汽車測(cè)試常用傳感器

1、汽車測(cè)試常用傳感器第1頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五傳感器的分類按工作原理分 發(fā)電式傳感器：將非電量轉(zhuǎn)化為電動(dòng)勢(shì)的傳感器。如測(cè)速發(fā)電機(jī)、磁感式傳感器等。 電參量式傳感器：將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電參量（如電阻、電容、電感等）的變化。各類電阻（熱敏電阻、壓敏電阻、光敏電阻等）式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器等。按被測(cè)物理量分 按被測(cè)物理量的不同，傳感器可分為很多類，汽車行業(yè)所用的傳感器主要有：溫度傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、速度/轉(zhuǎn)速傳感器、傾角傳感器、氣體傳感器等。 第2頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五第一節(jié) 電阻式傳感器滑變電阻式傳感器電阻

2、應(yīng)變式傳感器壓敏電阻式傳感器熱敏電阻式傳感器光敏電阻式傳感器 第3頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五一、滑變電阻式傳感器 滑變電阻式傳感器又稱電位計(jì)式傳感器，其工作原理是通過(guò)滑動(dòng)觸點(diǎn)改變電阻絲的長(zhǎng)度來(lái)改變電阻值的大小，進(jìn)而將電阻值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂娏鞯淖兓?，如圖3-1所示。（a）線位移型 （b）角位移型圖3-1 滑變電阻式傳感器 第4頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 圖中變阻器的活動(dòng)觸C的滑動(dòng)量分別為X（線位移型）和（角位移型）。固定觸點(diǎn)A和活動(dòng)觸點(diǎn)C之間的電阻值分別為： (3-1) (3-2) 式中：Rl、R分別為線位移型和角位移型滑變電阻

3、式傳感器的輸出電阻； K、K分別為單長(zhǎng)度和單位弧度的電阻值； X、 分別是線位移和角位移。 滑變電阻式傳感器的輸出（電阻）與輸入（位移）呈線性關(guān)系。傳感器的靈敏度 E 就是該直線的斜率，即： (3-3) （3-4）第5頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 若滑變電阻式傳感器與后繼設(shè)備相連，由于二者之間有能量的交換，因此必然存在負(fù)載效應(yīng)（負(fù)載效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響由后繼設(shè)備的阻抗性質(zhì)決定），其結(jié)果是使得傳感器的輸出與輸入之間的線性關(guān)系變?yōu)榉蔷€性。為了補(bǔ)償這種非線性，在實(shí)際測(cè)試工作中常采用滑動(dòng)觸點(diǎn)距離與電阻值成非線性關(guān)系的變阻器，如圖3-2所示。第6頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，

4、5月20日，0點(diǎn)38分，星期五第7頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五獲得高分辨率的結(jié)構(gòu)方案 ： 線繞式結(jié)構(gòu)線繞式結(jié)構(gòu)的兩大缺點(diǎn)： 1、電阻的變化是臺(tái)階狀（當(dāng)滑動(dòng)觸點(diǎn)從一圈導(dǎo)線移至下一圈時(shí)，電阻值不是連續(xù)變化，而是呈現(xiàn)出一個(gè)一個(gè)的臺(tái)階）； 2、呈現(xiàn)出電感式阻抗。解決方案 ：用碳膜或?qū)щ娝芰现谱龌冸娮枋絺鞲衅?。滑變電阻式傳感器的?yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便。在汽車領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。 在汽車上的應(yīng)用： 發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門位置傳感器、汽車側(cè)滑試驗(yàn)臺(tái)上的線位移傳感器等多采用滑變電阻式傳感器。 第8頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五1、簡(jiǎn)單節(jié)氣門位置

5、傳感器舉例第9頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五2、組合節(jié)氣門位置傳感器(1)可變電阻滑動(dòng)觸點(diǎn)；(2)電源電壓（5V）；(3)絕緣部件； (4)節(jié)氣門軸；(5)怠速觸點(diǎn)。第10頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五3、組合式TPS的輸出特性第11頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五油規(guī)壓力傳感器電子油門位置傳感器1冷卻水溫傳感器電子油門位置傳感器24、電子節(jié)氣門位置傳感器第12頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五二、電阻應(yīng)變片式傳感器 由物理學(xué)之，金屬絲的電阻與金屬絲的長(zhǎng)度、截面積及電阻率的關(guān)系如下： (3

6、-5) 式中：R 電阻值， ； 電阻率， ； L 金屬絲的長(zhǎng)度，m ； A 金屬絲的截面積，mm2 。 當(dāng)金屬絲受到拉伸或壓縮時(shí)，由于金屬絲的長(zhǎng)度L和截面積A要發(fā)生變化，因此電阻值R亦會(huì)發(fā)生變化。為了了解其變化規(guī)律，下面對(duì)式（3-5）進(jìn)行微分得： （3-6）第13頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 設(shè)金屬絲的半徑為r，則截面積 ，將其代入式(3-6)并整理得： (3-7) 式中： 單位應(yīng)變，常用 表示； 金屬絲的徑向相對(duì)變化率，當(dāng)金屬絲沿軸向伸長(zhǎng)時(shí)，徑向必然會(huì)相對(duì)地縮小，其二者的關(guān)系為： (3-8) 金屬絲的泊松比； 金屬絲電阻率的相對(duì)變化率，其大小與縱向所受的應(yīng)力 有

7、關(guān)。 (3-9) 縱向壓阻系數(shù)； 材料的彈性模量。第14頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 將式（3-8）和（3-9）代入（3-7）式，并整理得： (3-10) 對(duì)于一般的金屬材料而言，電阻率的變化率很小，即縱向壓阻系數(shù) 很小，可忽略不計(jì)。如此，式（3-10）就變?yōu)椋?(3-11) 即金屬絲的電阻變化率 與縱向應(yīng)變 成正比，這就是金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)，利用應(yīng)變效應(yīng)制做的傳感器稱為電阻應(yīng)變片式傳感器。式（3-11）中的 即為電阻應(yīng)變片式傳感器的靈敏度，用 表示。第15頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五1、電阻應(yīng)變片式傳感器的構(gòu)造 電阻應(yīng)變片式傳感器由電

