摘要
摘 要
温度是个很普遍而又非常重要的参数，在日常生活、工农业生产以及汽车领域都有着广泛的应用。因此，研制能够准确地测试和记录这个参数值并能够进行数据传输的系统具有十分重要的意义。
发动机温度传感器包括水温和进气温度传感器,是电控发动机中众多传感器中的一种,是现代发动机的感觉器官,其作用是感知冷却水和进气的温度并将感知的温度转换成电信号向电控单元输出。根据感知温度的高低对喷油量作出进一步的修正,从而使发动机处于最佳的工作状态运行。一旦温度传感器损坏或工作不正常,则电控发动机将会工作失常,出现故障。因此对发动机温度传感器测试系统的研究十分重要。
本课题描述了基于汽车温度传感器的种类、原理，并研究了汽车发动机温度传感器的工作过程及其检测方式。根据现在车用温度传感器的发展趋势，本课题详细介绍了AD590集成温度传感器的机构和特性，并论述了其原理。最后设计一个具有温度测量、测试结果显示等基本功能的汽车冷却液温度传感器测量系统，该系统能准确检测传感器的性能，方法可行，能保证测试系统测试数据的准确性和可靠性。
关键词：测试系统；AD590传感器；性能检测；发动机
I
Abstract
Abstract Temperature is a very common and very important parameter, in daily life, agricultural production and automotive fields have a wide range of applications.Therefore, the development can accurately test and record the parameter values and be able to sense data transmiion system is very important.Engine temperature sensor includes a temperature and intake air temperature sensor, electronically controlled engine, a large number of sensors are the sensory organs of modern engine, its role is perceived cooling water and inlet air temperature and perceived temperature into electrical signals output to the electronic control unit.According to the temperature level of perception to make further amendments to the fuel injection quantity, so that the engine is running at its best working condition.Once the temperature sensor is damaged or not working properly, the electronically controlled engine will malfunction, failure.So research on engine temperature sensor test system is very important.This paper describes a temperature sensor based on the type of car, principles, and studied the work procees and their detection methods automotive engine temperature sensor.According to the current development trend of the car with a temperature sensor, this paper details the mechanism and characteristics of the AD590 integrated temperature sensor, and discues its principle.A final design has a temperature measurement, test results show that the basic functions for the automotive coolant temperature sensor measurement system，The system can accurately detect the performance of the sensor, the method is feasible, to ensure the accuracy and reliability of the test system data.Key words: testing system ;AD590 sensor ; performance test ; engine II
目录
目
录
摘 要 ..............................................................................................................................................I Abstract ............................................................................................................................................II 目
录 ............................................................................................................................................III 第1章 绪论 ...................................................................................................................................1
1.1 本课题的研究背景 ...........................................................................................................1 1.2 汽车发动机温度传感器的研究意义及研究现状与发展趋势 .......................................1
1.2.1汽车发动机温度传感器的研究意义 ....................................................................1 1.2.2汽车发动机温度传感器的研究现状 ....................................................................1 1.2.3 温度传感器的发展方向 .......................................................................................2 1.3汽车发动机温度传感器的重要性及调节分析 ................................................................2
1.3.1、进气温度传感器 .................................................................................................2 1.3.
