汽車試驗學課件 第3章 汽車測試系統(tǒng)的傳感器1

第3章

汽車測試系統(tǒng)的傳感器課件制作：許兆棠汽車試驗學（許兆棠主編）機械工業(yè)出版社3.1電阻應變片式傳感器3.2壓阻式傳感器3.3電容式傳感器3.4電渦流式傳感器3.5壓電式傳感器3.6磁電式傳感器3.7霍爾式傳感器3.8光電式傳感器講授內(nèi)容3.9熱電式傳感器3.10圖像式傳感器3.11軸角編碼器3.12超聲波傳感器3.13激光雷達3.14毫米波雷達3.15全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)3.16北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)3.1電阻應變片式傳感器1.金屬電阻絲應變片的基本構(gòu)造

金屬電阻絲應變片由細長的金屬電阻絲構(gòu)成線柵，電阻絲是應變片的敏感元件，其直徑0.025mm左右，材料為銅鎳合金、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金和康銅等?；缀蜕w片膠接，電阻絲在基底和蓋片之間。應變片是通過在基底的下表面涂膠粘貼在被測零件上的，引線則通過焊接等方式與下級變換電路連接。圖3-1金屬電阻絲應變片的基本構(gòu)造2.金屬電阻絲應變片的工作原理

由電阻定律可知，一根金屬導線的電阻R與其長度L、橫截面積A和電阻率ρ的關系為

對式（3-1）微分，得（3-1）（3-2）

將式（3-1）代入式（3-2），再將等式兩邊再同除以R得（3-3）

將

、

代入式（3-3），得（3-4）2.金屬電阻絲應變片的工作原理

式中，

的值很小，可以忽略不計，由式（3-4）得

令

，

為靈敏系數(shù)，泊松比

是常數(shù)，則

也是常數(shù)；由式（3-5）得（3-5）（3-6）

與

成正比，并且具有線性關系。

工作時，金屬電阻絲應變片粘貼在被測零件的表面上，被測零件的表面產(chǎn)生應變

，這個應變可能是由力、力矩、壓強、位移、溫度或加速度等物理量作用在被測零件上產(chǎn)生的，根據(jù)式（3-6），應變片將應變轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚档淖兓?，應變片接在電路中，可進一步轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐返妮敵鲭妷夯螂娏鞯淖兓?，實現(xiàn)對作用被測零件上的力、力矩等測量。

金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大。2.金屬電阻絲應變片的工作原理3.電阻應變片式傳感器的應用

（1）圓柱式力傳感器

圖3-2所示為一種圓柱式力傳感器，通常稱為拉壓傳感器。

a)圓柱式力傳感器

b)應變片的粘貼

c)橋式測量電路

圖3-2圓柱式力傳感器及應變片的粘貼和橋式測量電路3.電阻應變片式傳感器的應用

圓柱式力傳感器用于稱重儀，如地磅、電子稱，測量汽車的重量、軸荷，測量發(fā)動機燃油消耗率試驗中燃油的重量。原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。應變式數(shù)顯扭矩扳手測拉力應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置FR1R2R4汽車衡汽車衡稱重系統(tǒng)汽車衡稱重系統(tǒng)汽車衡3.電阻應變片式傳感器的應用

