汽车电子学车用传感器概述

目目 录录同济大学 汽车学院College of Automotive,Tongji University车用传感器车用传感器Automotive Sensors1.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目目 录录汽车电子学车用传感器车用传感器AutomotiveAutomotive Sensors Sensors车用传感器车用传感器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2车用传感器概述车用传感器概述 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科学是从测量开始的”-门捷列夫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 3发动机：发动机：向发动机的电子控制单元（向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，）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，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。豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。底底 盘：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、油温车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车车 身：身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等提高汽车的安全性、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 车用传感器概述车用传感器概述检测技术在汽车中的应用日新月异4车用传感器概述车用传感器概述温度传感器温度传感器 冷却水、吸气、排气、车内外空气、发动机机油冷却水、吸气、排气、车内外空气、发动机机油流量传感器流量传感器 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、轮胎气压压、轮胎气压位置传感器位置传感器 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、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、转向转向液位传感器液位传感器 冷却水、燃油、机油、电解液、制动液、洗窗器液冷却水、燃油、机油、电解液、制动液、洗窗器液速度、加速度传感器速度、加速度传感器 发动机转速、车速、轮速、加速度、负加速度发动机转速、车速、轮速、加速度、负加速度其他传感器其他传感器 气体浓度传感器、爆震、湿度、电流、雨滴、光照、转矩气体浓度传感器、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5车用传感器概述车用传感器概述汽车常用传感器空气质量流量传感空气质量流量传感器器压力传感器压力传感器加速度传感器加速度传感器胎压传感器胎压传感器6目目 录录汽车电子学车用传感器车用传感器AutomotiveAutomotive Sensors Sensors车用传感器车用传感器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7 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。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分类和组成传感器测量原理传感器测量原理8传感器分类和组成传感器分类和组成 “传感器传感器”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。号调节与转换电路作为传感器的组成部分。