气压力传感器 什么是压电压力波（PWP）传感器？看完就懂了
什么是压电压力波（PWP）传感器？看完就懂了
压电材料作为感知电力设备放电、振动等信号的关键材料，在电力设备振动监测、放电检测、探伤、温度测量、电压传感等领域得到广泛应用。
压电材料在压电传感器件中的应用多种多样，其核心在于机械能和电能的相互转换：压电材料受机械振动（压电振动传感器）、声波传导（压电声传感器）等机械外力作用时晶格形变，引起极化状态的变化，输出传感电信号，或通过对压电材料受电场作用产生的形变进行测量来反映电场大小（压电电压传感器）。
声波信号可较好地实现与电信号的耦合与相互转换。根据声波激励、传播和耦合方式的不同，压电声传感器可分为压电超声传感器、声表面波传感器、电声脉冲传感器、压力波传感器等。
除压电电声脉冲传感器外，压电压力波（Pressure Wave Propagation, PWP）传感器同样被广泛用于固体介质空间电荷测量。
不同压电压力波传感器产生压力波的方式略有不同，如利用薄压电陶瓷片产生压力脉冲即压电感应压力波传播法（PIPWP）、利用PVDF压电薄膜产生压力脉冲（压电压力波传播法（Piezo-PWP））等，但测量原理基本相同：产生压力波在介质中传播引起介质产生形变，导致介质内部局部电场的微小变化，从而在外电路上感应出对应的电压或者电流信号，由此反映绝缘介质内部的空间电荷分布情况。常见压电压力波传感器测试装置如图1所示。
压力波阶跃上升沿宽度或脉冲宽度应尽可能窄（远小于介质厚度），以提高压电压力波传感器分辨率和灵敏度。郑飞虎等研究发现，压电薄膜厚度、电脉冲下降沿宽度、背衬层材料及声传播介质等因素都会对压力波脉冲波形和脉冲宽度产生影响，实际测试时选用25μm压电薄膜产生脉宽约50ns的单极性压力波声脉冲。
图1 压电压力波传感器测试装置
目前压电压力波传感器的理论模型与测量技术已经基本明晰，在工业界已开始推广应用。如S.Holé等将压电压力波传感器用于欧洲BESTPATHS项目中高压超导直流电缆绝缘测试，在极低温度下对液氮/纸复合绝缘空间电荷分布进行了测量，其测试装置如图2所示。
图2 压电压力波传感器测试装置
本文编自2021年第7期《电工技术学报》，论文标题为“压电材料与器件在电气工程领域的应用”，作者为姚睿丰、王妍 等。
4种进气压力传感器的结构、原理、检测、维修方法，了解一下
进气压力传感器为进气歧管压力传感器的简称，主要应用于D型电子控制燃油喷射系统中。用于检测进气歧管内的压力变化，并把该信号转换为电信号，和转速信号一同提供给电子控制单元（ECU），作为确定喷油器基本喷油量的重要参数之一。
进气压力传感器的种类较多，但应用较广泛的主要有半导体压敏电阻式、真空膜盒式与电容式进气压力传感器。通常安装在缸盖上，采用连接管与进气管相连接。
压敏电阻式进气压力传感器的结构与原理
下图所示为压敏电阻式进气压力传感器的结构示意图。该传感器主要由压力转换元件和放大压力转换元件输出信号的混合集成电路为主构成。压力转换元件是利用半导体的压电效应制成的硅（膜）片。硅（膜）片的一面是真空区，另一面作用的是进气管压力，其工作原理与电磁式进气压力传感器基本相同。
进气压力传感器检测的是节气门后方的进气歧管的绝对压力，它根据发动机转速和负荷的大小检测出歧管内绝对压力的变化，然后转换成信号电压送至电子控制单元（ECU），ECU依据该信号电压的大小，去控制基本喷油量的大小。
工作原理：
下图所示为压敏电阻式进气压力传感器的工作原理示意图。图（a）中的R是图（b）中的应变电阻R1、R2、R3、R4，它们构成惠斯顿电桥与硅膜片粘接在一起，硅膜片在歧管内的绝对压力作用下可以变形，从而引起应变电阻R阻值的变化，歧管内的绝对压力越高，硅膜片的变形越大，电阻R的阻值变化也越大，这就将硅膜片机械式的变化转变成了电信号，再由集成电路放大后提供给ECU。
压敏电阻式进气压力传感器的输出特性：
发动机工作时，随着节气门开度的变化，进气歧管内的真空度、绝对压力以及输出信号特性曲线均在变化。D型喷射系统中检测的是节气门后方的进气歧管内的绝对压力。在大气压力不变的条件下（标准大气压力为101.3kPa），歧管内的真空度越高，反映歧管内的绝对压力越低，真空度等于大气压力减去歧管内绝对压力的差值。而歧管内的绝对压力越高，说明歧管内的真空度越低，歧管内的绝对压力等于歧管外的大气压力减去真空度的差值，即大气压力等于真空度和绝对压力之和。
发动机工作中，节气门开度越小，进气歧管的真空度越大，歧管内的绝对压力越小，输出信号电压越低。节气门开度越大，进气歧管的真空度越小，歧管内的绝对压力越大，输出信号电压越大。输出信号电压与歧管内真空度的大小成反比（负特性），与歧管内绝对压力的大小成正比（正特性）。
2.