8、阻應(yīng)變片和彈性元件兩大部分組成，如圖3-3所示。圖3-3 電阻應(yīng)變片式傳感器1 電阻應(yīng)變片 2 彈性元件第16頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 電阻應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片有金屬絲式和金屬箔式兩種，如圖3-4所示。由基底1、敏感柵2、蓋片3和引線4等部分組成。圖中l(wèi)為柵長(zhǎng)，又稱格距，一般l23mm。柵長(zhǎng)小的應(yīng)變片橫向效應(yīng)嚴(yán)重，粘貼和定位較困難，所以常選用柵長(zhǎng)大的應(yīng)變片。柵長(zhǎng)小的應(yīng)變片主要用于應(yīng)變變化梯度大、頻率高、粘貼面受限的場(chǎng)合。a為柵寬，通常10mm。 圖3-4 電阻應(yīng)變片的構(gòu)造（a）金屬絲式 （b）金屬箔式1 基底；2 敏感柵；3 蓋片；4 引線第17頁(yè)，共154頁(yè)，

9、2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五金屬絲式應(yīng)變片： 敏感柵常用直徑20m30m的康銅或鎳鉻合金曲折繞成柵狀后貼在由浸漬過(guò)絕緣材料的紙或合成有機(jī)聚合物的基底上。缺點(diǎn)：橫向效應(yīng)比較明顯。金屬箔式應(yīng)變片 敏感柵通常是用光刻法在厚度僅為1m10m的金屬箔片上刻制而成。如此，不僅可制造出可滿足各種不同測(cè)試要求的形狀復(fù)雜的應(yīng)變片（如圖3-5所示）,而且刻制出的線條均勻、尺寸精度高，適于大批量制造。 第18頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 彈性元件 彈性元件是電阻應(yīng)變片式傳感器不可或缺的重要組成部分。為了將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為適合于應(yīng)變片測(cè)量的應(yīng)變范圍，需按被測(cè)量的性質(zhì)對(duì)彈性元件的

10、結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì) 。如圖3-6所示。 圖3-6 彈性元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖第19頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五2、電阻應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用 電阻應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用十分廣泛，除大量用于各種結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)量外，在工程測(cè)試的各個(gè)領(lǐng)域均有應(yīng)用。拉壓力的測(cè)量 轉(zhuǎn)矩測(cè)量流體壓力測(cè)量第20頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 拉壓力測(cè)量 在工程測(cè)試領(lǐng)域有大量拉壓力的測(cè)試問(wèn)題，其中汽車軸荷儀是電阻應(yīng)變片式傳感器測(cè)拉、壓力的一種典型應(yīng)用。第21頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 轉(zhuǎn)矩測(cè)量 利用電阻應(yīng)變片式傳感器測(cè)轉(zhuǎn)矩有兩種不同的結(jié)構(gòu)方案,

11、如圖3-7所示。方案一：在轉(zhuǎn)軸(彈性元件)的圓周上沿主應(yīng)力方向均布四個(gè)應(yīng)變片，并將其聯(lián)接成電橋(見(jiàn)圖3-7(a),測(cè)出轉(zhuǎn)軸表面最大應(yīng)力便可計(jì)算出轉(zhuǎn)矩的大小。方案二：通過(guò)一個(gè)力臂將轉(zhuǎn)矩的測(cè)量轉(zhuǎn)換為力的測(cè)量。電阻應(yīng)變片式力傳感器3測(cè)得的壓力F乘以測(cè)力臂2的長(zhǎng)度L即為所要測(cè)量的轉(zhuǎn)矩 第22頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五圖3-7 轉(zhuǎn)矩的測(cè)量1 支架；2 測(cè)力臂；3 力傳感器第23頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 流體壓力的測(cè)量 圖3-8是一種膜電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。彈性元件是一種周邊固定的圓形金屬膜片，在壓力P的作用下，膜片周圍上的切向應(yīng)變?yōu)榱?/p>

12、，徑向應(yīng)變 r為負(fù)的最大應(yīng)變；在膜片的中心處,切向應(yīng)變t和徑向應(yīng)變t相等，且均達(dá)到正的最大值。據(jù)此，將四個(gè)應(yīng)變片按圖3-8(c)所示的方法粘貼，并將其接成差動(dòng)電橋，便可測(cè)量流體的壓力。 (a)膜片式壓力傳感器的構(gòu)造 (b)膜片上的應(yīng)變 (c)應(yīng)變片的布置 圖3-8 膜片式壓力傳感器第24頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五3、應(yīng)變片的溫度特性 熱脹冷縮是金屬材料的共同特性。由此可見(jiàn)，溫度的變化必然引起電阻值的變化。由于在測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)變引起的電阻值變化一般都很小，因此溫度的變化所引起的電阻值變化所占的比重相當(dāng)大。溫度的影響還表現(xiàn)在另一個(gè)方面，即敏感柵與基底材料線脹系數(shù)的差

13、異也會(huì)帶來(lái)附加的應(yīng)變。 溫度對(duì)敏感柵電阻值的影響 敏感柵與基底線脹差異引起的附加應(yīng)變第25頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 溫度對(duì)敏感柵電阻值的影響 設(shè)測(cè)試過(guò)程中被測(cè)試件的溫度變化為T，則由此所引起敏感柵電阻值的變化RT為： (3-13) 式中：RT 溫度變化引起敏感柵電阻值的變化； R 應(yīng)變片電阻； t 應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)； T 測(cè)試過(guò)程中被測(cè)試件的溫度變化值。電阻值的變化折算成相應(yīng)的應(yīng)變值為： (3-14) 式中：ER應(yīng)變片的靈敏度。第26頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 敏感柵與基底線脹差異引起的附加應(yīng)變 設(shè)測(cè)試過(guò)程中被測(cè)試件的溫度變

14、化為T，則敏感柵與基底線脹差異引起的附加應(yīng)變s為： (3-15) 式中：s 線脹差異引起的附加應(yīng)變 g、s 分別為敏感柵和基底材料的線脹系數(shù)。 溫度引起的總的應(yīng)變z為： （3-16） 欲消除溫度的影響，常用的方法是進(jìn)行補(bǔ)償。關(guān)于測(cè)試結(jié)果的補(bǔ)償，后面有專門的章節(jié)進(jìn)行討論。前面的應(yīng)用實(shí)例中，將電阻應(yīng)變片進(jìn)行橋接就是一種有效的補(bǔ)償方法。 第27頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 三、 壓敏電阻式傳感器 壓敏電阻式傳感器是利用壓阻效應(yīng)來(lái)工作的。有些半導(dǎo)體材料在受到壓力作用后，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。利用壓阻效應(yīng)制造出的敏感元件就是人們常說(shuō)的壓敏電阻。 壓敏電阻