2、冷却液温度传感器 .............................................................................................3 1.4本文主要研究任务 ............................................................................................................5 第2章 车用温度传感器感器的种类和原理 ...............................................................................6
2.1车用温度传感器种类 ........................................................................................................6 2.2车用温度传感器原理及介绍 ............................................................................................6
2.2.1热电偶温度传感器原理及介绍 ............................................................................6 2.2.2.热电阻温度传感器原理及介绍 ...........................................................................7 2.2.3.AD590温度传感器原理及介绍 ..........................................................................10 2.2.4.LM135/235/335温度传感器原理及介绍 ..........................................................10
第3章 发动机温度传感器工作过程及其检测原理 .................................................................11
3.1发动机温度传感器概述 ..................................................................................................11 3.2 温度传感器的控制电路及工作原理 ..............................................................................11 3.3温度传感器的性能检测 ..................................................................................................12 3.4 温度传感器输出信号电压检测 ......................................................................................14 3.5 温度传感器的示波器检测 ..............................................................................................14 第4章 温度传感器AD590的结构及工作原理 .........................................................................15
4.1 AD590结构 ......................................................................................................................15 4.2 AD590工作原理 ..............................................................................................................16 4.3本章小结 ..........................................................................................................................18 第5章 汽车冷却液温度传感器性能及其检测方法 .................................................................19
5.1冷却液温度传感器性能检测概述 ..................................................................................19 5.2 作用 .................................................................................................................................19 5.3分类 ..................................................................................................................................20
5.3.1绕线电阻式温度传感器 ......................................................................................20 5.3.2热敏式温度传感器 ..............................................................................................20 5.4冷却液温度传感器的工作过程 ......................................................................................20 5.5冷却液温度传感器的测试 ..............................................................................................21
