汽車傳感器原理與應用 課件 高仁璟 第1-4章 汽車傳感器概述-汽車動力控制系統(tǒng)傳感器

汽車傳感器概述第1章汽車傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，將汽車運行過程中的各種工況信息轉(zhuǎn)換成電信號輸入給中央控制單元（ECU），使汽車各總成部件運行處于最佳狀態(tài)，它是汽車電子控制系統(tǒng)的關鍵部件，也是汽車電子技術領域研究的核心內(nèi)容之一，汽車傳感器的使用數(shù)量和技術水平?jīng)Q定了汽車控制系統(tǒng)的性能。1.1 傳感器1.1.1傳感器的定義傳感器在國家標準GB7665—2005中的定義是“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置”。傳感器的這一定義主要包含以下內(nèi)容：1）傳感器是完成檢測任務的測量裝置或器件；2）輸入的是某一被測量，如物理量、化學量、生物量等；3）輸出某種物理量，如電壓、電流、電阻、電容等，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等；4）輸出與輸入之間具有對應關系，且有一定的精確度。1.1.2傳感器的組成傳感器的作用是把被測的非電量轉(zhuǎn)換成電量輸出。敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分。傳感器中將敏感元件輸出的中間非電量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)及電流或電壓信號的元件稱為轉(zhuǎn)換元件。轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換元件在工作時需有輔助電源。因此，轉(zhuǎn)換電路及輔助電源也可視為傳感器組成的一部分。1.1.3傳感器的分類（1）按照物理原理分類

按照物理原理可分為電參量式傳感器（如電阻式、電感式、電容式等）、磁電式傳感器（如磁電感應式、霍爾式等）、壓電式傳感器、光電式傳感器、熱電效應等。（2）按傳感器用途分類

按傳感器用途可分為位置傳感器、振動傳感器、能耗傳感器、熱敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、濕敏傳感器、射線輻射傳感器、生物傳感器等。（3）按傳感器轉(zhuǎn)換原理分類

按傳感器轉(zhuǎn)換原理可將傳感器分為物理性能型和結(jié)構型兩類。（4）按輸入量（被測對象）分類

按輸入量（被測對象）可分為物理量傳感器、化學量傳感器和生物量傳感器。（5）按輸出信號分類

按輸出信號可分為模擬傳感器、數(shù)字傳感器和開關傳感器。1.2 傳感器在汽車上的應用1—圖像傳感器2—雨水或光強傳感器3—節(jié)氣門位置傳感器4—曲軸位置傳感器5—凸輪軸位置傳感器6—爆燃傳感器7—車外溫度傳感器8—冷卻液溫度傳感器9—機油壓力傳感器10—空氣流量和進氣溫度傳感器11—碰撞傳感器12—變速器油溫傳感器13—紅外系統(tǒng)14—制動液液位傳感器15—輪胎壓力傳感器16—車輪轉(zhuǎn)速傳感器17—加速踏板位置傳感器18—氧傳感器19—轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器20—座椅重量傳感器21—排氣溫度傳感器22—電磁減振器傳感器23—超聲波倒車雷達傳感器24—燃油箱液位傳感器25—后窗除霜傳感器1.2.1汽車傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀汽車傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，不僅是汽車電子控制系統(tǒng)的關鍵部件，也是汽車電子技術領域研究的核心內(nèi)容之一。隨著我國汽車產(chǎn)銷量的急劇上升，國內(nèi)汽車傳感器市場也在高速增長，其中工業(yè)電子設備和汽車電子增長最快。進一步完善傳感器的高可靠性、高性價比、高適應性、高精度以及方便安裝使用等性能。目前汽車傳感器技術已向微型化、多功能化、集成化和智能化等方向發(fā)展。1.2.2汽車傳感器的性能要求檢測項目測量范圍精度要求（%）分辨能力響應時間冷卻液溫度-50~150℃±2.51℃10s進氣歧管壓力10~100kPa±20.1%2.5ms空氣流量6~600kg/h±20.1%2.5ms曲軸轉(zhuǎn)角10°~360°±0.51°20μs排期中氧濃度0.4~1.4±11%10ms節(jié)氣門開度1°~90°±10.2°10ms現(xiàn)代汽車電子控制系統(tǒng)對傳感器的性能要求主要有以下幾點：（1）強環(huán)境適應性

汽車工作環(huán)境溫度為-40~80℃，在各種道路條件下運行，特別是發(fā)動機承受著巨大的熱負荷、熱沖擊、振動等，因此要求傳感器能適應溫度、濕度、沖擊、振動、腐蝕及油液污染等惡劣工作環(huán)境。（2）批量生產(chǎn)和通用性一種傳感器信號，可以被多個因素控制，如可以對速度信號求導，得到加速度信號等，所以要求傳感器具有通用性。（3）響應速度快、可靠性高

通過把實時收集整理的數(shù)據(jù)傳輸給汽車電子控制系統(tǒng)，傳感器將被測參數(shù)轉(zhuǎn)變成電信號，進而讓汽車駕駛員可以精準地控制汽車，有效減少各種汽車故障問題。此外，同普通傳感器一樣，汽車傳感器的可靠性要高。（4）高精度

傳感器的精度即傳感器輸出信號與被測值的偏差。車用傳感器的精度要求與普通傳感器相似。（5）其他要求

體積和外形要盡可能小型、輕量，便于安裝，符合標準化的要求。1.2.3汽車傳感器的選用原則（1）量程的選擇

量程是傳感器測量上限和下限的代數(shù)差。（2）靈敏度的選擇

傳感器輸出變化值與被測量的變化值之比稱為靈敏度。（3）分辨率的選擇

分辨率表示傳感器能檢測出的被測信號的最小增量。（4）誤差的選擇

誤差是指測量指示值與真實值之間的差。（5）重復性的選擇

重復性是傳感器在相同工作條件下，被測量的同一數(shù)值，在一個方向上進行重復測量時，測量結(jié)果的一致性。（6）線性度的選擇

汽車傳感器的線性度是指它的輸入輸出關系曲線與其理論擬合直線之間的偏差。（7）過載的選擇

過載表示傳感器允許承受的最大輸入量（被測量）。（8）可靠度的選擇

可靠度的含義是在規(guī)定條件（規(guī)定的時期，產(chǎn)品所處環(huán)境條件、維護條件和使用條件等）下，傳感器正常工作的可能性。（9）響應時間的選擇

傳感器的響應時間（或稱建立時間）是指階躍信號激勵后，傳感器輸出值達到穩(wěn)定值的最小規(guī)定百分數(shù)（如5%）時所需的時間。1.2.4汽車傳感器的發(fā)展趨勢（1）智能化

智能化傳感器是一種將普通傳感器與專用微處理器一體化，能夠執(zhí)行信息存儲和信息處理，而且能夠進行邏輯思考和結(jié)論判斷的新型系統(tǒng)。（2）微型化

微型化就是利用微型加工技術，盡可能使傳感器的體積最小和重量最輕。（3）多功能化

將若干種敏感元件組裝在同一種材料或單獨一塊芯片上的一體化多功能傳感器，能夠?qū)Σ煌N類的參數(shù)進行檢測，即用一個傳感器系統(tǒng)可以同時實現(xiàn)多種傳感器的功能，減少傳感器的數(shù)量，提高系統(tǒng)的可靠性。（4）集成化

集成化技術是指利用集成加工技術，將敏感元件、放大電路、運算電路、補償電路等集成在一塊芯片上，或是在同一個芯片上將眾多同類型的單個傳感器件集成為一維、二維或三維陣列型傳感器，使它們成為一體化裝置。（5）高精度和高可靠性

追求低排放、低油耗、大功率的發(fā)動機是節(jié)能減排的發(fā)展趨勢，這必須具有高精度和高可靠性的傳感器來保證汽車各總成在最佳狀況下才能達到。（6）仿生化

