第10章：加速度传感器和爆震传感器

1、10.1 加速度传感器原理概述加速度传感器原理概述1、“滑翔机牌滑翔机牌”车气囊用加速度传感器车气囊用加速度传感器 包括包括“滑翔机牌滑翔机牌”车在内的丰田车多数车在内的丰田车多数都将三种都将三种G传感器组合起来用气囊传感传感器组合起来用气囊传感器，这三种传感器是：前气囊传感器、器，这三种传感器是：前气囊传感器、中央气囊传感器及辅助传感器。中央气囊传感器及辅助传感器。（1）结构）结构前气囊和辅助气囊传感器前气囊和辅助气囊传感器（2）原理及工作过程）原理及工作过程中央气囊传感器中央气囊传感器 它采用的是半导体型它采用的是半导体型G传感器。通过测量碰传感器。通过测量碰撞形成的测量元件的撞形成的测量

2、元件的应变，再将其转换成应变，再将其转换成电信号，这种传感器电信号，这种传感器的特点是：对减速具的特点是：对减速具有线性输出，超过预有线性输出，超过预先设定的数值时，则先设定的数值时，则输出输出ON信号。信号。2、“塞普达塞普达”车安全气囊用传感器车安全气囊用传感器 滚轴式传感器，由滚柱、片簧及挡销等构成。滚轴式传感器，由滚柱、片簧及挡销等构成。（1）结构）结构3、“花冠花冠”车安全气囊用传感器车安全气囊用传感器（1）结构）结构（2）工作原理及过程）工作原理及过程4、“森铁阿森铁阿”牌车安全气囊用传感器牌车安全气囊用传感器 它是由测量减速度的传感球，将传感球保持到它是由测量减速度的传感球，将传

3、感球保持到某加速度为止的永磁铁，对传感球运动提供空某加速度为止的永磁铁，对传感球运动提供空气阻尼器作用的导缸及二级端子构成的。气阻尼器作用的导缸及二级端子构成的。（1）结构）结构（2）工作过程）工作过程5 5、“西维克西维克”牌车安全气囊用传感器牌车安全气囊用传感器 西维克牌车安全气囊用传感器分主传感器和辅助西维克牌车安全气囊用传感器分主传感器和辅助传感器两种，前者为气体阻尼型，后者为笛簧开关传感器两种，前者为气体阻尼型，后者为笛簧开关型。型。主传感器主传感器辅助传感器辅助传感器6、“陆地巡航舰陆地巡航舰”牌车牌车ABS用加速用加速度传感器度传感器 传感器由传感器由2组发光二极管、光敏二极管、

4、信号组发光二极管、光敏二极管、信号板及变换电路构成。板及变换电路构成。（1）结构）结构（2）工作过程）工作过程7、“帕杰罗帕杰罗”牌车牌车ABS用用G传感器传感器 “帕杰罗帕杰罗”牌车牌车ABS采用了检测位移量的差动变采用了检测位移量的差动变压型传感器作为压型传感器作为G传感器，传感器内设有向激传感器，传感器内设有向激磁线圈供给交流电的振荡电路及检测线圈整流磁线圈供给交流电的振荡电路及检测线圈整流电路用的控制电路。电路用的控制电路。工作原理工作原理 输出电压相同但极性相反的两组线圈串联，且铁心处输出电压相同但极性相反的两组线圈串联，且铁心处于中间位置时，次级绕组所感应的交流电压相等；当两个于中

5、间位置时，次级绕组所感应的交流电压相等；当两个次级绕组的波形相位相反时，其输出电压为次级绕组的波形相位相反时，其输出电压为0；当减速度；当减速度加在传感器上，铁心偏离中间位置时，两个次级绕组上的加在传感器上，铁心偏离中间位置时，两个次级绕组上的感应电压不同，放大器上就会产生与其差值成正比的交流感应电压不同，放大器上就会产生与其差值成正比的交流电压。利用这一现象，通过将铁心的位移量变换成正、负电压。利用这一现象，通过将铁心的位移量变换成正、负直流电压值，就可知道铁心的位移。直流电压值，就可知道铁心的位移。8、“希玛希玛”4WD车用车用G传感器传感器 希玛希玛4WD车具有牵引力控制、车具有牵引力控