5.5.1就车检测 ..............................................................................................................21 5.5.2单件测试 ..............................................................................................................22 5.5.3传感器电压测试 ..................................................................................................23 5.5.4桑塔纳2000GLi型轿车冷却液温度传感器的检测 ..........................................24
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5.6 本章小结 .........................................................................................................................25 第6章 总结与展望 .....................................................................................................................26
6.1工作总结 ..........................................................................................................................26 6.2未来展望 ..........................................................................................................................26 参考文献.........................................................................................................................................27 致谢 ................................................................................................................................................29
IV
第1章 绪论
第1章 绪论
1.1 本课题的研究背景
一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器。称重传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS传感器、生物传感器等新兴传感器。其中，无线传感器在近几年复合年增长率超过了25%，预计未来增长速度会更快。[1]
1.2 汽车发动机温度传感器的研究意义及研究现状与发展趋势
1.2.1汽车发动机温度传感器的研究意义
与传统的温度计相比，由于采用了改进型智能温度传感器AD590作为检测元件，本数字温度计减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。AD590温度计还可以在过限报警、远距离多点测温控制等方面进行应用开发，具有很好的发展前景。AD590是一种可组网的高精度数字式温度传感器，由于其具有单总线的独特优点，可以使用户轻松地组建起传感器网络，并可使多点温度测量电路变得简单、可靠。
在该论文中，我们通过对单片机和温度传感器的设计，从中学到了许多有用的东西，其中我们明白了如何去设计一个产品，首先要有性价比、良好的适应性，其次要知道设计的关键，最后也懂得了设计与实际的联系。
1.2.2汽车发动机温度传感器的研究现状
目前，全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型称重传感器的出现与市场份额的扩大。[3]
我国改革开放在“发展高科技，实现产业化”、“大力加强传感器的开发和在国民经济中的普遍应用”等一些列政策导向和支持下，在蓬勃发展的我国电子信息产业市场的推动下，传感器已形成了一定的产业基础，并在技术创新、自主研发、成果转化和竞争能力等方面有了长足进展，为促进国民经济的发展做出了重要贡献。但由于国内的半导体产业起步较晚，基础比较薄弱，对温度传感芯片
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的设计和研究才处于起步阶段，与国际先进技术相比还存在相当大的差距。为此，相关的企业和部门正朝着更高的目标前进，做出了一系列积极的尝试和探索，例如由中国电子器材总公司主办的、由中国电子元件行业协会等公司共同携手组织的“中国热敏电阻及温度传感器展览会”，该展览会是中国最大的热敏电阻及温度传感器展，以共同探讨交流中国“热敏电阻及温度传感器”之发展机会，促进行业发展。
1.2.3 温度传感器的发展方向
近年来全球传感器产业取得了飞速发展，随着中国加大对电子新兴产业的投资力度，公众对公共安全、健康监测、环保等诸多领域的关注加强，可以预测传感器的市场前景将远远超过计算机、互联网、移动通信等。面对激烈的市场竞争、科技的快速发展以及物联网等新兴市场的崛起，国内传感器企业应该把握机遇，着眼于全球市场，以竞争者的姿态去迎接全球市场的挑战，努力发展和规划自有品牌，让中国的传感器企业在市场竞争中占有一席之地。[5]
