車輛測(cè)試技術(shù)

1、車輛測(cè)試技術(shù)第一章 概述一、基本概念所謂“汽車測(cè)試”，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是通過(guò)實(shí)際測(cè)試的手段確定汽車的某個(gè) （些） 參數(shù)。這里的“參數(shù)”，一般是指物理量的定量數(shù)值；個(gè)別情況下也可能是定性 評(píng)價(jià)。一般來(lái)說(shuō)，汽車試驗(yàn)所采用的儀器設(shè)備、試驗(yàn)場(chǎng)所、試驗(yàn)環(huán)境和試驗(yàn)工況等， 都應(yīng)該遵循國(guó)家或者相關(guān)部門、行業(yè)或企業(yè)發(fā)布的正規(guī)標(biāo)準(zhǔn)文件。 標(biāo)準(zhǔn)可以確保 試驗(yàn)操作規(guī)范、安全，數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確、可信、具有典型性、代表性和可比性。而 有些探索性、創(chuàng)新性試驗(yàn)，也可以由研究人員自行制定試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)范，這也是對(duì)汽車基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)制造技術(shù)和汽車試驗(yàn)方法的有力推動(dòng)。試驗(yàn)與理論的關(guān)系、試驗(yàn)的必要性理論分析不能完全取代實(shí)際測(cè)試，尤其是對(duì)

2、于現(xiàn)代汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)，汽車試驗(yàn) 的必要性主要體現(xiàn)在以下幾方面。.作為一種室外交通工具，汽車的使用條件復(fù)雜，整車、各系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)和 零部件會(huì)遇到各種難以預(yù)料的載荷、工作條件和行駛環(huán)境。.汽車是一種高度普及的社會(huì)化的民用商品（軍用和專業(yè)比賽車輛不在此 列），研究、制造單位之間的競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。廠商為了爭(zhēng)奪市場(chǎng)，勢(shì)必要在產(chǎn)品 的性能、質(zhì)量和成本之間做出平衡，“不惜血本”的模式是走不通的，過(guò)分的“精 益求精”也是不符合商業(yè)規(guī)律的。一個(gè)研發(fā)任務(wù)，要在有限的人力、物力和時(shí)間 條件下，尋求在法規(guī)允許和市場(chǎng)滿意框架下的利益最大化，勢(shì)必要通過(guò)科學(xué)、合理的試驗(yàn)手段，定量、可靠地確定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)，達(dá)成研發(fā)和制造效費(fèi)比的

3、最 優(yōu)化。而在深層次的理論分析和機(jī)理解釋方面，暫時(shí)有所欠缺是可以接受的。.汽車研究和設(shè)計(jì)的許多問題，已經(jīng)有了理論模型，但是這些模型并非普遍 適用，或者模型中的某些參數(shù)不易確定。.由上述幾點(diǎn)可以看出，理論不能代替試驗(yàn)、歸根結(jié)底、在于現(xiàn)有理論的不 準(zhǔn)確性或者局限性。因此，進(jìn)行汽車試驗(yàn)，以及對(duì)汽車試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究， 對(duì)于優(yōu)化汽車產(chǎn)品 的設(shè)計(jì)、推動(dòng)汽車工業(yè)的發(fā)展、完善汽車基礎(chǔ)理論研究以及刺激和帶動(dòng)相關(guān)技術(shù) 理論（如，傳感技術(shù)、信號(hào)分析理論和技術(shù)、電子設(shè)備制造技術(shù)等等）的發(fā)展， 都具有重要意義。汽車試驗(yàn)的分類汽車試驗(yàn)的研究范圍廣泛、項(xiàng)目繁雜，可以從不同角度進(jìn)行分類。.按試驗(yàn)?zāi)康姆诸悾?）質(zhì)量檢查試驗(yàn)（

4、2）新產(chǎn)品定型（鑒定）試驗(yàn)有時(shí)將質(zhì)量檢查試驗(yàn)和新產(chǎn)品定型試驗(yàn)統(tǒng)稱為產(chǎn)品檢驗(yàn)性試驗(yàn)。（3）科研探索類試驗(yàn)科研探索類試驗(yàn)，所涉及的大都是目前尚未成熟的技術(shù)或者尚未普遍成立的 理論，試驗(yàn)項(xiàng)目的深度、廣度較大，試驗(yàn)規(guī)范和操作實(shí)施方法可以由試驗(yàn)者根據(jù) 具體的試驗(yàn)項(xiàng)目靈活確定，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度要求很高，采用的設(shè)備非常先進(jìn)， 手段通常較復(fù)雜。與之相比，產(chǎn)品檢驗(yàn)性試驗(yàn)在試驗(yàn)項(xiàng)目、規(guī)范、過(guò)程和操作方 法等方面必須依據(jù)國(guó)家和部門、行業(yè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行，確保試驗(yàn)工作有章可循， 試驗(yàn)對(duì)象之間的定量分析具有可比性。2,按試驗(yàn)對(duì)象分類就是按車輛結(jié)構(gòu)層次劃分為三類：整車試驗(yàn)、機(jī)構(gòu)及總成試驗(yàn)和零部件試驗(yàn)。 3,按試驗(yàn)場(chǎng)所分

5、類主要就是室內(nèi)和室外兩個(gè)場(chǎng)所。兩類試驗(yàn)各有優(yōu)劣、互為補(bǔ)充。(1)室外道路試驗(yàn)由于試驗(yàn)環(huán)境條件真實(shí)，駕駛操作真實(shí)，通常不需要對(duì)車輛進(jìn)行解體，可以進(jìn)行幾乎所有整車性能試驗(yàn)， 而且其結(jié)果可信度較高。但室 外條件不易控制，試驗(yàn)過(guò)程易受無(wú)關(guān)因素干擾，數(shù)據(jù)重復(fù)性較差。車載條件也對(duì) 測(cè)試儀器設(shè)備提出了更高的要求。而且室外道路試驗(yàn)的組織和實(shí)施耗時(shí)較長(zhǎng)，動(dòng) 用人員較多。對(duì)于有越野性能要求的車輛，“道路”也可以包括田間、沙地、冰 雪地等非鋪裝地面。(2)室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn) 可以消除天氣、道路狀況和交通流量等不確定因素的影 響，有利于組織和安排試驗(yàn)，縮短試驗(yàn)周期，試驗(yàn)數(shù)據(jù)精密度高、重復(fù)性好、可 比性強(qiáng)。但真實(shí)行駛工況的模

6、擬是一個(gè)需要重視的問題，否則試驗(yàn)結(jié)果是不可信的。臺(tái)架本身搭建時(shí)間可能較長(zhǎng)，但試驗(yàn)操作本身過(guò)程較短(對(duì)于疲勞類試驗(yàn)， 臺(tái)架運(yùn)行的時(shí)間很長(zhǎng)，但并不需要全程人工操作和監(jiān)控)，儀器設(shè)備大多是固定 式的，比較容易布置和操控。(3)試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)這是又一類室外道路試驗(yàn)。(4)使用試驗(yàn)顧名思義，使用試驗(yàn)就是在實(shí)際使用中對(duì)車輛(或車輛的某部分)的某個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于道路和氣象條件、車輛載荷、駕駛操作習(xí)慣、 車輛技術(shù)狀況和維修調(diào)整作業(yè)等不做任何特殊規(guī)定，完全按駕駛員意圖和實(shí)際行 駛環(huán)境操作。得到的結(jié)果最為真實(shí)可信；但是試驗(yàn)數(shù)據(jù)的典型性和重復(fù)性不好， 且可操作性很差。能夠采用使用試驗(yàn)方式的汽車試驗(yàn)項(xiàng)目并不多。四、汽

7、車試驗(yàn)的基本步驟總體而言，可以劃分為四個(gè)基本步驟。.制定試驗(yàn)大綱它是指導(dǎo)試驗(yàn)的綱領(lǐng)性技術(shù)文件，它的編制是否科學(xué)、合理，將影響整個(gè)試驗(yàn)的成敗。.試驗(yàn)儀器設(shè)備和人員的準(zhǔn)備.具體實(shí)施操作4,編寫試驗(yàn)報(bào)告第二章機(jī)械量的電測(cè)量技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)，試驗(yàn)測(cè)試手段和方法廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。包括汽車試驗(yàn)在內(nèi)，現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)普遍具有兩大特點(diǎn)： 從測(cè)試裝置的組織和 構(gòu)成的角度看，采用的是“模塊化”；在信號(hào)測(cè)量的實(shí)現(xiàn)手段上，采用的是“電 測(cè)法第一節(jié)測(cè)試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換特性一、測(cè)試系統(tǒng)的基本組成從“模塊化”的觀點(diǎn)出發(fā)，一個(gè)完整的測(cè)試系統(tǒng)，從被測(cè)信號(hào)變換和傳輸?shù)?過(guò)程來(lái)看，主要包括三部分：傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)器、記錄

