汽车试验学第三章课件

1、第三章 传感器9/3/20221物理量电量传感器：将被测物理量转换为与之相对应的，容易检测、传输或处理的信号的装置。组成：敏感元件（核心元件）、其它辅助件。分类：发电式传感器：将非电量转换成电动势。如小发电机为测量转速的传感器。参量式传感器：将所测非电量转换成电阻、电感、及电容等电参量。如电阻应变片式传感器。9/3/20222电阻应变片式传感器9/3/202233.1.1电阻应变片1.定义：一种将应变转换成电阻变化的置换元件。不仅能测应变，而且对任何物理量，如力、转矩、压强、位移、温度及加速度等，在测试中应用非常广泛。2.应变片的构造和工作原理组成：敏感元件、基底（分纸基和胶基）、盖片和引线9

2、/3/20225敏感元件(线栅)，材料有铜镍合金、镍铬合金、铁铬合金及康铜合金等基底：保持形状，保证绝缘，主要由纸或有机聚合物构成引线：一般用直径0.150.3mm的镀锡软铜线9/3/202263.1.1电阻应变片工作原理：应变效应，即将应变片用粘合剂贴在试件上，试件受力产生变形时，应变片也同时发生变形，其电阻随之改变的现象。几何形状发生变化而引起的部分材料电阻率发生变化而引起的部分表示了金属导线的电阻变化率与其轴线方向的关系横应变R电阻（）。L导线长度A导线截面积（mm2） 电阻率（mm2m-1）K0单位应变的电阻变化率，称为导线材料的灵敏系数。 为金属丝轴向相对伸长，即轴向应变；而 为电阻

3、丝径向相对伸长，即径向应变，两者之比即为金属丝材料的泊松系数，负号表示符号相反，有 9/3/20227电阻应变片测量原理9/3/20228应变片的动态特性 指应变片的频率分辨率，当试件受动载荷 时，应变是以应变波的形式传播的，应变片的长度应小于应变波的波长，即: C应变波速度 f应变波为正弦波时的频率 应变波长 应变片的长度 9/3/202210应变片的温度特性 应变片电阻值随温度变化的特性叫温度特 性，电阻的变化有两方面构成： A)电阻率随温度变化; B)附加效应引起阻值变化. i)当环境温度变化 时 例如：铜丝 应变片电阻 t=0时的电阻 9/3/2022123.1.1电阻应变片3.应变片

4、的特性应变片的线性及滞后应变片的线性：其电阻变化率dR/R和应变之比为常数。一般应变片线性较好（即dR/R 特性曲线呈直线）。应变片的滞后：dR/R 特性曲线时，其加载与卸载曲线不重合。 滞后现象对静态、动态测试均带来误差，故新粘贴的应变片，在正式测试之前要反复进行多次加载和卸载，以减少非线性和滞后现象的影响。9/3/2022143.1.1电阻应变片3.应变片的特性应变片的零漂和蠕变零漂：指在试件不受力的情况下，在某恒定温度时，粘贴在试件上的应变片的指示应变值随时间而变化的情况。一般规定观测三小 时，其数值用单位时间内的输出应变值来表示.蠕变：指粘贴在试件上的应变片，在某恒定应变下及不变的温度

5、环境中，其指示应变随时间而改变的情况。主要是由粘合不当引起的应变片的应变极限定义：指应变片能够测量的最大应变值。当指示应变只有实际应变的90时，就认为应变片失去了应变能力，此时的真实应变就是应变极限应变片的电阻值应变片在未经安装也不受外力的情况下，于室温时测得的电阻值。推荐值为60，120，200，350，500和1000。9/3/2022153.1.1电阻应变片3.应变片的特性应变片的几何尺寸1基长l ，又称标距，即敏感栅的纵向长度。一般在230mm。2基长小的应变片横向效应较大，粘贴和定位较困难，所以尽可能使用基长较大的应变片。3基宽b，即敏感栅的横向宽度。一般在10mm以内。 9/3/2