随着新技术新工艺的发现，多学科的交叉融合，未来传感器的发展与竞争也将趋于白热化。综合现阶段的技术以及基础知识，我们可以展望未来的温度传感器的主要发展方向为：
（1）提高测温精度和分辨力
（2）增加测试功能
（3）总线技术的标准化与规范化 （4）可靠性及安全性设计
（5）虚拟温度传感器和网络温度传感器
（6）单片测温系统
1.3汽车发动机温度传感器的重要性及调节分析
1.3.1、进气温度传感器
除卡门涡旋式空气流量传感器以外，其余发动机均装有进气温度传感器，如图1-1所示。进气温度传感器可以装在空气流量传感器或进气压力传感器内，也可以装在进气道上某个部位。发动机进气温度高时控制单元会减少喷油脉宽，反之增加喷油脉宽。
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第1章 绪论
图1-1 进气温度传感器与ECU的连接电路图
进气温度传感器搭铁线接触不良，数据流会显示异常低温，低温空气密度高，会加大喷油脉宽，造成混合汽过浓。传感器短路，数据流会显示异常高温，高温空气密度低，会减少喷油脉宽，造成混合汽过稀。进气温度传感器温度越高混合汽越浓，传感器断路或搭铁不良会造成混合汽过稀，导致启动困难。
1.3.2、冷却液温度传感器
冷却液温度传感器端子为2针，一根为输入信号线，另一根为输出信号线；端子为4针，则4针分别为输入信号线、输出信号线、控制单元搭铁线和仪表板搭铁线，如图1-2所示。冷却液温度传感器一般装在发动机后侧节温器或散热器出水孔处，负责喷油脉宽、暖机、点火提前角、自动变速器变矩器锁止和超速挡的控制以及空调的控制。主要作用有：
（1）责控制混合汽浓度，温度越低，混合汽越浓；温度越高，混合汽越稀。 （2）负责控制暖机时发动机转速，40℃以下转速为1500r/min，40～70℃转速为1100r/min。
（3）责控制散热器风扇，85℃以上开始低速旋转，105℃开始高速旋转。 （4）负责控制自动变速器，56℃以上变矩器进入锁止工况，70℃变速器允许进入超速挡。
（5）负责控制空调，120℃空调退出控制。
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图1-2 冷却液温度传感器
发动机冷却液温度传感器短路，数据流会显示100℃以上的高温，造成混合气体过稀，无法启动；传感器断路或搭铁线接触不良，数据流会显示-30℃以下的低温，造成混合汽过浓，排气管冒黑烟。
图1-3 冷却液温度传感器与电控单元的连接（a）
OBD-Ⅰ系统设定发动机控制单元将冷却液温度传感器感应温度界定-35～120℃之间，若超出或低于这个范围，控制单元便可判断传感器发生故障，而在此范围内不会出现故障码。若冷却液温度传感器短路，打开点火开关时数据流就显示冷却液温度超过100℃，但由于没达到120℃，所以不会留下故障码。
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第1章 绪论
图1-4 冷却液温度传感器与电控单元的连接（b）
OBD-Ⅱ系统对组合电器的监控，主要是将提供相关信息或共同信息的传感器的信息进行比较，以便判断具体哪个传感器故障，是短路还是断路等信息。如将冷却液温度传感器的信息和进气温度传感器的信息或启动后的时间进行比较，就可以得出冷却液温度传感器的信息是否准确，传感器是否有短路还是断路的故障。所以冷却液温度传感器短路后OBD-Ⅱ系统会留下故障码。 1.4本文主要研究任务
在本文设计中，先以学习汽车温度传感器种类和原理及其汽车发动机的温度测试系统为目的，研究了车用温度传感器的发展现状和趋势，并详细了解了集成温度传感器AD590的结构、原理和特性。最后设计汽车发动机冷却液温度测试系统进行传感器温度测试，并检查分析测试结果的可靠性和准确性，得出相应的结论。
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第2章 车用温度传感器感器的种类和原理
2.1车用温度传感器种类
汽车上的温度传感器可分为传统模拟的温度传感器和集成温度传感器。传统的模拟温度传感器，有热电偶、热敏电阻等。集成温度传感器有LM39
11、LM3
35、LM
45、AD22103电压输出型、AD590电流输出型。这里分别介绍该类器件的几个典型。
2.2车用温度传感器原理及介绍
2.2.1热电偶温度传感器原理及介绍
热电偶是一种感温元件,它把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在Seebeck电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系,制成热电偶分度表，分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时,只要该材料两个接点的温度相同,热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此,在热电偶测温时,可接入测量仪表,测得热电动势后,即可知道被测介质的温度。[7]
由热电偶的基本作用原理知道，一热电偶的测量温度主要决定于热端和冷端温度差所产生的热电势，如此，虽然热端所处的温度保持恒定不变，但由于冷端产生不规则的温度改变，则所测得的温度值也就成为一原理知道，一热电偶的测量温度主要决定于热端和冷端温度所产生的热电势，如此虽然热端变数，或不能代表被测处的实际温度。热电偶温度补偿公式如下：
E(t，0)=E(t,t0)+E(t0，0)。其中，E(t0，0)是实际测量的电动势，t代表热端温度，t0代表冷端温度，0代表O℃。在现场温度测量中，由于热电偶冷端温度一般不为O℃，而是在一定范围内变化着，因此测得的热电势为E(t，t0)。如果要测得真实的被测温度所对应的热电势E(t，0)，就必须补偿冷端不是0℃所需
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第2章 车用温度传感器的种类和原理
的补偿电势E(t0，0)，而且，该补偿电势随冷端温度变化的特性必须与热电偶的热电特性相一致，这样才能获得最佳补偿效果。
