汽车新技术课件：汽车电子技术基础 -

1、单击此处编辑母版标题,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*/2,4,汽车电子技术基础,第一节 汽车传感器,传感器一般是把一个,非电的被测量值,转换成一个,电量值,的装置。,现代汽车之所以具有,“,智能,”,，首先要能够实时的,感知,汽车的运行状态，,传感器,就是现代汽车的各类,“,感官,”,。,根据各类传感器感知的物理量和用途可以划分为：,一、位置,/,角度传感器,二、速度,/,角速度传感器,三、加速度传感器,四、应力,/,压力传感器,五、气体传感器,六、光电传感器,七、温度传感器,第一节 汽车传感器,现代汽车各类传感器的功用及其分布,一、位置,/,角度传感器,用途：,用于感知加速踏板、制动踏板、悬架位置、节气门位置、车顶顶篷位置、车窗位置、液位高度等。,分类：,1,利用电位计测量的传感器,2,利用电磁感应测量的传感器,3,利用霍尔效应测量的传感器,一、位置,/,角度传感器,1,利用电位计测量的传感器,测量原理是采用电位计的电压（阻值）的变化反应被测量的变化。,一、位置,/,角度传感器,2,利用电磁感应测量的传感器,在激励线圈中通过交变的正弦信号，沿着,E,

2、形导磁体产生交变得磁场，在中间的导磁体部分，磁场分布均匀，形成匀强磁场。,短路环内部产生巨大的电流，短路环产生与外部磁场相反的磁场，使得短路环的感应电动势为零。,于是短路环右侧的磁场强度为零，左侧磁场仍然为匀强磁场，整个传感器的电感值取决于短路环的位置。短路环的位置越靠左，传感器的电感值越小，通过监测电感知的大小即可以简洁感知段轮换的位置。,图,2-3,电磁感应短路测量原理,1-,导磁体；,2-,电流,I,；,3-,短路环；,4-,激励线圈,图,2-4,柴油机齿条位置传感器,1-,导磁体；,2-,参考线圈；,3-,固定的短路环；,4-,油泵齿条被测位移；,5-,短路环；与齿条一起移动；,6-,检测线圈,一、位置,/,角度传感器,3,利用霍尔效应测量的传感器,霍尔效应传感器被广泛应用于角度检测、位置检测、转速测量等场合,磁场,B,中，存在通有电流,I,的导体，则导体在,垂直于,磁场,B,和电流,I,方向上存在电压,V,H,：,图,2-6,霍尔传感器工作原理,一、位置,/,角度传感器,3,利用霍尔效应测量的传感器,传感器输出电压,V,H,取决于材料常数,R,H,、检测材料的厚度,d,、激励

3、电流,I,和电磁场,B,的大小。当,R,H,、,d,和,I 3,个参数不变时输出电压,V,H,取决于,B,。,当永磁体接近霍尔芯片的检测面时,B,增大,，霍尔传感器输出,“,高,”,电平；当磁铁远离霍尔芯片的检测面时,B,减小,，霍尔传感器输出,“,低,”,电平。,（,a,）（,b,）（,c,）（,d,）,图,2-6,霍尔接近开关工作原理图,（,a,），（,b,）平行运动检测；（,c,），（,d,）垂直运动检测,一、位置,/,角度传感器,3,利用霍尔效应测量的传感器,霍尔传感器还可以用来检测汽车上的各种转速信号，包括,ABS,控制系统的,轮速传感器,、发动机控制系统的,凸轮轴,和,曲轴转速,、变速器控制系统中的,轴速,等。,二、速度,/,角速度传感器,在汽车电子控制系统中，,速度,或者,角速度,传感器是一大类传感器，尤其是角速度传感器，是所有车辆必须装备的传感器。目前转速传感器从原理上分主要分为,磁电式,和前述的,霍尔式,两大类。,从功能上分：,1,直线速度的测量,2,角速度的测量,二、速度,/,角速度传感器,1,直线速度的测量,与测量位移时的交变激励电流不同，此时激励电流,必须为恒值

