完整word版汽车传感器与执行器Word文档下载推荐.docx
- 文档编号:18406478
- 上传时间:2022-12-16
- 格式:DOCX
- 页数:18
- 大小:1.11MB
完整word版汽车传感器与执行器Word文档下载推荐.docx
《完整word版汽车传感器与执行器Word文档下载推荐.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《完整word版汽车传感器与执行器Word文档下载推荐.docx(18页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
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,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(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,pulsewidthmodulated)与占空比(dutycycle)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)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,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(thermoswitch)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(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(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.电动机的测试与测量
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。
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(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)与占空比(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;
(8)电动机一般由转子(旋转部分)和定子(静止部分)组成。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 完整 word 汽车 传感器 执行