LN1-传感器_y

目录,车用传感器概述传感器分类几种类型传感器的工作原理,汽车电子学-传感器,车用传感器OnBoardSensors,贺桂芳汽车与工程机械用传感器北京：人民交通出版社2002,“科学是从测量开始的”-门捷列夫,汽车电子传感器技术基础,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,检测技术在汽车中的应用日新月异,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,检测技术在汽车中的应用日新月异,传感器测量原理-传感器定义,传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。,目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,传感器的构成,传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。,传感器的分类,1)按被测物理量分类,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,传感器的分类,机械式,电气式,光学式,流体式等.,2)按工作的物理基础分类:,传感器的分类,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.,传感器的分类,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.,传感器的分类,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式、压敏式.,1变阻器式传感器,传感器测量原理-电阻式传感器,等效电路分析:,x,L,L-变阻器总长;x-电刷移动量.R-总电阻;RL电刷电阻;,R=K*l,x=L*E1/E,传感器测量原理-电阻式传感器,传感器测量原理-电阻式传感器,？,应变计,金属应变计,变阻器式传感器产品,传感器测量原理-电阻式传感器,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或发生变化时，都会引起电容的变化。,传感器测量原理-电容式传感器,a)极距变化型,传感器测量原理-电容式传感器,b)面积变化型,角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.,传感器测量原理-电容式传感器,c)介质变化型,电容式液位传感器（液位计/料位计）,传感器测量原理-电容式传感器,测量电路,a)电桥电路,b)谐振电路,c)运算放大器电路,传感器测量原理-电容式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,分类:,传感器测量原理-电感式传感器,1自感型-可变磁阻式,原理:电磁感应,传感器测量原理-电感式传感器,涡流式,原理:涡流效应,传感器测量原理-电感式传感器,原线圈的等效阻抗Z变化：,传感器测量原理-电感式传感器,2互感型-差动变压器,工作原理:互感现象.,传感器测量原理-电感式传感器,1变换原理:,磁电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。,感应线圈的感应电动势e为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。,传感器测量原理-磁电式传感器,2分类,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,传感器测量原理-磁电式传感器,动圈式传感器,传感器测量原理-磁电式传感器,测速电机,角速度型,磁阻式传感器,磁电式车速传感器,传感器测量原理-磁电式传感器,1.变换原理:压电效应,某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,传感器测量原理-压电式传感器,2、测量电路,压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。,加速度计,传感器测量原理-压电式传感器,磁感应半导体元件分类,霍尔元件,磁电阻元件,磁敏二极管,磁晶体管,磁半导体开关,传感器测量原理-磁敏元件传感器,传感器测量原理-磁敏元件传感器,汽车速度测量:,传感器测量原理-磁敏元件传感器,1)声波及其分类,(1)次声波，振动频率低于l6Hz的机械波。,(2)声波:振动频率在16Hz20KHz之间的机械波。,(3)超声波:高于20KHz的机械波。,2)超声波的物理性质,超声波与声波比，振动频率高，波长短，具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力。,传感器测量原理-超声波检测传感器,超声波传感器原理,超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。接收原理是当超声波作用在磁致材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。,传感器测量原理-超声波检测传感器,倒车雷达,传感器测量原理-超声波检测传感器,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。,光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管,传感器测量原理-光电传感器,光电池,光敏电阻,传感器测量原理-光电传感器,光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。