第4章 汽车压力传感器.ppt
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1、第第4章章 压力传感器压力传感器4.1 压力的概念及单位压力的概念及单位4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.3 半导体进气压力传感器半导体进气压力传感器4.4 集成电路型集成电路型(IC)大气压传感器大气压传感器4.5 半导体微差压力传感器半导体微差压力传感器4.6 发动机控制用小型压力传感器发动机控制用小型压力传感器4.7 利用微控制器技术的高压传感利用微控制器技术的高压传感器器4.8 共轨系统用超高压传感器共轨系统用超高压传感器4.9 采用压粉铁芯的电动助力转向采用压粉铁芯的电动助力转向用非接触式扭矩传感器用非接触式扭矩传感器4.10 接触式转向角度接触式转向角
2、度/扭矩传感器扭矩传感器4.11 动力传输系统用磁致伸缩式动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传感器扭矩传感器4.1 压力的概念及单位压力的概念及单位 人站在地面上以及汽车停在地面上都会对地面产生压力,我人站在地面上以及汽车停在地面上都会对地面产生压力,我们把垂直作用在物体表面上的力叫作压力。把物体的单位面们把垂直作用在物体表面上的力叫作压力。把物体的单位面积上受到的压力叫作压强。上面所说的两个定义是物理学中积上受到的压力叫作压强。上面所说的两个定义是物理学中的概念。工程技术上将物理学里的的概念。工程技术上将物理学里的“压强压强”也称为压力。也称为压力。国际单位制中定义压力的单位是国际单位制中定义压力
3、的单位是:1N的力垂直均匀作用在的力垂直均匀作用在1 m2面积上,所形成的压力为面积上,所形成的压力为1个帕斯卡,简称为帕,符号为个帕斯卡,简称为帕,符号为Pa。帕斯卡是一个很小的压力单位。帕斯卡是一个很小的压力单位。下一页返回4.1 压力的概念及单位压力的概念及单位 长期以来,工程技术界广泛使用着很多其他压力的计量单位,长期以来,工程技术界广泛使用着很多其他压力的计量单位,为便于阅读一些技术资料,下面介绍几种将废除的计量单位。为便于阅读一些技术资料,下面介绍几种将废除的计量单位。气象部门较早使用的压力单位为巴,符号为气象部门较早使用的压力单位为巴,符号为bar,它大体上,它大体上等于一个等于
4、一个“工程大气压工程大气压”,“工程大气压工程大气压”的符号为的符号为at,相,相当于当于1kg的力垂直作用在的力垂直作用在1cm2面积上所形成的压力,面积上所形成的压力,“标标准大气压准大气压”的符号为的符号为atm,它是指在纬度,它是指在纬度45的海平面上,的海平面上,0时的平均大气压力。以上这两种单位中虽有时的平均大气压力。以上这两种单位中虽有“大气压大气压”三三字,但其并不受气象条件的影响,而是作为计量单位使用的字,但其并不受气象条件的影响,而是作为计量单位使用的恒定值。恒定值。上一页 下一页返回4.1 压力的概念及单位压力的概念及单位 “约定毫米汞柱约定毫米汞柱”普通简称为毫米汞柱,
5、其符号为普通简称为毫米汞柱,其符号为mmHg,它是指在标准重力加速度它是指在标准重力加速度(980.655cm/s2)下,下,0时,时,1 mm高水银柱底面上的压力。高水银柱底面上的压力。“约定毫米水柱约定毫米水柱”简称为毫米水柱,其符号为简称为毫米水柱,其符号为mmH2O,它,它是指在标准重力加速度之下,是指在标准重力加速度之下,4时,时,1mm高的水柱底面上高的水柱底面上的压力。的压力。上一页返回4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.1真空开关真空开关 真空开关的作用是检测空气滤清器有否堵塞,它主要用于化真空开关的作用是检测空气滤清器有否堵塞,它主要用于化油器