6、022163.1.1电阻应变片4.应变片的种类与结构特点金属丝式应变片 分类：圆角线栅式、直角线栅式。圆角线栅式(最常见)：制造容易、 成本低，但其横向效应较直角线栅式大。9/3/202217金属箔式应变片 工作原理：同金属丝式应变片。敏感元件不是金属丝栅，而是把康铜、镍铬合金等制成很薄的金属箔片，用光刻、腐蚀等方法制成的一种很薄的金属箔栅，故称箔式应变片，其基底全部为胶基。9/3/2022183.1.1电阻应变片4.应变片的种类与结构特点半导体应变片半导体当某一轴向施加载荷而产生应变时，它的电阻率发生变化。利用这一特性可制成半导体应变片。用半导体作为敏感栅材料的应变片。9/3/202220对

7、半导体应变片而言， 可忽略不记. 式中: 应变系数, E弹性模量, 半导体应变片的纵向应变.灵敏度系数:特点：灵敏度高 ， 的温度稳定性差，非线性严重，离散性大9/3/2022213.1.1电阻应变片5.应变片的粘贴技术粘合剂：有机粘合剂和无机粘合剂两类。有机粘合剂适用于低温、常温和中温；无机粘合剂适用于高温。粘贴工艺：试件表面清理。应变片的粘贴。固化。粘贴质量的检查。连接线的安装应变片的防潮与保护。9/3/2022233.1.2应变片式传感器应变片式传感器测量应变、应力、力、转矩、压力、加速度。组成弹性元件、应变片、附件（如补偿元件、防护罩、接线插座、加载件）9/3/202224柱式元件拉压

8、力传感器 弹性元件：空心圆柱 布片：8片 电桥：如图9/3/202226拉压传感器不受力时：i）当拉压传感器受拉时,阻值增大,电桥失去平 衡,输出与应变对应的电压; 9/3/202227ii) 当拉压传感器受到侧向力的作用，如F1， 不变 ,电桥无输出;iii)当拉压传感器受到F2力的作用， 不变,电桥无输出;iv)当温度变化， 阻值均变化，增加或减少的量相同，电桥无输出. 拉压传感器接8片应变片，按上述方案布片，可抵消侧向力的作用，进行温度补偿。 9/3/202228梁式弹性元件双端固定梁式 9/3/202230悬臂梁式 9/3/2022313.1.2应变片式传感器转矩传感器弹性元件：转轴。

9、贴片原则：根据材料力学，当圆轴受纯转矩时，在与其轴母线成45的方向为主应力方向。而且相互垂直方向上的拉、压主应力绝对值相等，符号相反，因此在这两个方向上贴应变片，组成电桥电路，可提高输出。为了消除轴向力和弯矩的影响，可按图3-8a的方式布片，四片应变片在圆周上每隔90作均匀分布。图3-8b是展开图，电桥电路如图3-8c所示。9/3/2022323.1.2应变片式传感器压力(压强)传感器为测量物体的压力（压强），可使用应变片配合适当的弹性元件组成压力传感器。压力传感器广泛用于测量液体或气体压力、内燃机气缸的指示压力、波压、压差和喷射压力等。在汽车或拖拉机行走装置与路面或土壤接触面间的压力分布的研

10、究测定中，也采用了这种传感器。9/3/2022339/3/2022349/3/2022353.1.2应变片式传感器加速度传感器9/3/202236工作原理：端部固定有重块m的悬臂梁，根部贴有应变片R1和R2。如果将梁的底座固定在沿箭头v方向运动的汽车上，当汽车突然制动时，加速度的方向如加速度a的箭头所示。重块m 受惯性力F的作用以箭头1的方向相对于底座运动，使梁发生变形，应变片电阻发生变化。当汽车加速时，重块m沿箭头2的方向运动。这时电桥输出电压极性与前一种运动相反。9/3/2022373.2电感式传感器3.2.1电感式传感器工作原理和类型3.2.2电感式传感器的应用9/3/2022383.2

