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發(fā)動機的電子控制一直被認為是MEMS技術(shù)在汽車中的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。發(fā)動機控制系統(tǒng)用傳感器是整個汽車傳感器的核心,種類很多,包括溫度傳感器、壓力傳感器、位置和轉(zhuǎn)速傳感器、流量傳感器、氣體濃度傳感器和爆震傳感器等。這些傳感器向發(fā)動機的電子控制單元提供發(fā)動機的工作狀況信息,供電子控制單元對發(fā)動機工作狀況進行控制,以提高發(fā)動機的動力性、降低油耗、減少廢氣排放和進行故障檢測。
1.溫度傳感器
汽車用溫度傳感器主要用于檢測發(fā)動機溫度、吸人氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度以及催化溫度等。溫度傳感器有熱敏電阻式、線繞電阻式和熱偶電阻式三種主要類型。這三種類型傳感器各有特點,其應(yīng)用場合也略有區(qū)別。熱敏電阻式溫度傳感器靈敏度高、響應(yīng)特性較好,但線性差、適應(yīng)溫度較低。其中,通用型的測溫范圍為-50℃~30℃,精度為1.5%,響應(yīng)時間為10 ms;高溫型為600℃~1000℃,精度為5%,響應(yīng)時間為10ms;線繞電阻式溫度傳感器的精度高,但響應(yīng)特性差;熱偶電阻式溫度傳感器的精度高,測量溫度范圍寬,但需要配合放大器和冷端處理一起使用。其他已實用化的產(chǎn)品有鐵氧體式溫度傳感器(測溫范圍為-40℃~120℃,精度為2.0%)、金屬或半導體膜空氣溫度傳感器(測溫范圍為-40℃~150℃,精度為2.0%,5%,響應(yīng)時間約20 ms)等。
2.壓力傳感器
壓力傳感器是汽車中用得zui多的傳感器,主要用于檢測氣囊貯氣壓力、傳動系統(tǒng)流體壓力、注入燃料壓力、發(fā)動機機油壓力、進氣管道壓力、空氣過濾系統(tǒng)的流體壓力等。目前,致力于汽車用壓力傳感器開發(fā)和生產(chǎn)的主要公司有摩托羅拉,德科電子儀器,Lucas Novasensor, Hi Stat,NipponDenzo,西門子,德州儀器等。
比較常用的汽車壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動變壓器式、聲表面波式。電容式壓力傳感器主要用于檢測負壓、液壓、氣壓,測量范圍為20kPa~100kPa,其特點是輸入能量高,動態(tài)響應(yīng)特性好、環(huán)境適應(yīng)性好;壓阻式壓力傳感器的性能則受溫度影響較大,需要另設(shè)溫度補償電路,但適應(yīng)于大批量生產(chǎn);差動變壓器式壓力傳感器有較大的輸出,易于數(shù)字輸出,但抗干擾性差;聲表面波式壓力傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、分辨力高、數(shù)字輸出等特點,用于汽車吸氣閥壓力檢測,能在高溫下穩(wěn)定地工作。
德國Infineon公司研制的智能輪胎壓力傳感器KP500內(nèi)部集成了壓力和溫度傳感模塊,它不需要在傳感器模塊中增加加速度傳感器,可以在汽車啟動時自動開機進人自檢,能測量壓力、溫度和電壓等。所有的功能都是利用表面微機械加工技術(shù)集成在 0.8μm的雙極互補金屬氧化物半導體( BiCMOS) 上。每個傳感器模塊中的電可擦可編程只讀存儲器中存儲著惟一的32位芯片識別碼。芯片識別碼可以由同步串行接口讀出,而且 ,可以用于辨識各個輪胎壓力傳感器的位置。在接收數(shù)據(jù)的時候,首先,要檢查芯片識別碼,如果發(fā)現(xiàn)芯片識別碼不符,就放棄收到的數(shù)據(jù)幀。
3.流量傳感器
流量傳感器主要用于發(fā)動機空氣流量和燃料流量的測量。進氣量是燃油噴射量計算的基本參數(shù)之一。空氣流量傳感器的功能:感知空氣流量的大小,并轉(zhuǎn)換成電信號傳輸給發(fā)動機的電子控制單元。空氣流量的測量用于發(fā)動機控制系統(tǒng)確定燃燒條件、控制空燃比、起動、點火等。空氣流量傳感器有旋轉(zhuǎn)翼片式、卡門渦旋式、式、熱膜式等4種類型。空氣流量傳感器的主要技術(shù)指標:工作范圍為 0.11m3/min~103m3/min,工作溫度為-40℃~120℃,精度>1%。燃料流量傳感器用于檢測燃料流量,主要有水輪式和循*式,其動態(tài)范圍為0~60kg/h,工作溫度為-40℃~120℃,精度為±1%,響應(yīng)時間<10ms。
