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第一章 基础知识,第一节 仪器仪表基础第二节 传感器基础知识,第一节 仪器仪表基础,一、 检测仪表的组成检测仪表是能确定所感受的被测变量大小的仪表。检测仪表既可以由许多单独的部件组成,也可以是一个不可分的整体。前者多用于复杂仪表或实验装置中,后者多为工业用的简单仪表。不管是简单仪表还是复杂仪表,原则上它们均是由几个环节组成。对于简单仪表,只不过各个环节的界线不大明显而已。这几个环节是:传感器、接口及调制电路、显示器和传输通道。检测仪表的方框图如图1-1-1所示。,下一页,返回,图1-1-1,返回,第一节 仪器仪表基础,1 传感器传感器是感受被测量,并按一定规律将其转换成同种或别种性质输出量的装置。它是检测仪表与被测对象直接发生联系的部分,传感器的好坏直接影响检测的质量。2 接口及调制电路传感器输出往往不能满足显示电路的要求,因此传感器与显示器之间需要有接口及调制电路。典型的接口及调制电路由电桥、激励源、放大、滤波、线性化、隔离、偏置、阻抗变换、电平变换以及各种各样的计算(模拟量或数字量)电路组成,经信号调整,将被测信号放大成数据采集系统的标准信号(010 V)或把它转换为控制系统所用标准信号(420 mA)。,下一页,上一页,返回,第一节 仪器仪表基础,3 显示器测量结果需要显示,显示器是人和仪表连接的主要环节,它有指示式、数字式和屏幕式三种。 指示式显示,又称模拟显示。被测量值的大小由指示器或指针在标尺上的相应位置表示。多数指示仪表的结构简单,价格低廉,显示直观,一直被大量使用。这类仪表有些还带有记录装置,能以曲线形式绘出被测量随时间的变化。记录曲线便于观察被测量的变化过程和变化趋势。但这种仪表读数的精确程度受标尺最小分度的限制,且读数会引入主观误差。 数字式显示,以数字形式给出被测量的大小,也可附加打印设备,打印数据。数字式显示减少了主观读数的误差,提高了读数精度,还能方便地与计算机联用。这种仪表正在越来越多地被采用。,下一页,上一页,返回,第一节 仪器仪表基础, 屏幕显示,实际上是一种图形显示方式。它可以显示一个或多个被测量,以数字或曲线形式显示。它综合了前两种显示的优点,有利于对一组测量值进行比较分析。4 传输通道传输通道的作用是连接仪表的各个环节,给各个环节的输入、输出提供通路。信号的传输方式一般可分为如图1-1-2所示的几种方式。 工业生产中应用比较多的是有线信号传输,即用电缆或导线传输直流电压或电流信号。随着数字技术的发展,数字化传感器的应用使数字信号传输日益广泛。数字信号传输可以大大提高抗干扰能力,同时由于数字信号传输采用多路数据采集系统,增加了信号处理能力,减少了线路安装与维护方面的投资。目前,随着远距离测量技术与遥感技术的发展,信号的无线传输显得越来越重要。,下一页,上一页,返回,图1-1-2,返回,第一节 仪器仪表基础,传输线路选择不当,容易造成信号大量损失,若阻抗不匹配,还可能导致灵敏度降低;若抗干扰措施不力,将使信号严重失真。因此选用何种传输线路必须引起足够重视。二、 检测仪表的基本性能检测仪表的基本特性是指输出对输入的响应质量,它包括静态特性和动态特性两大类。当被测量是恒定量或缓慢变化量时,可通过一些静态指示衡量。当测量变化较快时,必须研究输入量变化过程中输出量响应的动态误差,这时必须通过检测仪表的动态性能指示衡量。,下一页,上一页,返回,第一节 仪器仪表基础,1 静态特性所谓静态特性是指被测量处于稳定状态下,仪表输出与输入之间的关系。一个测量系统(没有滞后和蠕变效应的情况),其静态特性可由一个多项式表示yaax+axa n x n (1-1-1)式中x输入量; y输出量;a0, a, a , a n 系数。仪表的基本性能可通过如下的性能指标表示。,下一页,上一页,返回,第一节 仪器仪表基础,(1) 仪表的精确度仪表的精确度是指仪表的指示值与被测量(约定)真值的一致程度。精确度包括两个方面,即精密和正确的程度。精密是指在一定条件下进行多次测量时,随机误差小,测量结果比较集中且仪器的分辨率高。正确是指在规定的条件下,系统误差小,测量结果比较正确。精确度综合反映了各类误差,综合误差小,精确度高。仪表按精确度高低来划分等级,简称为精确等级,由国家统一规定。工业仪表常见的精确等级有0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5和5.0。该数字反映了仪表允许基本误差的极限。例如某仪表为0.5级,即表示该表允许的最大误差为0.5。,下一页,上一页,返回,第一节 仪器仪表基础,(2) 测量范围与量程测量范围指被测变量可按规定精确度进行测量的范围。量程指范围的上限值与下限值之差。量程Ymax-Ymin (1-1-2)式中Ymax范围的上限值;Ymin范围的下限值。(3) 线性度误差理想情况下,仪表输出与输入应成线性关系,其图形是一条理想直线。