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汽车电子之温度传感器

作者:时间:2008-02-05来源:中电网

     1  温度传感器的功用和类型
 

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/78712.htm

温度是反映发动机热负荷状态的重要参数。为了保证控制系统能够精确控制发动机的工作参数,必须随时监测发动机冷却液温度、进气温度和排气温度,以便修正控制参数,计算吸入气缸空气的质量流量以及进行排气净化处理等。

 

冷却液温度传感器(Coolant Temperature SensorCTS)通常称为水温传感器,安装在发动机冷却液出水管上,其功用是检测发动机冷却液的温度,并将温度信号变换为电信号传送给ECuECU根据发动机的温度信号修正喷油时间和点火时间,从而使发动机工况处于最佳状态运行。

 

进气温度传感器(Intake Air Temperature SensorIATS)安装在进气管路中,其功用是检测进气温度,并将温度信号变换为电信号传送给ECU。进气温度信号是各种控制功能的修正信号。如果进气温度传感器信号中断,就会导致热起动困难、废气排放量增大。

 

众所周知,空气重量与进气温度和大气(进气)压力有关。当进气温度低时,空气密度高,相同体积气体的重量增加;反之,当进气温度升高时,相同体积气体的重量将减小。在采用歧管压力式、翼片式、卡尔曼涡流式、量芯式空气流量传感器的燃油喷射系统中,由于空气流量传感器测定的空气流量为体积流量,因此需要配装进气温度传感器和大气压力传感器。ECU根据发动机的进气温度和压力信号修正喷油量,使发动机自动适应外部环境温度(寒冷、高温)和压力(高原、平原)的变化。当进气温度低时(空气密度高),热敏电阻的阻值大,传感器输入ECU的信号电压高,ECU控制喷油器增加喷油量;反之,当进气温度高时(空气密度低),热敏电阻阻值小,传感器输入ECU的信号电压低,ECU将控制喷油器减少喷油量。

 

温度传感器的种类很多,常用的有热敏电阻式、金属热电阻式、线绕电阻式、晶体管式等。热敏电阻可分为正温度系数(Positive Temperature CoefficientPTC)型热敏电阻、负温度系数(Negative Temperature CoefficientNTC)型热敏电阻、临界温度型热敏电阻(critical Temperature ResistorCTR)和线性热敏电阻。常用的热敏电阻有负温度系数型和正温度系数型两种。汽车普遍采用NTC型热敏电阻式温度传感器,如冷却液温度传感器(CTS)、进气温度传感器(IATS)、排气温度传感器(Ex-haust Air Temperature SensorEATS)、燃油温度传感器(FuelTemperature SensorFTs)等。

 

     2  几种常见的温度传感器

 

            1.线绕电阻式温度传感器

 

在绝缘绕线架上绕上高纯度的镍线,再罩上适当的外套而制成,用于测量冷却水温度和进气温度。利用其电阻值随温度变化而改变的特性。其精度在±1%以内,响应特性较差,响应时间约为15s。现在并不常用,因此在本书中不作详细介绍。

 

2.热敏电阻式温度传感器

 

    (1)热敏电阻式温度传感器的结构与种类 

 

热敏电阻式温度传感器的实物如图2-2所示,其结构型式如图2-3所示,主要由热敏元件、金属引线、接线端子和壳体等组成。

 

在传感器的壳体上制作有螺纹,以便安装与拆卸。接线端子分为单端子式和两端子式两种,中高档轿车燃油喷射系统一般采用两端子式温度传感器,低档轿车燃油喷射系统及汽车仪表一般采用单端子式温度传感器。如传感器插座上只有一个接线端子,则壳体为传感器的一个电极。目前电控系统使用的温度传感器插座大多数都有两个接线端子,分别与ECU插座上的相应端子连接,以便可靠地传递信号。
 

    热敏电阻式温度传感器的主要部件是热敏元件,外形制作成珍珠形、圆盘形(药片形)、垫圈形、芯片形、厚膜形等,放置在传感器的金属管壳内。在热敏元件的两个端面各引出一个电极,并连接到传感器插座上。制作热敏电阻的材料分为低温、中温与高温三种。低温测量用热敏电阻的材料有MnO-NiO系列、MnO-CoO-NiO系列及MnO-CoN系列等,这些都属于金属氧化物系列的N型陶瓷半导体材料,它们在测量与温度补偿领域中有广泛的用途。在发动机控制系统中,它们主要用于水温传感器、进气温度传感器等低温测量用传感器上,即用于测量300%:以下的传感器上。中温测量用材料有SiCLaCrO3B4C系列,但这

些材料都难以烧结,很难形成批量生产且价格低廉的产品。高温测量用热敏电阻的材料有ZrO2TiO2Y2O3CaSiO3Al2O3Cr2O3等,其中ZrO2的熔点高达2800℃,耐热性能很好,实用证明是制造高温传感器的最佳材料。

 

(2)热敏电阻式温度传感器原理与特性 

 

热敏电阻是利用陶瓷半导体材料的电阻值随温度变化而变化的特性制成的,其突出优点是灵敏度高、响应特性好、结构简单、成本低廉。汽车上的冷却液温度传感器和进气温度传感器普遍采用NTC热敏电阻,其阻值与温度的关系可用下述公式表示:


低温测量用热敏电阻的常数B值范围在200010000K之间,常用值为3000K左右。高温测量用热敏电阻的常数B值范围在1000015000K之间。

 

