汽车电子学-传感器-钟再敏

目录同济大学汽车学院CollegeofAutomotive,TongjiUniversity车用传感器AutomotiveSensors1.车用传感器概述2.传感器分传感器及其工作原理类3.位置测量传感器及其工作原理4.速度转速传感器及其工作原理5.温度传感器及其工作原理6.电流传感器及其工作原理2目录汽车电子学车用传感器AutomotiveSensors车用传感器1.车用传感器概述2.传感器分传感器及其工作原理类3.位置测量传感器及其工作原理4.速度转速传感器及其工作原理5.温度传感器及其工作原理6.电流传感器及其工作原理3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．2002．4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5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6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7目录汽车电子学车用传感器AutomotiveSensors车用传感器1.车用传感器概述2.传感器分传感器及其工作原理类3.位置测量传感器及其工作原理4.速度转速传感器及其工作原理5.温度传感器及其工作原理6.电流传感器及其工作原理8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9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10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111)按被测量分类机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩传感器分类和组成传感器的分类12机械式,电气式,光学式,流体式等.2)按工作的物理基础分类:传感器分类和组成传感器的分类13能量转换型和能量控制型.3)按信号变换特征:能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.传感器分类和组成传感器的分类144)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.传感器分类和组成传感器的分类15目录汽车电子学车用传感器AutomotiveSensors车用传感器1.车用传感器概述2.传感器分传感器及其工作原理类3.位置测量传感器及其工作原理4.速度转速传感器及其工作原理5.温度传感器及其工作原理6.电流传感器及其工作原理16位置测量传感器及其工作原理•位置传感器采集不同形式运动部件的行程位置和角度位置，它在汽车用的所有传感器中居首位。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°车用位置传感器也用来间接测量一些变量，如扭矩、流量、转速等。17利用金属导线电阻或薄膜电阻的长度与电阻值的正比对应关系实现对位置的测量，这是典型的结构型传感器。•1变阻器式传感器位置测量传感器及其工作原理1lLRExREEE11/xLEE18位置测量传感器及其工作原理•如图所示，利用滑动变速器Rl和电压表V测量一位置，R0为保护电阻。测量电路的总电压为12V。滑动变阻器电压表内阻。计算测量电压El对应位置x的关系。•例题：变阻器式传感器的负载效应Ω500R1cml10Ω100R0Ω1000RvvlvxvlxvxvxxlvxvxvxlRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRERRREE0020)()//(//总解：lxRlxR600805.26002xxxElΩ500R1cml10Ω100R0Ω1000Rv代入19变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器,它的电容量为:0AC+++Aδ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。•2电容式传感器位置测量传感器及其工作原理20a)极距δ变化型+++AC0+++位置测量传感器及其工作原理•2电容式传感器b)面积变化型c)介质变化型角位移型平面线位移型柱面线位移型.21位置测量传感器及其工作原理AC•例题：比较不同测量原理的灵敏度解：根据灵敏度定义公式和电容公式()dysxdx可以分别求出相对面积，间隙和介质的介电常数的灵敏度对与面积()dCsAdA对与间隙2()dCAsd对与间隙()dCAsd常数常数间隙的灵敏度22测量电路a)电桥电路b)谐振电路LCfπ210c)运算放大器电路位置测量传感器及其工作原理•2电容式传感器23无接触式位置传感器，其基本工作原理是将位移变化转化为等效阻抗或差动阻抗变化，通过在线圈输入端输入交变激励信号可测得上述阻抗值，进而实现对位置测量分类: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感器及其工作原理•3磁感式传感器24a)自感型--可变磁阻式（活动铁芯式）位置测量传感器及其工作原理•3磁感式传感器•活动铁芯式传感器的基本原理改变气隙的长度来改变磁通量的大小。由于激励线圈在电路中相当于一个电感，所以最后可以通过对电感变化的测量得到位置的变化。•例题：活动铁芯式位置传感器的基本表达式和其灵敏度解：根据磁路欧姆定律：mmRINRF磁阻有两部分组成，分别是铁芯和气隙。由磁阻公式：0/mRlS其中为相对磁导率，为真空中的磁电导率025位置测量传感器及其工作原理•例题：活动铁芯式位置传感器的基本表达式和其灵敏度由于铁芯的磁阻相对于空气的磁阻可以忽略不计。空气的相对磁导率为1。02/mFINRA式中A为气隙的横截面积，再由电感公式202NAdLNdI其灵敏度为202()2NAdLsd代入得到图像。704105210Am100N26b)自感型--涡流式原理:涡流效应涡流效应是指处于交变磁场中的闭合铁芯会产生感应电流，形成涡电流。涡电路会部分抵消线圈产生的磁场，使敏感元件励磁线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。),,,(ZZ原线圈的等效阻抗Z变化：位置测量传感器及其工作原理•3磁感式传感器27位置测量传感器及其工作原理•例题：涡流式位置传感器的基本表达式•有一个扁平线圈距离金属导体x的距离，线圈两段加以的电压,线圈于金属导体之间可以定一个互感系数M，它随x的减小而增大。求等效阻抗的表达式。UIMjILjIR21111012222IMjILjIRtUUsin~解：把导体看成一个短路线圈，将其结构简化为如右图的电路图。根据克西荷夫定律：式中R1、L1——线圈的电阻和电感；R2、L2——金属导体的电阻和电感28位置测量传感器及其工作原理•例题：涡流式位置传感器的基本表达式22222221222222211)()(LLRMLjRLRMRUI2222222122222221)()(LLRMLjRLRMRZ22222221)(RLRMRR22222221)(LLRMLL解得由表达式我们可以看出线圈受到涡电流影响后的等效阻抗为等效电阻等效电感29c）互感型WW1W2Esx-x工作原理:互感现象.位置测量传感器及其工作原理•3磁感式传感器EwEout30目录汽车电子学车用传感器AutomotiveSensors车用传感器1.车用传感器概述2.传感器分传感器及其工作原理类3.位置测量传感器及其工作原理4.速度转速传感器及其工作原理5.温度传感器及其工作原理6.电流传感器及其工作原理31速度转速传感器及其工作原理•转速和速度传感器测量单位时间哪物体转过的角度或者移动的位移。在汽车上大多测量两物体间或相对道路的相对角度或相对位移。主要测量原理静磁式磁敏磁阻型霍尔式光电式电磁感应式32sinIBKVHH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/转速传感器及其工作原理1霍尔式:33汽车速度测量:速度/转速传感器及其工作原理1霍尔式:34分类电磁感应式动圈式磁阻式线速度型角速度型N速度/转速传感器及其工作原理1电磁感应式:电磁感应式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。它所利用的就是法拉第电磁感应现象，即变化磁通量产生感应电动势的现象。351例题：推导测速电机转速与电压的关系式。速度/转速传感器及其工作原理•电磁感应式的代表就是测速电机。是属于动圈式角速度型传感器。•测速电机的结构类似于永磁交流发电机，其简化结构如图所示，其发电线圈于被测物体的轴心相连。其感应电势e于磁通量Φ的变化率成正比，即：dtdNe•设线圈转速为n，那么穿越线圈的磁通量为tnBS602sintnNBSndtde30cos30感应电动势36光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。内光电效应半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应。速度/转速传感器及其工作原理3光电式传感器外光电效应在电磁波的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发向外发射而形成电流。+++---PN光敏电阻光电池37速度/转速传感器及其工作原理1---光源；2---柱面镜；3---码盘；4---狭缝；5--