最新《汽车电子控制技术》电子教案.docx

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最新《汽车电子控制技术》电子教案

《汽车电子控制技术》课程

教案

学院职业技术学院

专业汽车维修工程教育

教师王忠良

河北师范大学

职业技术学院机械系

章节

第一章汽车电子控制技术概论

日期

重点

汽车电子控制系统的分类

难点

汽车电子控制系统的组成

第一节电子技术在汽车上的应用

汽车是由发动机、底盘、车身和电气设备四部分组成。

汽车电气设备包括汽车电器系统与汽车电子控制系统两部分。

汽车电子控制系统由传感器、电器开关、电子控制单元和执行器等组成，包括发动机电子控制系统、底盘电子控制系统和车身电子控制系统等子系统。

电子控制技术最早应用在发动机上，汽油机电子控制技术成为电子技术应在汽车上的主要标志。

第二节汽车电子控制技术的发展

汽车电子控制技术发展的根本原因有两个方面：

一是电子技术水平不断提高，这是汽车电子控制技术发展的基础；二是全球能源紧缺、环境保护和交通安全问题，促使汽车油耗法规、排放法规的不断提高。

汽车油耗法规和排放法规促进了汽车发动机电子控制技术的发展，汽车安全法规促进了汽车底盘和车身电子控制技术的发展。

一、汽车电子控制技术发展历程

（一）发动机机电子控制技术的发展

汽油机电子控制技术的发展历程是伴随着汽油机燃油供给技术的发展而来的。

为适应降低汽油机燃油消耗和有害物排放量的要求，汽油机燃油供给技术经历了从机械控制汽油喷射到现在的发动机集中管理系统，以及目前正在迅猛发展的缸内直喷技术。

1934年，德国怀特（Wright）兄弟发明了向发动机进气管内连续喷射汽油来配制混合气的技术，并研制成功第一架采用燃油喷射式发动机的军用战斗机。

1952年，德国Bosch公司研制成功了第一台机械控制缸内喷射汽油机，并成功地安装在戴姆勒—奔驰（Daimler—Benz）300L型赛车上。

1958年，Bosch公司研制成功了机械控制进气管喷射汽油机，并成功地安装在梅赛德斯—奔驰（Mercedes—Benz）220S型轿车上。

从20世纪50年代开始，美国、欧洲和日本先后颁布了对汽车有害排放进行限制的各种法规，70年代的能源危机导致了对汽车燃油消耗进行限制的法规。

这些法规的颁布，推动了以环保和节能为主要目标的电子控制汽油喷射技术的发展，同时也加快了汽车电子控制技术发展的进程。

1953年美国本迪克斯公司（Bendix）开始研制由真空管电子控制系统控制的汽油喷射装置，并在1957年研制成功。

该系统根据进气压力，由设在各个节气门前的喷油器与进气行程同步喷油，遗憾的是该专利技术并未被推广应用。

1967年，德国博世（Bosch）公司根据美国本迪克斯公司的专利技术，开始批量生产利用进气歧管绝对压力信号和模拟式计算机来控制发动机空燃比A/F的D型燃油喷射系统（D-Jetronic），装备在德国大众（Voldswagen）汽车公司生产的VW-1600型和奔驰280SE型轿车上，率先达到了当时美国加利福尼亚州的排放法规要求，开创了汽油发动机电子控制燃油喷射技术的新时代。

D型燃油喷射系统是用电子电路控制喷油器阀门的开启时刻与开启时间。

1973年，德国Bosch公司在D型燃油喷射系统（D-Jetronic）的基础上，改进发展成为L型燃油喷射系统（L-Jetronic）。

L型喷射系统利用了翼片式空气流量传感器直接测量进气管内进入发动机的空气的体积流量，与利用进气歧管绝对压力来间接测量进气量的D型喷射系统相比，检测精度和控制精度大大提高。

在电控汽油喷射系统开发和不断完善的过程中，汽油机电控点火系统的研究开发也取得了重大进展。

1973~1974年，美国通用（General）汽车公司生产的汽车装上了集成电路IC点火控制器，次年高能点火装置HIC点火控制器投入实际应用。

1976年，美国克莱斯勒（Chrysler）汽车公司研制成功微机控制点火系统，取名为“电子式稀混合气燃烧系统ELBS”。

该系统由模拟计算机对点火进行控制，根据大气压力、进气温度、发动机冷却液温度、发动机负荷与转速等信号计算出最佳点火时刻，控制200多个参数，对实际点火提前角进行最佳控制。

