车身电控教案

车身电控教案第1页，共134页，2023年，2月20日，星期四第一节汽车传感器概述(1)按能量关系分类可分为主动型和被动型两种。

(2)按工作原理分类可分为电阻式、电容式、应变式、电感式、光电式、压电式和热电式传感器等。

(3)按输入物理量分类可分为速度、位移、加速度、角速度、角位移、力矩、压力、温度、浓度和真空度传感器等。

(4)按信号转换性质分类一种是非电量转换成非电量的信号传感器，如气动传感器、弹性敏感元件传感器；另一种是由非电量转换成电量信号的传感器，如压电式加速度传感器、热电偶温度传感器等。

(5)按检测项目分类可分为温度、车速、加速度、压力和碰撞传感器等。第2页，共134页，2023年，2月20日，星期四第二节车身系统常用传感器一、温度传感器

二、车速传感器

三、加速度传感器

四、压力传感器

五、碰撞传感器

六、车身系统用其他传感器第3页，共134页，2023年，2月20日，星期四一、温度传感器１.热敏电阻式温度传感器

2.双金属片式温度传感器

3.热敏铁氧体温度传感器第4页，共134页，2023年，2月20日，星期四１.热敏电阻式温度传感器１)在工作范围内，电阻值随温度升高而增加的热敏电阻，称为正温度系数(PTC)热敏电阻，如图曲线2所示。

2)在工作范围内，电阻值随温度升高而减小，称为负温度系数(NTC)热敏电阻，如图2-1中曲线1所示。

3)在临界温度时，阻值发生锐减的称为临界温度系数(CTR)热敏电阻，如图2-1中曲线3所示。第5页，共134页，2023年，2月20日，星期四１.热敏电阻式温度传感器图2-1热敏电阻的温度特性

1—负温度系数(NTC)

２—正温度系数(PTC)3—临界温度系数(CTR)第6页，共134页，2023年，2月20日，星期四图2-2车外空气温度传感器的结构与特性

a)结构b)特性曲线第7页，共134页，2023年，2月20日，星期四图2-3汽车空调自动控制系统中传感器的安装位置

1—车外空气温度传感器2—车内空气温度传感器(前)3—日照传感器4—控制板

5—后控制板6—车内空气温度传感器(后)7—计算机8—功率伺服机构第8页，共134页，2023年，2月20日，星期四图2-4蒸发器出口温度传感器的检查第9页，共134页，2023年，2月20日，星期四图2-5出口温度传感器在蒸发器上的安装位置第10页，共134页，2023年，2月20日，星期四2.双金属片式温度传感器图2-6双金属片式温度传感器的基本原理第11页，共134页，2023年，2月20日，星期四2.双金属片式温度传感器图2-7双金属片式热敏开关

a)结构b)工作方式

1—双金属片2—触点A—常闭型B—常开型第12页，共134页，2023年，2月20日，星期四3.热敏铁氧体温度传感器图2-８热敏铁氧体温度传感器

1—永久磁铁2—热敏铁氧体3—舌簧开关第13页，共134页，2023年，2月20日，星期四3.热敏铁氧体温度传感器图2-９热敏铁氧体温度传感器的工作状态

a)低于设定温度时热敏铁氧体的(高磁导率)状态b)高于设定温度时热敏铁氧体的(低磁导率)状态第14页，共134页，2023年，2月20日，星期四3.热敏铁氧体温度传感器图2-10铁氧体型热敏开关的工作方式