（2）梁式力傳感器

圖3-3所示為一種梁式力傳感器。載荷

作用于梁上，使梁產(chǎn)生彎曲，電阻應變片貼在梁的上、下表面上，測量梁的上、下表面的彎曲應力；載荷

為交變載荷時，使梁產(chǎn)生彎曲振動，電阻應變片測量梁的彎曲振動。圖3-3梁式力傳感器

同理，將電阻應變片貼在汽車的車架的上、下表面上，則可用于測量車架的上、下表面的彎曲應力和車架的彎曲振動。3.2壓阻式傳感器1.壓阻式傳感器的構(gòu)成

壓阻式傳感器的構(gòu)成如圖3-4所示，在單晶硅的基片上用擴散工藝制成一定形狀的應變元件，構(gòu)成壓阻式傳感器。壓阻式傳感器受壓力

后，其電阻率圖3-4壓阻式傳感器的構(gòu)成1單晶硅的基片2壓敏電阻（3-7）進一步得壓阻式傳感器電阻的變化

與成正比。當壓阻式傳感器連接到電路中且受到壓力作用時，壓阻式傳感器的電阻發(fā)生變化，從而使輸出電壓發(fā)生變化。（3-8）2.壓阻式傳感器的應用

壓阻式傳感器用于發(fā)動機進氣管的壓力測試。硅膜片封裝在真空室內(nèi)，一側(cè)作用的是進氣歧管壓力，另一側(cè)為絕對真空，如圖3-5(a)所示。硅膜片是壓力轉(zhuǎn)換元件，在圓形薄膜片的表面制作四只梳狀阻值相等的半導體壓阻式傳感器，四只壓阻式傳感器連接成惠斯頓電橋電路。在進氣管壓力下，硅膜片產(chǎn)生應變，壓阻式傳感器的阻值發(fā)生變化，導致電橋輸出電壓變化，集成電路將此電壓信號放大后送至ECU。圖3-5進氣管上半導體壓阻式傳感器及硅膜片的結(jié)構(gòu)3.3電容式傳感器1.電容式傳感器的工作原理

在一對相距很近、平行相對的電極板兩側(cè)施加電壓，在兩極板之間的區(qū)域內(nèi)將產(chǎn)生均勻的等強電場，兩極板會帶上等量異號電荷，這對極板就構(gòu)成了一個典型的平行板電容器，如圖3-6所示。平行板電容器的電容值C為（3-9）

根據(jù)式（3-9），如果被測量能使電容器結(jié)構(gòu)參數(shù)中的S、d或

中的任一項變化，那么電容值C就會發(fā)生變化。測量電路將這個電容變化進一步轉(zhuǎn)換為電流、電壓或頻率等輸出信號，根據(jù)輸出信號的特性，就可求得被測量的大小。圖3-6平行板電容器2.電容式傳感器在聲級計中的應用

在汽車噪聲的測量中，廣泛使用聲級計，精密聲級計的核心就是一個電容式傳感器，稱為電容式微音器，其實質(zhì)就是一個微形話筒，如圖3-7所示。振動膜片作為電容器的活動極板，在被測噪聲的聲壓下發(fā)生位移，根據(jù)式（3-9），微音器的電容發(fā)生變化，測量電路將這個電容變化進一步轉(zhuǎn)換為電壓信號；背板是固定極板。外殼和中心電極分別為振動膜片和背板提供連接線，絕緣體起支承定位作用。圖3-7電容式微音器

電容式傳感器在進氣歧管壓力測量中的應用

電容式傳感器用于D型電控發(fā)動機噴射系統(tǒng)中，測量進氣歧管中流動空氣的壓力。1接進氣歧管，整個傳感器外表面處于該氣體壓力環(huán)境中。兩個氧化鋁膜片5都可以在氣壓變化下運動。厚膜電極2和4構(gòu)成電容器的兩個極板。3是內(nèi)部填充的絕緣介質(zhì)。進氣壓力的波動轉(zhuǎn)變成電容值的變化，該電容參與構(gòu)成一個振蕩器諧振電路，其輸出信號的頻率與進氣歧管壓力成正比，從而測出進氣歧管中空氣的壓力。電容式進氣壓力傳感器2.電容式傳感器在聲級計中的應用電容式加速度傳感器固定電極固定電極質(zhì)量塊m質(zhì)量塊m

彈簧片+?C-?C加速度傳感器在汽車中的應用

加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當測得的負加速度值超過設定值時，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。裝有傳感器的假人氣囊汽車氣囊的保護作用使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。汽車氣囊對駕駛員的保護作用汽車氣囊傳感器3.4電渦流式傳感器1.電渦流式傳感器的工作原理

線圈置于金屬板附近，距離為d，當線圈中通以高頻交變電流i時，便在線圈周圍產(chǎn)生交變磁通

。此交變磁通通過金屬板時，金屬板上便產(chǎn)生電渦流i1，該電渦流也將產(chǎn)生交變磁通

，根據(jù)楞次定律，電渦流的交變磁場與線圈的磁場變化相反，

總是抵抗

的變化。當電渦流磁場的作用變化時，使原線圈的等效阻抗發(fā)生變化，并使流過線圈的電流大小和相位都發(fā)生變化。金屬板到線圈距離d的變化，金屬板的裂紋、齒輪等的結(jié)構(gòu)變化，均會引起電渦流磁場的變化，也即均將其變化轉(zhuǎn)變?yōu)榫€圈的電流大小和相位的變化，根據(jù)線圈的電流大小和相位的變化，獲得被測參數(shù)。圖3-8