仿生傳感器就是人類在對生物界不斷認識、不斷研究的過程中發(fā)展起來的。（7）新材料和新工藝的應用

傳感器的材料是傳感器的重要基礎，材料性能直接影響傳感器的工作性能和靈敏度。傳感器的性能除了與傳感器材料有關外，還與加工技術有關，加工技術的微精細化在傳感器的生產(chǎn)中占有越來越重要的地位。傳感器敏感原理與特性第2章2.1傳感器的工作機理2.1.1電阻應變效應電阻應變效應是指導體在產(chǎn)生機械變形（伸長或縮短）時其電阻值發(fā)生相應變化的物理現(xiàn)象。一根電阻絲的電阻值R可表示為1）電阻絲的靈敏度系數(shù)受兩個因素影響，一個是受力后材料幾何尺寸的變化量，即；另一個是受力后材料電阻率發(fā)生的變化量，即。2）在外力作用下，被測電阻絲產(chǎn)生微小機械變形，應變片隨之發(fā)生相同的變化，同時應變片電阻值也發(fā)生相應變化。材料在彈性變形階段，其應力和應變成正比例關系（即滿足胡克定律），其比例系數(shù)稱為彈性模量。因此，應力與應變的關系可表示為

金屬應變片除了直接用于測量機械、儀器以及工程結(jié)構的應力、應變外，還與某種形式的彈性元件相配合，制造成各種應變式傳感器用來測量力、扭矩、位移、壓力、加速度等其他物理量。

金屬電阻應變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成。敏感柵是應變片的核心部分，它粘貼在絕緣的基片上，其上再粘貼起保護作用的覆蓋層，兩端焊接引出導線。絲式應變片是將金屬絲按照圖示形狀彎曲后黏貼在襯底上而成，基底可分為紙基、膠基和紙浸膠基等。箔式應變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵應變片，其厚度一般在0.003~0.01mm；具有尺寸準確、線條均勻、應變性能好、橫向效應小、散熱性能好等。薄膜應變片是采用真空蒸發(fā)、真空沉淀或濺射等方法，將金屬材料在絕緣基片上制成一定形狀、厚度在0.1μm以下的薄膜敏感柵，最后再加上保護層。2.1.2磁電效應（霍爾效應）1.磁電感應式傳感器磁電感應式傳感器又稱電動勢傳感器或感應式傳感器，是一種通過閉合導體的磁通量變化而輸出感應電動勢的傳感器。在不需要電源供電的條件下，直接將被測物體的機械能轉(zhuǎn)換成電信號輸出。這種傳感器具有“雙向”性，因此可作為“逆變器”應用于近年發(fā)展起來的“反饋式/力平衡式”傳感器中，但其尺寸和重量都比較大。根據(jù)感應電動勢的產(chǎn)生方式，磁電感應式傳感器可以分為變磁通式和恒定磁通式兩種類型。變磁通式結(jié)構（又稱變磁阻式或變氣隙式），常用于旋轉(zhuǎn)角速度的測量。恒定磁通式傳感器的結(jié)構有兩種：一種是動圈式，另一種是動鐵式。動圈式和動鐵式的工作原理相同，當殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大，因此當振動頻率足夠高（遠高于傳感器的固有頻率）時，運動部件的慣性很大，來不及跟隨振動體一起振動，近于靜止狀態(tài)，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度。2.霍爾傳感器霍爾傳感器是基于霍爾效應原理將被測量（如電流、磁場、位移、壓力等）轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。當有電流流過置于磁場中的金屬或半導體薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。從物理本質(zhì)上說，霍爾效應是半導體中的載流子受磁場中洛倫茲力作用而產(chǎn)生的。將一塊長為l、寬為b、厚為d的半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，使磁場方向垂直于薄片。2.1.3壓電效應正壓電效應：某些晶體或多晶陶瓷，當受到某個方向的外力作用時，內(nèi)部就會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去掉后，又恢復到不帶電狀態(tài)；當作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。上述這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。逆用電效應：如對晶體施加某一方向的電場，晶體本身將產(chǎn)生機械變形，外電場撤消后，變形也隨之消失，稱為逆用電效應。1.石英晶體的壓電效應Z軸為光軸（中性軸），它是晶體的對稱軸，光線沿Z軸通過晶體時不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，因而以它作為基準軸；X軸為電軸，該軸壓電效應最為顯著，它通過六棱柱相對的兩個棱線且垂直于光軸Z，顯然X軸共有三個；Y軸為機械軸（力軸），顯然也有三個，它垂直于兩個相對的表面，在此軸上加力產(chǎn)生的變形最大。石英晶體之所以具有壓電效應，與其內(nèi)部結(jié)構有關。組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在Z平面投影。當作用力FX=0時，正、負離子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成120°夾角的偶極矩P1、P2、P3。正負電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即：當晶體受到沿X方向的壓力（FX＜0）作用時，晶體將沿X方

向產(chǎn)生收縮，正、負離子相對位置隨之發(fā)生變化。晶體在Y軸方向受到力FY作用下的情況與FX相似。晶體在Y（即機械軸）方向的力FY作用下，在X方向產(chǎn)生正壓電效應，在Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應。當晶體在Z軸方向的力FZ的作用時，因為晶體沿X方向和沿Y方向所產(chǎn)生的正應變完全相同，所以，正、負電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，沿Z（即光軸）方向的力FZ作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應。當晶片受到沿X軸方向的壓縮應力

作用時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強度

與應力

成正比，即在X軸方向施加壓力時，左旋石英晶體的X軸正向表面帶正電；如果作用力FX改為拉力，則在垂直于X軸平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反。如果力沿著機械軸的方向作用在同一晶片上，電荷仍在與X軸垂直的平面上出現(xiàn)，此時電荷的大小為基于上述分析可知：1）無論是正壓電效應還是逆壓電效應，其作用力（或應變）與電荷（或電場強度）之間呈線性關系；2）晶體在某方向上有正壓電效應，則在此方向上一定存在逆壓電效應；3）石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應的2.壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷是一種常見的壓電材料。壓電陶瓷與單晶體的石英晶體不同，它是人工制造的多晶體材料。壓電陶瓷是具有電疇結(jié)構的多晶體壓電材料，其內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它們是分子自發(fā)形成的區(qū)域，有一定的極化方向，從而存在電場。陶瓷片內(nèi)的極化強度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷，這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反但數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外界的作用。a）正壓電效應b）負壓電效應2.1.4光電效應1.外光電效應在光的照射下，電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。1）光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的電子表面逸出功A。2）當入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比。3）光電子的初動能取決于入射光的頻率γ。4）因為一個光子的能量只能傳給一個電子2.內(nèi)光電效應光線照射在半導體材料上時，材料中處于價帶的電子吸收光子能量，通過禁帶躍入導帶，使導帶內(nèi)電子濃度和價帶內(nèi)空穴增多，但這些被釋放的電子并不能逸出物體表面，而是停留在物體內(nèi)部，使其導電能力發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應。半導體材料受到光線照射時會產(chǎn)生電子－空穴對，使導電性能增強，光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導效應。在光線作用下，物體兩端產(chǎn)生一定方向的電動勢，這種現(xiàn)象稱為光伏特效應。2.1.5熱電效應兩種不同材料的導體（或半導體）A、B串接成一個閉合回路，并使結(jié)點1和結(jié)點2處于不同的溫度T，T0，那么回路中就會存在熱電勢，因而就有電流產(chǎn)生，這一現(xiàn)象稱為熱電效應（或塞貝克效應）。相應的熱電勢稱為溫差電勢（或塞貝克電勢），都稱為熱電勢?；芈分挟a(chǎn)生的電流稱為熱電流，單體A、B稱為熱電極。1.兩種導體的接觸電勢由于各種金屬導體都存在有大量的自由電子，并且不同金屬的自由電子密度是不同的。當A、B兩種金屬接觸在一起時，在接點處會產(chǎn)生電子擴散現(xiàn)象，即電子濃度大的金屬中的自由電子向電子濃度小的金屬中擴散，這樣電子濃度大的金屬因失去電子而帶正電。A與B兩種不同金屬的接點處產(chǎn)生的電動勢稱為接觸電勢或珀爾帖電勢。2.單一導體的溫度差電勢在一根勻質(zhì)的金屬導體中，如果兩端的溫度不同，則導體內(nèi)部熱端的自由電子具有較大的動能，向冷端移動，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負電荷。這樣，導體兩端便產(chǎn)生了一個由熱端指向冷端的靜電場。