1977年，美国通用汽车公司研制成功了数字式点火控制系统。

该系统由中央处理器（CPU）、存储器（RAM，ROM）和模／数（A／D）转换器等组成，是一种真正的计算机控制系统。

1978年，美国通用汽车公司研制成功了同时具有控制点火时刻控制、空燃比反馈控制、废气再循环控制、怠速转速控制、故障自诊断和带故障运行控制功能的电子控制系统。

1979年，德国Bosch公司在L-Jetronic系统的基础上，将电控点火系统和电控燃油喷射系统组合在一起，采用数字计算机进行控制，开发出了M—Motronic系统，即发动机集中管理系统。

1979年，日本日产（Nissan）汽车公司研制成功了集点火时刻控制、空燃比控制、废气再循环控制和怠速转速控制与一体的发动机集中控制系统ECCS，该系统具有自诊断功能，装备在公子Cedric牌和光荣Gloria牌轿车上。

1980年，日本丰田（TOYOTA）公司开发出了具有汽油喷射控制、点火控制、怠速转速和故障自诊断功能的丰田计算机控制系统TCCS。

同年，三菱MITSUBISHI汽车公司研制成功了采用卡尔曼涡流式空气流星传感器的电子控制燃油喷射系统ECI。

1981年，Bosch公司在L-Jetronic系统基础上，开发出了LH-Jetronic系统，该系统采用新颖的热线式空气流量传感器，能直接测出进入发动机空气的质量流量。

1987~1989年，Bosch公司又相继开发出了用于中小型乘用车的电控单点汽油喷射系统，即Mono-Jetronic系统和Mono-Motronic系统。

20世纪90年代，为了满足更加严格的排放指标和根据“京都议定书”确定的分阶段降低汽车CO排放量的要求，世界各主要汽车公司除了逐步增加发动机集中管理系统的控制功能，以满足当时排放法规的要求外，还加大了能满足未来法规要求的其他技术开发力度，尤其是缸内直喷技术。

1995年，日本三菱（MITSUBISHl）汽车公司公布了电控缸内直喷汽油机（即GDI系统），采用汽油缸内直喷技术，可以实现汽油机的分层稀薄燃烧。

然而由于当时技术并不成熟，因此也造成该系统的低速NOx排量相当惊人，而随即被许多注重环保的国家拒于门外。

2001年，Volkswagen/Audi集团研制出独有的FSI（Fuel Stratified Injection）缸内直喷系统。

另外，还有凯迪拉克的SIDI双模直喷发动机、奔驰的CGI直喷发动机、马自达的DISI直喷系统等。

在此期间，Bosch公司也开发成功了具有节气门控制功能的ME-Motronic系统和采用缸内直喷技术的MED-Motronic系统。

我国在轿车汽油机电子控制技术应用方面起步较晚，1994年上海大众推出采用D-Jetronic电控汽油喷射系统的桑塔纳2000型轿车。

2000年，我国政府规定：

5人座以下的化油器式发动机汽车自2001年1月1日起停止生产，电控燃油喷射发动机得到快速发展。

（二）电子控制防抱死制动技术的发展

汽车防抱死制动系统（ABS）是汽车上的一种主动安全装置，其作用是在汽车制动时，防止车轮抱死在路面上滑拖，以提高汽车制动过程中的方向稳定性、转向控制能力和缩短制动距离。

早在20世纪30年代，制动防滑装置就运用在铁路机车的制动中，防止车轮抱死后在钢轨上滑行造成局部摩擦。

1920年，英国人霍纳摩尔研制成功了ABS技术，并于1932年申请了第一个防滑专利。

1947年，在美国飞机上开始采用ABS，并很快成为飞机上的标准装备。

1954年，美国福特（Ford）公司率先在林肯（Lincoln）轿车上采用ABS技术。

1958年，杜尔（Dunlop）轮胎公司研制成功四轮两通道低选控制式Maxa-retABS，并安装在载货汽车上。

1960年，哈理·福格森·雷斯（HarryFergusonReserch）公司将Maxa-retABS改造成四通道控制式ABS，并于1966年安装在野马V-8型汽车上，使汽车制动性能大幅度提高。