ａ)常闭型b)常开型c)频带型第15页，共134页，2023年，2月20日，星期四二、车速传感器1.舌簧开关式车速传感器

2.电磁感应式车速传感器

3.光电式车速传感器

4.可变磁阻式车速传感器第16页，共134页，2023年，2月20日，星期四1.舌簧开关式车速传感器图2-11舌簧开关式车速传感器的结构

1—舌簧开关2—指针3—弹簧

4—磁铁5—转子6—输出端第17页，共134页，2023年，2月20日，星期四1.舌簧开关式车速传感器图2-12舌簧开关吸引状态

1—舌簧开关2—磁铁第18页，共134页，2023年，2月20日，星期四1.舌簧开关式车速传感器图2-13舌簧开关的排斥状态

1—舌簧开关2—磁铁第19页，共134页，2023年，2月20日，星期四2.电磁感应式车速传感器图2-14电磁感应式车速传感器的安装位置

1—输出轴2—停车锁止齿轮3—车速传感器第20页，共134页，2023年，2月20日，星期四2.电磁感应式车速传感器图2-15电磁感应式车速传感器

a)结构b)信号波形第21页，共134页，2023年，2月20日，星期四2.电磁感应式车速传感器图2-16电磁感应式车速传感器工作原理示意图

a)结构b)感应电压波形

1—停车锁止齿轮2—车速传感器3—永久磁铁4—电磁感应线圈5—电控单元第22页，共134页，2023年，2月20日，星期四磁电感应式传感器

磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。由于它输出功率大，且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000Hz），所以得到普遍应用。23第23页，共134页，2023年，2月20日，星期四磁电感应式传感器工作原理

根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为(5-1)式中:B——稳恒均匀磁场的磁感应强度；l——导体有效长度；v——导体相对磁场的运动速度。24第24页，共134页，2023年，2月20日，星期四

当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈内的感应电势e与磁通变化率dφ/dt有如下关系：

根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。变磁通式又称为磁阻式，图5-1是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。(5-2)25第25页，共134页，2023年，2月20日，星期四

图5-1（a）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。26第26页，共134页，2023年，2月20日，星期四

图5-1(b)为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。27第27页，共134页，2023年，2月20日，星期四图5-1变磁通式磁电传感器结构图(a)开磁路；(b)闭磁路28第28页，共134页，2023年，2月20日，星期四图5-2恒定磁通式磁电传感器结构原理图（a）动圈式；(b)动铁式29第29页，共134页，2023年，2月20日，星期四

磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式（图5-2（a））和动铁式（图5-2(b)）的工作原理是完全相同的。当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大，当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势为30第30页，共134页，2023年，2月20日，星期四(5-3)式中：B0——工作气隙磁感应强度；l——每匝线圈平均长度；W——线圈在工作气隙磁场中的匝数；v——相对运动速度。31第31页，共134页，2023年，2月20日，星期四5.1.2磁电感应式传感器基本特性当测量电路接入磁电传感器电路时，如图5-3所示，磁电传感器的输出电流Io为（5-4)式中：

Rf——测量电路输入电阻；

R——线圈等效电阻。传感器的电流灵敏度为（5-5)32第32页，共134页，2023年，2月20日，星期四而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为(5-6)(5-7)当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其相对误差为(5-8)33第33页，共134页，2023年，2月20日，星期四

1.非线性误差磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是：由于传感器线圈内有电流I流过时，将产生一定的交变磁通φI，此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化,如图5-4所示。当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时，将产生较大的感应电势e和较大的电流I，由此而产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反，减弱了工作磁场的作用，从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。当线圈的运动速度与图5-4所示方向相反时，感应电势e、线圈感应电流反向，所产生的附加磁场方向与工作磁场同向，从而增大了传感器的灵敏度。其结果是线圈运动速度方向不同时，传感器的灵敏度具有不同的数值，使传感器输出基波能量降低，谐波能量增加,即这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真。显然，传感器灵敏度越高，线圈中电流越大，这种非线性越严重。34第34页，共134页，2023年，2月20日，星期四图5-3磁电式传感器测量电路35第35页，共134页，2023年，2月20日，星期四图5-4传感器电流的磁场效应36第36页，共134页，2023年，2月20日，星期四

