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汽车电子与传感器及检测

摘要：现代汽车电子从所应用的电子元器件到车内电子系统的架构均已进入了一个有本质性提高的新阶段。其中最有代表性的核心器件之一就是智能传感器。它担负着发动机的燃油喷射、电子点火、怠速控制、进气控制、废气再循环、蒸汽回收及底盘部分的传动、行驶、转向、制动、电子悬架和车身部分的防盗、中央门锁、自动空调等汽车各大电子控制系统的信息采集和传输，是电子控制系统中非常重要的元件。如果没有它的正常工作，汽车就不可能正常地行驶。本文介绍了汽车用传感器作用、结构、原理、检测方法和它与电控系统的联系。

关键词：传感器汽车电子电控系统

近几年来我国汽车工业增长迅速，发展势头很猛。电子信息技术已经成为新一代汽车发展方向的主导因素，传感器在汽车上的使用越来越多，整个电控系统都是在传感器的基础上得以进行的。其中最有代表性的核心器件之一就是智能传感器。

一、汽车电子已经经历的几个发展阶段：

从分立电子元器件搭建的电路监测控制，经过了电子元器件或组件加微处理器构筑的各自独立的、专用的、半自动和自动的操控系统，现在已经进入了采用高速总线（目前至少有5种以上总线已开发使用），统一交换汽车运行中的各种电子装备和系统的数据，实现综合、智能调控的新阶段。新的汽车电子系统由各个电子控制单元（ECU）组成，可以独立操控，同时又能协调到整体运行的最佳状态。例如为使发动机处于最佳工作状态，就需要从吸入汽缸的空气流量、进气压力的测定开始，再根据水温、空气温度等工作环境参数计算出基本喷油量，同时还要通过节气门位置传感器检测节气门的开度，确定发动机的工况，进而控制，调整最佳喷油量，最后还需要通过曲轴的角速度传感器监测曲轴转角和发动机转速，最终计算出并发出最佳点火时机的指令。这个发动机燃油喷射系统和点火综合控制系统还可以与废气排放的监控系统和起动系统等组合，构筑成可使汽车发动机功率和扭矩最大化，而同时燃油消耗和废气排放最低化的智能系统。

二、汽车发展对汽车电子的一些基本要求：

1．电子操控系统的动作必须快速、正确、可靠。传感器+调理电路+微处理器，然后再通过微处理器+功率放大电路+执行器的技术途径已经不再能满足现代汽车的要求，需要通过硬件集成、直接交换数据和简化电路，并提高智能化程度来确保控制单元动作的正确性、可靠性和适时性。

2．现在几乎所有的汽车的机械结构部件都已受电子装置控制，但汽车车体内的空间有限，构件系统的空间更是极其有限。理想的情况当然是，电子控制单元应与受控制部件紧密结合，形成一个整体。因此器件和电路的微型化、集成化是不可回避的道路。

3．电子控制单元必须具有足够的智能化程度。以安全气囊为例，它在关键时刻必须要能及时、正确地瞬时打开，但在极大多数时间内气囊是处在待命状态，因此安全气囊的ECU 必须具有自检、自维护能力，不断确认气囊系统的可正常运作的可靠性，确保动作的“万无一失”。

4．汽车的各种功能部件都有各自的运动、操控特性，并且，对电子产品而言，大多处于非常恶劣的运行环境中，而且各不相同。诸如工作状态时的高温，静止待命时的低温，高浓度的油蒸汽和活性（毒性）气体，以及高速运动和高强度的冲击和振动等。因此，电子元器件和电路必须要有高稳定、抗环境和自适应、自补偿调整的能力。

5．与上述要求同样重要，甚至有时是关键性的条件是，汽车电子控制单元用的电子元器件、模块必须要能大规模工业生产，并能将成本降低到可接受的程度。一些微传感器和智能传感器就是这方面的典范。例如智能加速度传感器，它不仅能较好地满足现代汽车的各项需要，而且因为可以在集成电路标准硅工艺线上批量生产，生产成本较低（几美元至十几或几十美元），所以在汽车工业中找到了自己最大的应用市场，反过来也有力地促进了汽车工业的电子信息化。三、智能传感器

它由两块芯片组成，一是具有自检测能力的加速度计单元（微加速度传感器），另一块则是微传感器与微处理器（MCU）间的接口电路和MCU。这是一种较早期（1996年前后）的，但已相当实用的器件，可用于汽车的自动制动和悬挂系统

中，并且因微加速度计具有自检能力，还可用于安全气囊。从此例中可以清楚看到，微传感器的优势不仅是体积的缩小，更在于能方便地与集成电路组合和规模生产。应该指的是，采用这种两片的解决方案可以缩短设计周期、降低开发前期小批量试产的成本。但对实际应用和市场来说，单芯片的解决方案显然更可取，生产成本更低，应用价值更高。

智能传感器（Smart Sensor）、智能执行器和智能变送器-微传感器（或微执行器，或微变送器）和它的部分或全部处理器件、处理电路集成在一个芯片上的器件（例如上述的微加速度计的单芯片解决方案）。因此智能传感器具有一定的仿生能力，如模糊逻辑运算、主动鉴别环境，自动调整和补偿适应环境的能力，自诊断、自维护等。显然，出于规模生产和降低生产成本的要求，智能传感器的设计思想、材料选择和生产工艺必须要尽可能地和集成电路的标准硅平面工艺一致。可以在正常工艺流程的投片前，或流程中，或工艺完成后增加一些特殊需要的工序，但也不应太多。

