车用传感技术实验教学研究

张景海　陶敏　张萌

摘  要  随着人工智能、5G技术的逐渐普及，无人驾驶、高级辅助驾驶快速发展，大幅降低人为失误带来的交通风险、提高交通运输效率，保证交通运输安全、迅速、推进绿色交通发展。传感器是自动驾驶的关键，结合新时代对人才的需求，创新设计车用传感技术实验教学。

关键词  车用传感技术；实验教学；传感器；喷油脉宽

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）03-0143-03

0  引言

随着汽车制造技术发展日新月异，汽车技术领域大量应用电子信息技术，其中传感器是汽车电子控制系统的关键组件之一，针对车机系统全况进行实时的监控。汽车技术智能化、数字化的发展，需要高精度的传感器集成，采集汽车的实时信息，实现对汽车智能化监控[1]。本文利用A1000发动机电控部件联机实训系统和AETS上位机软件汽车ECU教学系统进行车用传感技术实验，能激发学生学习兴趣，为深入研究车用传感器技术培养人才，促进汽车产业更好更快发展。

1  车用传感技术简介

汽车电子技术领域研究核心之一就是汽车传感器，汽车传感器是发动机的重要组成部分，也是汽车电子控制系统的关键部件和汽车电子控制系統的输入来源。汽车传感器对压力、流量、温度、振动和速度等各种指标进行快速、无误的测量与控制。传感器的数量越多说明针对车机的设计越复杂、功能越完善。所以汽车传感器在汽车领域市场倍受欢迎，汽车的需求量越高，汽车传感器在市场中的价格也会随之提高，通过汽车传感器就可以了解汽车的需求量。车辆本身所需的信息包括车辆运行时各传感器产生的实时参数信息、车辆发生故障时产生的异常信息、车辆启动时车机检查各组件的状态信息、车辆保持运动状态时产生的常规数据信息和实时监控车辆驾驶操作参数信息等[2]。

2  实验教学问题

车用传感技术实验教学是激发学生对传感器的主观学习性、让学生深入了解汽车传感器的工作原理、在教学实验中锻炼学生对传感器故障的诊断能力的主要教学方案。通过实训系统、教学系统设计实验方案，按照实验指导书撰写实验报告等流程。要求每位学生均要独立完成实验，但在实验教学环节仍存在一定的问题[3]。

2.1  实验教学模式的应试性

2.1.1  忽视学生的主体作用

大多学生均是跟随教师的详细指导完成实验，根据实验设计得到实验结果，而一旦与指导要求不符，则无法得出正确结论，实验教学模式的应试性的问题就会暴露出来。由于忽视学生的主体作用，导致学生的主观能动性和学习热度消极，降低了学生对实验教学的学习兴趣，限制了学生的创新能力的发展。

2.1.2  在实验教学过程中过于注重结果

得到结果是一瞬的，而追寻实验正确性结果的过程是漫长的。学生为了得到正确的实验结果在实验中过度依赖教师，导致实验教学缺乏独立性。

2.2  实验教学和社会需求存在偏差

1）导致发动机实训系统故障产生，存在人为设置的因素，实验教学与实际应用的需求不相适应。

2）由于实验教学硬件设备老旧落后，教师工程实验内容滞后于时代前沿，导致实践教学与社会需求出现偏离，降低了学生的积极性和就业竞争力。

3）学生通过实践教学掌握汽车传感器开发和测试的流程比较困难，达不到实际操作应用的标准。

3  实验教学设计

为改善以上问题，本文以车用常见传感器之一——爆震传感器和喷油脉宽计算为例，以“两主一心，独立自主”为理念设计实验教学环节，利用A1000发动机电控部件联机实训系统和AETS上位机软件汽车ECU教学系统进行车用传感技术实验。