1970年，罗伯特·博世（RobertBosch）公司开始研发ABS。

到目前博世公司一直进行ABS的研发，是世界上最大的ABS生产公司。

1975年，美国联邦机动车安全标准对重型载货汽车和客车配备ABS提出了要求。

1978年，梅赛德斯-奔驰（Mercedes-Benz）和宝马（BMW）汽车公司首次在450SEL等轿车的部分产品中安装由博世公司生产的ABS-Ⅱ系统。

ABS-Ⅱ系统采用数字计算机和电磁阀，其控制频率达到每秒10次以上，能够明显提高汽车的制动性能。

1985年，博世公司对ABS-Ⅱ系统进行了结构简化和系统优化，研制出了经济型防抱死制动系统ABS-ⅡE系统；1990年，德尔科（Delco）公司开发出更为经济的四轮防抱死制动系统ABS-Ⅵ系统。

进人90年代后，ABS的装车率大幅度提高，加之法规的推动作用，ABS已成为汽车上标准装备或选择装备。

除博世公司外，生产ABS的公司还有德国的瓦布克（WABCO）公司和戴维斯（TEVES）公司、美国的德尔科（Delco）公司和本迪克斯（Bendix）公司。

我国对ABS的研究始于80年代初，上海汽车制动系统有限公司引进并合资生产的ABS产品已于1997年2月投产。

吉林大学、重庆公路研究所等单位也一直从事ABS的研制工作。

（三）电子控制自动变速器技术的发展

自动变速器是在机械式变速器、液力变矩器和电子控制技术的基础上发展而成的。

19世纪初在欧洲发明了液力传动技术，并应用在船舶上。

1930年，液力变矩器应用在公共汽车上。

1938年，美国通用（General）公司研制了将行星齿轮变速器与液力耦合器结合在一起的液力自动变速器，这是现代轿车自动变速器的雏形。

1939年安装在通用公司生产的奥兹莫比尔（Oldsmobile）轿车上。

1942年，美国通用公司研制的自动变速器上采用了双导轮、可闭锁的综合式变矩器。

1969年，雷诺（Renault）汽车装备了采用电子计算机控制的液力自动变速器，标志着电子控制自动变速器的出现。

1978年，美国克莱斯勒（Chrysler）公司生产了带锁止式液力变矩器的自动变速器。

自1981年起，美国、日本一些汽车公司相继开发出各种采用微处理机的微机控制自动变速系统，实现了自动变速器的智能控制。

1983年，德国博世（Bosch）公司研制成功发动机和自动变速器共用的电子控制单元，实现了对动力总成的联合控制。

自20世纪80年代后期开始，丰田（TOYOTA）等汽车公司开发了AT智能控制系统，如丰田汽车公司的ECT-I（intelligentelectronicsystem）。

电子控制自动变速器也存在结构复杂、零件精度要求高、制造难度大，传动效率低等缺点。

近年来，机械式自动变速器（AMT）、无级自动变速器（CVT）也得到快速发展。

和液力自动变速器相比，机械式自动变速器具有更高的传动效率，无级自动变速器可以实现传动比的连续改变，从而实现传动系与发动机工况的最佳匹配。

二、汽车电子控制技术发展趋势

汽车采用车载局域网LAN技术是汽车电子控制技术发展的必然趋势。

第三节汽车电子控制系统的分类

一、按控制对象分类

分为：

（1）发动机电子控制系统

（2）底盘电子控制系统

（3）车身电子控制系统

二、按控制目标分类

分为（见表1-5）：

（1）动力性控制系统

（2）经济性控制系统

（3）排放性控制系统

（4）安全性控制系统

（5）舒适性控制系统

（6）操纵性控制系统

（7）通过性控制系统

第四节汽车电子控制系统的组成

一、汽车电子控制系统的基本组成

但就总体结构而言，发动机电子控制系统都是由传感器、电子控制单元（ElectronicControlUnit，简称ECU）和执行器3部分组成。

（一）传感器

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。

（二）电子控制单元

电子控制单元是以单片微型计算机（即单片机）为核心所组成的电子控制装置，具有强大的数学运算、逻辑判断、数据处理与数据管理等功能。

电子控制单元的主要任务是：

向各种传感器提供它们所需的基准电压；接收传感器或其他装置输入的信号，并将它们转换为微机能够处理的数字脉冲信号；储存输入的信息，运用内部已有的程序对输入信息进行运算分析，输出执行命令；根据发动机性能的变化，自动修正预置的标准值；将输入信息与设定的标准值进行比较，如发现数据异常，确定故障位置，并把故障信息储存在存储器中。

