汽車測(cè)試常用傳感器

汽車測(cè)試常用傳感器第1頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器的分類按工作原理分

發(fā)電式傳感器：將非電量轉(zhuǎn)化為電動(dòng)勢(shì)的傳感器。如測(cè)速發(fā)電機(jī)、磁感式傳感器等。

電參量式傳感器：將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電參量（如電阻、電容、電感等）的變化。各類電阻（熱敏電阻、壓敏電阻、光敏電阻等）式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器等。按被測(cè)物理量分按被測(cè)物理量的不同，傳感器可分為很多類，汽車行業(yè)所用的傳感器主要有：溫度傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、速度/轉(zhuǎn)速傳感器、傾角傳感器、氣體傳感器等。

第2頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)電阻式傳感器滑變電阻式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器壓敏電阻式傳感器熱敏電阻式傳感器光敏電阻式傳感器

第3頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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，其工作原理是通過滑動(dòng)觸點(diǎn)改變電阻絲的長(zhǎng)度來改變電阻值的大小，進(jìn)而將電阻值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂娏鞯淖兓?，如圖3-1所示。（a）線位移型（b）角位移型圖3-1滑變電阻式傳感器

第4頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖中變阻器的活動(dòng)觸C的滑動(dòng)量分別為X（線位移型）和α（角位移型）。固定觸點(diǎn)A和活動(dòng)觸點(diǎn)C之間的電阻值分別為：

(3-1)

(3-2)式中：Rl、Rα—分別為線位移型和角位移型滑變電阻式傳感器的輸出電阻；

Kτ、Kω—分別為單長(zhǎng)度和單位弧度的電阻值；

X、α—分別是線位移和角位移。

滑變電阻式傳感器的輸出（電阻）與輸入（位移）呈線性關(guān)系。傳感器的靈敏度E就是該直線的斜率，即：

(3-3)

（3-4）第5頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月若滑變電阻式傳感器與后繼設(shè)備相連，由于二者之間有能量的交換，因此必然存在負(fù)載效應(yīng)（負(fù)載效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響由后繼設(shè)備的阻抗性質(zhì)決定），其結(jié)果是使得傳感器的輸出與輸入之間的線性關(guān)系變?yōu)榉蔷€性。為了補(bǔ)償這種非線性，在實(shí)際測(cè)試工作中常采用滑動(dòng)觸點(diǎn)距離與電阻值成非線性關(guān)系的變阻器，如圖3-2所示。第6頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月獲得高分辨率的結(jié)構(gòu)方案：線繞式結(jié)構(gòu)線繞式結(jié)構(gòu)的兩大缺點(diǎn)：1、電阻的變化是臺(tái)階狀（當(dāng)滑動(dòng)觸點(diǎn)從一圈導(dǎo)線移至下一圈時(shí)，電阻值不是連續(xù)變化，而是呈現(xiàn)出一個(gè)一個(gè)的臺(tái)階）；2、呈現(xiàn)出電感式阻抗。解決方案：用碳膜或?qū)щ娝芰现谱龌冸娮枋絺鞲衅??；冸娮枋絺鞲衅鞯膬?yōu)點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便。在汽車領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。

在汽車上的應(yīng)用：發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門位置傳感器、汽車側(cè)滑試驗(yàn)臺(tái)上的線位移傳感器等多采用滑變電阻式傳感器。

第8頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月1、簡(jiǎn)單節(jié)氣門位置傳感器舉例第9頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月2、組合節(jié)氣門位置傳感器(1)－可變電阻滑動(dòng)觸點(diǎn)；(2)－電源電壓（5V）；(3)－絕緣部件；(4)－節(jié)氣門軸；(5)－怠速觸點(diǎn)。第10頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月3、組合式TPS的輸出特性第11頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月油規(guī)壓力傳感器電子油門位置傳感器1冷卻水溫傳感器電子油門位置傳感器24、電子節(jié)氣門位置傳感器第12頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月二、電阻應(yīng)變片式傳感器由《物理學(xué)》之，金屬絲的電阻與金屬絲的長(zhǎng)度、截面積及電阻率的關(guān)系如下：

(3-5)

式中：R—電阻值，；

ρ—電阻率，；

L—金屬絲的長(zhǎng)度，m；

A—金屬絲的截面積，mm2

。

當(dāng)金屬絲受到拉伸或壓縮時(shí)，由于金屬絲的長(zhǎng)度L和截面積A要發(fā)生變化，因此電阻值R亦會(huì)發(fā)生變化。為了了解其變化規(guī)律，下面對(duì)式（3-5）進(jìn)行微分得：

（3-6）第13頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)金屬絲的半徑為r，則截面積，將其代入式(3-6)并整理得：(3-7)式中：—單位應(yīng)變，常用表示；—金屬絲的徑向相對(duì)變化率，當(dāng)金屬絲沿軸向伸長(zhǎng)時(shí)，徑向必然會(huì)相對(duì)地縮小，其二者的關(guān)系為：(3-8)—金屬絲的泊松比；—金屬絲電阻率的相對(duì)變化率，其大小與縱向所受的應(yīng)力有關(guān)。(3-9)—縱向壓阻系數(shù)；—材料的彈性模量。第14頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月將式（3-8）和（3-9）代入（3-7）式，并整理得：(3-10)

對(duì)于一般的金屬材料而言，電阻率的變化率很小，即縱向壓阻系數(shù)很小，可忽略不計(jì)。如此，式（3-10）就變?yōu)椋?3-11)

即金屬絲的電阻變化率與縱向應(yīng)變成正比，這就是金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)，利用應(yīng)變效應(yīng)制做的傳感器稱為電阻應(yīng)變片式傳感器。式（3-11）中的即為電阻應(yīng)變片式傳感器的靈敏度，用表示。第15頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月1、電阻應(yīng)變片式傳感器的構(gòu)造電阻應(yīng)變片式傳感器由電阻應(yīng)變片和彈性元件兩大部分組成，如圖3-3所示。圖3-3電阻應(yīng)變片式傳感器1－電阻應(yīng)變片2－彈性元件第16頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

電阻應(yīng)變片

電阻應(yīng)變片有金屬絲式和金屬箔式兩種，如圖3-4所示。由基底1、敏感柵2、蓋片3和引線4等部分組成。圖中l(wèi)為柵長(zhǎng)，又稱格距，一般l＝2～3mm。柵長(zhǎng)小的應(yīng)變片橫向效應(yīng)嚴(yán)重，粘貼和定位較困難，所以常選用柵長(zhǎng)大的應(yīng)變片。柵長(zhǎng)小的應(yīng)變片主要用于應(yīng)變變化梯度大、頻率高、粘貼面受限的場(chǎng)合。a為柵寬，通常10mm。