6、制、ABS功能，因此功能，因此车上设置了检测车辆前、后加速度的传感器及车上设置了检测车辆前、后加速度的传感器及检测横向加速度的横检测横向加速度的横G传感器。传感器。 树脂外壳内充满了硅油，永久磁铁置于中间，树脂外壳内充满了硅油，永久磁铁置于中间，当车辆加、减速时，形成了永久磁铁的位移，当车辆加、减速时，形成了永久磁铁的位移，此位移通过霍尔元件变换成电信号，再输入到此位移通过霍尔元件变换成电信号，再输入到控制组件中。控制组件中。9、“蓝鸟蓝鸟”4WD车车ABS用用G传感器传感器10.2 钢球式加速度传感器钢球式加速度传感器 在一般行车状况下，急停车时车身前后方向的加速度小在一般行车状况下，急停车

7、时车身前后方向的加速度小于于0.5g。车辆前后方向能够产生的最大加速度是。车辆前后方向能够产生的最大加速度是1.1g，横向最大加速时横向最大加速时0.8g，上下方向最大加速度是，上下方向最大加速度是2g，根据，根据这些数据可以看出，加速度的检测范围达到这些数据可以看出，加速度的检测范围达到-1.5g+1.5g就够了。就够了。1、车用加速度传感器的规格、车用加速度传感器的规格（1）加速度的检测范围）加速度的检测范围（2）基本输出特性）基本输出特性（3）各项基本特性）各项基本特性非线性特性非线性特性i=100t/FS；灵敏度偏差：灵敏度偏差：回归直线的斜回归直线的斜率与基本输出特性斜率的差率与基本

8、输出特性斜率的差值；值；垂直轴灵敏度：垂直轴灵敏度：对垂直于加对垂直于加速度测量轴方向的加速度成速度测量轴方向的加速度成分、输出信号的变化状况；分、输出信号的变化状况；温度漂移：温度漂移：预设定漂移和灵敏度温度系预设定漂移和灵敏度温度系数；数；频率特性：频率特性：输出电压的大小和响应滞后输出电压的大小和响应滞后（4）可靠性）可靠性 耐跌落性：耐跌落性：其含义是要求加速度传感器即使其含义是要求加速度传感器即使跌落至地面，也不应出现损坏。从加速度的角跌落至地面，也不应出现损坏。从加速度的角度看：传感器从度看：传感器从20cm的高处跌落到柞木板上的高处跌落到柞木板上时的加速度大大超过时的加速度大大超

9、过100g，从，从1m高处跌落到高处跌落到水泥地上时的加速度大大超过水泥地上时的加速度大大超过1000g。 高温性能：高温性能：温度范围为：温度范围为：-40+80，在，在这样宽的温度范围内，传感器应有稳定的输出，这样宽的温度范围内，传感器应有稳定的输出，而且经温度循环试验后，性能也不会老化。而且经温度循环试验后，性能也不会老化。 抗干扰性能：抗干扰性能：因为车辆传感器处于相当严酷因为车辆传感器处于相当严酷的电磁噪音环境，所以必须采取充分的措施，的电磁噪音环境，所以必须采取充分的措施，以保证对传感器的输出电压没有多大影响。以保证对传感器的输出电压没有多大影响。2、钢球式加速度传感器的结构与检测