V传感器定义传感器定义思考题：请列举你已知的传感器转换原理思考题：请列举你已知的传感器转换原理9分类法分类法型式型式说说 明明按构成原理分类按构成原理分类结构型结构型物性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以转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系分类按能量关系分类能量转换型能量转换型能量控制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按工作原理分电阻式电阻式电容式电容式电感式电感式压电式压电式磁电式磁电式热电式热电式光电式光电式光纤式光纤式利用电阻参数变化实现信号转换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利用光纤特性参数变化实现信号转换按被测量分类按被测量分类长度、角度、振动、位移、长度、角度、振动、位移、压力、温度、流量、距离、压力、温度、流量、距离、速度等速度等以被测量命名（即按用途分类）以被测量命名（即按用途分类）按输出量分类按输出量分类模拟式模拟式数字式数字式输出量为模拟信号（电压、电流、输出量为模拟信号（电压、电流、）输出量为数字信号（脉冲、编码、输出量为数字信号（脉冲、编码、）传感器分类和组成传感器分类和组成传感器的分类传感器的分类101)1)按被测量分类按被测量分类机械量机械量:长度长度,厚度厚度,位移位移,速度速度,加速度加速度,旋转角旋转角,转数转数,质量质量,重量重量,力力,压力压力,真空度真空度,力矩力矩,风速风速,流速流速,流量流量;声声:声压声压,噪声噪声.磁磁:磁通磁通,磁场磁场.温度温度:温度温度,热量热量,比热比热.光：光：亮度，色彩亮度，色彩传感器分类和组成传感器分类和组成传感器的分类传感器的分类11机械式机械式,电气式电气式,光学式光学式,流体式等流体式等.2)2)按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类:传感器分类和组成传感器的分类12能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型.3)3)按信号变换特征按信号变换特征:能量转换型能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作.例如例如:热电偶温度计热电偶温度计,压电式加速度计压电式加速度计.能量控制型能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化.例如例如:电阻应变片电阻应变片.传感器分类和组成传感器分类和组成传感器的分类传感器的分类134)4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系:物性型物性型: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.如如:水银温度计水银温度计.结构型结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如例如:电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器.传感器分类和组成传感器分类和组成传感器的分类传感器的分类14目目 录录汽车电子学车用传感器车用传感器AutomotiveAutomotive Sensors Sensors车用传感器车用传感器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15位置测量传感器及其工作原理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，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。它在汽车用的所有传感器中居首位。测量参数测量参数测量范围测量范围汽油机上节气门角度汽油机上节气门角度90加速踏板、制动踏板角加速踏板、制动踏板角度度30燃油箱液面高度燃油箱液面高度2050cm离合器位置离合器位置50mm转向角度转向角度2360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。等。16 利用金属导线电阻或薄膜电阻的长度与电阻值的正比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。对应关系实现对位置的测量，这是典型的结构型传感器。1 1 变阻器式传感器变阻器式传感器位置测量传感器及其工作原理位置测量传感器及其工作原理1lLRExREEE11/xLEE17位置测量传感器及其工作原理位置测量传感器及其工作原理如图所示，利用滑动变速器如图所示，利用滑动变速器RlRl和电压表和电压表V V测量一位置，测量一位置，R0R0为保护电阻。为保护电阻。测量电路的总电压为测量电路的总电压为12V12V。滑动变阻器。滑动变阻器 电压表内阻电压表内阻 。计算测量电压。计算测量电压ElEl对应位置对应位置x x的关系。的关系。