6、规格的车辆上,利用压力差检测堵塞状况。油器规格的车辆上,利用压力差检测堵塞状况。真空开关的结构如真空开关的结构如图图4一一1所示,其工作原理是所示,其工作原理是:A腔与腔与B腔之腔之间会产生压力差,利用膜片向负压侧运动使笛簧开关动作。间会产生压力差,利用膜片向负压侧运动使笛簧开关动作。将将A接头与接头与B接头分别与要检测压力的部位接好管道,就可以接头分别与要检测压力的部位接好管道,就可以测出压力差。在这种状态下,当产生压力差时测出压力差。在这种状态下,当产生压力差时(AB),在,在B腔腔负压的作用下,膜片推压弹簧向图示的下方移动,与膜片成负压的作用下,膜片推压弹簧向图示的下方移动,与膜片成为一
7、体的磁铁向下移动,笛簧开关导通。为一体的磁铁向下移动,笛簧开关导通。下一页返回4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.2检测堵塞的连杆式传感器检测堵塞的连杆式传感器 这种传感器用于检测滤清器是否堵塞,它利用膜片检测进气这种传感器用于检测滤清器是否堵塞,它利用膜片检测进气管的负压,再通过连杆控制触点的闭合与断开,其结构如管的负压,再通过连杆控制触点的闭合与断开,其结构如图图4一一2所示。所示。进气歧管内会产生脉动,此传感器可将这种脉动加以滤波并进气歧管内会产生脉动,此传感器可将这种脉动加以滤波并检测其是否有堵塞。检测其是否有堵塞。上一页 下一页返回4.2 汽车用压力传
8、感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.3油压开关油压开关 这种传感器用于检测发动机有无油压,以及用于油压指示器这种传感器用于检测发动机有无油压,以及用于油压指示器上等,其结构如上等,其结构如图图4一一3所示。它是由膜片、弹簧及触点构成所示。它是由膜片、弹簧及触点构成的。的。当膜片上没有压力作用时,在弹簧弹力的作用下,触点闭合,当膜片上没有压力作用时,在弹簧弹力的作用下,触点闭合,当压力作用到膜片上时,压缩弹簧,使触点断开。油压指示当压力作用到膜片上时,压缩弹簧,使触点断开。油压指示器的原理如器的原理如图图4一一4所示,当油压开关的触点闭合时,指示灯所示,当油压开关的触点闭合时,指示灯
9、亮。因此,在启动发动机之前闭合点火开关时,油压指示灯亮。因此,在启动发动机之前闭合点火开关时,油压指示灯亮亮;当启动发动机之后,油压上升时,油压指示灯灭。油压开当启动发动机之后,油压上升时,油压指示灯灭。油压开关的特性如关的特性如图图4一一5所示。所示。上一页 下一页返回4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.4油压传感器油压传感器 这种传感器用于带油压助力装置的制动系统的油压控制,它这种传感器用于带油压助力装置的制动系统的油压控制,它可检测出储压器的压力、输出油泵的闭合或断开信号以及油可检测出储压器的压力、输出油泵的闭合或断开信号以及油压的异常报警。其结构如压的异
10、常报警。其结构如图图4一一6所示,其内设有半导体应变所示,其内设有半导体应变片,利用了应变片具有形状变化时电阻也发生变化的特性片,利用了应变片具有形状变化时电阻也发生变化的特性;另另外还设有金属膜片,通过金属膜片应变片检测出压力的变化,外还设有金属膜片,通过金属膜片应变片检测出压力的变化,并将其转换成电信号后对外输出。并将其转换成电信号后对外输出。上一页 下一页返回4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.5绝对压力型传感器绝对压力型传感器 绝对压力型传感器用于主动型悬架系统的油压检测。传感器绝对压力型传感器用于主动型悬架系统的油压检测。传感器内设有放大电路、温度补偿
