自制传感器模型在汽车运用与维修专业教学中的应用

许文强

摘要：现代汽车采用了许多机电一体化自动控制技术，如EFI发动机燃油喷射技术、ASR防滑系统、SRS辅助安全气囊等，这些高新技术对中职学校的学生来说在接受过程中存在一定困难，在掌握传感器的工作原理上会有一定的压力。我们制作几款简单传感器，揭开传感器神秘的面纱，突破汽修专业课教学难点。

关键词：中职汽修;自制传感器;动手制作;解决难点

中图分类号：G712     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）06-0215-02

一、汽车传感器现状

对于汽车而言现在任何一种类型电子自动控制系统，一般都有三大组成部分：把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的传感部分，也就是传感器;接受信号并计算处理信号，按照程序发出指令的控制部分，也就是我们平时说的电子控制单元（ECU）;接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置，也就是执行器。汽车自动控制系统中的传感器就好像人的五官，时时感受外界的变化信息。如汽车电子燃油喷射系统（EFI）中就有专门用于探测温度的进气温度传感器（IATS）、用于测量空气流量和压力的空气流量计（MAF）、用于探测混合气浓度的氧传感器、用来检测曲轴转角位移的曲轴位置传感器（CKPS）。这些传感器把发动机的各种工况以电信号传输给汽车电子控制单元（ECU），然后通过电子控制单元（ECU）的对比、逻辑分析，最后计算出喷油器通电时间（即喷油量），并接通喷油器电磁阀电路（喷油器是电磁阀类执行器，安装在燃油轨上）精确控制喷油器喷油与否、喷油量和喷油时刻。

汽车传感器的种类很多，根据传感器的作用，分为测量温度、压力、流量、位置、速度、光亮度、干湿度、距离的、有热式的、叶片式、磁感应式的、霍尔式的等等。基于每一种传感器的原理与结构各不相同，又加上近年来车型层出不穷，以至于功能相同的传感器也有着各种各样的差异，使得中职学生在学习过程中会对传感器的工作过程产生一种神秘感。我们制作了几件简单的传感器装置，目的是让中职学生明白传感器的原理就是运用我们日常熟悉的基本物理原理，如磁效应、热效应、电阻、电流等，并不是我们想象的那样神秘莫测，同时让学生明白只有动手才能学到真正的汽修知识。

二、车用电磁感应式传感器

很多汽车用的速度传感器是采用了电磁感应的原理制作而成：当输出轴转动时，停车锁定齿轮的凸齿不断地靠近或离开车速传感器，使线圈内的磁通量发生改变，从而产生交流电，车速越高，输出轴转速也越高，感应电压脉冲也越高，电控组件根据感应电压脉冲的大小计算汽车行驶的速度。再如凸轮轴/曲轴位置传感器（CPS）就是利用电磁感应原理产生脉冲信号的，当发动机工作时转子随分电器一起转动，当转子上的突齿与感应线圈靠近时，突齿阻挡一部分磁通，减少的磁通使线圈两端产生大小变化的感应电动势，ECU即根据变化的感应电动势产生的脉冲信号确定发动机转速和各缸工作情况。我们设计了一个演示磁感应原理的简单模型，如下图1所示。

1.演示材料：演示模型支架一个;直径和长度均相等的管子三根，其中一根为完好的铝管，一根为侧面纵向有一纵槽的铝管，一根为塑料管;三根透明橡胶短管;三个球形永磁铁;三个发光二极管;塑料底板和木块若干;细线和橡皮筋各三根;三个发光二极管并联的完整电路，三个装有常开磁性开关的底座。

2.演示设计：先将长度均为70厘米的三根管子最上部分别套上三根橡胶短管，并用橡皮筋垂直固定在安装有金属底座的模型支架上，三根管子之间的距离依次为20厘米;然后选取相同的球形强磁性磁铁三个，大小适中，能在管子中无阻碍下落，把这三个永磁铁放在三根管子的最上方，也就是管子和透明橡胶管之间的挡片（挡片上有细线做成的拉线）上，使永磁铁暂时不下落;最后把三个发光二极管并联接入电路中，在管子的正下方安装三个装有常开磁性开关的底座（开关控制二极管电路的通断）。