,传感器测量原理-光电传感器,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,传感器测量原理-光电式绝对编码器,码盘：光学玻璃，透光/不透光照相腐蚀要求：分度准确（工艺）、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）,光源：LED光学系统平行光投影精确,光电元件：硅光电池，光电晶体管滞后响应速度,码道：位数每个码道对应一个光电元件分辨率,角度分辨率：=360/2nn-码道数（位数）,组成：光源、码盘、光电元件,增加码道、增大码盘尺寸有限,提高精度,光学细分附加码道,传感器测量原理-光电式绝对编码器,测量电路：,编码码制：,十进制码-0123456789,二进制码-00000001001000110100,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,传感器测量原理-光电式绝对编码器,编码码制：,直观，易于后续电路和计算机处理。多位码同时动作同步误差错码,格雷码（循环码）对称性，无权码,二进制码有权码,相邻两数只有一位不同每次只有一位变化转换,传感器测量原理-光电式绝对编码器,十进制码,8个码道、2位,内4圈-高位；外4圈-低位,编码数：102个,分辨力：360/102=3.6,编码：二十进制,十进制09,二进制00001010,容量小，有权码,较少使用,传感器测量原理-光电式绝对编码器,4位绝对码光电编码器码制,传感器测量原理-光电式绝对编码器,特点：,小范围绝对位置测量-角度、直线位置小范围位移、速度检测,结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，,应用：,例：直线旋转360,直接数字量输出-数字传感器，,绝对码-绝对角位置传感器,测量范围有限（360），,速度不高（最高几千转/分），怕振动-丢数,连接-弹性连轴结,传感器测量原理-光电式绝对编码器,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,传感器测量原理-增量码光电编码器,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：,传感器测量原理-温度检测,(1)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,热电阻,原理：热能热电阻电阻值,温度热电阻阻值,传感器测量原理-温度检测,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%,R0：0时的温度标准值(Pt100,Pt500),(2)铂电阻(Pt),传感器测量原理-温度检测,特点：,-50180：,应用：,(1)易于提纯，在-50150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,(3)铜电阻(Cu),R0：0时的温度标准值,传感器测量原理-温度检测,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,热敏电阻,非线性,传感器测量原理-温度检测,传感器测量原理-温度检测,热敏电阻的应用,传感器测量原理-温度检测,应用实例：基于热敏电阻的电机过热保护器：,Rt1Rt2Rt3：热敏电阻(NTC)，安装在三相绕组附近,温度低时：电阻高三极管不导通继电器不吸合电机运行,温度高时：电阻低三极管导通继电器吸合电机停止,传感器测量原理-温度检测,热电偶,(1)工作原理:,两种不同导体构成闭合回路,两个节点（A、B）温度不同,热电势,温差电势：,A-温差系数TA,TB-A、B两节点绝对温度,k-波尔兹曼常数e-电子电荷量NA,NB-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电势（帕尔帖）,同一导体两端温度不同电子迁移（高低）电势,若两种导体相同：A=BE=0,若两端无温差：T=T0E=0,两种情况,导体不同,两端温差,条件,传感器测量原理-温度检测,热电偶测温基本定律,1)均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。,2)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,传感器测量原理-温度检测,3)参考电极定律两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：,由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。,传感器测量原理-温度检测,常用热电偶材料：,传感器测量原理-温度检测,(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、,传感器测量原理-温度检测,选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。,1、灵敏度,一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰问题；b)量程范围。c)交叉灵敏度问题。,传感器测量原理-传感器性能,2响应特性,传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。,3线性范围,任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。