11、.1电感式传感器工作原理和类型工作原理：电磁感应原理类型磁路气隙变化式可动铁心式N线圈1的匝数；Rm磁路的磁阻。空气隙的厚度（m）；0真空的磁导率（H/m）410-7H/m；S空气隙的截面积（）。a改变气隙厚度式b改变通磁气隙截面积式c螺旋管式电感传感器9/3/202239自感型传感器 9/3/2022409/3/2022419/3/2022423.2.1电感式传感器工作原理和类型差动式电感传感器：原理：有两个完全相同的线圈和一个公共衔铁。当衔铁的位置变动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，把这两个电感线圈接入（差接）基本测量电路，就产生电流和输出电压，其大小表示衔铁的位移量，同

12、时衔铁的移动方向不同，输出电压的极性也不同。9/3/2022433.2.1电感式传感器工作原理和类型差动式电感传感器：优点：传感器的灵敏度可增加一倍大大减少了环境温度变化、电源电压波动和非线性等引起的误差。9/3/202244差动变压器式传感器9/3/202245差动变压器差动变压器式传感器具有精度高（达0.lm量级），线圈变化范围大(可扩大到l00mm，视结构而定)，结构简单，稳定性好等优点，被广泛应用于直线位移测量及其它压力、振动等参量的测量 9/3/2022463.2.1电感式传感器工作原理和类型电感式传感器的应用 优点：结构简单、测量力小、工作可靠，测量范围广、零点稳定、灵敏度高及输出

13、功率大等。缺点：传感器本身频率响应差，不宜用于快速动态测量。传感器分辨率与测量范围有关。测量范围大，分辨率低，反之，则高。应用：可以对位移和角位移进行直接测量，还可以通过一定感受机构对能够转换成位移量的其它物理量如振动、张力、压力和流量进行测量。9/3/202247电感式压力传感器 9/3/202248电感测微仪 9/3/2022493.3电容式传感器3.3.1电容式传感器3.3.2电容式传感器类型3.3.3电容式传感器的应用9/3/2022503.3.1电容式传感器工作原理变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化。当忽略电容器边缘效应时，两个平行极板组成的电容器，其电容量为 如果被测物理量能

14、使电容器结构参数A、d或r发生变化，则电容器的电容量C必然随之改变。通过有关电路测量电容的变化量，即可实现被测物理量的间接测量。A两金属板间的相对有效面积；d 两金属板间的距离；r板极间介质的相对介电常数，在空气中r=1；0真空介电常数。r=8.8510-12F/m；+A9/3/2022513.3.2电容式传感器类型 类型改变极板间距式改变极板相对有效面积式+9/3/202252改变极板间介电常数式9/3/2022533.3.2电容式传感器类型 改变极板间距式测量电容变化量C，即可测得位移量d。由前面公式可知极扳间距d与电容量C之间具有非线性关系。9/3/2022549/3/202255改变极

15、板间距式线性化条件：初始电容值C0为假定电容器极板面积为A ，初始极板间距为d0，介电常数为0如果间距减小d，设电容增量为C这时灵敏度9/3/202256对于差动式传感器d/ d0(C+Cf)，故固上式可简化为 USC-q/Cf电荷放大式。上式可简化为 9/3/202272电荷放大式电荷放大器当放大器的开环增益足够大时，其输出电压为 优点: 放大器输出电压只与传感器的电荷量及反馈电容有关。无需考虑电缆的电容，这为远距离测试提供了很大的方便，这也是电荷放大器最突出的优点。电荷放大器要有极高的输入阻抗，通 常在欧姆。 9/3/2022733.4.2压电式传感器的类型电压放大式两片压电材料连接方式：