3.演示过程：同时拉动木块做成的挡片上的拉线，让三个永磁铁同时分别沿着各自的管子自由落下。

4.演示现象：三个球形永磁铁同时开始下落，但下落的快慢各不一样，与塑料管相连的二极管最先发光，说明塑料管中的磁铁最先落下，也就是下落最快;接着是与纵向有一纵槽的铝管相连的二极管发光，说明这个管子中的永磁铁下落较快;最后发光的是与完好铝管相连的二极管，说明完好二极管中的永磁铁下落最慢。

5.演示分析：通过这个模型演示，我们分析球形磁铁在下落的过程中会使各管中的磁通量发生变化，但因为管子的材料和材质不同，磁通量的变化产生的感应电动势也不一样。对于塑料管而言，磁通量的变化不能产生感应电动势，因为只有金属在变化的磁场中产生感应电动势，所以塑料管就不会产生阻碍磁铁下落的磁通，这个管中的磁铁完全做自由落体运动。而完好的铝管能够在变化的磁场中产生一个较大的感应电动势，相应地也就会产生较多的阻碍磁铁下落的磁通，使磁铁在下落的过程中受到与重力相反的阻力，所以在该管中下落时间变长了。同理，有一纵槽的铝管也能产生一个感应电动势，但这个感应电动势要比完好铝管产生的感应电动势小，较小的感应电动势产生较少的阻碍磁铁下落的磁通，因此该管中磁铁下落速度比完好的铝管要快一些，但比塑料管又要慢一些。通过底座上发光二极管发光的先后次序指示，我们可以清楚地明白电磁感应原理在这个模型中的应用。

6.演示意义：我们通过这个电磁感应演示模型既能使中职学生体会电磁感应把外界的信号转变成电信号的原理，又是一堂很好的实训课。从更大的意义上来讲培养了中职生实训操作能力，从而能够更加全面提高中职学生的动手能力。

三、汽车温度传感器

现代汽车使用的温度传感器种类很多，有进气温度传感器（IATS）、冷却液温度传感器（ECTS），工作原理非常类似。用得最多的是热敏电阻式温度传感器，它由热敏电阻和引出导线组成，由半导体材料制成的热敏电阻，其电阻具有随温度变化而改变的特性，由电阻的变化来转变成温度的变化。我们结合教学制作了下面这套温度传感器的演示教具，利用生活中的实例让学生理解温度传感器的工作原理。

上图2是自动灭火模型，用一句话简单概括就是把日光灯的启辉器当作温度传感器制作的一款简单温控装置。这个模型取材方便，制作过程也相当简单，我们只需要一台电风扇、一个启辉器、一根蜡烛和一些电线就可以了。它的原理是这样的：当燃烧的蜡烛给启辉器加热时，启辉器受热膨胀，从而使它内部的触点开关闭合，而这个开关刚好是控制电风扇电路的，电路接通电风扇开始工作，再利用电风扇把蜡烛吹灭，蜡烛灭了以后就不能给启辉器加热了，这时启辉器中的双金属丝发生冷缩，因为双金属的冷缩性能不一样，就会向加热时相反的方向弯曲，当达到一定程度时触点断开，相应的电路也断开，风扇停止运转。这里的启辉器双金属丝就相当于温度传感器中的热敏电阻。虽然实验原理和设备非常简单，但学生听起来觉得很新鲜又有趣，传感器就在身边，理解了温度的变化通过传感器（日光灯启辉器）能够转换成电信号输送给控制元件，然后执行某项动作。

教师自己动手自制传感器教具，不但能使教学内容更加形象、生动，而且能使学生触类旁通，解决了专业教学理论的抽象性，也激发了中职学生学习专业知识的兴趣，活跃了课堂教学气氛，实实在在理解了看似神秘复杂其实简单的传感器原理，在汽修专业教学中发挥了很好的作用。

参考文献：

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