例题：变阻器式传感器的负载效应500R1cml10100R01000R vvlvxvlxvxvxxlvxvxvxlRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRERRREE0020)()/(/总解：解：lxRlxR 600805.26002xxxEl500R1cml10100R01000R v代入18变换原理变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化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两平行极板组成的电容器,它的电容量为它的电容量为:0AC+A、A A或或发生变化时，发生变化时，都会引起电容的变化。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位置测量传感器及其工作原理19a)a)极距极距变化型变化型+AC0+位置测量传感器及其工作原理位置测量传感器及其工作原理2 2 电容式传感器电容式传感器b)b)面积变化型面积变化型c)c)介质变化型介质变化型角位移型角位移型平面线位移型平面线位移型柱面线位移型柱面线位移型.20位置测量传感器及其工作原理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解：根据灵敏度定义公式和电容公式()dys xdx可以分别求出相对面积，间隙和介质的介电常数的灵敏度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对与面积()dCs AdA对与间隙对与间隙2()dCAsd 对与间隙对与间隙()dCAsd常数常数常数常数间隙的灵敏度间隙的灵敏度21 测量电路测量电路a)a)电桥电路电桥电路 b)b)谐振电路谐振电路 LCf210c)c)运算放大器电路运算放大器电路 位置测量传感器及其工作原理位置测量传感器及其工作原理2 电容式传感器22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得上述阻抗值，进而实现对位置测量分类分类:电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型位置测量传感器及其工作原理位置测量传感器及其工作原理3 3 磁感式传感器磁感式传感器23a)a)自感型自感型-可变磁阻式（活动铁芯式）可变磁阻式（活动铁芯式）位置测量传感器及其工作原理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。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 024位置测量传感器及其工作原理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。704105210Am100N 25b)b)自感型自感型-涡流式涡流式原理原理:涡流效应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。抗和品质因数发生变化。),(ZZ 原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：位置测量传感器及其工作原理位置测量传感器及其工作原理3 磁感式传感器26位置测量传感器及其工作原理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有一个扁平线圈距离金属导体x x的距离，线圈两段加的距离，线圈两段加以的电压以的电压 ,线圈于金属导体之间可以定线圈于金属导体之间可以定一个互感系数一个互感系数M M，它随，它随x x的减小而增大。求等效阻抗的的减小而增大。求等效阻抗的表达式。表达式。UIMjILjIR21111012222IMjILjIRtUUsin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27位置测量传感器及其工作原理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涡流式位置传感器的基本表达式22222221222222211)()(LLRMLjRLRMRUI2222222122222221)()(LLRMLjRLRMRZ22222221)(RLRMRR22222221)(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28c c）互感型互感型WW1W2Esx-x工作原理工作原理:互感现象互感现象.位置测量传感器及其工作原理位置测量传感器及其工作原理3 磁感式传感器EwEout29目目 录录汽车电子学车用传感器车用传感器AutomotiveAutomotive Sensors Sensors车用传感器车用传感器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30速度转速传感器及其工作原理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。