AFM），一般安装在进气道中空气滤清器的后方（图2.32），用于检测发动机的进气量，并将进气量信息转换成电信号输入ECU，以供ECU计算确定喷油时间（即喷油量）和点火时间，是发动机ECU计算喷油时间和点火时间的主要依据。
图2.32 空气流量传感器（空气流量计）的安装位置
2．空气流量传感器的分类
目前车用空气流量传感器主要有翼片式空气流量传感器、卡门涡旋式空气流量传感器和热式空气流量传感器等。
1）翼片式空气流量传感器
（1）翼片式空气流量传感器的结构。翼片式空气流量传感器（图2.33）由测量板（叶片）、缓冲板、阻尼室、旁通气道、怠速调整螺钉、回位弹簧等组成。此外，其内部还设有电动汽油泵开关及进气温度传感器等，如图2.34所示。
图2.33 翼片式空气流量传感器实物
图2.34 翼片式空气流量传感器结构
当点火开关接通而不起动发动机时，电动汽油泵开关控制电动汽油泵不工作，一旦翼片式空气流量传感器中有空气流过时，此开关闭合，电动汽油泵开始工作。
翼片由测量叶片和缓冲叶片组成，两者铸成一体。叶片转轴安装在壳体上，转轴一端装有螺旋回位弹簧。
当回位弹簧的弹力与吸入空气气流对测量叶片的推力平衡时，叶片即处于稳定位置。测量叶片随进气量的变化在空气主通道内发生偏转，缓冲叶片在缓冲室内与其同步偏转，缓冲室对叶片起阻尼作用。当发动机吸入空气量急剧变化和气流脉动时减小翼片的脉动，使翼片运转平稳。
在空气流量传感器空气主通道的下方设置有空气旁通通道，在旁通通道的一侧安置了可改变旁通空气量的CO调整螺钉，以便在小空气流量时对空气流量传感器的输出特性进行调节。
发动机怠速时的A/F，因发动机、燃油喷射装置及系统的不同，会出现若干偏差，因此也同样需要通过调整旁通通道面积，使空气流量传感器的输出与目标值一致。
电位计安装在空气流量传感器壳体上方，内装有平衡配重、滑臂、回位弹簧、调整齿扇和印刷电路板等，如图2.35所示。
图2.35 电位计
螺旋回位弹簧的一端固定在翼片转轴上，另一端固定在调整齿扇上。调整齿扇用卡簧定位，其上有刻度标记。改变调整齿扇的固定位置，可调整回位弹簧的预紧力，使用中用以调整空气流量传感器的输出特性。
翼片转轴上端装着平衡配重和滑臂，随翼片一起动作，滑臂与印刷电路板上的镀膜电阻接触，并在其上滑动。
印刷电路板采用陶瓷基镀膜工艺制成，由可变电阻、汽油泵开关和进气温度传感器电路组成。
可变电阻的中央抽头是与翼片转轴联动的滑臂，且通过接线连接器将进气量信号输出。汽油泵开关触点也受翼片转轴的控制，当翼片处于静止位置时，汽油泵控制触点被顶开，切断汽油泵电路；当翼片偏转时，触点闭合，接通汽油泵电路。进气温度传感器安装在空气流量计主空气通道的进气口上。
由于不同温度时的空气密度不同，因此不同温度下同一体积的空气具有不同的质量。翼片式空气流量传感器只能测进气量而不能测进气质量。利用进气温度传感器，可对进气量信号进行修正，以提高进气量的测量精度。
（2）翼片式空气流量传感器的工作原理。如图2.36所示，当空气通过空气流量传感器主通道时，翼片将受到吸入空气气流的压力及回位弹簧的弹力作用，当空气流量增大，则气流压力增大，使翼片逆时针偏转α角，直到两力平衡为止。
图2.36 翼片式空气流量传感器工作原理
1—电位计；2—来自空气滤清器的空气；3—到发动机的空气；4—测量板；5—电位计滑动触头；6—旁通空气通道
与此同时，电位计中的滑臂与翼片同轴旋转，使得滑片电阻输出电位VS提高，即电压US减小。ECU则根据空气流量传感器输出的US/UB电压比信号，测量发动机的进气量。US/UB信号与空气流量成反比，且线性下降，当吸入的空气流量减小时，翼片转角α减小，US电压值上升，则US/UB的电压比值随之增大。
