《常用傳感器》課件

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1、重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),第二章 常用傳感器,速度傳感器 空間格柵式 壓差式、熱線風(fēng)速儀 加速度傳感器 壓電、應(yīng)變、電容式 沖撞傳感器 電容式、壓阻式、壓電晶體,基本內(nèi)容 控制系統(tǒng)所需傳感器 溫度傳感器 熱電阻、熱電偶 壓力傳感器 壓阻式、靜電容式 空氣流量傳感器 氣體傳感器 氧傳感器,空燃比傳感器,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),2.1 概述(各系統(tǒng)所需傳感器),,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,2.2 溫度傳感器,,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),2.2.1 熱電阻,對傳感器材料的要求： 溫度系數(shù)大，線性好；性能

2、穩(wěn)定； 使用溫度范圍寬；系數(shù)設(shè)置方便； 線材加工方便。 最合適的材料：鉑(Pt)、銅(Cu) 鉑電阻：Rt=R0(1+At+Bt)(0630) R100/R0=1.3916 鉑電阻主要規(guī)格如下： 公稱電阻：(50 ),100 精度等級：0.15級,0.2級,0.5級 額定電流：2mA,5mA,(10mA)(0.15級及0.2級用2mA ) 封裝形式：護(hù)管式、玻璃封裝式(400)、陶瓷封裝(600),,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),半導(dǎo)體熱敏電阻 與金屬熱電阻比，溫度系數(shù)大、反應(yīng)速度快、價(jià)格便宜，但線性差。 常用的有：NTC、PTC、CTR 等 NTC(Negative Te

3、mpreature Coefficient thermister)主要 由Mn,Co,Ni,Fe等金屬氧化組 成，可通過改變成分調(diào)整電 阻值及溫度特性。 R=RoexpB(1/T-1/T0 其中，B：熱敏系數(shù)， 一般20006000K,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),2.2.2 熱電偶,熱電偶由兩種不同的金屬線相接觸而構(gòu)成，當(dāng)基準(zhǔn)電和測量點(diǎn)間有溫差時(shí)，就會得到輸出電位。其結(jié)構(gòu)簡單、可靠，測量范圍廣，可測量微小區(qū)域的溫度(用的絲線細(xì))，響應(yīng)速度快，但輸出信號小(幾十v/ )，需注意測量電路的漂移和噪聲。 熱電偶測量的是溫差，需對基準(zhǔn)點(diǎn)的溫度進(jìn)行補(bǔ)償： 將基準(zhǔn)點(diǎn)放置在冰點(diǎn)槽中；用

4、熱電阻測量基準(zhǔn)點(diǎn)的溫度，并用橋式電路進(jìn)行自動補(bǔ)償。 封裝形式：保護(hù)管(不銹鋼,330mm):強(qiáng)度高、耐熱、耐腐蝕；鎧裝(金屬管,0.2,0.58mm):金屬細(xì)管和熱電偶芯間填充有MgO，絕緣、密封，抗腐蝕和老化，反應(yīng)快，耐熱，耐振，可適當(dāng)彎曲。,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),2.3 壓力傳感器,基本構(gòu)成：變形部分(壓力應(yīng)變); 變換部分(應(yīng)變電信號); 信號處理部分(信號放大和調(diào)整). 檢測原理:物性型(壓阻效應(yīng)); 結(jié)構(gòu)型(電極面積或距離). 2.3.1 壓阻式壓力傳感器 壓阻效應(yīng):結(jié)晶硅受到應(yīng)力作用,單位電阻值會發(fā)生變化. 擴(kuò)散半導(dǎo)體式:在硅基片的中央制有膜片,在膜片上

5、擴(kuò)散形成壓阻應(yīng)變片,當(dāng)在壓力作用下,產(chǎn)生應(yīng)變,使應(yīng)變片阻值發(fā)生變化,測出阻值的變化量即可得到壓力值.,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),特點(diǎn):選擇擴(kuò)散位置可制出電橋其他臂;靈敏度高(為金屬應(yīng)變片的幾十幾百倍);一致性好,無需粘接,無畸變、滯后;溫度變化對壓阻系數(shù)影響大,需補(bǔ)償；先將膜片固定在硅機(jī)體上,再一起固定在金屬機(jī)體上. 構(gòu)造和測量原理:在膜片表面擴(kuò)散成四個(gè)應(yīng)變片，其中兩個(gè)沿半徑方向布置(Radial Gauge Resister):Rr1和Rr2;其中兩個(gè)沿切線方向布置(Tangential Gauge Resister):Rt1和Rt2,膜片受到壓力作用時(shí)會產(chǎn)生變形,

