曾教授與古董保時捷

13.1    位置感測器

13.2    溫度感測器

13.3    壓力感測器

13.4    其他

一般的電子儀器只能測量電子訊號，因此要求輸入的信號為電信號。非電量訊息需要轉換成與非電量有關係的電子訊號，再進行測量，而實現這種轉換技術的器件被稱為感測器。如果拿人的行為來與車子相較的話，感官、人腦、肢體就好比車子的感測器、ECU和執行器，其運作關係如下圖所示。

現代汽車電子控制中，感測器廣泛應用在引擎、底盤和車身的各個系統中。汽車感測器在這些系統中擔負著資訊蒐集和傳輸的功用，資訊由ECU進行處理後，向執行器發出指令，進行電子控制。各個系統的控制過程正是依靠感測器及時識別外界的變化和系統本身的變化，再根據變化的資訊去控制系統本身的工作的。早期汽車在沒有電腦之前就先安裝了傳感器在車體內，當車子故障時再藉由外接電腦來與感測器連接而了解問題所在。

感測器的分類

感測器的種類繁多，分類方法也很多，但目前一般採用兩種分類方法；一種是按感測器的工作原理分類，另一種是按被測參數分類。

在本章節選用了被測參數作為分類依據，將車用感測器以測量的位置、壓力、溫度和其他四種類別，其中其他類別裡可能是以偵測空氣流量、震動或化學變化等較複雜的參數所構成其分類表如下所示。

感測器輸入訊號比較

除了測量的物理量不同外，感測器輸出到ECU的電壓訊號也會隨著不同的運用原理而有所不同，現今大部分的感測器均還是以類比訊號為主，但輸出數位訊號的感測器開發將可能是未來的主流。

13.1 位置感測器

c.1 直接接觸式石英壓電感測器

此種感測器通常要額外加工以安裝在汽缸上，結構圖如下圖所示。儀器的外殼以密閉熔接方式使石英元件固定殼內，而緊密焊接於外殼上的膜片則使外界環境壓力傳達至石英體，該元件即生出一正比立關係的電壓值。

MYD-1360壓電式壓力感測器

c.2 墊片式壓電感測器

墊片式壓力感測器其結構如下圖所示，其中壓電材料則多以PZT材料(成份為鉛、氧化鋯以及鈦等)為主，並使用銅質電極環與抗高溫、腐蝕效果甚佳的矽封膠當絕緣材料。當汽缸內點火、爆炸、燃燒導致壓力上升時，會推動火星塞本體，使壓電元件產生一與汽缸壓力成正比之電壓訊號輸出到ECU。

彈性元件

13.4 其他

爆震傳感器

何謂爆震?

  引擎的爆震是指汽缸內的可燃混合氣在點火的火焰尚未到達之前，因壓力增加而產生自燃現象所導致的缸體震動，如圖所示。而產生爆震的原因則可能是由點火角過於提前、引擎溫度過高和氣缸內積碳所造成。

爆震感測器即是利用爆震時所產生的振動來轉換成電壓訊號傳送給ECU進行判斷。當有爆震時減小ECU會減少其點火提前角，而無爆震時則會增大點火提前角來達到最佳的扭力輸出值。爆震感測器通常安裝在燃燒室中或是火星塞上。

爆震感測器分類:

1.電感式爆震感測器

其結構圖如圖所示，當引擎振動時，會使磁心振動偏移，線圈內產生感應電動勢，輸出電壓信號，其大小與振動頻率有關，爆震時發生諧振，輸出最大信號。

2.壓電式爆震感測器

其原理如同壓電式壓力感測器當發生爆燃時，振子與引擎共振，壓電元件輸出的信號電壓也有明顯增大、易於測量，如下圖所示。

b 空氣流量感測器

空氣流量感測器是用來直接或間接檢測進入發動機氣缸空氣量大小，並將檢測結果轉變成電信號輸入電子控制單元ECU。電子控制汽油噴射發動機為了在各種運轉工況下都能獲得最佳濃度的混合氣，必須正確地測定每一瞬間吸入發動機的空氣量，以此作為ECU計算(控制)噴油量的主要依據。電子引擎的空氣流量感測器有多種型式，其分類如下:

位置實體圖

翼片式空氣流量計

翼片式流量計的結構，如下圖所示。在主進氣道內安裝有一個可繞軸旋轉的翼片；在引擎工作時，空氣經空氣濾清器後推動翼片旋轉，使其開啟。翼片開啟角度由進氣量產生的推力大小和安裝在翼片軸上的彈簧彈力平衡情況決定。當駕駛員操縱加速踏板來改變節氣門開度時，進氣量增大，進氣氣流對翼片的推力也增大，這時翼片開啟的角度也增大。在翼片軸上安裝有一個與翼片同軸旋轉的電位計，這樣在電位計上滑片的電阻的變化轉變成電壓信號

當空氣量增大時，其可變電阻值增加，輸出的信號電壓降低；當進氣量減小時，進氣氣流對翼片的推力減小，推力克服彈簧彈力使翼片偏轉的角度也減小，可變電阻值減小，使輸出的信號電壓升高。ECU即通過變化的信號電壓來控制引擎的噴油和點火時間。翼板式由於容易產生振動誤差及機械磨損，且電位計使用過久，常有接觸不良的問題，現今已較少採用。

熱線式空氣流量計

熱線式空氣流量計無翼板之振動誤差及機械磨損，且其體積小，構造簡單，反應速度快與計量精確，故已取代翼板式，成為質量流量計測法之主流。因係計測空氣質量，非翼板式的空氣體積，故不需要進氣溫度感知器與高度補償用之壓力感知器。

基本原理是保持吸入空氣溫度(冷線)與細白金線(熱線)間的溫度差固定。因此當流經熱線的空氣量少時，為保持溫度差一定，送往熱線的電流量少；反之，當空氣量多時，流經熱線的電流量也多。電流之變化，經惠斯登橋式電路輸出信號給ECM，即可測出吸入的空氣量。

RH為屬PTC（正溫度係數）的「白金熱線」

RK為NTC（負溫度係數）的「溫度補償電阻」

R1、R2均是「高阻抗固定電阻」

R3則為「固定精密電阻」

下圖為流經電流表電流與吸入空氣量的關係圖

卡門旋渦式空氣流量感測器

為生產成本較高的一種流量感測器，其設計原理是在空氣通道中放置一個物體，當空氣流動時，則會在物體的後方產生一個或多個的漩渦，因為漩渦產生率會與進氣量成正比，因此可以藉由測量漩渦產生的頻率，得知進氣量為何。另外卡門式的進氣阻力較前兩種小，並且可直接輸出數位信號，無須轉換，因此將會是未來的發展趨勢。而測量的方式可分為光電式和超音波式兩種

光電式

空氣流經漩渦發生體，在發生體兩側之壓力變化，經導壓孔引導，使薄金屬製的反射鏡產生振動，由LED與光電晶體偵測反射鏡之振動，以其反射光為信號，檢測漩渦數。

超音波式

在空氣通道處的信號發射器，連續發出一定的超音波，由信號接收器所接收信號的密度變化，就是被漩渦數所擾亂的，因而檢測出漩渦數，可得知進氣量。

附錄:

歷史小故事1:

1791年法拉第出生於英國紐因頓，接近現在的倫敦大象堡。起初法拉第家的經濟狀況並不好，所以他只能靠自學求取知識。二十歲時，法拉第開始旁聽由英國皇家學會會長漢弗里·戴維所開的演講。有一次，法拉第將自己在演講中細心抄錄，並旁徵博引，內容達三百頁的筆記拿給戴維過目，戴維立刻給予他相當友善且正面的答覆。也因此，後來在皇家研究院缺人手時，戴維便僱用了法拉第作為他的秘書。

1821年，在丹麥化學家漢斯·奧斯特發現電磁現象後，戴維和威廉·海德·渥拉斯頓嘗試設計一部電動機，但沒有成功。法拉第在與他們討論過這個問題後，繼續工作並建造了兩個裝置以產生他稱為「電磁轉動」的現象：由線圈外環狀磁場造成的連續旋轉運動。