2）卡门涡旋式空气流量传感器
直接用电子方法测量进气量，与翼片式空气流量传感器相比，具有体积小、质量轻、进气道简单、进气阻力小等优点。
卡门涡旋式空气流量传感器（Karman Scroll Type Air Flow Meter）在进气管道中央设置一个锥体状的涡流发生器，当空气流过时，在涡流发生器的后部将会不断产生称之为卡门涡旋的涡流串，若测出卡门涡流的频率便可感知进气量的大小。
按照涡旋数的检测方式不同，卡门涡旋式空气流量传感器有超声波检测方式和反光镜检测方式两种。
采用超声波检测方式的卡门涡旋式空气流量传感器，如图2.37所示。
图2.37 卡门涡旋式空气流量传感器（超声波检测方式）
1—整流栅；2—涡旋发生体；3—涡旋稳定板；4—信号发生器（超声波发射头）;5—超声波发生器；6—通往发动机；7—卡门涡旋；8—超声波接收器；9—与涡旋数对应的疏密声波；10—整形放大电路；11—旁通通路；12—通往ECU;13—整形成矩形波（脉冲）
利用卡门涡旋引起的空气疏密度变化进行测量，用接收器接收连续发射的超声波信号，因接收到的信号随空气疏密度的变化而变化，由此即可测得涡旋频率，从而测得空气流量。
在卡门涡旋发生区空气通道的两侧，分别装上超声波发生器5和超声波接收器8，超声波发射头4沿涡旋的垂直方向发射超声波，由于涡旋使超声波的传播速度发生变化，超声波受到周期性的调制，使其振幅、相位、频率发生变化。
这种被调制后的超声波被超声波接收器接收后，变换成相应的电压，再经整形、放大电路，形成与涡旋数目相应的矩形脉冲信号，然后送入发动机ECU作为空气流量信号。
采用反光镜检测方式的卡门涡旋式空气流量传感器，如图2.38所示。
图2.38 卡门涡旋式空气流量传感器（反光镜检测方式）
1—反光镜；2—发光二极管；3—弹性钢片；4—空气流；5—卡门涡旋；6—涡旋发生体；7—压力导向孔；8—光电品体管；9—进气管路；10—支承板
将卡门涡旋发生器两侧的压力变化，通过导压孔而引向薄金属制成的反光镜表面，使反光镜产生振动，反光镜一边振动，一边将发光二极管发射来的光反射给光电晶体管，涡旋频率在压力作用下转换成镜面的振动频率，镜面的振动频率通过光电耦合器转换成脉冲信号，进气量愈大，脉冲信号的频率愈高；进气量愈小，脉冲信号频率愈低。ECU根据该脉冲信号的频率检测进气量（当然也要经过进气温度修正）和基准点火提前角。
由于卡门涡旋式空气流量传感器没有可动部件，反应灵敏，测量精度高，故应用广泛。
卡门涡旋式空气流量传感器与翼片式空气流量传感器直接测得的均是空气的体积流量，因此在空气流量传感器内均装有进气温度传感器，以便对随气温而变化的空气密度进行修正，从而正确计算出进气的质量流量。
3）热式空气流量传感器
热式空气流量传感器有热线式和热膜式两种形式，直接检测发动机吸入空气的质量流量，检测原理完全相同。
热线式空气流量传感器的检测元件是铂金属丝，热膜式空气流量传感器的检测元件是铂金属膜。铂金属检测元件的响应速度很快，能在几毫秒内反映出空气流量的变化，因此测量精度不受进气气流脉动的影响（气流脉动在发动机大负荷、低转速运转时最为明显）。此外还具有进气阻力小、无磨损部件等优点，目前大多数中高档轿车都采用这种传感器。
热线式与热膜式空气流量传感器主要由发热元件（热线或热膜）、温度补偿电阻（冷丝或冷膜）、信号取样电阻和控制电路等组成。
（1）热线式空气流量传感器。传感器壳体两端设置有与进气道相连接的圆形连接接头，空气入口和出口都设有防止传感器受到机械损伤的防护网。传感器入口与空气滤清器一端的进气管连接，出口与节气门体一端的进气管连接，如图2.39所示。
图2.39 热线式空气流量传感器