实际上从静态特性可知,输出除了有(a0a1x)项外,还包含有高次项分量,校准曲线将是变化程度不同的曲线,校准曲线与理想直线关系如图1-1-3所示。输入-输出特性的非线性,用线性度误差来衡量。线性度误差是指校准曲线与规定直线之间的最大偏差,通常以量程的百分数来表示。,下一页,上一页,返回,图1-1-3,返回,第一节 仪器仪表基础,(y)max - 100% (1-1-3) Y max-Y min 式中线性度误差;(y L)max校准曲线与理想直线之间的最大偏差;Y max-Y min仪表的输出量程。 (4) 灵敏度灵敏度是反映仪表的被测参数变化的灵敏程度。灵敏度用仪表的输出变化值除以相应的输入变化值(x)表示Ky/x (1-1-4),下一页,上一页,返回,第一节 仪器仪表基础,对线性系统,灵敏度就是特性曲线的斜率,K为一常数;对非线性系统的灵敏度为特性曲线某点处切线的斜率,它随输入量的变化而变化。(5) 回差回差也称变差。是指在全范围内,同一输入对应的上、下行输出之间的最大差值,用最大差值与输出量程比值的百分数表示,如图1-1-4所示。 (Y v)max v- 100% (1-1-5) Y maxY min式中 (Y v)max全范围内上、下行输出的最大差值;Y max-Y min仪表的输出量程。,下一页,上一页,返回,图1-1-4,返回,第一节 仪器仪表基础,(6) 死区死区指输入变量的变化不致引起输出变量有任何可察觉变化的有限区间。用有限区间与输入量程比值的百分数表示,如图1-1-5所示。 x d d=- (1-1-6) xmax-x min式中x d输入变量变化不致引起输出变量有任何可察觉变化的有限区间;xmax-x min仪表的输入量程。,下一页,上一页,返回,图1-1-5,返回,第一节 仪器仪表基础,(7) 滞后误差滞后误差指在全范围内被测量值上、下行程的两条校准曲线间最大偏差减去死区值。用最大偏差减去死区值除以输出量程的百分数表示,如图1-1-6所示。 (y)max- (1-1-7) ymax-ymin 式中 (yH)max同一条件下的最大滞后偏差;ymax-ymin仪表的输出量程。,下一页,上一页,返回,图1-1-6,返回,第一节 仪器仪表基础,(8) 其他名词术语 分辨率。指示装置可有意义地区分两紧邻所示量值的能力。对于数字输出的仪表,经常理解为输出(显示)的最小变化。 阈值。能引起传感器输出的被测量的最小变化值称为传感器的阈值。 重复性。在同一工作条件下,仪表对同一输入、按同一方向,连续多次测量时输出值间的相互一致程度。 漂移。仪器仪表输入-输出特性随时间慢变化现象称为漂移。为了使测量准确,要求静态响应良好,即希望测量系统有合适的测量范围和量程,足够的灵敏度、分辨力和重复性,尽量小的阈值、线性度误差、回差和漂移,从静态角度满足测量精确度的要求。,下一页,上一页,返回,第一节 仪器仪表基础,2 动态特性动态特性是指仪表或系统的输入信号随时间变化的响应特性仪表或系统的输出与输入实际值的差异称动态误差。引起动态误差的原因是由于测量元件或系统中各种运动惯性及能量传递需要时间所造成的。衡量运动惯性和能量传递快慢常用时间常数和传递滞后时间(又称为时滞或死时)表示,对于衰减振荡的对象常用上升时间、峰值时间、建立时间及瞬时过冲等指标来衡量。,下一页,上一页,返回,第一节 仪器仪表基础,三、 检测控制系统简述所谓系统是指由相互作用、相互联系并具有特定功能的部件组成的整体。它具有组成性、整体性、层次性、目的性、对环境的相对独立性等特点。控制系统是指采用控制装置使被控对象(如机械设备的运行或生产过程的进行)自动地按照给定的规律运行,使被控对象的一个或数个物理量(如电压、电流、速度、位置、温度、流量、浓度等)能够在一定的精度范围内按照给定的规律变化。检测控制系统除具有控制系统的功能外,还具有检测现场数据的功能。控制系统有两种最基本的形式,即开环控制和闭环控制。开环控制是一种最简单的控制形式,其特点是在控制器与被控对象之间只有正向控制而没有反向控制,即系统的输出量对控制量没有影响。开环控制系统的示意框图如图1-1-7所示。,下一页,上一页,返回,图1-1-7,返回,第一节 仪器仪表基础,在开环控制系统中,对于每个参考输入量,就有一个与之相对应的工作状态和输出量。系统的精度取决于元器件的精度和特性调整的精度。当系统的内扰和外扰影响不大并且控制精度要求不高时,可采用开环控制方式。为了实现各种复杂的控制任务,首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来,组成一个有机的整体即自动控制系统。在自动控制系统中,被控对象的输出量,即被控量是要求严格加以控制的物理量,它可以要求保持为某一恒定值,例如恒速度、恒电流等,也可以要求按某一给定规律运行,例如记录特性曲线、车辆运行轨迹等。控制装置可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制,最基本的一种是反馈控制系统。