PDF《传感器技术（J》

传感器技术( J o u r n a l o f T r a n s d u c e r T e c h n o l o g y )

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0 5年第24卷 第 8期 汽车空调温度湿度传感器设计 罗念 宁 ,崔胜 民(哈尔滨工业大学 汽车工程学院 , 山东 威海

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4 2

0 9 ) 摘要:车用温 度湿 度传感器 用于对汽车车厢内温度和相对湿 度的 自动监 测,其性 能直接影 响空调 系统 的工作 .

设计 的温度湿度传感器采用 了一体化结 构和强制 空气 流通的措施 , 能够在 一3 0~8 5℃ 的环境 中 连续工 作,并在湿度为

2 0 % 一90%R H的范 围内达到 ±5 %的准确度 , 同时 , 具有较好 的线性度 . 关键词 :汽车空 调;

传感器 ;

测量中图分类号 :T P

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2 文献标识码 :B 文章编号 :1

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9 7

8 7 (

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0 5 )

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6 0―

0 2 De s i g n o f t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y s e ns o r f o r a u t o m o b i l e c l i m a t e c o n t r o l l i n g LUO Ni a n― n i n g,CUI S h e n g ― mi n ( C o i l o f A u t o mo b i l e E n g i n, H a r b i n I n s t u i r e o f T e c h a o l o g y i n We i h a i , We i h a i

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0 9 , C h i n a ) Abs t r ac t :Th e t e mp e r a t u r e a nd h umi d i t y s e ns o r i s u s e d t o me a s ur e t h e t e mp e r a t u r e a nd h u mi d i t y o f a ut o mo b i l e c o mp a r t me n t a u t o ma t i c a ll y.I t s pe r f o r ma n c e c a n a f f e c t t h e wo r k o f t h e s y s t e m d i r e c t l y .Th e t e mp e r a t ur e a nd h umi di t y s e ns o r a do p t s t h e d e s i g n o f i nt e g r a t i o n s t r u c t u r e an d t he me a s u r e o f f o r c e d f lo w o f a i r .I t c a n c o nt i n u o u s l y w o r k a t t h e t e mp e r a t u r e o f一3 0~8 5℃ . t h e p r e c i s i o n i s u p t o ±5% a t t h e r a n g e o f

2 0% ~9 0% RH. a n d t he t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e y h a v e a g o o d l i n e a f i t y . Ke y wo r ds: a u t o mo b i l e a i r ― c o nd i t i o n i n g;

s e n s o r;

me a s ur eme n t

0 引言汽车空调 已成 为轿 车 的标 准配置 , 并 向全 季节 型 的车 厢气候控制方 向发展 .在现 代汽车 自动空调 系统 中, 最主要是温 度梯 度控 制和相对湿度的控制 2个方 面.空调 E C U 根据外 界气 候条 件 和温度 湿 度传感 器检 测 的车厢 内 的信 号,自动打开加热 、 制冷或 去湿装置 , 使汽 车车厢 内的 温度 和相对湿度 维持在舒适水 平,调节 出适宜 的车 内气候环境 , 并能够 根据 车内外温差 , 自动启动除霜装置 , 避免 由于挡风 玻璃上 的雾气 , 尤其是 低温 降雨 所形 成的雾气带 来 的能见 度降低 一.我国汽车 自动空调 系统的研究起 步较 晚,空调传 感器 的研 发更是落后 , 目前 , 国 内品牌轿车所采用的全 自动空调 传感器几乎完全依赖进 口, 这在很大 程度上 限制 了我 国自动空调产业 的发展 .基 于这种状 况,本文作者研 制开 发了新一代 的汽车全 自动空调温度湿度一体化 的传感器 .

