汽车电子学车用传感器概述

目录同济大学汽车学院CollegeofAutomotive,TongjiUniversity车用传感器

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车用传感器概述传感器分传感器及其工作原理类位置测量传感器及其工作原理速度转速传感器及其工作原理温度传感器及其工作原理电流传感器及其工作原理目录汽车电子学车用传感器

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车用传感器车用传感器概述传感器分传感器及其工作原理类位置测量传感器及其工作原理速度转速传感器及其工作原理温度传感器及其工作原理电流传感器及其工作原理2车用传感器概述工程测试技术模拟电子技术信号处理技术自动控制理论基础“科学是从测量开始的”-门捷列夫贺桂芳．汽车与工程机械用传感器．北京：人民交通出版社．2002．3发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，对发动机工作状况进行精确控制温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等

汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容普通轿车：约安装几十到近百只传感器，豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。

底盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等车用传感器概述检测技术在汽车中的应用日新月异4车用传感器概述温度传感器冷却水、吸气、排气、车内外空气、发动机机油流量传感器吸入空气量、燃油流量、排气再循环量、二次空气量压力传感器进气歧管绝对压力、大气压力、发动机油压、燃烧混合气压、制动液压、轮胎气压位置传感器曲轴位置、节气门位置、排气再循环阀开量、行驶方位、踏板位置、转向液位传感器冷却水、燃油、机油、电解液、制动液、洗窗器液速度、加速度传感器发动机转速、车速、轮速、加速度、负加速度其他传感器气体浓度传感器、爆震、湿度、电流、雨滴、光照、转矩汽车常用传感器的种类和检测对象5车用传感器概述汽车常用传感器空气质量流量传感器压力传感器加速度传感器胎压传感器6目录汽车电子学车用传感器