圖3-4電阻應(yīng)變片的構(gòu)造（a）金屬絲式（b）金屬箔式1－基底；2－敏感柵；3－蓋片；4－引線第17頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬絲式應(yīng)變片：敏感柵常用直徑20μm～30μm的康銅或鎳鉻合金曲折繞成柵狀后貼在由浸漬過絕緣材料的紙或合成有機(jī)聚合物的基底上。缺點(diǎn)：橫向效應(yīng)比較明顯。金屬箔式應(yīng)變片敏感柵通常是用光刻法在厚度僅為1μm～10μm的金屬箔片上刻制而成。如此，不僅可制造出可滿足各種不同測(cè)試要求的形狀復(fù)雜的應(yīng)變片（如圖3-5所示）,而且刻制出的線條均勻、尺寸精度高，適于大批量制造。

第18頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性元件

彈性元件是電阻應(yīng)變片式傳感器不可或缺的重要組成部分。為了將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為適合于應(yīng)變片測(cè)量的應(yīng)變范圍，需按被測(cè)量的性質(zhì)對(duì)彈性元件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。如圖3-6所示。

圖3-6彈性元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖第19頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月2、電阻應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用

電阻應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用十分廣泛，除大量用于各種結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)量外，在工程測(cè)試的各個(gè)領(lǐng)域均有應(yīng)用。拉壓力的測(cè)量

轉(zhuǎn)矩測(cè)量流體壓力測(cè)量第20頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月拉壓力測(cè)量在工程測(cè)試領(lǐng)域有大量拉壓力的測(cè)試問題，其中汽車軸荷儀是電阻應(yīng)變片式傳感器測(cè)拉、壓力的一種典型應(yīng)用。第21頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

轉(zhuǎn)矩測(cè)量

利用電阻應(yīng)變片式傳感器測(cè)轉(zhuǎn)矩有兩種不同的結(jié)構(gòu)方案,如圖3-7所示。方案一：在轉(zhuǎn)軸(彈性元件)的圓周上沿主應(yīng)力方向均布四個(gè)應(yīng)變片，并將其聯(lián)接成電橋(見圖3-7(a)),測(cè)出轉(zhuǎn)軸表面最大應(yīng)力便可計(jì)算出轉(zhuǎn)矩的大小。方案二：通過一個(gè)力臂將轉(zhuǎn)矩的測(cè)量轉(zhuǎn)換為力的測(cè)量。電阻應(yīng)變片式力傳感器3測(cè)得的壓力F乘以測(cè)力臂2的長(zhǎng)度L即為所要測(cè)量的轉(zhuǎn)矩

第22頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-7轉(zhuǎn)矩的測(cè)量

1－支架；2－測(cè)力臂；3－力傳感器

第23頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

流體壓力的測(cè)量圖3-8是一種膜電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。彈性元件是一種周邊固定的圓形金屬膜片，在壓力P的作用下，膜片周圍上的切向應(yīng)變?yōu)榱?，徑向?yīng)變?chǔ)舝為負(fù)的最大應(yīng)變；在膜片的中心處,切向應(yīng)變?chǔ)舤和徑向應(yīng)變?chǔ)舤相等，且均達(dá)到正的最大值。據(jù)此，將四個(gè)應(yīng)變片按圖3-8(c)所示的方法粘貼，并將其接成差動(dòng)電橋，便可測(cè)量流體的壓力。

(a)膜片式壓力傳感器的構(gòu)造(b)膜片上的應(yīng)變(c)應(yīng)變片的布置圖3-8膜片式壓力傳感器第24頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月3、應(yīng)變片的溫度特性

熱脹冷縮是金屬材料的共同特性。由此可見，溫度的變化必然引起電阻值的變化。由于在測(cè)試過程中，應(yīng)變引起的電阻值變化一般都很小，因此溫度的變化所引起的電阻值變化所占的比重相當(dāng)大。溫度的影響還表現(xiàn)在另一個(gè)方面，即敏感柵與基底材料線脹系數(shù)的差異也會(huì)帶來附加的應(yīng)變。

溫度對(duì)敏感柵電阻值的影響

敏感柵與基底線脹差異引起的附加應(yīng)變第25頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

溫度對(duì)敏感柵電阻值的影響設(shè)測(cè)試過程中被測(cè)試件的溫度變化為△T，則由此所引起敏感柵電阻值的變化△RT為：(3-13)式中：△RT—溫度變化引起敏感柵電阻值的變化；R—應(yīng)變片電阻；

γt—應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)；

△T—測(cè)試過程中被測(cè)試件的溫度變化值。電阻值的變化折算成相應(yīng)的應(yīng)變值為：(3-14)式中：ER—應(yīng)變片的靈敏度。第26頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月敏感柵與基底線脹差異引起的附加應(yīng)變?cè)O(shè)測(cè)試過程中被測(cè)試件的溫度變化為△T，則敏感柵與基底線脹差異引起的附加應(yīng)變?chǔ)舠為：

(3-15)式中：εs—線脹差異引起的附加應(yīng)變

αg、αs—分別為敏感柵和基底材料的線脹系數(shù)。溫度引起的總的應(yīng)變?chǔ)舲為：

（3-16）

欲消除溫度的影響，常用的方法是進(jìn)行補(bǔ)償。關(guān)于測(cè)試結(jié)果的補(bǔ)償，后面有專門的章節(jié)進(jìn)行討論。前面的應(yīng)用實(shí)例中，將電阻應(yīng)變片進(jìn)行橋接就是一種有效的補(bǔ)償方法。

第27頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、

壓敏電阻式傳感器

壓敏電阻式傳感器是利用壓阻效應(yīng)來工作的。有些半導(dǎo)體材料在受到壓力作用后，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。利用壓阻效應(yīng)制造出的敏感元件就是人們常說的壓敏電阻。

壓敏電阻主要是結(jié)晶硅和鍺經(jīng)摻入雜質(zhì)后形成的P型和N型半導(dǎo)體。由于半導(dǎo)體是各向異性的材料，因此它的壓阻系數(shù)不僅與摻雜濃度、工作溫度和材料的類型有關(guān)，而且還與晶軸方向有關(guān)。當(dāng)單晶半導(dǎo)體材料沿某一軸向受外力作用時(shí)，原子點(diǎn)陣排列規(guī)律隨之發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度產(chǎn)生變化，從而引起電阻率的變化。

單晶半導(dǎo)體電阻率的變化率在外力作用下變化明顯，而單位應(yīng)變和徑向相對(duì)變化率的變化卻很小，可以忽略不計(jì)。

第28頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月壓敏電阻受外力時(shí)電阻的變化率為：(3-17)式中：K1—半導(dǎo)體的壓阻系數(shù)；E—半導(dǎo)體材料的彈性模量，晶向不同時(shí)，其值亦不同，晶向?yàn)?lt;110>時(shí)，E＝1.67×1011N/m2；