热电偶的结构形式：热电偶的基本结构是热电极，绝缘材料和保护管；并与显示仪表、记录仪表或计算机等配套使用。在现场使用中根据环境，被测介质等多种因素研制成适合各种环境的热电偶。热电偶简单分为装配式热电偶，铠装式热电偶和特殊形式热电偶；按使用环境细分有耐 高温热电偶，耐磨热电偶，耐腐热电偶，耐高压热电偶，隔爆热电偶，铝液测温用热电偶，循环硫化床用热电偶，水泥回转窑炉用热电偶，阳极焙烧炉用热电偶，高温热风炉用热电偶，汽化炉用热电偶，渗碳炉用热电偶，高温盐浴炉用热电偶，铜、铁及钢水用热电偶，抗氧化钨铼热电偶，真空炉用热电偶，铂铑热电偶等。
2.2.2.热电阻温度传感器原理及介绍
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。
与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即Rt=Rt0[1+α(t-t0)]式中，Rt为温度t时的阻值;Rt0为温度t0(通常t0=0℃)时对应电阻值;α为温度系数。相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高(通常在数千欧以上)，但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50至300℃左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200至500℃范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。
热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。
热电阻种类：
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（1）精密型热电阻：工业常用热电阻感温元件(电阻体)的结构及特点。从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制。
(2)铠装热电阻：铠装热电阻是由感温元件(电阻体)、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为φ2至φ8mm，最小可达φ1mm。
(3)端面热电阻：端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。
(4)隔爆型热电阻：隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型热电阻可用于B1a至B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。
工业上常用金属热电阻从电阻随温度的变化来看，大部分金属导体都有这个性质，但并不是都能用作测温热电阻，作为热电阻的金属材料一般要求：尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大(在同样灵敏度下减小传感器的尺寸)、在使用的温度范围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系(最好呈线性关系)。
目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜：铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小;铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质，超过150易被氧化。中国最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等几种，它们的分度号分别为Pt
10、Pt100、Pt1000;铜电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号为Cu50和Cu100。其中Pt100和Cu50的应用最为广泛。 热电阻的信号连接方式热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。[10]
目前热电阻的引线主要有三种方式 ：
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第2章 车用温度传感器的种类和原理
○1二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻R，R的大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。
○2三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。
○3四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。
热电阻采用三线制接法。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线(从热电阻到中控室)也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。工业上一般都采用三线制接法。热电偶产生的是毫伏信号，不存在这个问题。
热电阻测温系统的组成：
(1)热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点：①热电阻和显示仪表的分度号必须一致；②为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。
(2)铠装热电阻是由感温元件(电阻体)、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为φ2~φ8mm，最小可达φ1mm。
(3)端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材料绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。
(4)隔爆型热电阻隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影电阻体的断路修理必然要改变电阻丝的长短而影响电阻值，为此更换新的电阻体为好，若采用焊接修理，焊后要校验合格后才
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能使用。
2.2.3.AD590温度传感器原理及介绍
