课题汽车用传感器
教学重点：认识汽车传感器的概念
教学难点：汽车传感器的实践活动
教学课时：第1、2课时（第二课时是实践活动）
教学方法：多媒体教学法、实践法
教学内容：
一直以来，传感器技术就被广泛地应用在日常信息、通信、汽车、医疗等外围精密设备上，其中又以汽车工业作为车用传感器产品最为突出，随着电子技术的发展，汽车电子化程度不断提高，传统的机械系统己经难以解决某些与汽车功能要求有关的问题，因而将逐步被电子控制系统代替。传感器作为汽车电控系统的关键部件，其优劣直接影响到系统的性能。
目前，普通汽车上大约装有几十到近白只传感器，豪华轿车上则更多。车用传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。汽车电子化和自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大，因此，国内外都将车用传感器技术列为重点发展的高新技术。目前，电子零部件在平均每辆高档车零部件成本中占有30%的比率，汽车传感器多达上百至数百只，以往安装在豪华、高档车或专用车辆上的先进传感器，现也纷纷落户在中、低档车上。
一般在车上使用的传感器就是将传感器产生的模拟信号及数字信号输入到电控单元(ECU)的输入电路中，也就是说，它将汽车运行中各种工作状况信息，包括:车速、车况及各种介质的温度、发动机运转工作状况及路面信息等，转化成电信号输给ECU，以使发动机处于最佳工作状态，排放废气污染为最小，车身稳定控制，实现安全行车。
随着汽车市场对于驾驶安全、舒适性及操控性等要求持续提升，对分散在负责安全、舒适与环保等各个车用次系统的要求也越来越高，以提升安全功能的各式传感器，占了整体传感器数量的50%以上，年平均增长率最高，达到了13.7070，因此从汽车安全角度来看，传感器应用是极为关键性的电了组件。
汽车安全发展至今，其终极目标就是降低事故发生率，而这也是车用传感器发展以来最重大的目标之一。目前己有许多感测技术甚至是雷达技术都己实际应用在汽车上，藉以提升汽车驾驶的安全性。
“车用宙达技术”，就是将高频尤线电波发送出去，再透过接收由前方车辆等反射回来的射出毫米波，来检测车间距离及车辆位置，再加上算法来提高毫米波的接收灵敏度。如果侦测范围内有物体，反射信号很强，雷达系统会测量其发送信号到接收到反射信号所击要的时间。物体越远，发射和接收差距时间越长，用这种方式来计算车与物体之间的距离。
汽车所使用的夜视系统，大多以近红外线和远红外线类型为主。使用远红外的特点是:当遇到对向车辆的前照灯、信号灯及道路标识发生反射等情况时也不会晃眼，及在对向车辆也配备有远红外线夜视系统时也不会相互干扰。而与远红外图像传感器相比，近红外线的夜视系统能够以较低成本完成。
车体上的机械结构都己受到电子设备掌控，车体内的空间有限，因此，电子控制单元应与机械结构紧密结合，逐渐形成一个整体。电路及组件的微型化、模块化是必然趋势，从工程的角度来看，将传感器组件微型化有其优点。现代汽车微机电子技术发展的车用传感器发展趋势应朝多功能化、模块化、智能化、微型化技术方向发展。
许多汽车厂商为了严格把关车上电子产品稳定度及品质，对其可靠度及信赖度要求极为严格。因此，诸多车用传感器的重要关键卞动组件己有固定供货商提供，包括Freescale,Infineon,STM,Renews,Toshiba,NEC等一级供应链中的车用电子大厂。预计未来5年内将出现更小、更轻、处理能力更强的传感器。在修订时，删去了第14章磁场传感器的前半部分内容、第16章其他传感器、第17章直喷式发动机与传感器、第18章更新型传感器与集成型传感器和第19章电动车与代用燃油车用传感器。
增加的内容有:MEMS空气流量传感器的传感部件;发动机控制用小型压力传感器;利用微控制技术的高压传感器;共轨系统用超高压传感器;采用压粉铁心的电动助力转向用非接触式扭矩传感器;接触式转向角度/扭矩传感器;动力传输系统用磁滞仲缩式扭矩传感器;高分解能力的角度传感器;高分解能力的转向角度传感器;GMR电阻的功能与特点;GMR元件在转速传感器上的应用高精度高可靠性MEMS加速度传感器;汽车用电流传感器与霍尔元件;横摆角速度检测用传感器。
在修订过程中，尽竹作者做了许多努力，但由于各方面条件有限，书中不妥之处在所难免。敬请广大读者给予批评指正。
总结：
本课程主要是基础课程，较为客观，以基础为主。
课题汽车传感器的概述
教学重点：认识并掌握汽车传感器的理论知识；
教学难点：能认识汽车传感器的实物；
教学课时：第5、6、7、8课时（7、8为实践活动课）；
教学方法：多媒体教学法、实践活动法（后两节课）。
教学内容：
一、传感器概述
1.1人的感觉与机械的感觉
1.2信号变换和能量变换
1.3能量变换型传感器和能量控制型传感
1.4模拟输出信号和数字输出信号
1.5汽车用传感器的种类和项目
1.1人的感觉与机械的感觉
与人的视觉、听觉、触觉等相对应的有光传感器、传声器、应变计等物理传感器。人的味觉、嗅觉等一般称为化学感觉，与此相应，在离子电极以及溶液电导率等检测时采用了化学传感器。当然，物理传感器和化学传感器并没有本质上的区别。
如果有人问，把人的感觉器官与传感器相比，哪一个好些?这可是一个非常难的题目。人的感觉是我们生活的基础，生活是以感觉为前提的。因此，在我们的生活中，如果从感觉器官的尺度来评价传感器的话，那么一定是我们的感觉器官好些。以嗅觉为例，与狗的鼻子相比，人鼻子的敏感性要差多了，但对某种物质来说，人鼻子的敏感性超过了现代的化学分析技术。
但是，再看光传感器时就会知道，已有传感器能够检测出人无法感觉到的红外线和紫外线。另外作为温度传感器的热电偶可以直接置入熔化的钢及燃烧的液化大然气中，从而测定其温度，精度达到11℃，而且，可测温度范围在
-160℃~1600℃之间。
某人发烧时，有时把手放在额头附近来判断体温，这是因为两者温差不大，若温差太大，就难以做出定量的判断。当很多人聚在一起吵吵闹闹时，如果有人喊自己的名字，自己也会从喧闹声中分辨出来，但传声器对此却望尘莫及。还有，人们对自家附近火车通过的声音，会在不知不觉中习惯。虽然都可以说是五官，但人的五官和机械传感器还是有差别的。
1.2信号变换和能量变换
我们是通过五官获得必要信息的。机器和系统是通过传感器获得周围环境的条件与计量对象的信息。传感器要把接收到的信号变换成电信号后再对外输出。
传感器以什么样的敏感度检测信号，变换后的信号与原输入信号相比，失真情况如何?这些项目都可用来评价传感器的优劣。也就是说，要从传感器处理信息的质与量上来评价传感器的性能。对“物质”和“能量”而言，“信息”是一个较新的概念。在研究传感器时，人们比较重视在信号检测与转换过程中的信息的质与量，所以对此过程中的能量和物质的作用，常常置于第二位来考虑。
信息是以信号的形式进行变换的。在信号的变换过程中必然有能量的传递和转换。传感器是能量变换器。例如光传感器中的太阳能电池就是把光能变换成电能的变换器;温度传感器的热电偶是把热能变换成电能的变换器。
1.3能量变换型传感器和能量控制型传感器
太阳能电池和热电偶所输出的电能分别来源于传感器所吸收的光能和热能。这些能量加在传感器上经变换后再输出，因此把这种传感器叫作“能量变换型传感器”。
另一方面，温度传感器以及照相机用自动曝光机构的光传感器是以改变电阻值的方式向外输出信号的。这时，输入到传感器的热能及光能并没有变成其他形式的能量，传感器的电源还是由测试回路供给的，但电源所输出的能量要受控于测试对象输出的信号(热及光)，就把这种传感器叫“能量控制型传感器”。
“能量控制型传感器”要消耗输入信号的能量，但这与被控的输出能量或输出功率比较起来看，通常要小得多。如果着眼于输入能量和输出能量的对比，就会看出，这种传感器具有一种放大作用，因此，也把“能量控制型传感器”叫做“有源型传感器”。与此相应，因为“能量变换型传感器”没有能量放大作用，所以也叫做“无源型传感器”。
1.4模拟输出信号和数字输出信号
什么是模拟信号呢?一般来说电压、电流、阻抗等都是模拟信号。此外，频率以及光输出传感器的输出也是模拟信号。阻抗变化的传感器也属能量控制型的，所以输出信号是电压或电流。
以直流电压为例，对模拟信号加以说明。用零至V的电压来传递某一个“量”时，只要把“量”值变换成直流电压就可以了。电压低时传递的“量”比较小，电压高时传递的“量”比较大;即用电信号的变化来传递“量”的变化情况。有时不用电压信号而是用电流信号，变换规律类似。
所谓“数字信号”就是表示量的符号，最简单的例子是用两个符号来表示量。我们平常是用。0~9这10个数字的组合表示量的。但这决不是说，表明“量”的数字非得是十进位不可。我们用“0,1”这样两个符号表示数时，就称为二进制数。与连续的模拟量不同，数字式传感器的输出是离散的数值及符号。数字变换中最简单的输出信号是“0,1"，与此相对应的有通、断(ON/OFF)型传感器，或者是开关触点的通、断(ON/OFF)状态。
数字技术在飞跃地发展，已经出现了精度和分解能力都非常高的数字输出传感器。这种传感器的优点是:信号传输过程中的衰减小，即使有干扰混入，误差也很小。
1.5汽车用传感器的种类和项目
在传感器这个词广泛使用之前，在汽车上已经装用带传感器的仪表，如温度表、转速表及速度表等。随着电子技术的发展，作为汽车电子控制系统中、自的微机在迅速地普及，这又促使了信息处理技术及控制技术的进步，为了向微机提供各种必要的信息，人们又开发了许多种传感器，以达到各种目的。有的一辆车上就装了50多个传感器。其中大部分传感器用于动力传动系统、车辆控制系统、车身控制系统、通信系统以及提高工作性能的系统上。目前，为创造一个舒适的驾驶环境以及注重安全也用了很多传感器。
提高发动机性能其关键在于燃油喷射量和点火时间。为了确定这两个参数就需要许多信息，如发动机的进气量、温度、发动机转速、曲轴位置等。为此，汽车上装有温度传感器、流速传感器、角度传感器、位置传感器等，还有测定排气中氧气浓度，以便正确进行控制的传感器。
为了使汽车安全地行驶采用了电子技术，在进一步提高汽车性能的过程中，传感器所起的作用更加重要。汽车电子技术应用成功与否的关键在于传感器，这样的说法并不过分。
(1)有关发动机控制的检测项目。
(2)有关转向控制系统的检测项目。
(3)有关空调控制的检测项目。
(4)有关仪表、报警、诊断等的控制项目。
(5)变速系统控制项目。
(6)制动系统控制项目。
(7)悬架系统控制项目。
(8)导向系统控制项目。
(9)有关安全控制项目。
各控制系统所用传感器按其检测项目分类，可分为:①温度传感器;②压力传感器;③空气流量传感器;④位置、角度传感器;⑤气体浓度传感器;⑥转速传感器;⑦加速度、振动传感器;⑧光量传感器;⑨液位传感器;⑩距离传感器;⑩电流传感器;⑩角速度传感器;⑩载荷传感器等。
要想使传感器在汽车上大量地装用，传感器的测定范围、精度、分辨能力、响应性等基本因素应符合要求之外，还要考虑到参数的一致性、耐久性及经济性。要根据使用目的来选定适当水平的传感器。发动机上几种典型计量项目与特性要求见。
此外，发动机的使用环境也非常广，从寒带到热带，车上有的部位达到1000℃左右的高温，加之机械振动、腐蚀、需要防水等，还有许多考虑不到的严酷环境，所以对传感器来说，其使用环境条件是很苛刻的。在数年以前，对排气装置部件就曾有10年保证期的要求。所以，对汽车用传感器的开发，与其说是传感器自身的开发，不如说更注重于对传感器的互换性及耐久性等可靠性方面的开发。
前面已经介绍过，传感器相当于人的感觉接受器官，用以检测各种物理量、化学量，同时还要求传感器对稳定程度及危险程度等状态也能进行测定，对舒服性、不愉快感、臭味等人的感官功能的项目做出定量测定，判断司乘人员的操作意图等。即要求传感器不仅能够检测出单一的变量，而且也可测量出各个变量随时间的变化情况及其空间分布;或具有与其他变量对比、再进行推断与判断的功能。也就是说，传感器不仅具有感官功能，而且与具有信息处理功能的微型计算机形成一个整体的检测系统，这就是集成化传感器。集成化传感器的典型例子是半导体压力传感器。
表1一1汽车各系统所用传感器的种类与目的
表1一2发动机的计量项目与特性要求
表1一3发动机用传感器的典型环境条件(行驶状态，发动机舱)
表1一4特殊环境条件
图1一1各系统上与传感器相关的检测项目
空气流量传感器
教学重点：理解空气流量传感器的概念；
教学难点：了解空气流量传感器的分类及特性；
教学课时：第9、10、11、12、13、14课时（12、13、14为实践活动课）；
教学方法：多媒体教学法、实践法
教学内容：
三、空气流量传感器
3.1动片式空气流量传感器
3.2卡曼涡旋式空气流量传感器
3.3热丝式空气流量传感器
3.4各种空气流量传感器的比较
3.5MEMS空气流量传感器的传感部件
3.6微型空气流量传感器
3.1动片式空气流量传感器
3.1.1动片式空气流量传感器的结构
动片式空气流量传感器装在汽油发动机上，它安装于空气滤清器与节气门之间，其功能是检测发动机的进气量，并把检测结果转换成电信号，再输入到微机中。该传感器由空气流量计与电位计两部分组成。
先来看空气流量传感器的工作过程。由空气滤清器吸入的空气冲向动片，动片转动到进气量与回位弹簧平衡的位置处停止，也就是说，动片的开度与进气量成正比。在动片的转动轴上还装有电位计，电位计的滑动臂与动片同步转动，利用滑动电阻的电压降把测量片的开度转换成电信号，然后输入到控制电路中。
电位计上设有燃油泵触点，当发动机工作时，动片张开一定角度，燃油泵触点闭合(ON),燃油泵工作;当发动机停止时，燃油泵触点断开(OFF)，燃油泵停止。
空气流量计与电位计共同将动片的转动状况变换成电压来反映出进气量的多少。进气量与电压之间的关系有两种，一种是电压比检测，另一种是电压值检测。采用电压比检测方式时，因电压比与进气量成反比。
3.1.2动片式空气流量传感器的测试原理
动片式空气流量传感器的原理，设空气流量为Q.