2.温度误差当温度变化时，式（5-8）中右边三项都不为零，对铜线而言每摄氏度变化量为dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2，dB/B每摄氏度的变化量决定于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金，dB/B≈-0.02×10-2，这样由式（5-8）可得近似值如下：37第37页，共134页，2023年，2月20日，星期四这一数值是很可观的，所以需要进行温度补偿。补偿通常采用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。当温度升高时，热磁分流器的磁导率显著下降，经它分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低，从而保持空气隙的工作磁通不随温度变化，维持传感器灵敏度为常数。38第38页，共134页，2023年，2月20日，星期四5.1.3磁电感应式传感器的测量电路图5-5磁电式传感器测量电路方框图39第39页，共134页，2023年，2月20日，星期四5.1.4磁电感应式传感器的应用

1.动圈式振动速度传感器图5-6是动圈式振动速度传感器的结构示意图。其结构主要特点是，钢制圆形外壳，里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳固定成一体，永久磁铁中间有一小孔，穿过小孔的芯轴两端架起线圈和阻尼环，芯轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳相连。工作时，传感器与被测物体刚性连接，当物体振动时，传感器外壳和永久磁铁随之振动，而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。因而，磁路空气隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势，线圈的输出通过引线输出到测量电路。该传感器测量的是振动速度参数，若在测量电路中接入积分电路，则输出电势与位移成正比；若在测量电路中接入微分电路，则其输出与加速度成正比。40第40页，共134页，2023年，2月20日，星期四图5-6动圈式振动速度传感器41第41页，共134页，2023年，2月20日，星期四2.磁电式扭矩传感器图5-7是磁电式扭矩传感器的工作原理图。在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘。它们旁边装有相应的两个磁电传感器。磁电传感器的结构见图5-8所示。传感器的检测元件部分由永久磁铁、感应线圈和铁芯组成。永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，于是磁通量也发生变化，在线圈中感应出交流电压，其频率在数值上等于圆盘上齿数与转数的乘积。42第42页，共134页，2023年，2月20日，星期四图5-7磁电式扭矩传感器工作原理图43第43页，共134页，2023年，2月20日，星期四图5-8磁电式传感器结构图44第44页，共134页，2023年，2月20日，星期四

当扭矩作用在扭转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压u1和u2存在相位差。这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。这样，传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。45第45页，共134页，2023年，2月20日，星期四3.光电式车速传感器图2-17光电式车速传感器的结构

1—带槽的遮光板2—发光二极管

3—光耦合器4—光敏晶体管第46页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光电式传感器概述

指纹锁门禁光电鼠标第47页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光电式传感器概述

料位自动控制电动扶梯自动启停光电开关第48页，共134页，2023年，2月20日，星期四第10章

光电式传感器概述

光栅光纤光电管光敏电阻第49页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光电式传感器光电器件

（1）光电管第50页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光电式传感器光电器件

（1）光电管第51页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光电管器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。1.光电管的伏安特性在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如3图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。（光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的区域内）

图3a真空光电管的伏安特性图3b充气光电管的伏安特性第52页，共134页，2023年，2月20日，星期四第10章

光电式传感器10.2光电器件

（2）光电倍增管第53页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光电式传感器光电器件

（3）光敏电阻

光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。

光敏电阻结构及符号

第54页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光电式传感器光电器件

(5)光电池（有源器件）太阳能手机充电器太阳能供LED电警示太阳能电池第55页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光电式传感器10.3光电传感器的应用（1）测量物体

第56页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光电式传感器光电器件

(3)光电器件的测量方法透射式反射式第57页，共134页，2023年，2月20日，星期四3.光电式车速传感器图2-18光电式车速传感器的工作原理

1—光耦合器2—发光二极管3—带槽的遮光板4—遮光板转轴

5—光敏晶体管6—信号线7—端子第58页，共134页，2023年，2月20日，星期四3.光电式车速传感器图2-19仪表板结构及车速表的连接框图

a)仪表板结构b)车速表的连接框图

1—燃油表2—里程表3—车速表4—温度表5—蜂鸣器

6—车速报警器7—车速传感器8—放大显示开关第59页，共134页，2023年，2月20日，星期四3.光电式车速传感器图2-20车速表的电路框图第60页，共134页，2023年，2月20日，星期四3.光电式车速传感器图2-21可变磁阻式车速传感器的安装位置及结构