6、在膜片表面上生成的應(yīng)力是徑向r切向t的合成,在微小范圍內(nèi)變形與應(yīng)力可視為線性: r，tkP (其中, k:膜片的壓力應(yīng)變系數(shù);P:壓差) 如按圖(a)那樣布置,應(yīng)變電阻會受到二個(gè)方向應(yīng)力r和t的作用,由于壓阻效應(yīng)使徑向應(yīng)變電阻和切向應(yīng)變電阻的阻值發(fā)生變化,可近似用下面的式子表示：,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),Rr / Rrl r+ tt Rt/ Rtl t+ tr 其中, Rr, Rt:應(yīng)力為零時(shí)徑向和切向應(yīng)變電阻的阻值 Rr, Rt:應(yīng)力作用后徑向和切向應(yīng)變電阻的阻值變化量 l, t:縱向和橫向壓阻系數(shù)(l:longitudinal,t:transverse) l0,

7、t<0 接成橋式電路時(shí)的輸出電壓: e=(Rr- Rt)E/(Rr+ Rt)k l p 制造過程: 將n型硅片的兩面加工成鏡面； 擴(kuò)散形成應(yīng)變電阻和電子元件； 蒸著形成電極； 內(nèi)面加工出凹形截面形成膜片； 固定到與硅的熱膨脹系數(shù)接近的玻璃等基體上 裝入外殼中、連出引線、充填硅膠,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),2.3.2靜電容式壓力傳感器,概要：由可動電極 (膜片)和絕緣基板上兩個(gè)面對面的電極組成，被測壓力使膜片變形，和固定電極間的間隙發(fā)生變化，引起靜電容變化，可得與壓力一一對應(yīng)的容量差，其特性取決于膜片部分的結(jié)構(gòu)(特別是電極間的間隙)，為了獲得穩(wěn)定性好的傳感器，精密加工和裝

8、配就尤其重要。 構(gòu)造和測量原理：以壓差傳感器為例，作為可動電極的的硅膜片置于兩個(gè)玻璃基板上形成的固定電極之間，間隙在幾到幾十之間，形成差動電容。 電容量變化和電極間隙：如果膜片有微小變形w,有： w=kp 其中，k:膜片的壓力變形系數(shù)， p:壓差,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),差動容量變化量C和變形W之間可用下式表示: C/C=w/d (C與電極間隙d成反比,若間隙越小容量變化就越大,就能作成高靈敏度傳感器) p=d C/(2k C) (d:電極間隙;C:初試電容量) 2.3.3汽車用壓力傳感器的性能參數(shù) 由于工作環(huán)境惡劣, 要求測量精度和 可靠性高,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽

9、車系張偉,汽車電子控制技術(shù),基本特性：精度、分辨率、測量范圍。 決定測量下限的因素：壓力/應(yīng)變轉(zhuǎn)換靈敏度和滯后、應(yīng)變/電信號轉(zhuǎn)換的噪聲等。 決確定測量上限的因素：壓力/應(yīng)變轉(zhuǎn)換部分的機(jī)械強(qiáng)度。 非線性：直接影響精度，取決于壓力/應(yīng)變轉(zhuǎn)換部分。 溫度特性：電橋用恒流供電可使溫度系數(shù)減小。 壽命：由于工作環(huán)境惡劣，采用保護(hù)結(jié)構(gòu)。高壓傳感器用金屬膜片保護(hù)應(yīng)變面。,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),2.3.4 汽車用壓力傳感器應(yīng)用實(shí)例,2.3.5汽車用壓力傳感器的技術(shù)動向 低成本化：半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)過程 批量生產(chǎn) 精細(xì)加工小型化 高性能化：數(shù)字信號處理；軟件補(bǔ)償 可靠性：表面保護(hù)技術(shù)；封裝技