在回位弹簧的弹簧常数很小时，因为可以把p1—p2:看成是一定值，所以可认为Q∝A。此外，动片的开口面积与打开角度相对应，即与电位计的输出电压Us相关，所以在设定电位计时就要保证空气流量Q与输出电压Us的关系符合Q∝(1/Us)。而且为了消除蓄电池电压UB变化对测试值的影响，将Us/UB作为空气流量传感器的输出。从上述可知，输出Us/UB与体积流量Q成函数关系，所以采用进气温度热敏电阻修正空气密度ρ随温度产生的变化，采用大气压传感器对高原行车引起的变化加以修正。
3.2卡曼涡旋式空气流量传感器
3.2.1检测原理
野外的架空电线被风吹时会嗡嗡发出声响，风速越高声音频率越高，这是因气流流过电线后形成涡旋所致，液体、气体等中均会发生这种现象，利用这一现象可以制成涡旋式流量传感器。在管道里设置柱状物，使流体流过柱状物之后形成两列涡旋，根据涡旋出现的频率就可以测量流量。因为涡旋呈两列平行状，并且左右交替出现，与街道两旁的路灯类似，所以有“涡街”之称。因为这种现象首先为卡曼发现，所以也叫作卡曼涡街。
管路中设置了圆柱状物之后，就会形成涡旋，若两列平行的涡旋相距为h，同一列中先后出现的两个涡旋的间隔距离为l，当比值h/l为0.281时，所形成的涡旋是稳定的并且是周期性的，这时，单侧涡旋的产生频率f与流体速度v1之间有如下关系:
在管道尺寸及柱状体尺寸都已确定时，上式中f之前的各量均为常数，即qv与f成正比.
柱状体几何形状的设计，一方面与涡旋频率的检测手段有关，另一方面要使涡旋尽量沿柱状物的长方向同时产生，且同时与柱状物分离，这样才容易得到稳定的涡列，而且信噪比强，容易检测。但是柱状体的长度是有限的，靠近管道轴线处的流速高，靠近管壁处的流速低，而且沿柱状物长方向的各处产生的涡旋也不容易同步，由此，应采用几何形状合理的柱状物。
关于涡旋频率的检测，目前已有多种方法。无非是利用涡旋的局部压力、密度、流速等的变化作用于敏感元件，产生周期性电信号，再经放大整形，得到方形脉冲。本节先来介绍超声波式卡曼涡旋空气流量传感器。
3.2.2超声波式卡曼涡旋空气流量传感器
超声波式卡曼涡旋空气流量传感器的结构，它安装于空气滤清器的内部。
超声波空气流量传感器设有两个进气通道:主通道和旁通道，进气流量的检测部分就设在主通道上，设置旁通道的目的是为了能够调整主通道的流量，以便使主通道的检测特性呈理想状态。也就是说，对排气量不同的发动机来说，通过改变空气流量传感器旁通道截面大小的方法，就可以用一种规格的空气流量传感器来覆盖多种发动机。主通道上的三角柱和数个涡旋放大板构成卡曼涡旋发生器。
在产生卡曼涡旋处的两侧，相对地设置了属于电子检测装置的超声波发送器和超声波接收器，也可以把这两个部件归入传感器，这两个电子传感器产生的电信号经空气流量传感器的控制电路(混合集中电路)整形、放大后成理想波形，再输入到微机中。为了利用超声波检查涡旋，在涡旋通道的内壁上都粘有吸音材料，目的是防止超声波出现不规则反射。
这种空气流量传感器的流量检测的原理电路。当有卡曼涡旋产生时，就伴随有速度及压力的变化，流量检测的基本原理就是利用其中速度的变化
随着空气流动方向的不同，声波会被加速或者被减速。在日常生活中我们常常会遇到下述现象，当逆风方向喊人的时候，对方不容易听到，而顺风方向喊人时，对方很容易听到。因为前者的空气流动方向与声波前进方向相反，声波受阻而减速，后者的声波被加速，在超声波式空气流量传感器中，也存在着同样的现象。
3.2.3压力变化检测型卡曼涡旋式空气流量传感器
本节介绍利用压力的变化来检测涡旋频率的空气流量传感器，有的将其称为光学型卡曼涡旋式空气流量传感器。
压力变化检测型卡曼涡旋式空气流量传感器的原理图。这种空气流量传感器的结构图，进入传感器的空气流先经蜂窝状整流器，在考虑低流量下涡旋的稳定性、压力损耗等因素之后设计出蜂窝状整流器单件尺寸的。在空气通道内设置有涡旋发生器，从其两侧就会产生与流速成正比的涡旋。在设计时就确定了流速与涡旋频率之间为正比例关系，以保证在很宽的流量范围上涡旋发生器都会产生稳定的强烈的涡旋。
下面再对这种空气流量器稍加说明，涡旋是从涡旋发生器两端交替产生的，因此涡旋发生器两端的压力也交替变化，这种压力变化通过涡流发生器下游侧锥形柱上的导压孔引导到反光镜腔中，反光镜腔中的反光镜是用很细的张紧带张紧的，所以，张紧带上出现扭曲与振动。此外，利用板弹簧给张紧带加上适当的张力，由此，除振动与涡旋压力之外的压力变化等难以造成影响，从而可得到稳定的扭转与振动。
因涡旋出现而形成的压力经导压孔到反光镜腔中，与反射腔中的压力变化同步、反光镜在张紧带上形成扭转、振动。反光镜非常轻巧，即使在低流量、压力变化非常小的状况下，也会动作。在反光镜的上部，相应配置有发光二极管(LED)与用光敏三极管等构成的光传感器，二极管发出的光经反光镜反射，并射到光敏三极管上时，就会变成电流，经波形电路后输出。
3.2.4带微差压力传感器的超声波型卡曼涡旋空气流量传感器
卡曼涡旋空气流量传感器的特点是精度高、寿命长、可靠性高。但是，高性能的发动机即进一步降低油耗、提高输出功率的发动机还要求打一展进气量的检测范围，但老式超声波型卡曼涡旋空气流量传感器在高流量的区域将产生过调制的现象，受这一因素的影响，这种传感器有计量范围不足的缺点。为此，又研制出带微差压力传感器的空气流量传感器。
(1)采用压力损耗小的涡旋发生器。
(2)压力损耗较小的管道结构。
(3)测量微小的涡旋压力。
(4)带微差压力传感器的空气流量传感器。
3.3.1热丝式空气流量传感器的结构
热丝式空气流量传感器(以下简称H/W)的结构。作为发热体的热丝是用直径为Ф70μm的铂丝制成的，以u形状张紧装于管道内部，设计时就使其比进气温度高120℃。在温度传感器中还设有空气温度补偿电阻。它是由氧化铝陶瓷基片印刷的铂膜而形成的，它与精密电阻一起设置在管道内。为防止附着在热丝上的灰尘等造成性能下降，设有灰尘燃烧电路，在点火开关置于断开挡时，在一定的条件下，将热丝加热1000℃,1s，烧掉灰尘等附着物。因为是用铂丝做发热元件的，所以响应性好。
与此类似的还有热膜式空气流量传感器(以下简称为H/F)。
3.3热丝式空气流量传感器
3.3.2工作原理
在进气通道上设有用电流加热的铂金属丝(热丝)，为了保证热丝的温度为一定值，就必须控制加热电流，由此可以测定出空气流量。
当气流通过已被加热的热丝上时，热丝就要变冷，气流速度越高，从热丝上夺走的热量就越多，即热丝上被夺取的热量是一个变化值。热丝式空气流量传感器就是利用电加热热丝，并把气流速度变换成电信号实现检测的。
3.3.3质量流量检测精度
(1)温度特性
(2)压力特性
(3)湿度特性
3.3热丝式空气流量传感器
3.3.4响应特性
传感器的响应特性不仅与发热元件的热时间常数有关，而且与恒定温差控制电路的回路常数有关。流量越大，热时间常数越小。
这里说明的频率响应适用于流量变化比较小的场合，当幅度变化更大的场合下，就需要考虑到非线性特性以及发热元件至支撑部件的热传导的损耗特性等造成的影响。在恒定温差控制电路的作用下，即使流速在变化，热膜元件上加热面(通过布线形成电阻的平面)的平均温度基本上不变，但在热时间常数的传播时间内，因元件支撑部位附近的温度发生变化，所以响应性变差。
为了明确热损耗特性与响应性的关系，在热回路网模型中，根据热回路方程式和闭合回路的特性作阶跃响应模拟，在热膜元件厚度与测量管道内突起长度为一定的条件改变加热元件长度时，热损耗特性与阶跃流量变化时的响应特性的关系。
3.4各种空气流量传感器的比较
3.4.1输出特性
已经大批生产的动片式、卡曼涡旋式、热丝式空气流量传感器的输出特性，动片式与热丝式是非线性输出，因此还需要做线性处理。无论哪一种空气流量计，在制造过程中其测试精度都是按士3%的标准进行调整的，这就是空气流量传感器的杂散性，重复精度，其中也包括标准流量计的重复精度。
3.4.2怠速时流量的测定精度
评价空气流量传感器的工作稳定性时，特别对怠速时的测量精度有要求，此外就是发动机罩下温度达到最高时的工作区域。所以，温度特性难以补偿的空气流量传感器的怠速测试精度较低。从原理上讲，利用热量的热丝式空气流量传感器容易受到热的影响。半导体压力传感器具有半导体特有的温度特性，关于温度对这种传感器的影响也必须充分加以考虑。
3.4.3加速时的响应特性
动片式的可动部分有惯性，热丝式的有热惯性，响应性就是由这些惯性决定的。卡曼涡旋式空气流量传感器是靠气流的自身形成卡曼涡旋的，所以基本上可以说，这种传感器没有响应滞后。在类似怠速的情况时，空气流量小，也就是说，在涡旋发生频率较低时振幅也小。在节气门快速动作无滞后时，涡旋的发生频率也会增加。如加以比较的话，就传感器总成的响应特性来讲，压力式最好，其次是卡曼涡旋式和热丝式，稍差一点的是动片式。
3.4.4减速时的流量测试能力
配有涡轮增压机特别是装有中间冷却器的进气系统上，因为节气门上游的管路比较长，所以在急减速时，因水锤现象产生气柱振动。在急减速时进气管压力传感器与热丝式空气流量传感器的输出变化情况。在节气门上游产生的气柱振动的影响下，热丝式将有数10Hz的振动输出，此振动输出一般的持续时间为2一5s，因此，上游管道设置的空气流量传感器无法测定这类减速时的进气量。另一方面，设置在节气门下游的进气压力传感器可以输出对应于发动机减速运转时的信号。
3.4.5脉动气流的测定功能
发动机在节气门全开状态下运转时，进气是脉动气流。要想精确地测定脉动气流，传感器的响应性能要好。经试验证明，在进气为脉动气流时，卡曼涡旋式及热丝式空气流量传感器都具有相应的功能。当4缸发动机，出现进气倒流的激烈脉动气流时，从原理上讲，都不可能准确地测定，因为热丝式没有识别正、反向气流的功能，卡曼涡旋式没有测定反向气流的功能，动片式无法跟踪方向变换的正、反向气流。
在4缸发动机转速为1500r/min，节气门近于全开，有进气倒流的状况下，各种传感器的输出误差对比，无论哪种形式传感器都是:脉动增大时，误差增大。
3.4.6空气流量传感器的管道阻力(压力损耗)
就管道阻力来讲，当然是进气压力传感器最低。已批量生产的动片式、卡曼涡旋式、热丝式的管道阻力的对比所示。与卡曼涡旋式相比，热丝式的管道阻力小些。在2L发动机最大输出功率时，其影响为1%左右。
3.4.7湿度的影响
目前的空气流量计，基本上都是设法对吸气温度及大气压的变化分别加以修正，但都忽略了湿度的影响。无论哪种传感器都不是氧气流量计，所以检测出的大气中的水蒸气比率对发动机来说，就是误差。针对干燥空气，计算水蒸气部分压力的误差。当温度升高时，湿度所造成的误差将增加。此外，在热丝式传感器上，热丝的热打一散系数随湿度的不同而变化，要注意到这一因素的影响。
3.4.8综合比较
四种已批量生产的空气流量传感器的对比，它们有直接测量式与间接测量式之分、体积流量计与质量流量计之分，此外还可以从输出方式、可靠性、成本等各个角度进行比较判断，但最后要按发动机系统进行综合判断。
3.5MEMS空气流量传感器的传感部件
3.5.1旋制氧化硅的一般概念
旋制氧化硅一般解释是:利用旋制芯片，将含有硅化物的溶液均匀地平涂在芯片上，再利用加热的方法使其与溶剂脱离，并将固体硅化物硬化成为稳定的非晶相氧化硅。其简单流程如下:旋转平涂、加热烧成、高温硬化(一450℃)。旋制氧化硅技术应用在组件制造中，用于金属层间的平面化(Planization)，以增加层与层之间的结合特性，避免空洞的形成及膜片的剥裂。
3.5MEMS空气流量传感器的传感部件
3.5.2空气流量传感器的热膜的结构与制造工艺
传感元件的平面图与剖面图，首先说明传感元件的制造方法。所用的基片为带热氧化膜的(100)P型Si基片。
3.5MEMS空气流量传感器的传感部件
第一步是利用溅射法将SiNx在Si基片上形成支承膜，然后利用溅射法将铂金制成感温电阻膜，在其上利用溅射法再将SiNx制成第一保护膜。再经退火处理后，制成铂金膜，退火处理的目的是使电阻值稳定。之后，利用旋制工艺法(SOG)制作薄膜、进行烧成，再利用溅射工艺用SiNx制成第二保护膜、并对其进行退火处理、目的为使保护膜稳定。然后是利用蚀刻工艺对电极的底层填料加以开口，利用湿式异向蚀刻法除掉热膜图形下部分的Si，最后是利用湿式异向蚀刻法从传感元件的内侧除掉膜片下部分的Si。
3.5.3热膜的可靠性与耐久性试验
3.5.3.1热膜的粉尘破坏试验
粉尘破坏试验采用玻璃珠进行。对上述工艺制得的热膜进行粉尘破坏试验。图中，横轴表示膜片的厚度，纵轴表示膜片破坏时的流速比(相对值)，相对值的含义为相对于采用SOG技术之前的膜片破坏时的流速，粉尘破坏试验装置是由安装在已拆掉滤清器的管路上的空气流量传感器和接在传感器上游的粉尘投放机构成的。粉尘投放机1min可以投放1g的玻璃珠。
破坏流速的测量方法是:在稳定的气流中投放玻璃珠，在10min内传感器没有损坏的话，则增加流速，再投放玻璃珠，没有损坏的话，进一步增加流速，就这样重复操作，不断地增加流速，直到膜片损坏为止。从试验结果来看，在膜片厚度相同的情况下，与采用SOG之前相比，采用SOG之后破坏流速提高了44%。
3.5.3.2高温通电耐久试验
高温通电耐久试验的试验方法是:在恒温箱中进行通电后，将传感元件即热膜在250℃下存放1000h，再利用光学显微镜观察高温通电耐久试验结束后的传感元件，即铂金膜的状态。从试验结果可知，在未采用SOG技术的元件的图形上，可以看到有局部的变质层，而在采用SOG技术的元件的图形上，就看不到这种局部的变质层。
3.5.4技术分析
在采用SOG技术之前，支承膜的厚度大约是2μm，在粉尘破坏试验中，在采用SOG技术后，根据元件的破坏流速比的预测值来看，在破坏流速比为1时的膜片的厚度大约是2μm对采用SOG之前的元件来说，因为多孔区域处于铂金膜到保护膜之间，所以，膜片部位的强度可能是由支承膜的厚度决定的。
3.5MEMS空气流量传感器的传感部件
总之，在采用SOG技术的元件上，在铂金图形的尖角部位已经不存在多孔区，经高温通电耐久试验结束后，在铂金膜上再也找不到变质层。由于导入了SOG技术，导入前所看到的从保护膜到铂金膜的通道已经被切断，因此可以得出结论:高温通电耐久试验后，在铂金膜上几乎不再会产生变质层。
3.6微型空气流量传感器
3.6.1检测原理
微型空气流量传感器的工作原理是:通过向检测元件上的发热体供给电流，使其发热，对气流的热传递量与气流的流速相关。
3.6.2结构
(1)检测元件部分
(2)插人式检测管
3.6.3特点