導體兩端形成的電勢稱為溫差電勢或湯姆遜電勢。1）如果熱電偶兩電極材料相同，雖然兩端溫度不同，但總輸出電勢仍為零，因此，必須由兩種不同的材料才能構成熱電偶。2）如果熱電偶兩結(jié)點溫度相同，則回路中的總電勢必然等于零。3）熱電勢的大小只與材料和結(jié)點溫度有關，與熱電偶的尺寸、形狀和沿電極溫度分布無關。2.2傳感器的特性2.2.1靜態(tài)特性1.線性度傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間的線性程度。傳感器的靜態(tài)特性曲線可通過實際測試獲得。在實際應用中，為了得到線性關系，往往引入各種非線性補償環(huán)節(jié)。如采用非線性補償電路或計算機軟件進行線性化處理，或采用差動結(jié)構，使傳感器的輸出—輸入關系為線性或接近線性。選取擬合直線的方法很多，還可以用最小二乘法求取擬合直線，且其擬合的精度最高。當采用最小二乘法擬合時，設擬合直線方程為2.靈敏度靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化量

與引起此變化的輸入變化量

之比，用k表示，即3.遲滯傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g，輸出-輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。即：對于同一大小的輸入信號，傳感器的正反行程輸出信號大小不相等。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和機械零部件的缺陷，例如彈性敏感元件的彈性滯后、運動部件的摩擦、傳動機構的間隙、緊固件松動等。4．重復性重復性

是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向做全量程連續(xù)多次變化測量時，所得特性曲線不一致的程度。5．分辨率和閾值傳感器能檢測到輸入量最小變化量的能力稱為分辨力。當分辨力以滿量程輸出的百分數(shù)表示時則稱為分辨率。閾值是指能使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點附近的分辨力。6．精確度（精度）精確度是用來表示儀表測量結(jié)果可靠程度最重要的指標。儀表的

越大，表示它的精確度越低；反之，

越小，表示它的精確度越高。國家統(tǒng)一規(guī)定儀表精度等級的方法：將儀表允許的最大相對百分誤差去掉“±”和“%”，便可用來確定儀表的精度等級。劃分的精度等級有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0。例1

某臺測溫儀表的測溫范圍為200℃~700℃，校驗該表時得到的最大絕對誤差為+4℃，試確定該儀表的精度等級。解：該儀表的相對百分誤差為去掉“+”和“%”，數(shù)值為0.8。但國家規(guī)定的精度等級中沒有0.8級儀表，而且該儀表的誤差超過了0.5級儀表所允許的最大誤差，因此該儀表的精度等級為1.0級。例2

某臺測溫儀表的測溫范圍為0℃~1000℃。根據(jù)工藝要求，溫度指示器的誤差不允許超過±7℃，試問應如何選擇儀表的精度等級才能滿足以上要求？解：根據(jù)工藝要求，儀表允許的最大百分誤差為2.2.2動態(tài)特性1．瞬態(tài)響應特性（1）一階傳感器的單位階躍響應

設x(t)和y(t)分別為傳感器的輸入量和輸出量，均是時間的函數(shù)，則一階傳感器的傳遞函數(shù)為（2）二階傳感器的單位階躍響應

二階傳感器的傳遞函數(shù)為2．頻率響應特性（1）零階傳感器的頻率特性（2）一階傳感器的頻率特性

將一階傳感器的傳遞函數(shù)中的s用jω代替，即可得到頻率特性、幅頻特性、相頻特性的表達式分別為（3）二階傳感器的頻率特性

將二階傳感器傳遞函數(shù)中的s用jω代替，可得二階傳感器的頻率特性表達式、幅頻特性、相頻特性，分別為：傳感器信號采集與調(diào)理第3章3.1概述信號是傳送信息的物理量或參數(shù)。信號源有許多種，它們可能是物理現(xiàn)象的測量結(jié)果。信號處理的主要目的是消除和減少不希望的信號。信號的基本表示中至少有一個自變量的函數(shù)。信號值作為自變量的函數(shù)，它的變化稱為波形。3.2傳感器信號分類及描述3.2.1信號的分類1.確定性信號和非確定性信號（1）確定性信號

能用確定的數(shù)學關系式來表達的信號稱為確定性信號，確定性信號可以是周期的也可以是非周期的。（2）非確定性信號

不能用確定的數(shù)學關系式來表達的信號稱為非確定性信號。具有這種性質(zhì)的信號稱為隨機信號。2.周期信號和非周期信號（1）周期信號

一個隨時間變化的信號x(t)，當滿足關系式

時，稱x(t)為周期信號。諧波信號是最簡單、最基本的周期信號。傅里葉級數(shù)定理：以T為周期的函數(shù)x(t)，如果在[-T/2，T/2]滿足狄利克雷條件，即函數(shù)在[-T/2，T/2]上滿足：①連續(xù)或只有有限個第一類間斷點(即左、右極限均存在但不相等的間斷點)；②只有有限個極值點，那么在[-T/2，T/2]上就可以展開成傅里葉級數(shù)。（2）非周期信號

能用確定的數(shù)學關系式表達，但取值不具有周期性的信號稱為非周期信號。3.模擬信號和數(shù)字信號根據(jù)信號的取值在時間上是否是連續(xù)的（不考慮個別不連續(xù)點），可以將信號分為時間連續(xù)信號和時間離散信號。如果信號在所討論的時間段內(nèi)的任意時間點都有確定的函數(shù)值，則稱此類信號為時間連續(xù)信號，簡稱連續(xù)信號。實際系統(tǒng)中存在的絕大多數(shù)物理過程或物理量，都是在時間和幅值上連續(xù)的量，對這些連續(xù)量，稱為模擬信號。離散信號是在連續(xù)信號上采樣得到的信號。3.2.2信號的描述1.時域描述在實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化加工處理過程中，為避免混疊效應的影響，在A/D轉(zhuǎn)換電路前通常設置前置濾波器（或稱反混疊濾波器）對模擬信號xa(t)進行前置濾波器濾波。濾除高頻成分的信號后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號x(n)，即可運用數(shù)字技術對信號x(n)進行處理，得到輸出數(shù)字信號y(n)。2.頻域描述頻域描述用來反映信號的頻率組成及其幅值相角的大小。常用的基本信號有正弦信號、復指數(shù)型信號、階躍信號、沖激信號等。信號的頻域描述即是將一個時域信號變換為一個頻域信號，根據(jù)任務分析的要求將該信號分解成一系列基本信號的頻域表達形式之和，從頻率分布的角度出發(fā)，研究信號的結(jié)構及各種頻率成分的幅值和相位關系。3.3數(shù)字信號處理基礎3.3.1時域采樣和采樣定理1.時域采樣信號的采樣是由采樣器來獲得的，采樣器的作用如同一個開關。開/關間每隔時間間隔T接通輸入信號和接地各一次。顯然，采樣器的輸出信號f(t)只包含開關接通時間內(nèi)輸入信號f(t)的一些小段，這些小段是原信號的采樣。2.時域采樣定理一個信號f(t)的頻譜受限于區(qū)間(-ωｍ，ωｍ)，則信號f(t)可用等間隔Ts的采樣值確定。采樣頻率間隔Ts必須小于或等于2fｍ（其中ωｍ＝2πfｍ）?；蛘哒f，由時域采樣定理可知，為了能從采樣信號fs(t)中恢復原信號f(t)，需要滿足以下兩個條件：由于f(t)是帶限信號，即f(t)的頻譜函數(shù)F(jω)在|ω|＞ωｍ處均為零，則采樣頻率不能過低，必須滿足fｓ≥２fｍ（或ωs≥2ωｍ），也就是說，取樣時間間隔T不能超過f(t)，即f(t)的頻譜函數(shù)F(jω)在|ω|＞ωｍ處均為零。同時必須滿足T≤２/fｍ，否則將會發(fā)生混疊。3.3.2頻域采樣和柵欄效應1.頻域采樣根據(jù)時域與頻域的對稱性，可由時域采樣定理直接推論出頻域采樣定理。頻域采樣定理為，若信號f(t)是時間受限信號，它集中在(-tｍ，tｍ)的時間范圍內(nèi)，若在頻域中以不大于1/(2tｍ)的頻率間隔譜對f(t)的頻譜F(jω)進行頻域沖激采樣，則采樣后的頻譜Fs(jω)可唯一地表示出原信號的頻譜F(jω)。2.柵欄效應由以上對離散傅里葉變換過程的分析可知，被分析信號x(t)的頻譜X(f)經(jīng)離散傅里葉變換計算之后，所得的N根譜線的位置是在