10、術(shù),重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),2.4 流量傳感器,2.4.1 汽車用流量傳感器 空氣流量計(jì) 燃料(汽油、柴油、天然氣等)流量計(jì) 是電噴的主要傳感器，用于計(jì)量吸入汽缸的空氣量。 不僅是發(fā)動機(jī)控制用，也可作耗油量表示用。 流量:單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)流通斷面的量，測量方法有：直接檢測量;檢測平均流速;檢測局部流速. 2.4.2 空氣流量計(jì) 對空氣流量計(jì)的要求：測量范圍寬、精度高、響應(yīng)快及耐塵土和油滴、能適應(yīng)大范圍的溫度變化、輸出信號是流量的對數(shù)函數(shù)、可靠、體積小、重量輕、成本低。 空氣流量計(jì)的類型：轉(zhuǎn)葉式、卡門螺旋式、熱線式,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),汽

11、車用空氣流量計(jì)規(guī)格,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),2.4.3 熱線式空氣流量計(jì)Hot-Wire Anemometer,熱線式空氣流量計(jì)的原理：向鉑金絲(箔膜)供電使之發(fā)熱，利用空氣的熱傳導(dǎo)量與空氣流相依存的關(guān)系來測量流量。在電橋臂上設(shè)有加熱絲和測溫?zé)崦綦娮?，調(diào)整熱絲電流使熱絲和熱敏電阻間溫差不隨空氣流量而變化，把供給熱絲的電流作為空氣流量信號。空氣流量和輸出信號間的關(guān)系可由熱絲發(fā)熱量和傳熱量的關(guān)系推出： 其中，I:供電電流；Ga:空氣流量；A，B：常數(shù)只要測出電流I，即可由上式求得空氣流量，代表空氣流量的電流信號，在低流速時(shí)，信號變化大。,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽

12、車電子控制技術(shù),按先后順序介紹幾種實(shí)用結(jié)構(gòu) 整流筒式：在整流筒內(nèi)架設(shè)有70m的鉑金絲，用鉑金在陶瓷上形成的箔膜電阻作測溫電阻，工作時(shí)熱絲被加熱到1000 (自潔)，排除塵埃附著的影響。 分流式：將熱絲和測溫電阻設(shè)置在分流通道中，以減少流體波動對測量精度的影響；同時(shí)，在發(fā)動機(jī)回火時(shí)能保護(hù)熱絲。 薄膜電阻式：與整流筒式類似，只是不用熱絲而用薄膜電阻(制在薄型陶瓷上)，與空氣流成30夾角。 插入式：可裝在進(jìn)氣管任意部位，它將熱絲、旁通通道、測量電路作成整體結(jié)構(gòu)，從進(jìn)氣管的側(cè)壁插入即可。其目的是減小整體體積。,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),熱絲式空氣流量計(jì)的構(gòu)造,傳感部分 熱絲型(

13、Hot-wire)：將鉑金絲架設(shè)在空氣流中，; 線圈型：將鉑金絲卷在陶瓷支架上，； 薄膜型(Hot-Film)：將 薄膜電阻設(shè)在陶瓷板上。 鉑金絲細(xì)，熱容量小，響應(yīng)快，但易堆積塵埃，影響測量精度；熱容量大，響應(yīng)較慢，但不易堆積塵埃，且對測量精度影響不大。 測量電路：使熱絲和熱敏電阻間溫差保持恒定，現(xiàn)在采用一比較放大器，可測量劇烈變化的空氣溫度。 分流通道：從進(jìn)氣通道分隔出來的支路，以降低氣流波動對測量精度的影響。,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),熱絲式空氣流量計(jì)測波動氣流時(shí)應(yīng)注意：,波動流平均流量的平均化：指示值比實(shí)際值小。分流式利用分流通道內(nèi)氣流慣性讓平均流速增加，使誤差相

14、互抵消。 P:分流通道出入口壓力差 u,l:分流通道的流速及長度 逆流修正：不能測量出流動方向，有逆流時(shí)，測量值比實(shí)際值大?？刹捎梅至魇健傲黧w二極管”原理：逆流發(fā)生時(shí)分流通道內(nèi)的氣流不流動，將測量誤差降為原來的一半。 2.4.4 空氣流量計(jì)的課題 流量和流向；輸出特性自動修正、軟件修正。,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),2.5 速度及加速度傳感器,2.5.1 速度傳感器 具有代表性的是車速傳感器，常用方法： 近似測量計(jì)測車輪單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)； 多卜勒雷達(dá)測速，fD=f1-f2=2Vcos/ 空間光柵式：光波等在通過已知空間頻率的光柵時(shí)，其功率譜中心頻率會發(fā)生變化，根據(jù)中心頻率