(1)轻量与小型化
(2)高速响应
(3)低压力损耗
表3一1进气量测量方式的对比
图3一1空气流量传感器的结构
图3一2电位计部分的结构
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幻灯片46
图3一3电位计的内部电路与输出特性
图3一4电压比检测与电压值检测
图3一5动片式空气流量传感器原理
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幻灯片49
图3一6超声波式卡曼涡旋空气流量传感器的结构
图3一7流量检测的原理电路
图3一8压力变化型卡曼涡旋式空气流量传感器原理图
图3一9压力变化型卡曼涡旋式空气流量传感器
图3一10热丝式空气流量传感器的结构
图3一11热损耗特性与响应特性的关系(模拟结果)
图3一12三种空气流量传感器输出特性的对比
图3一13带中间冷却器的发动机减速时，传感器的输出
图3一14有进气倒流时的检测误差比较
图3一15管道阻力的对比
图3一16湿度的影响程度
图3一17传感元件的平面图与剖面图
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幻灯片61
图3一18膜片的厚度与膜片破坏时的流速比的关系
汽车压力传感器
教学重点：了解并掌握汽车的压力传感器的概念及特性；
教学难点：压力传感器的分类；
教学课时：15、16、17、18、19、20课时（18、19、20课时实践的活动）；
教学方法：多媒体教学法、实践活动法。
教学内容：
压力传感器
4.1压力的概念及单位
4.2汽车用压力传感器种类与用途
4.3半导体进气压力传感器
4.4集成电路型(IC)大气压传感器
4.5半导体微差压力传感器
4.6发动机控制用小型压力传感器
4.7利用微控制器技术的高压传感器
4.8共轨系统用超高压传感器
4.9采用压粉铁芯的电动助力转向用非接触式扭矩传感器
4.10接触式转向角度/扭矩传感器
4.11动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传感器
人站在地面上以及汽车停在地面上都会对地面产生压力，我们把垂直作用在物体表面上的力叫作压力。把物体的单位面积上受到的压力叫作压强。上面所说的两个定义是物理学中的概念。工程技术上将物理学里的“压强”也称为压力。
国际单位制中定义压力的单位是:1N的力垂直均匀作用在1m2面积上，所形成的压力为1个帕斯卡，简称为帕，符号为Pa。帕斯卡是一个很小的压力单位。
长期以来，工程技术界广泛使用着很多其他压力的计量单位，为便于阅读一些技术资料，下面介绍几种将废除的计量单位。
气象部门较早使用的压力单位为巴，符号为bar，它大体上等于一个“工程大气压”，“工程大气压”的符号为at，相当于1kg的力垂直作用在1cm2面积上所形成的压力，“标准大气压”的符号为atm，它是指在纬度45°的海平面上，0℃时的平均大气压力。以上这两种单位中虽有“大气压”三字，但其并不受气象条件的影响，而是作为计量单位使用的恒定值。
“约定毫米汞柱”普通简称为毫米汞柱，其符号为mmHg，它是指在标准重力加速度(980.655cm/s2)下，0℃时，1mm高水银柱底面上的压力。
“约定毫米水柱”简称为毫米水柱，其符号为mmH2O，它是指在标准重力加速度之下，4℃时，1mm高的水柱底面上的压力。
4.2汽车用压力传感器种类与用途
4.2.1真空开关
真空开关的作用是检测空气滤清器有否堵塞，它主要用于化油器规格的车辆上，利用压力差检测堵塞状况。
真空开关的结构如图4一1所示，其工作原理是:A腔与B腔之间会产生压力差，利用膜片向负压侧运动使笛簧开关动作。将A接头与B接头分别与要检测压力的部位接好管道，就可以测出压力差。在这种状态下，当产生压力差时(A>B)，在B腔负压的作用下，膜片推压弹簧向图示的下方移动，与膜片成为一体的磁铁向下移动，笛簧开关导通。
4.2.2检测堵塞的连杆式传感器
这种传感器用于检测滤清器是否堵塞，它利用膜片检测进气管的负压，再通过连杆控制触点的闭合与断开，其结构如图4一2所示。
进气歧管内会产生脉动，此传感器可将这种脉动加以滤波并检测其是否有堵塞。
4.2汽车用压力传感器种类与用途
4.2.3油压开关
这种传感器用于检测发动机有无油压，以及用于油压指示器上等，其结构如图4一3所示。它是由膜片、弹簧及触点构成的。
当膜片上没有压力作用时，在弹簧弹力的作用下，触点闭合，当压力作用到膜片上时，压缩弹簧，使触点断开。油压指示器的原理如图4一4所示，当油压开关的触点闭合时，指示灯亮。因此，在启动发动机之前闭合点火开关时，油压指示灯亮;当启动发动机之后，油压上升时，油压指示灯灭。油压开关的特性如图4一5所示。
4.2汽车用压力传感器种类与用途
4.2.4油压传感器
这种传感器用于带油压助力装置的制动系统的油压控制，它可检测出储压器的压力、输出油泵的闭合或断开信号以及油压的异常报警。其结构如图4一6所示，其内设有半导体应变片，利用了应变片具有形状变化时电阻也发生变化的特性;另外还设有金属膜片，通过金属膜片应变片检测出压力的变化，并将其转换成电信号后对外输出。
4.2.5绝对压力型传感器
绝对压力型传感器用于主动型悬架系统的油压检测。传感器内设有放大电路、温度补偿电路及与压力媒体接触的不锈钢膜片。其结构如图4一7所示，它是用硅材料加工成膜片，再在其上形成扩散电阻而制成的传感元件。
4.2.6相对压力型高压传感器
相对压力型高压传感器用于检测汽车空调的冷媒压力。传感器内设有放大电路、温度补偿电路，其工作原理与4.2.5介绍的高压传感器的工作原理相同，其结构如图4一8所示。
4.2.7半导体压力传感器
半导体压力传感器用于检测电子控制燃油喷射系统(EFI一D)的进气歧路压力，并将其变换成电信号，放大后输入至发动机控制微机中。传感器的结构如图4一9所示，其上采取了防干扰措施。
4.2.8真空传感器
因为真空传感器可把压力变化变换成电压的变化，所以也称作“波纹管加差动变压器式”传感器。这种传感器可用于电子汽油喷射装置上做真空传感器用。电子汽油喷射装置是根据进气歧管的压力(负压)确定基本喷油量的。这一压力就是靠压力传感器检测出来的
真空传感器的结构如图4-10所示，它包括有:中间为真空的波纹管，随波纹管膨胀、收缩而左右运动的铁芯，设置在铁芯周围的差动变压器以及膜片。膜片根据压力差改变波纹管的位置，选定在输出区或者经济区。
4.2.9增压传感器
在日产的vQ30DET等发动机上，采用增压压力传感器，传感元件是在硅膜片上扩散电阻制成的，用其检测涡轮增压机的增压压力，以便于修正喷射脉冲及控制增压压力。
VQ30DET的燃油喷射系统如图4-11所示，在怠速、使用普通汽油、水温超过115℃、水温传感器系统异常时，电流不通过增压控制电磁阀，实际的增压压力加到旋启阀的膜片上，使排放气体的旁流量增加，增压压力下降。反之，当增压电磁阀闭合时，就使大气压力加到旋启阀的膜片上，使排放气体的旁流量减少，结果增压压力上升。此外，当增压压力异常升高、增压压力传感器的输出电压超过某一数据值时，则燃油被切断。
4.2.10主油缸压力传感器
这一传感器安装在主油缸的下部。其作用是检测主油缸的输出压力。其结构如图4-12所示，这也是利用膜片上应力片电阻改变的效应，制成的半导体传感器，膜片与应变片制成一个整体，当制动压力加到其上时膜片发生变形，此变形使应变片的阻值发生变化，再通过桥式电路测出与压力成正比的电信号并传输出去。
4.2.11蓄压器用压力传感器
如图4-13所示，蓄压器用压力传感器就安装在油压组件的上方，用以检测油压组件的压力，其基本结构与主油缸用压力传感器相同。
4.3半导体进气压力传感器
4.3.1传感器的结构
压力传感器的结构如图4一14所示。它是由硅片、底座、硅杯及盖子等组成的。硅片上形成有膜片，膜片上埋入了检测压力的测量电阻，底座上设置了导压管及作为输入输出端子的引线端子。在硅片与底座之间设有用硅单晶制作的硅杯，其作用是缓和与吸收底座传入的热应力，盖子与底座等形成标准压力腔并对硅片及内部组成件起机械保护作用。
4.3.2传感器的工作原理
半导体压力传感器是利用半导体的压阻效应制成的，其工作原理是将压力变换成电信号，即:
①压力加到膜片上时，膜片上产生应力;
②随膜片应力的状况测量电阻的阻值发生变化;
③将一定的电压或电流输入到惠斯顿电桥的输入端时，电阻值的平衡被打破，在电桥的输出端就可以得到电压或电流的输出变化值。
4.3.3压力传感器的额定值与特性
本节介绍的压力传感器的额定值与特性如表4-1所示。
(1)压力额定值
(2)输出电压特性
(3)精度与温度特性
4.3.4半导体压力传感器用作进气压力传感器
半导体压力传感器可用作检测进气压力，以便于实现排气再循环控制、空燃比控制及点火时间控制等。其典型结构如图4一15所示。作为汽车用进气压力检测装置，为了实现高精度检测，将包括有温度补偿电路、放大电路在内的混合集成电路与半导体压力传感器制成一个整体。
4.4集成电路型(IC)大气压传感器
4.4.1IC大气压传感器的构成
(1)压力检测部分的构成。IC大气压传感器的压力检测部分，在硅片的中间，从反面经异向腐蚀形成了正方形的膜片，利用膜片将压力变换成应力，在膜片的表面，通过扩散杂质形成了四个P型测量电阻，它们按桥式电路连接。利用压阻效应将加在膜片上的应力变换成电阻的变化，此电阻的变化通过桥式电路之后在桥式电路的两个输出端子之间以电位差的方式对外输出。
(2)电路的特性。压力传感器的主要特性有以下4项:①灵敏度;②偏置电压(0Pa时的输出电压);③灵敏度的温度特性;④偏置电压的温度特性。
(3)传感器的结构。IC大气压传感器的内部结构如图4-16所示。
4.4.2制造工艺
(1)芯片工艺
(2)元件加工艺
(3)性能的调整
(4)性能检查
4.4.3规格与可靠性
IC大气压传感器的规格见表4一2。电源电压为5V单一电源。压力灵敏度的设定值为39.49mV/kPa,101.3kPa(1个大气压)时的输出电压为4V。
IC大气压传感器主要有两个特点，一是通过阳极键合法形成真空腔，二是半导体管芯的表面受压。表4-3是IC大气压传感器的几项可靠性试验项目。除此之外，还要进行汽车特有的环境试验及装车试验。
4.5半导体微差压力传感器
4.5.1半导体微差压力传感器的工作原理
对检测发动机进气量的卡曼涡旋式空气流量传感器来说，单位时间所产生的涡旋数量，即涡旋频率与流体的流速成正比，而流体的流量(体积流量)等于流管的截面积与流速之积，因此通过测量涡旋频率就可以知道流体的流量。
涡旋频率的测量有两种方式，一是通过涡旋产生的压力变化测定，另一方式是通过流体的流速变化测定。半导体微差压力传感器用于前者
为了检测压力变化，在半导体芯片的中间，利用异向腐蚀法从里面形成正方形的膜片，在压力变化的作用下，膜片出现机械位移。要想测量膜片的机械位移，可以采用应变测量法或静电电容变化法等。本节说明的微差压力传感器采用的方法与前面讲过的压力传感器类似，在硅膜面的表面设置4个测量电阻，并将它们做桥式连接，将压力的变化转换成桥式电路输出电压的变化，采用杂质扩散法形成的P型扩散电阻作测量电阻，利用半导体的压阻效应将机械应变转换成电阻的变化。
利用半导体微差压力传感器检测涡旋频率的原理是，微差压力传感器设置在发动机的进气歧管上，进气的脉动也会产生压力的变化，而且这种压力的变化要比卡曼涡旋的压力变化大得多，因此，怎样消除卡曼涡旋以外的压力变化就成为一个较大的问题。对此，微差压力传感器采取的措施是:在涡旋压力导入管的左右设置涡旋压力导入口，将涡旋压力导入管左右交替产生涡旋的压力变化以差压方式传输至半导体管芯上，而在涡旋压力导入管的左右脉动等引起的压力变化完全相等，所以在半导体管芯处互相抵消。4.5.2微差压力传感器的特点
①压力检测范围为1.33x10-4~13.3kPa，且动态范围很宽
②耐压能力高，最高容许压力为66.6kPa。
③因为是差压工作方式，所以对卡曼涡旋之外因素引起的压力变化(同相成分)的灵敏度很低。
④采用氮化膜作半导体芯片的保护，并改进电极片的结构，提高耐环境性能
⑤把半导体芯片的壳体与涡旋发生柱作成一个整体件，以缩小体积。
4.5.3半导体微差压力传感器的结构
半导体微差压力传感器是由涡旋发生柱(下盖)、上盖、引线框、半导体管芯、引线、粘合上盖与下盖的钻结剂，半导体管芯与引线框的键合材料组成的。
4.5.4加工工艺
(1)硅片工艺
(2)元件工艺
(3)性能检查
4.5.5半导体微差压力传感器的额定值及可靠性评价
半导体微差压力传感器的额定值见表4-4，其性能保证压力范围非常宽，达到了1.33x10-4~13.3kPa。微差压力传感器装于发动机舱内，所以其工作环境温度为
-30℃~110℃。
半导体微差压力传感器的可靠性试验项目见表4-5。此外，还要进行汽车特有的环境试验项目及装车试验，各项目均没有问题的话，说明传感器性能良好。通过上述各项试验就可以确认:半导体微差压力传感器在发动机进气歧管这种苛刻的条件下使用时，将具有足够的可靠性。
4.6发动机控制用小型压力传感器
4.6.1传感器的种类与特点
对发动机进气量的测定，一般采用的方法是测定通过进气管的空气量，市场上销售的采用电子燃油控制的汽车几乎都采用这种方法，作为检测通过进气管的空气量的方法，可以分为采用压力传感器的间接检测方式和利用空气流量计的直接检测方式。每种方式各有长短，从装车性与价格上看，优秀的是压力传感器，从测试精度上看，优秀的是空气流量传感器。
4.6.2小型压力传感器
(1)检测原理。压力检测部位的工作原理是利用了半导体压电电阻效应，在硅片表面的特定方向上，利用离子注入法等形成四个应变片电阻，在其内部利用异向蚀刻法形成膜片部分。在硅片的膜片部分的表面和里面产生压力差的场合下，硅片内所产生的压缩、拉伸张力，使膜片处的测量电阻的阻值发生变化。
(2)检测元件部分.形成有膜片的硅片在减少封装产生的热应力的玻璃底座上形成阳极，同时由于在膜片内部空间形成了真空封装，同时也形成了基准压力腔，也就是说，过去要构成压力腔还需要金属封装，现在则可以取消金属封装，因此，就可以减少部件的数量与实现小型化。此外，从结构上来看，因为被测压力是从与真空腔相反的一侧加上来的，因此与过去不同，在传感器元件的表面需要经涂敷与胶凝形成表面的保护层，以便确保和原来具有同等水平的耐环境性。利用钻结法将底座钻结到注塑成型的传感器模块上。
(3)电路的构成.