真空膜盒式进气压力传感器的结构与原理
真空膜盒式进气压力传感器又称为膜盒测压器，该传感器在D型燃油喷射系统中用于测量进气管的进气压力，并提供给ECU作为燃油喷射与点火控制的主信号。
真空膜盒式进气压力传感器根据膜盒的机械运动变换成电信号输出方式的不同分类，可以分为可变电阻式（又称为电位计式）、差动变压器式 与可变电感式三种。前两种应用较多，后一种应用较少。
★ 差动变压器式进气压力传感器的结构与原理如下：
下图所示为节气门开启状态时电磁式进气压力传感器的结构示意图。该传感器主要由传感线圈、铁芯、弹片、真空膜盒、进气歧管接头等组成。
工作原理： 外部的气压变化时，视其压力或真空度的大小，膜盒就会产生凸出或凹进的现象，通过传动机构，便使线圈中铁芯的位置发生改变，从而使线圈中穿过的磁通量发生了改变，于是线圈便产生大小不同的感应电动势，由此就把电压变化的物理量转换成了由线圈两端输出的电量。
★ 可变电阻式进气压力传感器的结构与原理如下：
下图（a）所示为可变电阻式进气压力传感器的外形结构示意图，图（b）所示为歧管真空度高时传感器的结构示意图，图（c）所示为歧管真空度低时传感器的结构示意图。该传感器主要由移动片（膜盒片）、可变电阻器、进气歧管接头、电器引出脚等组成。图（b）与（c）中的字母A脚接供电电源；B脚接发动机电子控制单元（ECU）；C脚接地，也就是搭铁。
工作原理： 电阻型进气压力传感器的工作原理与电磁式进气压力传感器基本相似。它是通过进气歧管内气体的绝对压力的增加或降低，使移动片上、下移动，由移动片带动电阻中间滑动点移动，由此就可使B端的电压上升或降低，这种变化的电压就反映了进气歧管内气体的绝对压力。B端输出的电压送到ECU后，ECU根据送来的信号控制喷油器打开的时间加长或缩短，以此来控制喷油量。
3.
电容式进气压力传感器的结构与原理
电容式进气压力传感器也应用在D型燃油喷射系统中，用于测量进气管的进气压力，并提供给ECU作为燃油喷射量的控制。电容式进气压力传感器的结构与原理如下：
上图所示为电容式进气压力传感器的结构示意图，主要由厚膜电极、氧化铝膜片、绝缘介质、电极引脚（引线）等组成。电容式进气压力传感器的检测信号为来自于进气歧管的进气压力信号。
工作原理： 电容式进气压力传感器是将氧化铝膜片与底板彼此靠近排列、形成电容，利用电容随膜片上下压力差的变化而改变性能，来得到与压力成正比的电容值信号。该信号被送到与传感器集成在一起的混合集成电路的振荡电路中后，就可以获得可变频率的信号，该信号的输出频率通常在80~120Hz之间，与进气歧管的绝对压力成正比。这样，ECU就会依据该信号的频率来感知进气歧管绝对压力的大小，进而对燃油喷射量进行控制。
4.
