汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的傳感器全面介紹

　　在20世紀(jì)60年代，汽車上僅有機(jī)油壓力傳感器、油量傳感器和水溫傳感器，它們與儀表或指示燈連接。進(jìn)入70年代后，為了治理排放，又增加了一些傳感器來幫助控制汽車的動(dòng)力系統(tǒng)，因?yàn)橥诔霈F(xiàn)的催化轉(zhuǎn)換器、電子點(diǎn)火和燃油噴射裝置需要這些傳感器來維持一定的空燃比以控制排放。80年代，防抱死制動(dòng)裝置和氣囊提高了汽車安全性。

　　今天，傳感器已是無處不大。在動(dòng)力系統(tǒng)中，有用來測(cè)定各種流體溫度和壓力(如進(jìn)氣溫度、氣道壓力、冷卻水溫和燃油噴射壓力等)的傳感器；有用來確定各部分速度和位置的傳感器(如車速、節(jié)氣門開度、凸輪軸、曲軸、變速器的角度和速度、排氣再循環(huán)閥(EGR)的位置等)；還有用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、爆震、斷火及廢氣中含氧量的傳感器；確定座椅位置的傳感器；在防抱死制動(dòng)系統(tǒng)和懸架控制裝置中測(cè)定車輪轉(zhuǎn)速、路面高差和輪胎氣壓的傳感器；保護(hù)前排乘員的氣囊，不僅需要較多的碰撞傳感器和加速度傳感器，還需要乘員位置、體重等傳感器來保證其及時(shí)和準(zhǔn)確的工作。

　　面對(duì)制造商提供的側(cè)量、頂置式氣囊以及更精巧的側(cè)置頭部氣囊，還要增加傳感器。隨著研究人員用防撞傳感器(測(cè)距雷達(dá)或其他測(cè)距傳感器)來判斷和控制汽車的側(cè)向加速度、每個(gè)車輪的瞬時(shí)速度及所需的轉(zhuǎn)矩，使制動(dòng)系統(tǒng)成為汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。

　　總之，老式的油壓傳感器和水溫傳感器是彼此獨(dú)立的，由于有著明確的最大值或最小值的限定，其中一些傳感器的實(shí)際作用就相當(dāng)于開關(guān)。隨著傳感器向電子化和數(shù)字化方向發(fā)展，它們的輸出值將得到更多的相關(guān)利用。為此，制造商們正在開發(fā)和生產(chǎn)更好的傳感器。下面介紹一些一些這方面的新產(chǎn)品。

　　離子檢測(cè)系統(tǒng)

　　三菱(Mitsubishi電子公司)正在開發(fā)一種車用離子檢測(cè)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)能夠通過檢測(cè)離子來監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)氣缸的燃燒情況。當(dāng)可燃混合氣持續(xù)燃燒時(shí)，在燃燒峰面附近就會(huì)發(fā)生電離現(xiàn)象。把一個(gè)帶偏壓的測(cè)頭放入氣缸，就可以測(cè)出與電離狀況相關(guān)的離子流。

　　這個(gè)能反映發(fā)動(dòng)機(jī)各種燃燒狀況的信息控制系統(tǒng)由帶測(cè)頭的火花塞、裝有測(cè)試附件的點(diǎn)火線圈及一套處理離子流信號(hào)的電子模塊構(gòu)成，它可以判別每個(gè)缸的點(diǎn)火、燃燒及爆震情況。進(jìn)一步的功能將是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣狀況加以監(jiān)控，即根據(jù)離子流所顯示的燃燒情況來控制每個(gè)缸的空燃比。

　　快速起動(dòng)的氧傳感器

　　冷車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)所排放的CO和HC是最多的，這就要求氧傳感器盡快起動(dòng)進(jìn)入閉環(huán)控制狀態(tài)。NGK火花塞有限公司研制出一種新型氧傳感器，它能在15s內(nèi)達(dá)到閉環(huán)控制。通過縮小加熱區(qū)和降低阻抗，改進(jìn)了傳感器的加熱裝置。由于采用新材料和新的溫控系統(tǒng)，使加熱器的壽命與現(xiàn)有類型相近，改善了低溫特性。

