車用傳感技術實驗教學研究

張景海　陶敏　張萌

摘? 要? 隨著人工智能、5G技術的逐漸普及，無人駕駛、高級輔助駕駛快速發展，大幅降低人為失誤帶來的交通風險、提高交通運輸效率，保證交通運輸安全、迅速、推進綠色交通發展。傳感器是自動駕駛的關鍵，結合新時代對人才的需求，創新設計車用傳感技術實驗教學。

關鍵詞? 車用傳感技術；實驗教學；傳感器；噴油脈寬

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）03-0143-03

0? 引言

隨著汽車制造技術發展日新月異，汽車技術領域大量應用電子信息技術，其中傳感器是汽車電子控制系統的關鍵組件之一，針對車機系統全況進行實時的監控。汽車技術智能化、數字化的發展，需要高精度的傳感器集成，采集汽車的實時信息，實現對汽車智能化監控[1]。本文利用A1000發動機電控部件聯機實訓系統和AETS上位機軟件汽車ECU教學系統進行車用傳感技術實驗，能激發學生學習興趣，為深入研究車用傳感器技術培養人才，促進汽車產業更好更快發展。

1? 車用傳感技術簡介

汽車電子技術領域研究核心之一就是汽車傳感器，汽車傳感器是發動機的重要組成部分，也是汽車電子控制系統的關鍵部件和汽車電子控制系統的輸入來源。汽車傳感器對壓力、流量、溫度、振動和速度等各種指標進行快速、無誤的測量與控制。傳感器的數量越多說明針對車機的設計越復雜、功能越完善。所以汽車傳感器在汽車領域市場倍受歡迎，汽車的需求量越高，汽車傳感器在市場中的價格也會隨之提高，通過汽車傳感器就可以了解汽車的需求量。車輛本身所需的信息包括車輛運行時各傳感器產生的實時參數信息、車輛發生故障時產生的異常信息、車輛啟動時車機檢查各組件的狀態信息、車輛保持運動狀態時產生的常規數據信息和實時監控車輛駕駛操作參數信息等[2]。

2? 實驗教學問題

車用傳感技術實驗教學是激發學生對傳感器的主觀學習性、讓學生深入了解汽車傳感器的工作原理、在教學實驗中鍛煉學生對傳感器故障的診斷能力的主要教學方案。通過實訓系統、教學系統設計實驗方案，按照實驗指導書撰寫實驗報告等流程。要求每位學生均要獨立完成實驗，但在實驗教學環節仍存在一定的問題[3]。

2.1? 實驗教學模式的應試性

2.1.1? 忽視學生的主體作用

大多學生均是跟隨教師的詳細指導完成實驗，根據實驗設計得到實驗結果，而一旦與指導要求不符，則無法得出正確結論，實驗教學模式的應試性的問題就會暴露出來。由于忽視學生的主體作用，導致學生的主觀能動性和學習熱度消極，降低了學生對實驗教學的學習興趣，限制了學生的創新能力的發展。

2.1.2? 在實驗教學過程中過于注重結果

得到結果是一瞬的，而追尋實驗正確性結果的過程是漫長的。學生為了得到正確的實驗結果在實驗中過度依賴教師，導致實驗教學缺乏獨立性。

2.2? 實驗教學和社會需求存在偏差

1）導致發動機實訓系統故障產生，存在人為設置的因素，實驗教學與實際應用的需求不相適應。

2）由于實驗教學硬件設備老舊落后，教師工程實驗內容滯后于時代前沿，導致實踐教學與社會需求出現偏離，降低了學生的積極性和就業競爭力。

3）學生通過實踐教學掌握汽車傳感器開發和測試的流程比較困難，達不到實際操作應用的標準。

3? 實驗教學設計

為改善以上問題，本文以車用常見傳感器之一——爆震傳感器和噴油脈寬計算為例，以“兩主一心，獨立自主”為理念設計實驗教學環節，利用A1000發動機電控部件聯機實訓系統和AETS上位機軟件汽車ECU教學系統進行車用傳感技術實驗。