4.6.3特点
(1)小型化
(2)无焊锡结构
(3)耐污损特性与防堵塞性
4.7利用微控制器技术的高压传感器
4.7.1高压传感器的特点
(1)采用微控制器结构，将所有部件都布置在一片管芯上。
(2)采用受压面积最小的封装结构。
(3)最大限度利用上述(1)、(2)两点制成体积最小的产品。
(4)通过独特的膜片加工工艺提高部件的耐压性能。
(5)传感器的使用场合:相对压力或测量压力最大为5MPa.
4.7.2高压传感器的构成
对于制造高压传感器来说，一般都是把批量生产低压传感器(100~400kPa)的技术，加以总结提高，再应用到高压传感器的生产上。高压传感器的信号处理器是由高精度放大器和调整电路构成的，高精度放大器的作用是放大惠斯顿电桥输出的电压信号，调整电路的作用是修正传感器的特性。此外，对汽车发动机控制系统所产生的过电压波形、总成生产工序内产生的静电、还有外部进入的电磁波等，都靠在CMOS内所形成的内部电路加以保护，相关的保护元件都设置在微控制器内.
为了测定相对压力或者相对大气压下的应变片压力，在硅片的内面设置了通孔，并将下部金属底板与为缓和下部接合层产生的应力而设置的底座玻璃利用静电接合工艺接合在一起，以确保具有高可靠性的密封性。
为了确保高压检测组件与金属底板在高温下的强度，采用了接合式结构。即使在用于汽车的严酷环境下，也可以确保传感器的高可靠性。
4.7.3耐压设计与评价结果
(1)耐压设计。高压传感器受力的示意图如图4-17所示。图中表示出了在加有压力的场合下，外加压力的受压面积和与此相应的反力的面积。图中所示的壳体代表安装高压传感器的一侧。
高压传感器采用的是抵消固定部分产生的反力的方式来安装的，因此，外加压力与固定载荷之间的关系可按下述的方法来表明。
1)外加压力与固定载荷
2)对外加应力的结构设计
(2)极限压力的试验结果。各温度下，传感器的极限压力的试验结果如图4一18所示。
(3)压力与出力特性。
(4)可靠性试验:高温存放试验、低温存放试验、液层热冲击试验、压力循环试验、过电压试验、EMI试验。
(5)基本规格。本节介绍的高压传感器的基本规格见表4一6
4.8共轨系统用超高压传感器
柴油发动机的共轨方式就是将高压油泵所产生的高压燃油储存在公共油轨中(储压室内)，再对喷油器内的电磁阀控制的喷油嘴的背压进行控制，实现最佳喷射的电子控制式燃油喷射系统
共轨系统的构成如图4一19所示。
共轨系统内的燃油压力是利用电磁阀控制高压泵的燃油喷射量，利用压缩机进行加压来调整的，其燃油压力是通过设置在共轨上的压力传感器(共轨压传感器)检测，利用高压泵油泵上的电磁阀，按发动机的转速和负荷所设定的最佳值进行反馈控制。
以前所采用的高压传感器为密封式结构，密封膜片上受压，以封入的机油作为压力媒体，在单晶硅压力传感器元件上实施压力一电气变换
为了达到更低的排放，应实现采用共轨压力传感器系统整体的高压力化和高精度化，因此就要求传感器能够承受160MPa的高耐压并具有11%的高精度。传统结构的高压传感器从耐压与精度两个方面都难以达到上述要求，因此厂家开始着手设计全新结构的超高压传感器。下面就对满足上述要求的新结构的超高压传感器加以介绍。
4.8.1高耐压设计
新开发的共轨系统用超高压传感器的结构如图4一20所示。在外壳一轴杆之间、外壳一共轨之间封装有超高压媒体，它所采用的是金属接触式密封结构，作为检测部位变形的传递部分，在金属轴杆上设有较薄的膜片，由此接受燃油的高压，压力在膜片部位所产生的应力，经钻结在其上的单晶硅压电电阻元件实施电气变换。从结构上看，对传感器性能影响最大的部件是形成检测部位的硅传感器芯片及金属膜片。
设计出金属轴杆的最佳形状。
要根据金属膜片上Si的压电电阻元件所需要的应力来设计膜片的形状。
4.8.2高精度设计
金属轴杆上钻结的硅单晶压电电阻元件的应变系数是薄膜硅多晶压电电阻元件的3~10倍，灵敏度可以达到3~10倍，这很有利于传感器特性的高精度化。本节所述的超高压传感器为了精度在一30℃~120℃的工作温度范围内达到±1%F.S，所以采用了下述的元件结构和设计方法
①采用(100)的单晶Si底板
②采用最佳的测量配置设计
(1)压力传感器的输出误差成分。
(2)Si基板的面方位
(3)最佳测量电阻的布置
4.8.3结论
以上对满足160MPa的高耐压与±1%精度要求的共轨系统用超高压传感器的结构与工作原理作了说明。总结起来有如下四点。
(1)关于耐高压的问题，
(2)关于高精度的问题，
(3)采用(100)的单晶硅基板，通过测量电阻的最佳布置，从而使压力的非线性成分大致为零。
(4)所介绍的共轨系统用压力传感器的压力精度可达到±1%，这种传感器可以满足达160MPa的压力循环耐久性试验。
4.9采用压粉铁芯的电动助力转向用非接触式扭矩传感器
4.9.1概述
(1)EPS系统的结构。EPS系统的结构如图4-21所示，其是由扭矩传感器、车速信号传感器控制组件、电动机以及减速器构成的。
转向盘的操纵力由扭矩传感器检测出来，此扭矩信号输入到控制组件中，根据扭矩信号和车速信号，控制电动机的电流，实现转向盘操纵的助力。
(2)扭矩传感器的工作原理。非接触式扭矩传感器的结构如图4-22所示，扭矩传感器是由连接输入轴和输出轴的扭杆、检测环及线圈组成的。
4.9.2关于压粉铁芯(复合软磁性材料)
(1)开发目的
(2)复合软磁性材料的特点
(3)复合软磁性材料的选择
(4)与传统部件的比较
(5)压粉铁芯线圈总成在壳体上的装配
(6)汇总
4.10接触式转向角度/扭矩传感器
4.10.1前言
在对车辆操纵时的舒适性与安全性的要求不断提高的背景下，停车、低速、高速行车时，无论在任何时候都可以调整转向助力的动力转向系统，已经成为必不可少的系统。传统的动力转向系统的控制方式为油压式，因为必须时时驱动油泵，所以总要产生4一5马力左右的能量损耗。从油耗的角度来看，大约形成3%的损耗，而电动式动力转向系统(EPS)仅在操纵转向系统时才驱动助力电动机，所以能量的损失比较小，而且结构简单，还可以节省占地。
由于这一系列的优点，今后对电动式动力转向系统的需求将会不断地增大。在EPS上，操纵转向装置时，检测出加在旋转轴的扭杆部位的旋转扭矩与转向装置的旋转角度，由电子控制器(ECU)控制助力电动机的扭矩输出，就需要决定其控制量的扭矩与转向角度信号的传感器。就是在这种背景下，才进一步开发与设计了转向角度/扭矩传感器。
4.10.2转向角度/扭矩传感器的技术规格
本文所述传感器的扭矩/转向角度的检测部位的结构如图4一23、图4一24所示.
本传感器上，转向柱一侧的转子与电阻元件的底板制成一个整体件，旋转工作的电阻元件底板的一侧是扭矩的检测面，另一侧上印刷有转向角度的检测图形。扭矩检测面与设置在转向管侧的转子配用的电刷保持接触与滑动，转向角度的侧面与设置在传感器壳体侧的输出底板上的电刷保持接触和滑动，在运转过程中扭杆的扭转以及转向装置转动时，利用电刷在底板上的触点位置的变化引起的电阻的变化，根据技术条件输出扭矩与转向角度信号，由此可以看出这种传感器不可缺少的功能有3项。
(1)车令向操纵性:在运转过程中，应当赋予转向器以舒适的操纵感，并供给其响应性好、高精度的信号。
(2)耐久性:在行驶数十万千米之后，仍稳定地供给无干扰的输出信号
(3)静音性能:传感器产生的机械噪声非常小。下面就对这种传感器的操纵性能与静音性能的开发与改善的内容加以说明.
4.10.3根据技术条件所采取的措施及结果
(1)操纵性
①操纵性的目标
②提高信号响应性的措施
③车令向管一侧转子(联轴节)的设计
(2)静音性
①关于静音的设计
②为减轻滑动噪声的电刷的设计
③为减轻滑动噪声的底板(电镀面)的设计
④采取的对策
4.11动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传感器
4.11.1前言
近几年以来，各相关部门都在尽全力对电动助力转向装置(EPS)的动力助力控制以及各种电动机控制用的扭矩传感器进行研究与开发，今后在动力传输系统领域内，利用控制发动机及变速器以及扭矩的最佳分配实现车辆运动控制等时，将会需要大量的扭矩传感器。
目前，动力传输系统的控制是根据发动机的空燃比实施扭矩推测控制的，但这样的控制将产生110%一20%的过量输出。如果能够实现直接检测发动机的输出轴或变速器的输入轴的扭矩的话，就可以减小这一过量输出，降低油耗。另外，根据实际产生的扭矩，通过更精细的控制，还可以改善乘坐的舒适性以及在发动机诊断上得到应用。
因为动力传输系统的轴是高速旋转的，而且需要传输较大的扭矩，所以就要求其上采用响应速度快、检测范围宽的扭矩传感器。此外，为了在实际的发动机与变速器上应用扭矩传感器，也需要实现传感器的工作温度范围宽、体积小。本节下面将说明小型且容易安装的磁致伸缩式扭矩传感器的检测原理及性能评价结果，而且这种传感器不需要对轴进行加工就可以检测扭矩。
4.11.2磁致伸缩式扭矩传感器的检测原理
磁致伸缩式扭矩传感器的检测原理如图4一25所示。当将扭矩T加到旋转轴上时，轴表面的张力方向(+45℃方向)以及压缩方向(一45℃方向)上会出现变形，这时，在张力方向上导磁率增加，而另一方面，在压缩方向上导磁率减小(磁致伸缩效果)。在导磁率增加的方向上，设置线圈、使磁通能够通过线圈时，则电感L增加，另一方面，对于导磁率减小的方向来说，L减小。
如图4一26所示，L增大的线圈(+45℃检测线圈)与L减少的线圈(一45℃检测线圈)为桥式连接，利用锁定放大器(LIA)对差动电压进行放大，这样可以检测出与扭矩成正比的输出电压V0
4.11.3磁致伸缩式扭矩传感器的结构及特点
磁致伸缩式扭矩传感器是由利用磁性材料加工成圆筒状的磁环，及其内面钻结的柔性基板线圈构成的，这种磁致伸缩式扭矩传感器的传感头的结构及其特点见表4一7。
4.11.4磁致伸缩式扭矩传感器的规格
设计时设定磁致伸缩式扭矩传感器的安装部位为变速箱的输人轴，扭矩传感器的规格见表4—8.