ε—材料的應(yīng)變。若從專門處理的單晶硅或鍺上沿一定晶軸方向切割一小塊晶片，便可制造出P型和N型壓敏電阻，P型壓敏電阻在受壓后，電阻值增加，而N型壓敏電阻在受壓后電阻值會(huì)減小。第29頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

壓敏電阻常用來制造壓力傳感器，即壓敏電阻式壓力傳感器，又稱為擴(kuò)散硅壓力傳感器，如圖3-9所示。其核心件是一塊沿某晶向切割的N型硅膜片,在膜片上利用集成電路工藝擴(kuò)散出四個(gè)阻值相同的P型電阻（四個(gè)電阻的分布如圖3-9（b）所示），并將其連成一平衡電橋，膜片的四周用圓形硅環(huán)固定，如此便形成了上、下兩腔，上腔為高壓腔，下腔為低壓腔。

(a)

壓敏電阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)(b)P型電阻的分布1－引線；2－硅環(huán)；3－高壓腔；4－低壓腔；5－硅膜片圖3-9壓敏電阻式壓力傳感器第30頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月壓敏電阻式壓力傳感器的突出特點(diǎn)是，敏感元件與彈性元件制成一體，因此它的體積可以做的很小，最小的壓敏電阻式壓力傳感器其外形尺寸只2mm左右。此外，壓敏電阻式壓力傳感器固有頻率很高，其值為：

式中：fn

—固有頻率；

h—膜片厚度；

E—膜片的彈性模量；

μ—膜片材料的泊松比；

ρ—膜片材料的電阻率。由第二章對(duì)測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的分析知，固有頻率高的測(cè)試系統(tǒng)，其通頻帶就寬。因此，壓敏電阻式壓力傳感器可以測(cè)量頻繁變化的流體壓力，包括脈動(dòng)的壓力。正因?yàn)槿绱耍瑝好綦娮枋綁毫鞲衅鞑粌H在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用（如用其測(cè)試汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力），而且還大量用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。第31頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月壓阻效應(yīng)式歧管壓力傳感器MAP結(jié)構(gòu)第32頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月歧管壓力傳感器的結(jié)構(gòu)（a）剖面圖；（b）硅膜片結(jié)構(gòu)；（c）等效電路圖1－引線端子；2－殼體；3－硅杯；4－真空室；5－硅膜片；6－錫焊封口；7－應(yīng)變電阻；8－金線電極；9－電極引線；10－底座；11－真空管第33頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月硅膜片在進(jìn)氣壓力作用下，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變而產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)變電阻的阻值在膜片應(yīng)力的作用下就會(huì)發(fā)生變化，惠斯頓電橋上電阻值的平衡被打破。當(dāng)電橋輸入端輸入一定電壓或電流時(shí)，在電橋的輸出端就可得到變化的信號(hào)電壓或信號(hào)電流。第34頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月工作情況1.當(dāng)節(jié)氣門開度↑→空氣流通截面A↑→→進(jìn)氣流量Q↑→氣流速度v↓→進(jìn)氣壓力P↑→Uo↑

2.節(jié)氣門開度↓→A↓→Q↓→v↑→P↓→Uo↓

3.取壓部位：壓力波動(dòng)較小的部位如：桑塔納2000GLi——穩(wěn)壓箱（動(dòng)力腔）第35頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月四、熱敏電阻式溫度傳感器熱敏電阻式溫度傳感器的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、制造成本低、測(cè)量精度，在汽車上得到了廣泛的應(yīng)用。

熱敏電阻式溫度傳感器是利用某些金屬氧化物或單晶鍺、單晶硅等材料的電阻值隨溫度的變化而變化的特性工作的。不同材料制造熱敏電阻具有不同的溫度特性(見圖3-37),即：正溫度系數(shù)型（PTC）：電阻值隨溫度的上升而上升；負(fù)溫度系數(shù)型（NTC）：電阻值隨溫度的上升而下降；臨界溫度型（CTR）：在某一特定溫度，電阻值發(fā)生突變。1－正溫度系數(shù)型（PTC）；2－負(fù)溫度系數(shù)型（NTC）；3－臨界溫度型（CTR）圖3-37熱敏電阻特性曲線第36頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車上各部位（如發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、進(jìn)氣溫度等）的溫度測(cè)量幾乎都采用負(fù)溫度系數(shù)型（NTC）熱敏電阻式溫度傳感器。圖3-38是某種轎車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度傳感器和水溫度傳感器，它主要由熱敏電阻、引線和外殼組成，負(fù)溫度系數(shù)型熱敏電阻溫度傳感器的電阻值與溫度的關(guān)系為：(3-60)式中：R—熱敏電阻的電阻值；A、B—與熱敏電阻材料和制造工藝有關(guān)的常數(shù)；T—被測(cè)溫度。(a)

進(jìn)氣溫度傳感器(b)水溫度傳感器1－外殼；2－熱敏電阻；3－引線圖3-38熱敏電阻溫度傳感器第37頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月第38頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月舉例：1、汽車用溫度傳感器類型(按用途分)1.進(jìn)氣溫度傳感器IATS或IATIATS：IntakeAirTemperatureSensor2.冷卻液溫度（水溫）傳感器CTSCTS：CoolantTemperatureSensor3.排氣溫度傳感器EATS或EAT：

ExhaustAirTemperatureSensor4.燃油溫度傳感器FTSFuelTemperatureSensor第39頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月2、溫度傳感器功用1.

進(jìn)氣溫度傳感器IATS

：檢測(cè)進(jìn)氣溫度信號(hào)，并變換為電信號(hào)輸入ECU，作為各種控制功能的修正信號(hào)信號(hào)中斷－－導(dǎo)致熱啟動(dòng)困難、廢氣排放量增大。2.冷卻液溫度傳感器CTS：檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度信號(hào)，并變換為電信號(hào)輸入ECU－－修正噴油時(shí)間和點(diǎn)火時(shí)間。信號(hào)中斷－－導(dǎo)致冷啟動(dòng)困難、油耗增加、怠速不穩(wěn)、廢氣排放量增大等。3.排氣溫度傳感器EGTS：檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度信號(hào)，并變換為電信號(hào)輸入ECU－－修正點(diǎn)火時(shí)間，防止發(fā)動(dòng)機(jī)過熱。4.燃油溫度傳感器FTS：檢測(cè)燃油溫度信號(hào)，并變換為電信號(hào)輸入ECU－－修正噴油時(shí)間。第40頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月3、溫度傳感器安裝位置1.進(jìn)氣溫度傳感器IATS

