高级轿车电气系统：传感器类型解析

按照核心元件工作原理不同，传感器可以分为电阻型、感应电压型和开关型传感器。

1.电阻型传感器

电阻型传感器是一类传感器，根据电阻元件物理特性的不同，分为电位器（Potentiometer）、热敏电阻（Thermistors）传感器、压敏电阻（Piezo Resistive）传感器三种类型。

（1）电位器（Potentiometer） 电位器本质上是一个用做信号输入的滑片电阻器。一般有3个端子：供电极、搭铁以及可变电压反馈端子。可变电压反馈端子一般与机械臂相连，随着机械臂位置或角度的变化，对外输出的电压也随之变化，如图2-3所示。

电位器通常用于以下部件：

1）自动空调系统（HVAC）空气分配风门。

2）节气门体。

3）电子加速踏板。

4）车身高度传感器。

（2）热敏电阻（Thermistors） 热敏电阻传感器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。热敏电阻分为正温度系数电阻（Positive Temperature Coefficient，PTC）和负温度系数电阻（Negative Temperature Coefficient，NTC）。如图2-4所示，PTC热敏电阻传感器在温度越高时电阻值越大，NTC热敏电阻传感器在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。

图2-3 典型的电位器示意图

图2-4 热敏电阻的阻值与温度的关系

a）负温度系数关系 b）正温度系数关系

如图2-5所示，热敏电阻传感器有两个接线端子，一个端子搭铁，通常是进入控制模块，在控制模块内部搭铁；另一个端子是参考电压端，与控制模块内部的一个分压电阻相接，形成两个串联电阻。控制模块监测参考电压端，也就是热敏电阻与分压电阻的连接段的输出电压值V_out的变化。

外界温度发生变化，那么R₂阻值就会改变，通过公式可知，输出V_out也会随之发生变化。

热敏电阻传感器一般用于测量以下参数：

1）发动机冷却液温度。

2）进气温度。

3）变速器油温。

4）空调出风口温度。

（3）压敏电阻传感器（Piezo Resistive）压敏电阻传感器的核心部分是一个薄膜弹性硅片。薄膜弹性硅片最大的特点是，遇到压力不仅会发生形变，而且内阻阻值也会发生变化。所以，这种类型的传感器一般用来测量外界压力的变化，比如说进气歧管绝对压力传感器（Manifold Absolute Pressure Sensor，MAP）。

在MAP传感器内，进气歧管内的真空度的改变，会引起薄膜以及与薄膜相连的硅晶片发生变形。发生变形的硅晶片的内阻也会相应地发生变化。最后通过惠斯顿电桥（Wheatstone Bridge）回路，将这种电阻波动转化为电压信号，如图2-6所示。压力传感器有三个端子：供电、搭铁以及反馈电压端子。

图2-5 热敏电阻传感器接线示意图

图2-6 压敏电阻传感器

1—真空 2—支架 3—硅晶片 P—薄膜压力 R₁—压敏电阻（压缩） R₂—压敏电阻（伸长）

2.感应电压型传感器

按照感应电压产生的方式不同，感应电压型传感器分为压电式（Piezo Electric）、二氧化锆（Zirconia Dioxide）式氧传感器、电磁效应式（Magnetic Inductance）三种类型。

（1）压电式（Piezo Electric） 在某种晶体（如石英晶体）上施加压力，就会在晶体两端产生电压。爆燃传感器就是根据此原理制造而成，在传感器内的石英晶片发生扭曲或振动时，就会产生交流电压，如图2-7所示。爆燃传感器产生的信号用来推出点火时间以阻止发动机爆燃，爆燃传感器如图2-8所示。

图2-7 压敏元件工作原理图

a）压敏元件稳定状态 b）压敏元件受到压迫 c）压敏元件开始伸张

图2-8 爆燃传感器

（2）氧传感器（Oxygen Sensor）二氧化锆型氧传感器用来监测尾气中氧气的含量，其结构如图2-9所示。

图2-9 氧传感器结构示意图(www.xing528.com)

1—外部支架 2—陶瓷管 3—导线 4—带插槽的引导管 5—主动陶瓷 6—传感器层 7—触片保护罩 8—加热丝 9—加热丝接口 10—弹簧垫片

二氧化锆氧传感器有一个二氧化锆球茎，内外壁皆包裹有铂金膜。球茎的内侧与外界大气接触，球茎的外侧表面暴露在排气管内，与废气接触，如图2-10所示。

在外界温度上升到300℃时，开始在二氧化锆球茎外层的铂金薄膜上富集游离的氧离子，氧传感器才开始进入工作状态。如果外层铂金薄膜上的氧离子达到一定数量，那么就会在内外两层薄膜之间产生电压。废气中含有的氧分子越少，产生的电压越大；废气中含有的氧分子越多，产生的电压越小。也就是说，混合气越稀，空燃比越大，产生的电压越大；混合气越浓，空燃比越小，产生的电压越小。