4.11.5磁致伸缩式扭矩传感器的性能评价
(1)旋转轴静止时的评价
①室温下的基本特性的评价
②温度特性的评价及补偿方法
(2)利用高速旋转轴进行评价
表4一1进气压力传感器的额定值与特性
表4一2IC大气压传感器的规格
表4一3可靠性试验项目
表4一4微压力传感器的规格
表4一5可靠性试验项目
表4一6高压传感器的基本规格
表4一7磁致伸缩式扭矩传感器的结构及特点
表4一8扭矩传感器的规格
图4一1真空开关的结构
图4一2连杆式传感器的结构
图4一3膜片式油压开关的结构
图4一4油压指示器的电路原理
图4一5油压开关特性的一个例子
图4一6油压传感器的结构
图4一7硅膜片绝对压力型高压传感器的结构
图4一8相对压力型高压传感器的结构
图4一9半导体压力传感器结构的例子
图4一10真空传感器的结构
图4一11VQ发动机的燃油喷射控制系统
图4一12主轴缸压力传感器的结构
图4一13蓄压器用压力传感器的安装位置
图4一14压力传感器的结构
图4一15进气压力传感器的结构
图4一16传感器的内部结构
图4一17受压面与反力面的相互关系
图4一18极限压力的试验结果
图4一19直接喷射式柴油发动机系统的构成
图4一20共轨系统用、新开发的高压传感器的传感部分
图4一21EPS系统的结构
图4一22扭矩传感器的结构
图4一23转向角度/扭矩传感器检测部位的结构(1)
图4一24转向角度/扭矩传感器检测部位的结构(2)
图4一25磁致伸缩式扭矩传感器的检测原理
图4一26磁致伸缩式扭矩传感器检测电路的构成
实践活动
1、认识实物压力传感器；
2、分组认识压力传感器。
汽车位置传感器与角度传感器
教学重点：了解并掌握汽车位置传感器与角度传感器；
教学难点：认识实物位置传感器与角度传感器；
教学课时：21、22、23、24、25、26课时（24、25、26课时实践活动）；
教学方法：多媒体教学法、实践理论法。
教学内容：
五、位置传感器与角度传感器
5.1节气门位置传感器(编码器式)
5.2节气门位置传感器(直线式)
5.3滑动式节气门位置传感器
5.4线性位置传感器
5.5防滴型角度传感器
5.6非接触角度传感器
5.7转向传感器
5.8光电式车高传感器
5.9溢流环位置传感器
5.10高分解能力的角度传感器
5.11高分解能力的转向角度传感器
5.1节气门位置传感器(编码器式)
节气门位置传感器也叫节气门开关，它就装在节流阀的本体上并与节流阀连动，随着驾驶员对加速踏板的控制，靠自身触点检测出发动机处于怠速状态还是负荷状态，或者是加减速状态。
节气门位置传感器的结构如图5—1所示.
5.2节气门位置传感器(直线式)
直线式节气门位置传感器装于节气门及喷油泵等上，用于连续地检测旋转部件。利用设于传感器内的开关检测出移动原点，因此可准确地检测出绝对角度。
这种传感器安装于被检测件上(例如节气门)通过驱动臂的动作，使动触点在电阻膜上作滑动旋转。电阻膜具有开关输出图形及线性输出图形。图5-2是线性式(也叫滑动电阻式)节气门位置传感器的结构。图5-3是其电路原理图，图5-4是其输出特性，其线性输出可改为函数输出。因为这种传感器的输出信号是电压，所以，它具有下列特点:检测及处理角度很方便;适于学习控制用，因为它是用开关找出确定绝对角度的原点;可直接安装于发动机上;耐环境能力强;其内设有回位弹簧，与被测定部件容易连接。
5.3滑动式节气门位置传感器
滑动式节气门位置传感器也是安装在节流阀本体上，用作检测节气门的开度。其结构如图5-5所示。传感器上设有与节流阀轴联动的转子及检测怠速位置的怠速触点、检测满负荷位置的满负荷触点以及动触点。
转子上设有凸轮槽，动触点可在凸轮槽内滑动，在怠速位置及全开(满负荷)位置，动触点分别与其触点闭合，测量出节气门的开度。
在怠速运转情况下，怠速触点闭合，除此之外的情况下，怠速触点都是打开的。怠速触点把怠速加浓、怠速后加浓、切断燃油等信号都送人计算机中。
当节流阀达到某一开度时，全开触点(满负荷触点)闭合，满负荷触点闭合时，满负荷加浓信号输入到微机中。
滑动式节气门位置传感器与计算机的连接电路如图5一6所示。在没有踏加速踏板时，电源将电压加到计算机的怠速端子(IDL)上;当满负荷时，动力触点闭合，电压加到计算机的功率端子(PSW)上，计算机判断出加速踏板已被踏下。
5.4线性位置传感器
线性位置传感器安装在油泵上，用以连续检测直接位移，如检测步进电动机的控制销的位置等。安装于轴上的滑动触点在电阻膜片上前后滑动并输出线性电压。
这种传感器的主要特点是:因为输出信号为线性电压，所以检测位置与信号的处理比较方便;耐环境性能好;内装有回位弹簧，所以与被测工件的接触比较方便。线性位置传感器的等效电路如图5一7所示，其特性如图5一8所示。
5.5防滴型角度传感器
防滴型角度传感器安装在行驶系统的后轮转向机构，用以连续地检测后轮的旋转角度(后轮转向角)。
传感器的驱动杆安装在被测装置上，通过驱动杆的转动，带动了滑动触点在电阻膜上滑动，同时将旋转角度变换成线性电压输出。其最大的特点是:因为这种传感器采用的是防滴型结构，所以耐环境能力强;输出信号为电压，所以角度的检测与处理都很方便。其结构如图5一9所示，其等效电路如图5一10所示，其特性如图5一11所示。
5.6非接触角度传感器
非接触角度传感器将根据轴的旋转角度得出的模拟电压在90℃的范围内加以输出的传感器，它属于磁电变换式传感器。其工作原理为:霍尔元件检测出固定于轴上的磁铁旋转引起的变化磁通后，将随旋转角度变化的电压以正弦函数形式输出。
5.6非接触角度传感器
汽车上的主动式悬架系统可根据行驶状况自动调整车辆姿势与平顺性，非接触角度传感器在此系统中用于检测车辆高度，它通过连杆机构将车高变换成旋转角度;此外它还用于车辆的车高自动调整系统中，这种系统可根据乘车人数及载重量的增减自动调整车高。非接触式角度传感器的结构如图5一12所示.
5.7转向传感器
转向传感器也叫光电式变化率传感器，它用来检测轴的旋转角位移量及轴的旋转方向这种传感器的安装部位及结构如图5一13所示。
在转向器的主轴上，设有一个遮光盘，夹于遮光盘两侧的是两组光电藕合组件，光电藕合组件安装在转向管柱上。
5.7转向传感器
当转向器轴转动时，遮光盘也随之转动，遮光盘整个圆周上均匀地开有许多槽，遮光盘上的槽与齿使光电藕合组件之间的光断续地通断，由此就可以检测出旋转角度。转向传感器的工作过程，也可以用图5-14所示的电路图来加以说明。图中的光敏三极管在遮光盘的作用下，或者导通，或者截止，根据三极管导通、截止的速度，就可以检测出转向器的速度。此外，晶体管Tr1与Tr2之间的导通与截止，相位差90°，根据先导通的脉冲信号(波形下降)可检测出转向器的旋转方向。
5.8光电式车高传感器
车高传感器的作用是把车高(汽车悬架装置的位移量)变换成传感器轴的旋转，并检测出其旋转角度。这种传感器的结构如图5-15所示.
在传感器的内部，有一靠连杆带动旋转的轴，在轴上装有一个开有许多槽的遮光盘，遮光盘的两侧装有4组光电藕合元件，当连杆带动轴旋转时，光电藕合元件之间或者被遮光盘遮上，或者元件之间透光，如图5一16所示。因此，如图5一17所示的光电藕合元件将把这种变化转换成电信号，并输入到计算机中。图5一17所示的为4组光电藕合元件，利用这4组光电藕合元件导通与截止的组合，就可以把车高的变化范围分为多个区域进行检测。
5.9溢流环位置传感器
本节介绍可调电感式溢流环位置传感器。这种传感器的基本原理如图5一18所示。在线圈内部置有铁芯，此铁芯与被检测位置的部件一齐动作，当铁芯向上或向下移动时，线圈的电感发生变化，与基准信号相比，输出信号有很大的变化。反过来讲，根据输出信号的大小，就可以检测出被测部件的位置。
位置传感器可用于电子控制柴油喷射装置上，用以检测溢流环的位置。在老式的机械调速器上，基本上是由发动机转速形成的配重块的离心力和各种弹簧力的平衡位置来决定溢流环位置的。因调速器的结构复杂，又是精密设备，受机械控制的制约，其特性与控制机能是有一定限度的，但改为电子控制时，就可以利用计算机计算出这个系统的最佳状态，把电信号送至溢流控制电磁铁处，再来使溢流环动作，从而就可实现喷油量的实时控制。计算机根据节气门位置和发动机转速计算出基本喷油量，然后再根据发动机的状态对基本喷油量进行校正，校正后再向溢流控制电磁铁发出控制信号。
此外，为了保证控制的准确性，利用位置传感器检测溢流环的位置，即实际的喷油量，再反馈到计算机中。
5.10高分解能力的角度传感器
5.10.1前言
检测旋转角度的回转式编码器在操纵量的检测、移动量的检测以及电动机的转速控制等很多领域得到了应用。在汽车上，为了提高车辆的操纵性与安全性，也可以用于转向装置、加速踏板、节流阀等的角度检测。无论用到何处，都希望传感器实现小型化与高分解能力化，对其成本也有较高的要求。
回转式编码器的检测方式有接触式检测和非接触式检测两种，接触式检测存在着磨损而造成老化的问题。非接触式回转编码器主要可以分为两种，一种是利用光的通过与反射的光学式编码器，另一种是检测磁场变化的永磁式，汽车所使用的编码器主要使用不易受尘埃影响的永磁式编码器。
普通使用的永磁式回转编码器，大多是利用装有霍尔元件或MR元件的磁场传感器来检测多极磁铁旋转时所形成的磁场变化的，有些公司生产的转速传感器则设置在轴承上，采用这种生产方式时，伴随着传感器的小型化，多极磁铁的磁极间距变得更小，因此就存在着用磁传感器难以检测的问题，也就是说，有必要根据新的原理去开发小型且具有高分解能力的角度传感器。
在2005年2月召开的国际固体电路会议上，展出了5mm方形、小型可以检测出±0.36°绝对角度的磁阵列式转速传感器，下面就来介绍这种传感器。
5.10.2磁阵列式转速传感器的原理
(1)传感器的构成。这种转速传感器是由设置在旋转轴顶端的永久磁铁与相隔0.5一1mm间隙的5mm方形传感器芯片构成的。
(2)磁传感器元件—MAGFET(磁性金属氧化物半导体场效应晶体管)。这里介绍的传感器芯片采用的磁传感器元件，其为分割式漏极MAGFET.
(3)角度的检测方法。
(4)角度传感器的特点。
MAGFET与nMOS晶体管的结构相同，所以通常是在p一well的区域上形成的MAGFE侧以下称为大然型MAGFET)。另一方面，大然型MAGFET是在p型基板上直接形成的元件，栅极下的杂质浓度是不同的。由于采用大然型MAGFET，所以可以得到下述效果
(1)p型基板中，与p一well区域相比，因为杂质浓度低，所以大然型MAGFET内部的电子移动率增大，由此提高了磁场灵敏度。
(2)因为p一well区域是由离子注入工艺形成的，所以注入的浓度是不一致的，由此造成了在此区域上所形成的元件特性的不一致性。因为大然型MAGFET不会受到这一影响，所以可以降低特性不一致性。
5.10.4结论
实际制得的装在轴承上的传感器如图5-19所示，传感器的芯片采用标准的0.25um,CMOS工艺制造。传感器芯片的尺寸为5mm方形，传感器阵列的外形约为4.2mm方形。
所制得的传感器芯片的各参数如下所示。
①传感器的元件数:184像素x4线
②一个像素的构成:6个MAGFET并连。
③芯片尺寸:5mmx5mm
④芯片厚度约300um
⑤I/O端子数:100(含检测用端子)。
⑥角度检测精度:±0.36°
5.11高分解能力的转向角度传感器
5.11.1前言
近年来，在汽车领域内对安全性的要求更进一步加强，为了满足这种要求所开发的车辆姿势的电子控制系统(ESC)的应用正在打一大。ESC系统的作用是在车辆转向出现侧滑时，通过对制动器及发动机输出瞬时自动控制，保证车辆动作的稳定性，在这种控制中，必不可缺少的车速、加速度及转向角度等车辆的各种信息的精度直接牵涉到车辆控制的精度，因此就要求检测车辆各种信息的传感器应该具有高精度而且具有高可靠性。
众所周知，ESP(ElectronikStabilityProgram，电子稳定程序)是汽车电控的一个标志性发明。不同的厂家对这一系统的命名不尽相同，奔驰公司称为ESP，丰田公司称为汽车稳定性控制系统(VSC)等。但从2004年开始，这一系统的发明厂家博世(BOSCH)公司在一些国际性展览会上呼叮在世界汽车行业将这一系统统一称为ESC，本文则按此称呼。
下面介绍的这种ESC系统用的转向角度传感器就是为了满足上述要求，成功开发出的电磁感应式非接触式转向角度传感器.
5.11.2检测结构
(1)基本原理。这种传感器的检测原理是电磁感应方式。所谓电磁感应方式就是伴随着磁通的被屏蔽而检测线圈电感量变化的一种方式。在利用线圈产生磁通的区域内，插入导体板时，因为导体板上有涡流通过，所以磁通被屏蔽。通过改变导电体的屏蔽面积，根据所得出的线圈电感的变化量，就可以检测出转向角度，传感器的基本原理如图5一20所示.