4、,，,保持不变,，或者可以用,永磁铁替代激励线圈,，在,E,形电磁铁的空隙中产生固定的,匀强磁场,。于是在断路环（检测线圈）上产生的感应电动势,U,M,为：,二、速度,/,角速度传感器,1,直线速度的测量,当磁场为恒定磁场时，断路环的输出电压正比于线圈的运动速度。,典型应用在柴油机,电磁阀,、,喷油器针阀的升程,测量,二、速度,/,角速度传感器,2,角速度的测量,角速度的测量方法主要有,磁电式,和,霍尔式,两种，它们都采用,传感器,和,测速齿盘,之间的相互作用来测量转速,霍尔传感器,的输出电压取决于磁感应强度,B,，因此,不论转速高低，霍尔式转速传感器的输出幅值都是标准的电平,跳变信号，,相邻跳变,（边沿）的电平之间的,时间间隔,代表了转速信息,叶轮的,形状,可导致正传和反转的,占空比,不一致，可利用这一规律判断叶轮的正传和反转,二、速度,/,角速度传感器,2,角速度的测量,磁电式转速传感器,同样形状的齿盘、同一传感器，在间距不变、不同转速下，尽管转过一个凸齿和缺齿所对应的一致，但是由于 不一致，因此当转速增大时，由于 变小而导致输出幅值变大。,一个齿盘的转速,n,可表示为：,Z,为齿

5、数；为转过一个齿对应的时间；,当齿形和齿间距固定不变时，在不,同转速下是不变的，于是磁电式转速传,感器的输出电压为：,二、速度,/,角速度传感器,2,角速度的测量,磁电式转速传感器的输出幅值将随着转速的升高而线性增大。,以发动机曲轴转速传感器为例，在发动机起动阶段（对应发动机平均转速为,100,200r/min,），磁电式转速传感器的输出信号幅值只有,0.2,1.0V,；但在发动机高速工况（对应发动机转速,5000,6000r/min,）时，磁电式转速传感器的输出信号幅值可以超过,50 V,。因此磁电式转速传感器在信号处理上，要比霍尔转速传感器复杂。,优点：,无需外部供电,结构简单，线圈加上永磁铁，其成本低；,齿盘和传感器之间的安装间隙，不像霍尔式传感器要求那么敏感。,三、加速度传感器,1,直线加速度的测量,加速传感器在,车辆的动力学,控制、,被动安全,控制系统等领域得到了广泛的应用,加速度传感器的工作原理大多采用基于,电容测量,的原理,改变两个平板之间的距离,d,、改变相对介电常数，、改变两个平板之间的,相对,面积,A,，都可以改变电容的容值。,三、加速度传感器,1,直线加速度的测量

6、,通过测量电容的大小可以得到相应的位移变化,x,2,角速度,陀螺仪的测量原理,3,爆燃传感器的工作原理,四、应力,/,压力传感器,1.,基于电容测量的方法，将,压力,转化为弹性材料的,变形,，再利用电容的方法测量变形量,2.,压阻效应的方法，将压力所引起的材料变形，转化为,电阻,的变化,五、气体传感器,目前由于对发动机排放的要求越来越高，因此越来越多的车辆上都装备了检测,气体流量,或者成分的传感器，包括,氧传感器,（又叫空燃比传感器）、,NOx,传感器,、,空气流量传感器,和,NH,3,（氨气）传感器,等。,1,氧传感器,氧传感器的基本工作原理采用了氧化锆（,ZrO,2,）对氧离子的扩散作用的原理,当混合气较稀时，氧化,锆产生的电压低，大约为,100 mV,；反之，当混合气浓,时，氧化锆组件产生的电压,就高,(800,900 mV),五、气体传感器,当混合气较稀时，氧化锆产生的电压低，大约为,100 mV,；反之，当混合气浓时，氧化锆组件产生的电压就高,(800,900 mV),上述宽氧传感器的扩散限制电流的工作原理，也可以用于氮氧化物（,NOx,）的检测,五、气体传感器,2,空气流量

7、传感器,热线式,空气流量计的工作原理是把通电加热的铂丝置于空气中，使热线温度和吸入空气温度差保持在,100,左右，铂丝成为惠斯通电桥电路的一个桥臂。热线电阻因空气流动的冷却作用，阻值发生变化，使电桥失去平衡。为了保持电桥平衡，必须提高电桥供电电压，加大流过热线的电流，使热线温度升高，恢复到原来的阻值。电桥输出电压的变化反映了空气流速的变化。,五、气体传感器,2,空气流量传感器,（,1,）主流测量热线式空气流量计,该类传感器把铂丝和空气温度传感器均放在进气道中。为了减小气流中脏物沾污铂丝，降低空气流量传感器的灵敏度，在混合集成电路中还设置烧净电路，每次停机时，将铂丝加热，烧掉铂丝上的脏物,五、气体传感器,2,空气流量传感器,（,2,）旁通热线式空气流量计,将铂丝和温度补偿电阻绕在陶瓷绕线管上，安装在旁通空气气道上，从而提高了铂丝的寿命,。,图,2-27,旁通热线式空气流量计,五、气体传感器,2,空气流量传感器,（,3,）主流测量热膜式空气流量计,这种空气流量计将,热线,、,补偿电阻,、,精密电阻,等镀在一块陶瓷片上或将发热金属铂固定在树脂膜上，使制造成本降低，且发热体不直接承受气体流动所