角度或相对位移。主要测量原理主要测量原理静磁式静磁式磁敏磁阻型磁敏磁阻型霍尔式霍尔式光电式光电式电磁感应式电磁感应式31sinIBKVHH 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于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。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。霍尔效应霍尔效应 速度速度/转速传感器及其工作原理转速传感器及其工作原理1 霍尔式:32汽车速度测量汽车速度测量:速度速度/转速传感器及其工作原理转速传感器及其工作原理1 霍尔式:33分类分类 电电磁磁感感应应式式动圈式动圈式磁阻式磁阻式线速度型线速度型角速度型角速度型N速度速度/转速传感器及其工作原理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器。它所利用的就是它所利用的就是法拉第电磁感应法拉第电磁感应现象，即变化磁现象，即变化磁通量产生感应电通量产生感应电动势的现象动势的现象。341 例题：推导测速电机转速与电压的关系式。速度速度/转速传感器及其工作原理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。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。其感应电势发电线圈于被测物体的轴心相连。其感应电势e于磁通量于磁通量的变化率的变化率成正比，即：成正比，即：dtdNe 设线圈转速为设线圈转速为n，那么穿越线圈的磁通量为，那么穿越线圈的磁通量为tnBS602sin tnNBSndtde30cos30感应电动势感应电动势35 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。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。内光电效应内光电效应 半导体材料受到光照时会产生电子半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对空穴对,使其导电性能增强使其导电性能增强,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,称为内称为内光电效应光电效应 。速度速度/转速传感器及其工作原理转速传感器及其工作原理3 3 光电式传感器光电式传感器外光电效应外光电效应 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。射而形成电流。+-PN光敏电阻光敏电阻光电池光电池36速度速度/转速传感器及其工作原理转速传感器及其工作原理1-光源；光源；2-柱面镜；柱面镜；3-码盘；码盘；4-狭缝；狭缝；5-元件元件原理：平行光源原理：平行光源码盘码盘 光电元件光电元件电信号输出电信号输出 光学码盘式传感器光学码盘式传感器-用光电方法将被测角位用光电方法将被测角位移转化成数字电信号移转化成数字电信号 3 光电式传感器a)a)绝对编码器绝对编码器37测量电路测量电路：编码码制编码码制：十进制码十进制码-0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 二进制码二进制码-0000 0001 0010 0011 0100 格格 雷雷 码码-循环码：相邻两数只有一位不同循环码：相邻两数只有一位不同 每次只有一位变化每次只有一位变化转换转换 放大放大 足够电平足够电平，驱动，驱动整形整形 接近理想方波接近理想方波 细分细分 提高分辨率（光学提高分辨率（光学+电路）电路）多位码同时动作多位码同时动作同步误差同步误差错码错码读数直观，不易电路处理读数直观，不易电路处理直观，易于后续电路和计算机处理直观，易于后续电路和计算机处理速度速度/转速传感器及其工作原理转速传感器及其工作原理3 光电式传感器a)a)绝对编码器绝对编码器38结构结构：与绝对编码器类似与绝对编码器类似码道码道：最外：最外(A)-增量码道：透光扇形区增量码道：透光扇形区分辨率分辨率 中间中间(B)-辨向码道：错开半个扇形区辨向码道：错开半个扇形区 最内最内(Z)-零位码道：透光狭缝零位码道：透光狭缝基准脉冲基准脉冲应用应用：相对位置测量：相对位置测量-角度、直线位置，角度、直线位置，位移、速度测量位移、速度测量 特点特点：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，脉冲数字输出，测量范围无限脉冲数字输出，测量范围无限 速度不高（最高几千转速度不高（最高几千转/分）分）怕振动怕振动-丢数丢数速度速度/转速传感器及其工作原理转速传感器及其工作原理3 光电式传感器b)b)相对编码器相对编码器39目目 录录汽车电子学车用传感器车用传感器AutomotiveAutomotive Sensors Sensors车用传感器车用传感器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40温度传感器及其工作原理温度传感器及其工作原理温度传感器一般与被测介质直接、紧密地接触，以便可能精确地测量温度传感器一般与被测介质直接、紧密地接触，以便可能精确地测量介质温度。