11、电路及与压力媒体接触的不锈钢内设有放大电路、温度补偿电路及与压力媒体接触的不锈钢膜片。其结构如膜片。其结构如图图4一一7所示,它是用硅材料加工成膜片,再所示,它是用硅材料加工成膜片,再在其上形成扩散电阻而制成的传感元件。在其上形成扩散电阻而制成的传感元件。上一页 下一页返回4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.6相对压力型高压传感器相对压力型高压传感器 相对压力型高压传感器用于检测汽车空调的冷媒压力。传感相对压力型高压传感器用于检测汽车空调的冷媒压力。传感器内设有放大电路、温度补偿电路,其工作原理与器内设有放大电路、温度补偿电路,其工作原理与4.2.5介介绍的高压
12、传感器的工作原理相同,其结构如绍的高压传感器的工作原理相同,其结构如图图4一一8所示。所示。上一页 下一页返回4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.7半导体压力传感器半导体压力传感器 半导体压力传感器用于检测电子控制燃油喷射系统半导体压力传感器用于检测电子控制燃油喷射系统(EFI一一D)的进气歧路压力,并将其变换成电信号,放大后输入至发动的进气歧路压力,并将其变换成电信号,放大后输入至发动机控制微机中。传感器的结构如机控制微机中。传感器的结构如图图4一一9所示,其上采取了防所示,其上采取了防干扰措施。干扰措施。上一页 下一页返回4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽
13、车用压力传感器种类与用途4.2.8真空传感器真空传感器 因为真空传感器可把压力变化变换成电压的变化,所以也称因为真空传感器可把压力变化变换成电压的变化,所以也称作作“波纹管加差动变压器式波纹管加差动变压器式”传感器。这种传感器可用于电传感器。这种传感器可用于电子汽油喷射装置上做真空传感器用。电子汽油喷射装置是根子汽油喷射装置上做真空传感器用。电子汽油喷射装置是根据进气歧管的压力据进气歧管的压力(负压负压)确定基本喷油量的。这一压力就是确定基本喷油量的。这一压力就是靠压力传感器检测出来的靠压力传感器检测出来的 真空传感器的结构如真空传感器的结构如图图4-10所示,它包括有所示,它包括有:中间为真
14、空的中间为真空的波纹管,随波纹管膨胀、收缩而左右运动的铁芯,设置在铁波纹管,随波纹管膨胀、收缩而左右运动的铁芯,设置在铁芯周围的差动变压器以及膜片。膜片根据压力差改变波纹管芯周围的差动变压器以及膜片。膜片根据压力差改变波纹管的位置,选定在输出区或者经济区。的位置,选定在输出区或者经济区。上一页 下一页返回4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.9增压传感器增压传感器 在日产的在日产的vQ30DET等发动机上,采用增压压力传感器,传等发动机上,采用增压压力传感器,传感元件是在硅膜片上扩散电阻制成的,用其检测涡轮增压机感元件是在硅膜片上扩散电阻制成的,用其检测涡轮增压机
15、的增压压力,以便于修正喷射脉冲及控制增压压力。的增压压力,以便于修正喷射脉冲及控制增压压力。VQ30DET的燃油喷射系统如的燃油喷射系统如图图4-11所示,在怠速、使用所示,在怠速、使用普通汽油、水温超过普通汽油、水温超过115、水温传感器系统异常时,电流、水温传感器系统异常时,电流不通过增压控制电磁阀,实际的增压压力加到旋启阀的膜片不通过增压控制电磁阀,实际的增压压力加到旋启阀的膜片上,使排放气体的旁流量增加,增压压力下降。反之,当增上,使排放气体的旁流量增加,增压压力下降。反之,当增压电磁阀闭合时,就使大气压力加到旋启阀的膜片上,使排压电磁阀闭合时,就使大气压力加到旋启阀的膜片上,使排放气