16、串联。输出信号：传感器输出电压高、电容小，适于进行电压输出。前置放大装置：这时的传感器等效于一个电压源。适宜采用电压放大器作为前置放大装置。+串联9/3/202274电压放大器 因为电压放大器希望输入电压较高，因此将两片压电晶体串联而成两边取拉氏变换9/3/202275（传递函数） 幅频特性与 有关，当 时， ，不能测直流;当 时， ， ，与 无 关，但与R有关，R越小电流越大. 9/3/2022763.4.3压电式传感器的应用特点：尺寸小结构简单重量轻工作可靠频响范围宽等应用：在压力、应力、振动及加速度等物理量测量中得到广泛应用。9/3/202277图3-24 压电式加速度传感器1-罩壳2-

17、弹簧3-质量块4-压电片5-基座3.4.3压电式传感器的应用举例：在汽车、拖拉机振动测试中得到十分广泛的应用。另外，压电式传感器也广泛应用于压力测量。例如，利用压电式压力传感器可以测量发动机内部燃烧压力及真空度、车轮接地压力等。9/3/202278压电式加速度计结构示意如图所示，它首先将输入绝对振动加速度 转换成质量块对壳体的相对位移 。再经“弹簧”将 转换成与 成正比的力，最后经压电片转换成电荷输出。 9/3/2022799/3/2022803.5磁电式传感器3.5.1磁电式传感器工作原理 3.5.2磁电式传感器的类型3.5.3磁电式传感器的应用9/3/2022813.5.1磁电式传感器工作

18、原理工作原理：电磁感应原理将被测非电物理量转换成感应电动势由电磁感应定律可知，当通过闭合导电回路面积内的磁通量发生变化时，回路内就会产生感应电动势，其大小与磁通量的变化率有关，即磁通量变化率与磁场强度、磁路磁阻及导线运动速度有关。改变其中一个因素，都会使感应电动势发生变化。e感应电动势（V）；N导电回路线圈匝数；d/dt穿过线圈的磁通量变化率（wb/s）。9/3/2022823.5.2磁电式传感器的类型动圈式磁阻式磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N9/3/2022833.5.2磁电式传感器的类型动圈式工作原理：1.线速度型线圈在永久磁铁产生的直流磁场内作直线运动。所产生的感应电动势为e=NB

19、lv当传感器结构确定后，感应电动势仅与线圈运动速度v有关，且为线性关系。动圈式传感器用于线速度测量。N线圈匝数;B磁场磁感应强度（T）；l单匝线圈的有效长度（m），v线圈垂直子磁场方向的相对运动速度（m/s）。9/3/2022849/3/2022853.5.2磁电式传感器的类型动圈式工作原理：2.角速度型线圈在磁场内转动。所产生的感应电动势为e=NBAsin当传感器结构确定后，感应电动势大小与圆频率有关，且具有线性关系。应用于角速度测量，这时的传感器本质上就是一个发电机。A单匝线圈的截面积；线圈转动圆频率；线圈运动方向与磁场方向的夹角。9/3/2022869/3/2022873.5.2磁电式传

20、感器的类型动圈式工作原理：3.线圈固定，使永久磁铁相对线圈运动。9/3/2022883.5.2磁电式传感器的类型磁阻式线圈与磁铁均固定，而使某种由导磁材料制成的物体运动，其结果是改变了磁路的磁阻，从而改变了贯穿线圈的磁通量，使线圈内产生的感应电动势发生变化。当导磁物体旋转时，磁阻因两磁极间空气间隙发生变化而改变，从而导致感应电动势发生变化。9/3/2022891、开磁路：开磁路结构简单，空气磁阻大 磁阻式转速传感器有两种 9/3/202290磁回路由转轴、内外齿轮、线圈回到磁铁闭合。当转轴与被测轴一起转动时，转轴上的内齿轮和磁铁一起转动，内外齿轮的相对运动使磁路气隙发生变化，因而磁阻变化并使穿