AD590是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器，供电电压范围为3~30V，输出电流223μA（-50℃）~423μA（+150℃），灵敏度为1μA/℃。当在电路中串接采样电阻R时，R两端的电压可作为喻出电压。注意R的阻值不能取得太大，以保证AD590两端电压不低于3V。AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。作为一种高阻电流源，最高可达20MΩ，所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。[12]
2.2.4.LM135/235/335温度传感器原理及介绍
LM135/235/335系列是美国国家半导体公司（NS）生产的一种高精度易校正的集成温度传感器，工作特性类似于齐纳稳压管。该系列器件灵敏度为10mV/K，具有小于1Ω的动态阻抗，工作电流范围从400μA到5mA，精度为1℃，LM135的温度范围为-55℃~+150℃，LM235的温度范围为-40℃~+125℃，LM335为-40℃~+100℃。封装形式有TO-
46、TO-9
2、SO-8。该系列器件广泛应用于温度测量、温差测量以及温度补偿系统中。
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第3章 发动机温度传感器工作过程及检测原理
第3章 发动机温度传感器工作过程及其检测原理
3.1发动机温度传感器概述
发动机温度传感器包括水温和进气温度传感器,是电控发动机中众多传感器中的一种,是现代发动机的感觉器官,其作用是感知冷却水和进气的温度并将感知的温度转换成电信号向电控单元(ECU)输出。ECU根据感知温度的高低对喷油量作出进一步的修正,从而使发动机处于最佳的工作状态运行。一旦温度传感器损坏或工作不正常,则电控发动机将会工作失常,出现故障。例如,当电喷车出现怠速过高,过低,混合气稀或冒黑烟,冷车不好发动等故障时,应想到要检测一下水温传感器是否正常。因此,掌握发动机温度传感器的检测方法在汽车检测与故障诊断技术中显得十分重要。[15]
3.2温度传感器的控制电路及工作原理
水温传感器一般安装在缸体水道或节温器上;进气温度传感器安装在空气流量计或进气管道内。水温和进气温度传感器的的控制电路见图3-1和3-2所示。
水温和进气传感器多采用负温度系数的热敏电阻。ECU中的固定电阻R与传感器的热敏电阻串联组成一分压器。接通点火开关,ECU首先通过固定电阻R给传感器输出一个5V(或12V)的参考电压,热敏电阻的阻值变化时,固定电阻R所分得的电压值(即传感器的信号电压)随之变化,见图3-1和3-2所示。
当温度变低时,热敏电阻的电阻值增大,电路中的电流减小,ECU检测到的信号电压增高,当温度升高，热敏电阻的阻值逐渐减小,电路中的电流增大,固定电阻上的电压逐渐增大,因此ECU检测到的信号电压逐渐降低,根据信号ECU将逐渐修正喷油量。
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图3-1 进气温度传感器控制电路
图3-2 进气温度传感器控制电路
3.3温度传感器的性能检测
就车检测：水温传感器的插头上有两根线,一根是信号打铁回路线,另一根是信号线,首先拔下传感器的插头,打开点火开关,把数字万用表的两个表笔分别插入拔下的插头两端,万用表上显示电压应该在417～510V之间,显示负值,可以互换表笔,如果没有电压或电压很低,就要检查线路和电脑板信号端是否正常。信号电压正常后，插回插头,这时电压有所降低,然后启动发动机运转,观察电压随不同温度变化,水温越低时电压越高,水温越高时则电压越低。如果是这样,基本可以认为传感器是好的。再用万用表的电阻档检测传感器两端子间的电阻,其电阻值应与温度成反比。
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第3章 发动机温度传感器工作过程及检测原理
图3-3 温度传感器电阻与温度关系表
车下检测：关闭点火开关,拔掉水温传感器插头,从发动机上拆下传感器,用数字万用表的电阻档测传感器两个端子与外壳之间电阻,阻值均应为兆欧以上。用万用表测传感器两端子之间的电阻应该有20千欧以下的电阻值。再将温度传感器的探头放入一个盛有热水的容器中,按照图3-4所示的连接方法连接好,并测出相应温度的电阻值。这个阻值随温度变化应符合相应车型的标准值,否则应该更换温度传感器。图3-3列出几款常用车型的冷却液温度传感器电阻与温度的对应关系仅供参考。
图3-4 温度传感器车下检测简图
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3.4温度传感器输出信号电压检测
将点火开关关闭,插好温度传感器上的电插,再将点火开关打开,用数字万用表的电压档测量传感器或电控单元(ECU)上的“THN”、“THA”与“E2”端子之间的电压信号,见图3-1所示。不同温度下的信号电压值应符合规定。 3.5温度传感器的示波器检测
用汽车专用示波器检测,按照使用说明书上的要求对示波器进行初始设定并将传感器的输入信号线连接好。发动机起动以后,持续观察温度变化时电信号的变化情况,其电压显示线应平顺地向下移动,见图3-5所示。如果有波纹出现的干扰反应,表示传感器的热敏电阻反应不良,应该更换传感器,见图3-6所示。
图3-5 正常温度传感器的信号波形
图3-6 不良的温度传感器信号波形
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第4章 温度传感器AD590的结构及工作原理
第4章 温度传感器AD590的结构及工作原理
4.1 AD590结构
AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值，直接输出与热力学温度成比例的电流信号,在输出端串联一个电阻则转换为电压信号。除此之外,AD590 还具有测温不需要参考点、抗干扰能力强、互换性好等优点。
图4-1 AD590内部电路图
AD590的内部电路图如图4-1所示,简化电路如图4-2所示。该传感器由多个晶体管和电阻组成,其中晶体管制作在一个半导体单面基片上,因此它们的特性、损耗和发射极面积能够相互匹配。整体分析图4-2,该电路可看作由两个镜象电流源构成。其中,晶体管和组成上镜象电流源,和组成下镜象电流源。如果设上镜象电路的输出是输入,则的输入是上镜象电路的输出。