,下一页,上一页,返回,第一节 仪器仪表基础,在反馈控制系统中,控制装置对被控对象施加的控制作用是取自被控制量的反馈信息,用来不断地修正被控量的偏差,从而不断地修正被控对象进行控制的任务,这就是反馈控制的基本原理。事实上,在我们的日常生活中,人的一切活动都体现出反馈控制的基本原理。人取书可视为一个反馈控制系统,手是被控对象,手位置是被控量(即系统的输出量),产生控制作用的机构是眼睛、大脑和手臂,统称为控制装置,其工作原理如图1-1-8所示。,下一页,上一页,返回,图1-1-8,返回,第一节 仪器仪表基础,在汽车自动检测线控制系统中,被检测车辆的到位就是一个有驾驶员参加的反馈控制系统,其原理和上面举的例子相似。由于引入了被控量的反馈信息,整个控制过程成为闭合的,因此反馈控制也称为闭环控制。在工程实践中,为了实现对被控对象的反馈控制,系统中必须配置具有人的眼睛、大脑和手臂功能的设备,以便用来对被控量进行连续的测量、反馈和比较,并按偏差进行控制,这些设备依其功能分别称为测量元件、比较元件和执行元件,并统称为控制装置。闭环控制系统功能方框图如图1-1-9所示。各功能部件的作用如下:,下一页,上一页,返回,图1-1-9,返回,第一节 仪器仪表基础, 测量元件。其作用是检测被控的物理量,如果这个物理量是非电量参数,一般需转换为电量参数。例如汽车侧滑量是通过差动变压器位移式传感器转换成电压信号的,汽车轮重是通过应变式传感器检测并经小信号放大成电压信号的。 给定元件。其作用是给出与期望的被控量相对应的系统输入量(即参考量)。例如,在底盘测功机中,恒转速控制的手动给定电位器和计算机自动控制是由计算机键盘输入设置的转速给定等。 比较元件。其职能是把测量元件检测的被控量实际值与给定值进行比较,并求出它们之间的偏差。,下一页,上一页,返回,第一节 仪器仪表基础, 放大元件。其作用是把比较元件给出的偏差信号进行放大,用来推动执行元件去控制被控对象。可用晶体管、集成电路和驱动电路等组成的电压放大器加以放大。 调节器。其作用是把比较元件给出的偏差信号按给定的控制规律进行运算,输出控制信号,用来推动放大元件或执行元件去控制被控对象,以确保控制系统稳、准、快。如PI调节器、PID调节器等。 执行元件。其职能是直接推动被控对象,使被控量发生变化。用做执行元件的有电磁阀、电动机和液压马达等。汽车检测设备中,底盘测功机就是采用闭环控制的典型设备。,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,一、 传感器的概念与作用传感器是能感受规定的被测量并按一定的规律将其转换为可用输出信号的器件或装置。举例来说,人的耳朵、眼睛、鼻子等都是人本身与生俱来的传感器。在有些科研领域,传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。这些不同的提法,反映了在不同的技术领域中,只根据器件用途对同一类型的器件使用着不同的技术术语而已。如在电子技术领域,常把能感受信号的电子元器件称为敏感元件,如热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件等。在超声波技术中则强调的是能量的转换,如压电式换能器。这些提法在含义上有些狭窄,而传感器一词使用最为广泛。,下一页,返回,第二节 传感器基础知识,传感器的研究始于20世纪30年代。传感器技术是目前发展最快的一门技术,它以材料的物理、化学和生物效应为基础,由物理、化学、材料科学、器件物理和工艺、电子工程等多种学科交织发展形成。在科学研究、工业生产和日常生活中,人们得到的信息绝大多数是非电信息,这些信息即使能够被检测出来,也难以放大、处理和传输。为此,需要有一种特殊功能的装置来灵敏地检测有关信息并把这些信息变成便于处理的物理量。由于电信号易于放大、反馈、滤波、存储和远距离传输,加之计算机能够处理电信号,所以目前的传感器大多是将被测的物理量转换成电量或电参数,如电流、电压、电阻、电感、电容、频率和阻抗等。,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节,如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量,最佳数据的显示与控制就是一句空话。例如:在一个全自动汽车检测站,对汽车进行检测过程中的信息绝大多数是非电量信息,如制动力、烟度、车速、停车到位信号等,若计算机检测不到车辆到位信号,整个检测线的控制系统就好像一个没有感觉的人一样,对汽车检测情况一无所知,根本无法进行控制。如果将计算机比做人的大脑的话,传感器就是人的五官。传感器又称“电五官”,计算机则常称为“电脑”。由此可见,在测量和控制方面,由对象获得的信息的质和量由传感器所决定,因此传感技术是测量的原点,即出发点。