（三）执行器

执行器又称执行元件，是电子控制系统的执行机构。

执行器的功能是接受电控单元发出的指令，完成具体的执行动作。

二、汽车发动机电子控制系统的组成

图1-5所示为桑塔纳2000GSi、3000型轿车采用的莫特朗尼克（Motronic）M3.8.2型发动机电子控制系统。

图1-6所示为该电子控制系统的组成，图1-7所示为该电子控制系统各组成部件的安装位置。

（一）传感器与开关信号

1.传感器

传感器有空气流量传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、怠速节气门位置传感器和节气门位置传感器（两只传感器与节气门控制组件J338制作成一体）、冷却液温度传感器、进气温度传感器、氧传感器、爆震传感器和车速传感器。

节气门控制组件J338又称为节流阀体，由怠速节气门位置传感器G88、节气门位置传感器G69、怠速控制电机V60和怠速控制阀F60组成。

怠速节气门位置传感器G88安装在节流阀体内并与怠速电机V60连接在一起；节气门位置传感器G69安装在节气门轴上。

两只节气门位置传感器的功用都是检测节气门开度信号并输入电控单元J220。

在M3.8.2型发动机电子控制系统中，发动机怠速时的进气量采用了直接控制节气门开度的方式进行控制，所以发动机在怠速范围内工作时，电控单元J220将根据怠速节气门位置传感器G88提供的信号调节怠速时的节气门开度；当发动机在怠速以外的工况时，电控单元J220将根据节气门位置传感器G69提供的信号进行控制。