1—传感器密封盖；2—印刷控制电路板；3—卡环；4—防护网；5—温度补偿电阻丝（冷丝）;6—铂金属丝（热线）;7—取样管；8—CO调整螺钉；9—防护塞；10—接线插座
传感器内部套装有一个取样管，管中设有一根直径很小（约70μm）的铂金属丝作为发热元件，称为热线，并制作成Π形张紧在取样管内。
由于进气温度变化会使热线的温度发生变化而影响进气量的测量精度，因此在热线附近的气流上游设有一只温度补偿电阻。该温度补偿电阻相当于一只进气温度传感器，其电阻值随进气温度的变化而变化。当进气温度降低（或升高）使发热元件的电阻值减小（或增大）时，温度补偿电阻的电阻值也会减小（或增大）。
温度补偿电阻的温度起到参考基准的作用，控制电路提供的电流将使温度补偿电阻的温度始终低于发热元件的温度（120℃），使进气温度的变化不至于影响发热元件（热线）测量进气量的精度。
（2）热膜式空气流量传感器。热膜式空气流量传感器（图2.40）对热线式空气流量传感器进行了改进，其发热元件采用平面形铂金属薄膜（厚约200μm）电阻器，故称为热膜电阻。
图2.40 热膜式空气流量传感器
1—接线插座；2—护套；3—铂金属膜；4—防护网
捷达AT、GTX和桑塔纳2000GSi型轿车均采用了热膜式空气流量传感器。
热膜式空气流量传感器内部的进气通道上设有一个矩形护套（相当于取样管），热膜电阻设在护套内。为了防止污物沉积到热膜电阻上影响测量精度，在护套的空气入口侧设有空气过滤网，用于过滤空气中的污物。
为了防止进气温度变化使测量精度受到影响，在热膜电阻附近的气流上游设有铂金属膜式温度补偿电阻，如图2.41所示。
图2.41 热膜式空气流量传感器内部元件
1—控制回路；2—通往发动机；3—热膜；4—进气温度传感器；5—金属网
温度补偿电阻和热膜电阻与传感器内部控制电路连接，控制电路与线束连接器插座连接，线束插座设在传感器壳体中部。
热膜式空气流量传感器与热线式空气流量传感器相比，由于热膜电阻的电阻值较大，所以消耗电流较小，使用寿命较长，但其发热元件表面制作有一层绝缘保护膜，起到辐射热传导作用，因而响应特性略低于热线式空气流量传感器。
3．空气流量传感器的性能比较
空气流量传感器的性能比较见表2-1。
表2-1 空气流量传感器性能比较
2.3.3 节气门位置传感器
1．节气门位置传感器的作用
发动机工况（如起动、怠速、加速、减速、小负荷和大负荷等）不同，对混合气浓度的要求也不相同。节气门位置传感器（图2.42）将节气门开度（即发动机负荷）大小转变为电信号输入发动机ECU，以便确定A/F的大小。
图2.42 节气门位置传感器
在装备电子控制自动变速器的汽车上，节气门位置传感器信号还要输入变速器ECU，作为确定变速器换挡时机和变矩器锁止时机的主要信号。
图2.43 节气门位置传感器的安装位置
节气门位置传感器（TPS）一般都安装在节气门体上节气门轴的一端（图2.43）。
2．节气门位置传感器的分类
按结构不同，节气门位置传感器分为触点式、可变电阻式、触点与可变电阻组合式3种类型；按输出信号的类型不同，节气门位置传感器可分为线性（量）输出型和开关（量）输出型。
1）触点式节气门位置传感器
（1）结构特点。触点式节气门位置传感器主要由节气门轴、大负荷触点（又称为功率触点）、凸轮、怠速触点和接线插座组成，如图2.44所示。
图2.44 触点式节气门位置传感器的结构特点
1—节气门轴；2—功率触点（PSW）;3—凸轮；4—怠速触点（IDL）;5—接线插座
凸轮随节气门轴转动，节气门轴随节气门开度（发动机负荷）大小的变化而变化。
（2）输出特性。当节气门关闭时，怠速触点闭合、功率触点断开，怠速触点输出端子输出的信号为低电平“0”，功率触点输出的信号为高电平“1”。
