浅析进气压力传感器 毕业论文.doc

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1、 毕业论文 浅析进气压力传感器 姓 名：XX 年 级：XXXXXXXX 二零一二年六月 - 1 - 目 录 引引 言言 2 一、压阻式进气压力传感器一、压阻式进气压力传感器 2 （一）压阻式歧管压力传感器2 （二）压阻式歧管压力传感器的结构3 （三）（三）压阻式歧管压力传感器工作原理4 二、二、电容式进气压力传感器电容式进气压力传感器 4 三、三、声表面波声表面波(SAW)(SAW)式进气压力传感器式进气压力传感器 5 四、四、膜盒传动的差动变压器式进气压力传感器膜盒传动的差动变压器式进气压力传感器 5 五、五、进气压力传感器的运用进气压力传感器的运用 6 参考文献 7 - 2 - 浅谈进气压

2、力传感器 内容提要：电喷发动机中采用进气压力传感器来检测进气量的称为 D 型喷射系统（速度密 度型） 。进气压力传感器检测进气量不是像进气流量传感器那样直接检测，而是采用间接检 测，同时它还受诸多因素的影响，因而在检测和维修中就有许多不同于量传感器进气流的 地方，所产生的故障也有它的特殊性。 关键词： 传感器； 压力； 进气。 引 言 压力传感器的功用是将气体或液体的压力信号变换为电信号。压力传感器按结构可分 为应变电阻片式、压阻式和电感式(即波纹管与差动变压器组合式)三种。在汽车电子控制 系统中，检测压力较高的制动油液或传动油液一般采用应变电阻片式传感器，检测压力较 低的进气歧管压力和大气压

3、力一般采用压阻式传感器。压力传感器大多数都是测定压差， 检测原理都是将压力的变化变换为电阻值的变化。进气歧管压力传感器简称为进气压力传 感器，它的种类较多，就其信号产生原理，可分为压阻式、电容式、膜盒传动的差动变压 器式和表面弹性波式等，其中电容式和压阻式进气压力传感器在当今发动机电子控制系统 中应用较为广泛。 一、一、压阻式进气压力传感器压阻式进气压力传感器 （一）压阻式歧管压力传感器 该进气压力传感器利用的是半导体的压阻效应，因其具有尺寸小，精度高，成本低和 响应性、再现性、抗振性较好等优点，现今得到了广泛的应用。它是由压力变换元件和把 变换元件输出信号进行放大的混合集成电路等构成的。 -

4、 3 - 压阻效应，单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化的现象，称为压阻 效应。利用硅的压阻效应和微电子技术制成的压阻式传感器，具有灵敏度高、动态响应好、 精度高、易于微型化和集成化等特点，因此目前得到广泛应用。早期的压阻式传感器是利 用半导体应变片制成的粘贴型压阻式传感器。20 世纪 70 年代以后，研制出了圆周边缘固 定的硅膜片与力敏电阻一体化的扩散型压阻式传感器。这种传感器易于批量生产，能够方 便地实现微型化、集成化和智能化，因而受到人们普遍重视，并重点开发具有代表性的新 型传感器，发动机燃油喷射系统采用的压阻式歧管压力传感器就是其中的一种。 (二)压阻式歧管压力传感器的结构

5、 歧管压力传感器的全称是进气歧管绝对压力传感器(Manifold Absolute Pressure Sensor，MAPS)，其功用是通过检测进气歧管或稳压箱内空气压力来反映发动机的负荷状况， 并将发动机负荷状况转变为电信号输入发动机电子控制单元(ECU)。MAPS 是一种间接测量 发动机进气量的传感器。燃油喷射式发动机采用的歧管压力传感器主要有压阻式和电感式 (即波纹管与差动变压器组合式)两种。其压力转换元件是利用半导体的压阻效应制成的硅 膜片。硅膜片的一面是真空室，另一面导入进气歧管压力。硅膜片约为 3mm 的正方形，其 中部经光刻腐蚀形成直径约 2mm、厚约 50mm 的薄膜，薄膜周围