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图4-2 AD590简化电路
4.2 AD590工作原理
设各晶体管为理想晶体管(即它们的电流放大系数β趋于无穷大),则知
I0IC3IC4(1)
IIC4IIe4IC3由于镜角电流源Q1和Q2的作用:C3,e3。因此I02IC32Ie3 (2)
IPN结理想伏安特性表达式为:I=s(eVVTI-1)=S(eqVKT-1) (3)
II对晶体而言,上式中I 即为发射极电源e;S为集电极—发射极反向饱和电流;V为基极与发射极之间的电压Vbe;VT为温度的电压当量(即荷,K为玻尔兹曼常数,T为热力学温度。
当温度在-55℃～155℃之间时,VT近似在0104V～0.05V之间。这一般的硅管,VbeKTq),q为电子电约为十分之几伏,故eVbeVT>>1。因此,(3)式可改写为
Ie≈
IseVbeVT,即
Vbe≈VT1n(Ie/IS) (4) 所以, Vbe3≈VT1n(Ie3IS3Vbe4VTII/),≈1n(e4/S4)。
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第4章 温度传感器AD590的结构及工作原理
由图4.1(b)知
Vbe4=Vbe3+IeR (5) 所以VR=Ie3R=Vbe4Vbe3
=VT1n〔(Ie4/IS4)/(Ie3/IS3)〕=VT1n(IS3/IS4) (6) 由于IS正比于各晶体管发射极的面积S,所以(6)式可改写为VR=VT1n(S3/S4) (7) S
3、S4分别为晶体管Q
3、Q4发射极的面积。若S3=NS4，则VR=VT1n(N),即Ie3R=VT1n(N),Ie3=(VT/R)1n(N)。因此I0=2Ie3
=(2VT/R)1n(N) =(2KT/Rq)1n(N)(8) 所以I0/T=(2K/Rq)1n(N)(9) 由上式知,当电阻R的阻值给定时,I0/T为一恒定值。适当选取R值,理论上I0可使T为1.0000μA/K(K为热力学温度单位)。
由上面的分析知,AD590的输出电流I0与它所处的热力学温度T成线性关系,因此实现了温度至电流强度的线性转换。
与图4-2相比,图4-1虚线框内增加了一些电路。它们用以改善镜象电流源Q1和Q2,使之工作时更接近理想电流源(高阻抗),从而减弱输入电压变化的影响。经测试,当AD590两端的电压在+4V和+30V之间时,即使电压有变化,输出的电流信号也没有影响或影响很小所以AD590 具有消除电源波动的特性。
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图4-3 测量电路
AD590电流温度特性性测量电路如图4-3所示,V为PZ114型四位半直流数字电压表,R=1000Ω,保持电源电压稳定,分别使AD590处于一系列不同的温度点Ti,通过测量V得出相应的输出电流Ii。对所得的数据点用最小二乘法进行拟合,可得经验公式I=αT+γ 4.3本章小结
AD590温度传感器不但实现了温度转换为线性化电量测量,而且精确度高、互换性好，在热交换实验中有热损耗存在,且与容器的尺寸结构有关,在量热器的容积一定时,容器的高度为一特定值时可使量热器的热损耗为最小。
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第5章 汽车冷却液温度传感器性能及其检测方法
第5章 汽车冷却液温度传感器性能及其检测方法
5.1冷却液温度传感器性能检测概述
汽车发动机一般以水为冷却介质，冷却水的温度由装在发动机冷却水套上的水温传感器测量。目前，各种车型普遍使用负温度系数的热敏电阻型水温传感器。要准确的控制发动机冷却水的温度，热敏水温传感器的性能一定要可靠。这就提出了水温传感器性能测试的问题。
为了确定发动机的温度状态，正确的控制燃油喷射、点火正时、怠速转速和尾气排放，提高发动机的运行性能，发动机控制模块需要能连续精确地监测冷却液的温度、进气温度与排气温度的传感器(部分车型装备)。从结构上讲，这些温度传感器有绕线电阻式、热敏电阻式、扩散电阻式、半导体晶体管式、金属芯式和热电偶式等。应用较多的是绕线电阻式和热敏电阻式温度传感器。而从检测对象方面讲，温度传感器包括发动机冷却液温度传感器、进气温度传感器和排气温度传感器。 5.2 作用
发动机冷却液温度传感器又称水温传感器如图5-1，它用来检测发动机冷却液的温度，并将温度信号转变成电信号输送给发动机控制模块，作为汽油喷射、点火正时、怠速和尾气排放控制的主要修正信号。
图5-1 发动机冷却液温度传感器
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5.3分类
5.3.1绕线电阻式温度传感器
在绝缘绕线架上绕上高纯度的镍线，再罩上适当的外套而制成，利用其电阻值随温度变化而变化的特性来测量冷却液温度和进气温度。其精度在1％以内，响应特性较差，响应时间约为15s。[17]
5.3.2热敏式温度传感器
热敏式温度传感器利用的半导体是电阻随温度变化而变化的特性，其灵敏度较高。有NTC(负热敏系数)和PTC(正热敏系数)两种。热敏式传感器的响应特性比绕线电阻式传感器优良，因而被广泛地运用于检测发动机冷却液和进气温度，如图5-2所示为热敏式温度传感器结构。
图5-2 热敏式温度传感器
5.4冷却液温度传感器的工作过程
如图5-3所示为冷却液温度传感器与发动机控制模块之间的连接电路。其中一根线通过发动机控制模块为传感器提供搭铁信号，有些车型的温度传感器用壳体直接搭铁；而另外一根线是作为传感器的信号输出线，发动机控制模块就是用这根线向传感器提供一个5V的参考电压，同时也是通过这根线上的反馈电压来监测温度的高低。当温度上升的时候，传感器的电阻将减小，传感器两端的电压降也将下降，发动机控制模块就是根据该电压降来反映温度的高低。由此可知，对于负热敏系数的温度传感器而言，温度越高，传感器的电阻值越小，传感器的信号电压越低。20世纪80年代及以后生产的车型上的大多数燃油温度传感器、发动机冷却液温度传感器和进气温度传感器都是按照相同的模式运行，即它们都属于负温度系数的热敏电阻。通常情况下，燃油温度传感器、进气温度传感器和冷却
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第5章 汽车冷却液温度传感器性能及其检测方法