3.1  实验教学平台概述

3.1.1  实验目的

实验教学是本课程的重要环节，其目的主要是使本专业学生了解传感技术、自动检测技术及电子测量技术的基本原理，汽车传感器的基本原理，使学生了解车用传感器的基本结构以及安装位置、拆卸方法、注意事项及养护规则，熟悉车用传感器及测量过程。了解并掌握氧传感器、流量传感器、进气温度传感器、压力传感器、位置传感器、爆震传感器、车速传感器等传感器的基本结构及工作原理、传感器的分类及输入输出特性，汽油发动机基本喷油脉宽计算实验方法。掌握传感器的组成结构。掌握传感器的故障，并分析各故障码对应的含义与原理。掌握组合仪表中显示各指示灯的作用与含义及传感器的检测方法与数据分析方法。

3.1.2  实验内容

1）流量传感器。流量传感器将电信号作为喷油的基本信号的一种，一般安装于空气滤清器后，节气门前后。

①测量电压：改变空气流量计模拟进气流量的变化，得出相应的信号电压U。

②将进气流量与对应的信号电压标在坐标系中（坐标轴，横坐标g/s，纵坐标V）

③联网状态下，对应设置故障，观察空气流量计信号波形及整个电控系统的变化，用解码器读取ECU故障码。

④结论分析。

2）进气温度传感器。进气温度传感器安装在空气滤清器后进气软管上或与进气流量传感器、进气压力传感器组合在一起。

①联网状态下，改变进气温度大小，测量喷油脉宽，并填入表1。根据上表分析进气温度的变化对喷油脉宽有何影响？

②测量电压：改变进气温度传感器温度的变化，测量与之对应的信号电压U。

③将进气温度与对应的信号电压标在坐标系中（坐标轴，横坐标℃，纵坐标V）。

④结论分析。

3）压力传感器。检测发动机润滑效果的传感器，安装于发动机机油主油道上，靠近机油滤清器。

①通过连接ECU模块，将传感器处于联网状态，启动实训系统，进行切换选项，选择调节机油压力选项，通过按键调节压力参数，通过观察仪器机油压力参数值，高压力值、低压力值和常规压力值时的参数设置，同时观察机油压力是否正常。

②结论分析。

4）氧传感器。在发动机启动后排放气体中测量含氧量是否超标，即氧气含量，安装在排气管上。

①电阻测试。联网模式（连接ECU实训模块）在仪器参数设置中，将电阻设置为200 Ω，根据指示图定位氧传感器（G39）针脚号与ECU端口相应针脚号，测量氧传感器对应至电控单元针脚的电阻，其电阻值均应小于5 Ω。

