汽车传感器与执行器.doc

2. 传感器与执行器2.1 传感器有了形式各样的传感器，车载控制模块才能监控整个电气系统的工作状况，获得它想要得到的信息，并对系统的工作状况进一步作出有必要的调整。传感器可以用来监测不同的物理属性值，比如：位置、速度、压力、温度等。这些属性值最终均以电信号的形式与其他数据流一起，传送至控制网络。2.1.1 信号1.信号的类型1）按照信号的波形图特征，传感器信号可以分为数字信号（Digital Signal）和模拟信号（Analog Signal）。（1）数字信号 Digital Signal图2-1 数字信号波形图由于车载控制单元的基础是单片机，所有能接受的数字信号也是二进制信号，如图2-1所示。二进制信号是电压信号，也叫方波信号，最大的特点是，随着时间的变化，电压值只在两个域值之间瞬间切换，并不存在过渡区，每一个电压值代表着一种状态。（例如：Vmax表示开，Vmin表示关）。虽然开关并不属于传感器，但开关信号是最简单的数字信号的例子，开关的状态无非有两种，打开和关闭；对应的电压信号值，就是12V（或5V）和0V。（2）模拟信号 Analog Signal图2-2 模拟信号波形图模拟信号与电压信号最大的不同在于，随着时间的变化，输入的电压值是连续变化的，如图2-2所示。在某一时刻的电压值，具体指的是什么状态，控制单元无法识别出来。最简单的例子就是温度传感器：测量的时间不同，物体不同，那么测量的结果就是电压值在05V之间的任意值。2）按照传感器类型的不同，传感器信号可以分为：电阻信号（Resistive Signal）、开关信号（Switches Signal）、和感应电压信号（Voltage Generating）。（1）电阻信号 Resistive Signal随着机械位置发生改变，电阻值也跟着变化，这一类的传感器称为电阻传感器。传感器的阻值发生变化，那么传感器上的电压也会随之变化。控制模块通过监测传感器上的电压值变化，并与参考标志电压相比较，就可以知道测量值所代表的状态。（2）开关信号 Switches Signal开关本身不是传感器，但其可以用作信号输入，最简单的例子就是制动踏板开关。（3）感应电压信号 Voltage Generating正如字面意义所透露的，该类型的传感器可以产生感应电压信号。不同的信号电压值表示不同的机械状况，控制模块通过感应电压信号值，就可以知道其对应的机械状况。2. 信号利用车载控制模块的基础是只能识别二进制信号的单片机，所以能够直接使用数字信号，因为数字信号只有两个阈值信号（0V或5V），要么有、要么没有，但不能识别模拟信号。所以模拟信号必须要经过转换，才能被控制模块所识别、理解其所包含的信号含义。2.1.2 传感器的类型按照核心元件工作原理不同，传感器可以分为电阻型、感应电压型和开关型传感器。1. 电阻型传感器电阻型传感器是一类传感器，根据电阻元件物理特性的不同，分为电位计（Potentiometer）、热敏电阻（Thermistors）传感器、压敏电阻（Piezo resistive）传感器三种类型。1）电位计Potentiometer电位计本质上是一个用作信号输入的滑片电阻器。一般用3个端子：供电极，接地以及可变电压反馈端子。可变电压反馈端子一般与机械臂相连，随着机械臂位置或角度的变化，对外输出的电压也随之变化，如图2-3所示。图2-3 典型的电位计示意图电位计通常用于以下部件中：（1）自动空调系统（HVAC）空气分配风门（2）节气门体（3）电子加速踏板（4）车身高度传感器2）热敏电阻 Thermistors热敏电阻传感器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。热敏电阻分为正温度系数电阻（PTC ，Positive Temperature Coefficient）和负温度系数电阻（NTC ,Negative Temperature Coefficient）。如图2-4所示，PTC热敏电阻传感器器在温度越高时电阻值越大，NTC热敏电阻传感器在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。