15、的變化即可得到移動速度。利用周節(jié)為P的空間光柵和凸透鏡來觀察以速度V移動的路面時(shí)，觀察到的光線具有的中心頻率f可表示為：f=MV/P,M: 透鏡放大倍數(shù)。 實(shí)際系統(tǒng)使用cds光電元件做傳感器。,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),2.5.2 車輛控制用加速度傳感器,加速度傳感器測量方式比較,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),車輛控制系統(tǒng)用(低頻);防撞氣囊用(高頻) 壓電式加速度傳感器 壓電效應(yīng):壓電晶體在受 到力的作用時(shí)會發(fā)生變 形同時(shí)產(chǎn)生電荷. 在受到加速度作用時(shí), 膜片變形,輸出電極和壓 電晶體間產(chǎn)生與加速度 成比例的的電壓,下面的 壓電晶體是為了消除電 荷

16、堆積效應(yīng)而設(shè)置的.環(huán) 狀驅(qū)動電極用于自診斷.,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),應(yīng)變式加速度傳感器,本方式是利用硅基片上的精細(xì)加工技術(shù)制造而成. 將兩枚硅片用1000以上的高溫直接粘再一起,并在上片作出梁;在下片作出慣性質(zhì)量,然后 再貼在玻璃集體上,當(dāng)受到加速 度作用時(shí),重物上下移動,支持重 物的梁發(fā)生彎曲變形,梁上的應(yīng) 變片阻值發(fā)生變化,通過測量其 阻值就可測出加速度的大小.在 重物和基體間形成有阻尼控制 作用的間隙,利用間隙中流動氣 體的“氣枕作用”,對高頻成分(振 動系共振頻率)加以抑制.,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),電容式加速度傳感器,本方式也是利

17、用硅基片上的精細(xì)加工技術(shù)制造而成. 可動電極由懸臂梁支承;可動電極產(chǎn)生位移時(shí)，和兩個(gè)固定電極間的電容量會發(fā)生變化。 可把電容量發(fā)生轉(zhuǎn)換成輸出電壓 的；也可采用靜電伺服方式，雖 然信號處理電路較為復(fù)雜，但精 度較高。 PWM(Pulse Width Modulation) 脈寬調(diào)制靜電伺服型加速度傳感器,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),2.5.3 防撞氣囊用沖撞傳感器,防撞氣囊的構(gòu)成:傳感器(檢測沖撞);控制器(判斷沖撞);沖氣氣囊(保護(hù)乘員)；氣體發(fā)生器(產(chǎn)生氣體)，見下圖。,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),沖撞傳感器(Crash Sensor)常見形式:,

18、電容式整體式 表面型 模擬式壓阻式半導(dǎo)體應(yīng)變式 金屬應(yīng)變式 壓電式彎曲式懸臂梁式 剪切式圓板式 硅半導(dǎo)體型的特點(diǎn): 利用半導(dǎo)體工藝進(jìn)行大量生產(chǎn),以降低成本； 通過硅微加工技術(shù),能實(shí)現(xiàn)小型化； 傳感部與放大電路能集成化； 性能優(yōu)秀、穩(wěn)定，重復(fù)性好，可靠性高。,,,,,,,,,,,,,,,,,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),電容式?jīng)_撞傳感器,電極間的電容量取決于相互重疊的面積和間隙,若在兩個(gè)電極間置入可動電極,就構(gòu)成了差動式(一個(gè)容量增加;一個(gè)減小),能提高溫度和機(jī)體變形的穩(wěn)定性。 測量方法:將兩個(gè)電容容量差直接轉(zhuǎn)換成電壓輸出；用容量差產(chǎn)生電壓,將電壓施加給梁,使梁處于電容平衡點(diǎn)

19、,即伺服式。 構(gòu)造及工作原理 兼作可動電極的慣性質(zhì)量由兩根梁支承,在外框上加工出單晶硅片(固定電極)。 重物受到加速度作用時(shí),梁會產(chǎn)生彎曲變形使容量發(fā)生變化,使用專用IC,測出容量變化,輸出與加速度成比例的電壓信號。,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),在質(zhì)量為m的可動電極上施加加速度a時(shí)，位移x，如支承剛度為k，則有： x=ma/k如X與d相比很小，則有： :電介常數(shù)，S:可動電極面積 由以上兩式可知：容量變化量C和加速度a成正比。 頻率響應(yīng) 速度由表示慣性質(zhì)量運(yùn)動的方程式?jīng)Q定： 其中,：空氣隙的阻尼系數(shù) F：外部作用力 阻尼系數(shù)=B/d3 B:電極常數(shù)，由Navier-sto