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车用传感器车用传感器概述传感器分传感器及其工作原理类位置测量传感器及其工作原理速度转速传感器及其工作原理温度传感器及其工作原理电流传感器及其工作原理7汽车电子控制系统是典型的测控系统。测量系统是此类系统的重要组成。测量一般由以下环节组成。传感器分类和组成传感器测量原理8传感器分类和组成“传感器”定义为能感受被测量，并按一定的规律转换成输出信号的器件或装置，它通常有敏感元件和转换元件组成。有时也将信号调节与转换电路作为传感器的组成部分。V传感器定义思考题：请列举你已知的传感器转换原理9分类法型式说明按构成原理分类结构型物性型以转换元件结构参数变化实现信号转换以转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系分类能量转换型能量控制型传感器输出量直接由被测量能量转换而来传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制按工作原理分电阻式电容式电感式压电式磁电式热电式光电式光纤式利用电阻参数变化实现信号转换利用电容参数变化实现信号转换利用电感参数变化实现信号转换利用压电效应实现信号转换利用电磁感应原理实现信号转换利用热电效应实现信号转换利用光电效应实现信号转换利用光纤特性参数变化实现信号转换按被测量分类长度、角度、振动、位移、压力、温度、流量、距离、速度等以被测量命名（即按用途分类）按输出量分类模拟式数字式输出量为模拟信号（电压、电流、……）输出量为数字信号（脉冲、编码、……）传感器分类和组成传感器的分类101)按被测测量分类机械量:长长度,厚度度,位移,速度,加加速度,旋转角,转转数,质量量,重量,力,压力,真空空度,力矩矩,风速,流速,流量;声:声声压,噪声.磁:磁磁通,磁场.温度:温温度,热热量,比热热.光：亮亮度，色色彩传感器分类类和组成传感器的分分类11机械式,电电气式,光光学式,流流体式等.2)按工作作的物理基基础分类:传感器分类类和组成传感器的分分类12能量转换型和能量控制型.3)按信号变换特征:能量转换型型:直接由被测测对象输入入能量使其其工作.例如:热电电偶温度计计,压电式式加速度计计.能量控制型型:从外部供给给能量并由由被测量控控制外部供给能量的的变化.例例如:电阻阻应变片.传感器分类类和组成传感器的分分类134)按敏感感元件与被被测对象之之间的能量量关系:物性型:依靠敏感元元件材料本本身物理性性质的变化化来实现信信号变换.如:水银温温度计.结构型:依靠传感器器结构参数数的变化实实现信号转转变.例如:电容容式和电感感式传感器器.传感器分类类和组成传感器的分分类14目录汽车电子学学车用传感器器AutomotiveSensors车用传感器器车用传感器器概述传感器分传传感器及其其工作原理理类位置测量传传感器及其其工作原理理速度转速传传感器及其其工作原理理温度传感器器及其工作作原理电流传感器器及其工作作原理15位置测量传传感器及其其工作原理理位置传感器器采集不同同形式运动动部件的行行程位置和和角度位置置，它在汽汽车用的所所有传感器器中居首位位。测量参数测量范围汽油机上节气门角度90°加速踏板、制动踏板角度30°燃油箱液面高度20~50cm离合器位置50mm转向角度±2×360°车用位置传传感器也用用来间接测测量一些变变量，如扭扭矩、流量量、转速等等。16利用金属导导线电阻或或薄膜电阻阻的长度与与电阻值的的正比对应应关系实现现对位置的的测量，这这是典型的的结构型传传感器。1变阻器器式传感器器位置测量传传感器及其其工作原理理EE117位置测量传传感器及其其工作原理理如图所示，，利用滑动动变速器Rl和电压压表V测量量一位置，，R0为保保护电阻。。测量电路路的总电压压为12V。滑动变变阻器电电压压表内阻。。