汽车碰撞传感器：工作原理和应用

碰撞传感器相当一只控制开关，其工作状态取决于汽车碰撞时减速度的大小。碰撞传感器按结构可分为机械式和电子式两种。机械式碰撞传感器是利用机械运动（滚动或转动）来控制传感器中常开触点的动作，再由触点的打开与闭合来控制气体发生器电路的导通与截止。常用的机械式碰撞传感器有滚球式、偏心锤式和滚轴式三种。

（1）滚球式传感器结构、原理

图11-1 滚球式碰撞传感器的结构

1—滚球 2—磁铁 3—导缸 4—触点 5—壳体

图11-1所示为奥迪轿车使用的滚球式碰撞传感器的结构图，传感器主要由铁质滚球1、永久磁铁2、导缸3、固定触点4和壳体5组成。两个触点分别与传感器引线端子连接，滚球用来检测减速度大小，在导缸内可移动或滚动。壳体5上印制有箭头标记，方向与传感器的结构有关，有的规定指向汽车的前方，有的规定指向汽车的后方，因此安装传感器时，箭头方向必须符合该车型使用说明书规定。

滚球式传感器工作原理如图11-2所示，当传感器处于静止状态时，在永久磁铁磁吸力的作用下，导缸内的滚球被吸向磁铁，两个触点与滚球分离，传感器电路处于断开状态，如图11-2a所示。当汽车发生碰撞且减速度达到设定值时，滚球所产生的惯性力将大于永久磁铁的吸引力。滚球在惯性力作用下就会克服磁力沿导缸向两个固定触点运动并将两个固定触点接通，如图11-2b所示，此时传感器将碰撞信号传送给安全气囊ECU。

图11-2 滚球式传感器工作原理

a）静止状态 b）工作状态

（2）偏心锤式传感器的结构、原理

图11-3为丰田轿车所采用的偏心锤式传感器的外形，如图11-4a所示为偏心锤式传感器的结构，该传感器的结构由壳体、偏心转子、偏心重块、固定触点、旋转触点等部分组成。如图11-4b所示，在传感器外还固定有一个电阻R，电阻R的作用是对系统进行自检时，检测安全气囊ECU与碰撞传感器之间的连接导线是否断路或短路。

图11-3 丰田轿车所采用的偏心锤式传感器的外形

a）侧视图 b）下视图

偏心锤式传感器的工作原理如图11-5所示，在正常情况下，偏心转子和偏心重块在螺旋弹簧弹力的作用下，顶靠在与外壳相连的止动块上。此时，旋转触点与固定触点不接触，开关处于断开状态，如图11-5a，当汽车发生碰撞时，偏心重块由于惯性力将带动偏心转子克服弹簧弹力产生偏转。当碰撞强度达到设定值时，偏心转子旋转触点与固定触点接触而闭合，此时碰撞传感器向安全气囊ECU输入导通信号，安全气囊ECU只有收到碰撞传感器输入的导通信号时，才能引爆气体发生器，使安全气囊充气。

（3）滚轴式碰撞传感器的结构、原理

丰田、本田和三菱汽车安全气囊系统采用了滚轴式碰撞传感器，其结构如图11-6所示。主要由止动销1、滚轴2、滚动触点3、固定触点4、底座5和片状弹簧6组成。片状弹簧6与传感器的一个引线端子连接，一端固定在底座5上，另一端绕在滚轴2上，滚动触点3固定在滚轴部分的片状弹簧上，并可随滚轴一起转动。固定触点4与片状弹簧6绝缘固定在底座5上，并与传感器的另一个端子连接。

当传感器处于静止状态时，滚轴在片状弹簧的弹力作用下滚向止动销一侧，滚动触点与固定触点处于断开状态，如图11-6a所示。当汽车遭受碰撞，使滚轴的惯性力大于片状弹簧的弹力时，惯性力就会克服弹簧力使滚轴向前滚动，将滚动触点与固定触点接通，如图11-6b所示，从而接通安全气囊的搭铁回路。

（4）电子式传感器的结构、原理

通常位于安全气囊ECU内的中央磁撞传感器采用电子式传感器。中央磁撞传感器的结构及原理如图11-7所示。中央传感器的结构是一个半导体压力传感器，半导体应变片两端被悬臂架压住，当汽车发生碰撞时，半导体应变片在悬臂架惯性力作用下发生弯曲应变，受压后的半导体应变片的电阻值产生变化，电阻的变化引起动态应变仪输出电压U_S变化。汽车的速度越大，碰撞后产生的减速度越大，传感器输出的电压越大。由于半导体压力传感器输出特性受温度影响，因此常采用晶体管的基极—发射极间的电压变化来对温度进行修正。安全气囊ECU根据碰撞信号的分析处理，若需要引爆安全气囊，安全气囊ECU便会接通点火电路，如此时前方碰撞传感器的触点同时也闭合，则气体发生器的电路接通，安全气囊引爆。

（5）电阻应变计式碰撞传感器的结构、原理

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图11-4 偏心锤式传感器的结构

a）结构图 b）电路图

图11-5 偏心锤式传感器的工作原理

图11-6 滚轴式碰撞传感器结构原理

a）静止状态 b）碰撞状态

1—止动销 2—滚轴 3—滚动触点 4—固定触点 5—底座 6—片状弹簧

图11-7 中央传感器

a）外形图 b）电路图

1—传感器架 2—动态应变仪 3—半导体应变片 4—悬臂架

图11-8 电阻应变计式碰撞传感器的结构原理

a）结构 b）电阻应变计 c）电路原理

1—密封树脂 2—传感器底板 3—壳体 4—电子电路 5—电阻应变计 6—振动块 7—缓冲介质 8—硅膜片

电阻应变计式碰撞传感器由德国博世公司研制生产，该传感器的结构如图11-8a所示，主要由电子电路4、电阻应变计5、振动块6、缓冲介质7和壳体3等组成。电子电路包括稳压与温度补偿电路W、信号处理与放大电路A。应变计的电阻R1、R2、R3、R4制作在硅膜片8上，如图11-8b所示。当膜片产生变形时，电阻应变计的电阻值就会发生变化。为了提高传感器的检测精度，电阻应变计一般都连接成桥式电路，并设计有稳压和温度补偿电路，如图11-8c所示。

当汽车遭受碰撞时，振动块振动，缓冲介质随之振动，应变计的应变电阻产生变形，电阻值随之发生变化，经过信号处理与放大后，传感器S端输出的信号电压就会发生变化。安全气囊电脑根据电压信号强弱便可判断碰撞的强度，即碰撞激烈程度。如果信号电压超过设定值，安全气囊电脑就会立即向点火器发出点火指令引爆点火剂，使充气剂受热分解产生气体。

（6）压电效应式碰撞传感器的结构、原理

压电效应是指压电晶体在压力作用下，晶体外形发生变化而使其输出电压发生变化的效应。利用压电效应制成的碰撞传感器被应用在汽车安全气囊系统中。该传感器所用的压电晶体通常用石英或陶瓷制成。在压力的作用下，压电晶体的外形和输出电压就会发生变化。

当汽车遭受碰撞时，传感器内的压电晶体在碰撞产生的压力作用下，输出电压就会变化。安全气囊电脑根据电压信号强弱便可判断碰撞的强度。如果电压信号超过设定值，安全气囊电脑就会立即向点火器发出点火指令，引爆点火剂给安全气囊充气，安全气囊膨开，达到保护驾驶人和乘员的目的。