1—车速传感器2—混合集成电路3—多极磁环第61页，共134页，2023年，2月20日，星期四4.可变磁阻式车速传感器图2-22可变磁阻式车速传感器的工作原理第62页，共134页，2023年，2月20日，星期四4.可变磁阻式车速传感器图2-23磁阻元件(MRE)的性质

a)电阻大b)电阻小第63页，共134页，2023年，2月20日，星期四4.可变磁阻式车速传感器图2-24可变磁阻式车速传感器电路第64页，共134页，2023年，2月20日，星期四三、加速度传感器1.偏心锤式加速度传感器

2.滚轴式加速度传感器

3.差动变压器式加速度传感器

4.开关型加速度传感器第65页，共134页，2023年，2月20日，星期四1.偏心锤式加速度传感器图2-25偏心锤式加速度传感器的结构

1—滚动触点2—偏心转子3—壳体4—偏心锤5—固定触点6—弹簧第66页，共134页，2023年，2月20日，星期四1.偏心锤式加速度传感器图2-26偏心锤式加速度传感器工作原理

a)静止状态b)碰撞状态

1—复位弹簧2—偏心锤3—挡块4—固定触点5—滚动触点6—减速度方向第67页，共134页，2023年，2月20日，星期四2.滚轴式加速度传感器图2-27滚轴式加速度传感器的结构

a)静止状态b)工作状态

1—止动销2—滚轴3—滚动触点4—固定触点5—底座6—片簧第68页，共134页，2023年，2月20日，星期四3.差动变压器式加速度传感器图2-28差动变压器式加速度传感器

a)结构示意图b)输出特性c)工作原理图

1—差动变压器2—绕组3—铁心4—印制电路板5—变压器油6—解调电路7—振荡电路8—电源电路第69页，共134页，2023年，2月20日，星期四4.开关型加速度传感器

图2-29横向加速度开关第70页，共134页，2023年，2月20日，星期四四、压力传感器1.高压侧压力传感器

2.低压侧压力传感器第71页，共134页，2023年，2月20日，星期四四、压力传感器图2-30低压侧压力传感器的位置

1—蒸发器2—储液干燥剂3—低压侧压力传感器4—压缩机

5—冷凝器6—高压侧温度开关7—节流装置8—低压侧温度开关第72页，共134页，2023年，2月20日，星期四四、压力传感器图2-31油压开关传感器的结构

1—触点2—膜片3—弹簧p—压力第73页，共134页，2023年，2月20日，星期四1.高压侧压力传感器图2-32高压侧压力传感器的安装位置

1、4—O形密封圈2—视液镜3—压力传感器第74页，共134页，2023年，2月20日，星期四1.高压侧压力传感器图2-33高压侧压力传感器(常闭型)

1—接头2—膜片3—外壳4—接线柱

5—弹簧6—固定触点7—活动触点第75页，共134页，2023年，2月20日，星期四2.低压侧压力传感器

图2-34低压侧压力传感器

1—接头2—膜片3—外壳4—接线柱

5—弹簧6—固定触点7—活动触点第76页，共134页，2023年，2月20日，星期四五、碰撞传感器1.机电结合式碰撞传感器

2.水银开关式碰撞传感器

3.电子式碰撞传感器第77页，共134页，2023年，2月20日，星期四五、碰撞传感器图2-35滚球式碰撞传感器的结构

1—滚球2—永久磁铁3—导缸

4—固定触点5—壳体第78页，共134页，2023年，2月20日，星期四1.机电结合式碰撞传感器(1)滚球式碰撞传感器又称为偏压磁铁式碰撞传感器，其结构如图2-35所示，主要由铁质滚球、永久磁铁、导缸、固定触点和壳体等组成。