8、产生的作用力，增加了发热体的强度，提高了传感器的可靠性和使用寿命,图,2-28,主流测量热模式空气流量计,六、光电传感器,在汽车上用到的光电传感器包括,绝对位置光电编码器,、,相对位置光电编码器,（电机控制的相位检测）、,雨滴传感器,、,雷达传感器,等,1,绝对位置光电编码器,优点是精度好，抗干扰能力强；,缺点是需要多个编码盘的轨道和光电管，结构复杂，而且成本高，目前应用较少。,图,2-30,绝对位置光电编码器,六、光电传感器,2,相对位置光电编码器,由,光源,、,直线光栅,、,采样板,和,4,个,光电二极管,组成。为了确定传感器的初始位置，还有一个,参考位置,和,辅助光栅,及,辅助光电管,。,由于可以精确测量位置和速度，因此这种传感器在,电机控制,、,机床控制,等领域应用很多。在汽车工业中，,转向盘转角传感器,也可以采用光电传感器。,图,2-31,相对位置光电编码器,六、光电传感器,3,雨滴传感器,雨滴传感器在,前照灯,控制、,远光灯,控制和,自动刮水器,控制系统中发挥着重要作用,4,雷达传感器,实现,自适应导航,控制和,倒车报警,等功能,图,2-32,雨滴传感器工作原理示意图,第二

9、节 电子控制单元,电子控制单元（,ECU,）是实现汽车电子控制的核心部件。,ECU,主要由输入接口、微机（微处理器）和输出接口等组成,信号输入：微机接收来自传感器或控制开关的电信号，并对传感器提供基准工作电压（,2V,、,5V,、,9V,或,12V,）。,信号处理：采集输入信息，通过逻辑电路将输入信号加工成输出指令。,存储：程序指令、车辆参数、运算数据及故障信息等均被存入存储器。,指令输出：,微机将输入的信,号处理后，调用,程序指令，向执,行器发出控制指,令或将信息在仪,表板上显示输出。,一、输入接口,输入接口是把传感器输出的,模拟信号,转换成由微机能进行运算的,数字电路,信号。,A/D,转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号,数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个,相对,大小，还要经过,参考值,的比较才能确定其大小。,例如，对于一个,2,位的电压,A/D,转换器，如果将参考设为,1V,，那么输出的信号有,00,、,01,、,10,、,11,，,4,种编码，分别代表输入电压在,0V-0.25V,0.26V-0.5V,0.51V-0.75V,0.76V-1V,时的对应输入。

10、分为,4,个等级编码，当一个,0.8V,的信号输入时，,A/D,转换器输出的数据为,11,二、输出接口,微机输出的电信号是,数字信号,，而有些执行器需要用,模拟信号,驱动，因此，输出接口需要,D/A,转化器,，将数字信号转换为模拟信号。,微机的输出指令通常是,微弱电流,，不能直接驱动,执行器,，因此，输出接口能把微机输出的微弱电信号通过,大功率晶体管,进行,功率放大,，供给执行器较大电流的电路。执行器有,电磁线圈,、,微型电动机,、,继电器,、,压电元器件,及,显示报警装置,等。,三、微机,微机是微型电子计算机的简称，主要包括中央处理器（,CPU,）、存储器、输入和输出通道、地址总线和数据总线等。,图,2-2-2,微机的结构组成,第三节 汽车电控执行器,执行器的主要任务是根据,电子控制器,（,ECU,）输出的,控制信号,来完成所需的,机械动作,，以实现某一系统的,调整,和,控制,。,执行器大致可分为,直行式,执行器和,旋转式,执行器两大类,从形式上划分包括：,一、电磁线圈,二、微型电动机,三、继电器,四、压电元器件,五、显示报警装置,一、电磁线圈式执行器,电磁线圈原理是利用通过导线周围

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