汽车电子学车用传感器概述

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,目 录,同济大学 汽车学院,College of Automotive, Tongji University,车用传感器Automotive,Sensors,车用传感器概述,传感器分传感器及其工作原理类,位置测量传感器及其工作原理,速度转速传感器及其工作原理,温度传感器及其工作原理,电流传感器及其工作原理,目 录,汽车电子学,车用传感器,Automotive,Sensors,车用传感器,车用传感器概述,传感器分传感器及其工作原理类,位置测量传感器及其工作原理,速度转速传感器及其工作原理,温度传感器及其工作原理,电流传感器及其工作原理,2,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 ,3,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,4,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,5,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,6,目 录,汽车电子学,车用传感器,Automotive,Sensors,车用传感器,车用传感器概述,传感器分传感器及其工作原理类,位置测量传感器及其工作原理,速度转速传感器及其工作原理,温度传感器及其工作原理,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,8,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,9,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,10,1)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,11,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,12,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,13,4)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,14,目 录,汽车电子学,车用传感器,Automotive,Sensors,车用传感器,车用传感器概述,传感器分传感器及其工作原理类,位置测量传感器及其工作原理,速度转速传感器及其工作原理,温度传感器及其工作原理,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,2050cm,离合器位置,50mm,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,E,E,1,17,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,解：,代入,18,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:,+,+,+,A,、A或发生变化时，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,19,a)极距变化型,+,+,+,+,+,+,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.,20,位置测量传感器及其工作原理,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,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,对与间隙,对与间隙,常数,常数,间隙的灵敏度,21,测量电路,a)电桥电路,b) 谐振电路,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,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,23,a)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：,磁阻有两部分组成，分别是铁芯和气隙。由磁阻公式：,其中为相对磁导率， 为真空中的磁电导率,24,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,。,式中,A,为气隙的横截面积，再由电感公式,其灵敏度为,代入 得到图像。,25,b)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。,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,26,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。,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,例题：,涡流式位置传感器的基本表达式,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,28,c） 互感型,W,W1,W2,E,s,x,-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,E,w,E,out,29,目 录,汽车电子学,车用传感器,Automotive,Sensors,车用传感器,车用传感器概述,传感器分传感器及其工作原理类,位置测量传感器及其工作原理,速度转速传感器及其工作原理,温度传感器及其工作原理,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,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,31,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:,32,汽车速度测量:,速度/转速传感器及其工作原理,1 霍尔式:,33,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,。,34,1 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,的变化率成正比，即：,设线圈转速为,n,，那么穿越线圈的磁通量为,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。,+,+,+,-,-,-,P,N,光敏电阻,光电池,36,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 - 元件,原理：平行光源码盘 光电元件电信号输出,光学码盘式传感器 - 用光电方法将被测角位移转化成数字电信号,3 光电式传感器,a)绝对编码器,37,测量电路,：,编码码制,：,十进制码 - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9,二进制码 - 0000 0001 0010 0011 0100,格 雷 码-循环码：相邻两数只有一位不同,每次只有一位变化转换,放大 足够电平 ，驱动,整形 接近理想方波,细分 提高分辨率（光学+电路）,多位码同时动作同步误差错码,读数直观，不易电路处理,直观，易于后续电路和计算机处理,速度/转速传感器及其工作原理,3 光电式传感器,a)绝对编码器,38,结构,： 与绝对编码器类似,码道,：最外(A) - 增量码道：透光扇形区分辨率,中间 (B)- 辨向码道：错开半个扇形区,最内 (Z)- 零位码道：透光狭缝基准脉冲,应用,：相对位置测量-角度、直线位置，,位移、速度测量,特点,：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,速度不高（最高几千转/分）,怕振动 - 丢数,速度/转速传感器及其工作原理,3 光电式传感器,b)相对编码器,39,目 录,汽车电子学,车用传感器,Automotive,Sensors,车用传感器,车用传感器概述,传感器分传感器及其工作原理类,位置测量传感器及其工作原理,速度转速传感器及其工作原理,温度传感器及其工作原理,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，器依据物体的热辐射，如热成像计等。