图2-10 二氧化锆型氧传感器工作原理图

1—排气管 2—废气 3—带自加热的陶瓷传感器 4—传感器输出电压 5—传感器接触面 6—多孔陶瓷外套

（3）感应电压式（Magnetic Inductance） 当感应型传感器在作切割磁力线运动时，就会在内部产生感应电压，如图2-11所示。

在带有铁心的永久磁铁外围用导线缠绕，形成带有永久磁铁的螺旋线圈，就是电磁效应式传感器的核心部分。永久磁铁可以静止不动，也可以移动。

当磁铁移动时，在磁铁周围的磁力线也跟着移动，在磁力线经过螺旋线圈而被切割时，感应电压就产生了。在磁铁运动过程中（绕螺旋线圈作旋转运动），S极和N极不停地变换。所以在螺旋线圈内产生的电压就是交流电压。如果磁铁旋转的速度越快，那么信号电压的频率也越高。

当磁铁静止时，磁铁一般位于螺旋线圈的内部。如图2-12所示，如果一个转子与磁铁保持很小的距离不停地旋转，那么转子外圈的齿就会切割磁力线，在螺旋线圈中的磁场就会时弱时强。由于有了这种磁场周期性的强弱变化，那么在螺旋线圈内，就产生了感应电压。

这种类型的传感器通常用于ABS与发动机曲轴位置传感器，来确定转动的角速度。

图2-11 感应电压产生原理图

A—移动方向 1—导体 2—永久磁铁 3—磁场

图2-12 电磁式传感器工作原理图

1—永久磁铁 2—螺旋线圈 3—磁力线 4—外层有齿转子 5—空气间隙 6—传感器线束

3.开关型传感器

开关型传感器主要有光敏晶体管、弹簧片开关、开关等几种类型。

（1）光敏晶体管 光敏晶体管或是光电管是通过光激发而工作的传感器，如果再加上一个边缘多孔的圆盘以及一个LED光源，光电传感器就可以用来给控制模块监测旋转速度，如图2-13所示。

LED光束垂直照射在多孔圆盘上，光束被打断的次数与圆盘转动的快慢直接关联。每次光柱透过小孔，照射在多孔圆盘下方的光信号接收器上，接收器就打开，就相当于开关闭合。光信号接收器打开，就控制与控制模块相连的线束搭铁，这样控制模块接收到的就是0V电压信号。控制模块计算单位时间内0V信号脉冲次数，并将它转换成转动的角速度值。这种类型的传感器的应用如下：

图2-13 光电传感器示意图

1—LED光束 2—光信号收发器 3—多孔圆盘

1）转向柱转向角度传感器。

2）车身高度监测。

3）行驶速度信号。

（2）弹簧片开关 弹簧片开关普遍用于液位高度的监测。在这种开关里面有一个永久磁铁，磁铁向弹簧片方向移动，弹簧片开关就会因为磁铁的吸力而接合。如图2-14所示，弹簧片被密封在一个小管内部，磁铁与弹簧片本身并不接触。

当液位下降到正常值以下时，浮子也跟着下降，在浮子里面有一块磁铁，在磁铁的吸力下，簧片开关闭合，形成一个完整的回路。

图2-14 液位高度传感器工作原理图

1—液位正常 2—液位低于正常值 3—环形磁铁 4—簧片开关闭合 5—浮子 6—簧片开关打开

这种类型的开关同样也可以用于转速传感器。当磁铁在旋转时，磁铁的S极与N极不停地变化，那么簧片也会跟着打开与关闭。簧片开关的一个端子与控制模块相连，每次簧片闭合，控制模块就收到一个0V电压，通过计算脉冲次数，控制模块就可以换算出转动速度。

（3）开关 开关虽然不是传感器，但同样可以给控制模块提供信息。如转向柱组合开关、驻车制动开关、变速器变速杆以及空调控制面板等。

以转向盘组合开关为例，如图2-15所示，该组合开关具有5个档位的开关，却只有3条线。那么，控制模块是如何知道你按下的到底是哪个开关的呢？答案是通过监测接入到回路中的电阻数量以及电压降。

当按下不同开关时，接入回路中的电阻数量就不同，那么在这一段电阻上产生的电压降也不相同。控制模块通过监测到的电压降，就可以识别出操作的是哪个开关。

图2-15 转向柱开关接线示意图

1—5V供电线 2—搭铁线 3—开关信号线