10、、钢球式加速度传感器的结构与检测原理原理 传感器的检测部分是传感器的检测部分是由钢球、一对永久磁由钢球、一对永久磁铁、差动变压器线圈铁、差动变压器线圈及轭铁构成，利用一及轭铁构成，利用一对永久磁铁支撑的钢对永久磁铁支撑的钢球按照球套的轴向加球按照球套的轴向加速度改变位置，利用速度改变位置，利用钢球位置的变化检测钢球位置的变化检测出来，并以此作为测出来，并以此作为测得的加速度。得的加速度。（1）检测部分的结构）检测部分的结构（2）钢球的磁场力支撑）钢球的磁场力支撑 钢球式加速度传感器的本质特征可以说是惯性钢球式加速度传感器的本质特征可以说是惯性质量（钢球）的磁场支撑。质量（钢球）的磁场支撑。线圈

11、骨架的轴向线圈骨架的轴向磁场力磁场力 当加速度作用到传感器的外壳上时当加速度作用到传感器的外壳上时,处于处于轴向中央位置的钢球轴向中央位置的钢球,在加速度的方向上在加速度的方向上,会受到反向惯性力的作用会受到反向惯性力的作用,钢球将移动至钢球将移动至惯性力与轴向磁场力平衡的位置处惯性力与轴向磁场力平衡的位置处,钢球钢球位置与加在传感器外壳上的加速度相应位置与加在传感器外壳上的加速度相应,因此因此,当掌握了钢球移动位置当掌握了钢球移动位置,方向之后方向之后,就可以测出加速度的大小和方向就可以测出加速度的大小和方向.骨架轴与垂直方向的磁场力骨架轴与垂直方向的磁场力（3）差动变压器）差动变压器 差动

12、变压器是由激磁差动变压器是由激磁方的初级绕组与检测方的初级绕组与检测方的次级绕组组成的，方的次级绕组组成的，因次级绕组的连接极因次级绕组的连接极性不同，所以其两端性不同，所以其两端形成了差动输出，与形成了差动输出，与次级绕组交链的磁通次级绕组交链的磁通随钢球位置而变化，随钢球位置而变化，由此可以检测出钢球由此可以检测出钢球位置与移动方向。位置与移动方向。（4）检测电路）检测电路该部分由调节器和该部分由调节器和运算放大器构成，运算放大器构成，作用是产生基准电作用是产生基准电压。压。由振荡器与振荡振幅温由振荡器与振荡振幅温度修正电路构成，作用度修正电路构成，作用是对初级绕组激磁。是对初级绕组激磁。

13、用差动放大用差动放大器对次级绕器对次级绕组的输出加组的输出加以放大。以放大。利用初期激磁信利用初期激磁信号形成同步信号，号形成同步信号，对来自对来自AC放大放大器的信号进行同器的信号进行同步整流。步整流。由次级的低通滤由次级的低通滤波器构成，输出波器构成，输出电压的中间值为电压的中间值为2.5V。3、钢球式加速度传感器的外形、钢球式加速度传感器的外形4、钢球式加速度传感器的性能与、钢球式加速度传感器的性能与可靠性可靠性（1）传感器的性能）传感器的性能（2）可靠性）可靠性 抗干扰性能：抗干扰性能： 耐冲击性能：耐冲击性能：10.3 半导体加速度传感器半导体加速度传感器1、基本结构与工作原理、基本

14、结构与工作原理（1）传感元件结构）传感元件结构 因为要将加速度形成的惯性力变换因为要将加速度形成的惯性力变换成位移，所以半导体硅片制成悬臂成位移，所以半导体硅片制成悬臂梁结构。为提高灵敏度将硅片固定梁结构。为提高灵敏度将硅片固定端附近的一部分作等方向腐蚀端附近的一部分作等方向腐蚀,减薄减薄其厚度的同时其厚度的同时,在其自由端附加有配在其自由端附加有配重重.（2）传感元件）传感元件 力力应变应变阻值阻值电压变化电压变化（3）灵敏度）灵敏度2、频率特性、频率特性3、信号放大与温度补偿、信号放大与温度补偿（1）电路构成）电路构成（2）温度补偿电路）温度补偿电路、4、加速度传感器的各项特性、加速度传感

