第五章 位置传感器

§5.2 节气门位置传感器
• 节气门位置传感器（TPS Throttle Position Sensor)又称节气门开度传感器开关。 安装在节气门体上节气门轴的一端。随着驾驶员 对加速踏板的控制，节气门位置发生改变。
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一、节气门位置传感器的作用
• 将节气门开度（即发动机负荷）大小转变为电信号 输入发动机 ECU，以便确定空燃比的大小。在装备电子控 制自动变速器的汽车上，节气门位置传感器信号还要输入 变速器电控单元（ECT ECU)，作为确定变速器换挡时机和 变矩器锁止时机的主要信号。 • 一方面用来确定节气门的开度位置，另一方面反应节气门 的开闭速度。 • 可能引发的故障： –（1）行驶性能不良，动力不足； –（2）加速不圆滑； –（3）发动机熄火； –（4）怠速转速不稳定。
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二、光电式曲轴位置传感器
• 1、结构
•组成：信号发生器、 信号盘（即信号转 子安装在传感器轴 上）、配电器、传 感器壳体和线束插 头等。
图 5-3
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三
信号发生器结构
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2、工作原理
三
图5-4 光电式传感器工作原理 1-发光二极管LED；2-信号盘；3-光敏三极管
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G信号（上止点信号）
Ne信号（转速 与转角信号）
图5-5 光电式曲轴位置传感器输出波形
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§5.1.3 霍尔式曲轴位置传感器
• 一、霍尔元件的结构和工作原理
• 半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向 垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁 场的方向上将产生电动势UH，这种现象称为霍尔效应。 霍尔效应是美国约翰· 霍普金斯大学物理学家霍尔博士首 先发现的。
（3）光电效应式
三、安装位置： 曲轴皮带轮或链轮侧面，或凸轮轴前端，或分电器。
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§5.1.1电磁脉冲式曲轴位置传感器
一、磁感应原理 根据电磁感应定律，当W匝线圈在均恒磁场中运 动时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈的感应电势e 为：
d e W dt
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二、磁感应式曲轴位置传感器的工作原理
磁感应式传感器组成：信号转子、传感线圈、永久磁铁等。
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§5.1 曲轴位置传感器
一、定义： 曲轴位置传感器也称曲轴转角传感器（CPS， Crankshaft Position Sensor ）。凸轮轴(Camshaft）位 置传感器又称为气缸识别传感器（CIS，Cylinder Identification Sensor）。 二、类型： （1）电磁脉冲式 （2）霍尔效应式
RH UH= d I· B
UH
RH ---霍尔系数 d ---白金导体的厚度
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图5-6 霍尔效应原理图
• 二、霍尔式曲轴与凸轮轴传感器工作原理
原理：当叶片进入气
隙时，霍尔集成电路中 的磁场被叶片旁路，霍 尔电压 U H 为零，集 成电路输出级的三极管 截止，传感器输出的信 号电压U0为高电平。反 之则反。
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原理：铁芯与被检测部件一齐上下移动，线圈的电感发 生变化，与基准信号相比，输出信号的变化反应被检测 部件的位置。
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图5-7 霍尔式传感器结构原理图
•结构：触发叶轮、霍尔集成电路、导磁钢片（磁轭）与永久磁铁。霍
尔式集成电路有霍尔元件、放大电路、稳压电路、温度补偿电路、信号 变换电路和输出电路等组成。 15
各种类型曲轴位置传感器的特点：
• 电磁感应式传感器
• 优点:结构简单，坚固耐用、能适应较高温度环境、能利用齿轮轮齿产
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Biblioteka Baidu、浮子笛簧开关式液位传感器
结构图
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工作原理
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电路原理图
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应用实例
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检测水 水 箱冷却 液液位
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二、浮子可变电阻式液位传感器
结构图
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工作原理
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应用实例
汽油油量表电路图
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三、热敏电阻式液位传感器
热敏电阻的温度特性
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工作原理
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燃油箱电路图
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五、电极式液位传感器（用于检测蓄电池液位）
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一、结构
图5-15 车高传感器结构图
信号发生器结构图
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二、工作原理
车高传感器的连接关系
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§5.3.3 液位传感器
• 汽车上使用的液位传感器分模拟量输出型和开关型两类。 • 模拟输出型液位传感器主要用于检测燃油箱油量，有浮子 式可变电阻式、电热式、电极式传感器等； • 开关输出型液位传感器用于测量制动液液位、洗涤液液位、 冷却液液位，在液位减少到一定值时，产生开关接通、闭 合转换，这种传感器有热敏电阻式、浮子式笛簧开关式和 电极式等。
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• 2、内光电效应
当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或 产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导 体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应 和光生伏特效应两类： （1） 光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡 到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为 光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 （2） 光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的 现象叫做光生伏特效应。 基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三 极管。