6、有 4 个应变电阻，以单臂电 桥方式连接。由于薄膜一侧是真空室，因此薄膜的另一侧即进气歧管内绝对压力越高，硅 膜片的变形越大，其应变与压力成正比，附着在薄膜上的应变电阻的阻值随应变成正比地 变化，这样就可以利用单臂电桥将硅膜片的变形变成电信号。因为输出的电信号很微弱， 所以需用混合集成电路进行放大后输出。这种压阻式进气压力传感器输出的信号电压，具 有随进气歧管绝对压力的增大呈线性增大的特性。为提高传感器的灵敏度应变电阻一般都 采用差动电桥方式。即 R2 和 R4 在膜片变形时受到拉力，电阻是随压力加大而变化的；R1 和 R3 是受压力的，电阻是随着压力的增大而减小的，这种接法比单桥臂(即一个桥

7、臂接应 变片)和双桥臂式的接法提高输出电压 2 倍和 4 倍左右(各桥臂用相同电阻的应变片情况下)。 早期也有采用单臂式电桥，双臂式电桥(即 R2、R3 或 R1、R4 分别采用受拉和受压的桥臂)。 这种半导体应变片比金属应变片有精度高、尺寸小、重量轻、易于生产、通用性强、测量 范围广等优点。所以 4 个半导体应变片臂接成差动电桥形式是目前进气压力传感器最先进 的一种。硅膜片一般用线膨胀系数接近于单晶硅(线膨胀系数为 24410-6)的铁镍 锆合金(线膨胀系数为 4710-7)制成，设置在硅膜片与传感器底座之间，用于吸收由 于底座材质与硅膜片热膨胀系数不同而加到硅膜片上的热应力，从而提高传感器

8、的测量精 - 4 - 度。硅膜片与壳体以及底座之间组成的腔室为真空室。壳体顶部设有排气孔，利用排气孔 将该腔室抽真空后，再用锡焊密封排气孔，从而形成真空室。真空室为基准压力室，基准 压力为 0。在真空管的进气口，一般设有滤清器，用于过滤进气中的尘埃或杂质，以免膜 片受到腐蚀和脏污而导致传感器失效。 (三)压阻式歧管压力传感器工作原理 硅膜片一面通真空室，另一面导入进气歧管压力。在压力作用下，硅膜片就会产生机 械应变而产生应力，应变电阻的阻值在膜片应力的作用下就会发生变化，单臂电桥上电阻 值的平衡就被打破(为了便于理解，下面将硅膜片由机械应变而产生应力的现象夸大为产生 变形)，当电桥的输入端输入

9、一定的电压或电流时，在电桥的输出瑞就可得到变化的信号电 压或信号电流。在圆形硅膜片周边固定的情况下，均匀分布的压力 p 作用到膜片上的应力 分布。当传感器结构和输人电压一定时，作用在圆形硅膜片上的压力越高，则输出电压越 高。当发动机工作时，进气歧管内的部分空气经传感器进气口和滤清器作用在硅膜片上， 硅膜片就会产生变形，应变电阻的阻值就会发生变化，电桥输出电压随之变化。因为进气 压力随进气流量的变化而变化，当节气门开度增大(即进气流量增大)时，空气流通截面积 增大，气流速度降低，进气压力升高，膜片的变形量增大，应变电阻的变化率增大，电桥 输出的电压升高，经集成电路进行比例放大后，传感器输入电子控

10、制单元(ECU)的信号电压 升高。反之，当节气门开度由大变小(即进气流量减小)时，进气流通截面积减小，气流速 度升高，进气压力降低，膜片的变形量减小，应变电阻的变化率减小，电桥输出电压降低， 经过比例放大后，传感器输入：ECU 的信号电压降低。 由于压阻式歧管压力传感器的功能部件是硅膜片和应变电阻，其工作参数取决于作用 在膜片上的压力大小，因此传感器的取样压力应从压力波动较小的部位选取。桑塔纳 2000Gli 型轿车进气压力从稳压箱(动力腔)处取样，可以避免压力波动对检测信号产生的 影响。 二、电容式进气压力传感器 电容式进气压力传感器是使氧化铝膜片和底板彼此靠近排列，形成电容，利用电容依 膜