：進(jìn)氣道上空氣流量傳感器（或歧管壓力傳感器）一體2.冷卻液溫度傳感器CTS：水溫表傳感器一體發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套上或冷卻液出水管上3.排氣溫度傳感器EGTS：排氣管上4.燃油溫度傳感器FTS：燃油管路上燃油箱內(nèi)第41頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月4、熱敏電阻式溫度傳感器

（a）外形（b）兩端子式（c）單端子式

1.熱敏電阻2.電極引線3.殼體4.接線插座第42頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月5、熱敏電阻外形結(jié)構(gòu)及材料1.外形⑴珍珠形；⑵芯片形；⑶厚膜形；⑷墊圈形；⑸圓盤形（藥片形）2.材料：⑴低溫：（300℃以下，用于水溫、進(jìn)氣溫度等）

MnO－NiO；MnO－CoO－NiO；

MnO－CoN系列⑵中溫：SiC、LaCrO3、B4C系列⑶高溫：TiO2、Y2O3、CaSiO3、Al2O3、Cr2O3、

ZrO2（熔點(diǎn)2800℃，高溫傳感器最佳材料）第43頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月6、負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻特點(diǎn)溫度升高，阻值降低：

T↑→R↓溫度降低，阻值升高：

T↓→R↑

第44頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月7、桑塔納轎車CTS阻值與電路第45頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月8、溫度傳感器檢修溫度傳感器1.檢測(cè)電源電壓與信號(hào)電壓——接通點(diǎn)火開關(guān)2.檢測(cè)熱敏電阻阻值——斷開點(diǎn)火開關(guān)第46頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)電容式傳感器電容式傳感器事實(shí)上就是一個(gè)可變電容。若忽略電容器的邊緣效應(yīng)，則平行極板電容器的電容量為：

(3-19)

式中：C—電容量F；

A—極板的有效面積，m2

；

ε0—真空介電常數(shù)，ε0＝8.85×10-12，F(xiàn)/m；

εr—極板間介質(zhì)的介電常數(shù),當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，εr

＝1；

d—兩極板間的距離，m。由上式可知，改變電容器的A、d和εr均可帶來電容量的變化，據(jù)此便可制做出三種不同類型的電容式傳感器，即：A型電容式傳感器、d型電容式傳感器和εr型電容式傳感器。第47頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、A型電容式傳感器

A型電容式傳感器有三種不同的結(jié)構(gòu)形式，即：平板平移式圓柱平移式旋轉(zhuǎn)式電容傳感器

（a）平板平移式（b）圓柱平移式（c）旋轉(zhuǎn)式1－活動(dòng)極板；2－固定極板圖3-10型電容式傳感器第48頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

1、平板平移式電容傳感器

當(dāng)活動(dòng)極板1沿x方向移動(dòng)時(shí)（見圖3-10(a)），電容器極板有效面積的變化量為：

(3-20)

由此帶來電容量的變化為：

(3-21)

式中：Ec—傳感器的靈敏度，。對(duì)于某一具體的電容式傳感器，b和Ec均為定值，即為常數(shù)。由此可見，該電容式傳感器的輸出與輸入呈線性關(guān)系。

第49頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、圓矩平移式電容傳感器當(dāng)沿電容器的軸線方向移動(dòng)圓柱平移式電容傳感器的活動(dòng)極板時(shí)（見圖3-10(b)），利用高斯積分可得到該電容器的電容量為：（3-22）式中：D、d--分別為固定極板的內(nèi)徑和活動(dòng)極板的外徑。若活動(dòng)極板的軸向移動(dòng)量為△x，則電容的變化量為△C：（3-23）式中：Ec—傳感器的靈敏度，。

由于ε0、εr及D、d均為不變的量，因此，此種傳感器也具有線性特性。

第50頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月二、d型電容式傳感器圖3-11(a)是一平板電容器的示意圖，若電容器的兩極板間的電介質(zhì)不變（即不變）及電容極板的有效面積不變，則該電容器的電容量為：（3-25）由式（3-25）知，當(dāng)電容器極板間間距d改變時(shí)，電容量隨d的變化規(guī)律是一雙曲線，如圖3-11（b）所示。

(a)

d型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖(b)d型電容式傳感器的特性曲線1－活動(dòng)極板；2－固定極板圖3-11d型電容式傳感器第51頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)電容器初始狀態(tài)兩極板的間距為，對(duì)應(yīng)的電容量為：活動(dòng)極板1向固定極板2的方向平移△d時(shí)的電容量將增加為△C，即：

將式（3-26）等式右邊的分子和分母同乘以d+△d得：當(dāng)△d很小時(shí)，＝，則上式變?yōu)椋杭串?dāng)△d很小時(shí)，d型電容式傳感器的特性近似于線性。其靈敏度為：

上式表明，d型電容式傳感器的靈敏度與極板間距的平方成反比，即極板間距越小，靈敏度越高。但當(dāng)靈敏度提高時(shí)，非線性誤差亦隨之增大，因此這種傳感器的測(cè)量范圍有限。第52頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月三、εr型電容式傳感器

圖3-12是兩種不同形式的εr型電容式傳感器。一種是在圓筒極板之間改變液態(tài)介質(zhì)質(zhì)量的多少，另一種是在平板極板間改變固態(tài)介質(zhì)的插入深度。前者的輸入常是液位，后者的輸入一般是位移，因此將其分別稱為εr型電容式液位傳感器和εr型電容式位移傳感器。

(a)電容式液位傳感器(b)電容式位移傳感器圖3-12型電容式傳感器第53頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

1、型電容液位傳感器

設(shè)圖3-12(a)傳感器兩圓筒形極板的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，內(nèi)極板的外徑為2r、外極板的內(nèi)徑為2D，極板間的液體介質(zhì)為非導(dǎo)電液體，其介電常數(shù)為，極板間未被液浸泡的部分是空氣，其介電常數(shù)＝1，極板被液體介質(zhì)浸泡的深度為L(zhǎng)，此時(shí)該電容式傳感器的輸出電容為C：

（3-29）式中：—該電容器兩極板間為空氣介質(zhì)的電容量，；

—該電容式傳感器的靈敏度，。由式（3-29）知，此電容器的特性為線性。第54頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、型電容式位移傳感器