21、过线圈的磁通量发生周期性变化，在线圈中产生周期变化的感应电势。其特点是磁路磁阻小，输出信号大，受被测轴振动干扰小。 2.闭磁路 9/3/2022913.5.3磁电式传感器的应用磁电式传感器特点：具有较高的灵敏度；应用场合：测量位移、速度和加速度等。9/3/202292磁电测振计 其结构见图327。它类似于动圈式传感器中的图325a. 弹簧7、弹簧1通过杆件连结在一起，线圈5也与弹簧连接在一起。测振时，把测振计与被测物体紧固在一起，当物体振动时，测振计内的线圈在惯性力的作用下产生往复运动切割磁力线产生感应电动势，可测量速度加速度当被测物与外壳固接时，若被测物振动频率远远大于质量弹簧系统的固有频率

22、，被测物与质量块的相对速度近似于绝对速度，也就是线圈的输出电动势与被测物绝对速度成正比。 9/3/202293举例：相位差式转矩传感器属于变磁阻式磁电式传感器采用了感应式非接触传输方式，具有很好的稳定性和测量精度。测速电机在汽车、拖拉机道路与台架试验中，经常采用永磁式直流测速电机测速。输出是直流电压，所以不需要配套二次仪表，因而具有良好的经济性缺点是在低转速时线性较差。 磁电式转速计旋转盘上的每个齿经过磁极时都会在线圈中感应出一个脉冲信号，此信号可送入二次仪表进行整形放大并对其计数。在某一特定时间内，根据所累计的脉冲个数，即可求得转速。同测速电机相比较，具有更高的测量精度，特别适用于低转速测量

23、.可以应用于汽车、拖拉机的行驶速度、发动机转速等的测量。9/3/2022943.6光电式传感器3.6.1光电式传感器工作原理3.6.2光电式传感器的类型3.6.3光电式传感器的应用9/3/2022953.6.1光电式传感器工作原理工作原理：是一种将光量转换为电量的传感器，其工作原理是光电效应。组成光源、光学元件、光电元件。 光电效应的类型外光电效应定义：在光的作用下，光电元件的表面会逸出电子的现象。应用举例：光电管。内光电效应定义：在光的作用下，光电元件的电阻率将发生变化的现象。应用举例：光敏电阻。光生伏特效应定义：在光的作用下，光电元件内部产生电动势的现象。应用举例：光电池、光电晶体管。光电

24、效应：光源发射出一定光通量的光线，经光学元件照射到光电元件上。光的粒子即光子具有能量。当光照射到光电子元件时，光电元件吸收了光的能量而产生电量输出，这就是光电效应。9/3/2022963.6.1光电式传感器工作原理几种典型的光电变换元件1.光电管真空光电管充气光电管当阴极电压恒定时，光通量与光电流之间具有很好的线性关系。9/3/2022973.6.1光电式传感器工作原理几种典型的光电变换元件2.光敏电阻在蔽光情况下，其电阻值很高。当其受到光照时，其电阻值降低，这种由于光照强弱而导致半导体电阻值变化为现象称为光导效应。光照前后电路中的电流差称为光电流，光敏电阻的光电流与光通量的线性关系较差.温度

25、升高，灵敏度下降。9/3/2022983.6.1光电式传感器工作原理几种典型的光电变换元件3.光电池直接将光能转换为电能。大面积的P-N结，当光照射到P-N结上时，便在P- N结两端产生电动势，称为光生伏特效应。产生的电动势与光照度有关。产生的电动势还与负载有关，当负载电阻值接近短路状态时，光照度与产生的电动势有最好的线性关系。因此，在应用光电池时，电路负载电阻值越小越好。+-PN9/3/202299被测对象光电元件光源被测对象光电元件光源被测对象光电元件光源3.6.2光电式传感器的类型第一类：光电流为被测光通量的函数，故光电流是被测非电量的函数1.辐射能源是被测对象，辐射能源发出的光通量直接