ECU接收到TPS输入的信号时，如果车速传感器输入ECU的信号表示车速为零，则ECU判定发动机处于怠速状态，并控制喷油器增加喷油量，保证发动机怠速转速稳定而不致熄火。
如果车速传感器输入ECU的信号表示车速不为零，则ECU判定发动机处于减速状态运行，并控制喷油器停止喷油，以降低排放和提高经济性。
当节气门开度增大时，凸轮随节气门轴转动并将怠速触点（IDL）顶开，如果功率触点（PSW）保持断开状态，则IDL端子和PSW端子都将输出高电平“1”。
ECU接收到这两个高电平信号时，将判定发动机处于部分负荷状态，此时ECU根据空气流量传感器信号和曲轴转速信号计算确定喷油量，保证发动机的经济性和排放性能。
当节气门接近全部开启（80%以上负荷）时，凸轮转动使端子PSW闭合，端子PSW输出低电平“0”, IDL端子保持断开而输出高电平“1”。ECU接收到这两个信号时，将判定发动机处于大负荷状态运行，并控制喷油器增加喷油量，保证发动机输出足够的功率，故大负荷触点称为功率触点。
在此状态下，控制系统将进入开环控制模式，ECU不采用氧传感器信号。如果此时空调系统仍在工作，则ECU将中断空调主继电器信号约15s，以便切断空调电磁离合器线圈电流，使空调压缩机停止工作，增大发动机的输出功率，提高汽车的动力性。
2）组合式节气门位置传感器
（1）结构特点。组合式节气门位置传感器主要由可变电阻滑动触点、节气门轴、怠速触点和壳体组成，如图2.45所示。
图2.45 组合式节气门位置传感器
1—可变电阻滑动触点；2—镀膜电阻；3—绝缘部件；4—节气门轴；5—怠速触点
可变电阻为镀膜电阻，制作在传感器底板上，可变电阻的滑臂随节气门轴一同转动，滑臂与输出端子VTA连接。
（2）输出特性。怠速触点输出特性如图2.46（a）所示。当节气门关闭或开度小于1.2°时，怠速触点闭合，其输出端子IDL输出低电平“0”；当节气门开度大于1.2°时，怠速触点断开，输出端子IDL输出高电平“5V”。
当节气门开度变化时，可变电阻的滑臂便随节气门轴转动，滑臂上的触点便在镀膜电阻上滑动，传感器的输出端子VTA与E2之间的信号电压随之发生变化，如图2.46（b）所示，节气门开度越大，输出电压越高。
图2.46 组合式节气门位置传感器输出特性
传感器输出的线性信号经过A/D转换器转换成数字信号后再输入ECU。
2.3.4 曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器
ECU控制喷油器喷油和控制火花塞跳火时，先要确定哪一个气缸的活塞即将到达压缩行程上止点和排气行程上止点，然后才能根据曲轴转角信号控制喷油提前角与点火提前角。
图2.47 曲轴位置传感器（CPS）
曲轴位置传感器（图2.47）又称为发动机转速与曲轴转角传感器，用于采集发动机曲轴转速与转角信号并输入ECU，以便计算确定并控制喷油提前角与点火提前角。
凸轮轴位置传感器又称为气缸识别传感器（CIS）用于采集配气凸轮轴的位置信号并输入ECU，以便确定活塞处于压缩（或排气）行程上止点的位置。由于大多数汽车将曲轴与凸轮轴两种位置传感器制成一体，故同类型传感器的工作原理完全相同。
曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器分为磁感应式、霍尔式和光电式几类。丰田系列轿车采用磁感应式曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器；捷达AT、CTX型，桑塔纳2000GSi型，奥迪200型轿车采用磁感应式曲轴位置传感器和霍尔式凸轮轴位置传感器；红旗CA7220E型轿车和切诺基吉普车采用霍尔式曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器，且曲轴位置传感器为差动霍尔式传感器；日产公爵王轿车、三菱与猎豹吉普车采用光电式曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器。