8、與顯示裝置。另外還可 能有定度、校準(zhǔn)裝置和數(shù)據(jù)處理設(shè)備等。如圖 2-1所示。測(cè)試系統(tǒng)的基本組成2-1傳感器：將被測(cè)量（通常是非電量）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。也稱為感應(yīng)器或變送器。信號(hào)調(diào)節(jié)器：也稱信號(hào)調(diào)理器，指的是信號(hào)的中間變換與傳輸。來(lái)自傳感器 的信號(hào)，經(jīng)過(guò)中間處理后，才能成為能量足夠、不易失真、干擾少、便于傳輸?shù)?電信號(hào)，供記錄或顯示。記錄與顯示裝置：也就是測(cè)試系統(tǒng)的輸出端，或稱“負(fù)載”。同時(shí)，為了使測(cè)試系統(tǒng)自身工作正常、結(jié)果可靠，還需要有定度和校準(zhǔn)等裝 置。定度：也叫標(biāo)定，就是確定測(cè)試裝置的輸出-輸入關(guān)系，比如圖2-6顯示的 定度曲線。校準(zhǔn)：校準(zhǔn)，就是在同一信號(hào)的作用下，用該工作裝置和更高精度

9、等級(jí)的標(biāo) 準(zhǔn)裝置的輸出信號(hào)進(jìn)行比較，找出工作裝置的誤差，進(jìn)行修正。此處的“測(cè)試系統(tǒng)”，僅是直接服務(wù)于被測(cè)物理量的測(cè)量。而整個(gè)汽車試驗(yàn) 的硬件體系還要包括被試件、動(dòng)力輸入裝置、加載裝置和其他聯(lián)接支承設(shè)備等環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)的功用，就是產(chǎn)生、并向測(cè)試系統(tǒng)提供一個(gè)或幾個(gè)被測(cè)物理量。對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的基本要求一個(gè)理想的測(cè)試系統(tǒng)，要滿足兩點(diǎn)基本要求：.具有單值、確定的輸出-輸入關(guān)系。最好是線性的。.滿足單向性。所謂“單向性”，是指被測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)作可以對(duì)測(cè)試系統(tǒng)施加影響、 而測(cè)試系統(tǒng)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)沒有反作用或者反作用盡量小。三、系統(tǒng)的基本思想輸力我們暫時(shí)不考察測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部的詳細(xì)構(gòu)造和物理原理，將其視作一個(gè)“黑 箱”，那么

10、這個(gè)黑箱的基本功能就是將輸入量 x按某種關(guān)系轉(zhuǎn)換成輸出量y 系統(tǒng)圖2-4系統(tǒng)轉(zhuǎn)擦特性顯然，在輸入、系統(tǒng)和輸出三個(gè)環(huán)節(jié)中，已知兩個(gè)，就可以求解另一個(gè)。.已知系統(tǒng)特性h和輸出y,就可以推斷輸入信號(hào)x,這就是測(cè)量。.已知輸入x和輸出y,可以確定系統(tǒng)特性h,這就是定度（標(biāo)定）。.如果已知輸入x和系統(tǒng)特性h,則可以在不進(jìn)行實(shí)測(cè)的條件下確定輸出 y。這 稱為輸出信號(hào)預(yù)測(cè)。四、測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性 TOC o 1-5 h z 靜態(tài)，指的就是測(cè)試系統(tǒng)的輸入和輸出都不隨時(shí)間變化（或非常緩慢）。在這個(gè)定義中，”輸入和輸出”改成“輸入或輸出”是一樣的。測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，用輸出一輸入關(guān)系式表達(dá)為：2n HYPER

11、LINK l bookmark0 o Current Document y a0 aix a?x . ax（2-1）式中一x為系統(tǒng)的輸入量、y為輸出量；a。、a1、a?、an等為常數(shù)。系統(tǒng)及其特性，就取決于a。、&、a?、an等的數(shù)值。如果系統(tǒng)是絕對(duì)理想的，滿足單值、單向和線性的條件，那么其輸出一輸入關(guān)系式應(yīng)該是一條過(guò)原點(diǎn)的直線：y ax 0系統(tǒng)的實(shí)際特性曲線與上述理想直線之間存在著各方面的偏差，就構(gòu)成了系統(tǒng)的靜態(tài)特性。.曲線的截距一零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移的含義是，當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)的輸入為零時(shí)，輸出不為零。顯然，當(dāng)a。不等于零時(shí)，就會(huì)造成零點(diǎn)漂移。.曲線的斜率一靈敏度靈敏度S是系統(tǒng)的輸出增量A y與輸入增

12、量A x之比，也就是輸出一輸入關(guān) 系曲線上各點(diǎn)的斜率。一般來(lái)說(shuō)，測(cè)試裝置的靈敏度以高些為好，但靈敏度過(guò)高，往往會(huì)引起測(cè)量 范圍變窄、裝置的穩(wěn)定性下降。由于系統(tǒng)自身特性的改變或者環(huán)境條件改變等因素的影響，造成公式（2-1） 中的a。、a1、a2、an等數(shù)值的變化，就表現(xiàn)為靈敏度的改變，或者叫“靈敏度漂移”。靈敏度漂移常以在輸入不變的情況下每小時(shí)輸出的變化量來(lái)衡量,非線性度是指測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際輸出一輸入關(guān)系與理想線性關(guān)系的偏差。圖中實(shí)線為定度曲線，也就是系統(tǒng)輸出一輸入關(guān)系實(shí)際特性； 虛線是根據(jù)實(shí) 際特性進(jìn)行擬合得到的理論直線。B是實(shí)際曲線與理論直線的最大差值， A是儀 器的標(biāo)稱輸出范圍（即，滿量程）

13、。定量評(píng)價(jià)：非線性度 B 100%A4.曲線上行和下行的差異一回程誤差同一輸入量下，正向輸入（輸入量由小到大，即加載）和反向輸入（輸入量 由大到小，即卸載）時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸出量不同，這就是回程誤差。如圖2-7所示。圖中Ah是正向輸入與反向輸入的差值，稱滯后量?；爻陶`差二最大滯后量h max全量程A100%回程誤差的產(chǎn)生，主要來(lái)源于各種滯后的物理效應(yīng)，以及儀器設(shè)備存在不工 作區(qū)（死區(qū)）。滯后效應(yīng)包括磁性材料的磁化與退磁、彈性材料的變形與恢復(fù)等，機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)中的摩擦和間隙(自由行程)則是產(chǎn)生不工作區(qū)的主要原因五、測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)指的是系統(tǒng)的輸入和/或輸出隨時(shí)間變化的狀態(tài)。.測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模

14、型一微分方程大多數(shù)測(cè)試系統(tǒng)都是線性的，而且系統(tǒng)參數(shù)為常數(shù)，所以其數(shù)學(xué)模型是 常系 數(shù)線性微分方程。其通式可以寫作：bmdn y(t)dtnandn 1 y(t)dtn 1a1dy(t)dta0 y(t)d m x(t)dtmdm 1x(t)dtm 1,dx(t)b1 k設(shè)(2-2)式中一x為系統(tǒng)的輸入量、y為輸出量;a。、a1an 1an、th、6、bm 1、bm 為常數(shù)。也就是說(shuō)，要寫出微分方程，必須知道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù).線性系統(tǒng)的主要性質(zhì)(1)疊加特性：幾個(gè)輸入同時(shí)作用于系統(tǒng)所引起的輸出， 等于幾個(gè)輸入單獨(dú)作用于系統(tǒng)所引起的輸出之和。(2)比例特性：某輸入的若干倍作用于系統(tǒng)所引起的輸出， 等