15、主要是結(jié)晶硅和鍺經(jīng)摻入雜質(zhì)后形成的P型和N型半導(dǎo)體。由于半導(dǎo)體是各向異性的材料，因此它的壓阻系數(shù)不僅與摻雜濃度、工作溫度和材料的類型有關(guān)，而且還與晶軸方向有關(guān)。當(dāng)單晶半導(dǎo)體材料沿某一軸向受外力作用時(shí)，原子點(diǎn)陣排列規(guī)律隨之發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度產(chǎn)生變化，從而引起電阻率的變化。 單晶半導(dǎo)體電阻率的變化率在外力作用下變化明顯，而單位應(yīng)變和徑向相對(duì)變化率的變化卻很小，可以忽略不計(jì)。 第28頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 壓敏電阻受外力時(shí)電阻的變化率為： (3-17) 式中： K1半導(dǎo)體的壓阻系數(shù)； E 半導(dǎo)體材料的彈性模量，晶向不同時(shí)，其值亦不同，晶向?yàn)?/p>

16、時(shí)，E1.671011 N/m2； 材料的應(yīng)變。 若從專門處理的單晶硅或鍺上沿一定晶軸方向切割一小塊晶片，便可制造出P型和N型壓敏電阻，P型壓敏電阻在受壓后，電阻值增加，而 N型壓敏電阻在受壓后電阻值會(huì)減小。第29頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 壓敏電阻常用來(lái)制造壓力傳感器，即壓敏電阻式壓力傳感器，又稱為擴(kuò)散硅壓力傳感器，如圖3-9所示。其核心件是一塊沿某晶向切割的 N 型硅膜片,在膜片上利用集成電路工藝擴(kuò)散出四個(gè)阻值相同的 P 型電阻（四個(gè)電阻的分布如圖3-9（b）所示），并將其連成一平衡電橋，膜片的四周用圓形硅環(huán)固定，如此便形成了上、下兩腔，上腔為高壓腔，下腔為

17、低壓腔。 (a) 壓敏電阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu) (b)P型電阻的分布 1引線；2硅環(huán)；3高壓腔；4低壓腔；5硅膜片圖3-9 壓敏電阻式壓力傳感器第30頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 壓敏電阻式壓力傳感器的突出特點(diǎn)是，敏感元件與彈性元件制成一體，因此它的體積可以做的很小，最小的壓敏電阻式壓力傳感器其外形尺寸只2mm左右。此外，壓敏電阻式壓力傳感器固有頻率很高，其值為： 式中：fn 固有頻率； h 膜片厚度； E 膜片的彈性模量； 膜片材料的泊松比； 膜片材料的電阻率。 由第二章對(duì)測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的分析知，固有頻率高的測(cè)試系統(tǒng)，其通頻帶就寬。因此，壓敏電阻式壓力傳感器可以

18、測(cè)量頻繁變化的流體壓力，包括脈動(dòng)的壓力。正因?yàn)槿绱?，壓敏電阻式壓力傳感器不僅在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用（如用其測(cè)試汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力），而且還大量用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。 第31頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五壓阻效應(yīng)式歧管壓力傳感器MAP結(jié)構(gòu)第32頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五歧管壓力傳感器的結(jié)構(gòu)（a）剖面圖；（b）硅膜片結(jié)構(gòu)；（c）等效電路圖1引線端子；2殼體；3硅杯；4真空室；5硅膜片；6錫焊封口；7應(yīng)變電阻；8金線電極；9電極引線；10底座；11真空管 第33頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 硅膜片在進(jìn)氣壓力作用

19、下，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變而產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)變電阻的阻值在膜片應(yīng)力的作用下就會(huì)發(fā)生變化，惠斯頓電橋上電阻值的平衡被打破。 當(dāng)電橋輸入端輸入一定電壓或電流時(shí)，在電橋的輸出端就可得到變化的信號(hào)電壓或信號(hào)電流。第34頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 工作情況1. 當(dāng)節(jié)氣門開(kāi)度空氣流通截面A進(jìn)氣流量Q氣流速度v進(jìn)氣壓力PUo2. 節(jié)氣門開(kāi)度AQv PUo 3. 取壓部位：壓力波動(dòng)較小的部位 如：桑塔納2000GLi 穩(wěn)壓箱（動(dòng)力腔）第35頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 四、熱敏電阻式溫度傳感器 熱敏電阻式溫度傳感器的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、制造成本低、測(cè)量精

20、度，在汽車上得到了廣泛的應(yīng)用。 熱敏電阻式溫度傳感器是利用某些金屬氧化物或單晶鍺、單晶硅等材料的電阻值隨溫度的變化而變化的特性工作的。不同材料制造熱敏電阻具有不同的溫度特性(見(jiàn)圖3-37),即：正溫度系數(shù)型（PTC）：電阻值隨溫度的上升而上升；負(fù)溫度系數(shù)型（NTC）：電阻值隨溫度的上升而下降；臨界溫度型（CTR）：在某一特定溫度，電阻值發(fā)生突變。1正溫度系數(shù)型（PTC）；2負(fù)溫度系數(shù)型（NTC）；3臨界溫度型（CTR） 圖3-37 熱敏電阻特性曲線第36頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 汽車上各部位（如發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、進(jìn)氣溫度等）的溫度測(cè)量幾乎都采用負(fù)溫度系數(shù)型（NTC）

21、熱敏電阻式溫度傳感器。圖3-38是某種轎車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度傳感器和水溫度傳感器，它主要由熱敏電阻、引線和外殼組成，負(fù)溫度系數(shù)型熱敏電阻溫度傳感器的電阻值與溫度的關(guān)系為： (3-60) 式中：R 熱敏電阻的電阻值； A、B 與熱敏電阻材料和制造工藝有關(guān)的常數(shù)； T 被測(cè)溫度。(a) 進(jìn)氣溫度傳感器 (b)水溫度傳感器1外殼；2熱敏電阻；3引線圖3-38 熱敏電阻溫度傳感器第37頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五第38頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五舉例：1、汽車用溫度傳感器類型(按用途分)1. 進(jìn)氣溫度傳感器IATS或IAT IATS：Intake

22、 Air Temperature Sensor2. 冷卻液溫度（水溫）傳感器CTS CTS：Coolant Temperature Sensor3. 排氣溫度傳感器EATS 或EAT： Exhaust Air Temperature Sensor4. 燃油溫度傳感器FTS Fuel Temperature Sensor第39頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五2、溫度傳感器功用1. 進(jìn)氣溫度傳感器IATS ： 檢測(cè)進(jìn)氣溫度信號(hào)，并變換為電信號(hào)輸入ECU，作為各種控制功能的修正信號(hào) 信號(hào)中斷導(dǎo)致熱啟動(dòng)困難、廢氣排放量增大。2. 冷卻液溫度傳感器CTS： 檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度