Honeywell的下屬微開關(guān)(micro switch)公司用熱微細加工技術(shù)制作出了微橋式空氣流量傳感器芯片,它用微細加工技術(shù)在硅圓片上加工出空腔,鉑電阻懸掛在空腔之上。當空氣流過器件時,發(fā)生了從空氣流動方向下方到上方的熱傳輸,因而,下方電阻被冷卻,上方電阻被加熱,由電橋電阻變化可測量出空氣流量。
4.位置和轉(zhuǎn)速傳感器
曲軸位置與轉(zhuǎn)速傳感器主要用于檢測發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門的開度、車速等,為點火時刻和噴油時刻提供參考點信號,同時,提供發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號。目前,汽車使用的位置和轉(zhuǎn)速傳感器主要有交流發(fā)電機式、磁阻式、霍爾效應(yīng)式、簧片開關(guān)式、光學式、半導體磁性晶體管式等,其測量范圍為0°~360°,精度優(yōu)于±0.5°,測彎曲角達±0.1°。
車速傳感器種類繁多,有敏感車輪旋轉(zhuǎn)的、也有敏感動力傳動軸轉(zhuǎn)動的,還有敏感差速從動軸轉(zhuǎn)動的。當車速高于100km/h時,一般測量方法誤差較大,需采用非接觸式光電速度傳感器,測速范圍為0.5km/h~250km/h,重復精度為0.1%,距離測量誤差優(yōu)于為0.3%。
5.氣體濃度傳感器
氣體濃度傳感器主要用于檢測車體內(nèi)氣體和廢氣排 放。其中,zui主要的是氧傳感器,它檢測汽車尾氣中的氧含 量,根據(jù)排氣中的氧濃度測定空燃比,向微機控制裝置發(fā)出 反饋信號,以控制空燃比收斂于理論值。常用的有氧化鍺 傳感器(使用溫度為-40℃~900℃,精度為1%)、氧化鉻濃差電池型氣體傳感器(使用溫度為300℃~800℃)、固體電解 質(zhì)式氧化鉻氣體傳感器(使用溫度為0~400℃,精度為0.5%),另外,還有二氧化欽氧傳感器以及二氧化錯氧傳感器。和氧化鍺傳感器相比,*氧傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、便宜,且抗鉛污染能力強的特點。二氧化鋯微離子傳感器由氧化鈣穩(wěn)定氧化錯離子體、多孔鉑厚膜工作電極、鈀/氧化把厚膜參數(shù)電極、不透水層、電極接觸和保護層構(gòu)成。其中,氧化鈣穩(wěn)定氧化錯由反應(yīng)濺射法積淀。工作電極和參考電極都由厚膜工藝制作。在理想的A/F點附近的輸出電壓發(fā)生驟變,當空燃比變高,廢氣中的氧濃度增加時,氧傳感器的輸出電壓減小;當空燃比變低,廢氣中的氧濃度降低時,氧傳感器的輸出電壓增大。電子控制單元識別這一突變信號,對噴油量進行修正,從而相應(yīng)地調(diào)節(jié)空燃比,使其在理想空燃比附近變動。
6.爆震傳感器
爆震傳感器用于檢測發(fā)動機的振動,通過調(diào)整點火提前角控制和避免發(fā)動機發(fā)生爆震。為了zui大限度地發(fā)揮發(fā)動機功率而不產(chǎn)生爆燃,點火提前角應(yīng)控制在爆燃產(chǎn)生的臨界值,當發(fā)動機產(chǎn)生爆燃時,傳感器將爆燃引起的震動轉(zhuǎn)變成電信號,并傳給電子控制單元。檢測爆震有檢測氣缸壓力、發(fā)動機機體振動和燃燒噪聲等三種方法。爆震傳感器有磁致伸縮式和壓電式。磁致伸縮式爆震傳感器的使用溫度為-40℃~125℃,頻率范圍為5kHz~10kHz;壓電式爆震傳感器在中心頻率5. 417kHz處,其靈敏度可達200 mV/gn,在振幅為0.1-10 gn范圍內(nèi)具有良好線性度。
7.節(jié)氣門位置傳感器
節(jié)氣門位置傳感器安裝在節(jié)氣門上,其功能是將發(fā)動機節(jié)氣門的開度信號轉(zhuǎn)變成電信號,并傳遞給電子控制單元,用以感知發(fā)動機的負荷大小和加減速工況。zui常用的是可變電阻式節(jié)氣門位置傳感器。該傳感器是一種典型的節(jié)氣門傳感器,主要由一個線形變位器和一個怠速觸點兩部分組成。電阻變位器用陶瓷薄膜電阻制成,滑動觸點用復位彈簧控制,與節(jié)氣門同軸轉(zhuǎn)動。工作時,線形變位器的觸點在電阻體上滑動,根據(jù)變化的電阻值,可以測得與節(jié)氣門開度成正比的線性輸出電壓信號。根據(jù)輸出電壓值,電子控制單元可獲知節(jié)氣門的開度和開度變化率,從而 判斷發(fā)動機的運行工況,提高控制精度和效果。怠速信號滑動觸點是常開觸點,只有在節(jié)氣門全閉時才閉合,產(chǎn)生怠速觸點信號,主要用于怠速控制、斷油控制及點火提前角的修正。
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