1 设计 方案 由于空气 的相对湿 度受环境 温度影 响较大 , 测 量空 间 某点的相对湿度应 同时测 量同一点 的环境温 度.综合 考虑 汽车环境及传感 器的灵敏 度、频响特性 、 线性 范围、稳定性 收稿日期 :

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2 2 和准 确度等要求,湿敏元件采用HS1101型 湿敏电容器J,温度测量采用国产 口值为

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0 0K, 阻值 为30kll的 负温度系数珠 型热 敏 电阻器 .为 保证 测量 数据 的真 实可靠,传感器表面空气应保持 以一定速度流动 , 考虑到电磁 干扰,采用无刷直流 电机驱动风扇进行强制通风 的措施 , 并将其与温度湿度测 量单 元设 计成 一体 , 具 有结 构 紧凑 、 体积小,可靠性高 、 测量准确等特点 .传感器 结构如图

1 所示 . l l ― ― ― 一,/ R 翰h闲目 l l r I i { L . I _ 一JU、、一嗣_引脚插座 风扇轴承座风扇轴承风扇驱动电路 板风扇外壳 温度、湿度 测量电路 板图1传感器 结构示意图 Fi g

1 S c h e ma t ic d i a g r a m o f s e n s o r s t r uc t ur e 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 8期 罗念 宁等 : 汽车空调温度湿度传感器设计

6 1 图 2为汽车空调温度 、 湿度 控制原 理. 由于 人体散 发 的水汽造成车厢 内湿度 增加 , 湿度测 量单元便 会检测 到相 对湿度的变化 , 当超 过一定值 时,空调控制器启动制冷压缩 机,循环鼓 风机 强制 车厢 内空气流 过冷却器 表面 , 经冷却除 湿后 , 再被 加热 到一定 的温度 , 以控制车 窗除雾 , 并保 证乘 客舒适性 ;

温度 测量 单元用 于空调控 制器测 量车厢 内温度 变化 , 控制加热 电磁阀打开循 环水加热时机和加热时间. 温度测量单元湿度测量单元匝垂巫 … 廛堡= 堡曼 矍..空卜__1垫皇蹩雾器图2温度湿度控制原理框图Fi g

2 P r i n c i p l e di a g r a m o f t e mp e r a t u r e a n d h u m i d i t y c o n t r o l l e d i n c o m p a r t me n t

1 .

1 湿度 测量电路 设计湿度测 量电路如图 3所示 .采用 了典 型的

5 5 5时基 电 容测量 电路 , 图中, u . 为555电路 , 湿 敏电容器 c . 与u.的2,6脚相 连接 , 电路通 电时 , 湿敏电容器 c 通过R.,R和R充电, 此时 , u 的第 3脚输出高电平 ;

当c.端电位上 升 至触发 电平 时,u.的第 7脚与地短路 , c 通过 R , R 放电至截止电平 , 此时 , U 的第 3脚输 出低 电平 . 图3湿度测量电路 F i g

3 C i r c u i t o f h u mi d l t y me a s u r e me n t 充电时间 ￡ . 由下 式确定 t l =( l + R z +R w) c I n ;

放 电时 间t由下式确定 t 2=(

2 + R w) C I n

2 , 式中k为

5 5 5电路第 5脚 电位 与电源 的比值 .该值可 由连接至

5 5 5电路第 5脚 的电位器 w 调节 , 主要用 于555电路 内部设计不平衡 的补偿 , 不 同品牌 的555电路补偿 有 所不 同, 仅调整 w 的值 即可实现匹配. 环境相对湿度发生变化 时,湿敏 电容器 C 的电容量也 发生变化 ,

5 5 5的第 3脚就输 出频率 与C相对应 的方波信 号,空调 E C U测 量输 出信 号 的周 期便 可 知环 境的相 对湿度.图中 , 电路输 出频率为

2 -k 由于湿敏 电容器 C 充放电 回路的 电阻值不 同, 为求得 接近

5 O %的输出 占空 比, 一般取 R ≥R . , 此时 , 输 出频 率可 按下式简化 ,

1 ( R

2 + R w ) c l n 印刷 电路板 的分布 电容对测量结果影响较大 , 所以,在温度湿度测量单元设计 中, 采用电介常数小的印刷板 , 全部 元器件表面安装 .

1 .

2 温度 测量电路 设计 温度测 量电路 比较简单 , 如图4所示. ∞ 图4 江度测量电路 r a g

4 Tm i p e r a t u r e m髑囡l r i n g c i r c ui t R T为NTC型珠形热敏 电阻器 , 其电阻与环境温度 t 的 关系为 R :

3 0 *

1 0

3 e

3 m o ( 一击) . 当环境 温度 变化 时,热敏 电阻器的 电阻值也随之变化 , 空调 E C U测量图 4中端温度信号 的电压值 便可知 环境 温度 , 其大小可 由下式求得 = RT .

1 .