(2)检测原理。这种传感器的构成如图5-21所示，线圈上为宽度可变的导电板，其固定在与转向轴同步旋转的转子上。当转向轴旋转时，导体板屏蔽线圈的面积随之改变，由此就可以得到随旋转角度而变化的线圈的电感量。
5.11.3特点
(1)高分解能力
(2)低滞后性能
(3)绝对角度的即时检测
(4)高耐久性
(5)自诊断功能
5.11.4产品规格
图5一1节气门位置传感器的结构
幻灯片31
图5一2节气门位置传感器的结构
图5一3节气门位置传感器的电路
图5一4节气门位置传感器的特性
图5一5滑动式节气门位置传感器的结构
图5一6ECU与节气门传感器的连接电路
图5一7线性位置传感器的等效电路
图5一8线性位置传感器的特性
图5一9防滴型角度传感器的结构
图5一10防滴型角度传感器的等效电路
图5一11防滴型角度传感器的特性
图5一12非接触式角度传感器的结构
图5一13转向传感器的安装部位及结构
图5一14转向传感器的电路
图5一15车高传感器的结构
图5一16车高传感器的工作原理
图5一17车高传感器的电路
图5一18可调电感式溢流环位置传感器的工作原理
图5一19装在轴承上的传感器
图5一20转向角度传感器的基本原理
图5一21转向角度传感器的检测原理
实践活动
1、认识实物位置传感器和角度传感器；
2、判别实物位置传感器和角度传感器的类别及特性。
教学总结：
作业：概述汽车位置传感器与角度传感器。
汽车氧传感器
教学重点：了解汽车氧传感器的概念；
教学难点：检测汽车氧传感器。
教学课时：第27、28、29、30、31、32课时（30、31、32为实践活动课）
6.1氧(O2)传感器的基本介绍
6.2氧传感器的开发背景
6.3氧传感器在三元系统中的作用
6.4氧传感器的材料与工作原理
6.5氧传感器的结构与特点
6.6氧传感器使用中的问题
6.7氧传感器的评定技术
6.1氧(O2)传感器的基本介绍
6.1.1二氧化锆型氧(O2)传感器
氧(O2)传感器可用于电子控制燃油喷射装置中的反馈系统;用以检测排放气体中的氧气浓度、空燃比的浓稀，监测气缸内是否按理论空燃比(15:1)进行燃烧，并向计算机反馈。这种传感器的结构如图6一1所示，它是由产生电动势的二氧化锆管、起电极作用的衬套以及防止二氧化锆管损坏和导入汽车排气的进气孔组成的。二氧化锆管的内、外表面均涂覆有薄薄一层铂，铂既可以成为电极又具有电势放大作用。二氧化锆管的外表面处于氧气浓度较低的汽车所排放的气体中，而管的内表面则导入周围空气，两表面氧气浓度之差就会产生电动势。二氧化锆型传感器的工作原理如下所述:当空燃比较浓时，排放气体中的氧气比较少，大气中的氧离子通过二氧化锆管后产生电压，所以指示灯亮;反之，当空燃比较低时，氧气浓度很高，所以产生的电压很低，指示灯不亮。
6.1.2带加热器的二氧化锆氧浓淡电动势型氧(O2)传感器
为了保证氧传感器具有稳定的输出信号，就需要使其处于300℃以上的环境中，因此，一般可以把它安装在离发动机较近、温度较高的位置处，但是，由于设计上的原因，有时必须将其安装在离发动机较远、温度较低的位置处，在这种位置处也能工作的是带加热器的氧传感器，即在排放气体温度为150℃~200℃时可以工作。
这种传感器的工作原理与前面介绍过的无加热器氧传感器完全相同，在试管形的固体电解质的内侧设置了陶瓷加热器，在给加热器加上电压之后，从内侧进行加热，所以在低温下就可以工作。传感器的结构如图6-2所示。在这种场合下，氧传感器是作电子控制燃油喷射装置上的空燃比反馈控制传感器用的，用以检测排放气体中的氧气浓度。
在空燃比反馈系统中，当空燃比稀薄时，排放气体中的氧浓度增加，氧传感器把“稀薄状况”通知计算机，然后，计算机发出信号增加喷油量，由此，当空燃比比理论值还浓时，排放气体中的氧浓度降低，氧传感器把“较浓状况”通知计算机，然后计算机减少喷油量，又回复到原来状态。如上所述，反馈系统就是这样往复动作，从而把空燃比控制在理论值。
氧传感器的性能与温度有很大的关系。
6.1.3二氧化钛型氧(OZ)传感器
这种氧传感器采用了半导体材料二氧化钛，二氧化钛属N型半导体，其电阻值的大小取决于周围环境的氧浓度情况，因此，二氧化钛型传感器和二氧化锆型传感器一样，也可以用作检测排放气体中的氧浓度。
二氧化钛型氧传感器的结构如图6一3所示。在二氧化钛元件中嵌有圆板形铂电极，它的周围有陶瓷。在绝缘体的一端，就是二氧化钛元件和热敏电阻，从两极和两个元件的连接点处共引出3根引线。在绝缘体表面上绕有钨丝，以其作为氧传感器的加热器，并引出2根引线。
当周围氧气比较多时，二氧化钛的阻值增大;反之，当周围氧气比较少时，二氧化钛的阻值减小，所以，二氧化钛氧传感器的阻值在理论空燃比附近处急剧变化，输出电压也急剧地变化。用二氧化钛制作的氧传感器有3个端子，即“基准电源”、“输出”和“搭铁”。二氧化钛的阻值随温度的变化情况如图6一4所示。与二氧化钛元件串联的热敏电阻起温度补偿作用。当温度很低时，二氧化钛的阻值很大而无法正常工作，对此进行快速预热激活，所以传感器上配装了加热器
上面所说的二氧化钛氧传感器，还有耐铅中毒能力强、产品体积小的优点。
6.2氧传感器的开发背景
自从1970年有些国家制定了严格的汽车废气排放法规以来，大大加快了汽车排放净化装置的研制步伐，一开始时出现了许多种类的净化装置，随着技术不断地革新，不断地加以淘汰，最后留下来的也就是合理的系统，即可以同时净化NOx、CO及HC三种有害物质的三元催化方式。在此系统中占主导地位的是催化剂技术的发展与氧传感器的成功开发，氧传感器是使此系统最有效地发挥作用必不可少的部件。
从原理上讲，氧传感器有足够的理由成立。但因汽车使用非常广泛，氧传感器必须能承受苛刻环境，要长期保证稳定的性能，当初，生产厂家并没有充分的把握。但当无论如何都需要这一部件时，不仅从事传感器开发的部件厂，而且包括汽车制造厂的开发部门，以及与汽车技术有关的技术人员、研究人员从各个角度作了大量的研究。
1976年，博世公司首先在沃尔沃车上装用了氧传感器，借此机会，通用、福田、丰田、日产相继完成了氧传感器的开发工作。时至今日，氧传感器已成为燃烧控制技术中最重要的功能部件，在对排放已订立法规的国家里，它已是到处可见的普通产品。氧传感器是为解决废气净化而开发出的部件，但目前来说，节油问题与提高发动机的性能问题都与氧传感器有很大的关系，因此，就要求性能更好，可靠性更高的传感器。下面采用比较的方法，对二氧化锆型与二氧化钛型氧传感器加以说明。
6.3氧传感器在三元系统中的作用
6.3.1空燃比控制与氧传感器
先来说明三元催化剂系统的基本原理与氧传感器的作用。
现在大批量生产的氧传感器都是检测理论空燃比点的，它用于三元催化中，净化效率最高且将废气控制于理论空燃比的反馈系统上。三元催化剂的净化率一般是用空气过剩率A的函数来表示。A=1意味着是理论空燃比，小于1时为浓状态，大于1时为稀状态。
6.3氧传感器在三元系统中的作用
下面说明氧传感器的基本特性与系统的控制方法。图6一5是有代表性的空燃比反馈系统的概括。一般来说，喷油量的控制主要采取图(1)所示的控制法。对燃烧后废气而言，氧传感器的输出信号如图(2)所示。比较电平大致相当于理论空燃比点时氧传感器的输出电平，通常将其调整在0.5左右，但实际上，氧传感器的空燃比特性是变化着的.从图(3)中还可以看出，控制电路具有将出信号滞后时间再输出的功能.图(4)是积分电路，与积分量相应，逐渐地增加喷油量。也有采用图(5)所示办法的，在比较器翻转时，提高整个系统的反馈频率.
6.3氧传感器在三元系统中的作用
从前面的说明中可知:氧传感器的基本空燃比特性、浓与稀状态的响应特性对尾气空燃比的影响很敏感，因此应适当地调整系统侧的参数:，以维持三元催化的最高净化效率。
近些年来，随着数字计算机的发展，通过适当的调整可以做到这些参数与发动机的各种工况条件相协调，按各种使用目的加以区分。
作为氧传感器的基本特性，除了上面讲过的基本空燃比特性、响应特性之外，还有内阻特性。
此外，在低温范围内，空燃比在适当范围内变化时，三元催化剂本身的净化效率还高些，所以要根据发动机的性能选用特性适当的氧传感器。
6.3氧传感器在三元系统中的作用
6.3.2氧传感器在车载自我诊断系统中的应用
从1994年开始实施的车载自我诊断系统一Ⅱ法规中规定:车辆上必须配有排放系统部件的故障自我诊断系统。其中也包含有很多利用氧传感器诊断的技术，下面分项加以说明。
(1)检测催化剂老化。法规中规定:当尾气达到限制值的1.5倍时，报警灯应该点亮报警。对这一要求的检测，可采用直接检测尾气成分的办法。
(2)空燃比控制。车用自我诊断一Ⅱ法规要求:控制用氧传感器及燃油控制也能进行自我诊断，这时，也可以采用监测催化剂后的氧传感器的输出信号的办法，与前方相比，催化剂的后方尾气中的未燃烧成分经催化剂后已反应完成，所以，对氧传感器来说，稳定平衡尾气的测定表示出理想的输出。
(3)断火检测。发动机断火将引起催化剂异常发热，造成催化剂老化。因此，车用自我诊断-Ⅱ法规还规定:应检测出断火，并发出警报。检测断火的方法有两种，一种是直接法，即利用催化剂温度传感器、氧传感器与离子电流传感器等直接检测断火状况;另一种是间接法，利用曲轴角度传感器检测发动机因断火引起的转速变化。
6.4氧传感器的材料与工作原理
6.4.1二氧化锆型
已经批量生产的二氧化锆部件的结构原理如图6一6所示。它是由一端已密封的试管状固体电解质元件、其表面的铂电极及保护用陶瓷层组成的。一般的尾气中含有未燃烧成分与剩余的氧，为了弄清楚准确的空气过剩率，就需要使这些未燃烧成分与剩余的氧进行反应以达平衡状态。通过电极上所用铂的催化作用，可以促进其反应的进行。从空气过剩率与平衡氧分压的关系可知，以λ=1.00处为界，平衡氧分压出现了急剧的变化。
氧传感器将产生图6-7所示的电压。二氧化锆型氧传感器的电动势随温度的变化情况，如图6-8所示。
低温区浓状态下氧传感器的输出电压比较低，这是传感器元件的内阻在低温区时相当高的原因造成的，即使利用输入阻抗很高的普通电压表也无法测出其输出电压。高温区浓状态下氧传感器的输出电压也比较低，这是由高温下氧分压引起的。
低温区稀状态下氧传感器的输出电压增高，这是非平衡气体影响所造成的，对此点后面还要加以说明，总之，要想在低温区快速利用传感器时，就要降低传感器的内阻，采用高输入阻抗的电压表。也需要设法在传感器内设加热器，以加热传感元件。
ZrO2有三种晶体:单斜晶体(M)，正方晶体(T)及立方晶体(C)，其中M/T的转换，会使晶体体积变化4%左右，这很容易使晶体老化。当ZrO2中加入Y2O3,CaO,MgO,Yb2O3后，就可以控制M/T的转移，增加其稳定性。
强度的机理与T/M的转移存在着一定关系，利用这一机理制成的二氧化锆陶瓷简称为TTZ或ZTC。
对传感器来说，电导率是一项很重要的参数，为了保证批量生产的传感器在经受严格的热循环后电特性保持正常，若稳定性很好的话，往往选定Y2O3在4~6mol%。
传感器上，二氧化锆固体电解质的外侧电极涂敷有陶瓷保护层。对传感器的性能来说，催化剂特性有两个重要的作用。一是尾气中存在有未燃烧的气体，由此造成测量误差，催化剂对此起着平衡作用;另一个是，因电极上进行的是电化学反应，其内容包括电子的移动、氧分子的吸附，脱离，氧离子的形成，因移动与脱离而渗入固体电解质，而作为逆反应包括从固体电解质中捕获氧离子，使其移动，形成氧分子，形成气态等，催化剂都担负着重要作用。
6.4.2二氧化钛型
二氧化钛的熔点是1750℃，它以三种状态存在，氧化钛(B)、锐钛矿形(A)、板钛矿形(B)。其中的R形从低温到高温一直是稳定状态，没有必要像ZrO2那样，需要考虑状态转移的问题，是适合制作传感器的材料，下面以多孔形TiO2陶瓷的电阻温度特性为例加以说明，如图6一9所示，将此图大致分5个方面加以说明。
(1)表面的化学吸附。这是指表面靠化学吸附的O2,H2O,CO,HC气体与TiO2表面之间电子转移所引起的现象，这主要从室温至400℃可以发现:电阻的变化程度随温度及表面状态而变化。
(2)TiO2自身体电阻的变化。随着温度的升高，热量激励出的载流子的数量增多。所以，电阻减小。这种变化相当于热量形成空穴的能量，这是TiO2固有的性质.
(3)氧分压的影响.
(4)非平衡气体的影响.
(5)原子价控制的影响.