15、于該輸入單獨(dú)作 用于系統(tǒng)所引起的輸出的若干倍。(3)微分特性：某輸入先求微分、然后作用于系統(tǒng)所引起的輸出，等于該輸入 直接作用于系統(tǒng)所引起的輸出、再求微分。(4)積分特性：某輸入先求積分、然后作用于系統(tǒng)所引起的輸出，等于該輸入直接作用于系統(tǒng)所引起的輸出、再求積分。(5)頻率保持性：線性系統(tǒng)，若輸入為某一頻率的正弦信號(hào)，則其穩(wěn)態(tài)輸出 將保持同一頻率。頻率保持性的重要意義在于，對(duì)于線性測(cè)試系統(tǒng)，如果知道輸入的頻率，那 么系統(tǒng)的輸出信號(hào)中就只有該頻率的成分才有可能是這個(gè)輸入引起的， 其余頻率 分量都是噪聲干擾。.傳遞函數(shù)由數(shù)學(xué)分析可知，對(duì)微分方程進(jìn)行拉普拉斯變換(拉氏變換)，可以建立傳 遞函數(shù)H(s

16、) o我們定義：傳遞函數(shù)=輸出量的拉氏變換輸入量的拉氏變換經(jīng)計(jì)算可得:H(s)b_mm 1mS % 1S . ，S 與nn 1as an iS . aiS a。(2-3).頻率響應(yīng)函數(shù)(頻率響應(yīng)特性) (1)頻率響應(yīng)函數(shù)的數(shù)學(xué)定義當(dāng)系統(tǒng)的輸入為簡(jiǎn)諧輸入時(shí)，可以取s j ,則傳遞函數(shù)H(s)就變成頻率響應(yīng)函數(shù)H(j ),簡(jiǎn)稱頻響函數(shù)或頻響。(2-4) TOC o 1-5 h z Hfj)bm(j 尸 bmi(j .bijb。(j )nn 1_ _an(j ) an 1(j ). a1ja。式中，j yl,即虛單位。(2)頻率響應(yīng)特性的基本思想(頻率響應(yīng)函數(shù)的工程解釋)對(duì)于一個(gè)線性系統(tǒng)，令其輸入為

17、任意正弦信號(hào)x(t) XoSin( t 1),那么穩(wěn)態(tài)輸出可寫作：y(t) Yo sin( t 2)可見，系統(tǒng)的特性(轉(zhuǎn)換關(guān)系)就表現(xiàn)為將 X。轉(zhuǎn)換成丫。、將1轉(zhuǎn)換成2于是定義頻率響應(yīng)函數(shù)H (j ):系統(tǒng)的輸出量與輸入量之比，H(j ) X經(jīng)過(guò)詳細(xì)數(shù)學(xué)推證，我們定義：幅頻函數(shù)(幅頻特性)A():頻率響應(yīng)函數(shù)的模，又稱幅值比，為輸出幅值與輸入幅值之比。即 A( ) |H(j )| 丫Xo相頻函數(shù)(相頻特性)()：頻率響應(yīng)函數(shù)的相角，為輸出向量與輸入向 量的相位差。即()H(j(3) 一階系統(tǒng)其微分方程的一般式可以寫作a1 y(t) ay(t)b0 x(t)。稍加變形，即:dy(t)dty(t)

18、 Sx(t)(2-5)其中,紅，稱為時(shí)間常數(shù) a。;S近，就是靈敏度。a。由微分方程(2-5)可以得出傳遞函數(shù):(2-6)H(s)-S-s 1當(dāng)系統(tǒng)的靜態(tài)靈敏度S=1時(shí)，傳遞函數(shù)化為:(2-7)1H(s) s將s改作j,就可由傳遞函數(shù)寫出頻率響應(yīng)函數(shù):H(j )(2-8)分別計(jì)算其模和相角，得到幅頻特性 A()和相頻特性():A()() arctg()(2-9)(2-10)階系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性曲線如圖2-9所示MW -1一-(酊幅頻特性心)相耀特性圖2-9一階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性一階系統(tǒng)的實(shí)例，有忽略質(zhì)量的彈簧阻尼系統(tǒng)和忽略電感的簡(jiǎn)單 RC電路等。 如圖2-10所示。圖2-10 一階系統(tǒng)的

19、機(jī)械實(shí)例和電工實(shí)例(4)二階系統(tǒng)無(wú)論是測(cè)試系統(tǒng)還是其他應(yīng)用的工作系統(tǒng)，以二階系統(tǒng)最為常見。其微分方程的一般式可以寫作 a2y (t) a1y(t) ay(t)b0 x(t)。對(duì)二階系統(tǒng)，做如下特性參數(shù)的定義:靈敏度S固有頻率na1 o(2-11 )阻尼比則二階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)表達(dá)為:H(j )2S2(j )2 2 nj n(2-12)做靈敏度歸一化，令S=1,則幅頻特性A()和相頻特性小()為:A( ) 11 ()22 4 2()2nn(2-13)2() arctg(2-14)1( n)二階系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性曲線如圖2-11所示。圖2-11 二階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性信號(hào)頻率等于固有頻率防

20、、也就是頻率比為1,就是共振。二階系統(tǒng)的實(shí)例，有彈簧阻尼質(zhì)量系統(tǒng)和簡(jiǎn)單LRC電路等。如圖2-12所示*圖2-12 二階系統(tǒng)的機(jī)械實(shí)例和電工實(shí)例5.不失真測(cè)量的條件不失真測(cè)量：輸出與輸入波形精確地相似，幅值和相位允許有差異。如圖由數(shù)學(xué)分析可知，對(duì)于線性系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)不失真測(cè)量，必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件：幅頻特性為常數(shù)、相頻特性成線性。對(duì)于一階系統(tǒng)，由相關(guān)公式和曲線可以看出，為滿足公式(2-15),就要求盡可能小。其中是輸入信號(hào)的頻率，無(wú)法預(yù)測(cè)和限制；所以一階系統(tǒng)不失 真測(cè)量的條件就是時(shí)間常數(shù)r越小越好。二階系統(tǒng)不失真測(cè)量的要求有如下三點(diǎn)：(1)阻尼比(=0.7 (一般認(rèn)為取0.60.8之間比較合適)；

21、(2)頻率比/1或者固有頻率con足夠高；n(3)固有頻率CDn也不能太高，否則會(huì)導(dǎo)致靈敏度降低在本節(jié)分析中，認(rèn)為系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性取決于系統(tǒng)參數(shù)，即 a。、&、a01、a。、b。、b、bmbm等參數(shù)，這種思路適用于系統(tǒng)的原理分析、設(shè)計(jì)和選擇等工作。但是，如果該系統(tǒng)是測(cè)試研究的對(duì)象，工作目的是確定某個(gè)給定系統(tǒng)的特性，那么上述參數(shù)很可能是不知道的。 此時(shí)，就需要采用試驗(yàn)的方10法，利用輸出和輸入的關(guān)系來(lái)求解系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)第二節(jié)傳感器含義：傳感器是將被測(cè)物理量（通常是非電量）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置，也稱 為感應(yīng)器或變送器。傳感器的基本構(gòu)造可以分為兩部分：敏感元件和輔助元件。敏感元件是傳感 器的核心

22、，直接負(fù)責(zé)將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為輸出的電信號(hào)； 其它輔助元件則為敏感 元件提供必要的機(jī)械聯(lián)接、支承與定位、防護(hù)以及信號(hào)傳送等。傳感器種類繁多，根據(jù)輸出電信號(hào)的性質(zhì)，可以分為兩類：發(fā)電式和參量式。發(fā)電式傳感器輸出的是電動(dòng)勢(shì)（此處的“電動(dòng)勢(shì)”泛指具有電能、能夠主動(dòng)驅(qū)動(dòng)測(cè)量?jī)x表運(yùn)轉(zhuǎn)或顯示的電學(xué)量，包括電壓、電流和電荷等），因?yàn)樽陨磔敵鲭妱?dòng)勢(shì)，所以發(fā)電式傳感器不需要外電源。參量式傳感器 的輸出是各種電參量，包括電阻、電容和電感等。電參量本身 不具有電場(chǎng)能，需要外加電源才能表達(dá)其電學(xué)特性。一、 電阻式傳感器凡是能將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)化為電阻變化的傳感器，都可稱為電阻式傳感器。電阻式傳感器是一種參量式傳感器。根據(jù)產(chǎn)