特定情况下也使用无接触式的温度传感器，器依据物体的介质温度。特定情况下也使用无接触式的温度传感器，器依据物体的热辐射，如热成像计等。热辐射，如热成像计等。几乎所有的物理特性几乎所有的物理特性(电阻，体积电阻，体积)都随温度变化，所以有很多测温方都随温度变化，所以有很多测温方法。但在实际应用中应满足的要求有：法。但在实际应用中应满足的要求有：温度灵敏度较高温度灵敏度较高；输入；输入-输出输出特性良好特性良好，较大的测温范围，较大的测温范围，环境适应性好，环境适应性好测量介质测温范围/冷却液-40130机油油温-40170废气1001000空调蒸发器-105041 温度温度分类分类:应用应用:测温测温接触测温接触测温非接触测温非接触测温热辐射测温热辐射测温热传导测温热传导测温压电效应压电效应热阻效应热阻效应热电势效应热电势效应金金 属属热电阻热电阻半导体半导体热敏电阻热敏电阻热电偶热电偶温温 度度传感器传感器压电陶瓷（热释电效应）压电陶瓷（热释电效应）敏感元件敏感元件 电参数电参数光电效应光电效应红外温度传感器红外温度传感器、光纤温度传感器、光纤温度传感器热电阻热电阻电涡流传感器电涡流传感器PNPN结热电效应结热电效应热敏二极管热敏二极管/三极管三极管、集成温度传感器集成温度传感器工作原理：工作原理：温度传感器及其工作原理温度传感器及其工作原理42 热电阻原理与特性热电阻原理与特性:要求：要求：（1）温度系数、电阻率较高）温度系数、电阻率较高 提高灵敏度，体积小，反应快提高灵敏度，体积小，反应快（2）理化性能稳定）理化性能稳定 提高稳定性和准确性，复现性好提高稳定性和准确性，复现性好 （3）良好的输入）良好的输入-输出特性输出特性 线性线性/接近线性，测量精度高接近线性，测量精度高（4）良好的工艺性）良好的工艺性 批量生产，降低成本批量生产，降低成本材料：纯金属材料：纯金属-铂、铜、镍、铁铂、铜、镍、铁（5）较大的测温范围）较大的测温范围 特别是在低温范围特别是在低温范围温度传感器及其工作原理温度传感器及其工作原理1.1.热电阻热电阻原理：热能原理：热能 热电阻热电阻 电阻值电阻值温度温度 热电阻热电阻 阻值阻值 43特点：特点：0 +850：)1(20BtAtRRt0 -200：)100(1 320ttCBtAtRRt应用：应用：(1)在高温和氧化介质中性能极为稳定，在高温和氧化介质中性能极为稳定，易于提纯，工艺性好易于提纯，工艺性好(2)输入输出特性接近线性输入输出特性接近线性(4)贵重金属，成本较高贵重金属，成本较高标准温度计，高精度工业测温，高低温测试标准温度计，高精度工业测温，高低温测试 构成：构成：金属铂丝金属铂丝(0.020.07mm)绕制成线圈绕制成线圈(3)测量精度高：测量精度高：0:1、0100:0.5、100650:0.5%R0：0时的温度时的温度 标准值标准值(Pt100,Pt500)a)铂电阻铂电阻(Pt)温度传感器及其工作原理温度传感器及其工作原理1.热电阻44特点：特点：-50 180：)1(320CtBtAtRRt应用：应用：(1)易于提纯，在易于提纯，在-50 150范围内性能稳定，价格低范围内性能稳定，价格低 (2)输入输出特性接近线性输入输出特性接近线性:(3)电阻率低（为铂电阻的电阻率低（为铂电阻的1/6），体积较大），体积较大(Cu50,Cu100)(4)高温易被氧化，易被腐蚀高温易被氧化，易被腐蚀(5)测量精度低于铂电阻：测量精度低于铂电阻：-5050:0.5、50150:1%小范围，较低温度，测量精度要求低，没有浸蚀性介质，代替铂小范围，较低温度，测量精度要求低，没有浸蚀性介质，代替铂 构成：构成：金属铂丝金属铂丝(0.020.07mm)绕制成线圈绕制成线圈b)铜电阻铜电阻(Cu)R0：0时的温度时的温度 标准值标准值温度传感器及其工作原理温度传感器及其工作原理1.