智联网汽车技术 课件 3.1复合力学传感器

复合力学传感器项目一智能网联汽车概述

任务3智能传感器技术主讲人：曾鑫智能网联汽车技术课程导入复合力学传感器学习目标和任务帮助记住复合力学传感器的基本工作原理和类型，特别是压力传感器，包括压电、压阻式、电容式和电磁式。学习目标01能应用新知识，以解答各种与此相关的问题。学习任务02激活旧知什么是传感器

传感器是一个设备，能检测周围环境中的特定变化，并将这些变化转化为可读、可理解的信号。探索新知复合力学传感器复合力学传感器是指集成了2个及以上的检测不同物理量的传感器单元，这些传感器单元信号可以各自单独输出通常为模拟信号，高级的则由组合体中嵌入的处理器测量后，按照规定的格式集中输出。探索新知复合力学传感器常见的汽车用压力传感器压电式压力传感器压阻式压力传感器电容式压力传感器电磁式压力传感器振弦式压力传感器探索新知复合力学传感器压电式压力传感器

压电式压力传感器主要基于压电效应（Piezoelectric

effect），利用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电量，再进行相关测量工作的测量精密仪器。探索新知复合力学传感器压电式压力传感器（a）外观图

（b）原理图图3-1压电式压力传感器探索新知复合力学传感器压电式压力传感器压电材料1主要压电材料酒石酸钾钠石英磷酸二氢胺≤温度范围，压电性质一直存在＞温度范围，压电性质消失具有很大的压电灵敏度和压电系数只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用人造晶体能够承受高温和相当高的湿度，得到广泛应用探索新知小贴士

经过长期发展，我国SiO2工艺技术已有了很大进展，2011年后我国SiO2行业产能和产量一直位居世界首位。江苏省东海县天然水晶和脉石英储量丰富，SiO2含量高达99.9983%,质量、储量位居全球榜首，是著名的“水晶之乡”。SiO2水晶之乡探索新知复合力学传感器压电式压力传感器工作原理2

当压电材料受到外力作用的时候，它的表面会形成电荷，电荷会通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗以后，就会被转换成为与所受到的外力成正比关系的电量输出。用来测量力以及可以转换成为力的非电物理量如：加速度和压力。探索新知复合力学传感器压电式压力传感器优点3重量较轻工作可靠结构简单信噪比高灵敏度高信频宽探索新知复合力学传感器压电式压力传感器缺点4部分电压材料忌潮湿需采取一系列防潮措施输出电流响应较差需使用电荷放大器或者高输入阻抗电路探索新知复合力学传感器压阻式压力传感器

压阻式压力传感器主要基于压阻效应（Piezoresistiveeffect）。压阻效应是用来描述材料在受到机械式应力下所产生的电阻变化。压阻效应只产生阻抗变化，并不会产生电荷。探索新知复合力学传感器压阻式压力传感器

金属和半导体材料都具有压阻效应，其中半导体的压阻效应尤其显著。探索新知复合力学传感器压阻式压力传感器

以硅制成的压阻元件的电阻变化大于金属数百倍，其中因素包括导带谷位移、载子重新分布、等效质量的变化等等。探索新知复合力学传感器压阻式压力传感器

压阻式压力传感器利用这种压阻效应，其变化的电阻值可以经过一系列转换，变为与压力成线性对应的电流信号。探索新知复合力学传感器压阻式压力传感器

压力传感器采用了温度补偿措施，使得其零点漂移、灵敏度、线性度和稳定性等指标维持在较高水平。探索新知复合力学传感器电容式压力传感器电容式压力传感器是一种利用电容作为敏感元件，将被测压力转换成电容值改变的压力传感器。探索新知复合力学传感器电容式压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。探索新知复合力学传感器电容式压力传感器单电容式压力传感器差动电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器电容式压力传感器探索新知复合力学传感器电磁式压力传感器01电感式压力传感器02霍尔式压力传感器03电涡流式压力传感器探索新知复合力学传感器电磁式压力传感器电感式压力传感器1

由于磁性材料和磁导率不同，当压力作用于膜片时，气隙大小发生改变，气隙的改变影响线圈电感的变化，处理电路可以把这个电感的变化转化成相应的信号输出，从而达到测量压力的目的。探索新知复合力学传感器电磁式压力传感器电感式压力传感器1变磁阻01变磁导02灵敏度高、测量范围大优点不能应用于高频动态环境缺点探索新知复合力学传感器电磁式压力传感器电感式压力传感器1

变磁阻式压力传感器主要部件是铁芯跟膜片。当有压力作用时，气隙大小改变，即磁阻发生了变化。如果在铁芯线圈上加一定的电压，电流会随着气隙的变化而变化，从而测出压力。探索新知复合力学传感器电磁式压力传感器电感式压力传感器1

变磁导式压力传感器用一个可移动的磁性元件代替铁芯，压力的变化导致磁性元件的移动，从而磁导率发生改变，由此得出压力值。探索新知复合力学传感器电磁式压力传感器霍尔式压力传感器2

霍尔式压力传感器是基于某些半导体材料的霍尔效应制成的。探索新知复合力学传感器电磁式压力传感器霍尔式压力传感器2

霍尔效应是指当固体导体放置在一个磁场内，且有电流通过时，导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压（霍尔电压）的现象。探索新知复合力学传感器电磁式压力传感器霍尔式压力传感器2

电压所引致的电场力会平衡洛伦兹力。通过霍尔电压的极性，可证实导体内部的电流是由带有负电荷的粒子（自由电子）之运动所造成。探索新知复合力学传感器电磁式压力传感器电涡流式压力传感器3电涡流式压力传感器是基于电涡流效应的压力传感器。探索新知复合力学传感器电磁式压力传感器电涡流式压力传感器3电涡流效应是由一个移动的磁场与金属导体相交，或是由移动的金属导体与磁场垂直交会所产生。探索新知复合力学传感器振弦式压力传感器

振弦式压力传感器属于频率敏感型传感器。探索新知复合力学传感器这种频率测量具有相当高的准确度，因为时间和频率是能准确测量的物理量参数，而且频率信号在传输过程中可以忽略电缆的电阻、电感、电容等因素的影响。振弦式压力传感器探索新知复合力学传感器小贴士

振弦式压力传感器在工作时，振弦以其谐振频率不停振动，当测量的压力发生变化时，频率会产生变化，这种频率信号经过转换器可以转换为4~20mA的电流信号。振弦式压力传感器的工作过程探索新知复合力学传感器MEMS压力传感器

MEMS压力传感器因尺寸小、灵敏度高、成本低等特点，在5~500kPa量程范围内的中低压力量程应用中占据主要地位。探索新知复合力学传感器

MEMS压力传感器一般以硅基实现信号感知，通过信号调理电路实现敏感器件的小信号校准、放大、线性化等处理，并根据后端系统需求提供不同信号输出形式。MEMS压力传感器探索新知复合力学传感器①涡轮增压压力传感器②进气压力传感器③曲轴箱通风压力传感器④尾气过滤压差传感器⑤油箱蒸发泄露压力传感器⑥碳罐脱附压力传感器⑦尾气回收系统压力传感器ME