3.1? 實驗教學平臺概述

3.1.1? 實驗目的

實驗教學是本課程的重要環節，其目的主要是使本專業學生了解傳感技術、自動檢測技術及電子測量技術的基本原理，汽車傳感器的基本原理，使學生了解車用傳感器的基本結構以及安裝位置、拆卸方法、注意事項及養護規則，熟悉車用傳感器及測量過程。了解并掌握氧傳感器、流量傳感器、進氣溫度傳感器、壓力傳感器、位置傳感器、爆震傳感器、車速傳感器等傳感器的基本結構及工作原理、傳感器的分類及輸入輸出特性，汽油發動機基本噴油脈寬計算實驗方法。掌握傳感器的組成結構。掌握傳感器的故障，并分析各故障碼對應的含義與原理。掌握組合儀表中顯示各指示燈的作用與含義及傳感器的檢測方法與數據分析方法。

3.1.2? 實驗內容

1）流量傳感器。流量傳感器將電信號作為噴油的基本信號的一種，一般安裝于空氣濾清器后，節氣門前后。

①測量電壓：改變空氣流量計模擬進氣流量的變化，得出相應的信號電壓U。

②將進氣流量與對應的信號電壓標在坐標系中（坐標軸，橫坐標g/s，縱坐標V）

③聯網狀態下，對應設置故障，觀察空氣流量計信號波形及整個電控系統的變化，用解碼器讀取ECU故障碼。

④結論分析。

2）進氣溫度傳感器。進氣溫度傳感器安裝在空氣濾清器后進氣軟管上或與進氣流量傳感器、進氣壓力傳感器組合在一起。

①聯網狀態下，改變進氣溫度大小，測量噴油脈寬，并填入表1。根據上表分析進氣溫度的變化對噴油脈寬有何影響？

②測量電壓：改變進氣溫度傳感器溫度的變化，測量與之對應的信號電壓U。

③將進氣溫度與對應的信號電壓標在坐標系中（坐標軸，橫坐標℃，縱坐標V）。

④結論分析。

3）壓力傳感器。檢測發動機潤滑效果的傳感器，安裝于發動機機油主油道上，靠近機油濾清器。

①通過連接ECU模塊，將傳感器處于聯網狀態，啟動實訓系統，進行切換選項，選擇調節機油壓力選項，通過按鍵調節壓力參數，通過觀察儀器機油壓力參數值，高壓力值、低壓力值和常規壓力值時的參數設置，同時觀察機油壓力是否正常。

②結論分析。

4）氧傳感器。在發動機啟動后排放氣體中測量含氧量是否超標，即氧氣含量，安裝在排氣管上。

①電阻測試。聯網模式（連接ECU實訓模塊）在儀器參數設置中，將電阻設置為200 Ω，根據指示圖定位氧傳感器（G39）針腳號與ECU端口相應針腳號，測量氧傳感器對應至電控單元針腳的電阻，其電阻值均應小于5 Ω。