23、信號(hào)，并變換為電信號(hào)輸入ECU 修正噴油時(shí)間和點(diǎn)火時(shí)間。 信號(hào)中斷導(dǎo)致冷啟動(dòng)困難、油耗增加、怠速不穩(wěn)、廢氣排放量增大等。3. 排氣溫度傳感器EGTS： 檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度信號(hào)，并變換為電信號(hào)輸入ECU修正點(diǎn)火時(shí)間，防止發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱。4. 燃油溫度傳感器FTS： 檢測(cè)燃油溫度信號(hào)，并變換為電信號(hào)輸入ECU 修正噴油時(shí)間。第40頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五3、溫度傳感器安裝位置1. 進(jìn)氣溫度傳感器IATS ： 進(jìn)氣道上 空氣流量傳感器（或歧管壓力傳感器）一體2. 冷卻液溫度傳感器CTS： 水溫表傳感器一體 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套上或冷卻液出水管上3. 排氣溫度傳感器EGTS：

24、排氣管上4. 燃油溫度傳感器FTS： 燃油管路上 燃油箱內(nèi)第41頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五4、熱敏電阻式溫度傳感器 （a）外形 （b）兩端子式 （c）單端子式 1. 熱敏電阻 2. 電極引線 3. 殼 體 4. 接線插座第42頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五5、熱敏電阻外形結(jié)構(gòu)及材料1. 外形 珍珠形； 芯片形； 厚膜形； 墊圈形； 圓盤形（藥片形）2. 材料： 低溫： （ 300以下，用于水溫、進(jìn)氣溫度等） MnONiO； MnOCoONiO； MnOCoN系列 中溫： SiC、LaCrO3、B4C系列 高溫： TiO2、Y2O3、C

25、aSiO3、Al2O3、Cr2O3、 ZrO2（熔點(diǎn)2800，高溫傳感器最佳材料）第43頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五6、負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻特點(diǎn)溫度升高，阻值降低： TR溫度降低，阻值升高： TR 第44頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五7、桑塔納轎車CTS阻值與電路第45頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五8、溫度傳感器檢修溫度傳感器1. 檢測(cè)電源電壓與信號(hào)電壓接通點(diǎn)火開(kāi)關(guān)2. 檢測(cè)熱敏電阻阻值斷開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)第46頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五第二節(jié) 電容式傳感器 電容式傳感器事實(shí)上

26、就是一個(gè)可變電容。若忽略電容器的邊緣效應(yīng)，則平行極板電容器的電容量為： (3-19) 式中：C 電容量 F； A 極板的有效面積，m2 ； 0 真空介電常數(shù)，08.8510-12 ，F(xiàn)/m； r極板間介質(zhì)的介電常數(shù),當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，r 1； d 兩極板間的距離，m。 由上式可知，改變電容器的A、d和r均可帶來(lái)電容量的變化，據(jù)此便可制做出三種不同類型的電容式傳感器，即：A型電容式傳感器、d型電容式傳感器和r型電容式傳感器。第47頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 一、A型電容式傳感器 A型電容式傳感器有三種不同的結(jié)構(gòu)形式，即：平板平移式圓柱平移式旋轉(zhuǎn)式電容傳感器 （a）平

27、板平移式 （b）圓柱平移式 （c）旋轉(zhuǎn)式1 活動(dòng)極板；2 固定極板 圖3-10 型電容式傳感器第48頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 1、平板平移式電容傳感器 當(dāng)活動(dòng)極板1沿x方向移動(dòng)時(shí)（見(jiàn)圖3-10(a)），電容器極板有效面積的變化量為： (3-20) 由此帶來(lái)電容量的變化為： (3-21) 式中： Ec傳感器的靈敏度， 。對(duì)于某一具體的電容式傳感器，b和Ec均為定值，即為常數(shù)。由此可見(jiàn)，該電容式傳感器的輸出與輸入呈線性關(guān)系。 第49頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 2、圓矩平移式電容傳感器 當(dāng)沿電容器的軸線方向移動(dòng)圓柱平移式電容傳感器的活

28、動(dòng)極板時(shí)（見(jiàn)圖3-10(b)），利用高斯積分可得到該電容器的電容量為： （3-22） 式中：D 、d -分別為固定極板的內(nèi)徑和活動(dòng)極板的外徑。 若活動(dòng)極板的軸向移動(dòng)量為x，則電容的變化量為C： （3-23） 式中：Ec傳感器的靈敏度， 。 由于0、r及D、d均為不變的量，因此，此種傳感器也具有線性特性。 第50頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五二、d型電容式傳感器 圖3-11(a)是一平板電容器的示意圖，若電容器的兩極板間的電介質(zhì)不變（即 不變）及電容極板的有效面積不變，則該電容器的電容量為： （3-25） 由式（3-25）知，當(dāng)電容器極板間間距d改變時(shí)，電容量隨d的變

29、化規(guī)律是一雙曲線，如圖3-11（b）所示。 (a) d型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 (b) d型電容式傳感器的特性曲線1 活動(dòng)極板；2 固定極板 圖3-11 d型電容式傳感器第51頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 設(shè)電容器初始狀態(tài)兩極板的間距為 ，對(duì)應(yīng)的電容量為 ： 活動(dòng)極板1向固定極板2的方向平移d 時(shí)的電容量將增加為C，即： 將式（3-26）等式右邊的分子和分母同乘以d+d得： 當(dāng)d 很小時(shí)， ，則上式變?yōu)椋?即當(dāng)d很小時(shí)，d 型電容式傳感器的特性近似于線性。其靈敏度 為： 上式表明，d 型電容式傳感器的靈敏度與極板間距的平方成反比，即極板間距越小，靈敏度越高。但當(dāng)

30、靈敏度提高時(shí)，非線性誤差亦隨之增大，因此這種傳感器的測(cè)量范圍有限。第52頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 三、 r型電容式傳感器 圖3-12是兩種不同形式的r型電容式傳感器。一種是在圓筒極板之間改變液態(tài)介質(zhì)質(zhì)量的多少，另一種是在平板極板間改變固態(tài)介質(zhì)的插入深度。前者的輸入常是液位，后者的輸入一般是位移，因此將其分別稱為r型電容式液位傳感器和r型電容式位移傳感器。 (a)電容式液位傳感器 (b)電容式位移傳感器 圖3-12 型電容式傳感器第53頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 1、 型電容液位傳感器 設(shè)圖3-12(a)傳感器兩圓筒形極板的長(zhǎng)度為