,传感器测量原理-传感器性能,4稳定性,稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。,5精确度,传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。,传感器测量原理-传感器性能,6测量方式,传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。,传感器测量原理-传感器性能,静态特性,静态特性：检测系统在被测量处于稳定状态时的输入输出关系,理想状态：,实际状态：,a-零点输出,b-理论灵敏度,线性关系,非线性关系,传感器测量原理-传感器静态性能指标,非线性原因：(结构原理性原因除外),误差因素,温度,湿度,压力,冲击,振动,磁场,电场,摩擦,间隙,松动,迟滞,蠕变,变形,老化,外界干扰,传感器测量原理-传感器性能指标,1)电磁干扰:干扰以电磁波辐射方式经空间串入测量系统。,2)信道干扰：信号在传输过程中，通道中各元件产生的噪声或非线性畸变所造成的干扰。,2)电源干扰：这是由于供电电源波动对测量电路引起的干扰。,一般说来，良好的屏蔽及正确的接地可去除大部分的电磁波干扰。使用交流稳压器、隔离稳压器可减小供电电源波动的影响。信道干扰是测量装置内部的干扰，可以在设计时选用低噪声的元器件，印刷电路板设计时元件合理排放等方式来增强信道的抗干扰性。,传感器测量原理-传感器性能指标,线性度,回程误差,分辨力,重复性,灵敏度,传感器测量原理-传感器静态性能指标,检测系统的静态特性,(1)线性度:,检测系统输入输出曲线与理想直线的偏离程度,相对误差,输出值与理想直线的最大偏差值,理论满量程输出值,理想直线：,亦称非线性误差,定义:,(non-linearity),表达:,拟合直线,一般不存在或很难获得准确结果,利用测量数据，通过计算获得,传感器测量原理-传感器静态性能指标,获取拟合直线方法：,(a)端点连线法：(b)最佳直线法：(c)最小二乘法：,(2)回程误差,检测系统在正行程和反行程的输入输出曲线不重合的程度,相对误差,Hmax：正反行程输出值的最大偏差,定义：,亦称空程误差、滞后,(hysteresis),算法：,传感器测量原理-传感器静态性能指标,(3)分辨力:,能够检测出的被测量的最小变化量,2、分辨率-是相对数值：,定义：,1、分辨力-是绝对数值，如0.01mm，0.1g，10ms，,说明：,表征测量系统的分辨能力,(resolution),能检测的最小被测量的变换量相对于满量程的百分数，如：0.1%,0.02%,3、阀值-在系统输入零点附近的分辨力,传感器测量原理-传感器静态性能指标,(4)重复性,同一条件下，对同一被测量，同一方向，多次重复测量，差异程度,对同一被测量值：各次测量数值的偏差程度,重复性是检测系统最基本的技术指标，是其他各项指标的前提和保证,测量数据的分散性,计算：贝塞尔公式,对不同被测数值：各次测量曲线的偏差程度,(repeatability),传感器测量原理-传感器静态性能指标,(5)灵敏度,测量系统在稳态下输出量的增量与输入量的增量之比,斜率：,a.线性检测系统：灵敏度为常数；,例：间隙式平板电容传感器,定义：,b.非线性检测系统：灵敏度为变数,说明：,(灵敏度系数),(sensitivity),灵敏度,双曲线、非线性,传感器测量原理-传感器静态性能指标,动态模型,动态特性：检测系统在被测量随时间变化的条件下输入输出关系,(1)微分方程：,根据相应的物理定律（如牛顿定律、能量守恒定律、基尔霍夫电路定律等），用线性常系数微分方程表示系统的输入x与输出y关系的数字方程式,ai、bi(i=0,1,)：系统结构特性参数，常数，系统的阶次由输出量最高微分阶次决定。常见为O阶、一阶、二阶系统,优点：概念清晰，输入-输出关系明了，可区分暂态响应和稳态响应,缺点：求解方程麻烦，传感器调整时分析困难,传感器测量原理-传感器动态性能指标,(2)传递函数：,利用拉氏变换，将微分方程转换成为复数域的数学模型，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比：,优点：表示了传感器本身特性，与输入输出无关，可通过实验求得,汽车的转速测量,O阶系统：例电位计、电子示波器,一阶系统：例:无质量单自由度振动系统、无源积分电路、液位温度计,传感器测量原理-传感器动态性能指标,二阶系统：惯性加速度传感器,传感器测量原理-传感器动态性能指标,(1)频率响应特性：,输入：,输出：,频率响应特性,输入量：,输出量：,频率响应函数：,系统频率特性：,稳态输出与输入幅值之比和两者相位差是输入频率的函数：幅-频、相频,正弦信号-一系列，频率不同，幅值相等,正弦信号-观察：幅值、相位、频率,(稳态),传感器测量原理-传感器动态性能指标,典型的对数幅频特性曲线：,理想幅频特性：,相频特性：,幅频特性：,频响范围：,幅值比与频率关系,0dB水平线（幅值不变）,误差3dB对应的频率范围通频带、频带、工作频带,相位与频率的关系,A()：输出幅值与静态幅值比-系统的动态灵敏度（增益）,传感器测量原理-传感器动态性能指标,(2)检测系统的阶跃响应特性：,输入：阶跃信号,输出：阶跃响应,时间常数：,上升时间Tr：,响应时间Ts：,超调量a1：,衰减率：,稳态误差ess：,系统输出值上升到稳态值yc的63.2%所需的时间,传感器输出从稳态值yc的10%上升到90%所需时间,输出值达到允许范围%的所需时间,响应曲线第一次超过稳态值yc的峰高：ymax-yc,相邻两个波峰（或波谷）高度下降的百分数,无限长时间后，传感器稳态值与目标值偏差的相对误差,传感器测量原理-传感器动态性能指标,a)零阶系统：,微分方程：,特点：,a)属于静态环节：,d)实际零阶环节：缓慢变化，