热电阻45材料：材料：特点：特点：分类：分类：（1）温度系数大）温度系数大 灵敏度高灵敏度高 （为热电阻（为热电阻10100倍）倍）（2）结构简单，体积小）结构简单，体积小 可以测量点温度可以测量点温度（3）电阻率高、热惯性小）电阻率高、热惯性小 适于动态测温适于动态测温（4）易于维护、使用寿命长）易于维护、使用寿命长 适于现场测温适于现场测温（5）互换性差，非线性严重，精度低）互换性差，非线性严重，精度低 正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻(PTC)负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻(NTC)临界温度系数热敏电阻临界温度系数热敏电阻(CTR)半导体半导体-半导体热电阻半导体热电阻（6）成本低，应用广泛）成本低，应用广泛 温度传感器及其工作原理温度传感器及其工作原理2.热敏电阻TBTAeR非线性非线性 46测温原理测温原理热敏电阻热敏电阻例题：NTC热敏电阻的温度电阻关系和灵敏度已知一种热敏电阻的温度和电阻变化规律为)11(00)(TTBeRTR)(00TRR constKB5002000式中；判别它是那一种热敏电阻并画出温度电阻函数图像和灵敏度解：假设它在0时，具有的电阻量为1000欧姆；B取1000；()1000 exp 1000273(273)tR Tt21000()1000 exp 3.66(273)(273)tR Ttt 温度电阻关系式：灵敏度为：47测温原理测温原理热敏电阻热敏电阻例题：NTC热敏电阻的温度电阻关系和灵敏度可以看出其电阻温度变化曲线可近似表示成指数变化曲线。2/TBTK温度变化系数 ，电阻随温度变化剧烈减小，故称NTC负温度系数热敏电阻。48热敏电阻的应用热敏电阻的应用家用电器家用电器电熨斗、电冰箱、电饭煲、洗衣机、电暖壶、烘干机、电烤箱、电熨斗、电冰箱、电饭煲、洗衣机、电暖壶、烘干机、电烤箱、空调机、电热毯、热水器、热得快、电磁炉、空调机、电热毯、热水器、热得快、电磁炉、汽车电子汽车电子电子喷油嘴、空调机、发电机防热装置、电热座椅电子喷油嘴、空调机、发电机防热装置、电热座椅测量仪器测量仪器流量计、风速表、真空计、浓度计、湿度计、空气传感器、环境流量计、风速表、真空计、浓度计、湿度计、空气传感器、环境监测仪、监测仪、办公设备办公设备复印机、传真机、打印机、扫描仪复印机、传真机、打印机、扫描仪农业园艺农业园艺温室控制、人工气候箱、烘干系统、温室控制、人工气候箱、烘干系统、医疗器具医疗器具体温计、人工透析、散热系统体温计、人工透析、散热系统工业生产工业生产电动机过热保护、电动机过热保护、温度传感器及其工作原理温度传感器及其工作原理2.热敏电阻49温度传感器及其工作原理温度传感器及其工作原理3.热电偶(1)工作原理工作原理:温差电势：温差电势：TTAAdTTTE0),(0A-温差系数温差系数 TA,TB-A、B两节点绝对温度两节点绝对温度 BAABNNekTTEln)(k-波尔兹曼常数波尔兹曼常数 e-电子电荷量电子电荷量NA,NB-导体导体AB的自由电子密度的自由电子密度材料材料T-节点绝对温度节点绝对温度 接触电势：接触电势：不同导体不同导体自由电子密度不同自由电子密度不同扩散扩散帕尔帖电势电势 同一导体同一导体两端温度不同两端温度不同电子迁移（高电子迁移（高 低）低）汤姆逊汤姆逊电势电势 塞贝克效应，即如果在两根金属导线两端间有塞贝克效应，即如果在两根金属导线两端间有不同的温度不同的温度,则其两端形成热电势。则其两端形成热电势。帕尔贴帕尔贴接触接触电动势电动势 汤姆逊温差电动势汤姆逊温差电动势塞贝克塞贝克热电势热电势50温度传感器及其工作原理温度传感器及其工作原理若两种导体相同：若两种导体相同：A=B E=0若两端无温差：若两端无温差：T=T0 E=0 两种情况两种情况 TT0TTVTTABAAABdTNNekTTTETEE0ln),()(0导体不同导体不同两端温差两端温差测温条件测温条件 在由于电动势和温差的关系非常复杂，在实际应用时，一般使用一级在由于电动势和温差的关系非常复杂，在实际应用时，一般使用一级近似即可。其温差电动势为：近似即可。其温差电动势为：TCTTCUth)(12式中 C塞贝克系数，与材料特性相关的比例系数3.热电偶 51常用热电偶常用热电偶金属金属材料：材料：材料材料测温范围测温范围特点特点应用应用铂铹铂铹10纯铂纯铂0 1000 准确性高，成本高准确性高，成本高工业工业铱铹铱铹10纯铱纯铱0 2100 科学研究科学研究铱铹铱铹40铂铹铂铹400 1900 氧化、中性气体氧化、中性气体镍铁镍铁镍铜镍铜50 500 50 无电势无电势火灾报警火灾报警镍铬镍铬康铜康铜-200 900 各种场合各种场合镍铬镍铬镍硅镍硅-50 1300 电势大，线性好电势大，线性好各种场合、常用各种场合、常用铜铜康铜康铜-200 400 各种场合各种场合镍铬镍铬金铁金铁-270 10 低温低温铜铜金铁金铁-270 -250 灵敏度高灵敏度高低温低温温度传感器及其工作原理温度传感器及其工作原理3.