電渦流式傳感器的工作原理2.電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)

電渦流式傳感器如圖3-9所示，線圈繞在聚四氟乙烯的線圈架上，保護套包圍線圈和線圈架，線圈架與螺桿連接，螺桿和螺母用于固定電渦流式傳感器。圖3-9電渦流式傳感器2.電渦流式傳感器的應用

電渦流式傳感器能非接觸測量，用于測量材料厚度、振幅和振動頻率、位移、探傷、轉(zhuǎn)速等。圖3-10電渦流式傳感器的應用a)測量制動盤的厚度b)測量傳動軸彎曲振動的振幅和頻率c)測量離合器壓盤的軸向跳動d)探傷離合器壓盤的裂紋

e)測量轉(zhuǎn)速2.電渦流式傳感器的應用測量振動

測量傳動軸彎曲振動的振幅測量制動盤的軸向跳動2.電渦流式傳感器的應用

測量軸膨脹測量流量3.5壓電式傳感器1.壓電效應和壓電材料

壓電式傳感器的工作原理是壓電效應。指某些材料當沿著一定的方向?qū)ζ涫┘訅毫Γɑ蚶Γ〧x時，材料不僅發(fā)生機械變形，而且內(nèi)部發(fā)生極化，在兩側(cè)表面出現(xiàn)等量的異號電荷，電荷量與壓力大小成正比。當外力去掉后，該材料又重新回到不帶電的狀態(tài)，具有這樣特性的材料為壓電材料。a)受壓力b)受拉力圖3-11壓電效應1.壓電效應和壓電材料

壓電式傳感器是一種發(fā)電式傳感器，這種壓電材料相當于一個對壓力敏感的電荷源，壓力越大，產(chǎn)生的電荷越多。電荷量

與壓力

的關系式可表達為

傳感器內(nèi)的壓電材料常被稱為壓電元件、壓電晶體或壓電晶片。常見的壓電材料有石英(Si02)、壓電陶瓷（鈦酸鋇BaTi03和鋯鈦酸鉛PZT等）和聚二氟乙烯(PVF2)高分子薄膜等。壓電陶瓷的壓電系數(shù)高，可以測量較小的力；但是并不適用于有高穩(wěn)定性要求的測量。（3-10）2.壓電式加速度傳感器及其應用

壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)：兩片壓電晶片，其間放置一金屬片，一條引線5焊接在金屬片上，另一條引線與基座相連。壓電晶片上裝有一塊密度較大的金屬質(zhì)量塊2，并用剛度很大的壓緊彈簧1對其預加載荷。壓電式加速度傳感器的工作原理：測量時，傳感器基座與被測件連接，當被測試件作加速度運動時，質(zhì)量塊產(chǎn)生正比于加速度的慣性力作用于壓電晶片上，并在晶片產(chǎn)生相應的電荷。電荷經(jīng)電荷放大器放大和阻抗變換后，再用一般測量電路處理，最終在顯示器上顯示出加速度的大小。

壓電式加速度傳感器的應用：在汽車平順性試驗中，用壓電式加速度傳感器測量汽車振動的振幅和頻率。在發(fā)動機燃燒試驗中，用壓電式加速度傳感器測量發(fā)動機的爆震，發(fā)動機爆震時，傳感器輸出最大電壓信號。圖3-12壓電式加速度傳感器的結(jié)造1壓緊彈簧2質(zhì)量塊3壓電晶片4機座5引出線2.壓電式加速度傳感器及其應用爆振測量3.壓電電纜式傳感器及其應用

壓電電纜通過環(huán)氧樹脂粘接在薄膜中間，薄膜保護壓電電纜，并與壓電電纜成為一體；壓電電纜與前置放大器連接，前置放大器放大壓電電纜的輸出電壓，成為信號傳輸裝置可接受的電壓。圖3-14壓電電纜式傳感器測量汽車的軸荷和車速圖3-13壓電電纜式傳感器

將兩根壓電電纜相距2米，平行埋設于瀝青公路的路面下約5cm處，汽車通過壓電電纜，壓電電纜中的電荷量與汽車的軸荷成正比，從而測得汽車的軸荷；根據(jù)車輪通過壓電電纜時產(chǎn)生的電信號，測得車輪通過兩根壓電電纜的時間，再根據(jù)兩根壓電電纜間的距離為2米，由速度公式，計算出汽車的車速；還可根據(jù)壓電電纜的電信號，判定汽車的軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎等，為交通監(jiān)控提供數(shù)據(jù)。高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