16、体的旁流量减少,结果增压压力上升。此外,当增压压放气体的旁流量减少,结果增压压力上升。此外,当增压压力异常升高、增压压力传感器的输出电压超过某一数据值时,力异常升高、增压压力传感器的输出电压超过某一数据值时,则燃油被切断。则燃油被切断。上一页 下一页返回4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.10主油缸压力传感器主油缸压力传感器 这一传感器安装在主油缸的下部。其作用是检测主油缸的输这一传感器安装在主油缸的下部。其作用是检测主油缸的输出压力。其结构如出压力。其结构如图图4-12所示,这也是利用膜片上应力片电所示,这也是利用膜片上应力片电阻改变的效应,制成的半导体传感器
17、,膜片与应变片制成一阻改变的效应,制成的半导体传感器,膜片与应变片制成一个整体,当制动压力加到其上时膜片发生变形,此变形使应个整体,当制动压力加到其上时膜片发生变形,此变形使应变片的阻值发生变化,再通过桥式电路测出与压力成正比的变片的阻值发生变化,再通过桥式电路测出与压力成正比的电信号并传输出去。电信号并传输出去。上一页 下一页返回4.2 汽车用压力传感器种类与用途汽车用压力传感器种类与用途4.2.11蓄压器用压力传感器蓄压器用压力传感器 如如图图4-13所示,蓄压器用压力传感器就安装在油压组件的上所示,蓄压器用压力传感器就安装在油压组件的上方,用以检测油压组件的压力,其基本结构与主油缸用压力
18、方,用以检测油压组件的压力,其基本结构与主油缸用压力传感器相同。传感器相同。上一页 返回4.3 半导体进气压力传感器半导体进气压力传感器4.3.1传感器的结构传感器的结构 压力传感器的结构如压力传感器的结构如图图4一一14所示。它是由硅片、底座、硅所示。它是由硅片、底座、硅杯及盖子等组成的。硅片上形成有膜片,膜片上埋入了检测杯及盖子等组成的。硅片上形成有膜片,膜片上埋入了检测压力的测量电阻,底座上设置了导压管及作为输入输出端子压力的测量电阻,底座上设置了导压管及作为输入输出端子的引线端子。在硅片与底座之间设有用硅单晶制作的硅杯,的引线端子。在硅片与底座之间设有用硅单晶制作的硅杯,其作用是缓和与
19、吸收底座传入的热应力,盖子与底座等形成其作用是缓和与吸收底座传入的热应力,盖子与底座等形成标准压力腔并对硅片及内部组成件起机械保护作用。标准压力腔并对硅片及内部组成件起机械保护作用。下一页返回4.3 半导体进气压力传感器半导体进气压力传感器4.3.2传感器的工作原理传感器的工作原理 半导体压力传感器是利用半导体的压阻效应制成的,其工作半导体压力传感器是利用半导体的压阻效应制成的,其工作原理是将压力变换成电信号,即原理是将压力变换成电信号,即:压力加到膜片上时,膜片上产生应力压力加到膜片上时,膜片上产生应力;随膜片应力的状况测量电阻的阻值发生变化随膜片应力的状况测量电阻的阻值发生变化;将一定的电
20、压或电流输入到惠斯顿电桥的输入端时,电阻将一定的电压或电流输入到惠斯顿电桥的输入端时,电阻值的平衡被打破,在电桥的输出端就可以得到电压或电流的值的平衡被打破,在电桥的输出端就可以得到电压或电流的输出变化值。输出变化值。上一页 下一页返回4.3 半导体进气压力传感器半导体进气压力传感器4.3.3压力传感器的额定值与特性压力传感器的额定值与特性 本节介绍的压力传感器的额定值与特性如本节介绍的压力传感器的额定值与特性如表表4-1所示。所示。(1)压力额定值压力额定值 (2)输出电压特性输出电压特性 (3)精度与温度特性精度与温度特性上一页 下一页返回4.3 半导体进气压力传感器半导体进气压力传感器4