6.5氧传感器的结构与特点
6.5.1圆筒形二氧化锆传感器
为保证二氧化锆传感器能够安装在汽车等的排气管上，都用金属件将陶瓷零件—二氧化锆件保护起来。二氧化锆氧传感器大致可分为带加热器和不带加热器两种，其结构分别如图6一10和图6一11所示。
近年来，随着发动机的改进，尾气温度有下降的趋势，为了获取更稳定的信号，加上目前又趋向将氧传感器安装在尾气混合状态良好的下游侧，所以目前的主导产品是带加热器型的氧传感器(简称为HEGO)。
6.5氧传感器的结构与特点
NTK公司很久以前就已经利用IC外壳的封装技术，并可把加热器的图形印刷在陶瓷片上，利用同时烧结的办法制出精巧的加热器。带加热器型氧传感器的输出特性如图6-12所示。在加热器的作用下，元件很快被加热，当发动机启动之后，在很短的时间内元件达到活性温度，并进入控制状态。对排放控制来说，与无加热器型相比，带加热器的氧传感器要好多了。今后，排放法规会越来越严格，所以，带加热器的氧传感器将成为今后的主流产品。
6.5.2搭铁绝缘型二氧化锆传感器
为了对发动机实行更精密的控制，要把氧传感器安装在各气缸气体已经均匀混合的下游，这样效果好。但这时，传感器与微机之间会形成电位差，即两者之间的电阻增加，此外，发动机产生的干扰会窜到信号线上，造成发动机控制出现故障。
也就是说，传感器安装位置附近的搭铁电位与蓄电池、微机等的搭铁电位会出现电位差。与微机的搭铁电位相比，当传感器搭铁电位高△V时，则电位差的值叠加到传感器的信号上，由此而造成理论空燃比控制出现偏差。此外，也有的将氧传感器安装在排气管上，随着汽车使用时间的加长与传感器间的连接电阻增加。
为了解决这一问题，有一种方案是，将引出线焊在传感器的本体上，再引出传感器搭铁线，由此可能造成在搭铁线回路中，电波干扰调制了传感器输出信号。
为了避免出现上述问题，就要设法使传感器的信号不通过发动机的本体，而从元件直接输出。称这种规格的为搭铁绝缘型(或称为不搭铁型)氧传感器,NTK公司最先将这种产品供向市场。目前，有70%以上的氧传感器都是搭铁绝缘型，且带加热器。
主绝缘采用了机械强度高、绝缘性能好的结构材料—氧化铝陶瓷，氧化铝陶瓷件设置在主接头与传感元件之间，采用滑石作填加材料，通过热铆主接头，将传感元件密封固定。通过印刷、烧结工艺将引出线与传感元件外表面相连，负信号就从这里输出。传感器的结构如图6一13所示。
绝缘特性的调查结果如图6一14所示。
6.5.3板状二氧化锆传感器
以前的氧传感器采用的都是陶瓷粉末的压力成形工艺，这种工艺与从前火花塞绝缘件的成形工艺完全相同，可靠性也非常高。与此相比，近几年又开发出了陶瓷的新工艺，即层压工艺，这种工艺已用于叠层电容器及陶瓷IC封装的生产之中。
这种工艺的流程是，将热可塑性树脂混合在陶瓷粉末中，制成薄片，再将这些薄片重叠制成板状件，接着烧结成一个整的工件。因为薄片比较柔软、容易加工，所以可切断或钻孔。此外，在其表面涂覆金属浆料，还可以包镀金属。采用这种工艺制作板状二氧化锆传感器公开于1985年，其结构如图6一15所示。
6.5.4二氧化钛氧传感器
与二氧化锆件不同，二氧化钛氧传感器不需要与大气压进行对比，所以，很简单地就可以做到防水。为支撑基板，可用玻璃做到完全密封。这样，利用玻璃密封就可以隔断尾气中的水分。此外，通过在引出线与保护壳之间设置用硅橡胶材料制成的衬垫，可以防止水从传感器四周渗入。
传感元件的设计结构如图6一16所示，传感器多层(3层)氧化铝基板上设有二氧化钛厚膜，基板内部有利用Pt喷涂工艺形成的加热器及分压电阻,属于小型混合集成电路结构。利用分压电阻从蓄电池电压上分压出约1V的电压作传感器电源。中间的氧化铝层起保护加热器、提高耐久性的作用，同时，可以防止加热器电源误加至传感元件上。因为基板与二氧化钛的密合性对传感器的可靠性非常重要。所以，利用陶瓷小球将基板表面设计成凸凹不平的结构，二氧化钛膜填满了球与基板之间空隙，由此可以防止二氧化钛厚膜从基板上脱落。
本节介绍的传感器属电阻变化型，所以电极附近的二氧化钛电阻变化时，传感器就可以测出周围气氛的变化。因为电极位于二氧化钛厚膜的最深处，所以，尾气向厚膜中的扩散速度及其间非平衡气体的反应状况决定着传感器的特性。目的就是要使二氧化钛的气孔直径、厚膜及催化特性对各项应用达到最佳状态。
归纳起来，本节介绍的传感器有下述特点。
①因为加热器、电极分压电阻制成一个整体，所以以较低的成本就可生产出带加热器的传感器;②与二氧化锆传感器不同，不需要比较元件，所以，防水设计比较简单;③不易出现含铅汽油引起的中毒现象。
6.6氧传感器使用中的问题
6.6.1氧传感器的安装
在考虑氧传感器的安装位置时，需要考虑到为激活元件顶端检测部位所需的最低温度和防止高温老化的最高温度。通常，二氧化锆传感器的标准工作温度为350℃~850℃。仅就热老化来看时，当元件温度在100℃时其寿命可提高9倍，但当温度过低时，所析出的沉淀物增多，所以希望其工作温度范围为600℃~800℃。
氧传感器大多安装在多个气缸排放的汇合部位，但传感元件温度及尾气混合程度随安装位置而变化。
为了实现稳定的控制，目前大多都把传感器安装在汇合管道的下游，各缸的排气得以在汇合管道内充分混合。在这种场合下，因为尾气温度比较低，所以一般用带加热器的氧传感器。
6.6.2耐高温与中毒老化
在推测传感器质量保证时间时，很重要的一项工作是搞清楚氧传感器的老化机理。为了保护地球的环境，法规要求增加传感器的质量保证时间。但是，另一方面，车辆的使用方法即传感器的使用方法不尽相同，按理是不能用一种评价方法来推测寿命。下面就来说明尾气温度与各种中毒原因之间的关系;对老化机理的分析，仅供读者参考。
(1)尾气空燃比与老化
(2)铅中毒
(3)磷(P)中毒
(4)硅(Si)中毒
6.6.3非平衡气体的影响
氧传感器的作用本来只是测量尾气中的含氧量。但在实际的尾气中，还残留有未燃烧气体，因此，怎样分析未燃烧气体的成分就摆在人们的面前。汽车上装用氧传感器的日的是有效地发挥三元催化剂的作用。前面已经讲过，氧传感器装在催化剂下游时，其输出电压精度最高。本节将说明氧传感器对未燃烧气体的影响。二氧化锆传感器的气敏机理如图6一17所示，现分区加以说明。
(1)低温区(低于400℃)。在此区域内传感器电极的催化能力很低，传感器的输出信号也低。一般来说，传感器电极上吸附有尾气中的未燃气体，然后凭借与电极的催化能力，未燃气体完全燃烧，传感器测得平衡氧分压，但在低温区域时，仅能吸附气体，引起燃烧的能力下降。
(2)中温区(400℃一600℃)。在中温区，传感器的内阻减小，所以就没有(1)中①所述的问题。传感器的催化剂活性也在某种程度上呈现出来，CO被吸附的同时，与氧气发生催化反应，消除了CO吸附电位的影响。对这种场合下所出现的控制空燃比多少有一点向稀侧偏移的现象，可用扩散理论试加解释。
(3)中~高温区(600℃~700℃)。在这一区域，传感器的输出最稳定发动机自身可以稳定燃烧的区域，未燃烧气体处于热活性化状态，可在排气管中进行反应.
(4)高温区(700℃以上)。对高温区工作的氧传感器来说，一个是热老化问题，这在前曲已经作了说明，另一个问题是NOx气体的影响。
6.7氧传感器的评定技术
随着车辆性能的不断提高，对左右车辆性能的氧传感器的功能要求也越来越高，要求其工作性能要更加稳定，在开发过程中，根据评定技术确立维持一定精度的测量方法则已变为必要条件.因此，要根据下述两点来研究氧传感器的评定技术
①氧传感器作为内燃机上的重要部件，它应满足一般性能、机械、温度及电性能的要求。
②作为发动机上排放控制系统的部件应具有足够的功能。
下面就以目前广泛应用的二氧化锆氧传感器的评定技术为中心，对其主要项目加以说明。现在部分车辆上，已采用二氧化钛作检测元件，但占主导地位的还是二氧化锆，而且，两种传感器的使用目的、安装位置等大致都相同，所以，可采用大致相同的评价方法。
6.7.1机械性能
(1)引出线的抗拉强度试验
(2)扭矩强度试验
(3)冲击强度试验
(4)尾气密封程度试验
(5)振动试验
6.7.2温度性能
(1)高温存放试验
(2)低温存放试验
(3)热循环冲击试验
(4)热循环试验
6.7.3电性能
(1)绝缘电阻试验
(2)传感器输出电压的测量
(3)响应性试验
(4)内阻的检测
6.7.4控制特性的评定方法
氧传感器安装在发动机的排气管上，其输出信号随发动机尾气成分的比例而变化，通过控制氧传感器的输出变化就可以控制发动机的燃烧状态。因此，只要传感器没有损坏，最重要的工作就是评定其控制特性。
(1)利用燃烧后的尾气进行评定
(2)利用模拟气体进行评定
(3)排放的评定
6.7.5其他评定方法
在工作环境很差或处于劣质燃油中时，实际装用的传感器可能发生变质，尤其是汽油中混有铅或者硅时，传感器的控制会出现很大的变化，严重时其功能会完全丧失。
对传感器的耐热温度来说，还要充分注意其上所用部件的耐热性能，要使其在低于最高使用温度下工作。
关于喷水试验，飞石的评定，盐雾试验等，可和普通的发动机部件同样试验与评定。
6.7.6检查方法
将氧传感器的“+”极与微机相连，“一”极通过安装螺帽与排气管相连，因此，在检查发动机的混合状态的同时，还监测传感器正极上输出电压的变化的话，就可以评定传感器的特性
一般来说，通过设置在控制组件上的监测灯及安装有氧传感器的检测器后，就可以判断出正常还是异常。但是，因为尾气温度不超过某一程度(约400℃)时，氧传感器就不会正常输出，所以，测试前需要充分热机，此外，因为氧传感器电动势的能量非常小，所以，需要用高内阻的万用表或示波器来测量传感器的输出信号。
氧传感器是以固体电解质二氧化锆瓷的电动势作为输出信号的，所以检查时，很重要的事项是不能反复地使传感器通电，还要充分注意:高电压加到传感器上时，可能会损坏传感器
6.7.7今后的要求
对作为三元催化系统中的重要部件氧传感器来说，首先要求的是其质量的可靠性。此外，作为车辆发动机上的部件来说，要求其设计充分体现出质量的要求。近几年来，随着对车辆整体寿命的要求，也要求氧传感器的寿命相应要加长
氧传感器的作用，不仅停留在为了提高三元催化剂的净化效率，仅控制混合比的阶段，在催化剂变换器的前后装两个传感器可以按车载自我诊断系统的规定检测出催化剂的老化状态，进一步在整个燃烧控制技术中发挥中坚作用。
二氧化锆传感器和二氧化钛传感器各有优缺点，其选用要按汽车厂的燃烧控制的整体思想来决定。一般来说，汽车厂主要选用的是二氧化锆型氧传感器，但对具有重要功能的氧传感器来说，今后还会从各个角度继续进行研究。控制方式不同，具有数项特点的二氧化钛传感器在今后燃烧系统的开发过程中，将会得到更广泛的应用。总之，还不能说氧传感器是一种非常成熟的产品，作为用户方的汽车制造厂会对此陆续地提出许多新要求，对部件厂来说，还面临许多新课题。
图6一1二氧化锆型氧传感器的结构
图6一2带加热器的氧传感器的结构
图6一3二氧化钛型氧传感器的结构
图6一4二氧化钛氧传感器的特性
图6一5空燃比反馈系统的概要
图6一6二氧化锆氧传感器的结构原理
图6一7空气过剩率与电压
图6一8二氧化锆氧传感器的电动势与温度的关系
图6一9二氧化钛氧传感器的电阻—温度特性
图6一10NTK牌带加热器的二氧化锆氧传感器
图6一11NTK牌无加热器的二氧化锆氧传感器
图6一12上升特性;开关闭合后，怠速加浓时的输出特性
图6一13NTK公司牛产的搭铁绝缘型二氧化锆氧传感器
图6一14传感器在发动机上的绝缘特性
图6一15传感器在发动机上的绝缘特性
图6一16厚膜式二氧化钛氧传感器的设计结构
图6一17氧传感器的温度特性模拟图
实践活动
1、了解并掌握汽车氧传感器的特性；
2.检测氧传感器。
教学总结：
作业：汽车氧传感的检测。
课题节气门位置传感器
一、节气门位置传感器的结构与工作原理
常见的节气门位置传感器有触点式、可变电阻式、触点与可变电阻结合式三种。
1．触点式节气门位置传感器
触点式节气门位置传感器由转盘、活动触点、怠速触点、全开触点（功率触点）等组成。
在某些装备自动变速器的轿车上，采用多触点式节气门位置传感器（如图2-49所示），触点数目多，能更精确地反映发动机负荷的变化，以便于更加准确地控制自动变速器的换挡时刻和变矩器锁止离合器的锁止时刻。
2．可变电阻式节气门位置传感器
可变电阻式节气门位置传感器由滑动电刷、电阻片组成。
3．触点与可变电阻结合式节气门位置传感器
为使ECU更准确地得到节气门怠速位置信号，在可变电阻式节气门位置传感器的基础上增设了一个怠速触点，形成触点与可变电阻结合式节气门位置传感器。
二、节气门位置传感器的工作电路
节气门位置传感器的型式不同，其工作电路也有所不同。
三、节气门位置传感器的检测
1．触点式节气门位置传感器的检测
①检查搭铁电路。
②检查工作电压。
③检查传感器。
2．触点与可变电阻结合式节气门位置传感器的检测
①检查搭铁电路。
②检查工作电压。
③检查传感器。
总结
在检测节气门的过程当中需要一步一个脚印，认真仔细地检测，并做好笔记。
作业
节气门传感器的组成？
六、反馈
课题温度传感器
感器