由圖3-12(b)知，該電容式傳感器的電容為：

（3-30）式中：B—電容器極板寬度；

L0

—電容器極板長(zhǎng)度；

ε0—真空介電常數(shù)；

εr—固體電介質(zhì)的介電常數(shù)；

L—固體電介質(zhì)進(jìn)入電容器極板的深度；

d—極板間距；

C1—電容器極板間為空氣介質(zhì)的電容量，；

Ec—傳感器的靈敏度，。第55頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月四、差動(dòng)電容傳感器由第二章的分析知，提高測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度可提高系統(tǒng)的測(cè)試精度；此外任何電器元件通電時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，溫度會(huì)上升，電器件的性能會(huì)發(fā)生變化，即會(huì)產(chǎn)生測(cè)試誤差。為了提高測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度、消除溫升所帶來的誤差，常將電容式傳感器做成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，如圖3-13所示。差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容式傳感器，其輸出電容正好是相應(yīng)單個(gè)電容傳感器輸出電容的兩倍，即傳感器的靈敏度是相應(yīng)單個(gè)電容傳感器的兩倍，而且還自動(dòng)消除了溫升所引起的測(cè)試誤差。圖3-13差動(dòng)機(jī)構(gòu)的電容式傳感器第56頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

五、容柵式傳感器

電容式傳感器的重要特點(diǎn)是量程非常有限，即只適合測(cè)量一些微小變化的量。然而在汽車試驗(yàn)及工程測(cè)試中經(jīng)常會(huì)遇到變化范圍很大的量。為了能有效解決變化范圍很大的一些物理量的測(cè)量，近些年，在A型電容式傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來一種容柵式傳感器，如圖3-14所示。容柵式傳感器的量程得到了極大地?cái)U(kuò)展。從理論上講，它的測(cè)量范圍可以達(dá)到任意大小。

(a)外形結(jié)構(gòu)(b)剖面圖1－矩形窗口，2－測(cè)量裝置，3－金屬帶，4－發(fā)射電極，5－接收電極圖3-14容柵式傳感器第57頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月容柵式傳感器仍然由兩個(gè)電極組成，與前面所介紹的電容式傳感器不同的是，傳感器的一個(gè)極板變成了一個(gè)較長(zhǎng)的柵片，當(dāng)然另一個(gè)極板既可以是單極板（見圖3-14），也可以是兩塊柵片（見圖3-15）。容柵式傳感器已發(fā)展出多種不同的結(jié)構(gòu)型式，由于它不僅量程大，而且精度很高（可達(dá)5μm），因此被認(rèn)為是一種極有發(fā)展前途的傳感器，在汽車試驗(yàn)領(lǐng)域已開始將其用于位置、位移及長(zhǎng)度的測(cè)量。數(shù)顯游標(biāo)卡尺已用到容柵式傳感器。

(a)活動(dòng)和固定柵片(b)整體1－活動(dòng)?xùn)牌綐O板；2－固定柵片式極板圖3-15活動(dòng)極板與固定極板均為柵片的容柵式傳感器第58頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月六、電容式傳感器的應(yīng)用由于電容式傳感器具有體積小、功耗低、精度高、性能穩(wěn)定及所需要驅(qū)動(dòng)力小等特點(diǎn)，因此在汽車及各工程領(lǐng)域被廣泛地用來測(cè)量位置、位移、壓力、振動(dòng)、噪聲和傾角等。下面舉兩例介紹電容式傳感器的應(yīng)用。

電容式加速度傳感器電容式傾角傳感器第59頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

電容式加速度傳感器

圖3-16是電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊便上、下振動(dòng)，兩差動(dòng)聯(lián)接的電容器C1和C2便向外輸出與振動(dòng)加速度相對(duì)應(yīng)的電容量。由于該傳感器采用空氣作為阻尼介質(zhì)（氣體粘度的溫度系數(shù)比液體小得多），因此其測(cè)試精度較高。只要合理地設(shè)計(jì)彈性支承鋼片的剛度，便可獲得高的通頻帶寬，因此它可以測(cè)量較高頻率的振動(dòng)加速度。

1－下固定極板；2－外殼；3－彈性支承鋼片；4－質(zhì)量塊；

5－上固定極板；6－絕緣墊；A、B－上、下活動(dòng)極板圖3-16電容式加速度傳感器第60頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

電容式傾角傳感器

圖3-17是電容式傾角傳感器的工作原理簡(jiǎn)圖。圖3-17(a)是傾角為零的狀態(tài)；如圖3-17(b)。從圖中可以看出，隨著傾角的改變，電容器兩極板被液體介質(zhì)浸泡的面積隨之改變，即介電常數(shù)隨之發(fā)生變化,傳感器的輸出電容隨傾角的變化而變化，如此便實(shí)現(xiàn)了傾角的測(cè)量。1、3－分別是電容器的兩個(gè)極板；2－不導(dǎo)電的液體介質(zhì)圖3-17電容式傾角傳感器第61頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

對(duì)圖3-17所示的傾角傳感器略作改造，便可利用來測(cè)量繞x軸和y軸兩個(gè)方向傾斜的傾角和，如圖3-18所示。這種傳感器稱為雙軸傾角傳感器。將電容器1和3、2和4分別聯(lián)成2個(gè)差動(dòng)式電容傳感器。顯然，由電容器1和3組成的差動(dòng)式型電容傳感器可測(cè)量繞y軸的傾角，由2和4組成的差動(dòng)式型電容傳感器可測(cè)量繞x軸的傾角。這種傳感器在各工程領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，如航空、航天器的飛行姿態(tài)控制、汽車車輪定位參數(shù)的測(cè)量，高層建筑及橋梁施工的傾斜量測(cè)量等。圖3-18雙軸傾角傳感器第62頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月帕薩特ESP系統(tǒng)橫向加速度傳感器第63頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月第64頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月第65頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月第66頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月第67頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)電感式傳感器電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換為電感量的變化。電感應(yīng)有自感和互感之分，與之對(duì)應(yīng)的分別稱為自感式和互感式傳感器。第68頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、自感式傳感器

圖3-19是自感式傳感器的結(jié)構(gòu),由電磁感應(yīng)原理可知,線圈1中電感L為：（3-31）式中：—線圈的匝數(shù)；

—磁路的磁阻。若空氣隙較小，且不考慮磁路的鐵損和導(dǎo)磁體的磁阻，則：

(3-32)

式中：—空氣隙厚度，；－真空的導(dǎo)磁率，＝4π×10-7

；－空氣隙的截面積，。

第69頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-19自感式傳感器

(a)型自感式傳感器(b)A型自感式傳感器(c)螺旋管式自感傳感器

1－線圈；2－鐵芯；3－銜鐵

第70頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

將式（3-27）代入（3-26）得線圈的電感量為：

(3-33)由上式知，改變氣隙厚度及空氣隙的截面積A均可改變電感L。據(jù)此便可制造出兩種不同的傳感器，即:（1）變氣隙厚度的自感式傳感器，簡(jiǎn)稱為型自感式傳感器（見圖3-19(a)）；（2）變氣隙截面積的自感式傳感器，簡(jiǎn)稱為A型自感式傳感器，如圖3-19(b)所示。