20、kes和連續(xù)方程式求得，:流體粘性系數(shù)。,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),慣性質(zhì)量的設(shè)計(jì),沖撞傳感器的關(guān)鍵參數(shù)是靈敏度，欲增大C，就要加大面積S，減小氣隙d，但氣隙太小，阻尼系數(shù)增大，頻率特性降低?？赏ㄟ^減小來減低。減小表面積可使常數(shù)B減小，但要犧牲靈敏度，為此，在可動電極表面開出空氣槽。 溫度特性分析 溫度變化時(shí)，會產(chǎn)生變形，氣隙也會變化，改變電容量大小，但差動式的對稱結(jié)構(gòu)使C的變化卻很小，即不容易受溫度等的影響。,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),應(yīng)變式?jīng)_撞傳感器,硅壓阻式應(yīng)變片具有靈敏度高的特點(diǎn)。且： 可應(yīng)用原半導(dǎo)體壓 力傳感器的知識和技術(shù)； 信號處理簡

21、單，直 接輸出電信號，抗干擾 制造和IC相似，便 于與處理電路集成。 構(gòu)造：為了將加速度 產(chǎn)生的慣性力轉(zhuǎn)換成應(yīng) 變，在硅片上整體形成 懸臂支承的慣性質(zhì)量， 并在懸臂上擴(kuò)散四只應(yīng) 變片。,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),工作原理：施加加速度a時(shí)，應(yīng)變片部分的應(yīng)力x表示為：則輸出電壓： 傳感器靈敏度由各種參數(shù)決定,特別是應(yīng)變部位厚度h2. 如有阻尼油時(shí)有： 頻率特性:由振動系統(tǒng)的共振頻率fn和阻尼系數(shù)決定: = /2(mk)1/2， fn= (mk)1/2/2 信號處理電路：傳感器與信號處理電路封裝在一起，由于壓阻系數(shù)的溫度特性，靈敏度具有負(fù)的溫度特性，需要在信號處理電路內(nèi)加以修

22、正。另備有自診斷電路，故障發(fā)生時(shí)，能自動診斷并表示出來。,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),壓電式?jīng)_撞傳感器,若作用在壓電晶體上的力為F,則產(chǎn)生的電荷:Q=dF (d為壓電變形系數(shù))，如壓電元件的電容量為C， 則輸出電壓:V=Q/C=dF/C=gF/C 壓電式和其他方式一樣使用Seism系統(tǒng)，它的輸出是壓電元件質(zhì)量的運(yùn)動而產(chǎn)生的，和作用力成正比，也和加速度成正比。 根據(jù)向壓電元件施加力的方法不同，有： 壓縮型(利用縱向應(yīng)力):將壓電晶體置于機(jī)體和重物之間,機(jī)械強(qiáng)度大,適用于大加速度、沖擊測量。但瞬時(shí)的溫度變化會引起輸出變化,不能測量微小信號。 剪切型(利用剪切效應(yīng))：壓電晶體置

23、于懸臂重物和機(jī),重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),座之間,靈敏度高,漂移小, 應(yīng)用較多。 彎曲型(利用橫向效應(yīng)): 壓電晶體置于彎曲梁上, 靈敏度高,可測微小振動, 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高。 電路組成： 阻抗變換電路; 溫度補(bǔ)償電路; 濾波電路; 放大電路; 自診斷電路.,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),壓電式?jīng)_撞傳感器電路原理框圖,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),2.6 氣體傳感器,2.6.1 概要 檢測發(fā)動機(jī)燃燒廢氣中的氧氣(O2)、碳?xì)浠衔?HC)、一氧化碳(CO)等未燃成分。通過測量空燃比對燃料噴射量進(jìn)行補(bǔ)償。主要有：開關(guān)型的氧傳感器

24、；線性輸出的空燃比傳感器。 氣體排氣成分 氧傳感器 濃差型電池 傳感器傳感器 空燃比 氧化物半導(dǎo)體型 其它成分傳感器 2.6.2 濃差電池型氧傳感器(EGO:Exhaust Gas Oxygen Sensor):用排氣中的氧濃度差而產(chǎn)生電位作為輸出電壓，排氣側(cè)由具有催化功能的鉑金電極用多孔性陶瓷保護(hù)膜覆蓋而成，在過濃區(qū)域電極周圍的氧用于氧化，比基準(zhǔn)側(cè)大氣中的氧濃度稀薄近20位，輸出1V；稀區(qū)輸出0.1V,,,,,,,,,,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),工作原理 用 Y2O3在高溫中部分穩(wěn)定化燒結(jié)而成的ZrO2是能傳遞氧離子的固體電解質(zhì),如加入鉑金形成多孔性電極的話,與電極間