23、生電阻變化的機(jī)理不同，又可分 為電阻應(yīng)變片式傳感器和滑變電阻式傳感器。.電阻應(yīng)變片式傳感器電阻應(yīng)變片，簡(jiǎn)稱應(yīng)變片，任何物理量，只要能設(shè)法轉(zhuǎn)換成應(yīng)變，都可以由 應(yīng)變片來(lái)測(cè)量。（1）應(yīng)變片的基本構(gòu)造和工作原理電阻應(yīng)變片的基本構(gòu)造如圖 2-14所示。其工作原理是基于金屬導(dǎo)線的電阻應(yīng)變效應(yīng)一金屬導(dǎo)體在外力作用下，不僅 發(fā)生機(jī)械變形，其電阻也會(huì)發(fā)生改變。敏感線柵 2-基底 3-蓋片4-引線圖2-14 電阻應(yīng)變片的基本構(gòu)造由電阻定律可知，一根金屬導(dǎo)線的電阻 R與其長(zhǎng)度L、截面積A和電阻率p 有關(guān)。11R (2-16)A兩側(cè)取自然對(duì)數(shù)、再微分，易得：dR dL dA(2-17)RL A其中，dR是單位電阻的

24、電阻變化量，稱為電阻變化率，就是應(yīng)變片的輸出。 R二是電阻率的變化率。dL是金屬導(dǎo)線長(zhǎng)度的變化率，也就是線應(yīng)變，按材料力學(xué)通常記作dA 2 rdr不 r22dr dro r r為泊松比。得dA 2 。代入式(2-17):AdR dR(1 2 )(2-18)這就是金屬材料的電阻變化率dR與應(yīng)變 之間的關(guān)系。R(2-19)印刷”在應(yīng)將電阻變化率與應(yīng)變之比稱作 導(dǎo)線材料的靈敏系數(shù),記作K。，即:(1 2 )(2)應(yīng)變片的種類金屬絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片制造簡(jiǎn)單，性能一般。金屬箔式應(yīng)變片通過(guò)光刻、腐蝕等工藝，把構(gòu)成線柵的合金材料制成金屬箔, 變片的基底上。因而可以制成各種復(fù)雜的形狀。金屬箔式應(yīng)變片優(yōu)點(diǎn)

25、很多，使用非常廣泛，基本上取代了金屬絲式應(yīng)變片。半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)一當(dāng)半導(dǎo)體受到應(yīng)力作 用時(shí)，由于載流子遷移率的變化，使其電阻率p發(fā)生變化的現(xiàn)象。半導(dǎo)體應(yīng)變片最大的優(yōu)點(diǎn)在于靈敏系數(shù)高。其缺點(diǎn)是價(jià)格較高，而且半導(dǎo)體 材料對(duì)溫度的變化非常敏感，測(cè)量大應(yīng)變時(shí)非線性度也較大。(3) 應(yīng)變片的主要特性靈敏系數(shù)KdR/ R當(dāng)試件在一維應(yīng)力作用下，應(yīng)變片主軸線與主應(yīng)力方向一致時(shí)， 應(yīng)變片的電 阻變化率與試件主應(yīng)變的比值，稱為 應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。(2-21 )由于存在橫向效應(yīng)和膠層傳遞應(yīng)變失真，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)略小于導(dǎo)線材料 的靈敏系數(shù)。其具體數(shù)值需要做標(biāo)定試驗(yàn)來(lái)確定。1

26、2橫向效應(yīng)應(yīng)變片對(duì)于垂直于其主軸線方向應(yīng)變的響應(yīng)，稱為橫向效應(yīng)。金屬箔式應(yīng)變片通過(guò)將橫向部分做得很粗，其初始電阻就很小，橫向效應(yīng)就幾乎沒有了。溫度特性指的是在應(yīng)變不變的條件下，隨著溫度的變化，應(yīng)變片的輸出一電阻變化率 一發(fā)生變化。顯然，這對(duì)于測(cè)量工作來(lái)說(shuō)是一種干擾。溫度特性來(lái)源于兩方面：敏感線柵的電阻率隨溫度發(fā)生變化； 試件、應(yīng)變片 基底和敏感線柵的熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)溫度改變時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)變。應(yīng)變片的阻值指的是應(yīng)變片未粘貼、不受力、處于室溫(20。C)環(huán)境下的電阻值。有60 Q、120Q、200Q、1000。等多種規(guī)格,其中以 120。最常用。(4)應(yīng)變片的粘貼工藝應(yīng)變片的粘貼工藝大致包括如下步

27、驟： 先要清理試件的待粘貼表面，必要時(shí) 在粘貼部位劃線。選用粘合劑將應(yīng)變片粘貼在指定部位。 粘貼后要根據(jù)粘合劑的 不同給予足夠的固化時(shí)間。然后焊接引線、檢查粘貼質(zhì)量和導(dǎo)線的絕緣性。 最后 采用蠟封等方法將應(yīng)變片與外界環(huán)境隔絕開。(5)應(yīng)變片式傳感器開發(fā)了各種以電阻應(yīng)變片為核心元件的專用傳感器，稱之為 應(yīng)變片式傳感 器。應(yīng)變片已經(jīng)貼在傳感器里面，不需要操作者做試驗(yàn)時(shí)自行安裝。應(yīng)變片式傳感器包括應(yīng)變片、彈性元件和其他附件。應(yīng)變片式傳感器在使用前一般要進(jìn)行標(biāo)定，確定被測(cè)物理量與傳感器的輸出 電阻變化率(或者電橋的輸出電壓)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。圓柱傳感器凡 R, 為 %(b)網(wǎng)柱面展開RR-j(c)電橋電

28、路圖2-16 圓柱式測(cè)力傳感器2.滑變電阻式傳感器滑變電阻式傳感器，又稱電位計(jì)式傳感器，主要用于被測(cè)物體的(角)位置13或（角）位移的測(cè)量。其傳感核心就是一個(gè)滑線變阻器,（四鹿位移型6）角位移型圖2-20滑變電阻式傳感器滑變電阻式傳感器原理簡(jiǎn)單、制造容易、輸入一輸出的線性度較好。一個(gè)缺 點(diǎn)是，當(dāng)觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生一定的摩擦力， 其趨勢(shì)是阻礙被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)，有可能影 響被測(cè)物體原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀況，特別是對(duì)于低輸入能量的運(yùn)動(dòng)量。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)中的翼片式空氣流量計(jì)和線性輸出型節(jié)氣門位置傳感器，采用的就是電位計(jì)式原理。還有一類電阻式傳感器，不依賴運(yùn)動(dòng)和變形，而是單純靠溫度變化來(lái)改變電阻材料的電阻率，從而改變

29、輸發(fā)制眼削例如，用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫和進(jìn)氣溫度的繞線電阻式溫度傳感器，其傳感核心是高純度的鍥線電阻, 其電阻值隨水溫或氣溫的改變而變化。這種傳感器響應(yīng)速度較慢，不能 用于追蹤迅速變化的溫度二、電容式傳感器電容式傳感器是將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容值變化的一種傳感裝置， 屬 于參量式傳感器。其基本構(gòu)造就是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。14.工作原理平行板電容器的電容數(shù)值 C為:r 0 SC (2-22)式中，S為兩極板的正對(duì)面積；6為兩極板的間距； 為真空中的介電常 數(shù)，為8.85 X10-12庫(kù)倫/伏特;e為極板間實(shí)際介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，極板間 填充不同物質(zhì)，具相對(duì)介電常數(shù)不同，對(duì)于空氣，取e

30、=1。如果被測(cè)量能使電容器結(jié)構(gòu)參數(shù)中的 S、6或e r中的任一項(xiàng)變化，那么電 容值C就會(huì)發(fā)生變化。.主要類型和應(yīng)用根據(jù)被測(cè)量對(duì)電容器結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同影響，電容式傳感器可以分為三類：(1)變極距型這是最常見的電容式傳感器。變極距型電容傳感器最擅長(zhǎng)的是測(cè)量位移，特別是微小的位移。在汽車噪聲的測(cè)量中，廣泛使用聲級(jí)計(jì)，精密聲級(jí)計(jì)的核心就是一個(gè)電容式 傳感器，稱電容微音器。電容式傳感器也可以測(cè)量流體壓強(qiáng)的變化。例如， D型電控發(fā)動(dòng)機(jī)噴射系統(tǒng) 中，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量由進(jìn)氣歧管壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速推算。 而進(jìn)氣壓力的測(cè)量就是利 用電容式傳感器，如圖2-25所示。圖2-25電容式進(jìn)氣壓力傳感器(2)變面積型電容器的兩個(gè)極