的地方，即僅在基頻1/T的整數(shù)倍頻率點上才有其各個頻率成分，所有那些位于離散譜線之間的頻譜圖形都得不到顯示，不能知道其精確的值。換言之，若信號中某頻率成分的頻率f1等于k/T，即它與輸出的頻率采樣點相重合，那么該譜線便可被精確地顯示出來；反之若f1與頻率采樣點不重合，便得不到顯示，所得的頻譜會產(chǎn)生誤差，上述現(xiàn)象稱為柵欄效應，由柵欄效應產(chǎn)生的測量誤差屬于譜估計的偏度誤差。3.4傳感器信號采集與調(diào)理3.4.1電橋電橋是將電阻、電感、電容等參量的變轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測量電路。其輸出既可以用于指示儀表直接測量，也可以送入放大器進行放大。在物理構成上，電橋由首尾相聯(lián)的四個阻抗構成，其對角端分別為橋電源和輸出電壓。電橋的主要作用是將電阻、電感、電容等參量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出，以便后續(xù)電路測量和記錄。1．直流電橋直流電橋是一種精密的電阻測量儀器，按電橋輸出方式的不同可被分為平衡電橋和非平衡電橋。2.交流電橋交流電橋采用交流激勵電壓。電橋的四個臂可為電感、電容或電阻。因此，除了電阻外還包含電抗。如果阻抗、電流及電壓都用復數(shù)表示，則關于直流電橋的平衡關系式在交流電橋中也可適用，即電橋達到平衡時必須滿足交流電橋可以用于測量隨被測量變化而變化的各種交流阻抗，如電容量、電感量等。此外還可以測量與電容、電感有關的其他物理量，如互感、磁性材料的磁導率、電容的介質(zhì)損耗、介電常數(shù)和電源頻率等，其測量準確度和靈敏度都很高。3．帶感應耦合臂的電橋帶感應耦合臂的電橋是將感應耦合的兩個繞組作為電橋臂而組成的電橋，一般有下列兩種形式。3.4.2信號的放大與隔離

1．典型運算放大器及其主要特性運算放大器是使用最廣的模擬電子器件，它是儀器放大器、濾波器以及混合型模擬和數(shù)字式數(shù)據(jù)處理設備的基本單元。在運放符號中的“+”“-”，表示運放的同相輸入端和反相輸入端，即當輸入電壓加在同相輸入端和公共端之間時，輸出電壓和輸入電壓兩者的實際方向相對于公共端而言是相同的；反之，當輸入電壓加在反相輸入端和公共端之間時，輸出電壓和輸入電壓兩者的實際方向相對于公共端而言是相反的。（1）基本放大器

利用運算放大器可組成反相輸入、同相輸入和差動輸入放大器。（2）儀器放大器

對于輸出阻抗大、共模電壓高的輸入信號，需要用到高輸入阻抗和高共模抑制比的差動放大器。（3）可編程增益放大器

可編程增益放大器是指放大電路的增益通過數(shù)字邏輯電路由程序來控制，簡稱為PGA(ProgrammableGainAmplifier)。其主要作用是，在多回路或多參數(shù)檢測系統(tǒng)中，由于各回路傳感器信號的變化范圍不盡相同，必須提供多種量程的放大器，才能使放大后的信號幅值變化范圍一致，如果放大器的增益可以由計算機輸出的數(shù)值信號控制，則可通過改變計算機程序來改變放大器的增益，使各輸入通道均有最合適的放大增益，各通道或各參數(shù)的信號經(jīng)放大器達到ADC輸入所要求的標準值，從而簡化系統(tǒng)的硬件設計和調(diào)試工作量。x2x1y4y3y2y1閉合開關000110111110110110110111S1S2S3S42．信號的隔離遠距離信號傳輸常因兩地信號和電源接地或者其他共同回路而引入很強的干擾，因此隔離是信號調(diào)理中很重要的環(huán)節(jié)。信號的隔離一方面切斷電路間的直接聯(lián)系，另一方面又保證信號的暢通。隔離放大器在實現(xiàn)輸出電壓和輸入電壓的線性放大傳輸?shù)耐瑫r，保證了輸入信號和輸出信號之間的電氣隔離。（1）變壓器耦合隔離放大器

變壓器耦合放大器是利用變壓器原邊和副邊之間的電氣隔離特性，將測量系統(tǒng)中接地點不同的各電路之間的電氣連接隔離開來。（2）光電耦合隔離放大器

光電耦合隔離放大器又稱為光耦合器，這種器件是一種將發(fā)光器件與受光器件相對設置并封裝在同一外殼中的復合器件。其輸入/輸出之間用光進行聯(lián)系，而電氣完全絕緣，是一種具有獨特性質(zhì)和功能的固體器件。3.4.3信號的調(diào)制與解調(diào)

根據(jù)載波受調(diào)制的參數(shù)的不同，調(diào)制可分為調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)。使載波的幅值、頻率或者相位隨調(diào)制信號而變化的過程分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相。這些被調(diào)制波分別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波或調(diào)相波。1．調(diào)幅及其解調(diào)（1）原理

調(diào)幅是將一個高頻簡諧信號（載波）與測試信號（調(diào)制信號）相乘，使高頻信號的幅值隨測試信號的變化而變化。現(xiàn)以頻率為f0的余弦信號作為載波進行討論。（2）整流檢波和相敏檢波

若把調(diào)制信號進行偏置，疊加一個直流分量A，使偏置后的信號都具有正電壓，那么調(diào)幅波的包絡線將具有原調(diào)制信號的形狀。把該調(diào)幅波xm(t)簡單地整流、濾波就可以恢復原調(diào)制信號。如果原調(diào)制信號中有直流分量，則在整流以后應準確地減去所加的偏置電壓。2．調(diào)頻及其解調(diào)調(diào)頻是利用信號電壓的幅值控制一個振蕩器，使振蕩器輸出的是等幅波，但其振蕩頻率偏移量和信號電壓成正比。當信號電壓為零時，調(diào)頻波的頻率就等于中心頻率；信號電壓為正值時頻率提高，為負值時則降低。（1）直接調(diào)頻測量電路

在被測電路小范圍變化時，電容（或電感）的變化也有與之對應的、接近線性的變化。（2）壓控振蕩器

壓控振蕩器是一種常用的調(diào)頻方案。壓控振蕩器的輸出瞬時頻率與輸入的控制電壓值呈線性關系。（3）變壓器耦合的諧振回路鑒頻法

調(diào)頻波的解調(diào)又稱為鑒頻，是將頻率變化恢復成調(diào)制信號電壓幅值變化的過程。3.4.4濾波器1．濾波器的概述（1）濾波的定義

通常情況下，測量信號有多個頻率分量，濾波是讓被測信號中的有效信號通過而其他不需要的信號成分被抑制或衰減的過程。該過程通常由濾波器實現(xiàn)。（2）濾波器的分類