四、传感器检测的主要内容

传感器可分为有源器件和无源器件。当传感器电路出现故障时，若为有源器件，首先应检查传感器的供电与搭铁电路，然后再同无源器件一样进行如下方面的检查：

1）传感器电器特性（如电阻、短路或断路）的检查。

2）传感器的机械管路连接情况。

3）模拟传感器的工作状况，检查传感器的输出特性是否正确。

4）传感器工作环境也会影响计量精度，因此要检查传感器的安装情况。（诸如密封、间隙等）

1、氧传感器的检测（以AJR型发动机为例）

氧传感器用于比较空气中的氧含量和废气中的残余氧含量，并输送给控制单元一个电压信号，如果传感器头部的孔堵塞、传感器受到过度的热应力。传感器过热或传感器过冷、传感器不工作空燃比闭环控制关闭，将使电压不变或缓慢变

化，发动机可能出现怠速不稳、油耗上升和排放超标等现象。

a)氧传感器加热线圈的检查

1）点火开关置于OFF，脱开传感器电插头。

2）用万用表电阻挡测量加热线圈的电阻。加热线圈的电阻应符合要求，否则更换氧传感器。（加热线圈的一端在加热时有电压，在发动机高

速时无电压）

（2）氧传感器反馈信号电压的检测

1) 点火开关置于OFF，脱开传感器电插头,并从信号输出端引出一根

细导线。将指针式电压表的负表笔搭铁，正表笔接细导线。

2）启动发动机，完成暖机后以2500r/min的转速空转2min以上。

3)使发动机的转速保持在2500r/min，观测氧传感器的信号电压。10s

内指针摆动的次数不少于八次，否则表明氧传感器有故障。

4)松开进气管上的PCV软管或其他的真空管，以形成稀混合气。这时

电压表的读数应下降，否则说明氧传感器有故障。

5）恢复以上管路的连接。点火开关置于“OFF”，脱开冷却液温度传

感器电插头。在线束插头两端子之间连接一较大阻值的电阻（2000Ω左

右）代替冷却液传感器以形成较浓混合气。

6）这时电压表的读数应上升，否则表明氧传感器有故障。

7）从排气管上拆下氧传感器，检查通气孔是否堵塞、瓷芯是否破裂

等。如有，更换损坏的氧传感器。

2、爆震传感器的检测（以丰田皇冠3.0轿车2JZ-GE型发动机为例）

（1）爆震传感器电阻的检测：点火开关置于OFF，脱开传感器电插头，用爆震传感器的接线端子与外壳，应为无穷大（不导通），若为0（导通）

则需更换传感器。

对于磁致伸缩式爆震传感器，还可用万用表电阻挡检测线圈的电阻，其阻值应符

合规定值，否则应更换。

（2）爆震传感器输出信号的检查：拔开爆震传感器爆震传感器的连接插头，在发动机怠速时用万用表电压档检查爆震传感器的接线端子与搭铁间的电压，应有脉冲电压输出。否则，应更换传感器。

五、传感器在电控系统中的应用

1、起动时喷油量控制

发动机起动时转速波动大，ECU无法根据转速和进气量信号确定基本喷油量，因此ECU冷却液温度信号，由内存的冷却液—喷油时间曲线来确定基本喷油时间。再根据进气温度对喷油时间作修正，再根据蓄电池电压修正喷油增量。2、起动后的喷油量控制

基本喷油量的确定：ECU根据发动机转速传感器信号和空气流量传感器信号，有内存的基本喷油时间三维图来确定基本喷油时间。

修正喷油量的确定：

1）起动后加浓修正：发动机完成起动后，为稳定发动机转速，ECU根据冷却液温度信号确定喷油时间的初始修正值，然后以一固定值速度下降，逐步达到正常。2）暖机加浓修正：发动机温度较低时，燃油蒸发性差，为使发动机迅速进入最佳工况，必须供给较浓的混合气。发动机起动后，在达到正常工作温度之前，ECU 根据冷却液温度信号对喷油量进行修正，暖机加浓还受怠速信号控制，当节气门位置传感器中的怠速触点接通或断开时，根据发动机转速不同，ECU使喷油量有少量变化。

3）进气温度修正：进气温度影响进气密度，ECU根据进气温度传感器信号对喷油量进行修正。通常以20℃为标准温度，低于20℃时空气密度大，ECU适当增加喷油时间，使混合气不致过稀。高于20℃时，空气密度减小，ECU适当减小喷油时间，以防混合气偏浓，修正量最大10%。

4）大工况（大负荷）喷油量修正：大负荷时，发动机要求使用较浓的混合气以

获得大功率。ECU根据进气量信号和节气门位置信号来判断发动机负荷状况，根据负荷适当增加喷油时间。大负荷时的加浓量约为正常喷油量的10%—30%，有些发动机的大负荷加浓量还与冷却液温度信号有关。

5）过渡工况喷油量修正：在过渡工况时（加速或减速），需要增加或减少喷油量。ECU根据进气量信号、发动机转速信号、车速信号、节气门位置信号和空档起动开关信号来确定处于何种过渡工况，再根据所判定的工况来修正喷油量。

喷油增量的确定

即电压修正。喷油器实际喷油时刻比ECU发出喷油指令的时刻晚，即存在一段滞后时间，使喷油实际时间比ECU确定的时间短，导致喷油量不足，使空燃比高于发动机要求值。蓄电池电压越低，滞后时间越长。因此ECU要根据蓄电池电压信号来确定喷油增量以抵消滞后时间。

六、结速语

汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源,是汽车电子控制系统的关键部件。它是将汽车在工作时所产生的某些非电量转换成便于检测系统自动处理显示和计算机自动控制的电量和非电量的转换装置。

汽车电子技术还在不断发展，传感器的应用空间也会有更大的提升，电控系统的控制也会更加成熟。传感器检测技术也在不断进步。