第71頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

1、自感式傳感器由式（3-33）知，型自感式傳感器的特性曲線是一雙曲線，如圖3-20(a)所示，該傳感器的靈敏度為：

由式（3-34）表明型自感式傳感器的靈敏度與氣隙厚度成反比，越小，靈敏度越高。第72頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、A型自感式傳感器

當(dāng)氣隙厚度δ不變時(shí)，該傳感器的電感值L與氣隙截面積成線性關(guān)系，如圖3-20(b)所示。該傳感器的靈敏度El為：(a)型自感式傳感器(b)A型自感式傳感器圖3-20自感式傳感器的特性曲線第73頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、螺旋管式自感傳感器

螺旋管式自感傳感器輸出電感涉及的計(jì)算比較復(fù)雜，在此直接引用《電磁學(xué)》中的結(jié)論，即電感L為：

式中：μ0—真空的導(dǎo)磁率，μ0＝4π×10-7H/m；R—磁通作用半徑；h—線圈的高度；t—鐵芯插入線圈的深度；

λ—比磁導(dǎo)；N—線圈的匝數(shù)。上式表明，螺旋管式自感傳感器的特性是一復(fù)雜曲線。通常螺旋管式自感傳感器的特性曲線由試驗(yàn)獲得，因?yàn)槭?3-35)是在某些假設(shè)的基礎(chǔ)上得到的，它與實(shí)際存在一定的誤差。第74頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

4、差動(dòng)式自感傳感器電感式傳感器最突出的特點(diǎn)是，線圈通電后會(huì)產(chǎn)生溫升，而溫度的變化會(huì)帶來輸出特性的變化。此外，供電電壓的波動(dòng)也會(huì)給測(cè)試帶來影響，為克服這些不足，提高傳感器的靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中，和電容式傳感器一樣，常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，如圖3-21所示。圖3-21差動(dòng)式自感傳感器第75頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、互感式傳感器

互感式傳感器常采用兩個(gè)次級(jí)線圈組成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，因此又稱為差動(dòng)變壓器式傳感器。在結(jié)構(gòu)上，差動(dòng)變壓器式傳感器和差動(dòng)式自感傳感器基本相同，所不同的只是差動(dòng)變壓器式傳感器在一個(gè)鐵芯上繞制了初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，兩個(gè)次級(jí)線圈反向串連，當(dāng)給初級(jí)線圈ω上加上交流電壓時(shí)，次級(jí)線圈ω1和ω2分別產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和，其大小與銜鐵位移x

有關(guān)。當(dāng)銜鐵在中間位置時(shí)，，輸出電壓；當(dāng)銜鐵向上偏離中心位置時(shí)，，；當(dāng)銜鐵向下偏離中心位置時(shí)，，。

第76頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖3-22互感式傳感器

第77頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月通常U0不直接作為傳感器的輸出電壓，因?yàn)?(1）傳感器的輸出是交流電壓，其幅值與銜鐵位移成正比，因此輸出電壓的大小只能反映銜鐵的位置，而不能反映其運(yùn)動(dòng)的方向；（2）當(dāng)銜鐵經(jīng)過中間位置時(shí)，其輸出有一定的零點(diǎn)殘余電壓，因此，即使U01和U02的有效值相等，由于其相位不相同，輸出電壓U0亦不等于零。為此，互感式傳感器的后接電路常采用能反映銜鐵位置和運(yùn)動(dòng)方向的可補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的相敏檢波電路，如圖3-23所示。圖3-23互感式傳感器的后接電路第78頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月三、電感式傳感器的應(yīng)用電感式傳感器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、靈敏度高、重復(fù)性好、精度高的傳感器，因此在汽車及工程領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。從電感式傳感器的工作原理看，其輸入方式與電容式傳感器很相像，因此絕大多數(shù)可用電容式傳感器所測(cè)得的量均可用電感式傳感器來測(cè)量（傾角的測(cè)量除外）。即電感式傳感器可用于測(cè)量位置、位移、振動(dòng)、噪聲和壓力等。

第79頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)壓電式傳感器

某些功能材料，當(dāng)沿一定方向?qū)ζ涫簳r(shí)，晶體不僅會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變，而且其內(nèi)部還會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，從而在材料的相對(duì)表面上產(chǎn)生異性電荷而形成電場(chǎng)；當(dāng)外力移去后，晶體重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是由法國(guó)人皮埃爾·居里和雅克·居里于1880年發(fā)現(xiàn)的。目前，已發(fā)現(xiàn)具有壓電效應(yīng)的材料有三類，即（1）單晶壓電晶體，如石英、羅歇爾鹽（四水酒石酸鉀鈉）、硫酸鋰、磷酸二氫銨等；（2）多晶壓電陶瓷，如極化的鐵電陶瓷（鈦酸鋇）、鋯鈦酸鉛等；（3）高分子壓電薄膜，如聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯等。第80頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月盡管不同的壓電材料產(chǎn)生壓電效應(yīng)的機(jī)理不盡相同，但對(duì)任何壓電材料制成的壓電元件來說，所加外力于晶面產(chǎn)生的電荷量的關(guān)系式卻很相似，即：

式中：Q—壓電元件表面產(chǎn)生的電荷量；K—壓電元件的壓電系數(shù)；

F—施加在壓電元件上的壓力。上式表明，壓電式傳感器所產(chǎn)生的電荷量與所施的壓力成正比。但值得注意的是，壓電傳感器的絕緣電阻很高，電荷易泄漏，欲獲得一個(gè)精確的測(cè)量結(jié)果，就必須采用不消耗壓電元件表面上產(chǎn)生的電荷的措施，即壓電傳感器與后繼設(shè)備不進(jìn)行能量交換，這在實(shí)際測(cè)試過程中是難以實(shí)現(xiàn)的。好在當(dāng)受動(dòng)態(tài)交變力的作用時(shí)，壓電元件產(chǎn)生的電荷可不斷地得到補(bǔ)充。由此可見，壓電傳感器較適合于動(dòng)態(tài)測(cè)量，而不適合于靜態(tài)測(cè)量。

第81頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月為了能測(cè)量壓電元件兩工作表面上產(chǎn)生的電荷量，常用金屬蒸鍍法在壓電晶片的兩工作表面上蒸鍍一層金屬薄膜，其材料多為銀或金，從而構(gòu)成兩個(gè)相應(yīng)的電極，如圖3-24所示。1、3－蒸鍍的金屬薄電極；2－壓電晶片圖3-24壓電晶片