濾波器按其所處理的信號性質(zhì)可以分為：①

模擬濾波器：對連續(xù)的模擬信號進行運算處理的濾波器。②

數(shù)字濾波器：對離散的數(shù)字信號進行運算處理的濾波器。2．濾波器的作用濾波器可以將有用的信號與大量的干擾噪聲分離開來，這樣，可以提高信號傳輸過程中的抗干擾性，提高信噪比。濾波器還可以用來濾掉被測信號中不感興趣的頻率成分。一方面可以提高分析精度，另一方面可以降低對分析儀器的性能要求。濾波器的另一個重要用途是對動態(tài)信號進行頻譜分析，即通過分辨力高的窄帶濾波器從具有復雜頻率成分的信號中分離出單一的頻率分量，進行幅值和相位分析。3．濾波器的綜合應用（1）濾波器的串聯(lián)

為加強濾波效果，在實際應用中，常將兩個具有相同中心頻率的（帶通）濾波器串聯(lián)，其合成系統(tǒng)總的幅頻特性將是兩濾波器幅頻特性的乘積，這樣，通帶外的頻率成分將大大衰減，改善了過渡帶的性能。（2）濾波器的并聯(lián)

濾波器的并聯(lián)常用于信號的頻譜分析和信號中特定頻率成分的提取。使用時常將被分析信號輸入一組中心頻率不同但增益相同的濾波器，這樣各個濾波器的輸出反映了信號中所含的各個頻率成分。3.4.5信號的顯示與記錄1．動圈式磁電指示機構可轉(zhuǎn)動線圈處于很強的均勻磁場中，信號電流i通過線圈所引起的電磁轉(zhuǎn)矩將使線圈轉(zhuǎn)動，直到電磁轉(zhuǎn)矩與彈簧的彈性轉(zhuǎn)矩平衡為止。這種機構本質(zhì)上是電流敏感裝置，當用它來測量電壓時，必須保持電路中電阻值的恒定。同時應當注意到溫度增高時，線圈電阻將加大、磁場強度和彈簧剛度將減小，前兩者導致轉(zhuǎn)角減小而后者卻使轉(zhuǎn)角增大。2．光線示波器在光線示波器中，達松瓦爾機構的轉(zhuǎn)動部件變成振子。其中以張絲的彈性扭轉(zhuǎn)變形代替原轉(zhuǎn)軸和游絲的作用，用固定在張絲上并隨之轉(zhuǎn)動的反射鏡的反射光線來代替指針。該反射光線聚焦在勻速移動的感光紙上，實現(xiàn)信號的記錄。3．伺服式記錄儀伺服式記錄儀，當待記錄的直流信號電壓與電位計的比較電壓ub不等時，則有Δu輸出。該電壓經(jīng)調(diào)制、放大、解調(diào)后驅(qū)動伺服電動機，并通過皮帶等傳動機構帶動記錄筆作直線運動，實現(xiàn)信號的記錄；同時又使電位器滑動觸點隨之移動，改變ub的大小。待到ub=ur時，Δu為零，伺服電動機停止轉(zhuǎn)動。隨著信號電壓ur不斷變化，記錄筆也就跟隨運動。4．采用陰極射線管的信號顯示和記錄裝置目前以陰極射線管(CRT)為核心器件發(fā)展出許多種信號顯示和記錄系統(tǒng)。陰極射線管是一種真空電子器件，由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏等三大部分組成。電子槍發(fā)出的聚焦過的電子束，通過水平和垂直偏轉(zhuǎn)板后撞擊熒光屏。屏上的熒光材料受電子束撞擊處將發(fā)出可見光線，呈現(xiàn)可見光點。受偏轉(zhuǎn)板的作用，電子束在屏上撞擊點將產(chǎn)生變動。示波器是這類信號顯示、記錄系統(tǒng)中最常用的一種。示波器具有頻帶寬，動態(tài)響應好等優(yōu)點，適于顯示瞬態(tài)、高頻和低頻的各種信號。5．數(shù)字式波形存儲記錄儀待記錄的模擬信號經(jīng)抗混疊濾波器后，經(jīng)模-數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并存儲起來。需記錄、顯示時再將存儲信號取出，經(jīng)數(shù)-模轉(zhuǎn)換恢復成原模擬信號。由于并非“實時”重放，因而可以適當改變重放速度（即改變時間比例尺）和信號幅值比例尺，從而可以充分展寬和放大波形，更能充分展示瞬態(tài)過程。3.5傳感器的標定與校準3.5.1傳感器標定的分類根據(jù)被測量進行分類為絕對標定法和相對標定法。絕對標定法的被測量由高精度的設備產(chǎn)生并測量其大小，其特點是精度較高，但較復雜。相對標定法或比較標定法的被測量是用根據(jù)絕對標定法標定好的標準傳感器來測量的。根據(jù)標定的內(nèi)容進行分類為，靜態(tài)標定和動態(tài)標定。靜態(tài)標定是確定傳感器的靜態(tài)指標，主要有線性度、靈敏度、遲滯和重復性等。動態(tài)標定是確定傳感器的動態(tài)指標，主要有時間常數(shù)、自然振蕩頻率和阻尼比等。3.5.2標定與校準的方法利用標準儀器對新研制或生產(chǎn)的傳感器進行全面的技術檢定和標度，稱為標定。對傳感器在使用中或儲存后進行的性能復測，稱為校準。標定和校準是對傳感器系統(tǒng)性能包括靈敏度、線性度、重復性、頻率動態(tài)響應等的綜合評價。1．靜態(tài)標定靜態(tài)標定是指在輸入信號不隨時間變化的靜態(tài)標準條件下，對傳感器的靜態(tài)特性如靈敏度、線性度、遲滯、重復性等指標的檢定。靜態(tài)標定主要用于檢驗、測試傳感器的靜態(tài)特性指標的含義及其計算方法，根據(jù)傳感器的功能，靜態(tài)標定首先需要建立靜態(tài)標定系統(tǒng)。傳感器的靜態(tài)標定系統(tǒng)一般由以下幾部分組成：被測物理量，被測物理量標準測試系統(tǒng)，被標定傳感器所配接的信號調(diào)節(jié)器和顯示記錄器等。2．動態(tài)標定傳感器輸入標準的激勵信號后，測出數(shù)據(jù)并做出輸出值與時間的關系曲線，由輸出曲線與輸入標準激勵信號比較就可以標定傳感器的動態(tài)響應、幅頻特性、相頻特性等。需要說明的是一些傳感器除了靜態(tài)性能指標要滿足要求以外，其動態(tài)特性也常常需要滿足要求。汽車動力控制系統(tǒng)傳感器第4章4.1概述汽車動力傳動系統(tǒng)主要包括發(fā)動機、離合器、變速器、傳動軸、主減速器、差速器、半軸、車輪等零部件系統(tǒng)。發(fā)動機輸出的動力，先經(jīng)過離合器，由變速器變扭和變速后，經(jīng)傳動軸把動力傳遞到主減速器上，最后通過差速器和半軸把動力傳遞到驅(qū)動輪上。電動汽車的整體結(jié)構由電機驅(qū)動、能源和輔助子系統(tǒng)組成。電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)由電動機、驅(qū)動器、控制器等構成，控制器通過控制加速踏板幅度、制動踏板幅度、車速等方式來進行電動機電壓的輸出控制，然后通過采集電動機電壓、電流、電動機和IGBT模塊的溫度等反饋信號進行系統(tǒng)的過流、過壓以及過熱保護。汽車動力傳動系統(tǒng)一體化控制原理：駕駛員對車輛操作的信號和車輛其他電控系統(tǒng)對驅(qū)動功率的需求，通過動力傳動系統(tǒng)控制單元(PowertrainControlUnit)解析為對車輛系統(tǒng)的功率需求，根據(jù)優(yōu)先級別通過對發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩和變速器檔位的控制實現(xiàn)傳動系輸出功率的精確控制。汽車動力傳動系統(tǒng)中的發(fā)動機管理系統(tǒng)所用的傳感器包括：空氣流量傳感器、進氣溫度傳感器、冷卻液溫度傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、加速踏板位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、曲軸位置傳感器、氧傳感器、爆燃傳感器等。4.2溫度傳感器溫度是表征物體冷熱程度的物理量，反映了物體內(nèi)部分子運動平均動能的大小。溫度高時分子動能大，運動劇烈；溫度低時分子動能小，運動緩慢。溫度概念的建立是以熱平衡為基礎的。如果兩個冷熱程度不同的物體相互接觸，必然會發(fā)生熱交換現(xiàn)象。按照所用測溫方法的不同，溫度測量分為接觸式和非接觸式兩大類。1）接觸式的特點是測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進行充分的熱交換，最后達到熱平衡。2）非接觸測溫的特點是感溫元件不與被測對象相接觸，而是通過輻射進行熱交換，因此可避免接觸測溫的缺點，具有較高的測溫上限。汽車動力傳動系統(tǒng)設有多個溫度傳感器，如進氣溫度傳感器、冷卻液溫度傳感器、燃油溫度傳感器、機油溫度傳感器和電池溫度傳感器等。常用的溫度傳感器有熱電偶式、熱電阻式。4.2.1熱電偶式溫度傳感器1．熱電偶式溫度傳感器的結(jié)構熱電偶都有兩個熱電極，貴金屬熱電偶電極直徑大多在0.13~0.65mm范圍內(nèi)，普通金屬熱電偶電極直徑為0.5~3.2mm，其長度根據(jù)具體情況而定。熱電偶的一個端點將兩種或兩種以上的熱電偶材料用多種方法可靠地連接在一起，通常可以用鉸接、焊接、鍍層等方法實現(xiàn)。2．熱電偶式溫度傳感器的工作原理熱電偶式溫度傳感器的工作原理是基于熱電效應原理，即受熱物體中的電子，會隨溫度梯度從高溫區(qū)向低溫區(qū)移動，進而產(chǎn)生電流或電荷堆積。兩種不同的導體或半導體分別為A和B，組成一個閉合回路。當A與B相接的兩個接點溫度T和T0不同時，就會在回路中產(chǎn)生一個電勢EAB，此閉合回路就是熱電偶。熱電偶的測量溫度與線徑有關，線徑越粗可以測量的溫度越高，其在高溫環(huán)境中的耐久性也越強。1）測量單點的溫度。2）測量兩點間溫度差（反極性串聯(lián)）。是測量兩點間溫度差(t1~t2)的一種方法。將兩個同型號的熱電偶配用相同的補償導線，其接線應使兩熱電偶反向串聯(lián)(A接A，B接B)，從而使兩熱電動勢方向相反，故輸入儀表的是其差值，這一差值反映了兩熱電偶端的溫度差。3）測量多點的平均溫度（同極性并聯(lián)或串聯(lián)）。有些大型設備，有時需要測量多點（兩點或兩點以上）的平均溫度，可以通過將多支同型號的熱電偶同極性并聯(lián)或串聯(lián)的方式來實現(xiàn)。熱電偶的測溫原理表明：熱電偶的熱電勢是兩個結(jié)點溫度的函數(shù)差，只有當冷端溫度保持不變時，熱電勢才是被測熱端溫度的單值函數(shù)。由于熱電偶的分度表是在冷端溫度為0℃時測得的，如果冷端溫度不為零，測得的熱電勢不能直接去查對應的分度表。但在實際測量時，冷端溫度常隨環(huán)境溫度變化而變換，冷端溫度T0不能保持恒定，因而會產(chǎn)生測量誤差。為了消除或補償冷端溫度的影響，常采用以下幾種方法。1）0℃冷端恒溫法。將熱電偶的冷端置于0℃的恒溫器內(nèi)，保持T0為0℃。此時，測得的熱電勢可以準確地反映熱端溫度變化的大小，直接查對應的熱電偶分度表即可得知熱端溫度的大小。2）冷端恒溫法。將冷端置于其他恒溫器內(nèi)，使之溫度保持恒定，避免由于環(huán)境溫度的波動而引起誤差。3）補償導線法。當熱電偶冷端離熱端較近時，受其影響使冷端溫度在很大范圍內(nèi)變化，這時直接采用冷端溫度補償法會變得困難。于是可用延引熱電極的方法，將熱電偶輸出的熱電勢傳輸?shù)揭欢ň嚯x以外的顯示儀表處。4）冷端溫度自動補償法。冷端溫度自動補償法是用電橋的不平衡電壓去消除冷端溫度變化的影響，這種方法又稱為電橋補償法。4.2.2熱電阻式溫度傳感器熱電阻溫度傳感器利用金屬導體或半導體的電阻率隨溫度變化的特性來進行溫度測量，它主要用于對溫度和與溫度有關的參量進行檢測，其測溫范圍主要在中、低溫區(qū)域（-200~850oC）。熱電阻測溫元件可分為金屬熱電阻和半導體熱敏電阻兩大類。1.金屬熱電阻（1）金屬熱電阻式溫度傳感器的結(jié)構