传感器主要有以下几个方面的特点:,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,1 信号变换和能量变换通过传感器人们可获得必要的信息。所谓“信息”,是相对于“物质”和“能量”而确定的概念。把传感器作为信息系统的一个重要因素考虑时,物质和能量被抽象地除去。可是,信息采用信号形态来变换时,支持信息流的则是物质,是能量,也即如果在传感器和对象之间存在着信息采集,那么必定与能量采集有关。在高精度测量过程中,要求在不干扰对象的状态下进行测量。因此,要得到必要的信息,能量的传递越小越好。另一方面,如考虑后处理问题,输出信号的能量就越大越好。因此,在传感器的信号变换方面,能量的变换也是很重要的。,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,2 信号变换与误差变量将传感器作为一个“暗盒”来考虑,即没有内部构造,仅看成一个能量变换的四端网络,如果将一对示容变量(表示作用于物体某一部位的强弱程度的量)和示强变量(表示与物质的量和空间的大小成比例的量)的组合加在传感器的输入端,就会发现,输出的示容变量和示强变量变换成了另外一对组合。输入端的一对为被测变量,而输出端的一对为输出信号。,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,以温度传感器的热电偶为例,示强变量温差将被变换成另一示强变量电压,即上述示强变量是信号变量。对示容变量而言,输入端是热流,输出端是电流。这一变量可视为与误差有关的量。因为输入的热流是从被测对象移向传感器的热,所以对象的状态与传感器的影响有关。如果热流大,对象的热容量小,那么对象温度将会变化,从而会出现误差。另外,输出电流也是造成系统误差的原因,如果有电流流过,因为有内阻的存在,则造成输出电压下降。从而可知,输入、输出中如果共轭变量对的一方是载有信息的信号,那么另一方就是对对象的影响,也就是直接或间接地与误差有关的影响量,可称为误差变量,尽量减小误差变量是保证正确进行测量的重要因素。,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,二、 传感器的组成传感器一般由敏感元件和转换元件两个基本环节组成。由于传感器的输出信号一般都很微弱,因此需要有信号调制与转换对其进行放大、运算调制等。随着半导体和集成技术在传感器中的应用,传感器的信号调制与转化电路可能安装在传感器的壳体内或与敏感元件一起集成在同一芯片上。此外,信号调制转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源。因此,信号调制转换电路以及所需要的电源都应作为传感器组成的一部分。传感器的组成框图如图1-2-1所示。,下一页,上一页,返回,图1-2-1,返回,第二节 传感器基础知识, 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。当进行非电量到电量的变换时,并非所有的非电量都能一次直接变换为电量,通常是将被测非电量预先变换成另一种易于变换成电量的非电量,能够完成预变换的器件称为敏感元件,又称为预变换器,例如在各种力传感器中的弹性元件就是一种敏感元件。 转换元件是指传感器中将敏感元件感受到的与被测量对应的非电量直接转换成电量的部分,例如电阻应变片、霍尔元件等。转换元件一般是利用各种物理、化学效应等原理制成的。,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识, 信号调制电路的主要作用是将各种不同形式的电量转换成统一的标准电信号供计算机或控制器来处理,不同的传感器应采用不同的信号调制电路。在汽车检测站使用的传感器都不含信号调制电路,因此,在接入计算机之前必须使用相应电路加以处理。应该指出的是,传感器的构成形式是多种多样的,并不是所有的传感器都包括敏感元件和转换元件等。有一些传感器能直接将被测量转换成电量,如光敏三极管、热电阻和热电偶;还有一些传感器的敏感元件和转换元件是合二为一的,如固态压阻式压力传感器等;再如集成传感器,它将敏感元件、转换元件和信号调制电路同做在一块半导体芯片上,它除具有信号转换功能外,还具有信号处理、温度补偿等功能。随着微电子技术及加工工艺的发展,传感器将进一步向智能化、数字化和现场总线方向挺进。,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,三、 传感器的分类传感器的分类方法很多,常见的有下列几种:1 按被测物理量分类这种分类方法只阐明了传感器的用途,如位移传感器、速度传感器、温度传感器等。这种分类方法的优点是便于使用,容易根据测量对象选择所需传感器。不足之处是将互不相同的传感器归为一类,很难找出各种传感器在转换原理上有什么共性和差异。