热电偶 52(3)热电偶结构：热电偶结构：a)普通热电偶：普通热电偶：应用：测量气体、蒸汽、液体等介质温度应用：测量气体、蒸汽、液体等介质温度结构：结构：1-热电极热电极 2-绝缘套管绝缘套管 3-保护套管保护套管 4-接线盒接线盒 b)铠装热电偶：铠装热电偶：结构：热电极结构：热电极+绝缘材料绝缘材料 +金属保护套金属保护套特点：细长特点：细长(13mm)，可以弯曲，挠性好，强度高，可以弯曲，挠性好，强度高 测端热容量小，动态响应快测端热容量小，动态响应快(0.01s)，应用：适于狭小空间、点温度应用：适于狭小空间、点温度c)其他热电偶：其他热电偶：薄膜热电偶、浸入式热电阻、薄膜热电偶、浸入式热电阻、温度传感器及其工作原理温度传感器及其工作原理3.热电偶 53目目 录录汽车电子学车用传感器车用传感器AutomotiveAutomotive Sensors Sensors车用传感器车用传感器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54电流传感器及其工作原理电流传感器及其工作原理 为了改善环境污染，石油枯竭等状况，新能源汽车成了未为了改善环境污染，石油枯竭等状况，新能源汽车成了未来汽车的一个重要发展方向。来汽车的一个重要发展方向。新能源汽车一般都使用电动方式来代替传统发动机，那么新能源汽车一般都使用电动方式来代替传统发动机，那么电动汽车无接触式电流检测将成为汽车传感器的一个重要电动汽车无接触式电流检测将成为汽车传感器的一个重要发展。发展。55电流传感器及其工作原理电流传感器及其工作原理1.变压器式变压器本来利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是变压器本来利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯。初级线圈、次级线圈和铁芯。在测量电路中，可以将被测电线作为初级线圈，对次级线圈进行电流在测量电路中，可以将被测电线作为初级线圈，对次级线圈进行电流的检测的检测。无接触式电流检测的方法一般有分为两种：霍尔式和变压无接触式电流检测的方法一般有分为两种：霍尔式和变压器是。器是。56电流传感器及其工作原理电流传感器及其工作原理2.霍尔式霍尔式电流传感器一般是基于电流磁效应现象，即在直线电路周围霍尔式电流传感器一般是基于电流磁效应现象，即在直线电路周围会形成环形磁场。利用霍尔传感器来测定环路磁场的大小来判定被会形成环形磁场。利用霍尔传感器来测定环路磁场的大小来判定被测电路的大小。在测量方法上可以分为开环霍尔式，闭环霍尔式等。测电路的大小。在测量方法上可以分为开环霍尔式，闭环霍尔式等。A A）开环霍尔式）开环霍尔式开环霍尔式的结构如图所示，开环霍尔式的结构如图所示，将一块存在气隙的环形铁芯将一块存在气隙的环形铁芯包围在被测电线的四周，让包围在被测电线的四周，让两者同心放置。在铁芯的气两者同心放置。在铁芯的气隙处放置霍尔传感器，通过隙处放置霍尔传感器，通过检测霍尔电压来测定电流的检测霍尔电压来测定电流的大小。大小。57电流传感器及其工作原理电流传感器及其工作原理A A）开环霍尔式）开环霍尔式 由于铁芯的磁阻远远小于空气，可以忽略。并且假设环路上的磁场强度均匀。根据安培环路定理：0PIB0sinPHHHCIUK IBK I霍尔效应公式:IdlB058电流传感器及其工作原理电流传感器及其工作原理B B）闭环霍尔式）闭环霍尔式闭环霍尔式的结构与开环霍尔相似，但是在环形铁圈上缠绕上线圈，闭环霍尔式的结构与开环霍尔相似，但是在环形铁圈上缠绕上线圈，通过闭环控制线圈电流来平衡被测电路所产生的磁场，使得霍尔电压通过闭环控制线圈电流来平衡被测电路所产生的磁场，使得霍尔电压为为0 0。这种方法的优点就是测量这种方法的优点就是测量范围大。并且环路铁芯出范围大。并且环路铁芯出现的剩磁和磁滞效应较小，现的剩磁和磁滞效应较小，不会影响测量。但是必须不会影响测量。但是必须增加一个闭环控制器来平增加一个闭环控制器来平衡磁场，并且在电流变化衡磁场，并且在电流变化过快超过控制器的响应速过快超过控制器的响应速度是会出现误差度是会出现误差59复习题 1、汽车电子系统的分类及举例？2、汽车电子系统的结构要素？3、车用传感器的分类方法，详细叙述？4、什么是传感器？传感器的一般构成？5、传感器按能量关系分类方法并举例？6、传感器按构成原理分类方法并举例？7、变阻式传感器的等效电路，通过推导说明检测电路输入阻抗对传感器线性度和灵敏度的影响？60复习题 电容式传感器测量的常用方法有哪三种？电感式传感器的分类方法？磁电式传感器的分类方法？说明电感式传感器和磁电式传感器的区别，及各自的基本公式。何谓霍尔效应，其基本公式是什么？光电编码器的编码方式有哪几种？绝对编码与相对编码的区别是什么？热电阻、热敏电阻、热电偶测量温度的基本原理有何不同？61复习题 热电阻传感器用金属的基本要求有哪些？热敏电阻传感器的特点？热电偶测量温度的基本条件？62The EndThank you!谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH