陶瓷傳感器在汽車上的應(yīng)用
日期:2016-7-18 21:46:20 作者: 流量:
1.檢測汽車溫度
一輛汽車檢測溫度一般需用10 余只陶瓷溫度傳感器。例如,發(fā)動機(jī)電噴系統(tǒng)需要連續(xù)精確地測量冷卻水溫度、進(jìn)氣溫度、排氣溫度的傳感器,以便根據(jù)溫度變化修正或補(bǔ)償燃油噴射量,改變怠速轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)值等,獲得最佳空燃比;負(fù)溫度系數(shù)NTC 熱敏電阻的溫度特性為一種指數(shù)函數(shù),隨溫度升高電阻值減小,有負(fù)溫度特性、靈敏度高、價格便宜等特點(diǎn),常用作檢測冷卻水和進(jìn)氣以及機(jī)油溫度傳感器;NTC 熱敏電阻由Mn、Cu、Ni、Fe 等過渡金屬氧化物配方,經(jīng)陶瓷燒結(jié)工藝制作,按配方的不同,主要分為二元系、三元系、四元系等材料。工作溫度范圍在-200℃~130℃的NTC 用于水溫進(jìn)氣溫度的檢測,其結(jié)構(gòu)是將NTC電阻裝配在螺栓型金屬外殼內(nèi),與電控單元的電阻串聯(lián)。另一類以BaTiO3 為主要材料,與金屬氧化物混合燒結(jié)制成的正溫度系數(shù)PTC 熱敏電阻,則用作汽車的液面水平傳感器或低溫啟動加熱元件。
2.檢測汽車尾氣
利用固體電解質(zhì)氣敏陶瓷材料,研制出用于汽車尾氣監(jiān)測的氧傳感器,測定尾氣排放中的氧濃度來檢測發(fā)動機(jī)空燃比,除可節(jié)省燃油外,還能減少CO、NO2 等有害氣體的排放量。ZrO2氧傳感器因靈敏度高、可靠性好,在汽車的實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)采用這種類型,其主要結(jié)構(gòu)由產(chǎn)生電動勢的U 形ZrO2 電解質(zhì)敏感管以及起電極作用的襯套、電阻加熱器、有廢氣進(jìn)口的防護(hù)外殼、多孔陶瓷帽組成。ZrO2 管的內(nèi)外表面涂覆有薄薄一層R,Pt 既作電極又具有電動勢放大作用,以及R 涂覆在ZrO2 管上的催化作用,外電極是測量電極,內(nèi)電極是參比電極。氣體通過多孔陶瓷帽(擴(kuò)散障)的氣量小,排氣溫度低時,由電控單元給電阻加熱器通電加熱,保證氧傳感器正常工作。ZrO 氧傳感器安裝在歧管或前排氣管內(nèi),在400℃高溫下,敏感管內(nèi)外面存在氧濃度差時就會產(chǎn)生電動熱,提供0~1V 的反饋信號,通過檢測廢氣中的氧壓比,非常適于空燃比的控制。按工作原理,可分為濃差電池型和電化學(xué)泵的極限電流型氧傳感器,這兩種結(jié)構(gòu)類似,制造工藝相似,分別適宜理論空燃比和稀薄燃燒系統(tǒng)空燃比的控制。此外,TiO2、Nb2O5 和CeO2 等氧化物陶瓷氧傳感器、薄膜和厚膜型氧傳感器的研發(fā)及在汽車中的應(yīng)用開發(fā)也在積極深入開展。
汽車采用柴油發(fā)動機(jī)作動力時,除氧傳感器外,用氮氧化物NOx 傳感器進(jìn)一步改善燃燒狀態(tài)和廢氣再處理也是十分重要的。利用濺射法在氧化鋁基板上形成約100μm 厚的ZnO 及SnO2 薄膜,然后加上電極,并在基板內(nèi)側(cè)裝上加熱器,構(gòu)成NOx 傳感器。NOx 在薄膜表面上吸附負(fù)電荷,NOx 濃度增加時,薄膜電阻增大,在3~15s 內(nèi)即可檢測出廢氣中的NOx濃度,靈敏度為5~800ppm。
3.檢測汽缸工作狀態(tài)