这对建立传感器的一些基本概念,掌握其基本工作原理和分析方法是不利的。,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,2 按工作原理分类这种分类方法是以传感器的工作原理作为分类依据,如电阻式、电感式、电容式、磁电式、压电式、热电式、电化学式、核辐射式等。这种分类方法的优点是有利于专业工作者对一些传感器的工作原理进行系统性的研究,其缺点是用户选用传感器时会感到不够方便。3 按能量的传递方式分类按能量的传递方式分类,所有传感器可分为能量控制型(无源传感器)、能量变换型(有源传感器)和能量传递型(间接传感器)三类。,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,能量控制型的传感器不起换能作用,被测物理量仅对传感器中的能量起控制作用(或调制作用)。这种传感器本身不是一个信号源,因此必须有辅助能源,如电阻、电感、电容传感器等。这类传感器的测量电路常用测电参数的测量电路,如电桥电路或谐振电路等。能量变换型传感器,它像一台微型发电机,能将非电能量变换为电能。和它配合的测量电路,通常为电压测量电路或放大器,如磁电式、压电式、热电式、光电式传感器等。能量传递型传感器,如超声波传感器。为了达到检测目的,必须有一个超声波发生器和一个接收器。对物理量的测量过程实际上就是一个能量传递过程,如光电开关、激光传感器和热辐射传感器等。,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,4 按输出信号的性质分类按输出信号的性质可将传感器分为模拟传感器和数字传感器两类。前者要配合数字计算机或数字显示器,则需引入模数转换环节,而后者不需要。数字传感器可以将被测非电量直接转换成脉冲、频率或二进制数码输出,而且抗干扰能力较强。一般而言,传感器输出的信号是电量。作为典型的电量有三种:电压、电流和电阻。其中,使用电流信号传输时,即使导线很长,导线的电阻也不会产生误差。因此工业测量仪器行业中大多使用电流信号。然而,变成标准信号要增加成本,所以在应用微机测控的场合,多采用经济性更好的电量信号。,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,(1) 电压型传感器传感器本身输出或变换后的输出是电压,在传感器的阻抗高的情况下,容易受到噪声干扰,所以信号的传输线要考虑到较好的屏蔽性。当传输线路很长时,要在传感器侧加一个放大器来降低阻抗以克服电磁干扰。(2) 电流型传感器传感器本身的输出或变换后的输出是电流。理想的电流传感器其输出与传感器负荷无关,而实际上是达不到的。对于电流型传感器,其输出一般采用反相放大器,放大器的输出与电流成正比。,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,(3) 电抗型传感器传感器的输出是阻抗。通常传感器的测定变量与传感器输出的电阻值一般不存在比例关系。多数情况下,电阻值相对于测定变量的满量程有少许变化,因此,一般只检测电阻变化的那部分。在应用此类传感器的条件下,传输导线电阻是产生误差的主要原因。为了防止误差,一般采用三线制或四线制布线以补偿导线电阻所产生的误差。,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,四、 传感器的基本特性在生产过程和科学试验中,要对各种各样的参数进行检测与控制,这就要求传感器能感受被检测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量,这取决于传感器的基本特性,即输入、输出特性。传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。1 传感器的静态特性传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态的输入、输出关系。只考虑传感器的静态特性时,输入量与输出量之间的关系中就不含时间变量。衡量静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。理想的传感器线性度好、灵敏度高、迟滞不明显、重复性好。,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,2 传感器的动态特性传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。当输入量随时间变化时(即时间函数),则传感器的输出量也是时间的函数,其时间关系用动态特性来表示,一个理想的传感器其输出信号与输入信号具有相同的时间函数。五、 常用传感器1 温度传感器为了判断发动机的热状态、计算进气量和供油量,要连续精确地测量冷却液的温度、进气温度、排气温度和环境温度等,这些都通过温度传感器来实现。