31、L，內(nèi)極板的外徑為2r、外極板的內(nèi)徑為2D，極板間的液體介質(zhì)為非導(dǎo)電液體，其介電常數(shù)為 ，極板間未被液浸泡的部分是空氣，其介電常數(shù) 1，極板被液體介質(zhì)浸泡的深度為L(zhǎng)，此時(shí)該電容式傳感器的輸出電容為C： （3-29） 式中： 該電容器兩極板間為空氣介質(zhì)的電容量， ； 該電容式傳感器的靈敏度， 。 由式（3-29）知，此電容器的特性為線性。第54頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 2、 型電容式位移傳感器 由圖3-12(b)知，該電容式傳感器的電容為： （3-30） 式中： B 電容器極板寬度； L0 電容器極板長(zhǎng)度； 0 真空介電常數(shù)； r 固體電介質(zhì)的介電常數(shù)； L 固

32、體電介質(zhì)進(jìn)入電容器極板的深度； d 極板間距； C1 電容器極板間為空氣介質(zhì)的電容量， ； Ec傳感器的靈敏度， 。第55頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 四、差動(dòng)電容傳感器 由第二章的分析知，提高測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度可提高系統(tǒng)的測(cè)試精度；此外任何電器元件通電時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，溫度會(huì)上升，電器件的性能會(huì)發(fā)生變化，即會(huì)產(chǎn)生測(cè)試誤差。為了提高測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度、消除溫升所帶來(lái)的誤差，常將電容式傳感器做成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，如圖3-13所示。差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容式傳感器，其輸出電容正好是相應(yīng)單個(gè)電容傳感器輸出電容的兩倍，即傳感器的靈敏度是相應(yīng)單個(gè)電容傳感器的兩倍，而且還自動(dòng)消除了溫升所引起的測(cè)試誤差

33、。 圖3-13 差動(dòng)機(jī)構(gòu)的電容式傳感器第56頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 五、容柵式傳感器 電容式傳感器的重要特點(diǎn)是量程非常有限，即只適合測(cè)量一些微小變化的量。然而在汽車試驗(yàn)及工程測(cè)試中經(jīng)常會(huì)遇到變化范圍很大的量。為了能有效解決變化范圍很大的一些物理量的測(cè)量，近些年，在A型電容式傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)一種容柵式傳感器，如圖3-14所示。容柵式傳感器的量程得到了極大地?cái)U(kuò)展。從理論上講，它的測(cè)量范圍可以達(dá)到任意大小。 (a)外形結(jié)構(gòu) (b)剖面圖1矩形窗口，2測(cè)量裝置，3金屬帶，4發(fā)射電極，5接收電極 圖3-14 容柵式傳感器第57頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20

34、日，0點(diǎn)38分，星期五 容柵式傳感器仍然由兩個(gè)電極組成，與前面所介紹的電容式傳感器不同的是，傳感器的一個(gè)極板變成了一個(gè)較長(zhǎng)的柵片，當(dāng)然另一個(gè)極板既可以是單極板（見(jiàn)圖3-14），也可以是兩塊柵片（見(jiàn)圖3-15）。 容柵式傳感器已發(fā)展出多種不同的結(jié)構(gòu)型式，由于它不僅量程大，而且精度很高（可達(dá)5m），因此被認(rèn)為是一種極有發(fā)展前途的傳感器，在汽車試驗(yàn)領(lǐng)域已開(kāi)始將其用于位置、位移及長(zhǎng)度的測(cè)量。數(shù)顯游標(biāo)卡尺已用到容柵式傳感器。 (a)活動(dòng)和固定柵片 (b)整體1 活動(dòng)?xùn)牌綐O板；2 固定柵片式極板 圖3-15 活動(dòng)極板與固定極板均為柵片的容柵式傳感器 第58頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38

35、分，星期五六、電容式傳感器的應(yīng)用 由于電容式傳感器具有體積小、功耗低、精度高、性能穩(wěn)定及所需要驅(qū)動(dòng)力小等特點(diǎn)，因此在汽車及各工程領(lǐng)域被廣泛地用來(lái)測(cè)量位置、位移、壓力、振動(dòng)、噪聲和傾角等。下面舉兩例介紹電容式傳感器的應(yīng)用。 電容式加速度傳感器電容式傾角傳感器第59頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 電容式加速度傳感器 圖3-16是電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊便上、下振動(dòng)，兩差動(dòng)聯(lián)接的電容器C1和C2便向外輸出與振動(dòng)加速度相對(duì)應(yīng)的電容量。由于該傳感器采用空氣作為阻尼介質(zhì)（氣體粘度的溫度系數(shù)比液體小得多），因此其測(cè)試精度較高。只要合理地設(shè)計(jì)彈性支承鋼片的剛度

36、，便可獲得高的通頻帶寬，因此它可以測(cè)量較高頻率的振動(dòng)加速度。 1下固定極板；2外殼；3彈性支承鋼片；4質(zhì)量塊； 5上固定極板；6絕緣墊；A、B上、下活動(dòng)極板 圖3-16 電容式加速度傳感器第60頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 電容式傾角傳感器 圖3-17是電容式傾角傳感器的工作原理簡(jiǎn)圖。圖3-17(a)是傾角為零的狀態(tài)；如圖3-17(b)。從圖中可以看出，隨著傾角的改變，電容器兩極板被液體介質(zhì)浸泡的面積隨之改變，即介電常數(shù) 隨之發(fā)生變化,傳感器的輸出電容 隨傾角 的變化而變化，如此便實(shí)現(xiàn)了傾角的測(cè)量。1、3分別是電容器的兩個(gè)極板；2不導(dǎo)電的液體介質(zhì) 圖3-17 電容

37、式傾角傳感器第61頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 對(duì)圖3-17所示的傾角傳感器略作改造，便可利用來(lái)測(cè)量繞x軸和y軸兩個(gè)方向傾斜的傾角 和 ，如圖3-18所示。這種傳感器稱為雙軸傾角傳感器。將電容器1和3、2和4分別聯(lián)成2個(gè)差動(dòng)式電容傳感器。顯然，由電容器1和3組成的差動(dòng)式型電容傳感器可測(cè)量繞y軸的傾角，由2和4組成的差動(dòng)式型電容傳感器可測(cè)量繞x軸的傾角。這種傳感器在各工程領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，如航空、航天器的飛行姿態(tài)控制、汽車車輪定位參數(shù)的測(cè)量，高層建筑及橋梁施工的傾斜量測(cè)量等。圖3-18 雙軸傾角傳感器第62頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五

38、帕薩特ESP系統(tǒng)橫向加速度傳感器第63頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五第64頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五第65頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五第66頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五第67頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五第三節(jié) 電感式傳感器 電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換為電感量的變化。電感應(yīng)有自感和互感之分，與之對(duì)應(yīng)的分別稱為自感式和互感式傳感器。第68頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 一、自感式傳感器 圖3-19是自