关于曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器的结构原理，可参阅本教材的姊妹篇《汽车电气设备（第2版）》（本书参考文献 [2]）的相关内容，为节省篇幅，本书不再赘述。
2.3.5 氧传感器
1．氧传感器的作用
氧传感器是排气氧传感器（EGOS）的简称，又称为氧含量传感器、入传感器（图2.48）。氧传感器安装在发动机排气管上（图2.49），通过监测排气中氧离子的含量获得混合气的A/F信号，并将A/F信号转变为电信号输入发动机ECU。
图2.48 氧传感器实物
图2.49 氧传感器安装在发动机排气管上
ECU根据氧传感器信号对喷油时间进行修正，实现A/F反馈控制（闭环控制），从而将A/F控制在14.7左右，使发动机得到最佳浓度的混合气，从而达到降低有害气体排放和节约燃油的目的。
2．氧传感器的分类
氧传感器分为氧化锆（ZrO2）式和氧化钛（TiO2）式两种类型。氧化锆式氧传感器又分为加热型与非加热型氧传感器两种，氧化钛式一般都为加热型传感器。由于氧化钛式氧传感器价格比氧化锆式便宜，且不易受到硅离子的腐蚀，因此为越来越多的汽车采用。
1）氧化锆式氧传感器结构原理
（1）结构特点。氧化锆式氧传感器主要由钢质护管、钢质壳体、锆管、加热元件、电极引线、防水护套和线束连接器等组成，如图2.50所示。
图2.50 氧化锆式氧传感器
1—钢质护管；2—排气；3—壳体；4—防水护套；5—电极引线；6—陶瓷加热元件；7—排气管；8—二氧化锆固体电解质陶瓷管（锆管）;9—加热元件电源端子；10—加热元件搭铁端子；11—信号输出端子
锆管是在二氧化锆固体电解质粉末中添加少量的添加剂，经压力成型后，再烧结而成的陶瓷管。锆管制作成试管形状，以便氧离子能均匀扩散与渗透。锆管内表面通大气，外表面通排气，为了防止发动机排出的废气腐蚀外层铂电极，在外层铂电极表面还涂敷有陶瓷保护层。
在锆管的内、外表面都涂覆有一层金属铂作为电极，并用金属线与传感器信号输出端子连接。金属铂作为电极将信号电压引出传感器，同时还起催化作用。在催化剂铂的作用下，当发动机排气中的一氧化碳（CO）与氧气（O2）接触时，则生成二氧化碳（CO2）无害气体。
氧化锆陶瓷管的强度很低，而且安装在排气管上承受排气压力冲击，为了防止锆管受排气压力冲击而造成陶瓷管破碎，将锆管封装在钢质护管内。护管上制有若干个小孔以便于排气流通。在钢质壳体上制有六角对边的螺纹，以便于安装和拆卸传感器。
氧化锆式氧传感器有加热型与非加热型两种。国产轿车大都采用非加热型氧传感器，其线束连接器只有一个或两个接线端子；中高档轿车大都采用加热型氧传感器，其线束连接器有3个或4个接线端子。加热器采用陶瓷加热元件制成，设在锆管内侧，由汽车电源通入电流进行加热。
由于氧化锆式氧传感器在300℃以上的环境中时，才能输出稳定的信号电压，因此，加热的目的是保证低温（排气温度在150～200℃以下）时，氧传感器就能投入工作，从而减少有害气体的排放量。
（2）测量原理。氧化锆式氧传感器的测量原理如图2.51所示。
图2.51 氧化锆式氧传感器工作原理
1—排气；2—排气管；3—大气；4—固体ZrO2；5—铂电极；6—保护层
锆管内侧与氧离子浓度高的大气相通，外侧与氧离子浓度低的排气相通，且锆管外侧的氧离子随可燃混合气浓度变化而变化。
当氧离子在锆管中扩散时，锆管内外表面之间的电位差将随可燃混合气浓度变化而变化，即锆管相当于一个氧浓差电池，传感器的信号源相当于一个可变电源。