,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,(1) 热敏电阻式冷却液温度传感器有些金属材料随着温度的升高电阻而增大。但有些材料,如半导体,其电阻值却随温度的升高而降低。电阻值随温度而变化的这一类器件称为热敏电阻。按电阻变化情况,一般可分为三类: 在工作温度范围内,电阻值随温度升高而增加的热敏电阻,称为正温度系数热敏电阻(PTC)。 电阻值随温度升高而减少的称为负温度系数热敏电阻(NTC)。 在临界温度时,阻值发生锐减的称为临界温度热敏电阻(CTR)。以上三类热敏电阻的温度特性如图1-2-2所示。,下一页,上一页,返回,图1-2-2,返回,第二节 传感器基础知识,热敏电阻是在半导体材料中适当掺入一些金属氧化物,根据要求的形状,在1 000 以上的高温下烧结而成。按照氧化物的不同比例及烧结温度的差别,可以得到特性各异的热敏电阻。一般来说,工作温度范围为20+130 的热敏电阻可用于水温和气温的检测,工作温度范围为6001 000 的高温检测电阻,常用于发动机排气温度的检测。热敏电阻式冷却液温度传感器一般安装在发动机缸体、缸盖的水套或节温器壳内并伸入水套中(北京切诺基电控发动机冷却液温度传感器的安装位置如图1-2-3所示),与冷却液直接接触,用来检测发动机的冷却液温度。冷却液温度传感器的内部是一个半导体热敏电阻(见图1-2-4),它具有负的温度系数(见图1-2-5)。水温愈低,电阻愈高;反之,水温愈高,电阻愈低。北京切诺基车用热敏电阻式冷却液温度传感器的温度-电阻特性见表1-2-1。,下一页,上一页,返回,图1-2-3,返回,图1-2-4,返回,图1-2-5,返回,表1-2-1,返回,第二节 传感器基础知识,(2) 热敏电阻式进气温度传感器在电子控制的汽油喷射系统内,将进气温度传感器的进气温度信号输入到ECU中,根据进气温度的变化状况,确定适宜的喷油方式和喷油量。热敏电阻式进气温度传感器(见图1-2-6)的结构及工作特性(见图1-2-7)与热敏电阻式冷却液温度传感器基本一致。 进气温度传感器通常安装在空气滤清器之后的进气管上,如图1-2-8所示;有的安装在翼片式空气流量传感器之内的,如图1-2-9所示;有的安装在谐振腔上;还有的在空气流量传感器内和谐振腔上各装一个,以提高喷油量的控制精度(例如1991年后生产的马自达929型轿车)。,下一页,上一页,返回,图1-2-6,返回,图1-2-7,返回,图1-2-8,返回,图1-2-9,返回,第二节 传感器基础知识,进气温度传感器(见图1-2-10)的安装方式有螺纹安装、螺栓安装及利用橡胶卡圈卡住的方法安装三种。利用橡胶卡圈卡住的安装方法可以很方便地安装在空气滤清器的壳体上。不论进气温度传感器安装在何处,其作用都是相同的,即测量进气的温度,并输送给电控单元作为修正喷油量的参考依据。进气温度传感器内部也是一个具有负温度电阻系数的热敏电阻,外部用环氧树脂密封。当进气歧管内空气温度发生变化时,传感器内的热敏电阻值发生变化,温度低时电阻大,温度高时电阻小。,下一页,上一页,返回,图1-2-10,返回,第二节 传感器基础知识,(3) 热敏电阻式水温仪表传感器热敏电阻式水温仪表显示装置由热敏电阻式水温传感器和双金属片式水温表两部分组成,如图1-2-11所示。它以热敏电阻作为(传感器)发送部件,以电热丝(仪表)作为接收部件,两者串联。把发送部件置于水中后,当水温较低时,因为热敏电阻的阻值比较高(见图1-2-12),所以回路中电流较小,电阻丝的发热量也小,双金属片稍稍弯曲,指针显示低温区(C侧)。当水温较高时,因为热敏电阻阻值比较低,通过电路中的电流比较大,电阻丝的发热量比较大,所以双金属片弯曲程度也比较大,指针偏向高温区(H侧)。,下一页,上一页,返回,图1-2-11,返回,图1-2-12,返回,第二节 传感器基础知识,热敏电阻式水温仪表显示装置所用的热敏电阻式水温传感器(见图1-2-13)是密闭的,外部有螺纹,可旋进气缸壁或缸盖的水套中,里面也是一个负温度系数热敏电阻1,一端接指示表,另一端通过传感器外壳搭铁。传感器的铜接头4拧入发动机气缸盖的水套中,使铜管5浸入水中。在铜管内的底部装有片状热敏电阻1,用导电弹簧3及导电套2压紧。弹簧的另一端与接线端子6的导电铜嵌件接触。在弹簧、导电套及热敏电阻的外部包着一层绝缘套以防短路。导线接指示仪表,水温低时,热敏电阻的阻值增大,水温升高时,则电阻值减小,从而改变输出信号。,下一页,上一页,返回,图1-2-13,返回,第二节 传感器基础知识,(4) 热敏电阻式排气温度传感器排气温度传感器安装在汽车排气用催化剂的变换器上,用以检测变换器内排放气体的温度,也称为催化剂用温度传感器。其作用是在催化剂变换器异常发热时,控制发动机内的燃烧,或发出报警信号,以便保护催化剂并防止高温引起的故障。排气温度传感器主要有热敏电阻式、热电偶式、熔断器式等,其中热敏电阻式应用较为广泛。典型的热敏电阻式排气温度传感器的结构如图1-2-14所示。