（a）负温度系数关系（b）正温度系数关系图2-4 温敏电阻的阻值与温度的关系如图2-5所示，热敏电阻传感器有两个接线端子，一个端子接地，通常是进入控制模块，在控制模块内部接地；另一个端子是参考电压端，与控制模块内部的一个分压电阻相接，形成两个串联电阻。控制模块监测参考电压端，也就是热敏电阻与分压电阻的连接段的输出电压值Vout的变化。图2-5 热敏电阻传感器接线示意图外界温度发生变化，那么R2阻值就会改变，通过公式可知，输出Vout也会随之发生变化。Vout=R2/（R1+R2）Vin热敏电阻传感器一般用于测量以下参数：（1）发动机冷却液温度（2）进气温度（3）变速箱油温（4）空调出风口温度3） 压敏电阻传感器 Piezo resistive压敏电阻传感器的核心部分，是一个薄膜弹性硅片。薄膜弹性硅片最大的特点是，遇到压力不仅会发生形变，而且内阻阻值也会发生变化。所以，这种类型的传感器一般用来测量外界压力的变化，比如说进气歧管绝对压力传感器（MAP，manifold absolute pressure sensor）。1-真空 2-支架 3-硅晶片 P-薄膜压力 R1-压敏电阻（压缩） R2-压敏电阻（伸长）图2-6 压敏电阻传感器在MAP传感器内，进气歧管内的真空度的改变，会引起薄膜以及与薄膜相连的硅晶片发生形变。发生形变的硅晶片的内阻也会相应的发生变化。最后通过惠斯通电桥（Wheatstone bridge）回路，将这种电阻波动转化为电压信号，如图2-6所示。压力传感器有三个端子：供电、接地以及反馈电压端子。2. 感应电压型传感器按照感应电压产生的方式不同，感应电压型传感器分为压电式（Piezo Electric）、二氧化锆（Zirconia Dioxide）式氧传感器、电磁效应式（Magnetic Inductance）三种类型。1）压电式 Piezo Electric在某种晶体，比如石英晶体上，施加压力，就会在晶体两端产生电势差。爆震传感器就是根据此原理制造而成，在传感器内的石英晶片发生扭曲或震动时，就会产生交流电压，如图2-7所示。爆震传感器产生的信号用来推出点火时间以阻止发动机爆震，爆震传感器接线端如图2-8所示。A-压敏元件稳定状态 B-压敏元件收到压迫 C-压敏元件开始伸张图2-7 压敏元件工作原理图图2-8 爆震传感器2）氧传感器（Oxygen Sensor）二氧化锆型氧传感器，用来监测尾气中氧气的含量，其结构如图2-9所示。1-外部支架 2-陶瓷管 3-导线 4-带插槽的引导管 5-主动陶瓷 6-传感器层 7-触片保护罩 8-加热丝 9-加热丝接口 10-弹簧垫片图2-9 氧传感器结构示意图1-排气管 2-废气 3-带自加热的陶瓷传感器 4-传感器输出电压 5-传感器接触面 6-多孔陶瓷外套图2-10 二氧化锆型氧传感器工作原理图二氧化锆氧传感器有一个二氧化锆球茎，内外壁皆包裹有铂金膜。球茎的内侧与外界大气接触，球茎的外侧表面暴露在排气管内，与废气接触，如图2-10所示。在外界温度上升到300时，开始在二氧化锆球茎外层的铂金薄膜上富集游离的氧离子，氧传感器才开始进入工作状态。如果外层铂金薄膜上的氧离子达到一定数量，那么就会在内外两层薄膜之间产生电势差。废气中含有的氧分子越少，产生的电势差越大；废气中含有的氧分子越多，产生的电势差越小。也就是说，混合气的越稀，空燃比越大，产生的电压越大；混合气越浓，空燃比越小，产生的电压越小。3）感应电压式 Magnetic Inductance当感应型传感器在做切割磁力线运动时，就会在内部产生感应电压，如图2-11所示。A-移动方向 1-导体 2-永久磁铁 3-磁场 图2-11 感应电压产生原理图在带有铁芯的永久磁铁外围用导线缠绕，形成带有永久磁铁的螺旋线圈，就是电磁效应式传感器的核心部分。永久磁铁可以静止不动，也可以发生移动。当磁铁发生移动时，在磁铁周围的磁力线也跟着移动，在磁力线经过螺旋线圈而被切割时，感应电压就产生了。磁力线是有方向的，永远只会从南极出发，进入磁铁的北极。在磁铁运动过程中（绕螺旋线圈作旋转运动），南极和北极在不停的互换。