39、感式傳感器的結(jié)構(gòu),由電磁感應(yīng)原理可知,線圈1中電感 L為： （3-31） 式中： 線圈的匝數(shù)； 磁路的磁阻。 若空氣隙較小，且不考慮磁路的鐵損和導(dǎo)磁體的磁阻，則： (3-32) 式中： 空氣隙厚度， ； 真空的導(dǎo)磁率， 410-7 ； 空氣隙的截面積， 。 第69頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五圖3-19 自感式傳感器(a)型自感式傳感器 (b)A型自感式傳感器 (c)螺旋管式自感傳感器1線圈；2鐵芯；3銜鐵第70頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 將式（3-27）代入（3-26）得線圈的電感量為： (3-33) 由上式知，改變氣隙厚度 及空氣

40、隙的截面積 A 均可改變電感 L。據(jù)此便可制造出兩種不同的傳感器，即: （1）變氣隙厚度的自感式傳感器，簡(jiǎn)稱為 型自感式傳感器（見(jiàn)圖3-19(a)）； （2）變氣隙截面積的自感式傳感器，簡(jiǎn)稱為 A 型自感式傳感器，如圖3-19(b)所示。 第71頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 1、 自感式傳感器 由式（3-33）知， 型自感式傳感器的特性曲線是一雙曲線，如圖3-20(a)所示，該傳感器的靈敏度 為： 由式（3-34）表明 型自感式傳感器的靈敏度與氣隙厚度 成反比， 越小，靈敏度越高。第72頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 2、 A 型自感式

41、傳感器 當(dāng)氣隙厚度不變時(shí)，該傳感器的電感值 L與氣隙截面積成線性關(guān)系，如圖3-20(b)所示。該傳感器的靈敏度El為：(a)型自感式傳感器 (b)A型自感式傳感器 圖3-20 自感式傳感器的特性曲線第73頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 3、螺旋管式自感傳感器 螺旋管式自感傳感器輸出電感涉及的計(jì)算比較復(fù)雜，在此直接引用電磁學(xué)中的結(jié)論，即電感 L為： 式中：0真空的導(dǎo)磁率，0410-7H/m； R 磁通作用半徑； h 線圈的高度； t 鐵芯插入線圈的深度； 比磁導(dǎo)； N 線圈的匝數(shù)。 上式表明，螺旋管式自感傳感器的特性是一復(fù)雜曲線。通常螺旋管式自感傳感器的特性曲線由試驗(yàn)

42、獲得，因?yàn)槭?3-35)是在某些假設(shè)的基礎(chǔ)上得到的，它與實(shí)際存在一定的誤差。第74頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 4、差動(dòng)式自感傳感器 電感式傳感器最突出的特點(diǎn)是，線圈通電后會(huì)產(chǎn)生溫升，而溫度的變化會(huì)帶來(lái)輸出特性的變化。此外，供電電壓的波動(dòng)也會(huì)給測(cè)試帶來(lái)影響，為克服這些不足，提高傳感器的靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中，和電容式傳感器一樣，常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，如圖3-21所示。圖3-21 差動(dòng)式自感傳感器第75頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 二、互感式傳感器 互感式傳感器常采用兩個(gè)次級(jí)線圈組成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，因此又稱為差動(dòng)變壓器式傳感器。在結(jié)構(gòu)上，差動(dòng)變壓

43、器式傳感器和差動(dòng)式自感傳感器基本相同，所不同的只是差動(dòng)變壓器式傳感器在一個(gè)鐵芯上繞制了初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，兩個(gè)次級(jí)線圈反向串連，當(dāng)給初級(jí)線圈 上加上交流電壓 時(shí)，次級(jí)線圈1和2分別產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 和 ，其大小與銜鐵位移x 有關(guān)。當(dāng)銜鐵在中間位置時(shí)， ，輸出電壓 ；當(dāng)銜鐵向上偏離中心位置時(shí)， ， ；當(dāng)銜鐵向下偏離中心位置時(shí)， ， 。 第76頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 圖3-22 互感式傳感器第77頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 通常U0不直接作為傳感器的輸出電壓，因?yàn)?(1）傳感器的輸出是交流電壓，其幅值與銜鐵位移成正比，因此輸出電壓的

44、大小只能反映銜鐵的位置，而不能反映其運(yùn)動(dòng)的方向；（2）當(dāng)銜鐵經(jīng)過(guò)中間位置時(shí)，其輸出有一定的零點(diǎn)殘余電壓，因此，即使U01和U02的有效值相等，由于其相位不相同，輸出電壓U0亦不等于零。為此，互感式傳感器的后接電路常采用能反映銜鐵位置和運(yùn)動(dòng)方向的可補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的相敏檢波電路，如圖3-23所示。 圖3-23 互感式傳感器的后接電路第78頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 三、電感式傳感器的應(yīng)用 電感式傳感器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、靈敏度高、重復(fù)性好、精度高的傳感器，因此在汽車及工程領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。 從電感式傳感器的工作原理看，其輸入方式與電容式傳感器很相像，因此絕大

45、多數(shù)可用電容式傳感器所測(cè)得的量均可用電感式傳感器來(lái)測(cè)量（傾角的測(cè)量除外）。即電感式傳感器可用于測(cè)量位置、位移、振動(dòng)、噪聲和壓力等。 第79頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五第四節(jié) 壓電式傳感器 某些功能材料，當(dāng)沿一定方向?qū)ζ涫簳r(shí)，晶體不僅會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變，而且其內(nèi)部還會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，從而在材料的相對(duì)表面上產(chǎn)生異性電荷而形成電場(chǎng)；當(dāng)外力移去后，晶體重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是由法國(guó)人皮埃爾居里和雅克居里于1880年發(fā)現(xiàn)的。目前，已發(fā)現(xiàn)具有壓電效應(yīng)的材料有三類，即（1）單晶壓電晶體，如石英、羅歇爾鹽（四水酒石酸鉀鈉）、硫酸鋰、磷酸二氫銨等；（2）

46、多晶壓電陶瓷，如極化的鐵電陶瓷（鈦酸鋇）、鋯鈦酸鉛等；（3）高分子壓電薄膜，如聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯等。第80頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 盡管不同的壓電材料產(chǎn)生壓電效應(yīng)的機(jī)理不盡相同，但對(duì)任何壓電材料制成的壓電元件來(lái)說(shuō)，所加外力于晶面產(chǎn)生的電荷量的關(guān)系式卻很相似，即： 式中：Q 壓電元件表面產(chǎn)生的電荷量； K 壓電元件的壓電系數(shù)； F 施加在壓電元件上的壓力。 上式表明，壓電式傳感器所產(chǎn)生的電荷量與所施的壓力成正比。但值得注意的是，壓電傳感器的絕緣電阻很高，電荷易泄漏，欲獲得一個(gè)精確的測(cè)量結(jié)果，就必須采用不消耗壓電元件表面上產(chǎn)生的電荷的措施，即壓電傳感器與后繼設(shè)