在传感器的感温部位内装有热敏电阻,其结构和工作原理均与热敏电阻式冷却液温度传感器、进气温度传感器相似,不同的是排气温度传感器的热敏电阻是采用氧化锆等材料制成的高温型检测电阻,工作温度范围为6001 000 。图1-2-15给出了几种热敏电阻式温度传感器的结构。,下一页,上一页,返回,图1-2-14,返回,图1-2-15,返回,第二节 传感器基础知识,(5) 冷启动喷油器的温度时间开关在低温下发动机冷启动时,发动机温度低,转速低,喷入进气道的燃油不易蒸发,吸入的混合气中有一部分燃油冷凝,为了补偿这部分燃油的损失,以产生足够的燃油蒸气,形成足够浓度的可燃混合气,保证发动机在低温下也能正常启动,必须在发动机冷启动时,附加喷入一定量的燃油。大多电控汽油喷射式发动机的这部分附加燃油,是由冷启动喷油器喷入进气道的,冷启动喷油器的开启持续时间,取决于发动机的温度,由温度-时间开关控制。,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,冷启动温度-时间开关一般安装在发动机气缸体水道及出水口处,其外形如图1-2-16所示,与水温传感器相似,它也是一个中空的螺钉,旋装在能表征发动机热状态的位置上,内部有一个外绕加热线圈4的双金属片3和可根据双金属片本身的温度控制开闭的触点5,温度-时间开关触点接通的时间取决于发动机冷却液温度和加热线圈对双金属片的加热程度,温度-时间开关和冷启动喷油器的控制回路如图1-2-17所示。在发动机冷启动时,由于水温低,温度-时间开关触点闭合,使冷启动喷油器电磁线圈通电,针阀打开,向进气歧管内喷射雾状燃油,满足冷启动的需要。随着水温的升高,双金属片受热发生弯曲变形,当温度升高到一定值时,触点打开,冷启动喷油器断电,停止喷油。,下一页,上一页,返回,图1-2-16,返回,图1-2-17,返回,第二节 传感器基础知识,(6) 双金属片式气体温度传感器双金属片式气体温度传感器用于检测进气温度,并通过真空膜片控制冷空气与热空气的混合比例。双金属片式气体温度传感器的结构如图1-2-18所示。当温度较低时,双金属片保持原来状态,阀门关闭;当温度升高时,双金属片弯曲,阀门打开,如图1-2-19所示。这种传感器用于发动机控制,可保证进气温度的恒定及进气温度调节系统。(7) 热敏铁氧体温度传感器热敏铁氧体是由强磁性材料制成,当环境温度超过某一规定温度时,热敏铁氧体的磁导率急剧下降,利用这一性质就可以使笛簧开关导通或断开。热敏铁氧体温度传感器一般由永久磁铁、热敏铁氧体及笛簧开关组成,其典型结构如图1-2-20和图1-2-21所示。,下一页,上一页,返回,图1-2-18,返回,图1-2-19,返回,图1-2-20,返回,图1-2-21,返回,第二节 传感器基础知识,热敏铁氧体温度传感器一般用于控制汽车散热器的电动风扇、油压指示灯或用于空调的温度检测等。图1-2-22所示为热敏铁氧体传感器在汽车散热器系统的电动风扇中的应用实例,系统由风扇、风扇电动机、风扇继电器、热敏铁氧体温度传感器及蓄电池组成。传感器装在散热器冷却液的循环通路上,当水温超过规定值时笛簧开关断开(OFF);反之,当水温低于规定值时笛簧开关闭合(ON)。 当冷却液温度低于规定值时,热敏铁氧体传感器笛簧开关闭合,风扇继电器的电磁线圈通电,继电器常闭触点打开,风扇停止工作;当冷却液温度高于规定值时,热敏铁氧体传感器笛簧开关断开,风扇继电器的电磁线圈断电,常闭触点闭合,风扇电动机通电风扇开始工作。,下一页,上一页,返回,图1-2-22,返回,第二节 传感器基础知识,2 力传感器力传感器是使用最广泛的一种传感器,它是用来检测气体、液体、固体等所有物质间作用力的。力传感器的种类甚多,最常用的是电阻应变片式力传感器。将电阻应变片粘贴在弹性元件特定表面上,当力作用于弹性元件时,会导致元件应力和应变的变化,进而引起电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经电路处理后以电信号的方式输出,这就是电阻应变式力传感器的工作原理。,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,电阻应变式力传感器由两大部分组成(见图1-2-23),弹性元件和转换元件电阻应变片。电阻简称应变片,是一种能将试件上的应变变化转换成电阻变化的传感元件,其转换原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应。所谓电阻应变效应是指金属导体(电阻丝)的电阻值随变形(伸长或缩短)而发生改变的一种物理现象。应变片是用黏结剂贴到弹性体上的,黏结剂形成的胶层必须能准确迅速地将弹性体的应变传递到敏感栅上。黏结剂的性能及粘贴质量直接影响着应变片的工作特性,如线性度、灵敏系数、滞后、蠕变、零漂,以及受温度变化的影响程度等。黏结剂要求黏结力强、黏结后机械性能可靠。