所以在螺旋线圈内产生的电压就是交流电压。如果磁铁旋转的速度越快，那么信号电压的频率也越高。当磁铁静止时，磁铁一般位于螺旋线圈的内部。如图2-12所示，如果一个转子与磁铁保持很小的距离不停的旋转，那么转子外圈的齿就会切割磁力线，在螺旋线圈上的磁场就会时弱时强。由于有了这种磁场周期性的强弱变化，那么在螺旋线圈内，就产生了感应电压。这种类型的传感器通常用于ABS系统与发动机曲轴位置传感器，来确定转动的角速度。1-永久磁铁 2-螺旋线圈 3-磁场 4-外层有齿转子 5-空气间隙 6-传感器线束图2-12 电磁式传感器工作原理图3. 开关型传感器 开关型传感器主要有光敏晶体管、弹簧片开关、开关等几种类型。1）光敏晶体管光敏晶体管或是光电管是通过光激发而工作的传感器，如果再加上一个边缘多孔的圆盘以及一个LED光源，光电传感器就可以用来给控制模块监测旋转速度，如图2-13所示。1- LED光束 2-光信号收发器 3-多孔圆盘图2-13 光电传感器示意图LED光束垂直照射在多孔圆盘上，光束被打断的次数与圆盘转动的快慢直接关联。每次光柱透过小孔，照射在多孔圆盘下方的光信号接收器上，接收器就打开，就相当于开关闭合。光信号接收器打开，就控制与控制模块相连的线束接地，这样控制模块接收到的就是0V电压信号。控制模块计算单位时间内0V信号脉冲次数，并将它转换成转动的角速度值。这种类型的传感器用于：（1）转向柱转向角度传感器（2）行驶高度监测（3）行驶速度信号2）弹簧片开关弹簧片开关普遍用于液位高度的监测。在这种开关里面有一个永久磁铁，磁铁向弹簧片方向移动，弹簧片开关就会因为磁铁的吸力而结合。如图2-14所示，弹簧片被密封在一个小管内部，磁铁与弹簧片本身并不接触。1-液位正常 2-液位低于正常值 3-环形磁铁 4-簧片开关闭合 5-浮子 6-簧片开关打开图2-14 液位高度传感器工作原理图当液位下降到正常值以下时，浮子也跟着下降，在浮子里面有一块磁铁，在磁铁的吸力下，簧片开关闭合，形成一个完整的回路。这种类型的开关同样也可以用于转速传感器。当磁铁在旋转时，磁铁的南极与北极不停的变化，那么簧片也会跟着打开与关闭。簧片开关的一个端子与控制模块相连，每次簧片闭合，控制模块就收到一个0V电压，通过计算脉冲次数，控制模块就可以换算出转动速度。3）开关开关虽然不是传感器，但同样可以给控制模块提供信息。比如说：转向柱组合开关、手刹开关、变速箱换挡杆以及空调控制面板等。以方向盘组合开关为例，如图2-15所示，该组合开关具有5个档位的开关，却只有3条线。那么，控制模块是如何知道你按下的到底是哪个开关的呢？答案是通过监测接入到回路中的电阻数量以及电压降。当按下不同开关时，接入回路中的电阻数量就不同，那么在这一段电阻上产生的电压降也不相同。控制模块通过监测到的电压降，就可以识别出操作的是哪个开关。1-5V供电线 2-接地线 3-开关信号线图2-15 转向柱开关接线示意图2.2 执行器2.2.1 概述1819年，丹麦的克里斯蒂安奥斯特发现，给一根导体通上电后，可以改变附近的罗盘的指针的方向。这指引着科学家们探索电和磁场的关系。不久，科学家们发现，通电导体周围可以产生磁场，反之，磁场也可以产生电。根据变化的磁场可以产生电，人类发明了发电机；根据通电导体可以产生磁场、不同极性的磁场可以相互作用，人类发明了各种类型的执行器。1.执行器类型传感器给控制模块提供信号，但控制模块控制车辆系统必须通过各种类型的执行器。每一个执行器都是一个机电设备，有以下几种类型：1）电磁线圈Solenoid2）电动机Motor3）继电器Relay2.执行器用途执行器的形式多种多样，应用于各种需要调节与控制的系统。例如：1）车身高度控制2）压缩机离合器3）发动机怠速控制4）燃油表5）新鲜空气风门2.2.2 电磁线圈Solenoid许多执行器的类型都是电磁线圈，也可以说是一种数字执行器，如图2-16所示。电磁线圈一般有两个端子：电源供电端子以及接地端子。供电电压一般是蓄电池电压，而接地也是通过控制模块内部来控制。控制模块控制接地端子接通时，电磁线圈通常会推出一个柱塞，阻止液体或气体的流动。比如说，喷油嘴或者是真空开关的核心元件使用的均是电磁阀。