第一章 汽车传感器概述

第一节 传感器的组成及分类

随着汽车向电子化、集成化、信息化、网络化、智能化方向发展，电子控制技术在现代汽车上的应用已越来越普遍。现代汽车是以计算机为控制中心的高度自动化控制系统，该系统随着汽车功能的不断增加而日臻完善和复杂化。如果没有各类传感器提供发动机、汽车工作状况和外部环境等信息，那么电子控制装置就失去了决策依据。因此，汽车电子技术应用得成功与否在很大程度上取决于传感器。

一、传感器的定义和组成

l.传感器的定义

传感器是一种信号转换装置，它可以将非电信号转换为电信号，其主要作用是向ECU提供汽车运行的各种工况信息。汽车传感器在过去仅用于发动机，而到现在已扩展到底盘、车身和电气等各个系统。

2.传感器的组成

传感器一般由敏感元件、转换元件和其他辅助元件组成，有时也将信号调节与转换电路及辅助电源作为其组成部分。

1)信号调节与转换电路一般是指能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。信号调节与转换电路的选择要视传感元件的类型而定，常用的电路有信号放大器电桥、振荡器、阻抗变换器等。

2)敏感元件是指直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定关系的其他量（一般为电量）的元件。如应变式压力传感器的弹性膜片就是敏感元件，其作用是将压力转换成膜片的变形。

3)转换元件是指传感器中能将敏感元件感受（或响应）的被测量转换成适合于传输和（或）测量的电信号的元件。当输出量为规定的标准信号时，则一般称为变送器，又称转换器，一般情况下不直接接收被测量，而是通过敏感元件将被测量转换为电量后输出。如应变式压力传感器的应变片，其作用是将弹性膜片的变形转换为电阻值的变化。

二、传感器的分类

汽车传感器的种类很多，且一种被测参数可用多种不同类型的传感器来测量，而同类型传感器往往也可以测量多种被测参数。传感器的分类有多种方法，常见的分类方法如下：

1)按能量关系分类。传感器按能量关系的不同可分为主动型传感器和被动型传感器两类。汽车上使用的传感器大多数属被动型传感器.这种传感器需要外加输入电源才能产生电信号，所以这种传感器实际上是一个能量控制器。

2)按信号转换关系分类。按信号转换关系的不同，可分为由一种非电量转换成另一种非电量的传感器和由同种非电量转换为电量的传感器两种。由一种非电量转换成另一种非电量的传感器，如弹性敏感元件和气动传感器：由非电量转换成电量的传感器，如热电偶温度传感器、压电式加速度传感器等。

3)按输入量分类。按输入量的不同分类即按被测量的不同分类，可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、角位移传感器、角速度传感器、力传感器、力矩传感器、压力传感器、真空度传感器、温度传感器、电流传感器、气体成分传感器、浓度传感器等。

4)按工作原理分类。按工作原理的不同，可分为电阻式、电容式、应变式、电感式、光电式、光敏式、压电式、热电式等多种形式。

5)按输出信号分类。按输出信号的不同，可分为模拟式传感器和数字式传感器两种。

①模拟电压信号是指随时间延续而连续变化的电信号。在汽车电脑控制系统中，大多数的传感器以产生模拟电压信号为主。

②数字电压信号是指随时间延续而不连续变化的电信号。该信号只有两种状态，即高电平和低电平，同时也包括一些开关信号。数字电压信号不需要经过A/D转换即可以处理，能够直接被ECU处理。

6)按使用功能分类。汽车用各种传感器按其使用功能的不同可分为两类：一类是使驾驶人了解汽车各部分状态的传感器：另一类是用于控制汽车运行状态的传感器。

三、传感器的信号

汽车上传感器的电子信号可以分为直流信号、交流信号、频率调制信号、脉宽调制信号和串行数据信号。电子信号是控制系统中各个传感器、ECU和其他设备之间相互通信的基本语言，电子信号各有不同的特点，用于实现不同的通信目的。

图1-1 非恒压直流信号波形

1)直流(DC)信号。在任何周期里，方向不随时间变化的电压和电流信号均属于直流信号。直流信号可以分为恒压直流信号和非恒压直流信号两种。在汽车中产生恒压直流信号的有蓄电池电压和控制单元（PCM)输出的传感器参考电压。图1-1所示为非恒压直流信号波形。

2)频率调制信号。保持波的幅度恒定而改变频率称为频率调制。在汽车中产生可变频率信号的传感器主要是光电式传感器和霍尔式传感器。

图1-2 磁电式传感器产生的交流信号波形

3)交流(AC)信号。在任何周期内大小和方向均随时间变化的信号属于交流信号。在汽车中产生交流信号的传感器主要是磁电式传感器和爆燃传感器等。图1-2所示为磁电式传感器产生的交流信号波形。

4)串行数据多路信号。串行数据信号是指按时序逐位将组成数据和字符的码元予以传输的信号。串行数据传输所需通信线路少，串行传送的速度低，但传送的距离可以很长，因此串行适用于长距离而速度要求不高的传输场合。若汽车有自诊断能力和其他串行数据传送能力的控制模块，则串行数据由发动机控制单元（PCM）、车身控制单元（BCM）、防盗和防滑制动系统或其他控制模块产生。

在汽车发动机控制ECU和其他电子智能设备中用来通信的串行数字信号是最复杂的信号，在实际中，要用专门的解码器读取。当发动机冷却液温度传感器发生故障时，PCM输出的串行数据（多路）信号波形如图1-3所示。

图1-3 串行数据信号波形

5）脉宽调制信号。脉冲宽度调制（PWM）简称脉宽调制。脉宽调制信号就是经过脉冲宽度调制的信号。脉冲宽度就是在一个周期内元件的持续工作时间，其信号波形如图1-4所示。

图1-4 脉宽调制信号波形