基于壓阻效應(yīng)的壓電陶瓷可以監(jiān)測汽缸工作的狀態(tài)。壓電陶瓷爆震傳感器由壓電陶瓷振子、金屬片、密封墊、金屬外殼等構(gòu)成。壓電振子產(chǎn)生的電荷與發(fā)動機(jī)氣缸發(fā)生的振動成正比,所產(chǎn)生的電壓經(jīng)屏蔽線進(jìn)入電控單元,由此檢測出7kHz 左右振動所產(chǎn)生的電壓,電控單元根據(jù)這一電壓的大小判斷爆震強(qiáng)度,及時修正或相應(yīng)推遲點(diǎn)火提前角消除爆震,使發(fā)動機(jī)在接近爆震、熱效率最高、燃料消耗量最少的點(diǎn)火時刻工作,實(shí)現(xiàn)無爆震工作狀態(tài),保證發(fā)動機(jī)以最大可能的功率與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)運(yùn)轉(zhuǎn)。
4.指導(dǎo)汽車安全駕駛
基于壓阻效應(yīng)的超聲波傳感器用作汽車倒車防撞報警裝置,也被稱為超聲波倒車?yán)走_(dá)或倒車聲納系統(tǒng),尤其適用于加長型裝載汽車、載重大貨車、礦山汽車等大型車輛。超聲波傳感器通常由鋁合金外殼、壓電陶瓷換能器、吸聲材料、引線電極所構(gòu)成,具有水平方向特性寬,而垂直方向受到限制的方向性,原理上利用鋇鈦酸鉛PZT 壓電陶瓷在電能與機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的正、逆壓電效應(yīng),即在壓電陶瓷上加一電信號,便產(chǎn)生機(jī)械振動而發(fā)射超聲波,當(dāng)超聲波在空氣傳播途中碰到障礙物立即被反射回來,作用于壓電陶瓷時,則會有電信號輸出,通過數(shù)據(jù)處理時間差測距,計算能顯示出車與障礙物的距離與危險相撞時及時報警,可準(zhǔn)確無誤地探測汽車尾部及駕車者視角盲區(qū)的微小障礙物,實(shí)用性相當(dāng)強(qiáng)。為獲得高的發(fā)射效率和接收靈敏度,發(fā)射接收全并在一起的自發(fā)圓盤彎曲振動換能器的超聲波傳感器是目前市場上的主流產(chǎn)品,具有很高的發(fā)射效率與接收靈敏度以及尖銳的指向性。超聲波有一定的探測角度和范圍,欲覆蓋汽車后部整個區(qū)域,窄體車輛需裝用2 只超聲波傳感器,而寬體車輛則需安裝4 只或更多。
陶瓷加速度傳感器可用于汽車安全氣囊系統(tǒng),利用碰撞慣性形成的慣性力會在壓電陶瓷體內(nèi)產(chǎn)生剪切力作用,由此發(fā)生與加速度成正比的電荷及電壓,高精度、可靠,能快速分辨碰撞實(shí)況。將兩枚壓電陶瓷片通過內(nèi)部的共同電極串聯(lián)粘接起來,形成二極結(jié)構(gòu),安裝在運(yùn)動方向上并形成懸臂梁,并與外圍電路厚膜集成制作在一個外殼內(nèi)。用于檢測汽車瞬間的低速或高速碰撞強(qiáng)度,轉(zhuǎn)換成電信號輸出,滿足診斷控制多種算法要求,確保碰撞強(qiáng)度大時,安全氣囊準(zhǔn)確及時開啟,提高汽車安全性能。
5.檢測汽車濕度
濕敏陶瓷的特點(diǎn)是測濕范圍寬,響應(yīng)時間較快,生產(chǎn)工藝較簡單,是汽車濕度傳感器的主要材料。適用于車窗玻璃防霜、結(jié)露和發(fā)動機(jī)化油器進(jìn)氣部分空氣濕度的檢測。濕度傳感器的內(nèi)部裝有用金屬氧化物系列陶瓷材料制成的多孔燒結(jié)體,利用燒結(jié)體表面對水分子的吸附作用來敏感濕度,其靈敏度取決于材料的氣孔率及孔徑,感濕特征量為電阻,呈負(fù)的濕敏特性。
當(dāng)燒結(jié)體吸附了水分子時,其電阻值會發(fā)生變化,由鍍覆電極輸出,濕度增加時阻值減少,相對濕度從0 變化為100%RH 時,傳感器的電阻值將有數(shù)千倍的變化,由此檢測出濕度變化。
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