液湿度传感器电阻的变化范围是从-40℃时的100000Ω到130℃时的50Ω；传感器的电压变化范围从冷态时的略小于5V到正常工作时的1V～2V。如果传感器的电路中出现开路，那信号电压将保持5V的参考电压，如果传感器的电路中出现与地短路，那信号电压将保持OV。
图5-3 温度传感器与发动控制模块之间的连接
5.5冷却液温度传感器的测试
下面以发动机冷却液温度传感器为例，讲述其测试过程，进气温度传感器和排气温度传感器的测试方法与此相同。发动机冷却液温度传感器是一个比较重要的传感器，如果其损坏，会造成发动机起动困难、运行性能过差的故障。因而对发动机冷却液温度传感器进行正确的测试很重要。
测试所需的仪器设备：如果只是想测试传感器的电阻和电压信号，使用汽车专用万用表就可以了，而要想观察传感器的整个信号变化过程，则需使用汽车专用示波器。
5.5.1就车检测
关闭点火开关，拔下发动机冷却液温度传感器的导线连接器，按图5-4所示，用汽车专用万用表测量其电阻值，温度越高，传感器的电阻应越小。否则更换冷却液温度传感器。
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图5-4 冷却液温度传感器电阻测量
5.5.2单件测试
关闭点火开关，拔下发动机冷却液温度传感器的导线连接器，从发动机上拆下冷却液温度传感器。如图5-5所示，在一个容器里加不同温度的水，然后测量传感器的电阻值。其电阻值应在如图5-6类似的两条标准值公差曲线之间。如果其电阻在两条曲线以外，则需更换发动机冷却液温度传感器。
图5-5 性能测试
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第5章 汽车冷却液温度传感器性能及其检测方法
图5-6 电阻测试范围曲线
5.5.3传感器电压测试
利用汽车专用万用表进行测试：
把发动机冷却液温度传感器正确安装在车上，起动发动机。用温度表测量冷却液实际温度，同时用检测仪读取电脑确认的冷却液温度值。另用电压表从传感器接头背面测量信号电压值，记录下在不同温度下(如20℃、40℃、60℃、80℃、100℃)的电压值，然后用一条平滑的曲线将各个电压值连接起来。如果在两条曲线以外，则须按图5-7中的方法查找故障。
图5-7 故障检测流程
利用汽车专用示波器进行测试：
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利用示波器的记忆功能，可以显示温度上升过程中，传感器电压的变化轨迹。方法是将发动机冷却液温度传感器安装到发动机上，插好连接器。把示波器的COM检测探针连接到温度传感器的搭铁线、蓄电池的负极接线柱或发动机的缸体上；把示波器的信号检测探针连接到传感器通往发动机控制模块的信号输出端(THW)上。然后起动发动机(注意：起动前最好是凉车)，随着发动机运转时间的延长，发动机冷却液的温度逐渐升高，此时传感器的信号电压也将越来越低，在冷却液达到正常工作温度后，电压基本稳定。对于相同车型的温度传感器，如果系统运行正常，那这些车辆冷却液温度传感器的电压一时间的特性曲线应基本重合。
5.5.4桑塔纳2000GLi型轿车冷却液温度传感器的检测
该系统的冷却液温度传感器安装在出水管上，感温元件也采用负温度系数热敏电阻，传感器电路图如图5-8所示，其检测方法如下。[20]
图5-8 传感器电路图
①关闭点火开关，接入检测盒V.A.G1598，拔下冷却液温度传感器插头，将万用表连接到冷却液温度传感器l号和2号端子之间，打开点火开关，用电压档检测供电电压，应接近于5V。
②检测冷却液温度传感器的电阻随温度变化的对应值，方法与进气温度传感器的方法相同。
③装回冷却液温度传感器插头，打开点火开关，检测两端子之间或检测盒第30号、45号插孔之间的输出电压(与温度有关)，应在0．5V～2.5V之间。
④检测冷却液温度传感器插头l号端子与ECU插头的45号端子之间的电阻，
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第5章 汽车冷却液温度传感器性能及其检测方法
冷却液温度传感器插头2号端子与ECU插头的30号端子之间的电阻，其阻值均不应发大于0.5Ω。
从中可以看出，此负温度系数热敏电阻传感器满足：温度升高时，电阻值下降；而温度降低时，电阻值升高。但是由于存在内热温升的影响，所以在电流不断增大的条件下，随着被测温度的变化，其阻值将有下降的趋势。 5.6 本章小结
根据以上数据及其曲线分析可知，本设计基本满足测试此类传感器性能的要求。其改进设计可以大大减少测试所需投入的人力和时间，提高工作效率，并且性能测试
精
，
设
备
构
建
成
本
低
廉
。
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第6章
总结与展望
第6章 总结与展望
6.1工作总结
本文简单介绍了汽车温度传感器的发展概况与发展趋势，研究了汽车温度传感器的现下的研究背景，简述了车用温度传感器的分类，分析了汽车发动机温度传感器对汽车发动机的作用及其故障分析，根据车用温传感器的发展趋势和特点研究了集成芯片温度传感器AD590的结构、原理、特性。最后设计了汽车冷却液温度传感器测试系统，根据数据分析得：方案可行，测试结果准确，满足测试系统的要求。 6.2未来展望
由于自身知识水平和研究时间的限制，本论文还存在很多的不足之处，这些有待于进一步的探讨和研究。本文存在的问题和研究前景展望如下：
（1）由于各方面条件的限制，没有进行汽车在运行状态下的汽车温度测试系统检测，存在较多的不足。
（2）仅仅对冷却水温度传感器系统进行了测试，没有对整个汽车温度传感器测试系统和与其相关的系统进行整体测试和数据分析，而在实际情况下，汽车各测试系统是相互影响的，在以后的研究中还要进一步改进，考虑其他因素的影响。
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参考文献
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致谢
致谢
从论文的选题到课题研究的开展，从课题的研究到论文的撰写，都是在我的指导老师的悉心关怀和耐心指导下进行的。为此，在这里我向老师致以深深的谢意。
我的指导老师对待治学的态度十分的严谨，这对我产生了很深的影响。在刚开始进行课题研究时，在研究方式和方法中出现过错误，但是，老师孜孜不倦的教导和精心的关怀下，我认真的完成了每一步工作。在此即将毕业之际，我再次的向我的导师表示感谢。
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