车辆电控与机电液一体化技术

图2.6 差动变压器 式进气压力传感器
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• 3）半导体应变式进气压力传感器 • 如图2.7所示。半导体应变式进气 压力传感器主要由半导体应变片、 真空室、混合集成电路板和外壳等 组成。半导体应变片是在一个膜片 上用半导体工艺制作四个等值电阻， 并且接成电阻电桥。该半导体电阻 电桥应变片置于一个真空室内，在 进气压力作用下，应变片产生变形， 电阻值发生变化，电桥失去平衡， 从而将进气压力的变化转换成电阻 电桥输出电压的变化。
图2ຫໍສະໝຸດ Baidu5电容差动式进气压 力传感器
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• 2）差动变压器式进气压力传感器 • 差动变压器是一种开磁路互感式电感传感器。由于其具有两个接 成差动结构的二次线圈，所以又称为差动变压器。图2.6为差动变 压器式进气压力传感器。差动变压器的测量电路常用相敏整流器 (亦称相敏检波器)。相敏整流输出的信号经滤波、放大后，即可 送计算机进行处理。
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• 1 几种工程测控中常用传感器 • 传感器是将被测物理量转换为与之相对应的，容易检测、传输或 处理的信号的装置。 • 传感器是测试系统的首要环节，传感器的性能直接影响着整个测 试与控制系统的工作可靠性。 • 1）电阻应变片式传感器 • 2）电感式传感器 • 3）电容式传感器工作原理及类型 • 4）压电式传感器 • 5）磁电式传感器 • 6）光电式传感器 • 7）热电式传感器工作原理 • 8）霍尔传感器的基本原理 •图1.1 霍尔元件工作原理
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•图2.3卡门旋涡产生的原理
• 2）卡门旋涡式空气流量计 • 利用流体因附面层的分离作用而交替产生的一种自然振荡型旋涡(卡门旋 涡)原理测量气体流速，并通过流速的测量直接反映空气流量的流量计， 称为卡门旋涡式空气流量计。 • 卡门旋涡的原理，是指在流体中放置一个柱状物体时，在这一柱状物 体的下游就会产生如图2.3所示的两列旋转方向相反，并交替出现的旋涡。 对于一具体的卡门旋涡式空气流量计，有关系式
(2.1) • 式中，qv为体积流量；f为单列旋涡产生的频率；k为比例常数， 与管道直径、圆柱体直径等有关。 从(2.1) 式可知，体积流量与卡 门旋涡流量传感器的输出频率成正比。利用这一原理，只要检测 卡门旋涡的频率，就可以求出空气流量。常用的有光学式卡门旋 涡空气流量计和超声波式卡门旋涡空气流量计。
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• 霍尔元件的工作原理如图1.1所示。由图可知，霍尔元件为一种半 导体四端薄片，其四端均有引出线。其工作原理是：当在其a、b 端以电流激励并有垂直于薄片的磁场作用时，在垂直于电流和磁 场方向的c、d端会产生与激励电流I和磁场强度H乘积成正比的电 动势，这种现象称为霍尔效应，该半导体薄片称为霍尔元件，所 产生的电动势EH称为霍尔电动势。 • 式中，KH为霍尔参数。 • 将霍尔元件、放大器、稳压电源、功能电路及输出电路集成在一 个芯片上，就构成了霍尔集成电路。霍尔集成电路可分为线性和 开关型两类。汽车上所装用的霍尔集成电路一般为开关型。
EH K H I H
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• 2空气流量传感器 • 发动机电子控制系统中很重要的一项控制内容就是最佳空燃比控 制。为此，必须对发动机进气空气流量进行精确测量。常用的空 气流量传感器有：风门式空气流量计、卡门旋涡式空气流量计、 热线式空气流量计和热膜式空气流量计。 • 1）风门式空气流量计 • 这种空气流量计安装在空气滤清器和节气门之间。它的作用是 检测吸人空气量的多少，并把检测结果转换成电信号。 • 图2. 2 风门式空气流量计工作原理 • 1一电位计滑臂 2一电位计镀膜电阻 3一风门叶片 • 风门式空气流量计由两大部分组成，一是担任检测任务的风门 部分，二是担任转换任务的电位计。其结构如图2.1所示，其工作 原理如图2. 2所示。
图2.3 典型的反馈控制系统方块图
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• 放大元件：对偏差信号进行信号放大和功率放大的元件。例如伺 服功率放大器、电液伺服阀等。 • 执行元件：直接对控制对象进行操作的元件。例如执行电机，液 压马达等。 • 控制对象：控制系统所要操纵的对象。它的输出量即为系统的被 调量(或被控制量)，例如机床、工作台等。 • 校正元件：用以稳定控制系统，提高性能。有反馈校正和串联校 正两种形式。