21、.3.4半导体压力传感器用作进气压力传半导体压力传感器用作进气压力传感器感器 半导体压力传感器可用作检测进气压力,以便于实现排气再半导体压力传感器可用作检测进气压力,以便于实现排气再循环控制、空燃比控制及点火时间控制等。其典型结构如循环控制、空燃比控制及点火时间控制等。其典型结构如图图4一一15所示。作为汽车用进气压力检测装置,为了实现高精度所示。作为汽车用进气压力检测装置,为了实现高精度检测,将包括有温度补偿电路、放大电路在内的混合集成电检测,将包括有温度补偿电路、放大电路在内的混合集成电路与半导体压力传感器制成一个整体。路与半导体压力传感器制成一个整体。上一页返回4.4 集成电路型集成电路
22、型(IC)大气压传感器大气压传感器4.4.1 IC大气压传感器的构成大气压传感器的构成 (1)压力检测部分的构成。压力检测部分的构成。IC大气压传感器的压力检测部分,大气压传感器的压力检测部分,在硅片的中间,从反面经异向腐蚀形成了正方形的膜片,利在硅片的中间,从反面经异向腐蚀形成了正方形的膜片,利用膜片将压力变换成应力,在膜片的表面,通过扩散杂质形用膜片将压力变换成应力,在膜片的表面,通过扩散杂质形成了四个成了四个P型测量电阻,它们按桥式电路连接。利用压阻效应型测量电阻,它们按桥式电路连接。利用压阻效应将加在膜片上的应力变换成电阻的变化,此电阻的变化通过将加在膜片上的应力变换成电阻的变化,此电
23、阻的变化通过桥式电路之后在桥式电路的两个输出端子之间以电位差的方桥式电路之后在桥式电路的两个输出端子之间以电位差的方式对外输出。式对外输出。下一页返回4.4 集成电路型集成电路型(IC)大气压传感器大气压传感器 (2)电路的特性。压力传感器的主要特性有以下电路的特性。压力传感器的主要特性有以下4项项:灵敏灵敏度度;偏置电压偏置电压(0Pa时的输出电压时的输出电压);灵敏度的温度特性灵敏度的温度特性;偏置电压的温度特性。偏置电压的温度特性。(3)传感器的结构。传感器的结构。IC大气压传感器的内部结构如大气压传感器的内部结构如图图4-16所所示。示。上一页 下一页返回4.4 集成电路型集成电路型(
24、IC)大气压传感器大气压传感器4.4.2制造工艺制造工艺 (1)芯片工艺芯片工艺 (2)元件加工艺元件加工艺 (3)性能的调整性能的调整 (4)性能检查性能检查上一页 下一页返回4.4 集成电路型集成电路型(IC)大气压传感器大气压传感器4.4.3规格与可靠性规格与可靠性 IC大气压传感器的规格见大气压传感器的规格见表表4一一2。电源电压为。电源电压为5V单一电源。单一电源。压力灵敏度的设定值为压力灵敏度的设定值为39.49mV/kPa,101.3kPa(1个大个大气压气压)时的输出电压为时的输出电压为4V。IC大气压传感器主要有两个特点,一是通过阳极键合法形成大气压传感器主要有两个特点,一是
25、通过阳极键合法形成真空腔,二是半导体管芯的表面受压。真空腔,二是半导体管芯的表面受压。表表4-3是是IC大气压传大气压传感器的几项可靠性试验项目。除此之外,还要进行汽车特有感器的几项可靠性试验项目。除此之外,还要进行汽车特有的环境试验及装车试验。的环境试验及装车试验。上一页 返回4.5 半导体微差压力传感器半导体微差压力传感器4.5.1半导体微差压力传感器的工作原理半导体微差压力传感器的工作原理 对检测发动机进气量的卡曼涡旋式空气流量传感器来说,单对检测发动机进气量的卡曼涡旋式空气流量传感器来说,单位时间所产生的涡旋数量,即涡旋频率与流体的流速成正比,位时间所产生的涡旋数量,即涡旋频率与流体的
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