31、板中，一個(gè)固定，另一個(gè)在其平面內(nèi)做平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)， 兩者的 正對(duì)面積S就發(fā)生變化，根據(jù)式(2-22),電容C就發(fā)生改變。a)測(cè)線位移b)測(cè)角位移c) 圓筒形圖2-26變面積型電容式傳感器變面積型電容傳感器很多做成同軸圓筒形結(jié)構(gòu)，如圖 2-26-c)所示。因?yàn)橥?式電容器的徑向變化對(duì)電容值影響相對(duì)較小。15圖中，1接進(jìn)氣歧管，整個(gè)傳感器 外表面處于該氣體壓力環(huán)境中。兩個(gè) 氧化鋁膜片5都可以在氣壓變化下運(yùn) 動(dòng)。2和4是厚膜電極，構(gòu)成電容器的 兩個(gè)極板。3是內(nèi)部填充的絕緣介質(zhì)。 進(jìn)氣壓力的波動(dòng)轉(zhuǎn)變成電容值的變 化，該電容參與構(gòu)成一個(gè)振蕩器諧振 電路，其輸出信號(hào)的頻率與進(jìn)氣歧管 壓力成正比。（3）變介電常

32、數(shù)型兩個(gè)極板均不動(dòng)，改變極板間的填充物質(zhì)或者物質(zhì)的尺寸、 位置，不同物質(zhì) 的相對(duì)介電常數(shù)不同，電容值隨之發(fā)生改變。變介電常數(shù)型電容式傳感器通常用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度、電介質(zhì)插入極板的位置、電介質(zhì)液體的高度或者成分變化等。a）測(cè)物體位置b） 測(cè)物體厚度 c）測(cè)液面高度圖2-27變介電常數(shù)型電容式傳感器.性能特點(diǎn)電容式傳感器的運(yùn)動(dòng)部分（主要就是活動(dòng)極板）質(zhì)量極小，因此固有頻率非 常高，特別適合高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量，比如聲音信號(hào)。電容器極板間的靜電作用力很小， 適宜進(jìn)行低輸入能量的測(cè)量，可以測(cè)量極低的壓力、極小的加速度和極其微小的 位移，靈敏度和分辨力非常高，甚至能夠感受到納米級(jí)的位移。但是，電容傳感器也存在

33、一些問題。（1）輸出阻抗高電容式傳感器的電容值一般很小，當(dāng)采用交流電路處理和變換時(shí)，容抗很大 （容抗Xc % C ,為交流電路的圓頻率）,要求絕緣電阻極大、放大器輸 入阻抗也很大。提高供電頻率可以降低容抗，但高頻信號(hào)的放大和傳輸復(fù)雜，寄 生電容的影響也會(huì)增大。（2）受寄生電容的影響相對(duì)于電容式傳感器自身的電容（就是電容器兩平行板間的電容），傳感器的引線電纜電容、測(cè)量電路的雜散電容以及傳感器極板與周圍導(dǎo)體形成的電容 等，共同構(gòu)成寄生電容。寄生電容會(huì)降低傳感器的靈敏度， 而且寄生電容常常隨 機(jī)波動(dòng)，影響測(cè)量結(jié)果的精度。這就對(duì)電纜的選擇、安置、連接方法和周圍環(huán)境 提出了比較嚴(yán)格的要求。（3）極板間距

34、和厚度的問題平行板電容器靠近邊緣的部分電場(chǎng)強(qiáng)度降低， 這會(huì)降低傳感器的靈敏度，而 且增大非線性度。為了降低這種邊緣效應(yīng)，同時(shí)進(jìn)一步減小寄生電容，需要降低 極板原始間距、增大極板面積、降低極板厚度（如采用鍍金或鍍銀工藝） 。這對(duì) 極板的制造和裝配技術(shù)提出了一定的要求。對(duì)于變面積型和很多變介電常數(shù)型電容式傳感器來(lái)說(shuō)， 輸出與輸入的線性關(guān) 系良好。但是對(duì)于最常見的變極距型電容式傳感器， 由于其基本原理缺陷，輸出 電容與輸入位移之間不是線性關(guān)系。數(shù)學(xué)推證可以得出：為了提高傳感器的靈敏 度（和線性度），電容式傳感器的極板原始間距 必要做得很??；而為了進(jìn)一步提 高線性度，測(cè)量位移A d還要遠(yuǎn)小于原始間距d

35、。所以，電容式傳感器只能測(cè)量微小的位移16為了進(jìn)一步提高測(cè)量的靈敏度和線性度、同時(shí)降低外界干擾的影響，可以采用差動(dòng)測(cè)量。差動(dòng)測(cè)量是一種應(yīng)用廣泛的測(cè)試方法，其基本思想是設(shè)計(jì)兩套相同 的測(cè)量裝置，甲和乙。同一輸入量分別作用于甲、乙兩元件。甲元件的輸出是 （a+b）,其中a是被測(cè)量引起的、b是外界干擾引起的；乙元件的輸出的（-a+b）, a、b的含義同甲。兩者的輸出相減，（a+b）-（-a+b）=2a ?？梢?，差動(dòng)測(cè)量可以將 靈敏度提高一倍，同時(shí)將外界環(huán)境影響對(duì)兩個(gè)測(cè)量元件的干擾抵消掉。圖2-29 差動(dòng)測(cè)量的原理和輸出特性電感式傳感器顧名思義，電感式傳感器，就是將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電感的傳感器，屬于參

36、量式傳感器。這類傳感器的結(jié)構(gòu)特征是具有參數(shù)可變的電感繞組（即線圈）。電感包括自感和互感，所以電感式傳感器也可以分為自感式和互感式兩類。.自感式電感傳感器電感繞組的自感系數(shù)（電感量）與磁路的幾何尺寸、線圈的匝數(shù)和介質(zhì)的導(dǎo) 磁率有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，線圈的匝數(shù)和介質(zhì)的導(dǎo)磁率不易改變，所以，被測(cè)量通常 是位移，改變的是磁路的幾何尺寸。如圖 2-30所示。（a）變氣隙型（b）變截面型（c） 螺管型線圈 2- 鐵芯 3- 銜鐵圖2-30自感式傳感器的類型和原理也可以將變氣隙型和變截面型稱作可動(dòng)銜鐵型電感式傳感器、將螺管型稱做 可動(dòng)鐵芯型電感式傳感器。對(duì)于常見的可動(dòng)銜鐵型，由公式（2-23）可見，傳感器的輸出電

37、感L和被測(cè) 位移6之間是非線性關(guān)系。為了提高線性度，同時(shí)提高靈敏度和抗干擾能力，同17電容式傳感器一樣，電感式傳感器也經(jīng)常采用差動(dòng)測(cè)量方式。如圖 2-32所示， 兩個(gè)鐵芯共用一個(gè)銜鐵,銜鐵的運(yùn)動(dòng)引起兩個(gè)線圈的電感反向變化， 將這兩個(gè)電 感量差接進(jìn)測(cè)量電路以實(shí)現(xiàn)差動(dòng)測(cè)量。VA（a）測(cè)量線位移（b）測(cè)量角位移圖2-32自感式電感傳感器的差動(dòng)測(cè)量.互感式電感傳感器互感式電感傳感器，其構(gòu)造就等效于一個(gè)互感系數(shù)可變的變壓器。這種傳感 器一般都做成差動(dòng)式的，采用兩個(gè)次級(jí)繞組，鐵芯的運(yùn)動(dòng)對(duì)兩個(gè)繞組的影響趨勢(shì)相反，常被稱作差動(dòng)變壓器。如圖2-33所示斷面結(jié)構(gòu)圖3）連線圖（c）輸出特性圖2-33 差動(dòng)變壓器.電