高分子壓電電纜的應用演示

將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲在計算機內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。

交通監(jiān)測

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機場滑行道等。高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應），可用于測量汽車噪聲3.6磁電式傳感器1.電磁感應

磁電式傳感器是一種發(fā)電式傳感器，其工作原理是電磁感應或稱電磁效應。由法拉第電磁感應定律可知：通過閉合回路面積內(nèi)的磁通量發(fā)生變化時，回路內(nèi)會產(chǎn)生感應電動勢，其大小正比于磁通量的變化率，可表達為（3-11）2.磁電式傳感器的工作原理

線圈繞在磁鐵外面，齒輪安裝在軸上并隨軸轉(zhuǎn)動，輪齒和齒槽通過線圈的下方時，空氣間隙發(fā)生變化，線圈中的磁通量發(fā)生變化，在線圈中感應出波動的電壓并輸出，波峰的個數(shù)與齒輪的齒數(shù)相等，波動的電壓經(jīng)整形電路整形后送入計數(shù)電路，時間間隔內(nèi)的脈沖個數(shù)k，齒輪的齒數(shù)z，k

個脈沖對應齒輪轉(zhuǎn)過k

/z圈或轉(zhuǎn)，t秒時間間隔內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)過k

/zt圈或轉(zhuǎn),再考慮轉(zhuǎn)速的單位為轉(zhuǎn)/分或圈/分，得齒輪的轉(zhuǎn)速為60k

/zt；又根據(jù)角速度的定義及頻率f=k/t，可得角速度的計算公式；即齒輪的轉(zhuǎn)速n

及角速度的計算公式：（3-12）（3-13）圖3-16線圈中波動的電壓圖3-15磁電式傳感器的工作原理3.磁電式傳感器的應用

磁電式傳感器用于發(fā)動機的曲軸、ABS系統(tǒng)的車輪的角速度或轉(zhuǎn)速的測量，如果再接入微分或積分電路，也可以測量角加速度或角位移。3.磁電式傳感器的應用圖3-18輸出電壓

與輸出電壓

的時間差圖3-17磁電式傳感器測量功率的工作原理

磁電式傳感器還用于功率的測量，兩個相同的磁電式傳感器及齒輪平行安裝，齒輪固定在扭桿的兩端。軸轉(zhuǎn)動時，磁電式傳感器1輸出電壓

，磁電式傳感器5輸出電壓

，由于扭桿的扭轉(zhuǎn)，使齒輪4和齒輪1之間有相對扭轉(zhuǎn)角

，又由于兩個相同的磁電式傳感器及齒輪平行安裝及扭桿的扭轉(zhuǎn)，使輸出電壓

有時間差

，如圖3-18所示，對于轉(zhuǎn)動的齒輪來說，表現(xiàn)為輸出電壓

的相位差。通過相位檢測電路，可測得輸出的相位差，再由輸出電壓

的相位差與齒輪4和齒輪1之間相對扭轉(zhuǎn)角的標定關系，得齒輪4和齒輪1之間的相對扭轉(zhuǎn)角

。（3-14）3.磁電式傳感器的應用圖3-18輸出電壓

與輸出電壓

的時間差圖3-17磁電式傳感器測量功率的工作原理

扭桿的直徑

d和扭桿L的長度

可由扭桿測得，剪切彈性模量G可由機械設計手冊中查得或由試驗得到，這樣，由式（3-14）可計算得到軸中的扭矩

T；由磁電式傳感器1或磁電式傳感器5可測得軸的角速度

，進一步可計算得軸傳遞的功率（3-14）

由材料力學得，軸中的扭矩（3-15）3.磁電式傳感器的應用3.7霍爾式傳感器

1.霍爾效應

霍爾效應原理如圖3-19所示。長度l、寬度b、厚度d的N型半導體薄片（N型半導體為電子型），處在磁感應強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，在薄片長度方向上施加控制電流I，那么在垂直于磁場和電流所形成的平面的方向（即圖中寬度方向）上，將產(chǎn)生電動勢UH?；魻栯妷汗綖閳D3-19霍爾效應原理（3-16）

將霍爾元件的霍爾