11、片上下的压力差而改变的性质，获得与压力成正比的电容值信号。它事实上是一个变间 - 5 - 隙电容式压力传感器。两个极板之间的电容与其两极板之间的间隙成反比(在其他参数不变 的条件下)。在它受外力时，极板之间的间隙发生变化，其电容随之变化。把电容式传感器 作为振荡器谐振回路的一部分，当进气压使电容发生变化时，电振荡回路的谐振频率发生 相应的变化，其输出信号的频率与进气歧管绝对压力成正比。其频率大约在 80120Hz 内 变化。微机控制装置根据信号的频率便可算出进气歧管的绝对压力。 三、声表面波(SAW)式进气压力传感器 该进气压力传感器是在一块压电基片上用超声波加工出一薄膜敏感区，上面刻制换能

12、器(压敏 SAW 延时线)，换能器与电路组合成振荡器。为了提高测量精度，补偿温度对基片 的影响，在薄膜敏感区边缘设置一个性能相同的换能器(温基 SAW 延时线)。换能器是在抛 光的压电基片上设置两个金属叉指构成的。若在输入换能叉指 T1 上加电信号，便由逆压电 效应在基片表面上激励起声表面波，传播到换能叉指 T2 变换成电信号，经放大后反馈到 T1，以便保持振荡状态。声表面波(SAW)在两个换能叉指之间的传播时间即是所获得的延迟 时间，其大小取决于两换能叉指间的距离。由于导入的歧管压力作用于压电基片上，压力 变化将在薄膜敏感区产生应变，即使换能叉指间距离发生变化，因而声表面波传播的延迟 时间相

13、应变化。根据与延迟时间成反比的振荡频率，即可输出压力信号。 四、膜盒传动的差动变压器式进气压力传感器 膜盒传动的差动变压器式进气压力传感器主要由膜盒、铁心、感应线圈和电子电路等 组成。膜盒是由薄金属片焊接而成，其内部被抽成真空，外部与进气歧管相通，膜盒外表 压力变化将使其产生膨胀和收缩的变化。置于变压器感应线圈内部的铁心与膜盒联动。 差动变压器由一次绕组(接振荡器的线圈)与两个二次绕组和插入可移动的铁心组成。 两个二次绕组反相串联。当一次绕组加上振荡器产生的交流电压时，在二次绕组中产生感 应电动势。当铁心在中间位置时(即在发动机无负荷时)，两个二次绕组产生大小相等的电 动势，由于它们反相串联，

14、输出的电压为两个电动势之差，所以为零；在发动机有负荷时， 进气歧管压力变化，则膜盒带动铁心向一个方向移动，这时两个二次绕组中电动势大小不 等，相减后不为零，即有一定的输出交流电压。负荷越大，铁心移动距离亦越大，两个二 - 6 - 次绕组中的电动势相差越大，即输出越大。再将这个随进气歧管压力变化而变化的输出交 流电压，经整流滤波后，送至微机。 发动机工作时，随着节气门开度的变化，进气歧管内的真空度、绝对压力以及输出信 号特性曲线均在变化。 但是它们之间变化的关系是怎样的？输出特性曲线是正的还是负的？ 这个问题常常不易被人理解，以致有些检修人员在工作中有一种“吃不准”的感觉。D 型 喷射系统中检测

15、的是节气门后方的进气歧管内的绝对压力。节气门的后方既反映了真空度 又反映了绝对压力，因而有人认为真空度与绝对压力是一个概念，其实这种理解是片面的。 在大气压力不变的条件下（标准大气压力为 101.3KPa） ，歧管内的真空度越高，反映歧管 内的绝对压力越低，真空度等于大气压力减去歧管内绝对压力的差值。而歧管内的绝对压 力越高说明歧管内的真空度越低，歧管内绝对压力等于歧管外的大气压力减去真空度的差 值，即大气压力等于真空度和绝对压力之和。理解了大气压力、真空度、绝对压力的关系 后，进气压力传感器的输出特性就明确了。发动机工作中，节气门开度越小，进气歧管的 真空度越大，歧管内的绝对压力就越小， 输