38、感式傳感器的特點(diǎn)與電容式傳感器相比，電感式傳感器可以測(cè)量較大的位移（即使銜鐵或鐵芯 的運(yùn)動(dòng)超出量程也不會(huì)造成損壞）。電感式傳感器的運(yùn)動(dòng)部件與固定部件之間都沒有摩擦，而且電感效應(yīng)本身不 同于電磁感應(yīng)，不需要很大的輸入能量。因此，電感式傳感器的動(dòng)作阻力小、對(duì) 被測(cè)系統(tǒng)的影響小、本身無(wú)機(jī)械磨損。電感線圈允許輸入較大的激勵(lì)電壓。電感式傳感器比較突出的一個(gè)問題是動(dòng)作部分的慣量非常大。慣量大導(dǎo)致固有頻率低，為了滿足不失真測(cè)量的條件，只能測(cè)量更低頻的信號(hào)。所以，電感式 傳感器不能用作高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。而且，電感式傳感器的分辨率受測(cè)量范圍的影響， 測(cè)量范圍越大，分辨率越低。壓電式傳感器.基本原理和性能特點(diǎn)壓電式傳

39、感器的工作原理是壓電效應(yīng)：某些材料當(dāng)沿著一定的方向?qū)ζ涫┘?8 壓力（或拉力）時(shí)，材料不僅發(fā)生機(jī)械變形，而且內(nèi)部發(fā)生極化，在兩側(cè)表面出 現(xiàn)等量的異號(hào)電荷，電荷量與壓力大小成正比。當(dāng)外力去掉后，該材料又重新回 到不帶電的狀態(tài)。如圖2-34所示。（a） 受壓力 （b）受拉力圖2-34 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)原理中的電荷量 Q和壓力F的關(guān)系式可寫作:Q KF。式中，K壓電系數(shù)庫(kù)倫/牛頓壓電式傳感器在汽車試驗(yàn)中最多的應(yīng)用就是用來(lái)測(cè)量振動(dòng)加速度。如圖2-35所示。另外，在發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)中，需要感知爆振率信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)的爆振 程度通常由機(jī)體振動(dòng)反映，也可以采用壓電式加速度傳感器來(lái)測(cè)量。壓電式傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是體積

40、小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、固有頻 率高、靈敏度和線性度都較高。壓電式傳感器的主要缺點(diǎn)是：第一，通常作為振動(dòng)加速度傳感器，當(dāng)被測(cè)運(yùn) 動(dòng)頻率較低時(shí)，測(cè)試較困難。第二，輸出信號(hào)弱、壓電片的阻抗高。所以，一個(gè) 傳感器里通常包含兩個(gè)壓電片，而且傳感器輸出端必須連接前置放大器。 根據(jù)兩 片壓電片連接方式的不同，配套不同的放大器。.前置放大器壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：一是將傳感器輸出的微弱信號(hào)放大；二是阻抗匹配，將傳感器的高阻抗輸入轉(zhuǎn)變成低阻抗輸出， 才能傳給常規(guī)放 大器繼續(xù)放大、處理。即，壓電式傳感器一前置放大器一常規(guī)放大器當(dāng)然， 很多測(cè)試系統(tǒng)所采用的前置放大器，內(nèi)部包含了常規(guī)放大的功能，

41、所以我們看到 的放大器只有一個(gè)。壓電片是有極性的，就是說(shuō)受到壓力時(shí)，出現(xiàn)正、負(fù)電荷的表面是固定的。 當(dāng)一個(gè)傳感器里面的兩片壓電片的異極性表面相連時(shí)，就是串聯(lián)；當(dāng)同極性表面 相連時(shí)，就是并聯(lián)。如圖2-36所示。19（a）兩片壓電片串聯(lián)（b）兩片壓電片并聯(lián)圖2-36 兩片壓電片的連接當(dāng)壓電片串聯(lián)時(shí)，其輸出電壓相當(dāng)于單片的兩倍，適于采用電壓式前置放大 器。這種放大器的輸出電壓與傳感器輸入電壓成正比，但也會(huì)受到被測(cè)信號(hào)頻率 和導(dǎo)線分布電容的影響。放大器的高頻響應(yīng)良好，但低頻響應(yīng)不好。對(duì)導(dǎo)線電纜 的品質(zhì)要求高，導(dǎo)線不能過(guò)長(zhǎng)（特別是要求高靈敏度的場(chǎng)合），更換電纜后需要 重新標(biāo)定靈敏度。電壓式前置放大器的優(yōu)

42、點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，價(jià)格較低。兩片壓電片并聯(lián)，其輸出電荷相當(dāng)于單片的兩倍，適用于采用電荷式前置放 大器。這種放大器線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)困難，成本較高。但是其性能優(yōu)點(diǎn)是很突 出的：放大器輸出電壓僅與輸入電荷量和放大器反饋電容有關(guān) （電荷放大器的本 質(zhì)是一個(gè)具有深度電容負(fù)反饋的高增益放大器，其反饋電容屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)， 是固定的或可選的），而與信號(hào)頻率和導(dǎo)線分布電容無(wú)關(guān)。高頻和低頻響應(yīng)都很 好，傳輸距離可長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米，對(duì)導(dǎo)線品質(zhì)要求低，更換導(dǎo)線后不需要重新標(biāo)定。在線性度和信噪比等方面也優(yōu)于電壓放大式。 所以目前多采用電荷放大式前置放 大器。還有一種半導(dǎo)體壓電效應(yīng)：在單晶半導(dǎo)體上，人為添加一些不同物質(zhì)，就會(huì)

43、 形成一定的電阻值，對(duì)此電阻施加一定的應(yīng)力（應(yīng)變），其阻值就會(huì)發(fā)生變化。例如，D型電控噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力傳感器，就采用了這種原理，如圖2-37所示。N型硅片的中央部位減薄，形成膜片，用光刻腐蝕工藝在膜片上形成4個(gè)P型應(yīng)變電阻，各電阻的初始阻值都是 R。當(dāng)膜片兩側(cè)有壓力差時(shí)，就會(huì) 向一側(cè)膨脹，導(dǎo)致Ri和R3、R2和R4的阻值變化相反，由電橋電路轉(zhuǎn)化成輸出 電壓Ve。這種傳感器體積小、精度高、成本低、抗振性和可靠性高，是目前最 先進(jìn)的進(jìn)氣壓力傳感器，應(yīng)用十分廣泛。20StO.SiO-N-Si薄膜 應(yīng)變電照片（P-Si）（a）(b)圖2-37半導(dǎo)體的壓電電阻效應(yīng)（a）原理Mb）檢測(cè)電路磁電式傳感器

44、磁電式傳感器，也叫感應(yīng)式傳感器，是一種發(fā)電式傳感器，其工作原理是電 磁感應(yīng)（亦稱電磁效應(yīng)）。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知：通過(guò)閉合回路面積內(nèi)的 磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小正比于磁通量的變化率。公式為：e N *。式中，e 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)伏特;N 閉合回路線圈 的匝數(shù)；、一磁通量的變化率韋伯/秒;負(fù)號(hào)表示感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與上述 磁通量的增長(zhǎng)方向相反。在汽車試驗(yàn)中，磁電式傳感器通常用于轉(zhuǎn)速的測(cè)量。 其中的一種是測(cè)速發(fā)電 機(jī)。其本質(zhì)就是一臺(tái)小型直流發(fā)電機(jī)。 這種測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓較高、 能量較 強(qiáng)，可以直接帶動(dòng)負(fù)載（記錄器）而省去中間變換電路；缺點(diǎn)是低轉(zhuǎn)速時(shí)的線性 度較差，而且電壓

45、輸出易受無(wú)關(guān)因素的干擾。另一種應(yīng)用較廣的轉(zhuǎn)速傳感器是磁電式脈沖轉(zhuǎn)速計(jì)，其原理如圖2-38所示。轉(zhuǎn)盤1與被測(cè)軸同步旋轉(zhuǎn)，外圈有一圈凸齒。在固定支架4上安裝有線圈2、 內(nèi)部插有磁極3,磁極前端與轉(zhuǎn)盤凸齒之間的距離很近。當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其邊緣 的齒頂和齒槽依次經(jīng)過(guò)磁極正面，在線圈中感應(yīng)出電脈沖。脈沖個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的 齒數(shù)。脈沖電壓經(jīng)整形后送入計(jì)數(shù)電路，根據(jù)單位時(shí)間通過(guò)的脈沖數(shù)以及轉(zhuǎn)盤一 圈的齒數(shù)，算出平均轉(zhuǎn)速。（平均時(shí)間很短，刷新頻率很快，只要被測(cè)轉(zhuǎn)速變化 不是非常劇烈，這種平均轉(zhuǎn)速完全可以代替瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。）這種脈沖式轉(zhuǎn)速計(jì)低頻 響應(yīng)更好，抗干擾能力更強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于五輪儀、測(cè)功機(jī)等試驗(yàn)設(shè)備的轉(zhuǎn)速測(cè)量 以及