47、備不進(jìn)行能量交換，這在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中是難以實(shí)現(xiàn)的。好在當(dāng)受動(dòng)態(tài)交變力的作用時(shí)，壓電元件產(chǎn)生的電荷可不斷地得到補(bǔ)充。由此可見(jiàn)，壓電傳感器較適合于動(dòng)態(tài)測(cè)量，而不適合于靜態(tài)測(cè)量。 第81頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 為了能測(cè)量壓電元件兩工作表面上產(chǎn)生的電荷量，常用金屬蒸鍍法在壓電晶片的兩工作表面上蒸鍍一層金屬薄膜，其材料多為銀或金，從而構(gòu)成兩個(gè)相應(yīng)的電極，如圖3-24所示。1、3蒸鍍的金屬薄電極；2壓電晶片圖3-24 壓電晶片 壓電元件受壓后所能產(chǎn)生的電荷量很小，在實(shí)際使用中，常把兩片組合在一起使用，且根據(jù)輸出的需要進(jìn)行串連或并聯(lián)聯(lián)接，如圖3-25所示(a)串連 (b)

48、并聯(lián) 圖 3-25 壓電晶片的組合方式第82頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 對(duì)于串連接法，其輸出的總電壓U、總電荷量Q、總電容量C與單晶片的電壓 u、電荷q和電容c的關(guān)系為： ， ， 式中： 晶片數(shù)。 對(duì)于并聯(lián)接法， ， ， 串連接法較適合于電壓量的輸出,并聯(lián)接法較適合于電荷量的輸出。 盡管將兩個(gè)壓電元件組合起來(lái)使用可使傳感器的輸出量得以增大，但其量仍很有限，因此需對(duì)其放大；此外欲使壓電式傳感器能正常工作，就應(yīng)盡可能地減小它與后繼設(shè)備或電路的能量交換，即使它的負(fù)載阻抗極大。因此與壓電傳感器配套的測(cè)量電路之前置放大器必須具有兩大作用：(1)放大壓電傳感器的微弱信號(hào)；(

49、2)將高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵?。如此，按壓電晶片組合方式的不同，其前置放大器亦有兩種不同的型式：一是電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(壓電傳感器的輸出電壓)成正比；另一是電荷放大器，其輸出電壓與輸入的電荷量成正比。前者稱為電壓放大型壓電傳感器，后者稱為電荷放大型壓電傳感器。第83頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 1、電壓放大型壓電傳感器圖3-26 電壓放大型壓電傳感器的等效電路 U壓電傳感器的輸出電壓； Ca 壓電元件的等效電容； Ra 壓電元件的電阻； Cc 電纜 的分布電容； Ri 放大器的輸入電阻； Ci 放大器的輸入電容； Ui 放大器的輸入電壓 設(shè)壓電傳感器

50、感受交變壓力的輸出電壓 U 為： 式中： 交變應(yīng)力的圓頻率； 電壓的幅值。壓電元件開(kāi)路時(shí)的電壓U與電荷量Q的關(guān)系為： 將式(3-36)代入式(3-38)得： 式中： K 壓電元件的壓電系數(shù)； F 施加在壓電元件上的力； Ca 壓電元件的等效電容。第84頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 由圖3-26知，放大器的輸入電壓Ui為： 式中各符號(hào)的物理意義見(jiàn)圖3-26，R等效電阻， 。放大器輸入電壓的幅頻特性和相頻特性分別為： 式中：Fm交變力F的幅值。 當(dāng) 時(shí)，放大器輸入端的電壓幅值為： 這時(shí)傳感器的電壓靈敏度 為： 第85頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，

51、星期五 式(3-40)、(3-41)、(3-43)和式(3-44)表明，電纜電容 和放大器輸入電容的存在，會(huì)使傳感器的輸出和傳感器的靈敏度減小。在測(cè)試過(guò)程中如因某種原因需要更換電纜，那么 就會(huì)發(fā)生變化，傳感器的輸出和靈敏度亦隨之變化，因此改變電纜的規(guī)格和長(zhǎng)度后均需要對(duì)靈敏度進(jìn)行重新校正。不僅如此，若電纜線加長(zhǎng)， 將隨之增大，傳感器的輸出和靈敏度 亦減小，這就是電壓放大型壓電傳感器的輸出信號(hào)不適合于遠(yuǎn)距離傳送的根本原因之所在。 第86頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五2、電荷放大型壓電傳感器 Cc、 Ga、 Ra 分別為壓電元件的等效電容、電導(dǎo)和電阻；Ci、Gi 分別為放

52、大器的輸入電容和電導(dǎo)； Cf 、 Gf 、 Rf 分別是反饋電容、電導(dǎo)、電阻； Q 壓電元件的輸出電荷；Ui 放大器的輸入電壓； U0放大器的輸出電壓； A 放大倍數(shù)；Cc 電纜的分布電容。(a)基本電路 (b)等效電路 圖3-27 電荷放大型壓電傳感器的電路原理圖第87頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 圖3-27是電荷放大型壓電傳感器的電路原理圖。據(jù)此可得到等效電路的方程為： 式(3-45)表明，只要放大器的放大倍數(shù)A足夠大，式(3-45)分母中的 ， 1）時(shí)，氧離子濃度較大，二氧化鈦呈現(xiàn)低阻狀態(tài)；2. 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣濃（1）時(shí)，氧離子濃度較小，在催化劑鉑的作用下，

53、氧離子進(jìn)一步耗掉，二氧化鈦呈現(xiàn)高阻狀態(tài)；3. 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣的=1左右時(shí)，在催化劑鉑的作用下，二氧化鈦的電阻產(chǎn)生突變。第94頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五氧化鈦式EGO工作條件（1）發(fā)動(dòng)機(jī)溫度高于60；（2）氧傳感器溫度高于600；（3）發(fā)動(dòng)機(jī)工作在怠速工況和部分負(fù)荷工況。 閉環(huán)控制第95頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五氧傳感器EGO使用1. 老 化 冷起動(dòng)或大負(fù)荷工況下，排氣中過(guò)剩的燃油在氧傳感器表面燃燒，形成碳粒造成氧傳感器保護(hù)層剝落，高溫加速老化。2. 鉛中毒 燃油或潤(rùn)滑油添加劑中的鉛離子與氧傳感器的鉑電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致催化劑鉑的