　　側(cè)滑傳感器

　　博世公司開發(fā)一種雙向傳感器，它是由采用壓電晶體的線性加速度計(jì)組合而成。這樣的組合更有利于傳感器的設(shè)置、信號(hào)處理和封裝。這種傳感器有兩個(gè)經(jīng)過顯微加工的信號(hào)發(fā)生器并各自對(duì)應(yīng)著所測(cè)加速度方向的基準(zhǔn)面，對(duì)應(yīng)于某個(gè)基準(zhǔn)面的獨(dú)立信號(hào)就能測(cè)出相應(yīng)的作用力。而很高的品質(zhì)因數(shù)Q值使傳感器的封裝可以在常壓下進(jìn)行。

　　壓電諧振式角速度傳感器

　　三菱電子公司開發(fā)的這種傳感器為玻璃一硅一玻璃結(jié)構(gòu)，其諧振部分是一個(gè)用浸蝕法制成的硅梁。通過外置振蕩器激發(fā)，其諧振頻率約為4KHz。梁的厚度與硅片相同，它的寬度和長(zhǎng)度通過浸蝕加工來決定。硅梁和玻璃支架的連接采用了真空下的陽極焊接工藝，以確保其固有頻率變化很小。
　　角速度的變化可根據(jù)硅梁振動(dòng)頻率變化引起的梁兩側(cè)玻璃支架上金屬電極間的電容變化值測(cè)出。傳感器電路由電容電壓(C—V)轉(zhuǎn)換器和同步解調(diào)器構(gòu)成。C—V轉(zhuǎn)換器是一個(gè)轉(zhuǎn)換電容的比較器(ASIC)。當(dāng)測(cè)量范圍在±200°/s時(shí)，非線性為±1%。

　　高壓傳感器

　　Denso公司開發(fā)一種浸入式高壓傳感器。這些傳感器可用來檢測(cè)機(jī)油、液壓系統(tǒng)、汽油以及空調(diào)制冷劑的壓力，如制動(dòng)器的液壓控制系統(tǒng)、怠速下的空調(diào)機(jī)壓縮器和動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵、燃油控制系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)以及自動(dòng)變速器中的液壓換擋系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的壓力變化在2～20MPa，而傳感器可耐壓38MPa。

　　這種傳感器使用一種樹脂膠而不是通常使用的金屬和玻璃來封裝，以形成足夠大的油分子通道，實(shí)現(xiàn)了外型和元件間封尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。包括壓力感應(yīng)元件和放大電路在內(nèi)的所有元件都集中在一塊芯片上。

　　直熱式檢測(cè)裝置

　　GM研發(fā)中心正在試驗(yàn)使用一種直熱式檢測(cè)系統(tǒng)來抑制后排末成年人座椅(RFIS)處的側(cè)量氣囊展開。將乘員席表面的溫度與駕駛員座椅表現(xiàn)溫度加以對(duì)比，若兩者不同且與預(yù)定值差異較大，則氣囊的展開就會(huì)受到抑制。乘員席的溫度由安置在座椅表面的熱敏電阻來測(cè)定，可采用直熱式或非直熱式熱敏電阻。

　　實(shí)際上這種抑制系統(tǒng)可采用多種檢測(cè)方式，當(dāng)直熱式探測(cè)器的工作不夠可靠時(shí)，可采用其他方式來提高該系統(tǒng)的可靠性。曾有人建議配置別的傳感器，如測(cè)量體重、電容、振動(dòng)，使用超聲波、微波、光學(xué)及紅外線等。還有人建議為一個(gè)抑制系統(tǒng)配置多種檢測(cè)裝置，使其工作更加可靠。