25、氧氣分壓比成對數(shù)關(guān)系的濃差電勢: E=(RT/4F)ln(Pa/Pd) 在650,大氣中氧氣的濃度為基準(zhǔn)值0.209,排氣電極周圍氧氣的濃度為2.091011時(shí),電池輸出為0.458V. 構(gòu)造及材料 主要由ZrO2濃差電池、加熱電極、保護(hù)管、引線和插件組成。濃差電池起動遲緩，需控制加熱。 規(guī)格和性能,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),氧傳感器性能參數(shù),重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),2.6.3 氧化物半導(dǎo)體型氧傳感器,不需要引入大氣，可降低成本；敏感元件小型化使起動性加快?，F(xiàn)用材料：TiO2；正在開發(fā)的材料：Nb2O5。 工作原理：將氧化物半導(dǎo)體置于高溫環(huán)境中

26、,為使和周圍空氣中的氧濃度保持平衡,會放出晶格中的氧,同時(shí)放出了氧的空穴隨時(shí)會奪回氧.當(dāng)周圍氧濃度較高時(shí),空穴少,阻抗高;當(dāng)氧濃度較低時(shí),空穴增加使阻抗減小;用具有催化作用的鉑金來作測量電極,就構(gòu)成了阻抗能隨氧濃度突變的傳感器。 TiO2的溫度特性:溫度增加100,阻抗減小到1/51/3. 與氧的分壓關(guān)系:氧分壓減少4位，阻抗約減少1位。,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),輸出函數(shù)： T：絕對溫度(K); k:波爾茲曼常數(shù)(1.380210-16erg/deg) 結(jié)構(gòu)：不需要參考?xì)怏w，測量部分小，容易作成防水結(jié)構(gòu)，氣敏元件、加熱器、 分壓電阻作在一塊基板上。 性能： TiO2對

27、溫度很敏感, 易受排氣溫度的影響,因此, 氣敏元件和加熱器作在一塊 基板上,使加熱速度提高,從 ZrO2 的35s預(yù)熱時(shí)間下降到 10s。,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),2.6.4 管狀空燃比傳感器(Air-Fuel Ratio Sensor),名稱來源于“為了線性控制空燃比的傳感器”,但實(shí)際檢測的對象是燃燒廢氣中所含的殘留氧氣,CO,HC等未燃成分,叫做“排氣中氧和未燃成分線性傳感器”比較準(zhǔn)確,也有叫 “Mixture Sensor ”, “ Universal EGO Sensor”, “ Linear Oxygen Sensor,” etc. 空燃比傳感器被有的試驗(yàn)車

28、采用,但目前還未批量生產(chǎn),這里只介紹“單電池的管式”和“雙電池的疊層式” 工作原理：在濃差電池電路中,由Kirchhoff電流定律可得:E0=IP(Ri+R)+V0+E 其中,E:濃差電池電動勢; E0:預(yù)加電壓;V0:固定偏置電壓; R:測量擴(kuò)散速度電流IP的外接電阻; Ri:極間電阻.,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),在限制擴(kuò)散速度的多孔膜內(nèi)外氧氣分壓保持一定時(shí),如用單一通孔等價(jià)代換多孔膜內(nèi)的連通通道,則可由氣體分子擴(kuò)散的熱力學(xué)運(yùn)動方程式得到流過多孔膜氣體的雙向流量: IP=4FDs(Pe-Pd)/RTl 其中, IP:排氣中的離子電流(mA); D:擴(kuò)散系數(shù)(Diffu