壓電元件受壓后所能產(chǎn)生的電荷量很小，在實(shí)際使用中，常把兩片組合在一起使用，且根據(jù)輸出的需要進(jìn)行串連或并聯(lián)聯(lián)接，如圖3-25所示(a)串連(b)并聯(lián)圖3-25壓電晶片的組合方式第82頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于串連接法，其輸出的總電壓U、總電荷量Q、總電容量C與單晶片的電壓u、電荷q和電容c的關(guān)系為：，，式中：－晶片數(shù)。對(duì)于并聯(lián)接法，，，

串連接法較適合于電壓量的輸出,并聯(lián)接法較適合于電荷量的輸出。盡管將兩個(gè)壓電元件組合起來使用可使傳感器的輸出量得以增大，但其量仍很有限，因此需對(duì)其放大；此外欲使壓電式傳感器能正常工作，就應(yīng)盡可能地減小它與后繼設(shè)備或電路的能量交換，即使它的負(fù)載阻抗極大。因此與壓電傳感器配套的測(cè)量電路之前置放大器必須具有兩大作用：(1)放大壓電傳感器的微弱信號(hào)；(2)將高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵?。如此，按壓電晶片組合方式的不同，其前置放大器亦有兩種不同的型式：一是電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(壓電傳感器的輸出電壓)成正比；另一是電荷放大器，其輸出電壓與輸入的電荷量成正比。前者稱為電壓放大型壓電傳感器，后者稱為電荷放大型壓電傳感器。第83頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

1、電壓放大型壓電傳感器圖3-26電壓放大型壓電傳感器的等效電路

U－壓電傳感器的輸出電壓；Ca

－壓電元件的等效電容；Ra

－壓電元件的電阻；Cc

－電纜的分布電容；Ri

－放大器的輸入電阻；Ci

－放大器的輸入電容；Ui

－放大器的輸入電壓設(shè)壓電傳感器感受交變壓力的輸出電壓U

為：

式中：—交變應(yīng)力的圓頻率；

—電壓的幅值。壓電元件開路時(shí)的電壓U與電荷量Q的關(guān)系為：

將式(3-36)代入式(3-38)得：

式中：K—壓電元件的壓電系數(shù)；

F—施加在壓電元件上的力；

Ca—壓電元件的等效電容。第84頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月由圖3-26知，放大器的輸入電壓Ui為：

式中各符號(hào)的物理意義見圖3-26，R—等效電阻，。放大器輸入電壓的幅頻特性和相頻特性分別為：

式中：Fm—交變力F的幅值。

當(dāng)時(shí)，放大器輸入端的電壓幅值為：

這時(shí)傳感器的電壓靈敏度為：

第85頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

式(3-40)、(3-41)、(3-43)和式(3-44)表明，電纜電容和放大器輸入電容的存在，會(huì)使傳感器的輸出和傳感器的靈敏度減小。在測(cè)試過程中如因某種原因需要更換電纜，那么就會(huì)發(fā)生變化，傳感器的輸出和靈敏度亦隨之變化，因此改變電纜的規(guī)格和長(zhǎng)度后均需要對(duì)靈敏度進(jìn)行重新校正。不僅如此，若電纜線加長(zhǎng)，將隨之增大，傳感器的輸出和靈敏度亦減小，這就是電壓放大型壓電傳感器的輸出信號(hào)不適合于遠(yuǎn)距離傳送的根本原因之所在。

第86頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月2、電荷放大型壓電傳感器

Cc、Ga、Ra

－分別為壓電元件的等效電容、電導(dǎo)和電阻；Ci、Gi

－分別為放大器的輸入電容和電導(dǎo)；Cf

、Gf

、Rf

－分別是反饋電容、電導(dǎo)、電阻；Q－壓電元件的輸出電荷；Ui

－放大器的輸入電壓；U0－放大器的輸出電壓；A－放大倍數(shù)；Cc

－電纜的分布電容。(a)基本電路(b)等效電路圖3-27電荷放大型壓電傳感器的電路原理圖第87頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-27是電荷放大型壓電傳感器的電路原理圖。據(jù)此可得到等效電路的方程為：

式(3-45)表明，只要放大器的放大倍數(shù)A足夠大，式(3-45)分母中的<<，<<，即壓電元件的電容及電纜的分布電容對(duì)電荷放大器輸出的影響很小。即電荷放大型壓電傳感器的輸出信號(hào)可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，且電纜線的改變不會(huì)影響到測(cè)試結(jié)果，這是電荷放大型壓電傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)。但電荷放大器的電路遠(yuǎn)比電壓放大器復(fù)雜，因此價(jià)格較高。

第88頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、壓電傳感器的應(yīng)用

由于壓電傳感器具有體積小、重量輕、信噪比高、工作可靠、通頻帶寬、精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此它在汽車及各工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。尤其是它極小的體積和重量及大的通頻帶寬，使之成為測(cè)量振動(dòng)加速的首選傳感器。汽車振動(dòng)及發(fā)動(dòng)機(jī)暴振的測(cè)量，幾乎無一例外地都采用壓電式傳感器。圖3-28是三種不同結(jié)構(gòu)地壓電晶體式振動(dòng)加速度傳感器。

(a)中心壓縮式(b)環(huán)形剪切式(c)三角剪切式1－彈簧；2－質(zhì)量塊；3－壓電晶體；4－基座；5－導(dǎo)線圖3-28壓電晶體式振動(dòng)加速度傳感器第89頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

舉例：氧化鈦式氧傳感器EGO圖3－61氧化鈦式氧傳感器結(jié)構(gòu)

1－加熱元件；2－二氧化鈦元件；3－基片；4－墊圈；5－密封圈；6－殼體；7－滑石粉填料；8－密封釉；9－護(hù)套；10－電極引線；11－連接焊點(diǎn)；12－密封襯墊；13－傳感器引線第90頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月氧化鈦式氧傳感器EGO結(jié)構(gòu)圖3－61氧化鈦式氧傳感器結(jié)構(gòu)

1－加熱元件；2－二氧化鈦元件；3－基片；4－墊圈；5－密封圈；6－殼體；7－滑石粉填料；8－密封釉；9－護(hù)套；10－電極引線；11－連接焊點(diǎn)；12－密封襯墊；13－傳感器引線第91頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月氧化鈦式EGO傳感元件類型圖3－62氧化鈦式氧傳感器傳感元件結(jié)構(gòu)（a）芯片式傳感元件；（b）厚膜式傳感元件1－二氧化鈦芯片；2－鉑金屬線電極；3－氧化鋁基片；4－加熱元件；5－二氧化鈦厚膜；6－分壓電阻；7－電阻引線；8－二氧化鈦電極引線；9－引線端子1.芯片式傳感元件；2.厚膜式傳感元件。第92頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月氧化鈦式EGO的特性第93頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月氧化鈦式EGO的工作原理1.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣稀（