计算测测量电压El对应位位置x的关关系。例题：变阻器式式传感器的的负载效应应解：代入18变换原理:将被测量量的变化转转化为电容容量变化两平行极板板组成的电电容器,它它的电容量量为:+++Aδ、A或εε发生变化化时，都会会引起电容容的变化。。2电容式式传感器位置测量传传感器及其其工作原理理19a)极距δδ变化型++++++位置测量传传感器及其其工作原理理2电容式式传感器b)面积变变化型c)介质变变化型角位移型平面线位移型柱面线位移型.20位置测量传传感器及其其工作原理理例题：比较不同测测量原理的的灵敏度解：根据灵灵敏度定义义公式和电电容公式可以分别求求出相对面面积，间隙隙和介质的的介电常数数的灵敏度度对与面积对与间隙对与间隙常数常数间隙的灵敏敏度21测量电路a)电桥电电路b)谐振振电路c)运算算放大器电电路位置测量传传感器及其其工作原理理2电容式式传感器22无接触式位位置传感器器，其基本本工作原理理是将位移移变化转化化为等效阻阻抗或差动动阻抗变化化，通过在在线圈输入入端输入交交变激励信信号可测得得上述阻抗抗值，进而而实现对位位置测量分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型位置测量传传感器及其其工作原理理3磁感式式传感器23a)自感型型--可变变磁阻式（（活动铁芯芯式）位置测量传传感器及其其工作原理理3磁感式式传感器活动铁芯式式传感器的的基本原理理改变气隙隙的长度来来改变磁通通量的大小小。由于激激励线圈在在电路中相相当于一个个电感，所所以最后可可以通过对对电感变化化的测量得得到位置的的变化。。例题：活动铁芯式式位置传感感器的基本本表达式和和其灵敏度度解：根据磁磁路欧姆定定律：磁阻有两部部分组成，，分别是铁铁芯和气隙隙。由磁阻阻公式：其中为相对对磁导率，，为真真空中的磁磁电导率24位置测量传传感器及其其工作原理理例题：活动铁芯式式位置传感感器的基本本表达式和和其灵敏度度由于铁芯的的磁阻相对对于空气的的磁阻可以以忽略不计计。空气的的相对磁导导率为1。式中A为气隙的横横截面积，，再由电感感公式其灵敏度为为代入得得到图像。。25b)自感型型--涡流流式原理:涡流流效应涡流效应是是指处于交交变磁场中中的闭合铁铁芯会产生生感应电流流，形成涡涡电流。涡涡电路会部部分抵消线线圈产生的的磁场，使使敏感元件件励磁线圈圈的电感量量、阻抗和和品质因数数发生变化化。原线圈的等效阻抗Z变化：位置测量传传感器及其其工作原理理3磁感式式传感器26位置测量传传感器及其其工作原理理例题：涡流式位置置传感器的的基本表达达式有一个扁平平线圈距离离金属导体体x的距离离，线圈两两段加以的的电压,线圈圈于金属导导体之间可可以定一个个互感系数数M，它随随x的减小小而增大。。求等效阻阻抗的表达达式。解：把导体体看成一个个短路线圈圈，将其结结构简化为为如右图的的电路路图。根据据克西荷夫夫定律：式中R1、、L1———线圈的电电阻和电感感；R2、L2——金属属导体的电电阻和电感感27位置测量传传感器及其其工作原理理例题：涡流式位置置传感器的的基本表达达式解得由表达式我我们可以看看出线圈受受到涡电流流影响后的的等效阻抗抗为等效电阻等效电感28c）互感感型WW1W2Esx-x工作原理:互感现象象.位置测量传传感器及其其工作原理理3磁感式式传感器EwEout29目录汽车电子学学车用传感器器AutomotiveSensors车用传感器器车用传感器器概述传感器分传传感器及其其工作原理理类位置测量传传感器及其其工作原理理速度转速传传感器及其其工作原理理温度传感器器及其工作作原理电流传感器器及其工作作原理30速度转速传传感器及其其工作原理理转速和速度度传感器测测量单位时时间哪物体体转过的角角度或者移移动的位移移。在汽车车上大多测测量两物体体间或相对对道路的相相对角度或或相对位移移。主要测量原原理静磁式磁敏磁阻型霍尔式光电式电磁感应式式31