金屬熱電阻溫度傳感器由熱電阻絲、電阻體支架、連接熱電阻的引線、保護套管、絕緣瓷管、接線盒等組成。雖然各種金屬材料的電阻率均隨溫度而變化，但作為金屬熱電阻的材料，其要求是電阻溫度系數(shù)要大，以便提高熱電阻的靈敏度；電阻率盡可能大，以便在相同阻值下減小電阻體的尺寸；熱容量要小，以便提高熱電阻的響應速度；在整個測量范圍內(nèi)，應具有穩(wěn)定的物理和化學性能；電阻與溫度的關系最好接近于線性；應有良好的可加工性，且價格便宜。根據(jù)上述要求及金屬材料的特性，目前使用最廣泛的金屬熱電阻材料是鉑和銅。鉑的物理、化學性能非常穩(wěn)定，是目前制造金屬熱電阻的最好材料。鉑電阻溫度傳感器是目前復現(xiàn)性最好的一種溫度傳感器，被廣泛應用于工業(yè)在線測量。鉑電阻一般由直徑為0.05~0.07mm的鉑絲繞在片形云母骨架上制成，鉑絲的引線采用銀線銅電阻是一個銅絲繞組。鎧裝電阻由電阻體、引線、絕緣粉末及保護套管經(jīng)整體拉制而成，在其工作端底部裝有小型熱電阻體（2）金屬熱電阻式溫度傳感器的工作原理

鉑電阻的精度與鉑的純度有關，鉑的純度通常用百度電阻比W(100)表示，2．半導體熱敏電阻（1）半導體熱敏電阻式溫度傳感器的結(jié)構

熱敏電阻是利用半導體的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件。它是由某些金屬氧化物（如NiO、MnO2、CuO、TiO2），采用不同比例配方，經(jīng)高溫燒結(jié)而成的。它主要由敏感元件、引線和殼體組成。熱敏電阻是由某些金屬氧化物如氧化銅、氧化鋁、氧化鎳、氧化錸等按一定比例混合研磨、成型、煅燒而成的半導體。半導體比金屬具有更大的電阻溫度系數(shù)。半導體熱敏電阻包括正溫度系數(shù)(PTC)、負溫度系數(shù)(NTC)、臨界溫度系數(shù)(CTR)熱敏電阻等幾類。熱敏電阻按照結(jié)構形式可分為體形、薄膜型、厚膜型三種；按照工作方式可分為直熱式、旁熱式、延遲電路三種；按照工作溫區(qū)分為常溫區(qū)、高溫區(qū)、低溫區(qū)熱敏電阻三種。熱敏電阻采用不同封裝形式制成管狀、片狀、點狀、桿狀等各種形狀的溫敏元件。（2）半導體熱敏電阻式溫度傳感器的工作原理