46、汽車電控系統(tǒng)的曲軸轉(zhuǎn)速（或位置）和車輪轉(zhuǎn)速的測(cè)量。21圖2-38磁電式脈沖轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)速發(fā)電機(jī)的基本思想是用輸出電壓的幅值來(lái)反映被測(cè)量；而脈沖轉(zhuǎn)速計(jì)的基本思想則是用輸出脈沖的 頻率來(lái)反映被測(cè)量。信號(hào)的幅值在傳輸、處理中比較容易受到干擾，而頻率信號(hào)在傳輸和處理過(guò)程中， 抗干擾能力相對(duì)更強(qiáng)，因?yàn)榫€ 性系統(tǒng)的基本特性之一就是頻率保持性。脈沖式轉(zhuǎn)速計(jì)就是利用頻率來(lái)計(jì)數(shù)，信 號(hào)幅值的偏差不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。推而廣之，很多測(cè)試設(shè)備，都要把傳感器直接輸出的物理量轉(zhuǎn)換成某種頻率 信號(hào)，用以反映被測(cè)量，利用的就是這種“測(cè)頻率比測(cè)幅值更可靠”的思想。（例 如P15圖2-25 ”電容式進(jìn)氣壓力傳感器” 0）霍爾式傳感器.

47、工作原理霍爾式傳感器的工作原理是霍爾效應(yīng)（亦稱“霍耳效應(yīng)”）。22圖2-39 霍爾效應(yīng)原理長(zhǎng)度l、寬度b、厚度d的N型（N型：電子型）半導(dǎo)體薄片，處在磁感應(yīng) 強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，在薄片長(zhǎng)度方向上施加控制電流 I 那么：在垂直于磁場(chǎng)和電流所形成的平面的方向（即圖中寬度方向）上，將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)Uh。Uh被稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)或霍爾電壓，該半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。給定霍爾元件，霍爾電壓Uh與控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度之積 舊成正比。UhRhIB(2-26)Rh為霍爾系數(shù)，與載流材料的電阻率和載流子遷移率成正比。金屬材料的電阻率太低，P型半導(dǎo)體的載流子是空穴、其遷移率小于電子，都不適合，所以 霍爾

48、元件常用N型半導(dǎo)體材料。另外，由式（2-26）可以看出，載流材料厚度d 越小，霍爾電壓越大，所以霍爾元件都比較薄，薄膜型霍爾元件可薄至1微米。.傳感器特性及應(yīng)用霍爾片是長(zhǎng)方形的薄片，長(zhǎng)度方向上焊有兩根控制電流引線 c、d,寬度方 向上焊有兩根霍爾電壓輸出引線 a、bo圖2-40霍爾傳感器霍爾傳感器的轉(zhuǎn)換效率較低，對(duì)溫度變化較敏感，對(duì)轉(zhuǎn)換精度要求較高時(shí)需 要采取溫度補(bǔ)償措施。但由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、耐久性好、頻率響應(yīng)范圍寬（從 直流到微波頻段）、可靠性高、易于微型化和集成電路化等優(yōu)點(diǎn)，霍爾傳感器在 測(cè)量技術(shù)、信息處理和自動(dòng)控制等方面仍然有廣泛的應(yīng)用?；魻杺鞲衅髯钪苯拥膽?yīng)用，是施加一個(gè)給定的控制電

49、流，通過(guò)測(cè)量輸出霍爾 電壓，來(lái)測(cè)量所在位置的磁場(chǎng)方向和磁感應(yīng)強(qiáng)度。其他物理量如位移、電流或者23速度，如果能引起這個(gè)磁場(chǎng)的變化，那么也可以使用霍爾傳感器來(lái)測(cè)量。圖2-41為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與曲軸位置傳感器。永久磁鐵 3和導(dǎo)磁板5構(gòu)成閉合 磁路，兩者之間布置有霍爾元件2, 4是基座。外圈葉輪有18個(gè)等間距齒、內(nèi)圈 葉輪有3個(gè)不等間距齒，葉輪和曲軸同步旋轉(zhuǎn)。觸發(fā)葉輪進(jìn)入空氣隙時(shí)，霍爾元 件的磁場(chǎng)大部分被葉片旁路，因此輸出霍爾電壓呈低電平信號(hào)；當(dāng)觸發(fā)葉輪離開 空氣隙時(shí)，則輸出高電平。根據(jù)18X信號(hào)，可以計(jì)算出曲軸轉(zhuǎn)角和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速； 根據(jù)3X信號(hào)，可以判斷出點(diǎn)火缸號(hào)(3X脈沖信號(hào)上邊沿分別對(duì)應(yīng)1、4缸，3、

50、 6缸和2、5缸壓縮行程上止點(diǎn)前75 )。兩者結(jié)合，可以精確控制各缸點(diǎn)火時(shí)刻。(a)觸發(fā)葉輪進(jìn)入空氣隙(b)觸發(fā)葉輪離開空氣隙1個(gè)18X脈沖寬度2個(gè)8X脈沖寬度3個(gè)18X脈沖寬度“10:WX脈沖-XiLT bd 力 30ixe旭軸旋轉(zhuǎn)360” a 林沖獷號(hào)(c)圖 2-41傳感器輸出信號(hào)霍爾式曲軸轉(zhuǎn)速與位置傳感器有的資料將電感式傳感器、磁電式傳感器和霍爾式傳感器等與磁場(chǎng)有關(guān)的傳感器，統(tǒng)稱為磁敏式傳感器光電式傳感器工作原理光電式傳感器的工作原理是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是一個(gè)統(tǒng)稱，具體包括：(1)外光電效應(yīng)，又稱光電子發(fā)射效應(yīng)。金屬或半導(dǎo)體光電材料在光照下表面 逸出光電子，這是最經(jīng)典、最狹義的光電效應(yīng)

51、。典型器件是光電管。(2)光伏特效應(yīng)。半導(dǎo)體PN結(jié)在光照下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。典型器件是光電池和光 敏二極管、三極管。(3)光導(dǎo)效應(yīng)，又稱內(nèi)光電效應(yīng)。高電阻率的半導(dǎo)體在光照下導(dǎo)電載流子增加， 電阻率下降。典型器件是光敏電阻。(4)熱電效應(yīng)。某些陶瓷材料在光照下受熱，表面產(chǎn)生移動(dòng)電荷(但不逸出)24性能特點(diǎn)和主要應(yīng)用光電式傳感器通常是發(fā)光器件和接收器件(光電元件)配套使用。光電式傳感器體積小、精度和集成度高，在工業(yè)制造和控制領(lǐng)域常用于測(cè)量 物體的形狀和位置、位移和距離、感光光學(xué)特性，以及非接觸測(cè)量高溫物體的溫 度等。汽車試驗(yàn)測(cè)試中，光電式傳感器主要用于轉(zhuǎn)速的測(cè)量，或者判斷物體的位置。圖2-42是一種典型

52、的光電式轉(zhuǎn)速傳感器的原理示意圖。這種測(cè)試思想與磁 電式脈沖轉(zhuǎn)速計(jì)類似。但其對(duì)光學(xué)環(huán)境和儀器元件的清潔度要求相對(duì)較高。圖2-42 光電式轉(zhuǎn)速傳感器圖2-43左右輪或前后軸是否平行的檢測(cè)在進(jìn)行給定路段的 車速試驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常采用 光電管遮蔽的原理測(cè)量 汽車到達(dá)起點(diǎn)或終點(diǎn)的 時(shí)刻。另外，在機(jī)油品質(zhì) 的檢測(cè)或柴油機(jī)煙度的 測(cè)試等需要判定被測(cè)物 質(zhì)清潔度的試驗(yàn)中，也 常采用光電式傳感器。一些四輪定位儀， 也采用光電式測(cè)量原 理，參見圖2-43。八、熱電式傳感器1.原理和性能(1) 熱電偶，參見圖2-44圖2-44 熱電偶兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體 A和B連接 成一個(gè)回路，兩個(gè)結(jié)合點(diǎn)的溫度不同， 則在導(dǎo)體之間存在電勢(shì)

