自制傳感器模型在汽車運用與維修專業教學中的應用

許文強

摘要：現代汽車采用了許多機電一體化自動控制技術，如EFI發動機燃油噴射技術、ASR防滑系統、SRS輔助安全氣囊等，這些高新技術對中職學校的學生來說在接受過程中存在一定困難，在掌握傳感器的工作原理上會有一定的壓力。我們制作幾款簡單傳感器，揭開傳感器神秘的面紗，突破汽修專業課教學難點。

關鍵詞：中職汽修;自制傳感器;動手制作;解決難點

中圖分類號：G712 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）06-0215-02

一、汽車傳感器現狀

對于汽車而言現在任何一種類型電子自動控制系統，一般都有三大組成部分：把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的傳感部分，也就是傳感器;接受信號并計算處理信號，按照程序發出指令的控制部分，也就是我們平時說的電子控制單元（ECU）;接收控制信息并對受控對象施加控制作用的裝置，也就是執行器。汽車自動控制系統中的傳感器就好像人的五官，時時感受外界的變化信息。如汽車電子燃油噴射系統（EFI）中就有專門用于探測溫度的進氣溫度傳感器（IATS）、用于測量空氣流量和壓力的空氣流量計（MAF）、用于探測混合氣濃度的氧傳感器、用來檢測曲軸轉角位移的曲軸位置傳感器（CKPS）。這些傳感器把發動機的各種工況以電信號傳輸給汽車電子控制單元（ECU），然后通過電子控制單元（ECU）的對比、邏輯分析，最后計算出噴油器通電時間（即噴油量），并接通噴油器電磁閥電路（噴油器是電磁閥類執行器，安裝在燃油軌上）精確控制噴油器噴油與否、噴油量和噴油時刻。

汽車傳感器的種類很多，根據傳感器的作用，分為測量溫度、壓力、流量、位置、速度、光亮度、干濕度、距離的、有熱式的、葉片式、磁感應式的、霍爾式的等等。基于每一種傳感器的原理與結構各不相同，又加上近年來車型層出不窮，以至于功能相同的傳感器也有著各種各樣的差異，使得中職學生在學習過程中會對傳感器的工作過程產生一種神秘感。我們制作了幾件簡單的傳感器裝置，目的是讓中職學生明白傳感器的原理就是運用我們日常熟悉的基本物理原理，如磁效應、熱效應、電阻、電流等，并不是我們想象的那樣神秘莫測，同時讓學生明白只有動手才能學到真正的汽修知識。

二、車用電磁感應式傳感器

很多汽車用的速度傳感器是采用了電磁感應的原理制作而成：當輸出軸轉動時，停車鎖定齒輪的凸齒不斷地靠近或離開車速傳感器，使線圈內的磁通量發生改變，從而產生交流電，車速越高，輸出軸轉速也越高，感應電壓脈沖也越高，電控組件根據感應電壓脈沖的大小計算汽車行駛的速度。再如凸輪軸/曲軸位置傳感器（CPS）就是利用電磁感應原理產生脈沖信號的，當發動機工作時轉子隨分電器一起轉動，當轉子上的突齒與感應線圈靠近時，突齒阻擋一部分磁通，減少的磁通使線圈兩端產生大小變化的感應電動勢，ECU即根據變化的感應電動勢產生的脈沖信號確定發動機轉速和各缸工作情況。我們設計了一個演示磁感應原理的簡單模型，如下圖1所示。

1.演示材料：演示模型支架一個;直徑和長度均相等的管子三根，其中一根為完好的鋁管，一根為側面縱向有一縱槽的鋁管，一根為塑料管;三根透明橡膠短管;三個球形永磁鐵;三個發光二極管;塑料底板和木塊若干;細線和橡皮筋各三根;三個發光二極管并聯的完整電路，三個裝有常開磁性開關的底座。

2.演示設計：先將長度均為70厘米的三根管子最上部分別套上三根橡膠短管，并用橡皮筋垂直固定在安裝有金屬底座的模型支架上，三根管子之間的距離依次為20厘米;然后選取相同的球形強磁性磁鐵三個，大小適中，能在管子中無阻礙下落，把這三個永磁鐵放在三根管子的最上方，也就是管子和透明橡膠管之間的擋片（擋片上有細線做成的拉線）上，使永磁鐵暫時不下落;最后把三個發光二極管并聯接入電路中，在管子的正下方安裝三個裝有常開磁性開關的底座（開關控制二極管電路的通斷）。