(2)偏心锤式碰撞传感器又称为偏心转子式碰撞传感器，丰田、马自达汽车的SRS采用了这种传感器，其工作原理如图2-26所示。

(3)滚轴式碰撞传感器其结构如图2-27所示。第79页，共134页，2023年，2月20日，星期四图2-36滚球式碰撞传感器的工作原理图

a)触点未接通b)触点接通第80页，共134页，2023年，2月20日，星期四2.水银开关式碰撞传感器

图2-37水银开关式碰撞传感器的结构

1—汞(静态位置)2—壳体3—汞(动态位置)

4—密封圈5—电极(接点火器)

6—电极(接电源)7—密封螺塞

ｖ—减速度α—汞运动方向与水平方向的夹角

—汞运动方向分力—水平分力第81页，共134页，2023年，2月20日，星期四3.电子式碰撞传感器

图2-38利用压电振子的雨滴传感器

a)不下雨时b)下雨时

1—雨滴2—压电振子振动时第82页，共134页，2023年，2月20日，星期四六、车身系统用其他传感器1.雨滴传感器

2.电动座椅用传感器

3.记忆式后视镜用传感器

4.超声波距离传感器

5.红外线传感器

6.地磁传感器

7.陀螺仪

8.湿度传感器

9.日照强度传感器

10.光敏式光亮传感器第83页，共134页，2023年，2月20日，星期四1.雨滴传感器图2-39雨滴检测传感器的构成

1—阻尼橡胶2—压电元件3—不锈钢振动板4—上盖(不锈钢)5—混合集成电路6—电容器

7—密封条8—下盖9—电路板10—密封套11—套管12—线束第84页，共134页，2023年，2月20日，星期四1.雨滴传感器图2-40压电元件的结构

1—陶瓷(钛酸钡)2—电极(金属蒸发)第85页，共134页，2023年，2月20日，星期四1.雨滴传感器图2-41间歇式风窗刮水器系统的构成第86页，共134页，2023年，2月20日，星期四2.电动座椅用传感器图2-42微机控制动力座椅用传感器的结构

1—霍尔元件2—永久磁铁3—座位导轨、前与后垂直传感器4—靠背位置传感器第87页，共134页，2023年，2月20日，星期四2.电动座椅用传感器图2-43座椅用传感器电路与控制电路

1—位置控制用微机电路

2—座椅用传感器电路第88页，共134页，2023年，2月20日，星期四3.记忆式后视镜用传感器图2-44存储式后视镜用传感器的结构

1—左右方向位置传感器2—后视镜支架3—上下方向位置传感器4—永久磁铁

5—霍尔元件6—电动机(左右调整用)7—驱动轴螺钉第89页，共134页，2023年，2月20日，星期四4.超声波距离传感器图2-45超声波距离传感器难以检测的场合第90页，共134页，2023年，2月20日，星期四5.红外线传感器夜间，因车辆自身前照灯的照明能力有限，或是因对面来车前照灯引起的目眩，以及因行人的状况(如服装、姿势及手持物品等)影响，往往使驾驶员的夜间视觉功能下降。试验证明，在夜间的前照灯20m处，驾驶员只能看见行人的下半身；而在同样的场合下，利用红外线技术可以清楚地看到行人，特别是可以捕捉到行人温度较高的脸部。采用红外线传感器的夜间步行者报警系统，就是根据上面的原理开发出来的。夜间步行者报警系统是通过检测人脸辐射出的红外线，通过图像处理检测，判断出夜间难以发现的行人，在风窗玻璃上显示行人的存在及方向并发出警报，以提高驾驶员的视觉功能。第91页，共134页，2023年，2月20日，星期四6.地磁传感器图2-46磁通量闸门式地磁传感器

