2. 传感器与执行器2.1 传感器有了形式各样的传感器，车载控制模块才能监控整个电气系统的工作状况，获得它想要得到的信息，并对系统的工作状况进一步作出有必要的调整。

传感器可以用来监测不同的物理属性值，比如：位置、速度、压力、温度等。

这些属性值最终均以电信号的形式与其他数据流一起，传送至控制网络。

2.1.1 信号1.信号的类型1）按照信号的波形图特征，传感器信号可以分为数字信号（Digital Signal）和模拟信号（Analog Signal）。

（1）数字信号 Digital Signal图2-1 数字信号波形图由于车载控制单元的基础是单片机，所有能接受的数字信号也是二进制信号，如图2-1所示。

二进制信号是电压信号，也叫方波信号，最大的特点是，随着时间的变化，电压值只在两个域值之间瞬间切换，并不存在过渡区，每一个电压值代表着一种状态。

（例如：Vmax表示开，Vmin表示关）。

虽然开关并不属于传感器，但开关信号是最简单的数字信号的例子，开关的状态无非有两种，打开和关闭；对应的电压信号值，就是12V（或5V）和0V。

（2）模拟信号 Analog Signal图2-2 模拟信号波形图模拟信号与电压信号最大的不同在于，随着时间的变化，输入的电压值是连续变化的，如图2-2所示。

在某一时刻的电压值，具体指的是什么状态，控制单元无法识别出来。

最简单的例子就是温度传感器：测量的时间不同，物体不同，那么测量的结果就是电压值在0―5V之间的任意值。

2）按照传感器类型的不同，传感器信号可以分为：电阻信号（Resistive Signal）、开关信号（Switches Signal）、和感应电压信号（Voltage Generating）。

（1）电阻信号 Resistive Signal随着机械位置发生改变，电阻值也跟着变化，这一类的传感器称为电阻传感器。

传感器的阻值发生变化，那么传感器上的电压也会随之变化。

控制模块通过监测传感器上的电压值变化，并与参考标志电压相比较，就可以知道测量值所代表的状态。

（2）开关信号 Switches Signal开关本身不是传感器，但其可以用作信号输入，最简单的例子就是制动踏板开关。

（3）感应电压信号 Voltage Generating正如字面意义所透露的，该类型的传感器可以产生感应电压信号。

不同的信号电压值表示不同的机械状况，控制模块通过感应电压信号值，就可以知道其对应的机械状况。

2. 信号利用车载控制模块的基础是只能识别二进制信号的单片机，所以能够直接使用数字信号，因为数字信号只有两个阈值信号（0V或5V），要么有、要么没有，但不能识别模拟信号。

所以模拟信号必须要经过转换，才能被控制模块所识别、理解其所包含的信号含义。

2.1.2 传感器的类型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，分为电位计（Potentiometer）、热敏电阻（Thermistors）传感器、压敏电阻（Piezo resistive）传感器三种类型。

1）电位计Potentiometer电位计本质上是一个用作信号输入的滑片电阻器。

一般用3个端子：供电极，接地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。

图2-3 典型的电位计示意图电位计通常用于以下部件中：（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（PTC ，Positive Temperature Coefficient）和负温度系数电阻（NTC ,Negative Temperature Coefficient）。

如图2-4所示，PTC热敏电阻传感器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。

（a）负温度系数关系（b）正温度系数关系图2-4 温敏电阻的阻值与温度的关系如图2-5所示，热敏电阻传感器有两个接线端子，一个端子接地，通常是进入控制模块，在控制模块内部接地；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。

图2-5 热敏电阻传感器接线示意图外界温度发生变化，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。

V out =R2/（R1+R2）×Vin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）变速箱油温（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（MAP，manifold absolute pressure sensor）。

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）图2-6 压敏电阻传感器在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形变。

发生形变的硅晶片的内阻也会相应的发生变化。

最后通过惠斯通电桥（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、接地以及反馈电压端子。

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，比如石英晶体上，施加压力，就会在晶体两端产生电势差。

爆震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震动时，就会产生交流电压，如图2-7所示。

爆震传感器产生的信号用来推出点火时间以阻止发动机爆震，爆震传感器接线端如图2-8所示。

A-压敏元件稳定状态 B-压敏元件收到压迫 C-压敏元件开始伸张图2-7 压敏元件工作原理图图2-8 爆震传感器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。

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-弹簧垫片图2-9 氧传感器结构示意图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-多孔陶瓷外套图2-10 二氧化锆型氧传感器工作原理图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势差。

废气中含有的氧分子越少，产生的电势差越大；废气中含有的氧分子越多，产生的电势差越小。

也就是说，混合气的越稀，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。

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

A-移动方向 1-导体 2-永久磁铁 3-磁场图2-11 感应电压产生原理图在带有铁芯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，也可以发生移动。

当磁铁发生移动时，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。

磁力线是有方向的，永远只会从南极出发，进入磁铁的北极。

在磁铁运动过程中（绕螺旋线圈作旋转运动），南极和北极在不停的互换。

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的旋转，那么转子外圈的齿就会切割磁力线，在螺旋线圈上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系统与发动机曲轴位置传感器，来确定转动的角速度。

1-永久磁铁 2-螺旋线圈 3-磁场 4-外层有齿转子 5-空气间隙 6-传感器线束图2-12 电磁式传感器工作原理图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。

1- LED光束 2-光信号收发器 3-多孔圆盘图2-13 光电传感器示意图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接地，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。

这种类型的传感器用于：（1）转向柱转向角度传感器（2）行驶高度监测（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结合。

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。

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-簧片开关打开图2-14 液位高度传感器工作原理图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。

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，磁铁的南极与北极不停的变化，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。