15、器的各项特性10.4 防爆震传感器防爆震传感器 防爆震系统：在这一系统中，通过防爆震系统：在这一系统中，通过装在发动机上的防爆震传感器可以装在发动机上的防爆震传感器可以检测出爆震，在发生爆震时延迟点检测出爆震，在发生爆震时延迟点火时间，而在不出现爆震时，提前火时间，而在不出现爆震时，提前点火，总是将点火时间设置在近于点火，总是将点火时间设置在近于爆震附近。爆震附近。1、爆震现象与其检测方法、爆震现象与其检测方法 爆震现象的起因是混合气中的未燃烧气体因自爆震现象的起因是混合气中的未燃烧气体因自燃点火后急剧地燃烧造成的，此时所产生的强燃点火后急剧地燃烧造成的，此时所产生的强烈的冲击波反复作用气缸上

16、而引起爆震。烈的冲击波反复作用气缸上而引起爆震。(1)爆震爆震起因：起因：表现：表现： 在发生爆震的最在发生爆震的最高压力处有高频成高压力处有高频成分叠加。分叠加。 发生爆震时，在发生爆震时，在69kHz的频带上可以的频带上可以看出压力的电平差。看出压力的电平差。（2）检测方法）检测方法 压力变动压力变动机体振动机体振动声音声音（3）爆震传感器种类）爆震传感器种类2、爆震传感器的检测元件、爆震传感器的检测元件 由离子结合而成的固体内部，正离子与负离子不成点由离子结合而成的固体内部，正离子与负离子不成点对称排列时，外力加到此固体上，造成电荷分布的变对称排列时，外力加到此固体上，造成电荷分布的变化

17、，从而引起极化现象，将此称为压电效应；反过来，化，从而引起极化现象，将此称为压电效应；反过来，将外部的电场加到这种固体上时，就会产生应力，将将外部的电场加到这种固体上时，就会产生应力，将此称为反压电效应。此称为反压电效应。（1）压电效应与反压电效应）压电效应与反压电效应（2）影响压电功能的参数）影响压电功能的参数 q=dF E=g/C=qF/C 影响压电功能的参数有：电、影响压电功能的参数有：电、机械的连接系数机械的连接系数k，压电位移，压电位移常数常数d，压电输出常数，压电输出常数g。（3）材料）材料 转换性能：转换性能：具有较高的耦合系数或较大具有较高的耦合系数或较大的压电常数；的压电常数

18、； 机械性能：机械性能：作为受力元件，希望其机械作为受力元件，希望其机械强度高，刚度大，以期获得宽的线性范强度高，刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率；围和高的固有振动频率； 电性能：电性能：希望具有高的电阻率和大的介希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望减弱外部分布电容的影电常数，以期望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；响并获得良好的低频特性； 温度和湿度稳定性好：温度和湿度稳定性好：具有较高的居里具有较高的居里点，以期望得到宽的工作温度范围；点，以期望得到宽的工作温度范围； 时间稳定性：时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。压电特性不随时间蜕变。对材料的要求：对材料的要求

19、： PZT：锆铁酸铅系压电陶瓷：以：锆铁酸铅系压电陶瓷：以PbTiO3和和PbZrO3组成的共熔体组成的共熔体Pb（ZrTi）O3为为基础，再添加一些微量元素基础，再添加一些微量元素Nb（铌），（铌），Sb（锑），（锑），Sn（锡），（锡），Mn（锰）等。（锰）等。（4）等效电路及特性）等效电路及特性3、非共振型与共振型爆震传感器、非共振型与共振型爆震传感器（1）非共振型爆震传感器）非共振型爆震传感器结构与工作原理结构与工作原理电负荷阻抗与输出电压电负荷阻抗与输出电压计算值与实验值计算值与实验值关于传感器形状非对称性的讨论关于传感器形状非对称性的讨论 对非共振型爆震传感器，希望在加速度一定时，