,几乎所有的物理特性(电阻，体积)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：,温度灵敏度较高 ；输入-输出特性良好 ，较大的测温范围 ，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,-1050,41,温度,分类:,应用:,测温,接触测温,非接触测温,热辐射测温,热传导测温,压电效应,热阻效应,热电势效应,金 属,热电阻,半导体,热敏电阻,热电偶,温 度,传感器,压电陶瓷（热释电效应）, 敏感元件, 电参数,光电效应,红外温度传感器,、光纤温度传感器,热电阻,电涡流传感器,PN结热电效应,热敏二极管/三极管,、,集成温度传感器,工作原理：,温度传感器及其工作原理,42,热电阻原理与特性,:,要求：,（1）温度系数、电阻率较高 提高灵敏度，体积小，反应快,（2）理化性能稳定 提高稳定性和准确性，复现性好,（3）良好的输入-输出特性 线性/接近线性，测量精度高,（4）良好的工艺性 批量生产，降低成本,材料：纯金属 -铂、铜、镍、铁,（5）较大的测温范围 特别是在低温范围,温度传感器及其工作原理,1.热电阻,原理：热能, 热电阻 电阻值,温度, 热电阻 阻值,43,特点：,0 +850：,0 - 200：,应用：,(1) 在高温和氧化介质中性能极为稳定，易于提纯，工艺性好,(2) 输入输出特性接近线性,(4) 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,构成：,金属铂丝(0.020.07mm)绕制成线圈,(3) 测量精度高：0:,1,、,0100: 0.5、,100650: 0.5%,R,0,：0时的温度 标准值(Pt100, Pt500),a),铂电阻,(Pt),温度传感器及其工作原理,1.热电阻,44,特点：,-50 180：,应用：,(1) 易于提纯，在-50 150范围内性能稳定，价格低,(2) 输入输出特性接近线性:,(3) 电阻率低（为铂电阻的1/6），体积较大 (Cu50, Cu100),(4) 高温易被氧化，易被腐蚀,(5) 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,构成：,金属铂丝(0.020.07mm)绕制成线圈,b),铜电阻,(Cu),R,0,：0时的温度 标准值,温度传感器及其工作原理,1.热电阻,45,材料：,特点：,分类：,（1）温度系数大 灵敏度高,（为热电阻10100倍）,（2）结构简单，体积小 可以测量点温度,（3）电阻率高、热惯性小 适于动态测温,（4）易于维护、使用寿命长 适于现场测温,（5）互换性差，非线性严重，精度低,正温度系数热敏电阻(PTC),负温度系数热敏电阻,(NTC),临界温度系数热敏电阻(CTR),半导体 - 半导体热电阻,（6）成本低，应用广泛,温度传感器及其工作原理,2.热敏电阻,非线性,46,测温原理,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,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；,温度电阻关系式：,灵敏度为：,47,测温原理,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。,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,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、空调机、电热毯、热水器、热得快、电磁炉、,汽车电子,电子喷油嘴、空调机、发电机防热装置、电热座椅,测量仪器,流量计、风速表、真空计、浓度计、湿度计、空气传感器、环境监测仪、,办公设备,复印机、传真机、打印机、扫描仪,农业园艺,温室控制、人工气候箱、烘干系统、,医疗器具,体温计、人工透析、散热系统,工业生产,电动机过热保护、,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,3.热电偶,(1) 工作原理:,温差电势：,A,-温差系数,T,A,T,B,-A、B两节点绝对温度,k-波尔兹曼常数 e-电子电荷量,N,A,N,B,-导体AB的自由电子密度材料,T-节点绝对温度,接触电势：,不同导体自由电子密度不同扩散,帕尔帖,电势,同一导体两端温度不同电子迁移（高 低） ,汤姆逊,电势,塞贝克效应，即如果在两根金属导线两端间有不同的温度,则其两端形成热电势。,帕尔贴,接触,电动势,汤姆逊温差电动势,塞贝克,热电势,50,温度传感器及其工作原理,若两种导体相同： ,A,=,B, E=0,若两端无温差： T=T0 E=0,两种情况,T,T,0,T,T,V,导体不同,两端温差,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，一般使用一级近似即可。其温差电动势为：,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,金属,材料：,材料,测温范围,特点,应用,铂铹,10,纯铂,0 1000 ,准确性高，成本高,工业,铱铹,10,纯铱,0 2100 ,科学研究,铱铹,40,铂铹,40,0 1900 ,氧化、中性气体,镍铁,镍铜,50 500 ,50 无电势,火灾报警,镍铬,康铜,-200 900 ,各种场合,镍铬,镍硅,-50 1300 ,电势大，线性好,各种场合、常用,铜,康铜,-200 400 ,各种场合,镍铬,金铁,-270 10 ,低温,铜,金铁,-270 -250 ,灵敏度高,低温,温度传感器及其工作原理,3.热电偶,52,(3) 热电偶结构：,a) 普通热电偶：,应用：测量气体、蒸汽、液体等介质温度,结构：1-热电极 2-绝缘套管,3-保护套管 4-接线盒,b) 铠装热电偶：,结构：热电极 + 绝缘材料,+ 金属保护套,特点：细长(13mm)，可以弯曲，挠性好，强度高,测端热容量小，动态响应快(0.01s)，,应用：适于狭小空间、点温度,c) 其他热电偶：,薄膜热电偶、浸入式热电阻、,温度传感器及其工作原理,3.热电偶,53,目 录,汽车电子学,车用传感器,Automotive,Sensors,车用传感器,车用传感器概述,传感器分传感器及其工作原理类,位置测量传感器及其工作原理,速度转速传感器及其工作原理,温度传感器及其工作原理,电流传感器及其工作原理,54,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。,55,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：霍尔式和变压器是。,56,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。,A）开环霍尔式,开环霍尔式的结构如图所示，将一块存在气隙的环形铁芯包围在被测电线的四周，让两者同心放置。在铁芯的气隙处放置霍尔传感器，通过检测霍尔电压来测定电流的大小。,57,电流传感器及其工作原理,A）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：,霍尔效应公式:,58,电流传感器及其工作原理,B）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，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,0,。,这种方法的优点就是测量范围大。并且环路铁芯出现的剩磁和磁滞效应较小，不会影响测量。但是必须增加一个闭环控制器来平衡磁场，并且在电流变化过快超过控制器的响应速度是会出现误差,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？,62,The End,Thank you!,