54、催化性能降低的現(xiàn)象，稱為鉛中毒。 3. 硅中毒 發(fā)動(dòng)機(jī)上的硅密封膠、硅樹(shù)脂成型部件、鑄件內(nèi)的硅離子與氧傳感器的鉑電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致催化劑鉑的催化性能降低的現(xiàn)象，稱為硅中毒。 4. 磷中毒 潤(rùn)滑劑、防銹劑和清洗劑中磷化物污染氧傳感器的現(xiàn)象，稱為磷中毒。 5. 中毒結(jié)果：鉑電極的催化性能降低6. 中毒現(xiàn)象：油耗顯著增加7. 防止措施：汽車行駛80 000km，更換氧傳感器。 第96頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五捷達(dá)、桑塔納氧傳感器EGO檢修圖365 桑塔納2000GSi、捷達(dá)AT、GTX型轎車EGO插頭與插座（a） 插頭（傳感器一側(cè)）；（b） 插座（ECU一側(cè)）1加

55、熱元件正極；2加熱元件負(fù)極；3信號(hào)電壓負(fù)極；4信號(hào)電壓正極 1. 檢測(cè)加熱元件電阻：R1215 （插頭1、2）2. 檢測(cè)氧傳感器電源電壓：U1211V（插座1、2，接通開(kāi)關(guān)）3. 檢測(cè)氧傳感器信號(hào)電壓：信號(hào)變化頻率：f 10次/min催化器第97頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 第五節(jié) 磁電式傳感器 磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理工作的，即：當(dāng)閉合回路中的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小與磁通量的變化率 有關(guān)，即： (3-46) 式中： 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)； 導(dǎo)電回路中線圈的匝數(shù)； 穿越線圈磁通量的變化率。 若被測(cè)量的變化能引起 的變化則可以制造出磁電式傳感器

56、。改變 可以有三種方式，即移動(dòng)線圈、移動(dòng)磁鐵及改變磁阻，于是便有 動(dòng)圈式磁電傳感器 動(dòng)鐵式磁電傳感器 磁阻式磁電傳感器。第98頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 一、動(dòng)卷式和動(dòng)鐵式磁電傳感器 由相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理知，動(dòng)卷式和動(dòng)鐵式磁電傳感器實(shí)質(zhì)上是同一種傳感器，由于這類傳感器的磁場(chǎng)一般都由永磁體提供，因此又將其稱為恒定磁場(chǎng)式磁電傳感器。 動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式磁電傳感器常用于速度和轉(zhuǎn)速的測(cè)量，其測(cè)速原理如圖3-29所示。 (a)線速度型 (b)轉(zhuǎn)速型圖3-29 動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式磁電傳感器第99頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 1、線速度型 圖3-29(a)是一

57、種線速度型傳感器的工作原理圖，當(dāng)磁體相對(duì)線圈直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： 則速度V為： （3-47） 式中：N 線圈的有效匝數(shù)； B 磁場(chǎng)強(qiáng)度； L 單匝線圈導(dǎo)線的長(zhǎng)度； V 磁體相對(duì)線圈運(yùn)動(dòng)的速度。 對(duì)于某一具體傳感器而言，L、N 、B 均為常數(shù)，磁體的移動(dòng)速度V與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)成正比。第100頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 2、轉(zhuǎn)速型 圖3-29(b)是轉(zhuǎn)速型傳感器的工作原理圖，在磁場(chǎng)中以 的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： 則速度為： （3-48） 式中：k 與結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，k 。當(dāng)此兩種導(dǎo)體接觸時(shí)，自由電子密度高的A導(dǎo)體擴(kuò)散到自由電子密度低的B

58、導(dǎo)體中的自由電子比B導(dǎo)體擴(kuò)散到A導(dǎo)體中的自由電子多，A導(dǎo)體因失去電子而帶正電，B導(dǎo)體因得到電子而帶正電。如此在接觸面處便形成了電場(chǎng),此電場(chǎng)阻止電子的進(jìn)一步擴(kuò)散而達(dá)到平衡時(shí)，在A和B導(dǎo)體之間便形成了電位差，即接觸電動(dòng)勢(shì)eAB(T)。 （3-52） 式中：eAB(T)導(dǎo)體A，B在接觸溫度為T時(shí)的接觸電動(dòng)勢(shì)； e 電子電荷， e 1.610-19 C ； K 波爾茲曼常熟， K 1.38 10-23J/K； ， 導(dǎo)體A，B的自由電子密度。第112頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 2、單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì) 對(duì)于單一導(dǎo)體，如果兩端溫度分別為 ， ，且 ，側(cè)在溫度為T的高溫端，由

59、于導(dǎo)體的自由電子具有較高的動(dòng)能而向低溫端擴(kuò)散。高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因得到電子而帶負(fù)電，即在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)稱為單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì) 。 （3-53） 式中： 導(dǎo)體A兩端的溫度為T， 時(shí)的溫差電動(dòng)勢(shì)； 湯姆遜系數(shù)，同一導(dǎo)體兩端溫差為 時(shí)，所產(chǎn)生的溫差電 動(dòng)勢(shì)； ， 高，低端的絕對(duì)溫度。第113頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 3、熱點(diǎn)偶的總電動(dòng)勢(shì) 圖3-32是兩種不同導(dǎo)體材料所組成的閉合回路，兩個(gè)接點(diǎn)的溫度分別為T和T0，其中溫度為T的接觸點(diǎn)用于測(cè)溫，稱為熱端，另一端是測(cè)溫的參考點(diǎn)，稱為冷端。在閉合回路中的總電動(dòng)勢(shì) 為： 式中： 熱端接觸電

60、動(dòng)勢(shì)； B導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)； 冷端接觸電動(dòng)勢(shì)； A導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)。 圖 3-32 熱電偶總 電動(dòng)勢(shì)第114頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 4、熱點(diǎn)偶基本定理 有了前面對(duì)熱電偶測(cè)溫原理的分析及熱電偶總電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算式仍無(wú)法進(jìn)行溫度的測(cè)量，因?yàn)椋簻囟刃盘?hào)無(wú)法引出，進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)還需知道冷端溫度所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。為了解決這些問(wèn)題，需了解熱電偶的基本定律。 中間導(dǎo)體定理 中間溫度定理 參考電極定理 第115頁(yè)，共154頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)38分，星期五 中間導(dǎo)體定理 若在熱電偶中接入第三種導(dǎo)體，只要該導(dǎo)體兩端的溫度相等，則熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)不變，同理，接入第四，