1—磁环2—检测绕组

3—检测绕组4—励磁绕组第92页，共134页，2023年，2月20日，星期四6.地磁传感器图2-47磁力线穿过磁场时的状况

a)不饱和时的磁力线b)饱和时的磁力线

1—励磁绕组2—磁心3—检测绕组4—磁力线5—电压表第93页，共134页，2023年，2月20日，星期四7.陀螺仪图2-48压电振动型陀螺仪的基本原理

a)音片型b)音叉型

1—检测用压电陶瓷2—驱动用压电陶瓷第94页，共134页，2023年，2月20日，星期四8.湿度传感器图2-49热敏电阻式湿度传感器结构与工作特性

a)传感器结构b)工作特性

1—电极2—加热器3—元件4—支板5—导销第95页，共134页，2023年，2月20日，星期四8.湿度传感器图2-50结露传感器结构与工作特性

a)传感器结构b)工作特性

1—感湿膜2—电极3—热敏电阻4—铝基板第96页，共134页，2023年，2月20日，星期四8.湿度传感器图2-51电控自动空调上日照强度传感器的布置

1—日照强度传感器2—按钮与微机3—电动机4—车

内温度传感器5—动力伺服6—主微机7—鼓风机控制第97页，共134页，2023年，2月20日，星期四9.日照强度传感器图2-52日照强度传感器结构与工作特性

a)传感器结构b)工作特性第98页，共134页，2023年，2月20日，星期四9.日照强度传感器图2-53凌志LS400轿车日照传感器的

安装位置及其工作原理

a)安装位置b)工作电路第99页，共134页，2023年，2月20日，星期四9.日照强度传感器图2-54日照强度传感器的电阻

特性及检测方法

a)特性曲线b)检测方法第100页，共134页，2023年，2月20日，星期四10.光敏式光亮传感器图2-55光敏式光亮传感器的结构

1—电极2—玻璃3—金属盖4—滤波器5—金属底板6—引线7—陶瓷基片8—硫化镉第101页，共134页，2023年，2月20日，星期四10.光敏式光亮传感器图2-56硫化镉光敏器件的特性第102页，共134页，2023年，2月20日，星期四第三节车身传感器的研究和发展趋势一、现代传感器的主要特点

二、车身传感器的发展方向第103页，共134页，2023年，2月20日，星期四一、现代传感器的主要特点(1)传感器固态化物性型传感器(即固态传感器)包括半导体、电介质和强磁性体三种类型。

(2)传感器集成化与多功能化随着传感器应用领域的不断扩大，借助半导体的蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、精密加工及组装技术等，使传感器从单个元器件、单一功能向集成化和多功能化方向发展。

(3)传感器智能化智能传感器，是指带有微型计算机并具有信息检测和处理功能的传感器。第104页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光纤传感器光导纤维(光纤)受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等环境条件变化，将引起其传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。光纤传感技术就是将温度、压力、电场、磁场的变化转化为光波量的变化的技术。光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术，光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点：不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。第105页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光纤传感器

（1）光纤的结构和传输原理

①光纤结构：基本采用石英玻璃，有不同掺杂，主要由三部分组成中心——纤芯；外层——包层；护套——尼龙料。性质光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯折射率N1略大于包层折射率N2（N1＞N2）。纤芯保护套包层玻璃光纤塑料光纤石英光纤第106页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光纤传感器光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时，光线全部反射。只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。

（1）光纤的结构和传输原理

②光纤的传光原理：第107页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光纤传感器为保证全反射，必须满足全反射条件（即θ＜θc）实现全反射的临界入射角为：

空气中

可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（N1、N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。第108页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光纤传感器

（2）光纤的性能（几个重要参数）

①数值孔径（NA）临界入射角θc的正弦函数定义为光纤的数值孔径.