電阻與溫度之間的關系是熱敏電阻的最基本特性，這一關系充分反映了熱敏電阻的性質(zhì)，當溫度不超過規(guī)定值時，保持其原有的特性，超過時特性破壞。伏安特性表征熱敏電阻在恒溫介質(zhì)下流過的電流I與其上電壓降U之間的關系。當電流很?。ㄐ∮贗a）時，不足以引起自身加熱，阻值保持恒定，電壓降與電流之間符合歐姆定律，所以圖中oa段為線性區(qū)。當電流I＞Ia時，隨著電流增加，功率增大，產(chǎn)生自熱，阻值隨電流增加而減小，電壓降增加速度逐漸減慢，因而出現(xiàn)線性的正阻區(qū)ab。電流增大到Im時，電壓降達到最大值Um。熱敏電阻的主要參數(shù)為：標稱電阻值RH：指在環(huán)境溫度為25±0.2℃時的電阻值，又稱冷電阻。電阻溫度系數(shù)

：溫度變化l℃時，熱敏電阻阻值的變化率(%/℃)，決定了熱敏電阻在全部工作范圍內(nèi)對溫度的靈敏度，其隨溫度降低而迅速增大，即熱敏電阻的測溫靈敏度高，約為金屬熱電阻的10倍。耗散系數(shù)H：表示使熱敏電阻的溫度上升1℃所需要的功率(mW/℃)，它取決于熱敏電阻的形狀、封裝形式及周圍介質(zhì)的種類。熱容C：熱敏電阻溫度變化1℃時所需吸收或釋放的熱量(J/℃)。4.3壓力傳感器4.3.1電阻式壓力傳感器1．電阻式壓力傳感器的結(jié)構電阻式壓力傳感器就是將應變片和敏感膜片等彈性元件結(jié)合在一起，利用應變片檢測彈性元件的應變，實現(xiàn)壓力檢測的一類傳感器。2．電阻式壓力傳感器的工作原理利用壓阻材料可以制作成應變片，將應變片和膜片結(jié)合在一起，壓力導致膜片產(chǎn)生應變，應變片感受到應變，電阻發(fā)生相應變化，這是電阻式壓力傳感器的工作原理。4.3.2電容式壓力傳感器1．電容式壓力傳感器的結(jié)構2．電容式壓力傳感器的工作原理4.3.3諧振膜式壓力傳感器1．諧振膜式壓力傳感器的結(jié)構2．諧振膜式壓力傳感器的工作原理4.4位置和轉(zhuǎn)速傳感器4.4.1電磁脈沖式位置傳感器1．電磁脈沖式位置傳感器的結(jié)構電磁脈沖式曲軸位置傳感器主要由信號盤和傳感器盒組成。信號盤是一個帶有細齒的薄圓齒盤，用以產(chǎn)生信號，隨被測件一起旋轉(zhuǎn)。在信號盤的外緣，沿著圓周每隔4°有個齒。共有90個齒，并且每隔120°布置1個凸緣，共3個。安裝在信號盤邊沿的傳感器盒是產(chǎn)生電信號的信號發(fā)生器。信號發(fā)生器內(nèi)有3個在永久磁鐵上繞有感應線圈的磁頭，其中磁頭②產(chǎn)生120°信號，磁頭①和磁頭③共同產(chǎn)生曲軸1°轉(zhuǎn)角信號。磁頭②對著信號盤的120°凸緣，磁頭①和磁頭③對著信號盤的齒圈，彼此相隔曲軸轉(zhuǎn)角安裝。信號發(fā)生器內(nèi)有信號放大和整形電路，外部有四孔連接器，孔“1”為120°信號輸出線，孔“2”為信號放大與整形電路的電源線，孔“3”為1°信號輸出線，孔“4”為接地線。通過該連接器將曲軸位置傳感器中產(chǎn)生的信號輸送到ECU。2．電磁脈沖式位置傳感器的工作原理當被測件轉(zhuǎn)動時，信號盤的齒和凸緣引起感應線圈的磁場發(fā)生變化，從而在感應線圈里產(chǎn)生交變的電動勢，經(jīng)濾波整形后，變成脈沖信號。當被測件旋轉(zhuǎn)一圈，磁頭②上產(chǎn)生3個120°脈沖信號，磁頭①和③各產(chǎn)生90個脈沖信號（交替產(chǎn)生）。由于磁頭①和磁頭③相隔3°曲軸轉(zhuǎn)角安裝，而它們又都是每隔4°產(chǎn)生一個脈沖信號，所以磁頭①和磁頭③所產(chǎn)生的脈沖信號相位差正好為90°。將這兩個脈沖信號送入信號放大與整形電路中合成后，即產(chǎn)生曲軸1°轉(zhuǎn)角的信號。產(chǎn)生120°信號的磁頭②安裝在上止點前70°的位置，故其信號亦可稱為上止點前70°信號，即被測件在運轉(zhuǎn)過程中，磁頭②在各缸上止點前70°位置均產(chǎn)生一個脈沖信號。4.4.2磁電式轉(zhuǎn)速傳感器1．磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構2．磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理以曲軸位置檢測為例描述其具體工作原理：當曲軸齒環(huán)轉(zhuǎn)動時，作用在傳感器上的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生交流電壓。隨著曲軸的轉(zhuǎn)動，齒輪轉(zhuǎn)動時間間隔增大，則感應出的交流電電壓的幅值變小，而發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高，則感應交流電的幅值相應地提高。只要發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過20r/mm，就會有足夠幅值的交流電壓信號，電極和齒形應相互匹配。ECU的信號處理電路將幅值不同的正弦電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣ǖ木匦尾ā?.4.3霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器1．霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構2．霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理霍爾式傳感器的工作原理是將電流通入薄片狀的霍爾器件，豎直施加磁場，產(chǎn)生的洛倫茲力，使得載流子發(fā)生運動，元件的邊緣分別有電荷積聚，產(chǎn)生霍爾電場。穩(wěn)態(tài)時，載流子的作用力相互抵消，恢復原來的運動方向，它使霍爾元件兩個邊緣產(chǎn)生電位差，稱為霍爾電壓。霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的具體工作原理為：氣隙磁場隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動為正弦變化，線性霍爾傳感器將該信號輸出，利用相關電路與算法對輸出信號進行處理即可得到轉(zhuǎn)子角度的信息。4.4.4光電式轉(zhuǎn)速傳感器1．光電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構2．光電式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理光電式轉(zhuǎn)速傳感器的基本原理是隨著電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，碼盤不斷地遮擋或通過LED發(fā)出的光線至光電傳感器，使其輸出高低電平，從而將轉(zhuǎn)子的機械位置信號轉(zhuǎn)化為電信號。4.4.5電容式轉(zhuǎn)速傳感器1．電容式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構電容式傳感器是一種有可變參數(shù)的電容器，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電容量變化。該類轉(zhuǎn)速傳感器是由一塊轉(zhuǎn)動板和兩塊固定板組成的。2．電容式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理在初始狀態(tài)下，可動金屬板（轉(zhuǎn)動極板）所在的位置，是電容最大的地方。當轉(zhuǎn)動板旋轉(zhuǎn)時，電容量會發(fā)生規(guī)律變化，即電容量的變化速率反映該轉(zhuǎn)動板轉(zhuǎn)速的大小。因此，可通過交流激勵等方式來計算出轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)一定角度θ后的電容為4.5流量傳感器4.5.1空氣流量傳感器1．卡門旋渦式空氣流量傳感器（1）卡門旋渦式空氣流量傳感器的結(jié)構

卡門渦流空氣流量傳感器是根據(jù)卡門渦旋原理制成的，是一種體積流量型傳感器。傳感器中央設有一個錐體作為渦流發(fā)生器，渦流發(fā)生器前面設有蜂窩狀整流器，以消除氣流中的干擾渦流，根據(jù)檢測方式不同，分為光電檢測式和超聲波檢測式兩種。超聲波式卡門渦旋空氣流量傳感器(簡稱超聲波式流量傳感器)的主要由超聲波發(fā)射探頭、渦流穩(wěn)定板、超聲波信號發(fā)射器、渦流發(fā)生器、超聲波接收探頭；集成控制電路等組成。超聲波式流量傳感器設有兩個空氣通道，渦流發(fā)生器設在主空氣通道上。設置旁通空氣通道的目的是為了調(diào)節(jié)主空氣通道的流量。（2）卡門旋渦式空氣流量傳感器的工作原理