20、对非共振型爆震传感器，希望在加速度一定时，其输出电压与频率的关系呈平顶特性。其输出电压与频率的关系呈平顶特性。（2）共振型爆震传感器）共振型爆震传感器共振频率的确定共振频率的确定 r为圆板的半径，为圆板的半径，t为厚度，为厚度，E为杨氏模为杨氏模量，量，p为密度，为密度，为泊松比，为泊松比，为比例常为比例常数。数。共振型爆震传感器面临的课题共振型爆震传感器面临的课题 缺陷缺陷: 无法响应发动机条件变化引起的无法响应发动机条件变化引起的爆震频率的变化；爆震频率的变化； 脉冲响应性差，难以检测出高转脉冲响应性差，难以检测出高转速时的爆震，共振特性越是呈现速时的爆震，共振特性越是呈现尖顶，脉冲的响应

21、性就越差。尖顶，脉冲的响应性就越差。（3）压力检测性爆震传感器（垫圈形缸内）压力检测性爆震传感器（垫圈形缸内压力传感器）压力传感器）4、爆震传感器的应用、爆震传感器的应用 点火时间：在发生爆震时，使点火点火时间：在发生爆震时，使点火时间延迟，这种传感器的响应性好，时间延迟，这种传感器的响应性好，效果好，系统的能力与效率的对比效果好，系统的能力与效率的对比评价高；评价高； 空燃比：将空燃比加浓到不发生爆空燃比：将空燃比加浓到不发生爆震的程度，但对油耗有一定的影响；震的程度，但对油耗有一定的影响； 发动机的负荷：降低增压压力，但发动机的负荷：降低增压压力，但对响应性能及运转性能有一定影响对响应性能

22、及运转性能有一定影响（1）爆震的控制）爆震的控制点火时间控制方式：点火时间控制方式： 发动机的点火时间是在满足车辆的排放、油耗、发动机的点火时间是在满足车辆的排放、油耗、运转性能等特性要求下设定的。运转性能等特性要求下设定的。车辆车辆/发动机点火时间的设定发动机点火时间的设定爆震界限与爆震控制爆震界限与爆震控制 爆震控制系统，就是在设定余量时，尽量将其爆震控制系统，就是在设定余量时，尽量将其控制在最小的程度，并在可能发生爆震的条件控制在最小的程度，并在可能发生爆震的条件下，总是将点火时间设定在界限值附近。下，总是将点火时间设定在界限值附近。爆震反馈控制爆震反馈控制（2）爆震的判断）爆震的判断比

23、较电平比较电平(标准电压标准电压)的决定的决定 传感器的输出振幅随转速的不同有很大的变化，传感器的输出振幅随转速的不同有很大的变化，在判断是否属于是容许界限内的爆震时，不检在判断是否属于是容许界限内的爆震时，不检测传感器输出电压的绝对值，一般采取的是比测传感器输出电压的绝对值，一般采取的是比较法，将无爆震时的传感器输出电压与有爆震较法，将无爆震时的传感器输出电压与有爆震时的输出电压加以比较。时的输出电压加以比较。 比较电平：将传感器的输出信号简单地加比较电平：将传感器的输出信号简单地加以平均，之后再乘以常数倍就可以形成比以平均，之后再乘以常数倍就可以形成比较电平。较电平。爆震强度的判定爆震强度

24、的判定爆震很强时，积分值爆震很强时，积分值V1较高，爆震较弱时积分值较高，爆震较弱时积分值V1较小，将较小，将V1与预先确定的数值与预先确定的数值VR相比，当积分相比，当积分值超过值超过VR时就可判断：发生了爆震。时就可判断：发生了爆震。10.5 宽频带防爆震传感器宽频带防爆震传感器 爆震的检测频带比较窄，对不同的爆震的检测频带比较窄，对不同的发动机之间以及发动机转速变化时，发动机之间以及发动机转速变化时，无法采取有效措施；无法采取有效措施； 传感器的元件容量比较小，并且微传感器的元件容量比较小，并且微机侧的输入阻抗比较高，抗干扰能机侧的输入阻抗比较高，抗干扰能力差；力差； 部件数量多，不利于