图2-16 电磁线圈实物图1. 电磁线圈的控制方法（接通/断开控制）电磁线圈有2种控制方法：脉冲（PWM，pulse width modulated）与占空比（duty cycle）控制，两者均是通过控制电磁线圈的接通与断开来产生磁场吸力或推力；两者的区别是一个有固定的频率，一个没有固定的工作频率。电磁线圈通电工作的波形图，如图2-17所示。图2-17 电磁线圈通电波形图1）PWMPWM控制没有固定的工作频率，根据控制模块的信号来决定进入工作时间的长短。比较典型的事例，是喷油嘴喷油脉宽的控制，喷油器的构造，如图2-18所示。喷油嘴电磁线圈工作的时间不固定，由发动机的负荷信号决定，如图2-19所示。1-筛网滤清 2-接线端子 3-电磁线圈 4-阀体座 5-电枢 6-阀体座 7-阀针图2-18 喷油器结构示意图图2-19 喷油器喷油脉宽工作原理图2）占空比控制占空比控制与PWM不同，有固定的工作频率。占空比电磁线圈接通/断开的时间总长度固定，不同时刻接通和关闭的时间比例不同。比如：接通/断开时间长度为1s，开启时间20%，关闭时间80%，如图2-20（a）所示。（a）50%激活（500ms开启500ms关闭） （b）25%激活（250ms开启750ms关闭） （c）75%激活（750ms开启250ms关闭）图2-20 占空比控制原理图电磁线圈在汽车上的应用非常广泛，例如：（1）ABS制动系统（2） 行驶高度控制（3） 行驶舒适性控制（4） 变速箱档位控制（5） 换挡杆档位锁止（6） 后备箱盖释放机构（7） 喷油嘴工作控制（8） 阀体正时控制（9） 空调压缩机控制2. 电磁线圈的测试与检修电磁线圈的核心部件是绕组线圈，所以一定程度上可以通过万用表（DMM，digital multi-meter）来进行测试。可以通过导通性测试，测试绕组线圈是否有短路或短路现象；如果已知绕组线圈的标准阻值，也可以测量绕组线圈的阻值。绕组线圈的阻值相对来说较小，这样才能运行较大的电流通过，产生较强的磁场。如果绕组线圈之间有短路发生的话，通过测量电阻来确定是否有短路现象发生。这种情况下，可以利用大众专用诊断设备VAS505X的激活功能；当然也可以使用单独的电源，比如说一个小型的9V电池，来驱动电磁线圈。2.2.3 电动机Motors电动机（Motors）是把电能转换成机械能的一种设备。它主要是利用通电线圈产生磁场，由磁场间的相互作用产生的力或扭矩来产生运动。1. 电动机的组成电动机一般由转子（旋转部分）和定子（静止部分）组成。碳刷和接线端子位于壳体的后盖上，在电动机转动时，也能提供电源。一般来说，定子由带有永久磁铁和壳体组成。在有刷电动机中，定子一般由一个或多个永久磁铁组成，如图2-21所示。图2-21 电动机结构示意图转子一般有一个绕组线圈电枢（armature）和一个支承轴组成，如图2-22所示。支撑轴通过轴承固定在壳体后盖上。电枢可以向前后移动，这与发电机或启动机等电动机的电枢类似。电枢可以是永久磁铁，也可以是绕组线圈，这取决于电动机的类型。图2-22 转子电刷（一般由石墨制作而成）结合换向器，一般用来在电枢转动时，给它提供电源，如图2-23 所示。如果转子是永磁磁铁，而定子是通电后可以产生磁场的绕组线圈，那么就不需要碳刷，这种类型的电动机叫做无刷电动机。图2-23 电刷架如果电动机超出了工作负荷，那么就需要热保护开关（thermo switch）来保护超负荷的电动机。热保护开关一般串联在电源与电动机之间的回路上。电动机一旦超负荷运转，那么回路上的工作电流就会增大，造成热保护开关瞬间产生大量的热量，发热的热保护开关断开，切断了电动机的工作回路。当热保护开关足够冷却后，会再次闭合，接通工作回路。2. 电动机类型电动机根据他们的工作原理以及应用环境，而出现不同的类型。在汽车上除了起动机，执行器电动机（actuator motors）占了绝大部分。执行器电动机又分为直流电动机（DC motors）和步进电动机（stepper motors）。执行器电动机通常与一套机械装置相连，执行改变角度或调节位置任务的电动机。比如说调节阀门的角度或是移动连杆的位置。