2.开关信号

开关信号有以下几种：

①点火开关信号IGN。

当点火开关处于“点火（IG）”挡位时，向电控单元输入一个高电平信号。

②起动开关信号STA。

当点火开关处于“起动（ST）”挡位时，向电控单元输入一个高电平信号。

③空调开关信号A/C。

当空调开关接通时，向电控单元提供提供接通空调系统的信号。

④电源电压信号UBAT。

向电控单元提供蓄电池端电压信号。

⑤空挡安全开关信号NSW，在装备自动变速器的汽车上，用于检测自动变速器的档位选择开关是否处于空挡位置。

（二）执行器

执行器有电动燃油泵、电磁喷油器、怠速控制电动机（在节气门控制组件J338内），活性炭罐电磁阀、点火控制器和点火线圈。

章节

第二章汽车发动机燃油喷射技术

日期

重点

燃油喷射电子控制系统的结构原理

难点

燃油喷射电子控制系统的控制过程

第一节汽车发动机燃油喷射系统的组成

汽车发动机燃油喷射系统的组成主要由空气供给系统、燃油供给系统和燃油喷射电子控制系统三个子系统组成。

一、空气供给系统

功能：

向发动机提供混合气燃烧所需的空气，并测量出进入气缸的空气量。

分类：

旁通式和直供式

供气系统的结构特点：

进气道长且设有动力腔（谐振腔）。

利用空气动力效应。

空气动力效应包括气流惯性效应与气流压力波动效应。

可变进气系统：

高转速、大负荷时配用粗而短的进气歧管，中低转速和中、小负荷时配用细而长的进气歧管。

二、燃油供给系统

功能：

向发动机提供混合气燃烧所需的燃油。

三、电子控制系统

组成：

传感器与控制开关、ECU和执行器

第二节汽车发动机燃油喷射系统的分类

一、按喷射系统的控制方式分类

按汽油喷射系统的控制方式不同，汽油机燃油喷射系统可分成机械控制式汽油喷射系统、机电结合式汽油喷射系统和电子控制式汽油喷射系统。

1．机械控制式汽油喷射系统

机械控制式汽油喷射系统是指利用机械机构实现燃油连续喷射的汽油喷射系统。

机械控制式汽油喷射系统，也称K-Jetronic系统，1967年由德国Bosch公司推出。

2．机电结合式汽油喷射系统

机电结合式汽油喷射系统是指由机械机构与电子控制装置结合实现燃油喷射的汽油喷射系统。

机电结合式汽油喷射系统也称KE-Jetronic系统，它是K-Jetronic系统的改进型，德国Bosch公司于1982年推向市场。

3．电子控制式汽油喷射系统

电子控制式汽油喷射系统是指由电控单元直接控制燃油喷射的系统。

现代电喷汽油机已全部采用电子控制式汽油喷射系统，但汽油机电控系统发展的初期，都是仅具有单一电控汽油喷射控制功能，现已全部被发动机集中管理系统所代替。

二、按喷油器的喷射部位分类

按喷油器喷射燃油的部位不同，汽油机燃油喷射系统可分为进气管喷射系统和缸内喷射系统两种类型。

其中进气管喷射又可分为单点喷射（SPI、TBI或CFI）和多点喷射（MPI）两种类型，多点喷射又可分为压力型（即D型）和流量型（即L型）多点喷射系统两种类型。

1．缸内喷射系统

缸内喷射系统又称为缸内直接喷射系统，其主要特点是：

喷油器安装在汽缸盖上，喷油器以较高的燃油压力（约3~4MPa）把汽油直接喷入发动机汽缸内，并与空气混合形成可燃混合气。

“缸外混合”的缺点是显而易见的，进入燃烧室的混合气只能够通过气门的开、闭来被动控制，对发动机工况变化的适应性差。

采用缸内喷射方式，能够根据发动机工况随时调整空燃比，根据发动机工况采取不同的喷油方式，通过合理组织缸内的气体流动可以实现分层稀薄燃烧，有利于进一步降低发动机有害物排放和燃油消耗量。

例如奥迪（大众）FSI技术便采用了两种不同的注油模式，即分层注油和均匀注油模式。

发动机低速或中速运转时采用分层注油模式。

此时节气门为半开状态，空气由进气管进入汽缸，由于活塞顶部制作成特殊的形状，进入汽缸的空气在活塞顶部火花塞附近形成涡流。

当压缩过程接近尾声时，少量的燃油由喷油器喷出，形成可燃混合气。

此时在火花塞周围的混合气浓度较高，而燃烧室的其他地方则浓度较低，实现了分层燃烧。

分层注油方式可以充分提高发动机的经济性。

当节气门完全开启、发动机高速运转时，采用均匀注油模式。

此时，大量空气高速进入汽缸形成较强涡流并与汽油均匀混合，从而促进燃油充分燃烧，实现了均匀燃烧，提高了发动机的动力输出。

这样，ECU根据发动机工况改变注油模式，始终保持最适宜的供油方式，使燃油得到充分利用，提高了燃油经济性和发动机动力性，降低了污染物排放。

但是采用缸内喷射方式，为了布置喷油器，汽缸盖要重新设计，同时也增加了汽缸盖结构的复杂性，使制造成本增加。

另外，采用缸内喷射方式，需要能耐高温、耐高压，动态响应速度快，可靠、寿命长的喷油器。

目前，大众（VAG）、宝马（BMW）、奔驰（Mercedes-Benz）、通用（GM）以及丰田（ToyotaLexus）等公司已经开始使用缸内喷射系统。

2．进气管喷射系统

进气管喷射系统（也称缸外喷射）的特点是：

喷油器安装在进气总管或者进气歧管上，喷油器把汽油喷入进气总管或者进气歧管，喷入的汽油在进气管中与空气混合形成可燃混合气，在进气行程被吸入汽缸。

采用进气管喷射方式时，喷油器不与高温高压的燃气接触，并且发动机改动很小。

对于进气管喷射系统，按喷油器的安装部位不同，又分为单点喷射系统和多点喷射系统。

（1）单点喷射系统

单点喷射系统（SinglePointFuelInjectionSystem，缩写为SPFI或SPI）也称节气门体喷射或集中喷射系统，是指在多缸发动机节流阀体（即节气门体）的节气门上方安装一只或并列安装两只喷油器的燃油喷射系统。

（2）多点喷射系统

多点喷射系统（Multi-PointFuelInjectionSystem，缩写为MPFI或MPI）是指在发动机每个汽缸进气门前方的进气歧管上均设计安装一只喷油器的燃油喷射系统。