53、差，稱 熱電動(dòng) 勢(shì)。導(dǎo)體A和導(dǎo)體B是兩個(gè)熱電極,T0端稱參比端或冷端、T端稱工作端或熱25端。由這兩種對(duì)偶導(dǎo)體材料組成、并將溫度（實(shí)際上是 T與To的溫差）轉(zhuǎn)換成 熱電動(dòng)勢(shì)的傳感器就叫 熱電偶。熱電偶的兩個(gè)熱電極A和B必須由不同材料制成；熱電偶的兩個(gè)端To和T的 溫度必須不同；熱電偶的輸出熱電動(dòng)勢(shì)只取決于兩端的溫度差 To-T ,和A、B兩個(gè)電極材料中間部位的溫度無(wú)關(guān)。因此，熱電偶在工作時(shí)應(yīng)確保To溫度不變或可控，使熱電動(dòng)勢(shì)是待測(cè)溫度T的單值函數(shù)，同時(shí)允許在兩極之間中接入其他儀表構(gòu)成測(cè)量回路。熱電偶最突出的優(yōu)點(diǎn)是溫度測(cè)量范圍廣，高溫?zé)犭娕嫉墓ぷ鳒囟瓤梢猿^(guò) 2000 C,低溫?zé)犭娕紕t可低至-2

54、00 0 C以下。而且熱電偶體積小，熱慣性小， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可以測(cè)量復(fù)雜結(jié)構(gòu)狹小處的溫度或零件表面的溫度，例如離合器和制動(dòng)器摩擦副表面的發(fā)熱溫度，是一種比較完善的熱電式傳感器，應(yīng)用極廣。（2） 熱電阻熱電阻的熱敏元件是金屬導(dǎo)體電阻。 導(dǎo)體的電阻隨著溫度的升高，其電阻率 下降。（大多數(shù)導(dǎo)體電阻在溫度升高1 C時(shí)電阻率增加0.4%0.6%。常用的熱 電阻材料是鋁、銅、鍥、鐵等純金屬。熱電阻傳感器一般用于測(cè)量-200 C-500 C的溫度。材料的電阻一溫度特性穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果的精度和重復(fù)性好。與熱電偶相比，不存在參比端溫度T。的控制問題。（3）熱敏電阻熱敏電阻也是利用材料的電阻率隨溫度變化而變化的特性

55、工作的。與熱電阻不同的是，熱敏電阻采用的不是純金屬導(dǎo)體， 而是半導(dǎo)體材料，所 以熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)（單位溫差引起的電阻率變化A p / AT）比熱電阻高 很多，可達(dá)10100倍。另外，熱電阻都是隨著溫度升高而升高、即正溫度系數(shù) 的，而熱敏電阻的電阻率隨溫度的升高可能升高、也可能降低，所以熱敏電阻分 為正溫度系數(shù)熱敏電阻（ATC和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC,其中應(yīng)用較多的 是 PTCSo熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)主要在于溫度系數(shù)高， 而且熱慣性很小，適于動(dòng)態(tài)測(cè)量。缺 點(diǎn)是溫度系數(shù)隨溫度變化而變化，也就是輸出電阻率與輸入溫度不成線性， 尤其 是高溫時(shí)線性度更差，所以使用上限溫度約為 300 C。半導(dǎo)體材料

56、的穩(wěn)定性和 互換性也較差，測(cè)試系統(tǒng)中更換元件需要重新標(biāo)定。2.應(yīng)用熱電偶的主要特點(diǎn)是高溫性能好，所以可以用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的溫度和 排氣門溫度。通過(guò)埋入的方法，可以測(cè)量活塞表面及淺表層、 離合器和制動(dòng)器摩 擦片的表面溫度。熱電阻和熱敏電阻通常測(cè)量較低的溫度，或者表面的平均溫度。 例如用熱敏電阻制成的點(diǎn)溫計(jì)，可以在萬(wàn)向節(jié)磨損試驗(yàn)中測(cè)量十字叉軸端的溫 度，以判定其磨損程度。第三節(jié) 信號(hào)的中間變換、傳輸與記錄26電橋電橋是將電阻、電容或電感等電參量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵龅囊环N中間變換電路，一般與應(yīng)變片式傳感器配合使用1.電橋電路與平衡條件圖2-45 直流電阻電橋如圖2-45, a、c間施加供橋電壓（

57、激勵(lì)電壓）U0 , b、d間是輸出電壓Ubd ,可視作開路。電橋平衡，就是指如果在b、d之 間連接一塊電流計(jì)，其指示為零，也 就是b、d兩點(diǎn)等勢(shì)。所以，電橋平衡條件就是輸出電壓Ubd為零。UbdRi R3R2 R4u(RiR2XR3R4) 0(2-27)輸出電壓Ubd Uab Uad 占U0 UU。,得:可見，電橋平衡條件 就是：R1R3 R2R4（2-28）一般的電橋在初始狀態(tài)下，四個(gè)橋臂阻值都相等，即：Ri R2 R3 R4 R0,平衡條件自然滿足。.電橋輸出電壓與加減特性當(dāng)初始狀態(tài)Ri R2 R3 R4 R0時(shí)，電橋平衡，輸出電壓為零。現(xiàn)在令每個(gè)橋臂的電阻值都發(fā)生變化：Ri R0Ri ,

58、R2 R0R2, R3 R0R3, R4 R0R4。我們把這些變化后的電阻值代入式（2-27）,來(lái)計(jì)算輸出電壓Ubd：Ubd(R0Ri)(R0R3) (R0R2)(R(R0 Ri R0R2)( R0R3 R0R4)R4)U0當(dāng)各橋臂的電阻變化量R均遠(yuǎn)小于初始電阻R。時(shí)，將上式展開:27分子 Ro( R1R2R3R4)Ri R3R2 R4Ro( RiR2R3R4)2分母 4 Ro 2Ro（ Ri則電橋輸出電壓為：R2 R3R4)4 Ro2bdUo( RiT -RTR2R3ro2)Ro(2-29)各橋臂的電阻變化率 % K ,所以又可以寫作：RKUbd Uo（1 2 3 4）（2-30 ）4可見，

59、電橋的輸出電壓可以分解為4個(gè)分量的簡(jiǎn)單加減，而且每個(gè)分量只取 決于某個(gè)橋臂的電阻變化，不同橋臂之間沒有互相影響?？梢詫㈦姌蜉敵鲭妷汗?式總結(jié)為電橋加減特性：電橋可以把各橋臂電阻變化所引起的輸出電壓自動(dòng)加減 而后輸出。加減規(guī)律為：對(duì)臂相加、鄰臂相減。公式中的電阻指的是某個(gè)橋臂的電阻，而不一定是某個(gè)電阻元件的電阻值。.電橋的不同接法與靈敏度5bbQ Uq O- Ol，/ (7g O,（a）單臂電橋（b）雙臂電橋（c） 全橋圖2-46電橋的接法電橋的輸入是電阻變化率 R/Ro （也就是應(yīng)變片的輸出dR/R）,電橋的輸出是電壓Ubd。因此，電橋靈敏度 就是輸出電壓與電阻變化率之比，即:bdR/Ro(2

60、-31 )其中分母 R/Ro是僅指某一個(gè)橋臂的（習(xí)慣上通常取第 1臂）。（1）單臂電橋?qū)τ趩伪垭姌颍墒剑?-29）可以看出，輸出電壓只有第一項(xiàng) 匕兇。所Ro28U0以單臂電橋的靈敏度S4(2)雙臂電橋?qū)τ陔p臂電橋，令第一個(gè)工作臂為 1,那么另一個(gè)工作臂可能是對(duì)臂 3、也 可能是鄰臂2(或4),目的是放大輸出、提高靈敏度。當(dāng)兩個(gè)應(yīng)變片輸出的電阻 變化率絕對(duì)值相等時(shí)，由式(2-29)可以看出，電橋的輸出電壓是單片的 2倍， 那么雙臂電橋的靈敏度就是單臂電橋的 2倍，靈敏度S 出。2(3)全橋?qū)τ谌珮?，也就是四個(gè)橋臂都是工作臂，為了將輸出電壓盡可能提高，1、2、 3、4四個(gè)橋臂的應(yīng)變符號(hào)一定是“正