汽车 传感器与执行器

2. 传感器与执行器

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与其他数据流一起，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（Digital Signal）和模拟信号（Analog Signal）。

（1）数字信号 Digital Signal

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 Analog Signal

图2-2 模拟信号波形图

模拟信号与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（Resistive Signal）、开关信号（Switches Signal）、和感应电压信号（Voltage Generating）。

（1）电阻信号 Resistive Signal

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 Switches Signal

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 Voltage Generating

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（Piezo resistive）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 ，Positive Temperature Coefficient）和负温度系数电阻（NTC ,Negative Temperature Coefficient）。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V out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V out也会随之发生变化。

V out =R

2

/（R

1

+R

2

）×V

in

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 Piezo resistive

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，manifold absolute pressure sensor）。

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（Wheatstone bridge）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（Piezo Electric）、二氧化锆（Zirconia Dioxide）式氧传感器、电磁效应式（Magnetic Inductance）三种类型。

1）压电式 Piezo Electric

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。