精密曲轴传感器测试系统设计外文翻译资料

 2021-12-09 10:12

英语原文共 20 页

传感器

传感器记录运行状态(例如发动机速度)

和设定值/期望值(例如加速器踏板位置)。

它们将物理量(例如压力)或化学量(例

如排气浓度)转换成电信号。

汽车应用

传感器和执行器代表ECU之间的接口, 作为处理单元,以及具有复杂驱动,制动,底盘和车身功能的车辆(例如,发动机管理,电子稳定程序ESP和空调)。通常,传感器中的匹配电路转换信号, 以便ECU可以处理它们。

机电一体化领域,其中机械,电子和数 据处理组件相互关联并彼此紧密配合, 在传感器工程领域迅速变得越来越重要。这些组件集成在模块中(例如,在曲轴CSWS(带传感器的复合密封)模块中, 配有rpm传感器)。

图.1 SE传感器SA模拟信号调理 A / D模数转换器SG数字ECU MC微机( 评估电子)

由于它们的输出信号不仅直接影响发动机的功率输出,扭矩和排放,而且还影响车辆操纵和安全性,传感器虽然越来越小,但也必须满足更快,更精确的要求。由于机电一体化,这些规定可以得到遵守。

根据集成度,信号调理,模拟/数字转换和自校准功能都可以集成到传感器中(图1),并且将来会增加一个用于进一步信号处理的小型微机。优点如下:

bull;ECU中需要较低的计算能力

bull; 所有传感器均可实现统一,灵活且总线兼容的接口

bull;通过数据总线直接多次使用给定的传感器

bull;注册甚至更小的测量数量

bull;传感器校准简单

K. Reif(Ed。),汽油发动机管理,博世专业汽车信息,DOI 10.1007 / 978-3-658- 03964-6_15,copy;Springer Fachmedien Wiesbaden 2015

温度传感器

应用

发动机温度传感器

它安装在冷却液回路中(图1)。引擎管理使用它计算发动机温度时的信号(测量范围 - 40 130°C)。

气温传感器

该传感器安装在进气道中。与来自增压压力传感器的信号一起,其信号用于计算进气质量。除此之外,各种控制回路(例如EGR,增压压力控制) 的期望值可以适应空气温度(测量范围-40 120°C)。

发动机油温度传感器

来自此传感器的信号用于计算维修间隔

(测量范 – 40 170 °C)。

燃油温度传感器

被纳入柴油燃料回路的低压阶段。燃油温度用于计算精确喷射的燃油量(测量范围 –40 120 °C)。

图.1 1电气连接 ,2外壳 ,3垫片 ,4线 ,5测量电阻器 ,6冷却液

排气温度传感器

该传感器安装在排气系统上的温度特别关键的位置。它适用于用于废气处理的系统的闭环控制。通常使用铂测量电阻(测量范围–40 1000 °C).

设计和操作方法根据具体应用,可提供各种温度传感器设计。温度相关的半导体测量电阻安装在外壳内。通常是这个电阻器NTC(负温度系数,图2)类型。较少使用PTC(正温度系数)类型。使用NTC时,温度上升时电阻会急剧下降, 而PTC会急剧下降。

测量电阻是分压电路的一部分,施加5 V电压。

因此,测量电阻两端的电压与温度有关。它通过模数(A / D)转换器输入,是传感器温度的量度。特性曲线存储在发动机管理ECU中,其为每个电阻或输出电压分配特定温度。

发动机转速传感器

应用

发动机速度传感器用于Motronic系统

bull;测量发动机转速,和确定曲轴位置(发动机活塞的位置)

bull;根据传感器信号之间的内部计算转速。

感应式速度传感器

设计和操作方法

传感器直接安装在铁磁触发轮(图1, 位置7)的对面,它由一个狭窄的气隙隔开。它有一个软铁芯(极销,位置4),由绕组(5)包围。极销还连接到永磁体(1),并且磁场穿过极销延伸到触发轮中。通过线圈的磁通量取决于传感器是否相反

触发轮齿或间隙。磁铁的漏磁通量被齿集中,导致通过线圈的工作磁通量增加,而间隙则减弱。当触发轮旋转时,这些磁通量变化会在线圈中产生正弦输出电压,该电压与磁通量的变化率和发动机转速成正比(图2)。放大器

图1 1永磁体,2传感器外壳,3曲轴箱,4极针,5曲折,6气隙,7带参考标记的触发轮

随着触发轮速度的增加(几mV 100 V),交流电压的急剧增加。需要至少约30rpm来产生足够的振幅。

触发轮上的齿数取决于具体应用。在Motronic系统中,通常使用60节距的触发轮,但省略了2个齿(7),因此触发轮具有60 - 2 = 58颗牙齿。缺失齿的间隙被分配给限定的曲轴位置并且用作用于同步ECU的参考标记。