对于结构一定的NTc热敏电阻式温度传感器,由式(2-1)可得其阻值与温度的关系曲线如图2-4所示。可见,NTC热敏电阻具有温度升高阻值减小、温度降低阻值增大的特性,而且呈明显的非线性关系。温度传感器的工作电路如图2-5所示,传感器的两个电极用导线与ECU插座连接。ECU内部串联一只分压电阻,ECU向热敏电阻和分压电阻组成的分压电路提供一个稳定的电压(一般为5V),传感器输入ECU的信号电压等于热敏电阻上的分压值。

 

当被测对象的温度升高时,传感器阻值减小,热敏电阻上的分压值降低;反之,当被测对象的温度降低时,传感器阻值增大,热敏电阻上的分压值升高。ECU根据接收到的信号电压值,便可计算求得对应的温度值,从而进行实时控制。


  3.热敏铁氧体温度传感器

 

  (1)结构热敏铁氧体温度传感器由壳体、铁氧体、舌簧开关和永久磁铁等构成。在舌簧开关的电磁回路中配置两个环状的铁氧体和永久磁铁。利用铁氧体磁性随温度急剧变化的特性,使舌簧开关导通或断开。这种传感器一般用于控制汽车散热器的电动式风扇及油压指示灯等。

 

(2)工作原理 

 

热敏铁氧体是强磁性材料,当超过某温度时,铁氧体的磁导率急剧下降,即具有从强磁性体向常磁性体(弱磁性体)急速转变的性质,这种急变温度称为居里温度。利用居里特性就可以使舌簧开关导通或关断。  

 

根据需要选用不同的烧结材料成分及热处理方法,可得到不同的居里温度。例如要控制发动机冷却水温度保持在65100%:之间,当两个铁氧体的居里温度分别为100℃、65℃时,对应温度范围的磁场强度变形成如图2-6所示的磁通环。

 

    当热敏铁氧体所处环境温度低于65时,两个铁氧体为强磁性体,被永久磁铁磁化,并与其形成一个磁铁,舌簧开关的触点中有直通的磁力线穿过并产生吸力,所以触点闭合,如图2-6a所示。当热敏铁氧体周围温度高于100时,两个铁氧体的磁导率急剧下降,变为常磁性体,热敏铁氧体基本上没有被磁化,相当于没有铁氧体存在。在永久磁铁磁场作用下,舌簧开关的触点中有磁力线穿过并产生吸力,所以触点闭合,如图2-6c所示。当热敏铁氧体所处环境温度在65100之间时,其中居里温度为65的铁氧体变为常磁性体没被磁化,而100的铁氧体变为强磁性体而被磁化,并与其左边的永久磁铁形成一个磁铁。这时

舌簧开关的触点中有磁力线穿过并产生排斥力,所以触点打开,如图2-6b所示。


4.扩散电阻式温度传感器

 

在硅半导体上形成电阻电极,当电极上加有电压时,产生的扩散电阻随温度变化。利用这一特性可制成温度传感器。从而能获得成本低、各项性能优良的传感器。树脂型传感器的响应速度,在空气中为5s,温度系数为072%/℃,比镍线电阻式传感器的05%/℃高22%。

 

5.晶体管式温度传感器

 

在一定电流下,硅晶体管的基极和发射极间的偏置电压随温度而改变,根据这一原理,制成了晶体管式温度传感器。例如MTS102传感器,当温度在-40150的范围内,其精度为±2,温度系数为-225mV/℃。带塑料外壳时,置于空气中的响应速度为8s,置于液体中的响应速度为3s

 

6.双金属片式温度传感器

 

    (1)结构 

 

双金属片式温度传感器是利用双金属片的温度特性制成的一种温度传感器,如冷起动定时开关,它由壳体、双金属片、加热线圈、触点等构成。

 

冷起动定时开关是个温度一时间开关,用螺纹连接方式安装在发动机出水口处,以检测发动机水温。此开关内部有一常闭触点,其活动臂由双金属片制成。双金属片由两片热膨胀系数不同的金属片粘合而成,随着温度的变化,两个金属片产生热膨胀差,温度较低时,双金属片保持原来的状态;温度升高到一定程度时,双金属片向低膨胀系数的金属片一侧弯曲。在双金属片周围绕有两个加热线圈,加热后可使双金属片弯曲,从而使触点断开。发动机暖机到一定温度后,原来闭合的触点应为断开状态。

 

(2)冷起动定时开关的工作原理 

 

在发动机处于冷机状态下,定时开关触点闭合。当冷起动时,点火开关处于起动位置,起动电源端有电流流过。电流由蓄电池经点火开关、冷起动喷油嘴、定时开关的双金属片、触点、接地形成回路,使冷起动喷油嘴喷油。与此同时,也有电流流经定时开关的加热线圈,两个加热线圈使双金属片受热,当其弯曲而断开触点时,冷起动喷油器停止喷油。

 

起动后,起动开关断开,点火开关由起动位置转至断开位置,没有电流流经冷起动喷油器,使其停止喷油。与此同时,两个加热线圈均断电,但此时发动机已处于暖机状态,其水温升高到足以使双金属片弯曲,触点被断开,也就是说发动机正常运转时,冷起动喷油器定时开关的触点保持断开状态,冷起动喷油器不喷油。

 

    汽车制造商都根据自身的设计规定了冷起动喷油器定时开关的工作温度,如日产系列的为18以下,丰田系列的为35以下。水温越低,冷起动喷油器的工作时间就越长。冷起动喷油器喷油时间取决于喷油阀门打开的时间长短。

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