进气压力传感器输出电压与节气门位置之间的关系
了解进气压力传感器输出电压与节气门位置之间的关系对于判断传感器的故障具有一定的帮助。
上图所示为汽车发动机燃油喷射系统压敏电阻式进气压力传感器与电子控制单元（ECU）之间的连接方式。车系不同，进气压力传感器端脚标记会有所不同。
输出电压与真空度的关系：
正常情况下，进气压力传感器输出电压与歧管内真空度的大小成反比（负特性），与歧管内绝对压力的大小成正比（正特性）。
进气压力与电压之间的关系：
通常情况下，当发动机怠速运转时，节气门开度最小，传感器信号输出端脚PIM信号电压在0.7~1.6V之间（不同车系，该电压值有差异）；当节气门开度加大、发动机转速升高时，真空度随之降低，输出信号电压升高，但最高不会超过5V。
5.
进气压力传感器的通用检测与维修方法
对任何类型进气压力传感器的检测，均应在确认传感器的连接线路、插接件均无问题的情况下进行。
01
压敏电阻式进气压力传感器的检测与维修方法
对压敏电阻式进气压力传感器的检测主要是检测其供电电压与输出电压是否正常，以此来判断其好坏。
供电检测： 拔下进气压力传感器插头，打开点火开关，如下图所示，测量传感器插头上VCC端子与E2端子之间的电压，应为4.5~5.5V。如无电压，则应检查ECU相应端子上的电压。若ECU相应端子上的电压正常，则为ECU至传感器之间的线路有故障；若ECU相应端子上无电压，则为ECU本身故障。
输出电压检测： 如下图（a）所示，采用手动真空泵对进气压力传感器施以13.3~66.7kPa的负压（真空度），同时如图（b）所示采用万用表直流电压挡测量ECU连接器上PIM与E2两端脚之间的电压，应符合如下表所列值的变化规律。如果检测的结果不符合下表所列值的变化规律，且相差较大，则可能是进气压力传感器损坏。
压敏电阻式进气压力传感器的真空度与电压值之间的关系
02
手持真空泵检测进气压力传感器的检测与维修方法
对进气压力传感器的检测，也可以单独给它施加真空来进行。检测时，拆下通向进气压力传感器的真空管，把手持真空泵接在进气压力传感器的真空管接头上。当施加的真空度为0时，相当于进气歧管内的绝对压力很高，信号电压为4.5V左右；当施加的真空度为75时，相当于进气歧管内的绝对压力很低，信号电压为1V左右。这时若立即打开真空开关，真空泵的读数应从75kPa不停滞地回到原来的位置，同时信号电压也应跟随上升，这就说明该进气压力传感器性能良好。
03
真空膜盒式进气压力传感器的检测与维修方法
真空膜盒式进气压力传感器较易出现问题的部位是真空软管连接松动、破裂、感应线圈折断、短路等。
供电检测：断开点火开关，拔下传感器插接件插头，万用表置于50VDC范围的电压挡，如下图所示，在连接器插头的一侧将万用表两表笔连接好后，接通点火开关，万用表应显示蓄电池电压（12V）。否则，应对连接线进行检测，看其是否有断裂、短路现象存在。
输出电压检测： 将插接件重新插好，万用表置于10V范围的直流电压挡，如下图所示，两表笔连接在信号输出端与搭铁端之间；然后将点火开关置于闭合“ON”位置，观察万用表指示的电压值是否随不同状况发生变化，具体情况见下表所列。
不同状况时万用表指示的输出电压值关系
04
电容式进气压力传感器的检测与维修方法
电容式进气压力传感器在福特系列轿车D型喷射发动机上应用较多。连接方式与引脚功能和压敏电阻式进气压力传感器基本相同。
检测思路： 对电容式进气压力传感器的检测，除了采用普通万用表检测其电源电压、信号电压、传感器与电源之间的连接导线导通性情况来判断其好坏外，也可以采用汽车数字式万用表检测其频率来判断其好坏。
检测方法： 接通点火开关，在发动机没有运转时，采用汽车数字式万用表检测电容式进气压力传感器两端之间的频率约为160Hz；减速时检测到的频率为80Hz左右；怠速时检测到的频率为105Hz左右。当进气压力输出信号消失或者超出其工作范围（频率小于80Hz或大于160Hz），则说明该传感器损坏或不良，应进行修理或更换。
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