（3）工作特性。氧化锆式氧传感器的工作特性如图2.52所示。
图2.52 氧化锆式氧传感器工作特性
1—传感器的电动势；2—CO浓度；3—无铂电极时的电动势；4—氧离子浓度
当供给发动机的可燃混合气较浓（即A/F小于14.7）时，排气中氧离子含量较少、CO浓度较大。在锆管外表面催化剂钩的催化作用下，氧离子几乎全部都与CO发生氧化反应生成CO2气体，使外表面上氧离子浓度为零。
由于锆管内表面与大气相通，氧离子浓度很大，因此锆管内、外表面之间的氧离子浓度差较大，两个铂电极之间的电位差较高，约为0.9V。
当供给发动机的可燃混合气较稀时，排气中氧离子含量较多、CO浓度较小，即使CO全部都与氧产生化学反应，锆管外表面上还是有多余的氧离子存在，因此锆管内、外表面之间氧离子的浓度差较小，两个铂电极之间的电位差较低，约为0.1V。
当A/F接近于理论A/F（14.7）时，排气中的氧离子和CO都很少。在催化剂钩的作用下，氧离子与CO的反应从缺氧状态（CO过剩、氧离子浓度为零）变化为富氧状态（CO为零、氧离子过剩）。由于氧浓度差急剧变化，因此铂电极之间的电位差急剧变化，使传感器输出电压从0.9V急剧变化到0.1V。
当可燃混合气浓时，如果没有催化剂铂的催化作用使氧离子浓度急剧减小到零，在混合气由浓变稀时，固体电解质两侧氧离子的浓度差将连续变化，传感器的电动势将按曲线3连续变化，即电动势不会出现突变现象。这正是氧化锆式氧传感器必须定期（汽车每行驶8×104km）更换的原因，因为在使用过程中燃油和润滑油硫化产生的硅酮等颗粒物质附着在铂电极表面上会导致铂电极逐渐失效，同时传感器内部端子处用于防水的硅橡胶会逐渐污染内侧电极。
（4）工作条件。氧化锆式氧传感器必须满足以下3个条件，才能正常调节混合气浓度。
①发动机工作在怠速工况和部分负荷工况。
②发动机温度高于60℃。
③氧传感器自身温度高于300℃。
氧传感器安装在温度较高的排气管上，为了使氧传感器迅速达到工作温度（300℃）而投入工作，现代汽车采用了加热器对锆管进行加热。加热器一般采用陶瓷加热元件制成，并引出两个电极直接由汽车电源（12～14V）通电进行加热，加热器的加热温度一般设定为300℃。
2）氧化钛式氧传感器的结构原理
（1）结构特点。氧化钛式氧传感器的外形与氧化锆式氧传感器相似，主要由二氧化钛传感元件、钢质壳体、加热元件和电极引线等组成，如图2.53所示。
图2.53 氧化钛式氧传感器
1—加热元件；2—二氧化钛元件；3—基片；4—垫圈；5—密封圈；6—壳体；7—滑石粉填料；8—密封釉；9—护套；10—电极引线；11—连接焊点；12—密封衬垫；13—传感器引线
钢质壳体上制有螺纹，以便于传感器安装。氧化钛式氧传感器不需要与大气压进行比较，因此传感元件的密封与防水十分方便，利用玻璃或滑石粉等密封即可达到使用要求。
此外，在电极引线与护套之间设置一个硅橡胶密封衬垫，可以防止水浸入传感器内部而腐蚀电极。
氧化钛传感元件目前使用较多的有芯片式和厚膜式两种。
加热元件用钨丝或陶瓷材料制成，加热的目的是使传感元件二氧化钛的温度保持恒定，从而使传感器的输出特性不受温度影响。二氧化钛是一种多孔性的陶瓷材料，达到激活温度（规定温度为600℃）需要的时间很短，这对降低发动机刚刚起动后HC的排放量十分有利。
（2）测量原理。由于二氧化钛半导体材料的电阻具有随氧离子浓度变化而变化的特性，因此氧化钛式氧传感器的信号源相当于一个可变电阻，其电阻值与过量空气系数的关系如图2.54所示。
图2.54 氧化钛式氧传感器的特性
