汽車電子之溫度傳感器

    熱敏電阻式溫度傳感器的主要部件是熱敏元件，外形制作成珍珠形、圓盤形(藥片形)、墊圈形、芯片形、厚膜形等，放置在傳感器的金屬管殼內(nèi)。在熱敏元件的兩個端面各引出一個電極，并連接到傳感器插座上。制作熱敏電阻的材料分為低溫、中溫與高溫三種。低溫測量用熱敏電阻的材料有MnO-NiO系列、MnO-CoO-NiO系列及MnO-CoN系列等，這些都屬于金屬氧化物系列的N型陶瓷半導(dǎo)體材料，它們在測量與溫度補償領(lǐng)域中有廣泛的用途。在發(fā)動機控制系統(tǒng)中，它們主要用于水溫傳感器、進氣溫度傳感器等低溫測量用傳感器上，即用于測量300％：以下的傳感器上。中溫測量用材料有SiC、LaCrO₃、B₄C系列，但這

些材料都難以燒結(jié)，很難形成批量生產(chǎn)且價格低廉的產(chǎn)品。高溫測量用熱敏電阻的材料有ZrO₂、TiO₂、Y2O₃、CaSiO₃、Al₂O₃、Cr₂O₃等，其中ZrO₂的熔點高達2800℃，耐熱性能很好，實用證明是制造高溫傳感器的最佳材料。

(2)熱敏電阻式溫度傳感器原理與特性 

熱敏電阻是利用陶瓷半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度變化而變化的特性制成的，其突出優(yōu)點是靈敏度高、響應(yīng)特性好、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉。汽車上的冷卻液溫度傳感器和進氣溫度傳感器普遍采用NTC熱敏電阻，其阻值與溫度的關(guān)系可用下述公式表示：

低溫測量用熱敏電阻的常數(shù)B值范圍在2000～10000K之間，常用值為3000K左右。高溫測量用熱敏電阻的常數(shù)B值范圍在10000～15000K之間。

對于結(jié)構(gòu)一定的NTc熱敏電阻式溫度傳感器，由式(2-1)可得其阻值與溫度的關(guān)系曲線如圖2-4所示?？梢?，NTC熱敏電阻具有溫度升高阻值減小、溫度降低阻值增大的特性，而且呈明顯的非線性關(guān)系。溫度傳感器的工作電路如圖2-5所示，傳感器的兩個電極用導(dǎo)線與ECU插座連接。ECU內(nèi)部串聯(lián)一只分壓電阻，ECU向熱敏電阻和分壓電阻組成的分壓電路提供一個穩(wěn)定的電壓(一般為5V)，傳感器輸入ECU的信號電壓等于熱敏電阻上的分壓值。

當被測對象的溫度升高時，傳感器阻值減小，熱敏電阻上的分壓值降低；反之，當被測對象的溫度降低時，傳感器阻值增大，熱敏電阻上的分壓值升高。ECU根據(jù)接收到的信號電壓值，便可計算求得對應(yīng)的溫度值，從而進行實時控制。

  3．熱敏鐵氧體溫度傳感器

  (1)結(jié)構(gòu)熱敏鐵氧體溫度傳感器由殼體、鐵氧體、舌簧開關(guān)和永久磁鐵等構(gòu)成。在舌簧開關(guān)的電磁回路中配置兩個環(huán)狀的鐵氧體和永久磁鐵。利用鐵氧體磁性隨溫度急劇變化的特性，使舌簧開關(guān)導(dǎo)通或斷開。這種傳感器一般用于控制汽車散熱器的電動式風扇及油壓指示燈等。

(2)工作原理 

熱敏鐵氧體是強磁性材料，當超過某溫度時，鐵氧體的磁導(dǎo)率急劇下降，即具有從強磁性體向常磁性體(弱磁性體)急速轉(zhuǎn)變的性質(zhì)，這種急變溫度稱為居里溫度。利用居里特性就可以使舌簧開關(guān)導(dǎo)通或關(guān)斷。  

根據(jù)需要選用不同的燒結(jié)材料成分及熱處理方法，可得到不同的居里溫度。例如要控制發(fā)動機冷卻水溫度保持在65～100％：之間，當兩個鐵氧體的居里溫度分別為100℃、65℃時，對應(yīng)溫度范圍的磁場強度變形成如圖2-6所示的磁通環(huán)。