黏结层要有足够大的剪切弹性模量、良好的电绝缘性、滞后和蠕变要小,耐湿、耐油、耐疲劳、耐老化等。,下一页,上一页,返回,图1-2-23,返回,第二节 传感器基础知识,3 位移传感器(1) 工作原理将被测位移量转换成电阻变化的传感器称为电阻式位移传感器。常用的电阻式位移传感器为电位计式电阻位移传感器,这种传感器用于测量线位移或角位移。电位计式电阻位移传感器的工作原理是基于均匀截面导体的电阻计算公式。由物理学可知,其电阻 l R- (1-2-1) S 式中导体的电阻率,m;l导体的长度,m;S导体的截面积,mm2。,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,由上式可知,当和S一定时,其电阻只与长度l成正比。如将上述电阻做成线性电位计,见图1-2-24,并通过改变被测电阻丝的长度即移动电刷位置,则可实现位移与电阻间的线性转换,这就是电位计式电阻位移传感器的工作原理。图1-2-24(a)为直线式电位计,可测线位移;图1-2-24(b)为旋转式电位计,可测角位移。,下一页,上一页,返回,图1-2-24,返回,第二节 传感器基础知识,(2) 结构形式YHD型电位计式位移传感器的结构如图1-2-25所示。图中测量轴1与内部被测机构相接触,当有位移输入时,测量轴便沿导轨5移动,同时带动电刷3在滑线电阻上移动,因电刷的位置变化故有电压输出,据此可以判断位移的大小。如要求同时测出位移的大小和方向,可将图中的精密无感电阻4和滑线电阻2组成桥式测量电路。为便于测量轴1来回移动,在装置中加了一根拉紧弹簧6。由以上讨论可知,电位计式传感器有如下优点:,下一页,上一页,返回,图1-2-25,返回,第二节 传感器基础知识, 结构比较简单,成本低; 稳定度高,线性度好; 灵敏度高,可通过提高工作电压来改善灵敏度,甚至不用放大器也能直接推动指示仪表。由于电刷和电阻丝之间存在摩擦,故有如下缺点: 只能在较低频率下工作; 使用寿命短,需要经常性维护; 电噪声大。尽管电位计传感器有一些缺点,但由于它有上述突出的优点,故目前仍广泛使用。甚至在一些精密仪器中,如函数记录仪等,也采用电位计式传感器做位置检测元件。,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,(3) 差动变压器式位移传感器差动变压器式位移传感器(又称互感式位移传感器)是将被测物理量位移转换成线圈的互感系数的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出,从而实现由非电量到电量转换的装置。差动变压器本身是一个变压器,初级线圈输入交流电压,次级线圈感应出电信号,当互感受外界影响变化时,其感应电压也随之发生相应的变化。由于它的次级线圈接成差动的形式,故称为差动变压器。差动变压器式位移传感器的结构形式很多,图1-2-26为E型变隙式结构。差动变压器上下两只铁心上均有一个初级线圈(也称励磁线圈)和一个次级线圈(也叫输出线圈)。上下两个初级线圈串联后接交流励磁电源电压,两个次级线圈则按电势反相串联。,下一页,上一页,返回,图1-2-26,返回,第二节 传感器基础知识,差动变压器式传感器的特性几乎完全是线性的,其灵敏度不仅取决于磁系统的结构参数,同时也取决于初、次级线圈的匝数比及励磁电源电压的大小。可以通过改变匝数比及提高电源电压的办法来提高灵敏度。电感式传感器具有结构简单、工作可靠、测量力小、分辨率高、输出功率大以及测试精度高等优点。但同时它也具有频率响应较低、不宜用于快速动态测量等缺点。图1-2-27为测量液位的原理图,图中衔铁随浮子运动反映出液位的变化,从而使差动变压器有一相应的电压输出。,下一页,上一页,返回,图1-2-27,返回,第二节 传感器基础知识,4 磁电感应式速度传感器磁电感应式速度传感器灵敏度较高,性能稳定,中频响应好(10500 Hz),不需要外加电源,输出为电压,可直接与通用电子放大器连接,使用方便,但体积、质量(约1 kg)较大。图1-2-28 所示磁电式传感器,当线圈做切割磁力线运动时,由电磁感应定律得elv (1-2-2)e (1-2-3),下一页,上一页,返回,图1-2-28,返回,第二节 传感器基础知识,式中N线圈圈数; e0输出端电压,V; B磁感应强度,T; l每匝线圈的平均长度,m; v线圈相对磁场的运动速度,ms-1; 线圈相对磁场运动的角速度,rads-1; A每匝线圈的平均截面积,m2。当传感器结构选定后,其中B、l、N、A均为常量,所以输出电压将随输入速度(或角速度)而线性变化,当速度反向,输出电压的极性也将变号。,下一页,上一页,返回,第二节 传感器基础知识,磁电式速度传感器的结构有两种,若线圈动,磁铁不动,称之为动圈式,其工作原理如图1-2-28(a)所示;若线圈固

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