②电压测试。单机模式下（连接12 V电源），用确认键进行切换选项，切换至“混合气”时，上、下调节不同混合气浓度，测量电压变化。

③联网状态下设置故障，观察氧传感器信号波形及整个电控系统变化，用解码器读取ECU故障码。

④结论分析。

5）位置传感器。曲轴位置传感器是位置传感器的一种，它的功能就是确定曲轴的位置，相当于曲轴的转角以及发动机转动速度。

①设置故障，观察曲轴位置传感器信号波形与整个电控系统的变化，用解码器读取ECU故障码。

②信号波形。将传感器连接12 V电源并且设置无联网状态，调节功能按键选择调整选项，选至“转速设定值”时，用上键或下键对转动速度进行调整，按“确定”键确定。

③结论分析。

6）凸轮轴位置传感器。

①聯网状态下启动汽车电控系统部件联网模拟实训教学系统，断开凸轮轴实训模块连接，观察汽车电控系统的实际变化，分析并得出结果。

②设置故障，观察电控系统的变化，再使用仪器分析解读故障码。

③电压测试。单机模式（连接12 V电源）测量插头节点1和3之间的电压，所测量的电压值为5 V左右。

④结论分析。

6）爆震传感器。

①在联网模式下，通过设置不同的故障码，再观察爆震传感器信号波形及整个电控系统的变化，将错误信息传至解码器读取ECU故障码。

②结论分析。

7）车速传感器。

①将传感器连接12 V电源并且在单机模式下，用操作指示按钮进行调车速，按“确定”键确定，观察显示器波形变化。

②联网模式下（连接ECU模块），用确认键进行切换选项，切换至“车速”时，用上键或下键调车速，按“确定”键确定，观察仪表盘车速变化。

③结论分析。

8）汽油发动机标准喷油参数计算实验。

①按实验操作步骤设定基本喷油脉宽的计算参数，分析不同排量、喷油器流量、目标空燃比条件下的基本喷油脉宽差异；根据指导内容完成实验报告。

②结论分析。

3.2  实验教学环节设计

1）本节以“爆震传感器”为例进行实验教学。爆震传感器如图1所示。爆震传感器也被称为交流信号传感器，但是爆震传感器与市面上的大多数交流信号发生器存在着许多不同之处，爆震传感器不仅有着磁电式曲轴和凸轮轴位置传感器一样的速度和位置，而且还会测量振动或机械压力。发动机爆震会造成发动机损坏的原因有许多，例如提前点火，排气系统不正常，燃油匹配错误等原因。爆震传感器将爆震信号传输至控制模块（PCM），命令控制器重新调整点火，防止爆震再次发生。

当振动或敲缸发生时，由于爆震传感器在发动机体或汽缸中都进行了安置，爆震传感器震动产生电压峰值，传感器峰值意味着峰值参数越大，发动机敲缸或振动频率越大。其中高频率表现为爆震或敲缸。将爆震传感器的频率设置为合理范围之内，当控制模块收到不同的频率信号时，通过调整点火方式，阻止继续爆震。爆震传感器不易损坏，只有当本身功能失效时才会报废损坏。根据上述爆震传感器原理，在教师的引领下，学生在爆震传感器频率范围内分组独立进行实验，在联网状态下设置故障，分析观察爆震传感器信号的波形以及整个电控系统的变化，通过解码器读取ECU故障码。

2）按照实验步骤说明，在软件参数设置窗口进行基本喷油脉宽的计算设置，并体验不同排量、喷油器流量、目标空燃比条件下的基本喷油脉宽差异；进行多组对比实验形成最终实验报告。具体软件示意图如图2所示。

4  实施“两主一心，独立自主”教学模式

针对车用传感器技术实验教学复杂度高、内容广、综合性强等特点，应当从多元化的角度分析，结合新时代传感器的发展需求，以任务为引领，以问题为导向[4]，指导学生进行实验教学。

实验教学以实践和创新为主导，激发学生对课程学习的主观积极性，培养学生的动手操作能力，规避应试教学方式。启用引导式、研讨式等教学方法，开展“头脑风暴”，提高学生的创新意识。实验中以学生为中心，在教师“教”的范围之外，注重学生“学”的独立性，教师“教”在理论，学生“学”在实践。在实验教学环节中，教师和学生应当互相反馈、互相吸收经验，教师更要以“学生为中心”，站在学生的角度上，调整教学思路、创新指导方法，实现实验教学效果。

5  结束语

本文基于“两主一心，独立自主”的教学理念，设计车用传感技术实验教学，并以爆震传感器和喷油脉宽计算为例进行详细说明。基于“两主一心，独立自主”的教学模式，可以使学生掌握车用传感器原理、测量与标定软件等开发工具的使用，自主完成汽车传感器的测量，引导学生活跃思维，追求创新。在实践教学中更加深刻地领悟新汽车传感器的运行和测试流程。同时，能够为课堂带来丰富的学习体验，将教学和研究提升一个层次，培养学生的创新能力。

6  参考文献

[1] 郭增波，李春红，马罡.汽车电子技术中传感器的应用探究[J].科学技术创新，2020（9）：150-151.

[2] 刘刚.汽车传感器的现状以及未来发展探讨[J].山东工业技术，2015（4）：38.

[3] 孙慧玉，罗绍新，顾新艳.汽车电子电气课程实践教学快速原型开发教学设计[J].中国教育技术装备，2021（20）：12-13，19.

[4] 冯帆.汽车传感器技术实训教学资源建设探究：基于能力培养[J].内燃机与配件，2021（19）：256-257.

[5] 谢春玲.能源工程概论课程实践教学研究[J].中国教育技术装备，2021（20）：124-125.

[6] 王国元，刘学梅，刘尊民.汽车试验技术课程实验教学研究及实验项目设计[J].中国教育技术装备，2021（2）：115-117，120.