    當熱敏鐵氧體所處環(huán)境溫度低于65℃時，兩個鐵氧體為強磁性體，被永久磁鐵磁化，并與其形成一個磁鐵，舌簧開關(guān)的觸點中有直通的磁力線穿過并產(chǎn)生吸力，所以觸點閉合，如圖2-6a所示。當熱敏鐵氧體周圍溫度高于100℃時，兩個鐵氧體的磁導(dǎo)率急劇下降，變?yōu)槌４判泽w，熱敏鐵氧體基本上沒有被磁化，相當于沒有鐵氧體存在。在永久磁鐵磁場作用下，舌簧開關(guān)的觸點中有磁力線穿過并產(chǎn)生吸力，所以觸點閉合，如圖2-6c所示。當熱敏鐵氧體所處環(huán)境溫度在65～100℃之間時，其中居里溫度為65℃的鐵氧體變?yōu)槌４判泽w沒被磁化，而100℃的鐵氧體變?yōu)閺姶判泽w而被磁化，并與其左邊的永久磁鐵形成一個磁鐵。這時

舌簧開關(guān)的觸點中有磁力線穿過并產(chǎn)生排斥力，所以觸點打開，如圖2-6b所示。

4．擴散電阻式溫度傳感器

在硅半導(dǎo)體上形成電阻電極，當電極上加有電壓時，產(chǎn)生的擴散電阻隨溫度變化。利用這一特性可制成溫度傳感器。從而能獲得成本低、各項性能優(yōu)良的傳感器。樹脂型傳感器的響應(yīng)速度，在空氣中為5s，溫度系數(shù)為0．72％／℃，比鎳線電阻式傳感器的0．5％／℃高22％。

5．晶體管式溫度傳感器

在一定電流下，硅晶體管的基極和發(fā)射極間的偏置電壓隨溫度而改變，根據(jù)這一原理，制成了晶體管式溫度傳感器。例如MTS102傳感器，當溫度在-40～150℃的范圍內(nèi)，其精度為±2℃，溫度系數(shù)為-2．25mV／℃。帶塑料外殼時，置于空氣中的響應(yīng)速度為8s，置于液體中的響應(yīng)速度為3s。

6．雙金屬片式溫度傳感器

    (1)結(jié)構(gòu) 

雙金屬片式溫度傳感器是利用雙金屬片的溫度特性制成的一種溫度傳感器，如冷起動定時開關(guān)，它由殼體、雙金屬片、加熱線圈、觸點等構(gòu)成。

冷起動定時開關(guān)是個溫度一時間開關(guān)，用螺紋連接方式安裝在發(fā)動機出水口處，以檢測發(fā)動機水溫。此開關(guān)內(nèi)部有一常閉觸點，其活動臂由雙金屬片制成。雙金屬片由兩片熱膨脹系數(shù)不同的金屬片粘合而成，隨著溫度的變化，兩個金屬片產(chǎn)生熱膨脹差，溫度較低時，雙金屬片保持原來的狀態(tài)；溫度升高到一定程度時，雙金屬片向低膨脹系數(shù)的金屬片一側(cè)彎曲。在雙金屬片周圍繞有兩個加熱線圈，加熱后可使雙金屬片彎曲，從而使觸點斷開。發(fā)動機暖機到一定溫度后，原來閉合的觸點應(yīng)為斷開狀態(tài)。

(2)冷起動定時開關(guān)的工作原理 

在發(fā)動機處于冷機狀態(tài)下，定時開關(guān)觸點閉合。當冷起動時，點火開關(guān)處于起動位置，起動電源端有電流流過。電流由蓄電池經(jīng)點火開關(guān)、冷起動噴油嘴、定時開關(guān)的雙金屬片、觸點、接地形成回路，使冷起動噴油嘴噴油。與此同時，也有電流流經(jīng)定時開關(guān)的加熱線圈，兩個加熱線圈使雙金屬片受熱，當其彎曲而斷開觸點時，冷起動噴油器停止噴油。

起動后，起動開關(guān)斷開，點火開關(guān)由起動位置轉(zhuǎn)至斷開位置，沒有電流流經(jīng)冷起動噴油器，使其停止噴油。與此同時，兩個加熱線圈均斷電，但此時發(fā)動機已處于暖機狀態(tài)，其水溫升高到足以使雙金屬片彎曲，觸點被斷開，也就是說發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)時，冷起動噴油器定時開關(guān)的觸點保持斷開狀態(tài)，冷起動噴油器不噴油。

    汽車制造商都根據(jù)自身的設(shè)計規(guī)定了冷起動噴油器定時開關(guān)的工作溫度，如日產(chǎn)系列的為18℃以下，豐田系列的為35℃以下。水溫越低，冷起動噴油器的工作時間就越長。冷起動噴油器噴油時間取決于噴油閥門打開的時間長短。