金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。

霍尔效应

速度/转速速传感器及及其工作原原理1霍尔式式:32汽车速度测测量:速度/转速速传感器及及其工作原原理1霍尔式式:33分类电磁感应式动圈式磁阻式线速度型角速度型N速度/转速速传感器及及其工作原原理1电磁感感应式:电磁感应式式传感器是是把被测量量的物理量量转换为感感应电动势势的一种转转换器。它所利用的的就是法拉拉第电磁感感应现象，，即变化磁磁通量产生生感应电动动势的现象象。341例题：：推导测速电电机转速与与电压的关关系式。速度/转速速传感器及及其工作原原理电磁感应式式的代表就就是测速电电机。是属属于动圈式式角速度型型传感器。。测速电机的的结构类似似于永磁交交流发电机机，其简化化结构如图图所示，其其发电线圈圈于被测物物体的轴心心相连。其其感应电势势e于磁通量Φ的变化率成成正比，即即：设线圈转速速为n，那那么穿越线线圈的磁通通量为感应电动势势35光电传感器器通常是指指能敏感到到由紫外线线到红外线线光的光能能量，并能能将光能转转化成电信信号的器件件。其工作作原理是基基于一些物物质的光电电效应。内光电效应应半导体材料料受到光照照时会产生生电子-空空穴对,使使其导电性性能增强,光线愈强强，阻值愈愈低，这种种光照后电电阻率发生生变化的现现象,称为为内光电效效应。速度/转速速传感器及及其工作原原理3光电式式传感器外光电效应应在电磁波的的照射下，，某些物质质内部的电电子会被光光子激发向向外发射而而形成电流流。+++---PN光敏电阻光电池36速度/转速速传感器及及其工作原原理1---光源；；2---柱面面镜；3---码码盘；4---狭缝；；5---元件件原理：平行行光源→码码盘→光光电元件→→电信号输输出光学码盘式式传感器---用用光电方方法将被测测角位移转转化成数字字电信号3光电式式传感器a)绝对编编码器37测量电路：编码码制：十进制码---0123456789二进制码---00000001001000110100格雷码码---循环码码：相邻两两数只有一一位不同每次只有一一位变化→→转换放大→足足够电平平，驱动动整形→接接近理想想方波细分→提提高分辨辨率（光学学+电路））多位码同时时动作→同同步误差→→错码读数直观，，不易电路路处理直观，易于于后续电路路和计算机机处理速度/转速速传感器及及其工作原原理3光电式式传感器a)绝对编编码器38结构：与绝对对编码器类类似码道：最外(A)---增量量码道：透透光扇形区区→分辨率率中间(B)---辨向码码道：错开开半个扇形形区最内(Z)---零位码码道：透光光狭缝→基基准脉冲应用：相对位置置测量---角度、、直线位置置，位移、速度度测量特点：结构简单单、精度高高、分辨率率高，可靠靠性好，脉冲数字输输出，测量量范围无限限速度不高（（最高几千千转/分））怕振动---丢丢数速度/转速速传感器及及其工作原原理3光电式式传感器b)相对编编码器39目录汽车电子学学车用传感器器AutomotiveSensors车用传感器车用传感器概概述传感器分传感感器及其工作作原理类位置测量传感感器及其工作作原理速度转速传感感器及其工作作原理温度传感器及及其工作原理理电流传感器及及其工作原理理40温度传感器及及其工作原理理温度传感器一一般与被测介介质直接、紧紧密地接触，，以便可能精精确地测量介介质温度。特特定情况下也也使用无接触触式的温度传传感器，器依依据物体的热热辐射，如热热成像计等。。几乎所有的物物理特性(电电阻，体积)都随温度变变化，所以有有很多测温方方法。但在实实际应用中应应满足的要求求有：温度灵敏度较较高；输入入-输出特性性良好，较较大的测温范范围，环境境适应性好测量介质测温范围/℃冷却液-40~130机油油温-40~170废气100~1000空调蒸发器-10~5041温度分类:应用:测温接触测温非接触测温热辐射测温热传导测温压电效应热阻效应热电势效应金属热电阻半导体热敏电阻热电偶温度度传感器压电陶瓷（热热释电效应））→敏感元元件→电参数数光电效应红外温度传感感器、光纤温度传传感器热电阻电涡流传感器器PN结热电效效应热敏二极管/三极管、集成温度传感感器工作原理：温度传感器及及其工作原理理42热电阻原理与与特性:要求：（1）温度系系数、电阻率率较高→提提高灵敏度度，体积小，，反应快（2）理化性性能稳定→→提高稳定定性和准确性性，复现性好好（3）良好的的输入-输出出特性→线线性/接近近线性，测量量精度高（4）良好的的工艺性→→批量生产产，降低成本本材料：纯金属属---铂铂、铜、镍、、铁（5）较大的的测温范围→→特别是是在低温范围围温度传感器及及其工作原理理1.热电阻原理：热能热电阻阻电电阻值温度热热电阻阻阻值43特点：0~+850℃：0~-200℃：：应用：(1)在高高温和氧化介介质中性能极极为稳定，易易于提纯，工工艺性好(2)输入入输出特性接接近线性(4)贵重重金属，成本本较高标准温度计，，高精度工业业测温，高低低温测试构成：金属铂丝(0.02~0.07mm)绕制成线线圈(3)测量量精度高：<0℃:±1℃、0~100℃℃:±0.5℃、100~650℃:±±0.5%R0：0℃时的温温度–标标准值(Pt100,Pt500)a)铂电阻(Pt)温度传感器及及其工作原理理1.