当发动机的可燃混合气浓时，由于燃烧不完全，排气中会剩余少量氧气，传感元件周围的氧离子很少，二氧化钛呈现高阻状态。与此同时，在催化剂铂的催化作用下，使剩余氧离子与排气中的CO产生化学反应，生成CO2，将排气中的氧离子进一步消耗掉，从而大大提高了传感器的灵敏度；当发动机混合气稀时，排气中氧离子含量较多，传感元件周围的氧离子浓度较大，二氧化钛呈现低阻状态；因此氧化钛式氧传感器的电阻将在混合气的A/F约为14.7时产生突变。
氧化钛式氧传感器的工作电路如图2.55所示。当给氧传感器施加稳定的电压（该电压由ECU内部的稳压电源提供）时，在其输出端便可得到一个交替变化的信号。
图2.55 氧化钛式氧传感器工作电路
（3）工作条件。氧化钛式氧传感器满足以下3个条件，才能正常调节混合气。
①发动机工作在怠速工况和部分负荷工况。
②发动机温度高于60℃。
③氧传感器自身温度高于600℃。
2.3.6 温度传感器
1．温度传感器的作用
温度传感器将被测对象的温度信号转变为电信号输入ECU, ECU修正控制参数或判断检测对象的热负荷状态。
2．温度传感器的分类
按检测对象不同，温度传感器主要有发动机冷却液温度传感器、进气温度传感器（图2.56）、燃油温度传感器、排气温度传感器、空调温度传感器（或空调温控开关）等。
图2.56 进气温度传感器
按结构与物理性能不同，温度传感器可分为热敏电阻式、双金属片式、热敏铁氧体式和石蜡式等。
热敏电阻式和热敏铁氧体式温度传感器属于物性型传感器，双金属片式和石蜡式温度传感器属于结构型传感器。现代汽车广泛采用物性型热敏电阻式温度传感器。
（1）热敏电阻的特性。根据热敏电阻的特性不同，可分为负温度系数（NTC）热敏电阻、正温度系数（FTC）热敏电阻和临界温度热敏电阻（CTR）。
电阻值随温度升高而减小的称为负温度系数热敏电阻；电阻值随温度升高而增大的称为正温度系数热敏电阻；热敏电阻的电阻值以某一温度（称为临界温度）为界，高于此温度时电阻值为某一水平，低于此温度时电阻值为另一水平，这类热敏电阻称为临界温度热敏电阻。
（2）结构特点。热敏电阻式温度传感器主要由热敏电阻、金属引线、接线插座和壳体等组成，如图2.57所示。
图2.57 热敏电阻式温度传感器
热敏电阻是温度传感器的主要部件，其外形制成珍珠形、圆盘形（药片形）、垫圈形、梳状芯片形、厚膜形等，放置在传感器的金属管壳内。在热敏电阻的两个端面各引出一个电极并连接到传感器插座上。
传感器壳体上制有螺纹，便于拆装。接线插座分为单端子式和两端子式，低档轿车燃油喷射系统及汽车仪表一般采用单端子式温度传感器，中、高档轿车燃油喷射系统一般采用两端子式温度传感器。如传感器插座上只有一个接线端子，则壳体为传感器的一个电极。
目前电控系统使用的温度传感器插座大多数都有两个接线端子，分别与ECU插座上的相应端子连接，以便可靠传递信号。
（3）车用温度传感器特性与测量电路。负温度系数热敏电阻式温度传感器，如冷却液温度传感器、进气温度传感器、燃油温度传感器、排气温度传感器等应用广泛。
对于结构一定的NTC型热敏电阻式温度传感器，其电阻值与温度的关系曲线如图2.58所示。
图2.58 NTC型温度传感器特性
NTC型热敏电阻具有温度升高电阻值减小、温度降低电阻值增大的特性，呈明显的非线性关系。
温度传感器的工作电路如图2.59所示，传感器的两个电极与ECU连接。ECU内部串联一只分压电阻，ECU向热敏电阻和分压电阻组成的分压电路提供一个稳定电压（5V），传感器输入ECU的信号电压等于热敏电阻的分压值。
图2.59 温度传感器的工作电路
当被测对象的温度升高时，传感器电阻值减小，热敏电阻上的分压值降低；反之，当被测对象的温度降低时，传感器电阻值增大，热敏电阻上的分压值升高。ECU根据接收到的信号电压值，便可计算求得对应的温度值，从而进行实时控制。