最常见的机械装置就是齿轮组机构了。利用反馈控制也可以监测位置的改变，比如：监控工作电流，如果工作电流瞬间增大，就可以认为移动物体到达了上止点。控制模块也可以利用位置传感器（电位计就是其中的一种）或是微开关来获得位移的反馈信号。执行电动机应用的系统广泛，比如：车窗玻璃升降器的一键控制、玻璃升降器或是天窗的防夹手功能以及HVAC系统的各种空气风门。（1）直流电动机（DC Motors）DC电动机的转子有换向器线圈，定子可以是一个永磁磁铁，也可以是绕组线圈。小型电动机通常是永磁磁铁，大型电动机采用的是绕组线圈。DC电动机不需要移动位置反馈，所有通常用于以下的控制系统：a) 挡风玻璃雨刮器b) 空调系统鼓风机c) 电动玻璃升级器2）步进电动机步进电动机通常用于需要精确控制角度位移的机构，比如说：发动机怠速控制以及空调系统各风门打开角度的调节。步进电动机最大的特点：转子是由一个没有明显南极/北极之分的磁性物体组成；定子由多个绕组线圈组成，每个绕组线圈称为一相，比较常见的是3相，如图2-24（a）所示。通电后可以产生多个磁极，每个磁极外层会套有上、下两个锯齿套（stator core），来切割磁场，如图2-24（b）所示。（a）定子三相绕组俯视图（b）步进电动机结构示意图1-上锯齿套（上绕组线圈） 2-上绕组线圈总成 3-下锯齿套（上绕组线圈） 4-转子（被极化） 5-上锯齿套（下绕组线圈） 6-下绕组线圈总成 7-下锯齿套（下绕组线圈）图2-24 步进电机结构示意图定子一般有多个绕组线圈，某一个有电流的流通，就能产生磁场，如果转子和定子的齿不对齐，那么，在磁场扭矩作用下，转子就会转动一个齿的角度。在转子转动一个齿的同时，电流控制器接通下一个定子绕组线圈，新产生的磁场又会推动转子转动一个齿的角度。如果有3个绕组线圈，每个磁极的锯齿套上有12个齿，那么整个定子就有72个齿。也就是说，步进电动机每转动一圈，可以分72步。3. 电动机的测试与测量一定程度上，电动机可以通过万用表（DMM，digital multi-meter）来进行测试。比如进行导通性测试，绕组线圈如果有短路或短路现象，就可以很快的发现。如果已知绕组线圈的标准阻值，也可以测量绕组线圈的阻值，绕组线圈的阻值相对来说较小，这样一来才能运行较大的电流通过，产生较强的磁场。如果绕组线圈之间有短路发生的话，通过测量电阻来确定是否有短路现象发生。也可以使用外部电压来测试电动机。但需要注意的是，电动机的工作电压通常比我们预计的要小。如果使用的是电瓶电压，那么只能在极短的时间来给电动机供电，比如，只能给门锁止装置通电1s。如果通电时间过长，又没有热保护开关，那么电动机很快就会因为过热而烧到。本章小结（1）传感器可以用来监测不同的物理属性值，这些属性值最终均以电信号的形式与其他数据流一起，传送至控制网络。（2）按照信号的波形图特征，传感器信号可以分为数字信号（digital Signal）和模拟信号（analog Signal）。（3）按照核心元件工作原理不同，传感器可以分为电阻型、感应电压型和开关型传感器。（4）电阻型传感器是一类传感器，根据电阻元件物理特性的不同，分为电位计（Potentiometer）、热敏电阻（Thermistors）传感器、压敏电阻（Piezo resistive）传感器三种类型。（5）按照感应电压产生的方式不同，感应电压型传感器分为压电式（Piezo electric）、二氧化锆（Zirconia dioxide）式氧传感器、电磁效应式（Magnetic inductance）三种类型。（6）执行器是一个机电设备，有以下几种类型：电磁线圈Solenoid、电动机Motor、继电器Relay。（7）电磁线圈有2种控制方法：脉冲（PWM）与占空比（duty cycle）控制。PWM控制没有固定的工作频率，根据控制模块的信号来决定进入工作时间的长短；占空比控制与PWM不同，有固定的工作频率。（8）电动机一般由转子（旋转部分）和定子（静止部分）组成。碳刷和接线端子位于壳体的后盖上，在电动机转动时，也能提供电源。执行器电动机又分为直流电动机（DC motors）和步进电动机（stepper motors）。