氧传感器银据内部敏感材料不同分为氧化锆式和氧化钛式两种。氧化锆式氧传感器又分为加热型和非加热型两种，氧化钛式氧传感器一般都是加热型传感器。
1．氧化锆式氧传感器
氧化锆式氧传感器主要由锆管、电极、电极引线、金属保护套（管）、加热元件（仅指加热式氧传感器）、线束插接器等组成。
发动机运转时，排气管内废气从锆管外电极表面的陶瓷层渗入，与外电极接触，内电极与大气接触。锆管内、外侧存在氧浓度差，使氧化锆电解质内部氧离子开始向外电极扩散，扩散的结果是在内、外电极之间产生电位差，形成了一个微电池。其外电极为锆管负极，内电极为锆管正极。
如果没有外电极铂的催化作用使锆管外侧的氧离子急剧减小到0，那么在浓混合气时就不会有接近1.0V的高电压信号，传感器的输出信号也不会在混合气由浓变稀时出现跃变现象，这正是使用铂电极的另一个重要因素。
氧化锆式氧传感器的工作状态与工作温度有着密切的关系。
2．氧化钛式氧传感器
氧化钛式氧传感器的材料是二氧化钛（TiO2）。二氧化钛在常温下的电阻值是稳定的，但当其表面缺氧时，其内部晶格会出现缺陷，电阻会大大降低。
二、氧传感器的工作电路
加热式氧传感器除去非加热式氧传感器的两条连接导线外，还有两条导线：一条是加热器的搭铁线（如图2-69所示），另一条是通过ECU主继电器供给加热器的电源线。
三、氧传感器的故障
氧传感器常见的故障有：氧传感器老化、氧传感器中毒、氧传感器破裂、氧传感器内部电热元件损坏、导线断开、氧传感器信号不正确等，其中传感元件老化和中毒是氧传感器失效的主要原因。氧传感器的传感元件受到污染而失效的现象称为氧传感器中毒，氧传感器中毒主要是指铅（Pb）中毒、硅（Si）中毒和磷（P）中毒。
1．氧传感器老化
氧传感器老化的主要原因是传感元件局部表面温度过高。
2．铅中毒
铅中毒是指燃油或润滑油添加剂中的铅离子与氧传感器的铂电极发生化学反应，导致催化剂铂的催化性能降低的现象。
3．硅中毒
硅中毒是指硅离子与氧传感器的铂电极发生化学反应而导致催化剂铂的催化性能下降的现象。
4．磷中毒
磷中毒是指各种磷化物污染氧传感器的现象。
在由于汽车发动机上不可避免地存在铅离子、硅离子、磷离子，而且氧传感器必须安装在排气管上且必须在高温下工作，因此传感器（氧化锆式或氧化钛式）中传感元件的中毒和老化也都是不可避免的，所以，氧传感器应当按规定的行驶里程（一般为80000km）进行更换。
四、氧传感器的检测
1．检查氧传感器的加热元件
2．检查氧传感器加热元件工作电路
3．检查氧传感器的工作情况
4．检查氧传惑器
五、总结
学生较好地完成课堂作业及独立地完成传感器的检测
作业
氧传感器的信号电压是多少？
七、反馈
课题爆震传感器
教学目标：掌握爆震传感器的组成及检测
教学重点难点：爆震传感器的组成、检测
教学课时：46、47、48、49课时（48、49为实践活动课）
教学方法：实验法、理论讲授法等
教学内容：
爆震传感器的作用是把发动机爆震信号转换为电信号输入发动机ECU。该信号输入ECU后用于控制点火提前角，使发动机在最接近爆震的时刻点火。
检测发动机爆震的方法有三种：检测发动机燃烧室压力、检测发动机缸体振动、检测燃烧噪声。
一、爆震传感器的结构与工作原理
爆震传感器按检测方式不同可分为共振型与非共振型两种；按结构不同可分为磁致伸缩式和压电式两种。
1．磁致伸缩式爆震传感器
磁致伸缩式爆震传感器属共振型传感器。磁致伸缩式爆震传感器主要由感应线圈、铁心、永久磁铁和传感器外壳等组成。
2．压电式爆震传感器
压电式爆震传感器是利用压电效应制成的。压电效应是指某些晶体（如石英、压电陶瓷等）在某一定方向受压（或受拉）产生变形时，在晶体内部产生极化现象，并在其两个表面出现异性电荷；当去掉外力后，又重新回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应。
压电式爆震传感器按检测缸体振动频率的方式不同，又可分为共振型与非共振型。
（1）共振型压电式爆震传感器
共振型爆震传感器的主要元件是压电元件与振荡片。
共振型爆震传感器输出的信号电压高，不需要专门的滤波器，信号处理比较方便。但由于共振型爆震传感器的共振频率必须与发动机燃烧时的爆震频率匹配（即产生共振），因此共振型爆震传感器只能用于指定型号的发动机（因为各种发动机有自己特定的共振频率），互换性差。
（2）非共振型压电式爆震传感器
非共振型压电式爆震传感器的主要元件是惯性配重和压电陶瓷元件。
非共振型压电式爆震传感器是以接收加速度信号的形式来判断爆震是否产生。配重将振动引起的加速度转换成作用于压电元件上的压力。
非共振型爆震传感器输出的信号电压小、平缓，必须将输出信号输送至带通滤波器中，判断爆震是否发生。带通滤波器一般由线圈和电容器组成，他只允许特定频带的信号通过，对其他频带的信号进行衰减。
非共振型爆震传感器的适用范围广，当用在不同类型的发动机上时，只需将带通滤波器的过滤频率进行调整即可，无需更换传感器，这是非共振型爆震传感器的优点。
二、爆震传感器的工作电路
桑塔纳2000GSi轿车AJR发动机上压电式爆震传感器每两个缸共用一个爆震传感器，1、2缸共用一个传感器，安装在汽缸体进气管侧1、2缸之间，3、4缸共用一个传感器，安装在汽缸体进气管侧3、4缸之间。2个传感器的屏蔽线直接搭铁。
三、爆震传感器的检测
①传感器线束的检测。
②传感器输出信号的检测。
在安装爆震传感器时，应特别注意扭紧力矩。
总结
爆震传感器的学习需要各位同学联系实际。
作业
1、爆震传感器的组成及检测方式？
反馈
课题开关量信号
教学目标：掌握汽车开关量信号；
教学重点：掌握汽车开关量信号；
教学难点：检测汽车开关量信号；
教学课时：50、51、52、53课时
教学方法：多媒体教学法、理论教学法
开关量信号是表示发动机处于某种状态的定性参数，以是或否的方式传输到ECU。ECU控制需要的主要开关量信号有点火开关信号、启动信号、空挡启动开关信号、空调开关信号等。
一、点火开关信号
点火开关信号IGN是表示点火开关接通的信号。
ECU据此将控制进行以下动作：
①怠速控制阀进入预先设定位置；
②根据空气流量或歧管压力、大气压力和进气温度传感器信号，确定基本喷油时间；
③根据冷却液温度传感器信号，计算修正喷油时间和点火时刻；
④监测节气门位置传感器信号；
⑤接通电动汽油泵电路使油泵运转。如果不启动发动机，ECU控制油泵工作1~2s后切断电动汽油泵电路。
⑥接通氧传感器加热元件电路，对氧传感器进行加热。
二、启动信号
启动信号STA是表示发动机启动开关是否处于接通状态的信号。
确定发动机处于启动状态，便按启动程序控制喷油。
三、空挡启动开关信号
空挡启动开关信号NSW又称停车/空挡开关，是表示自动变速器挡位选择开关所处位置的信号。
在装有自动变速器（A/T）汽车车上，空挡启动开关只有处于P或N位时才能启动发动机。
四、空调开关信号
空调开关信号A/C是表示空调压缩机是否进入工作状态的信号。当发动机处于怠速工况时，ECU根据空调压缩机是否工作来调整发动机怠速转速。
总结
实践才是硬道理，多让学生参与实践。
作业
空调开光的类型？
七、反馈
课题发动机ECU
教学目标：掌握发动机ECU的基本结构及电路方面的知识
教学重点难点：
发动机ECU的基本结构；
发动机电路方面。
教学课时：54、55、56、57课时（56、57为活动实践课）
教学方法：实验法、理论讲授法等
教学内容：
发动机ECU主要由输入回路（包括模拟/数字转换器）、单片微型计算机、输出回路等组成。
一、输入回路
输入回路的作用是对输入信号进行预处理。预处理的主要内容是先将传感器输入信号中的杂波去除掉、正弦波转变为矩形波，然后再将其转换成输入电平。
传感器输出的信号有模拟信号和数字信号两种。信号电压随时间连续变化的信号称为模拟信号。信号电压不随时间连续变化信号称为数字信号。
二、单片微型计算机
单片微型计算机是将中央处理器CPU（CentalProcessingUnit）、存储器M（Memory）、定时器/计数器、输入/输出（I/O）接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
1．中央处理器
中央处理器主要由运算器、控制器和寄存器构成。
2．存储器
存储器用于存储程序和数据。存储器一般分为两种：RAM和ROM。
3．输入/输出接口（I/O）
输入/输出接口（I/O）的主要功能有数据匹配、电平匹配、时序匹配、频率匹配等。
4．总线
所谓总线就是CPU与其他部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道。
ECU中的总线包括数据总线（DataBus）、地址总线（AddressBus）和控制总线（ControlBus）。
三、输出回路
输出回路的作用是将微机输出的控制指令转换成能够驱动执行器工作的控制信号。
ECU的工作原理
总结
ECU是电控发动机当中最为重要的机件。
作业
简述发动机ECU的工作原理？
七、反馈
课题燃油压力调节器和电动汽油泵
教学目标：掌握燃油压力调节器和电动汽油泵的组成。
教学重点难点：
燃油压力调节器的组成；
电动汽油泵的组成及检测。
教学课时：58、59、60、61课时
教学方法：
教学内容：
一、燃油压力调节器
燃油压力调节器的作用是自动调节燃油压力，使燃油供给系统的压力（即系统油压）与进气歧管压力之差保持在恒定值（一般为0.25~0.3MPa）。油路中安装燃油压力调节器后，就可实现ECU对喷油量的精确控制。
１．燃油压力调节器的结构及工作原理
燃油压力调节器一般安装在分配油管（供油总管）的一端。其进油口和分配油管相连，回油口接回油管，真空管接口通过一个软管和进气歧管相连。
金属壳体内的一膜片将其内腔分为两个腔室：真空气室和燃油室。真空气室内装有压缩弹簧，压缩弹簧压在膜片上，真空气室通过真空管和进气歧管相通。燃油室设有进油口与回油口，二者之间的通道由回油阀控制。
二、电动汽油泵
电动汽油泵的作用是将燃油从油箱吸出，并以足够的泵油量和泵油压力向燃油系统供油。汽油泵的泵油量大于发动机耗油量的目的有两个：一是防止发动机供油不足；二是有利于供油系散热，防止油路产生气阻。
电动汽油泵常见的安装位置有两种：安装在油箱内和油箱外的供油管路上。
内装式电动汽油泵通过支架固定在大油箱的顶部
1．电动汽油泵的结构与工作原理
常用的电动汽油泵有涡轮式、滚柱式、转子式三种。
（1）涡轮式电动汽油泵
涡轮式电动汽油泵主要由永磁电动机、涡轮泵、单向阀、限压阀等组成。涡轮泵的压力升高率不高，适用于低压大流量的场合，一般供油压力为0.25～0.5MPa。涡轮泵工作时噪声低、振运小、磨损小，所以工作寿命及可靠性都比较好。
在汽油泵的出油口设有单向阀，又叫止回阀。
（2）滚柱式电动汽油泵
滚柱式电动汽油泵主要由永磁式电动机、滚柱式油泵、单向阀、溢流阀等组成。
在滚柱式汽油泵出口处设有缓冲器，以减小出油口处的油压脉冲和运转噪声。
输送的汽油都从电动机中流过，对电动机的线圈、轴承以及油泵本身都起着润滑和冷却作用，因此，在无油情况下绝对禁止运转电动汽油泵。
（3）转子泵
转子泵是一种容积式增压泵。由带有若干个外齿的主动齿轮和比主动齿轮多一个内齿的从动齿轮及油泵壳体等组成。
2．电动汽油泵的控制电路
电动汽油泵的控制电路一般具有下列功能：
①预运转功能。
②启动运转功能。
③恒速运转功能。
④变速运转功能。
⑤自动停转保护功能。
（１）由点火开关和油泵开关共同控制的油泵控制电路
（2）由点火开关和ECU共同控制的油泵控制电路
（3）由发动机ECU和油泵ECU共同控制的油泵控制电路
（4）由发动机ECU单独控制的油泵控制电路
三、总结
燃油压力调节器和电动燃油泵是电控发动机主要构成之一，是完成电控不可缺少的一部分。
作业
反馈
课题燃油供给系统的检测与诊断
教学目标：掌握燃油供给系统的检测及诊断
教学重点难点：
燃油供给系统的检测及诊断
教学课时：62、63、64、65课时（64、65为实践活动课）
教学方法：实验法、理论讲授法等
教学内容：
一、检测燃油供给系统时注意事项
①拆卸油管前，应先释放油压。
②燃油系统维修后应检查有无漏油处。
二、汽油泵工作情况的检查
①用连接线将检查连接器上的十B和FP端子连接起来。
②再将点火开关置于“ON”但不要启动发动机。
③检查燃油滤清器的进油软管处，正常时用手指能感觉到油压，也应能听到燃油回流声音。
三、燃油压力的检查
燃油压力的检查内容包括静态油压、动态油压、保持油压三项。检查时，蓄电池电压应不低于12V。
1.静态油压的检查方法
把油压表接到总输油管上。
2.动态油压的检查方法
从油压调节器上拆下真空管，并用塞子塞住管口。
3.保持油压的检查方法
启动发动机，并让其运转一段时间，然后熄火。检查其油压是否能保持5分钟而不降低。
四、汽油泵的检测
①检查汽油泵线圈电阻。
②检查汽油泵的工作情况。
五、汽油泵ECU的检测
六、开路继电器的检测
七、汽油泵及其控制电路的故障诊断
八、总结
汽油泵是电控发动机油路的动力源
作业
简述汽油泵的工作原理？
十、反馈
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