汽车传感器与执行器.docx
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汽车传感器与执行器
2.传感器及执行器
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及其他数据流一起，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（DigitalSignal）和模拟信号（AnalogSignal）。
（1）数字信号DigitalSignal
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AnalogSignal
图2-2模拟信号波形图
模拟信号及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0―5V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（ResistiveSignal）、开关信号（SwitchesSignal）、和感应电压信号（VoltageGenerating）。
（1）电阻信号ResistiveSignal
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，并及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SwitchesSignal
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VoltageGenerating
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（Piezoresistive）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及机械臂相连，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，PositiveTemperatureCoefficient）和负温度系数电阻（NTC,NegativeTemperatureCoefficient）。
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温敏电阻的阻值及温度的关系
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，及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，也就是热敏电阻及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Piezoresistive
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，manifoldabsolutepressuresensor）。
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，会引起薄膜以及及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（Wheatstonebridge）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（PiezoElectric）、二氧化锆（ZirconiaDioxide）式氧传感器、电磁效应式（MagneticInductance）三种类型。
1）压电式PiezoElectric
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（OxygenSensor）
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。
球茎的内侧及外界大气接触，球茎的外侧表面暴露在排气管内，及废气接触，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MagneticInductance
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，如果一个转子及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系统及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，光束被打断的次数及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，就控制及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，磁铁及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，磁铁的南极及北极不停的变化，那么簧片也会跟着打开及关闭。
簧片开关的一个端子及控制模块相连，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Solenoid
2）电动机Motor
3）继电器Relay
2.执行器用途
执行器的形式多种多样，应用于各种需要调节及控制的系统。
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，pulsewidthmodulated）及占空比（dutycycle）控制，两者均是通过控制电磁线圈的接通及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）PWM
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。
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
占空比控制及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.电磁线圈的测试及检修
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，digitalmulti-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，这及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（thermoswitch）来保护超负荷的电动机。
热保护开关一般串联在电源及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（actuatormotors）占了绝大部分。
执行器电动机又分为直流电动机（DCmotors）和步进电动机（steppermotors）。
执行器电动机通常及一套机械装置相连，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（DCMotors）
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（statorcore），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.电动机的测试及测量
一定程度上，电动机可以通过万用表（DMM，digitalmulti-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及其他数据流一起，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（digitalSignal）和模拟信号（analogSignal）。
（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（Piezoresistive）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（Piezoelectric）、二氧化锆（Zirconiadioxide）式氧传感器、电磁效应式（Magneticinductance）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）及占空比（dutycycle）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；占空比控制及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（DCmotors）和步进电动机（steppermotors）。
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