图 2.1 风门式空气流 量计结构 a)风门 b)电位计
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图2. 2 风门式空气流量计 工作原理
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• 由图2.1可知，空气流量计的风门部分由测量叶片、缓冲叶片及壳 体组成。测量叶片随空气流量的变化在空气主通道内偏转。电位 计部分主要由电位计、回位弹簧、调整齿圈等部分组成。由于电 位计与风门叶片是同轴的，所以当叶片偏转时，电位计滑臂必然 转动。由于转轴一端装有螺旋回位弹簧，当其弹力与吸人空气气 流对测量叶片产生的推力平衡时，风门叶片就会处于某一稳定偏 转位置，而电位计滑臂也处于镀膜电阻的某一对应位置。由原理 图2. 2可以看出，电位计滑臂对电源的分压输出Us即代表此时的 空气流量。把此电压经A／D(模拟／数字)转换后送计算机，计算 机依据空气量的多少，经过运算、处理，确定应该喷射的汽油量， 并经执行器控制喷油，从而得到最佳空燃比。该种空气流量计的 结构简单、可靠性高，但进气阻力大，响应较慢且体积较大。
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• 3压力传感器 • 在汽车上，压力传感器一是用于气压的 检测，包括进气真空度，大气压力、汽缸 内的气压及轮胎气压等；二是用于油压的 检测，包括变速箱油压、制动阀油压及悬 挂油压等。能够用于压力检测的传感器有 电阻应变片、电容式传感器、电感式传感 器、压电式多种传感器。 • 1）电容式 • 图2.5为一种差动电容式进气压力传感器的 结构示意图。当进气压力作用于弹性膜片 时，弹性膜片产生位移，与一个定片距离 减小，而与另一个定片的距离加大，则一 个电容量增加，另一个电容量减小，从而 把压力的变化转换成电容量的变化。。
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• 2）线性节气门位置传感器 • 线性节气门位置传感器装在节气门上，可以连续检测节气门的开 度。图2.9为该种传感器的结构、等效电路及输出特性。由图可知， 它由与节气门轴联动的电位器、怠速触点及外壳等组成。电位器 的动触点(即节气门开度输出触点)随节气门开度在电阻膜上滑动， 从而在该触点上(VTA端子)得到与节气门开度成比例的线性电压输 出，如图2.9c所示。当节气门全闭时，另外一个与节气门联动的 动触点与怠速输出触点(IDL)接通，传感器输出怠速信号。节气门 位置输出的线性电压信号经A／D转换后送计算机。
图2.4光学式卡门旋涡空 气流量计工作原理
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• 3）热线式空气流量计（略） • 热线式空气流量计的基本构成包括：感知空气流量的白金热线、 根据进气温度进行修正的温度补偿电阻 ( 冷线) 、控制热线电流的 控制电路以及壳体等。根据白金热线在壳体内安装的部位不同， 可分为安装在空气主通道内的主流测量方式和安装在空气旁通道 内的旁通测量方式。这种空气流量计由于无运动部件，因此工作 可靠，而且响应特性较好；缺点是在流速布不均匀时误差较大。 • 4）热膜式空气流量计（略） • 热膜式空气流量计的工作原理与热线式空气流量计类似，都是用 惠斯登电桥工作的。
图2.2 恒温箱温度自动控 制系统职能方块图
测控基础
• 反馈元件：它量测被调量或输出量，产生主反馈信号，该信号与 输出量存在确定的函数关系(通常为比例关系)。例如，调速系统 的测速发电机。 • 比较元件：用来比较输入信号和反馈信号之间的偏差。可以是一 个差接的电路，它往往不是一个专门的物理元件，有时也叫比较 环节。而自整角机，旋转变压器、机械式差动装置却是物理的比 较元件。
•
qv kf
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• (1)光学式卡门旋涡空气流量计 工作原理如图2.4所示。由图可知， 这种空气流量计主要由管路、旋涡发生器、整流栅、导孔、金属 箔板弹簧、发光二极管(LED)、光敏晶体管等部分组成。它是利 用光电原理进行信号检测与转换的。光学式卡门旋涡空气流量计 的工作原理是：在产生卡门旋涡的过程中，旋涡发生器两侧的空 气压力会发生变化，通过导孔作用在金属箔上，从而使其振动， 发光二极管的光照在振动的金属箔上时，光敏晶体管接收到的金 属箔上的反射光是被旋涡调制的光，其输出经解调得到代表空气 流量的频率信号。 • (2)超声波式卡门旋涡空气流量计 （略）
车辆电控与机电液一体化技术
（第一部分）测控基础，ECU， CAN，传感器
测控基础