3.演示過程：同時拉動木塊做成的擋片上的拉線，讓三個永磁鐵同時分別沿著各自的管子自由落下。

4.演示現象：三個球形永磁鐵同時開始下落，但下落的快慢各不一樣，與塑料管相連的二極管最先發光，說明塑料管中的磁鐵最先落下，也就是下落最快;接著是與縱向有一縱槽的鋁管相連的二極管發光，說明這個管子中的永磁鐵下落較快;最后發光的是與完好鋁管相連的二極管，說明完好二極管中的永磁鐵下落最慢。

5.演示分析：通過這個模型演示，我們分析球形磁鐵在下落的過程中會使各管中的磁通量發生變化，但因為管子的材料和材質不同，磁通量的變化產生的感應電動勢也不一樣。對于塑料管而言，磁通量的變化不能產生感應電動勢，因為只有金屬在變化的磁場中產生感應電動勢，所以塑料管就不會產生阻礙磁鐵下落的磁通，這個管中的磁鐵完全做自由落體運動。而完好的鋁管能夠在變化的磁場中產生一個較大的感應電動勢，相應地也就會產生較多的阻礙磁鐵下落的磁通，使磁鐵在下落的過程中受到與重力相反的阻力，所以在該管中下落時間變長了。同理，有一縱槽的鋁管也能產生一個感應電動勢，但這個感應電動勢要比完好鋁管產生的感應電動勢小，較小的感應電動勢產生較少的阻礙磁鐵下落的磁通，因此該管中磁鐵下落速度比完好的鋁管要快一些，但比塑料管又要慢一些。通過底座上發光二極管發光的先后次序指示，我們可以清楚地明白電磁感應原理在這個模型中的應用。

6.演示意義：我們通過這個電磁感應演示模型既能使中職學生體會電磁感應把外界的信號轉變成電信號的原理，又是一堂很好的實訓課。從更大的意義上來講培養了中職生實訓操作能力，從而能夠更加全面提高中職學生的動手能力。

三、汽車溫度傳感器

現代汽車使用的溫度傳感器種類很多，有進氣溫度傳感器（IATS）、冷卻液溫度傳感器（ECTS），工作原理非常類似。用得最多的是熱敏電阻式溫度傳感器，它由熱敏電阻和引出導線組成，由半導體材料制成的熱敏電阻，其電阻具有隨溫度變化而改變的特性，由電阻的變化來轉變成溫度的變化。我們結合教學制作了下面這套溫度傳感器的演示教具，利用生活中的實例讓學生理解溫度傳感器的工作原理。

上圖2是自動滅火模型，用一句話簡單概括就是把日光燈的啟輝器當作溫度傳感器制作的一款簡單溫控裝置。這個模型取材方便，制作過程也相當簡單，我們只需要一臺電風扇、一個啟輝器、一根蠟燭和一些電線就可以了。它的原理是這樣的：當燃燒的蠟燭給啟輝器加熱時，啟輝器受熱膨脹，從而使它內部的觸點開關閉合，而這個開關剛好是控制電風扇電路的，電路接通電風扇開始工作，再利用電風扇把蠟燭吹滅，蠟燭滅了以后就不能給啟輝器加熱了，這時啟輝器中的雙金屬絲發生冷縮，因為雙金屬的冷縮性能不一樣，就會向加熱時相反的方向彎曲，當達到一定程度時觸點斷開，相應的電路也斷開，風扇停止運轉。這里的啟輝器雙金屬絲就相當于溫度傳感器中的熱敏電阻。雖然實驗原理和設備非常簡單，但學生聽起來覺得很新鮮又有趣，傳感器就在身邊，理解了溫度的變化通過傳感器（日光燈啟輝器）能夠轉換成電信號輸送給控制元件，然后執行某項動作。

教師自己動手自制傳感器教具，不但能使教學內容更加形象、生動，而且能使學生觸類旁通，解決了專業教學理論的抽象性，也激發了中職學生學習專業知識的興趣，活躍了課堂教學氣氛，實實在在理解了看似神秘復雜其實簡單的傳感器原理，在汽修專業教學中發揮了很好的作用。

參考文獻：

[1]張西振，韓梅.汽車發動機構造與維修[M].北京：機械工業出版社，2012

[2]楊維和主編.汽車構造[M].北京：人民交通出版社，1998

[3]顧建國主編.汽車發動機維修[M].北京：人民交通出版社，1999

[4]于振洲主編.汽車構造與維修——發動機分冊[M].長春：吉林科學技術出版社，1999

[5]趙英勛等主編.汽車檢測與診斷技術[M].北京：機械工業出版社，2003

[6]劉仲國編著.現代汽車檢測與診斷[M].北京：機械工業出版社，2001