②電壓測試。單機模式下（連接12 V電源），用確認鍵進行切換選項，切換至“混合氣”時，上、下調節不同混合氣濃度，測量電壓變化。

③聯網狀態下設置故障，觀察氧傳感器信號波形及整個電控系統變化，用解碼器讀取ECU故障碼。

④結論分析。

5）位置傳感器。曲軸位置傳感器是位置傳感器的一種，它的功能就是確定曲軸的位置，相當于曲軸的轉角以及發動機轉動速度。

①設置故障，觀察曲軸位置傳感器信號波形與整個電控系統的變化，用解碼器讀取ECU故障碼。

②信號波形。將傳感器連接12 V電源并且設置無聯網狀態，調節功能按鍵選擇調整選項，選至“轉速設定值”時，用上鍵或下鍵對轉動速度進行調整，按“確定”鍵確定。

③結論分析。

6）凸輪軸位置傳感器。

①聯網狀態下啟動汽車電控系統部件聯網模擬實訓教學系統，斷開凸輪軸實訓模塊連接，觀察汽車電控系統的實際變化，分析并得出結果。

②設置故障，觀察電控系統的變化，再使用儀器分析解讀故障碼。

③電壓測試。單機模式（連接12 V電源）測量插頭節點1和3之間的電壓，所測量的電壓值為5 V左右。

④結論分析。

6）爆震傳感器。

①在聯網模式下，通過設置不同的故障碼，再觀察爆震傳感器信號波形及整個電控系統的變化，將錯誤信息傳至解碼器讀取ECU故障碼。

②結論分析。

7）車速傳感器。

①將傳感器連接12 V電源并且在單機模式下，用操作指示按鈕進行調車速，按“確定”鍵確定，觀察顯示器波形變化。

②聯網模式下（連接ECU模塊），用確認鍵進行切換選項，切換至“車速”時，用上鍵或下鍵調車速，按“確定”鍵確定，觀察儀表盤車速變化。

③結論分析。

8）汽油發動機標準噴油參數計算實驗。

①按實驗操作步驟設定基本噴油脈寬的計算參數，分析不同排量、噴油器流量、目標空燃比條件下的基本噴油脈寬差異；根據指導內容完成實驗報告。

②結論分析。

3.2? 實驗教學環節設計

1）本節以“爆震傳感器”為例進行實驗教學。爆震傳感器如圖1所示。爆震傳感器也被稱為交流信號傳感器，但是爆震傳感器與市面上的大多數交流信號發生器存在著許多不同之處，爆震傳感器不僅有著磁電式曲軸和凸輪軸位置傳感器一樣的速度和位置，而且還會測量振動或機械壓力。發動機爆震會造成發動機損壞的原因有許多，例如提前點火，排氣系統不正常，燃油匹配錯誤等原因。爆震傳感器將爆震信號傳輸至控制模塊（PCM），命令控制器重新調整點火，防止爆震再次發生。

當振動或敲缸發生時，由于爆震傳感器在發動機體或汽缸中都進行了安置，爆震傳感器震動產生電壓峰值，傳感器峰值意味著峰值參數越大，發動機敲缸或振動頻率越大。其中高頻率表現為爆震或敲缸。將爆震傳感器的頻率設置為合理范圍之內，當控制模塊收到不同的頻率信號時，通過調整點火方式，阻止繼續爆震。爆震傳感器不易損壞，只有當本身功能失效時才會報廢損壞。根據上述爆震傳感器原理，在教師的引領下，學生在爆震傳感器頻率范圍內分組獨立進行實驗，在聯網狀態下設置故障，分析觀察爆震傳感器信號的波形以及整個電控系統的變化，通過解碼器讀取ECU故障碼。

2）按照實驗步驟說明，在軟件參數設置窗口進行基本噴油脈寬的計算設置，并體驗不同排量、噴油器流量、目標空燃比條件下的基本噴油脈寬差異；進行多組對比實驗形成最終實驗報告。具體軟件示意圖如圖2所示。

4? 實施“兩主一心，獨立自主”教學模式

針對車用傳感器技術實驗教學復雜度高、內容廣、綜合性強等特點，應當從多元化的角度分析，結合新時代傳感器的發展需求，以任務為引領，以問題為導向[4]，指導學生進行實驗教學。

實驗教學以實踐和創新為主導，激發學生對課程學習的主觀積極性，培養學生的動手操作能力，規避應試教學方式。啟用引導式、研討式等教學方法，開展“頭腦風暴”，提高學生的創新意識。實驗中以學生為中心，在教師“教”的范圍之外，注重學生“學”的獨立性，教師“教”在理論，學生“學”在實踐。在實驗教學環節中，教師和學生應當互相反饋、互相吸收經驗，教師更要以“學生為中心”，站在學生的角度上，調整教學思路、創新指導方法，實現實驗教學效果。

5? 結束語

本文基于“兩主一心，獨立自主”的教學理念，設計車用傳感技術實驗教學，并以爆震傳感器和噴油脈寬計算為例進行詳細說明。基于“兩主一心，獨立自主”的教學模式，可以使學生掌握車用傳感器原理、測量與標定軟件等開發工具的使用，自主完成汽車傳感器的測量，引導學生活躍思維，追求創新。在實踐教學中更加深刻地領悟新汽車傳感器的運行和測試流程。同時，能夠為課堂帶來豐富的學習體驗，將教學和研究提升一個層次，培養學生的創新能力。

6? 參考文獻

[1] 郭增波，李春紅，馬罡.汽車電子技術中傳感器的應用探究[J].科學技術創新，2020（9）：150-151.

[2] 劉剛.汽車傳感器的現狀以及未來發展探討[J].山東工業技術，2015（4）：38.

[3] 孫慧玉，羅紹新，顧新艷.汽車電子電氣課程實踐教學快速原型開發教學設計[J].中國教育技術裝備，2021（20）：12-13，19.

[4] 馮帆.汽車傳感器技術實訓教學資源建設探究：基于能力培養[J].內燃機與配件，2021（19）：256-257.

[5] 謝春玲.能源工程概論課程實踐教學研究[J].中國教育技術裝備，2021（20）：124-125.

[6] 王國元，劉學梅，劉尊民.汽車試驗技術課程實驗教學研究及實驗項目設計[J].中國教育技術裝備，2021（2）：115-117，120.