• 1测试系统及其组成
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图1.1 测试系统的组成
测试系统由以下几部分组成：传感器、信号变换与测量电路、显示与记 录器、数据处理器，以及打印机等外围设备，如图1.1所示。
• 2控制系统及其组成 • 控制理论在机电领域的广泛应用，主要体现在以下几个方面： • 图2.1 恒温箱的自动控制系统 • 1）机械制造过程正向着自动化、最优化相结合的方向，以及机电 一体化方向发展。例如计算机集成制造系统CIMS等。 • 2）为了安全性、并为了降低人们的劳动强度，车辆、船舶、航空 航天器等产品的自动控制及其智能化。
图2.1 恒温箱的自动控制系统
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• 系统要检测偏差，并用检测到的偏差去纠正偏差，在自动控制系 统中，这一偏差是通过反馈建立起来的。图2.2 为恒温箱温度自动 控制系统职能方块图。图中⊕代表比较元件，箭头代表作用的方 向。给定量也叫控制系统的输入量，被控制量称为系统的输出量。 从图中可以看到反馈控制的基本原理。也可以看到，各职能环节 的作用是单向的，每个环节的输出是受输入控制的。总之，实现 自动控制的装置可各不相同，但反馈控制的原理却是相同的，可 以说，反馈控制是实现自动控制最基本的方法。 • 控制系统主要有开环控制与闭环控制。反馈控制系统的基本组成 如图2.3所示。该图表示了这些元件在系统中的位置和其相互间的 关系。由图可以看出，作为一个典型的反馈控制系统应该包括反 馈元件、给定元件、比较元件(或比较环节 )、放大元件、执行元 件及校正元件等。 • 给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号，例如，调速系 统的给定电位计。
测控基础
• 4）制造和加工过程的动态研究。因为高速切削、强力切削、高速 空程等正在日益广泛地应用，同时，加工精度越来越高，0.01μm 乃至 0.001μm精度相继出现，这就要求把加工过程如实地作为动 态系统加以研究，包括计算机仿真及优化。 • 5）在产品设计方面，充分考虑产品与设备的动态特性，然后建立 它们的数学模型，进行优化设计。包括计算机辅助设计和试验的 研究。 • 6）在动态过程或参数测试方面，正在以控制理论作为基础，向着 动态测试方向发展。动态精度、动态位移、振动、噪声、动态力 与动态温度等的测量，从基本概念，测试手段到测试数据的处理 方法无不同控制理论息息相关。 • 总之，控制理论，微处理机技术同机电一体化的结合，同机械制 造技术的结合，将促使这一领域中的试验、研究、设计、制造、 管理等各个方面发生巨大的变化。
测控基础
• 图2.1是一个恒温箱的自动控制系统。其中，恒温箱的温度是由 给定信号电压u1控制的。当外界因素引起箱内温度变化时，作为 测量元件的热电偶，把温度转换成对应的电压信号u2，并反馈回 去与给定信号u1相比较，所得结果即为温度的偏差信号Δ u=u1-u2。 经过电压、功率放大后，用以改变电机的转速和方向，并通过传 动装置拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向着减小电流 的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止。即只有 在偏差信号Δ u=0时，电机才停转。这样就完成了所要求的控制 任务。而所有这些装置便组成了一个自动控制系统。
图2.7半导体应变片进气压力传感器
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• 4节气门位置传感器
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图2.8开关式 节气门位置 传感器
节气门位置传感器安装在节气门体上，它将节气门开度转换成电压信 号输出，以便计算机控制喷油量。节气门位置传感器有开关量输出和线 性输出两种类型。
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1）开关式节气门位置传感器 开关式节气门位置传感器实质上是一种转换开关，所以又称为 节气门开关。其结构如图2.8所示。这种节气门位置传感器由与节 气门轴联动的凸轮、动触点、怠速触点(IDL)、满负荷触点(PSW) 等组成。动触点接计算机电源，当节气门全关闭时，怠速触点与 动触点接通；当节气门开度达50º 以上时，满负荷触点与动触点接 通；而当节气门开度在全闭至50º 之间时，动触点悬空。这样， 计算机就可以根据怠速触点和满负荷触点提供的信号判断节气门 位置，以便对发动机进行喷油控制，或对自动变速器进行控制。 该种节气门位置传感器结构比较简单，输出是非连续的。