空气中：

第109页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光纤传感器NA意义讨论：NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2θc张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA，石英光纤的数值孔径一般为：第110页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光纤传感器光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不同。模式值定义为：

（2）光纤的性能（几个重要参数）

②光纤模式（V）第111页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光纤传感器②光纤模式第112页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光纤传感器模式讨论：模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号，导致合成信号畸变。模式值V小，就是α值小，即纤芯直径小，只能传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。第113页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光纤传感器光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗。用衰减率A表示：

I1、I2：两接收光纤的光强在一根衰减率为10dB/Km的光纤中，表示当光纤传输1Km后，光强下降到入射时的1/10。

（2）光纤的性能（几个重要参数）

③传播损耗（A）第114页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光纤传感器

(3)光纤传感器的基本测量原理

(1)物性型光纤传感器原理

物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。

第115页，共134页，2023年，2月20日，星期四

(1)物性型光纤传感器原理激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数（温度、压力、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。第116页，共134页，2023年，2月20日，星期四

(2)结构型光纤传感器原理结构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。

图2结构型光纤传感器工作原理示意图第117页，共134页，2023年，2月20日，星期四

(3)拾光型光纤传感器原理用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。

图3拾光型光纤传感器工作原理示意图第118页，共134页，2023年，2月20日，星期四

光纤传感器(4)光纤传感器组成光源：要求体积小、功率大、波长合适、工作稳定相干光：半导体激光器等非相干光：发光二极管、白织灯等探测器（光电探测器是光电检测中不可缺少的器件，把光信号转变为电信号）：灵敏度好、响应快、线性好光电二极管、光电倍增管光敏电阻、光电池光纤第119页，共134页，2023年，2月20日，星期四功能型光纤传感器（FunctionFiberOpticSensor)，又称FF型光纤传感器）光纤不仅起传光作用，而且是敏感元件更高的灵敏度调整困难非功能型光纤传感器（Non-FunctionFiberOpticSensor)，又NF型光纤传感器）光纤仅起传光作用灵敏度、测量精度较低有一种传感探针型光纤传感器(4)光纤传感器分类第120页，共134页，2023年，2月20日，星期四被测物理量测量方式光的调制光学现象材

料特性性能电

流磁

场FF偏振法拉第效应石英系玻璃铅系玻璃电流50～1200A(精度0.24%)磁场强度0.8～4800A/m(精度2%)相位磁致伸缩效应镍68碳莫合金最小检测磁场强度8×10-5A/m-2(1～10kHz)NF偏振法拉第效应YIG系强磁体FR-5铅玻璃磁场强度0.08～160A/m(精度0.5%)电

压电

场FF偏振Pockels效应亚硝基苯胺-相位电致伸缩效应陶瓷振子压电元件-NF偏振Pockels效应LiNbO3,LiTaO3Bi12SiO20电压1～1000V电场强度0.1～1kV/cm(精度1%)温

度FF相位干涉现象石英系玻璃温度变化量17条/(℃·m)光强红外线透过SiO2,CaF2,ZrF2温度250～12℃(精度1%)FF偏振双折射变化石英系玻璃温度30～1200℃开口数折射率变化石英系玻璃-NF断路双金属片弯曲双金属片温度10～50℃(精度0.5℃)断路磁性变化铁氧体开(57℃)～关(53℃)水银的上升水

银40℃时精度0.5℃透射率禁带宽度变化GaAs、CdTe半导体温度0～80℃透射率变化石

蜡开(63℃)～关(52℃)光强荧光辐射(Gd0.99Eu0.01)2O2S-50～300℃(精度0.1℃)第121页，共134页，2023年，2月20日，星期四被测物理量测量方式光的调制光学现象材

料特性性能速

度FF频率多普勒效应石英系玻璃流速10-4～103m/sNF断路风标的旋转旋转圆盘风速60m/s振

动压

力音

响FF频率多普勒效应石英系玻璃最小振辐0.4μm/(1