>1）時(shí)，氧離子濃度較大，二氧化鈦呈現(xiàn)低阻狀態(tài)；2.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣濃（

<1）時(shí)，氧離子濃度較小，在催化劑鉑的作用下，氧離子進(jìn)一步耗掉，二氧化鈦呈現(xiàn)高阻狀態(tài)；3.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣的

=1左右時(shí)，在催化劑鉑的作用下，二氧化鈦的電阻產(chǎn)生突變。第94頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月氧化鈦式EGO工作條件（1）發(fā)動(dòng)機(jī)溫度高于60℃；（2）氧傳感器溫度高于600℃；（3）發(fā)動(dòng)機(jī)工作在怠速工況和部分負(fù)荷工況。

閉環(huán)控制第95頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月氧傳感器EGO使用1.老化

冷起動(dòng)或大負(fù)荷工況下，排氣中過剩的燃油在氧傳感器表面燃燒，形成碳粒造成氧傳感器保護(hù)層剝落，高溫加速老化。2.鉛中毒燃油或潤(rùn)滑油添加劑中的鉛離子與氧傳感器的鉑電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致催化劑鉑的催化性能降低的現(xiàn)象，稱為鉛中毒。3.硅中毒 發(fā)動(dòng)機(jī)上的硅密封膠、硅樹脂成型部件、鑄件內(nèi)的硅離子與氧傳感器的鉑電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致催化劑鉑的催化性能降低的現(xiàn)象，稱為硅中毒。4.磷中毒潤(rùn)滑劑、防銹劑和清洗劑中磷化物污染氧傳感器的現(xiàn)象，稱為磷中毒。5.中毒結(jié)果：鉑電極的催化性能降低6.中毒現(xiàn)象：油耗顯著增加7.防止措施：汽車行駛80000km，更換氧傳感器。第96頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月捷達(dá)、桑塔納氧傳感器EGO檢修圖3－65桑塔納2000GSi、捷達(dá)AT、GTX型轎車EGO插頭與插座（a）插頭（傳感器一側(cè)）；（b）插座（ECU一側(cè)）1－加熱元件正極；2－加熱元件負(fù)極；3－信號(hào)電壓負(fù)極；4－信號(hào)電壓正極

1.檢測(cè)加熱元件電阻：R12＝1Ω～5Ω（插頭1、2）2.檢測(cè)氧傳感器電源電壓：U12≥11V（插座1、2，接通開關(guān)）3.檢測(cè)氧傳感器信號(hào)電壓：信號(hào)變化頻率：f≥10次/min催化器第97頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

第五節(jié)磁電式傳感器

磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理工作的，即：當(dāng)閉合回路中的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小與磁通量的變化率有關(guān)，即：

(3-46)

式中：—感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；

—導(dǎo)電回路中線圈的匝數(shù)；

—穿越線圈磁通量的變化率。若被測(cè)量的變化能引起的變化則可以制造出磁電式傳感器。改變可以有三種方式，即移動(dòng)線圈、移動(dòng)磁鐵及改變磁阻，于是便有

動(dòng)圈式磁電傳感器

動(dòng)鐵式磁電傳感器

磁阻式磁電傳感器。第98頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、動(dòng)卷式和動(dòng)鐵式磁電傳感器

由相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理知，動(dòng)卷式和動(dòng)鐵式磁電傳感器實(shí)質(zhì)上是同一種傳感器，由于這類傳感器的磁場(chǎng)一般都由永磁體提供，因此又將其稱為恒定磁場(chǎng)式磁電傳感器。動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式磁電傳感器常用于速度和轉(zhuǎn)速的測(cè)量，其測(cè)速原理如圖3-29所示。

(a)線速度型(b)轉(zhuǎn)速型圖3-29動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式磁電傳感器第99頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

1、線速度型圖3-29(a)是一種線速度型傳感器的工作原理圖，當(dāng)磁體相對(duì)線圈直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：則速度V為：（3-47）式中：N—線圈的有效匝數(shù)；

B—磁場(chǎng)強(qiáng)度；

L—單匝線圈導(dǎo)線的長(zhǎng)度；

V—磁體相對(duì)線圈運(yùn)動(dòng)的速度。對(duì)于某一具體傳感器而言，L、N、B

均為常數(shù)，磁體的移動(dòng)速度V與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)成正比。第100頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、轉(zhuǎn)速型圖3-29(b)是轉(zhuǎn)速型傳感器的工作原理圖，在磁場(chǎng)中以ω

的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

則速度ω為：（3-48）式中：k—與結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，k<1；

N—線圈的匝數(shù)；

B—磁場(chǎng)強(qiáng)度；

A—線圈中導(dǎo)線的截面積；

ω

—線圈的旋轉(zhuǎn)角速度。傳感器結(jié)構(gòu)一旦確定，則N、k、B、A均為常數(shù)，由式(3-43)可知,線圈的旋轉(zhuǎn)角速度ω與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E成正比。第101頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、磁阻式傳感器磁阻式磁電傳感器工作原理是：線圈和磁體均不運(yùn)動(dòng)，利用運(yùn)動(dòng)著的物體改變磁路中磁阻的變化。進(jìn)而引起磁場(chǎng)的變化，使線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如圖3-30所示。(a)轉(zhuǎn)速型(b)線速度型圖3-30磁阻式磁電傳感器第102頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

1、測(cè)轉(zhuǎn)速和角速度

圖3-30(a)是磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖，由此測(cè)得的轉(zhuǎn)速n和角速度ω分別為：

（3-49）

（3-50）式中：m—脈沖個(gè)數(shù)；

t—時(shí)間，s；

Z—信號(hào)齒盤的齒數(shù)。第103頁，課件共154頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、線速度的測(cè)量

由圖3-30(b)得磁阻式速度傳感器所測(cè)得的速度為：

（3-51）式中：—脈沖數(shù)；

—信號(hào)齒條的節(jié)距，。

—時(shí)間，。比較式(3-47)和式(3-51)及式(3-48)和式(3-50)發(fā)現(xiàn)，磁阻式和恒定磁場(chǎng)式磁電傳感器的工作原理相同，但此兩類傳感器的測(cè)試量卻完全不同，恒定磁場(chǎng)式磁電傳感器測(cè)量的是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而磁阻式磁電傳感器測(cè)量的是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化次數(shù)。由對(duì)“如何實(shí)現(xiàn)不失真測(cè)量”的分析知，將速度、轉(zhuǎn)速的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)脈沖數(shù)的讀取是避免測(cè)試失真的一種最有效的方法。正因?yàn)槿绱?，所以汽車上的車載轉(zhuǎn)速傳感器（如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感