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二、节气门位置传感器的类型
• 按结构不同，节气门位置传感器分为触点式、可 变电阻式、触点与可变电阻组合式 3 种类型。 • 按输出信号的类型不同，节气门位置传感器可分 为线性（量）输出型和开关（量）输出型 2 种。
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1、编码式节气门位置传感器（开关（量）输出型）
• 结构与作用：IDL触点（用以检测怠速状态）；PSW触点（用 于检测高负荷状态），ACC1和ACC2（用于检测加减速状态）。 • 安装位置：安装在节气门室上，与节气门连动。
原理：规定液位时，铅棒上产生电动势→VTr1导通， 电流：蓄电池正极→点火开关→VTr1→蓄电池负极 液位不足时，铅棒上不产生电动势→VTr1截止→A点电位上 升→VTr2导通→报警灯亮
蓄电池液位传感器电路 电极式液位传感器的结构
（a）规定液位时（b）液位不足时
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§5.3.4 溢流环位置传感器
• 随着柴油机电子控制系统的发展、电子控制 式VE型分配式喷油泵在柴油机上得到了广泛的应 用。在该泵上需检测溢流环的位置，目前应用较 广泛的是用可调电感式溢流环位置传感器。
械能转换为电能的作用，其磁能不会损失。 • （2）发动机转速越高，磁通变化率也就越 大，传感线圈中的感应电动势也就越高。
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§5.1.2 光电式曲轴位置传感器
• 光电传感器：光信号转变成为电信号的器件。
• 一、光电效应
物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量， 从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。 光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。 • 1、外光电效应 • 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射 的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于 外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。
图5-12 线性TPS与ECU连接图
工作原理：
触点在电阻体上滑动，利用变化的电阻值，测得与节气门开度对应 的线性输出电压，根据输出的电压值，可知节气门开度。 节气门开度输出信号VTA则使ECU对喷油量进行控制，以获得相应的 功率。随着节气门开度的增大，节气门开度输出电压线性增大。
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3、综合式节气门位置传感器
工作原理：
一个触点可在电阻体上滑动，利用变化的电阻值，测得与节气门开 度对应的线性输出电压，根据输出的电压值，可知节气门开度。 另一个电刷触点在节气门全关闭时与怠速触点IDL接触。 IDL信号主要用于断油控制和点火提前角的修正。节气门开度输出信 号VTA则使ECU对喷油量进行控制，以获得相应的功率。 28
生脉冲，应用广泛； • 缺点：输出电压的峰值随转速的大小而变化，在发动机启动时的低速 状态下，感应电压很低，影响控制精度。 • 光电式传感器 • 优点：属于非接触式测量，输出的是数字信号，有利于电脑处理； • 缺点：对油或赃物在光通过转盘传递的干涉十分敏感。 • 霍尔效应式传感器 • 优点：输出的信号是矩形脉冲，适合用于电脑数字系统，信号电压的 大小与发动机转速无关。 16
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一、结构
图5-14 转向传感器结构图 （a）安装位置；（b）传感器结构 1-传感器壳体；2-信号圆盘；3-光电耦合元件；4-遮光孔；5-转向轴
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二、工作原理
光电耦合元件电路
输出信号波形
原理：光电效应 光电耦合组件之间的光断续地通断→旋转角度 三极管导通截止的速度→转向器的速度 先导通的脉冲信号→转向器的旋转方向
(b)
(c)
(d)
图5-1 磁感应式传感器工作原理 图5-2 传感器线圈中的磁通Φ和电动势E波形 （b）接近；（c）对正；（d）离开 （a）低速时输出波形；（b）高速时输出波形 1-信号转子；2-传感器线圈；3-永久磁铁；4-支架
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三、磁感应式曲轴位置传感器的特点
• （1）不需要外加电源，永久磁铁起着将机
• （2）节气门位置传感器：
•
电子燃油喷射系统中用于检测节气门开度的传感器。 电脑利用其传递过来的信号计算发动机负荷，作为点火时 间，排气再循环控制，怠速控制和变速器换档点等的重要 参数。
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• （3）液位传感器：
• 用于检测燃油箱油量、冷却液液位和润滑油液位等。
• （4）车辆高度传感器：
• 简称车高传感器，它用来把车身高度的变化转变为电 信号输入电子控制单元，ECU根据高度变化信号控制执行 元件，调节车身高度。
图5-9 编码器式节气门位置传感器结构图
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工作原理：
（1）怠速时
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（2）加速时
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（3）高负荷时
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（4）减速时
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输出特性：
图5-10 编码式TPS输出特性
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2、线性可变电阻型节气门位置传感器（线性 （量）输出型）
（1）结构组成：可变电阻、滑动触点、节气门轴、壳体。
线性量TPS结构与特性图 26
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§5.3 其它位置传感器
§5.3.1 转向传感器
• 转向传感器（方向盘转动方向与转动角度传感器） （SAS Steering angle Sensor)又称为方向盘位 置传感器。 • 作用：用来检测方向盘（或转向轴）的转动方向 与转动角度。以实现人们对悬架系统的操纵性和 行车稳定性的要求，控制车辆姿势的变化，提高 驾乘舒适性。安装在转向轴上。
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§5.3.2 光电式车高传感器
• 车高传感器即车身高度传感器（或车身位置传 感器）。 • 作用：将车身位置（高度）变化的信号输入到 电子调节悬架系统电控单元（EMS ECU），以 便调节车身位置（高度）。电子控制悬架系统 对小轿车车身位置（高度）的调节范围一般为 10mm～30mm。安装在轮胎的挡泥板上。
第五章 位置传感器与角度传感器
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概述
• 应用在汽车上的位置传感器：曲轴位置传感器、节气门位 置传感器、液位传感器和车辆高度传感器等。 • （1）曲轴位置传感器（凸轮轴位置传感器）： • 发动机电子控制系统的主要部件，是控制发动机点火 正时、曲轴位置的信号源。 用于检测活塞上止点信号和 曲轴转角信号，它也是测量发动机转速的信号。