25、生产与降低成部件数量多，不利于生产与降低成本。本。老式爆震传感器的不足：老式爆震传感器的不足：优势：优势： 通过减低共振增益的办法扩大传感器通过减低共振增益的办法扩大传感器的爆震检测频带宽度；的爆震检测频带宽度； 通过降低阻抗提高信噪比；通过降低阻抗提高信噪比； 通过采用压电共振型传感器方式简化通过采用压电共振型传感器方式简化传感器的结构。传感器的结构。1、基本分析、基本分析在传感器的输出端子上并联电阻在传感器的输出端子上并联电阻R，即通过降低共振增益，即通过降低共振增益的办法可以扩展压电共振传感器的检测频带。的办法可以扩展压电共振传感器的检测频带。要减小要减小Q，就要增大，就要增大r+rn

26、在在R=1/0C时时rn（Rn）为极大值。）为极大值。 为此需要满足两个条件：为此需要满足两个条件： 增大力系数增大力系数N； 使电阻使电阻R约等于约等于1/0C。 圆盘中心固定形的爆震传感器的频带圆盘中心固定形的爆震传感器的频带扩展状况最好。扩展状况最好。 使力系数达到最大值的条件是：使力系数达到最大值的条件是： h1：h2=1：1; a：b=1.414：1.2、对防爆震传感器的分析、对防爆震传感器的分析 从分析可知，使增益为最小值的条件是：一是从分析可知，使增益为最小值的条件是：一是负荷阻抗负荷阻抗RL=1/0C，二是增大力系数，二是增大力系数N。（1）降低共振增益）降低共振增益关于负荷电

27、阻关于负荷电阻R的分析的分析对提高力系数对提高力系数N条件的分析条件的分析 提高力系数提高力系数N的条件，就是能够实现电与机械的条件，就是能够实现电与机械的高效率变换。的高效率变换。前述最佳值为：压电前述最佳值为：压电圆盘固定形结构的压圆盘固定形结构的压电元件与振动板厚度电元件与振动板厚度之比为之比为1：1，压电，压电元件直径与振动板直元件直径与振动板直径之比为径之比为1：2。（2）减轻副共振）减轻副共振 在设计时，是将振动板系统（包括粘接在设计时，是将振动板系统（包括粘接到压电元件）设计成对称形状，在生产到压电元件）设计成对称形状，在生产过程中，还会造成微小的非对称，究其过程中，还会造成微小

28、的非对称，究其原因是振动板落料时的翘曲及焊接到板原因是振动板落料时的翘曲及焊接到板底上时造成的翘曲而形成的，这也是发底上时造成的翘曲而形成的，这也是发生副共振的原因。生副共振的原因。（3）传感器结构）传感器结构（4）与老式传感器的对比）与老式传感器的对比3、发动机上的爆震控制分析、发动机上的爆震控制分析（1）频带展宽提高了爆震控制性能）频带展宽提高了爆震控制性能（2）副共振的影响）副共振的影响 在爆震频率附近发生的副爆震将使爆震时的传在爆震频率附近发生的副爆震将使爆震时的传感器输出下降，也会造成感器输出下降，也会造成S/N值下降。当在爆值下降。当在爆震频率带之外处发生副共振时，将造成杂音输震频率带之外处发生副共振时，将造成杂音输出增大，出增大，S/N值下降。值下降。表现表现评价参数评价参数K 爆震控制性能的标志是看以适当参数下的爆震控制性能的标志是看以适当参数下的K值值的适应宽度，的适应宽度，K值是为确定爆震判断电平的常值是为确定爆震判断电平的常数。数。 K值适合区域