触发轮齿和极销的几何形状必须相互匹配。ECU中的评估电路将正弦电压转换为恒定幅度的方波电压,该正弦电压的特征在于强烈变化的幅度, 以便在ECU微控制器中进行评估。

主动速度传感器

主动速度传感器根据静磁原理运行。输出信号的幅度不依赖于转速。这使得可以感测到非常低的速度(准静态速度感测)。

图2 1齿,2牙缝隙,3参考标记

差分霍尔效应传感器

与磁场成比例的电压Uh (霍尔电压) 可以在通过磁感应B垂直渗透的载流板上水平地拾取到电流方向(图3)。在差分霍尔效应传感器中,磁场由永磁体产生(图4,位置1)。两个霍尔效应传感器元件(2 和3)位于磁铁和触发轮(4)之间。这些渗透的磁通量取决于传感器是与齿或间隙相对。通过确定两个传感器的信号之间的差异,有可能

图3 I极板电流 ,IH 霍尔电流 ,IV供电电流,UH 霍尔电压,UR 纵向电压,B 磁感应,alpha;由磁场引起的电子偏转

图4 a安排,b霍尔效应传感器的信号,

– 高振幅,气隙小

– 低振幅,气隙大

c输出信号,

1磁铁,2 霍尔效应传感器1,3 霍尔效应传感器2,

4触发轮

bull;减少磁干扰信号,和

bull;获得改善的信噪比

传感器信号的边缘可以直接在ECU中进行处理而无需数字化。

使用多极轮代替铁磁触发轮。这里, 可磁化塑料附着在非磁性金属载体上并交替磁化。这些北极和南极采用以前由触发轮的齿执行的功能。

AMR传感器

磁阻材料(AMR,Anisotropic Magneto Resistive)的电阻是各向异性的,即它取决于磁场的方向。该属性用于AMR传感器。传感器位于磁铁和触发轮之间。当触发轮旋转时,场线改变方向(图5)。这产生正弦电压,该电压在传感器中的评估电路中被放大并转换成方波信号

图5 a安排在不同的时间,b来自AMR传感器的号,c输出信号,1触发轮,2传感器元件,3磁铁

霍尔效应相位传感器

应用

发动机的凸轮轴以曲轴转速的一半旋转。将一个给定的活塞带到TDC的路上, 凸轮轴的旋转位置表明活塞是处于压缩还是排气冲程。

图1 a传感器的定位,和单轨触发轮,b输出信号

特征UA,1电气连接(插头),2传感器外壳,3曲轴箱,4密封圈,5永磁体,6霍尔效应IC,7带齿/分段(Z)和间隙(L)的触发轮

气隙 旋转角度

图2 TIM = 扭转密集安装( 即, 传感器可以根据需要围绕 传感器轴旋转,而不会损 失任何精度。重要用于最小化类型多样性)。TPO =真正上电

凸轮轴上的相位传感器为ECU提供此信息。例如,这对于具有单火花点火线圈和顺序燃料喷射(SEFI)的点火系统是必需的。

设计和操作方法

霍尔效应杆传感器

霍尔效应杆传感器(图1a)利用霍尔效应:由转子制成的铁磁材料(位置7,带齿的触发轮,段或孔板)与凸轮轴一起旋转。霍尔效应IC(6)位于触发轮和永磁体(5),其产生垂直于霍尔效应元件的磁场强度。

如果其中一个触发轮齿(Z)现在通过载流传感器元件(半导体板),则它改变垂直于霍尔效应元件的磁场强度。这导致电压信号(霍尔电压), 其与传感器和触发轮之间的相对速度a无关。集成在传感器霍尔效应IC中的评估电子元件调节信号并以方波信号Z的形式输出(图1b)。

(即,传感器直接检测到它是否位于齿或间隙上方。对于曲轴和凸轮轴信号之间的短同步时间很重要)。

由于微机械技术,可以在尽可能小的空间内定位传感器功能。通常,机械尺寸在微米范围内。硅具有其特殊的特性,已被证明是非常适合生产非常小且通常非常复杂的机械结构的材料。硅具有弹性和电气特性,几乎是传感器生产的理想选择。使用源自半导体工程领域的过程,机械和电子功能可以在单个芯片上或使用其他方法彼此集成。

微机械加速度传感器

微机械偏航率传感器

博世是第一家推出具有微机械测量元件的产品,用于汽车应用。这是一种用于测量负载的进气压力传感器,并于1994年投入批量生产。微机械加速度和偏航率传感器是小型化领域的最新发展,用于驾驶安全系统,用于乘员保护和车辆动力学控制(电子稳定程序, ESP)。下面的插图清楚地显示了这些组件实 际上有多小。