　　機(jī)油粘度傳感器

　　何時(shí)更換機(jī)油一般是根據(jù)廠家規(guī)定的時(shí)間或里程來進(jìn)行。少數(shù)廠家采用了更先進(jìn)的方式，通過記錄發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度來計(jì)算換油間隔。Lucas Varity公司正在研制一種壓電振動(dòng)式粘度傳感器，其工作原理與振動(dòng)式粘度計(jì)相近——振子(球型、片狀或棒式)在受到粘滯阻尼時(shí)其振頻會(huì)發(fā)生衰變。因此，依靠不同形狀的振子，就可以測(cè)出粘度和密度的一些參數(shù)。有一種振動(dòng)式粘度計(jì)的振子是石英棒，它能被激發(fā)扭振，通過測(cè)量與液體粘度相對(duì)應(yīng)的振幅和諧振頻寬，就可以確定粘度(準(zhǔn)確地說應(yīng)是粘度和密度的綜合值)?？梢姡駝?dòng)式粘度計(jì)是通過測(cè)量液體所傳遞的切變波形來確定粘度的一種裝置。然而，由于傳感元件與液體的接觸處切變波形會(huì)產(chǎn)生畸變而導(dǎo)致測(cè)試值與液體的對(duì)應(yīng)關(guān)系較差。

　　粘度傳感器設(shè)置了一種界面來改善傳感元件與液體之間的接觸關(guān)系，其原理與我們熟知的應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和海洋船舶上的超聲波換能器相似。

　　傳感器的核心是一個(gè)壓電轉(zhuǎn)換器，在它兩側(cè)施加電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生切向運(yùn)動(dòng)。電極是用金屬蒸發(fā)沉積法布置在壓電晶體表面，然后整體涂上一層絕緣層。

　　一臺(tái)掃頻儀通過振蕩器所產(chǎn)生的交變電壓來確定傳感元件的諧振頻率。因?yàn)樵谥C振時(shí)，傳感元件的電阻達(dá)到最大值，隨著液體粘度的變化，這個(gè)蜂值也相應(yīng)變化，并通過峰值檢測(cè)電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。

　　絕緣層的厚度根據(jù)所測(cè)粘度的范圍來確定，因?yàn)閺囊后w界面處反射回來的切變波必須被絕緣層全部吸收，所以絕緣層的厚度大約是四分之一個(gè)波長(zhǎng)。

　　磁敏式速度傳感器

　　SST技術(shù)有限公司開發(fā)了一種一體化的傳感器，它是把高磁阻(GMR)材料與半導(dǎo)體裝置合為一體的磁敏式速度傳感器。高磁阻材料的特點(diǎn)是隨磁場(chǎng)的變化其電阻值也發(fā)生變化。半導(dǎo)體裝置是由制作在同一塊BICMOS電路板上的信號(hào)處理器和電壓調(diào)節(jié)器所構(gòu)成。先將高磁阻材料噴鍍BICMOS板基上，采用光刻腐蝕工藝將其制成電阻，通過鋁箔把其連入BICMOS電路，再周邊鍍上一層合金以聚集磁力線。

　　這種傳感器是雙極型結(jié)構(gòu)，通過電平轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)方波形脈沖信號(hào)，其輸出頻率與軟磁信號(hào)輪齒的回轉(zhuǎn)頻率是相同的，而勵(lì)磁機(jī)構(gòu)是一塊永久磁鐵。由于傳感器的信號(hào)處理電路是直流耦合式，所以可處理零速狀態(tài)。而其具有高靈敏度使之在較大氣隙下也能工作。

　　采用上述技術(shù)的ABS傳感器具有零速處理、輸出信號(hào)在兩電平之間變化的雙極型結(jié)構(gòu)，脈沖頻率與信號(hào)輪齒或磁極的回轉(zhuǎn)頻率相同的特點(diǎn)。在允許溫度和工作頻率范圍內(nèi)，其頻寬比為(50±10)%，輪齒模數(shù)2.5時(shí)，氣隙特性可達(dá)3mm。