26、指向光电元件。应用：光电高温计和比色高温计。光通量和光谱密度分布都是温度的函数2.光源是白炽灯，其光通量穿过被测对象，部分被吸收后，再照射到光电元件上。光通量被介质吸收的数量取决于被测对象的介质参数。应用：测量液体、气体的透明度、混浊度的光电比色计、混浊度计。3.光源的光通量首先照射到被测对象上，然后经被测对象表面反射到光电元件上反射条件取决于被测对象的表面性质和状态。应用：测量表面粗糙度的传感器。4.从光源发出的光通量由于受被测对象遮挡,只部分照射到光电元件上，传感器的输出与被测物体遮挡的光通量有关。应用：测量位移或振动等非电物理量。被测对象光电元件9/3/20221003.6.2光电式传感

27、器的类型第二类：输出端工作在通与断的开关状态，传感器的输出是电脉冲信号应用：光电转速计光电转角仪在汽车、拖拉机试验中得到广泛应用。9/3/20221013.6.3光电式传感器的应用特点：响应速度快、结构简单、可靠性好。应用：测量转速、位移、距离及温度等，并可用于计数及安全保护。在汽拖性能试验中，光电式转速传感器广泛应用于测速。举例：n=f/Z式中n转速； f脉冲频率； Z圆盘开孔数。9/3/20221023.7热电式传感器3.7.1热电式传感器工作原理3.7.2热电式传感器的类型3.7.3热电式传感器的应用9/3/20221033.7.1热电式传感器工作原理工作原理：利用某些材料或元件的物理性

28、能与温度有关将温度变化转换为电量变化。常见的热电式传感器:分类热电偶 -2002000热电阻半导体热敏电阻 100300铂电阻 190630铜电阻 501509/3/20221043.7.1热电式传感器工作原理1.热电偶工作原理：热电效应。由两种不同的导体（或半导体）组成的闭合回路，当两导体和的两个结点处温度不同时，则回路中产生热电势。热电偶就是利用这个原理工作的。将热电偶一端置于被测温度场，称其为工作端，另一端置于某一恒定温度场，称其为自由端。通过测定热电偶输出电动势的大小，即可测得被测温度值。9/3/20221059/3/2022106综合上述，在整个热电偶回路中，两种电势的分布如右图所示

29、。热电势的合成电势为：当热电极材料A、B确定后，若使冷端温度不变，则热电势就只是热端温度t的单值函数。温差电势与接触电势相比要小得多，热电偶测温中，主要是接触电势起作用。一种导体组成的闭合回路，无论其是否存在温度梯度，均不能产生热电势 9/3/2022107热电偶的基本定律 中间温度定律热电偶A、B在接点温度t,t0时的热电势等于该热电偶在接点温度t,tn 与t,t0时的热电势之和。即：9/3/2022108应用热电偶实际测温时，工作端和参考端有时会很长。根据中间温度定律，可以用补偿导线连接加长热电偶。在一定范围内（0-150）补偿导线具有和所连接热电偶相同的热电性质9/3/20221099/

30、3/2022110中间导体定律 回路中加入第三种导体，只要加入的导体两端温度相同，则对回路的热电势没有影响。即：利用中间导体定律,可在回路中引入各种仪表和各种连接导线,使热电偶测温成为可能。9/3/20221113.7.2热电式传感器的类型（1）普通热电偶普通热电偶主要用于测量气体、液体等介质的温度。（2）铠装热电偶又称为缆式热电偶。其结构特点是细而长，且可弯曲，外径可小到13mm。这种热电偶柔性好，抗振性能强，动态响应快，适于测量狭小对象上的温度。（3）薄膜热电偶热电偶呈片状，其厚度可达到微米级。适于测量高温物体的表面温度。9/3/2022112热电阻利用导线或半导体的阻值随温度变化这一特性制成的传感器叫热电阻传感器9/3/20221133.7.1热电式传感器工作原理(1).热敏电阻工作原理：热敏电阻是具有很高负电阻温度系数的新型半导体测温元件。在室温下，温度每变化1，其电阻率变化可达-2%-6% 。电阻类型：按其热电特性分为负温度系数NTC型正温度系数PTC型临界温度CTR型NTC型热敏电阻适于-100300范围内的温度测量。PTC型和CTR型热敏电阻在