16、出信号电压也越小。节气门开度越，进气歧管 的真空度越小，歧管内的绝对压力就越大，输出信号电压也越大。输出信号电压与歧管内 真空度的大小成反比（负特性） ，与歧管内绝对压力的大小成正比（正特性） 。 五、进气压力传感器的运用 作为 D 型喷射系统的主要部件进气压力传感器，可以单独给它施加真空来检测。 检测时，拆下通向进气压力传感器的真空管，把手持真空泵接在进气压力传感器的真空管 接头上。当施加的真空度为 0kPa 时，相当于进气歧管内的绝对压力很高， 信号电压为 4.5V 左右。当施加的真空度为 75kPa 时，相当于歧管绝对压力很低，信号电压为 1V 左右， 这时若立即打开真空开关，真空表的读

17、数应从 75kPa 不停滞地回到原来的位置，同时信号 电压也应跟随上升，这说明进气压力传感器性能良好。 D 型喷射系统故障的特殊性由于 D 型喷射系统采用进气压力传感器间接测量进气量， 它与 L 型喷射系统有许多不同的地方，尤其是歧管内的真空度对 D 型喷射系统影响很大， 同是一个故障点 在 D 型喷射系统和 L 型喷射系统故障的表现是不一样的。 例如： 节气门 后方漏气，对于 L 型喷射系统来说，外漏的气体没有经过进气流量传感器的计量，所以不 - 7 - 会令喷油量增加，以致使混合气变稀，发动机动力不足、怠速不稳甚至熄火。对于 D 型喷 射系统来说，节气门后方的真空漏气，会使歧管内的真空度下

18、降，绝对压力升高。由于 型喷射系统都是以绝对压力的信号输出给 ECU 的，所以 ECU 根据绝对压力升高的信号，令 喷油量增加，提高发动机的转速，造成怠速过高。如果漏气严重且 ECU 有超速断油功能 当转速增加到 1500r/min 左右时，ECU 将开始断油降速，当降到一定的转速时，ECU 又开 始供油提高转速 循环不已，以致发动机产生游车现象。由此可以看出，型与 型 喷射系统的真空漏气故障，主要表现在发动机怠速工况下的不同。型喷射系统表现为怠 速不稳，甚至熄火。而型喷射系统则表现为怠速过高，甚至游车。另外，型喷射系统 若在节气门前方漏气将不影响发动机的工作，这也是型喷射系统的一个特点。型喷

19、射 系统中除了真空漏气外，还有许多因素会影响到歧管的真空度。 如：机械配气相位不对、 点火时间晚、排气管堵塞等.由正时皮带（或链条）错位造成的配气相位不对，在进气行程 活塞已下行时， 而进气门仍未开启，造成缸内高度真空，绝对压力很低，送给 ECU 的信号 电压也很低，使 ECU 令喷油量减小，造成发动机怠速不稳甚至难以起动。点火时间过晚， 造成发动机过热和动力不足。如果靠加大节气门的开度来增加动力，会使歧管内的真空度 降低，绝对压力升高，送给 ECU 的信号电压也升高，使 ECU 令喷油量增加，造成混合气过 浓。其实 ECU 接收到的绝对压力升高的信息，不是发动机正常工作时的信息，而是一个误

20、导 ECU 增加喷油量的错误信息，结果造成喷油量过多，混合气太浓引起排气管冒黑烟的一 个假象。这种现象只有在 D 型喷射系统中才会出现。补充回答： 排气管 (三元催化反应器 )堵 塞，轻者会使发动机无力，重者会造成发动机难以起动。 如果拆下某一缸的火花塞后，发 动机由不能起动变为能起动， 说明排气管确已堵塞。排气管堵塞后，只进气不排气或排气 极少，使缸内的真空度降低接近 0，绝对压力升高甚至接近于大气压力，以致送给 ECU 的 信号电压也很高，ECU 令喷油量大大增加，最终使混合气太浓，发动机不能起动。 参考文献 【1】王遂双，李建文，董宏国， 汽车电子控制系统的原理与检修【M】 北京： 北京理工 大学出版社 1995. 【2】张葵葵，电控发动机原理与检测技术北京：机械工业出版社，2007.2 【3】贺建波，贺展开，汽车传感器检测北京：机械工业出版社，2005.1