他把導線接上化學電池，使其導電，再將導線放入內有磁鐵的汞池之中，則導線將繞著磁鐵旋轉。這些實驗與發明成為了現代電磁科技的基石。但此時法拉第在沒有通知戴維跟渥拉斯頓情況下，擅自發表了此項研究成果。此舉招來諸多爭議，也迫使他離開電磁學研究數年之久。

此後，戴維有意阻礙法拉第在科學界的發展，直到1829年，戴維去世，法拉第停止了這個無意義的工作並開始其他有意義的實驗。1831年，他開始一連串重大的實驗，並發現了電磁感應，雖然在福朗席斯科·札德啟稍早的工作可能便預見了此結果，此發現仍可稱為法拉第最大的貢獻之一。

歷史小故事2:

1804年冷次生於愛沙尼亞的捷爾普特(Dorpat)(今塔爾圖)，從小便已十分優異的成績表現受到注目，校長曾因他物理成績優秀，推薦他以物理觀測員的身份，參加俄國主辦的全球性科學航行。1826年，他考察歸來後，在一所中學裡教物理課，同時整理總結考察成果，由於報告出色，被接收為科學院的研究生。

1831年他開始系統地進行電學研究，用實驗驗證了歐姆定律。1832年冷次得到法拉第發現電磁感應現象的消息後，開始對產生電磁感應的各種情況，做了大量實驗並進行周密的分析。

1833年他總結了自己的實驗結果，寫出論文《論動電感應引起的電流的方向》，並向彼得堡科學院做了報告，宣布他發現了電磁感應的基本定律，即我們所熟知的『冷次定律』。

冷次晚年的健康越來越不好，患有嚴重的白內障，不得不出國就醫。1865年2月10日因併發腦溢血在意大利羅馬逝世，享年61歲。

歷史小故事3:

霍爾生於1855年，他大學畢業後在美國北部的緬因當了兩年中學教員。於1877年考入霍普金斯的研究生院，跟羅蘭教授攻讀物理。在羅蘭開設的課程中，麥克斯韋的《電磁學》被指定為教科書。當他讀這本書時，對麥克斯韋的一段論述感到奇怪，並產生了懷疑。麥克斯韋在他的《電磁學》中這樣寫道：“在導線中流動的電流本身完全不受附近磁鐵或其他電流的影響……”

而霍爾讀書學習既很認真，又不純粹為權威和書本所束縛。他讀這句話時憑直覺感到似乎和普通的物理知識相矛盾。不久，他又讀了瑞典物理學家埃德隆德教授的一篇文章，文中明確地假定：“電流受磁鐵的作用，恰如載流導線受磁鐵的作用一樣。”

而既不迷信權威又有探索精神的霍爾決心解開這個科學之謎。他在羅蘭教授的支持鼓勵下，經過了許多次的實驗後，霍爾發現通過金箔條的電流在磁場裡產生一個電勢，其方向與電流和磁場垂直。這個效應後來以它的發現者的名字命名為“霍爾效應”。當時霍爾將此發現公佈於世僅有24歲。新聞界將霍爾的成功譽為“過去50年中電學方面最重要的發現”。

歷史小故事4:誰發明了壓電效應?

1820年，晶體具有壓電效應的理論是由李普曼（Lippmann）教授提出的。而後不久，他的學生居裡兄弟通過對電氣石的實驗，證實了壓電效應的存在。1881年，居裡兄弟還通過實驗驗證了逆壓電效應，並給出石英相同的正逆壓電常數。所以，一般人都認為壓電效應是皮埃爾•居裡（Pierre Curie）和他的哥哥雅克斯•居裡（Jacques Curie）發現的，其實這裡面離不開他的老師李普曼教授的指導。

所以關於壓電效應究竟是誰發現的，很難說，事實上壓電效應又確實是皮埃爾•居裡（Pierre Curie）和他的哥哥雅克斯•居裡（Jacques Curie）一百年前在傑克斯的實驗室發現了壓電性。但歸根結底，壓電效應這一理論是李普曼教授提出的。