热电阻44特点：-50~180℃：：应用：(1)易于于提纯，在-50~150℃范范围内性能稳稳定，价格低低(2)输入入输出特性接接近线性:(3)电阻阻率低（为铂铂电阻的1/6），体积积较大(Cu50,Cu100)(4)高温温易被氧化，，易被腐蚀(5)测量量精度低于铂铂电阻：-50~50℃℃:±0.5℃、50~150℃:±±1%小范围，较低低温度，测量量精度要求低低，没有浸蚀蚀性介质，代代替铂构成：金属铂丝(0.02~0.07mm)绕制成线线圈b)铜电阻(Cu)R0：0℃时的温温度–标标准值温度传感器及及其工作原理理1.热电阻45材料：特点：分类：（1）温度系系数大→灵灵敏度高（为热电阻10~100倍）（2）结构简简单，体积小小→可以以测量点温度度（3）电阻率率高、热惯性性小→适适于动态测温温（4）易于维维护、使用寿寿命长→→适于现现场测温（5）互换性性差，非线性性严重，精度度低正温度系数热热敏电阻(PTC)负温度系数热热敏电阻(NTC)临界温度系数数热敏电阻(CTR)半导体---半导体体热电阻（6）成本低低，应用广泛泛温度传感器及及其工作原理理2.热敏电阻阻非线性46测温原理———热敏电阻例题：NTC热敏电阻的温温度电阻关系系和灵敏度已知一种热敏敏电阻的温度度和电阻变化化规律为式中；判别它是那一一种热敏电阻阻并画出温度度电阻函数图图像和灵敏度度解：假设它在0℃℃时，具有的的电阻量为1000欧姆姆；B取1000；温度电阻关系系式：灵敏度为：47测温原理———热敏电阻例题：NTC热敏电阻的温温度电阻关系系和灵敏度可以看出其电电阻——温度度变化曲线可可近似表示成成指数变化曲曲线。温度变化系数数，，电阻随温温度变化剧烈烈减小，故称称NTC负温温度系数热敏敏电阻。48热敏电阻的应应用家用电器电熨斗、电冰箱、电饭煲、洗衣机、电暖壶、烘干机、电烤箱、空调机、电热毯、热水器、热得快、电磁炉、汽车电子电子喷油嘴、空调机、发电机防热装置、电热座椅测量仪器流量计、风速表、真空计、浓度计、湿度计、空气传感器、环境监测仪、办公设备复印机、传真机、打印机、扫描仪农业园艺温室控制、人工气候箱、烘干系统、医疗器具体温计、人工透析、散热系统工业生产电动机过热保护、温度传感器及及其工作原理理2.热敏电阻阻49温度传感器及及其工作原理理3.热电偶(1)工作作原理:温差电势：σA-温差系数TA,TB-A、B两节节点绝对温度度k-波尔兹曼曼常数e-电子电电荷量NA,NB-导体AB的的自由电子密密度→材料T-节点绝对对温度接触电势：不同导体→自自由电子密度度不同→扩散散→帕尔帖电势同一导体→两两端温度不同同→电子迁移移（高→低低）→汤姆逊电势塞贝克效应，，即如果在两两根金属导线线两端间有不不同的温度,则其两端形形成热电势。。帕尔贴接触电动势汤姆逊温差电电动势塞贝克热电势50温度传感器及及其工作原理理若两种导体相同：σA=σB→E=0若两端无温差：T=T0→E=0两种情况TT0TTV导体不同两端温差测温条件在由于电动势势和温差的关关系非常复杂杂，在实际应应用时，一般般使用一级近近似即可。其其温差电动势势为：式中C———塞贝克系数数，与材料特特性相关的比比例系数3.热电偶51常用热电偶金属材料：材料测温范围特点应用铂铹10纯铂0~1000℃准确性高，成本高工业铱铹10纯铱0~2100℃科学研究铱铹40铂铹400~1900℃氧化、中性气体镍铁镍铜50~500℃<50℃无电势火灾报警镍铬康铜-200~900℃各种场合镍铬镍硅-50~1300℃电势大，线性好各种场合、常用铜康铜-200~400℃各种场合镍铬金铁-270~10℃低温铜金铁-270~-250℃灵敏度高低温温度传感器及及其工作原理理3.热电偶52(3)热电电偶结构：a)普通热热电偶：应用：测量气气体、蒸汽、、液体等介质质温度结构：1-热热电极2-绝缘套管管3-保护套管管4-接线线盒b)铠装热热电偶：结构：热电极极+绝缘缘材料+金属保护护套特点：细长(1~3mm)，可以弯弯曲，挠性好好，强度高测端热容量小小，动态响应应快(0.01s)，应用：适于狭狭小空间、点点温度c)其他热热电偶：薄膜热电偶、、浸入式热电电阻、温度传感器及及其工作原理理3.热电偶53目录汽车电子学车用传感器AutomotiveSensors车用传感器车用传感器概概述传感器分传感感器及其工作作原理类位置测量传感感器及其工作作原理速度转速传感感器及其工作作原理温度传感器及及其工作原理理电流传感器及及其工作原理理54电流传感器及及其工作原理理为了改善环境境污染，石油油枯竭等状况况，新能源汽汽车成了未来来汽车的一个个重要发展方方向。新能源汽车一一般都使用电电动方式来代代替传统发动动机，那么电电动汽车无接接触式电流检检测将成为汽汽车传感器的的一个重要发发展。55电流传感器及及其工作原理理1.变压器式式变压器本来利利用电磁感应应的原理来改改变交流电压压的装置，主主要构件是初初级线圈、次次级线圈和铁铁芯。在测量电路中中，可以将被被测电线作为为初级线圈，，对次级线圈圈进行电流的的检测。无接触式电流流检测的方法法一般有分为为两种：霍尔尔式和变压器器是。56电流传感器及及其工作原理理2.霍尔式霍尔式电流传传感器一般是是基于电流磁磁效应现象，，即在直线电电路周围会形形成环形磁场场。利用霍尔尔传感器来测测定环路磁场场的大小来判判定被测电路路的大小