多点喷射系统在发展过程中，曾经研制出几种典型的基本型式，这几种型式可分为D型、L型、LH型和M型燃油喷射系统，它们代表着不同年代燃油喷射系统的设计思想和技术水平。

其中D和L分别来源于德文的Druck（压力）和Luftmengen（空气流量）。

LH型和M型是在L型基础上改进而成的多点喷射系统。

二、按喷油器喷射方式分类

按喷油器喷射方式分类，汽油机燃油喷射系统可以分为连续喷射系统和间歇喷射系统两种类型。

1．连续喷射系统

连续喷射系统是指在发动机运行期间，喷油器连续不断地喷射燃油的燃油喷射系统。

这种喷射方式不需要考虑喷油定时和各缸的喷油顺序，因此其控制非常简单，但混合气的均匀性、空燃比控制精度及过渡工况的响应特性都较差。

连续喷射方式用在Bosch公司的机械控制汽油喷射系统（K—Jetronic系统）和机电结合式汽油喷射系统（KE—Jetronic系统）中。

2．间歇喷射系统

间歇喷射系统是指在发动机运转期间，喷油器间歇喷射燃油的燃油喷射系统。

目前，绝大多数电子控制燃油喷射系统都属于间歇喷射系统，如上海桑塔纳2000GSi、爱丽舍、夏利等轿车发动机。

间歇喷射系统按照各缸喷油器的喷油时序不同，分为同时喷射、分组喷射和顺序喷射三种方式。

（1）同时喷射

同时喷射是指各缸喷油器开始喷油和停止喷油的时刻完全相同。

（2）分组喷射

分组喷射是指把发动机所有汽缸分成2组（四缸机）或3组（六缸机），ECU用两个或三个控制电路控制各组喷油器。

（3）顺序喷射

顺序喷射又称次序喷射，是指在发动机运行期间，喷油器按各缸的工作顺序，依次把汽油喷入各缸的进气歧管。

第三节燃油喷射电子控制系统的结构原理

一、空气流量传感器

作用：

检测进入汽缸的空气流量。

空气流量传感器将空气流量变为电信号输入ECU，ECU根据空气流量传感信号决定基本喷油量和点火时间。

（一）空气流量传感器分类

根据检测进气量的方式不同，空气流量传感器分为D型（即压力型）和L型（即空气流量型）两种类型。

“D”型来源于德文“Druck（压力）”的第一个字母，是利用压力传感器检测进气歧管内的绝对压力，测量方法属于间接测量法。

装备“D”型传感器的系统称为“D”型燃油喷射系统，控制系统利用该绝对压力和发动机转速来计算吸入汽缸的空气量。

“L”型来源于德文“Luftmengen（空气流量）”的第一个字母，是利用流量传感器直接测量吸入进气管的空气流量。

汽车采用的“L”型传感器分为体积流量型（如翼片式、涡流式）传感器和质量流量型（如热丝式和热膜式）传感器。

（二）翼片式空气流量传感器

1．翼片式空气流量传感器的结构

安装在空气滤清器与节气门之间的进气管路上

翼片式空气流量传感器主要由翼片组件和电位计组件两部分组成。

翼片组件和电位计组件是同轴结构，轴端有盘形回位弹簧。

1）翼片组件

由计量翼片和缓冲翼片构成。

计量翼片转过的角度取决于空气流速和回位弹簧的预紧力矩，当进气的作用力与弹簧的回转力平衡时，计量翼片便稳定在某一角度。

空气流量传感器进气通道的旁边还有一个旁通气道。

旁通气道的流通截面积可由一个CO调整螺钉进行调整。

汽油泵开关设置在空气流量传感器内，由滑臂控制。

2）电位计组件

当翼片带动电位计转动时，电位计上的滑臂便在电阻片上滑动，使输出电阻变化。

3）工作电路与接线插座

图2-19

4）进气温度传感器

图2-19

2．翼片式空气流量传感器的工作原理

电阻转变成ECU接收的电压信号的方法有两种（即空气流量信号的选择方法有两种）：

方法一：

如图所示。

用（VC－VS）/VB作为传感器的输出信号。

采用（VC－VS）/VB作为传感器的输出信号