热膜空气质量计

应用

为了提供空气/燃料比的精确先导控制, 必须在相应的运行状态下精确确定供应的空气质量。为此目的,热膜式空气质量计测量一些实际引入的空气质量流量。它考虑了发动机进气门和排气门打开 和关闭引起的脉动和反向流动。进气 温度或气压变化对测量精度没有影响。

HFM5设计

HFM5热膜空气质量计(图1,位置5) 的外壳延伸到测量管(2)中,根据发动机所需的空气质量,测量管(2)可以有不同的直径(370 ... 970) 千克/小时)。

图1 1电气连接(插头),2测量管或空气过滤器外壳壁,3 评估电子设备(混合电路),4测量细胞,

5传感器外壳,6部分流量测量通道,7出口部分气流QM,8进口部分气流QM

测量管通常包含流量整流器,确保测量管中的流量均匀。流动整流器或者是具有矫直作用的塑料网和金属丝网的组合,或者是单独的金属丝网(图3,位置8)。测量管安装在空气过滤器下游的进气道中。也可提供插入式安装在空气过滤器内部的版本。

传感器中最重要的部件是进气口(8) 中的测量单元(图1,位置4)和集成 的评估电子装置(3)。

传感器测量单元由半导体衬底组成。敏感表面由隔膜形成已经在微机械工艺中制造。该隔膜采用了温度敏感电阻。评估电子元件上。该原理允许非常紧凑的设计。评估电子设备通过电气连接(1)与电子控制单元相连。

部分流量测量通道(6)的形状使得空气顺畅地流过测量池(没有旋转效应)并通过出气口(7)返回测量管。选择部分流量测量通道的入口和出口的长度和位置,即使在急剧脉动的情况下也能提供良好的传感器性能。

操作方法

HFM5热膜空气质量流量计是一种热传 感器,按照以下原则运行:测量池上 的中央位置加热电阻器(图3,位置3) 加热传感器膜片(5)并维持它在恒定温度下。温度在该受控加热区(4) 的每一侧急剧下降。

隔膜上的温度分布由两个与温度相关的电阻器记录,这两个电阻器安装在加热电阻器的上游和下游,以便与其对称(测量点M1,M2)。没有进入的空气流,温度分布(1)在加热区的每一侧是相同的(T1 = T2)。

一旦空气流过测量池,隔膜上的均匀温度分布就会发生变化(2)。在入口侧,温度特性更陡,因为流过该区域的进入空气将其冷却。在另一侧, 温度特性仅略微改变,因为流过的进入空气已被加热器元件加热。温度分布的变化导致测量点M1和M2之间的温差(Delta;T)。

热量散发到空气中,因此测量池的 温度特性取决于流过的空气质量。温差(与过去的空气流的绝对温度无关) 是气流质量的量度。它还与方向有关, 因此空气质量传感器可以记录空气质量流量的量和方向。由于其非常薄的微机械膜片,传感器具有高动态响应

(lt;15 ms),这一点在进入的空气剧烈脉动时尤为重要。

集成在传感器中的评估电子元件将测量点M1和M2处的电阻差转换为0到5 V之间的模拟电压信号。使用存储在ECU中的传感器特性(图2),测量电压

转换成表示空气质量流量(kg / h) 的值。

特征曲线的形状使得包含在ECU中的诊断设备可以检测诸如开路线路之类的故障。用于评估功能的附加温度传感器可以是集成在HFM5中。测量空气质量不是必需的。

如果传感器隔膜被灰尘,脏水或油污染,则会记录不正确的空气质量读数。为了

图3 1 温度曲线无气流,2气流温度曲线,3测量细胞,4 加热区,5 传感器膜片,6 带空气质量传感器的测量管,7进气流量,8 丝网

M1,M2 测量点

T1,T2 测量点M1 和M2的温度值

Delta;T温差

提高HFM5的坚固性,我们开发了 一种保护装置,它与导流板一起保持 脏水和灰尘远离传感器元件(HFM5-CI; 带有C形旁路和内管(I) ,与导流板一起保护传感器)。

HFM6热膜空气质量计

HFM6使用与HFM5相同的传感器元件, 并具有相同的基本设计。它在两个关键点上有所不同:

bull;集成的评估电子设备以数字方式运行,以获得更高的测量精度

bull;改变部分流量测量通道的设计, 以直接在传感器元件的上游提供防止污染的保护(类似于HFM5-CI 中的偏转器网格)

lt;

资料编号:[6027]

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