卡門旋渦式空氣流量傳感器是基于卡門渦旋原理設計的。所謂卡門渦旋，是指在流體中放置一個圓柱狀或三角狀物體時，在這一物體的下游會產(chǎn)生兩列旋轉(zhuǎn)方向相反，并交替出現(xiàn)的渦旋。光學式卡門渦旋空氣流量計的工作原理：首先，接通點火開關，發(fā)動機ECU輸出電壓信號，使發(fā)光二極管點亮，光線經(jīng)反光鏡射向光敏二極管，使它導通，從而向發(fā)動機ECU返回信號電壓。其次，卡門渦流發(fā)生器外部呈錐形，安裝在進氣管道內(nèi)，當有空氣流過發(fā)生器時，會在其背后不斷地產(chǎn)生被稱為卡門渦流的空氣渦流。此時錐形體外圍的空氣壓力會發(fā)生變化，壓力變化的強弱與空氣流量的大小成比例關系。最后，變化的氣體壓力，通過導向孔引向反光鏡的表面，使反光鏡隨彈簧鋼片一起振動。反光鏡一邊振動，一邊將發(fā)光二極管射來的光反射給光敏晶體管，通過光敏晶體管可以檢測到卡門渦流的脈沖。光敏晶體管收到光束照射時導通，不受光束照射時截至，光敏晶體管導通與截至的頻率與空氣壓力變化成正比，所以反光鏡振動的頻率與渦流發(fā)生的頻率相等，而渦流發(fā)生頻率與空氣流速成正比，對比并計算出實際流量傳感器的脈沖信號電壓，然后計算出實際進氣量，從而控制噴油器按照適宜的噴油脈寬和適當?shù)捻樞驀娪汀?．葉片式空氣流量傳感器（1）葉片式空氣流量傳感器的結(jié)構

葉片式空氣流量傳感器也可稱為翼片式或翼板式空氣流量計，是在L型電控燃油噴射系統(tǒng)中應用較早的空氣流量計，也是一種體積流量型傳感器。（2）葉片式空氣流量傳感器的工作原理

葉片式空氣流量傳感器的工作原理為：葉片式空氣流量傳感器的電位計是以電位變化檢測空氣量的裝置，它與空氣流量計測量板同軸安裝，能把因測量板開度變化而產(chǎn)生的滑動電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入車載ECU。葉片式汽車空氣流量傳感器實質(zhì)上是將流動空氣的流量轉(zhuǎn)化為葉片的偏轉(zhuǎn)量，再將偏轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)換為電位器的電阻值改變量，最終以電壓形式輸出，實現(xiàn)汽車空氣流量測量。3．熱線式空氣流量傳感器（1）熱線式空氣流量傳感器的結(jié)構熱線式空氣流量傳感器是一種質(zhì)量流量型傳感器。主要由熱線電阻、溫度傳感器、集成電路、空氣質(zhì)量流量計精密電阻等組成。

（2）熱線式空氣流量傳感器的工作原理

熱線式空氣流量傳感器的基礎理論是熱平衡原理，熱線中的熱產(chǎn)生應該等于熱耗散。即在熱線沒有熱傳導的情況下，加熱電流在熱線中產(chǎn)生的熱量應該等于流體所帶走的熱量。3．熱膜式空氣流量傳感器（1）熱膜式空氣流量傳感器的結(jié)構

熱膜式空氣流量傳感器是依據(jù)熱傳導和熱耗散的原理制作的，氣體的放熱量或吸熱量與該氣體的質(zhì)量成正比。它的結(jié)構主要包括加熱電阻加熱器和測溫電阻測溫器。加熱器放置在管道中間作為熱源使被測流體的溫度升高。加熱器兩側(cè)各放置一個測溫熱敏電阻器測溫器，用來檢測加熱器兩側(cè)的溫度變化，將測溫器與外接的兩個固定電阻組成測量電橋。（2）熱膜式空氣流量傳感器的工作原理

當流體靜止時，由于測溫器R1、R2對稱地安裝在加熱器Rh兩側(cè)且阻值相等，因此測量電橋處于平衡狀態(tài)。當流體流動時，沿管道軸向的溫度場分布的對稱性被擾動而遭到破壞，致使熱源前端的溫度低于熱源后端的溫度，這樣會引起兩測溫器R1、R2阻值發(fā)生變化。當兩測溫器的阻值不等時，測量電橋失去平衡，從而輸入一個直流電壓信號。當被測介質(zhì)的比熱恒定時，其輸出的直流電壓信號與被測介質(zhì)的質(zhì)量流量成比例關系。4.5.2燃料流量傳感器1．轉(zhuǎn)子式流量傳感器（1）轉(zhuǎn)子式流量傳感器的結(jié)構轉(zhuǎn)子式流量傳感器由兩部分組成，即從下向上逐漸擴大的測量管和置于測量管中可以沿管的中心線上下自由移動的轉(zhuǎn)子。此外，組合閥式轉(zhuǎn)子流量傳感器還包括一個針形流量調(diào)節(jié)閥，且在流量調(diào)節(jié)閥和測量管之間有一段直管，外徑與浮子相當，與測量管內(nèi)徑相差不大，氣流在此直管與測量管連接處和測量管內(nèi)壓降較小。（2）轉(zhuǎn)子式流量傳感器的工作原理

測量時，被測流體從測量管下端流入，流體的流動沖擊著轉(zhuǎn)子，并對它產(chǎn)生一個向上的作用力；當流量足夠大時，作用力將浮子托起，并使之升高。同時，被測流體流經(jīng)浮子與測量管壁間的環(huán)形縫隙，從上端流出。當流體對浮子的作用力恰好等于轉(zhuǎn)子在流體中的重量時，轉(zhuǎn)子受力處于平衡狀態(tài)而停留在某一高度，此處浮子所對應的刻度即為流量計的示數(shù)。2．差壓式流量傳感器（1）差壓式流量傳感器的結(jié)構

傳感器的左端為油液的入口，右端為油液的出口，閥體中間位置即為內(nèi)嵌的標準噴嘴。（2）差壓式流量傳感器的工作原理

被測流體通過標準噴嘴形成的節(jié)流口后，由于壓力損失將在節(jié)流口兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，通過在噴嘴兩側(cè)設置取壓孔，使壓差信號作用在平面膜片上，并使粘貼在膜片上的FBG產(chǎn)生形變，從而通過檢測FBG的波長變化實現(xiàn)被測流體流量的測量。3．渦街式流量傳感器（1）渦街式流量傳感器的結(jié)構

渦街式流量傳感器主要由流量計主體、旋渦發(fā)生體、壓電晶體探頭、導流管等部件組成。（2）渦街式流量傳感器的工作原理

渦街式流量傳感器也稱為漩渦流量或卡門渦街流量傳感器。4.6氣體傳感器4.6.1氧傳感器1．二氧化鋯氧傳感器（1）二氧化鋯氧傳感器的結(jié)構

二氧化鋯型氧傳感器包括二氧化鋯管、鉑電極、彈簧、電極座、導線、氣孔等部件，此外為防止二氧化鋯管損壞，二氧化鋯氧傳感器安裝有帶孔護罩。（2）二氧化鋯氧傳感器的工作原理

二氧化鋯傳感器是采用氧化鋯固體電解質(zhì)組成的氧濃度差電池來測氧的傳感器，其核心構件是氧化鋯固體電解質(zhì)，氧化鋯固體電解質(zhì)由多元氧化物組成。常用的電解質(zhì)以ZrO2為基體，Y2O3為穩(wěn)定劑。典型的二氧化鋯傳感器是：

。2．二氧化鈦氧傳感器（1）二氧化鈦氧傳感器的結(jié)構

二氧化鈦氧傳感器主要由二氧化鈦元件、金屬保護管、金屬外殼、陶瓷絕緣材料、導線、陶瓷元件組成，此外氧化鈦式氧傳感器一般配有加熱元件，以滿足傳感器正常的工作溫度。（2）二氧化鈦氧傳感器