3 风 扇驱 动 电路 设计驱动电路如图 5所示 , U 为US91型双 绕 阻无 刷直 流 电机专用驱动电路 , 其独 特 的恢 复电路 和干扰抑 制电路使 得电磁辐控制在可接受的范 围内.l

2 V电源直接 由M+, M一端接入 . U2 US

91 图5风扇驱动电路 Fi g

5 Dr i v e c i r c u i t o ff a n ( 下转 第64页 ) 维普资讯 http://www.cqvip.com 传感器技术第24卷 影响.补偿前 后不同温度下 的体积 分数一 输出电压关 系曲 线如图

4 所示 . 之脚习铎之出脚习铎体积分数/%体积 分数/% ( a ) 补偿前 C o )补偿后 ( a ) b e f o r e c o mp e n s a t i o n ( b ) a f I e r c o mp e n s a t i o n 图4补偿前后不 同温度下的体积分数― 输出电压关系曲线 F i g

4 Re l a t io n c u r v e o f v o l u m ef r a c t io n a nd o u t pu t v o l t a g e a t d i f fe r e n tt e mp e r a t u r e b e f o r e a n d a f t e r c o m p e n s a t i o n

4 结论参考文献 : 红外吸收型 C O 传 感器 是基 于气 体 的吸收 光谱 随物 [

1 ] 王莉田, 史锦珊, 王玉田. 吸收式环境气体光纤传感器[ J ] . 传质的不 同而存在差异 的原理制成 的.它 采用单柬 双波 长非 感器技术,

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9 6 , (

6 ) :

2 8-

2 9 . 发散性红外测量方法和硅干涉计,通过积分滤波处理,配合[苎,德芳-透射式光纤气体传感器的研究[]・仪表技温度补偿 、 放大等 电路 , 将c0浓度或体积分数转换为 电压 [

3 ] 靳伟. 导 波光学 传感 器原理 与应 用[M] . 北京:科学 出版 信号 , 并经过放大后输 出.该传感 器具有结构 紧凑 、 构造简 社,

1 9

98 .

2 5 4―2

5 6 . 单、体积小 、 精度高 、 选择性好 、 温度系数低 、 安装与 携带 方便 作者简 介: 等特点 , 可广泛应用于环境监测 、 冷库 、 空调 、 换气设备 、 锅炉 琚雪梅(

1 9

6 8 一) , 女, 黑龙江哈尔滨人 , 中国电子科技集团公 房、国防及各类环境恶劣现场的 C O 实时遥测和控制. 司第四十九研究所工程师, 主要从事传感器研究工作. ) ( 上接第

6 1 页)2传感器性能测试 测 试结果表 明:在20%一90%R H湿度范 围内, 传感器 表1环境温度

2 5℃时湿度信 号频率 随相对湿度变化 Ta b

1 Ch a ng e o fh u m i d i t y s i g n a I f r e q u e n c y t h d i f fe r e n t RH I t

2 5℃ 相对 湿度 频率相对湿度 频率(%R H) ( H z ) ( %RH) ( He )

1 0

72 2

4 6

0 66 o o

2 O

7 l

0 o

7 0

64 68

3 0

69 7

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0 63

3 0

4 0

68 5

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8 6

5 0

67 2

8 9

8 60

3 0

3 结论通过对传感 器样品的测试 , 该传感器在 常温 范围内, 输 出信号线性度好 、 精 度较 高,具有结构紧凑 、 性能稳定 、 测量 准确 、 调试及标定方 便,产品一致性好的特点 .适合汽车全 自动空调对环境测量 的要求 , 部分指标 优于国外同类 产品 , 可完 全替代进 口产 品. 参 考文献: [

1 ] 陈 江平. 国外汽 车空调 系统技 术发展 趋势 [ J ] . 制冷 学报 , 的准确度达 ±

5 % 以上 , 其他情 况下 , 可保 证在 ±1

0 %范围内.表1为在环境温度

2 5 ℃ 时,传感器对应相 对湿度 的输 出值 ;

表 2为温度信号输出值. 表2温度信号随环境温度的变化 Ta b

2 Ch a n g e o ft h e r m i s t o r s i g n a lwi t h d i f fe r e n tt e m p e r a t u r e 强度( ℃) 电压( V) 温度( ℃) 电压 ( V) 一3O4.72

4 0

1 .

7 5 ―

2 ........