29、sion Coefficient); s/l:等價(jià)單一通道面積s與長度l之比; Pe:排氣中的氧分壓; Pd:被擴(kuò)散膜所覆蓋的排氣電極周圍的氧分壓. 管狀空燃比傳感器將大氣作為基準(zhǔn)氣體引入管內(nèi)側(cè),待測氣體配置在管外側(cè),一個(gè)電池既是基準(zhǔn)電池又是測量電池.為此,方程式中具體的控制內(nèi)容有:,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),E恒定控制:要使?jié)獠铍姵氐碾妱觿荼３趾愣?必須使兩電極間的氧分壓比Pa/Pd保持不變,為此,采用雙向流動的氧離子電流,根據(jù)Pa=2.09X10-1對Pd進(jìn)行反饋控制使其為2.09X10-10. Ri恒定控制:為了穩(wěn)定濃差電池的工作溫度(t=650+273K)，用壓

30、降法求得和溫度相關(guān)的極間電阻(Ri=20)，對加熱器的通電時(shí)間進(jìn)行反饋控制。 IP線性控制:濃差電池氧離子電流和極間電壓Vs的關(guān)系如圖所示，為使IP從濃到稀和空燃比均為線性，對極間電壓進(jìn)行程序控制。 結(jié)構(gòu)及材料： 傳感器的結(jié)構(gòu)：與氧傳感器基本相同，不同點(diǎn);多孔膜(500m50m);工作溫度(400650).,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),傳感器的驅(qū)動及信號處理：差動輸入電壓Vr=濃差電池極間電壓Vs;同向輸入電壓V0+極間電壓Vs=輸出電匋E0,因此,R上的壓降IP R就代表了空燃比信號。 在稀區(qū)(Lean), Vs =Vr =E+ Ri IP,則輸出電壓: E0=E+V0

31、+(Ri +R) IP 在濃區(qū)(Rich), Vs =Vr =E- Ri IP,則輸出電壓: E0=E+V0-(Ri +R) IP 在理論空燃比點(diǎn), IP =0, Vs =Vr =E, E0=E+V0 可用微機(jī)來作驅(qū)動信號處理,濃差電池離子電流用橋式電路驅(qū)動,使E保持恒定,將IP作為輸出信號. 性能: IP-空燃比特性,由于稀區(qū)是氧擴(kuò)散、濃區(qū)是未燃成分?jǐn)U散，所以為斜率不同的曲線，一般為四次多項(xiàng)式。 IP函數(shù)可通過線性控制或查表法等進(jìn)行線性處理。,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),階躍響應(yīng)速度取決于置換擴(kuò)散膜和排氣電極所形成空間的氣體響應(yīng)，該傳感器增加減少的時(shí)間常數(shù)200ms。

32、起動時(shí)間是從20到濃差電池功能正常的時(shí)間，氧傳感器僅到300 ,需要10s, 而空燃比傳感器要升到650,則需35s. 耐熱、振動、腐蝕、水等方面的性能和氧傳感器基本一致。但擴(kuò)散膜表面污損和熱沖擊易使擴(kuò)散系數(shù)變化、以理論空燃比點(diǎn)為中心的IP會隨時(shí)間而改變。 課題：擴(kuò)散系數(shù)的初期分散和隨時(shí)間的漂移，解決辦法之一是“大氣校正(Calibration)”:汽車減速時(shí)要減少燃料供應(yīng),這時(shí)大氣經(jīng)過安裝空燃比傳感器的安裝部位,把該大氣的氧濃度看作基準(zhǔn)濃度2.09vol%,并和原先讀入的最新值比較,將得到的變化率和其后的測量值作乘法運(yùn)算進(jìn)行修正.,重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系張偉,汽車電子控制技術(shù),2.6.5 積層空燃比傳感器,構(gòu)造:新開發(fā)的積層空燃比傳感器有大氣導(dǎo)入型和定氧抽出型,除基準(zhǔn)氧分壓的形成方法以外的基本工作原理、構(gòu)造、材料均相同。限速擴(kuò)散方法不是積層狀的熱裂紋,而是多孔膜;加熱器不是直接貼在濃差電池上,而是分離結(jié)構(gòu);管式繼承了火花塞制造技術(shù),它則借厚膜工藝,實(shí)現(xiàn)小型化,以縮短加熱時(shí)間。 性能：限速擴(kuò)散而流動的全體會受到擴(kuò)散膜溫度和排氣壓力的影響,多孔膜的氣孔直徑若比氧的平均自由運(yùn)動空間大時(shí),分子擴(kuò)散時(shí)會發(fā)生撞擊;相反,分子則和孔壁撞擊,按Knudsen方式擴(kuò)散.兩種擴(kuò)散速度不同,多孔膜擴(kuò)散間于二者之間。通過優(yōu)化可減小溫度的影響。,