汽车试验方法概述

1、 汽车试验方法概述 机械量的电测量技术 汽车整车性能试验 汽车总成与零部件试验概述基本概念所谓“汽车车测试”，简单单地说,就是通通过实际际测试的的手段确确定汽车车的某个个（些）参参数。这这里的“参数”，一般般是指物物理量的的定量数数值；个个别情况况下也可可能是定定性评价价。一般来说，汽车试验所采用的仪器设备、试验场所、试验环境和试验工况等，都应该遵循国家或者相关部门、行业或企业发布的正规标准文件。标准可以确保试验操作规范、安全，数据结果准确、可信、具有典型性、代表性和可比性。而有些探索性、创新性试验，也可以由研究人员自行制定试验标准和操作规范，这也是对汽车基础理论、设计制造技术和汽车试验方法的

2、有力推动。试验与理论论的关系系、试验验的必要要性理论分析不不能完全全取代实实际测试试，尤其其是对于于现代汽汽车行业业来说，汽汽车试验验的必要要性主要要体现在在以下几几方面。1作为一一种室外外交通工工具，汽汽车的使使用条件件复杂，整车、各各系统、机机构和零零部件会会遇到各各种难以以预料的的载荷、工作条件和行驶环境。2.汽车是是一种高高度普及及的社会会化的民民用商品品（军用用和专业业比赛车车辆不在在此列），研研究、制制造单位位之间的的竞争异异常激烈烈。厂商商为了争争夺市场场，势必必要在产产品的性性能、质质量和成成本之间间做出平平衡，“不惜血血本”的模式式是走不不通的，过过分的“精益求求精”也是不不

3、符合商商业规律律的。一一个研发发任务，要要在有限限的人力力、物力力和时间间条件下下，寻求求在法规规允许和和市场满满意框架架下的利利益最大大化，势势必要通通过科学学、合理理的试验验手段，定定量、可可靠地确确定产品品的设计计参数，达达成研发发和制造造效费比比的最优优化。而而在深层层次的理理论分析析和机理理解释方方面，暂暂时有所所欠缺是是可以接接受的。3.汽车研研究和设设计的许许多问题题，已经经有了理理论模型型，但是是这些模模型并非非普遍适适用，或或者模型型中的某某些参数数不易确确定。4.由上述述几点可可以看出出，理论论不能代代替试验验，归根根结底，在在于现有有理论的的不准确确性或者者局限性性。因此

4、，进行行汽车试试验，以以及对汽汽车试验验的方法法进行研研究，对对于优化化汽车产产品的设设计、推推动汽车车工业的的发展、完完善汽车车基础理理论研究究以及刺刺激和带带动相关关技术理理论（如如，传感感技术、信信号分析析理论和和技术、电子设备制造技术等等）的发展，都具有重要意义。汽车试验的的分类汽车试验的的研究范范围广泛泛、项目目繁杂，可可以从不不同角度度进行分分类。按试验目的的分类（1）质量量检查试试验（2）新产产品定型型（鉴定定）试验验 有有时将质质量检查查试验和和新产品品定型试试验统称称为产品品检验性性试验。（3）科研研探索类类试验 科研探索类类试验，所所涉及的的大都是是目前尚尚未成熟熟的技术术

5、或者尚尚未普遍遍成立的的理论，试验项目的深度、广度较大，试验规范和操作实施方法可以由试验者根据具体的试验项目灵活确定，对试验数据的精确度要求很高，采用的设备非常先进，手段通常较复杂。与之相比，产品检验性试验在试验项目、规范、过程和操作方法等方面必须依据国家和部门、行业的有关标准来进行，确保试验工作有章可循，试验对象之间的定量分析具有可比性。按试验对象象分类就是按车辆辆结构层层次划分分为三类类：整车试试验、机机构及总总成试验验和零部部件试验验。按试验场所所分类主要就是室室内和室室外两个个场所。两两类试验验各有优优劣、互互为补充充。（1）室外外道路试试验 由由于试验验环境条条件真实实，驾驶驶操作真

6、真实，通通常不需需要对车车辆进行行解体，可可以进行行几乎所所有整车车性能试试验，而而且其结结果可信信度较高高。但室室外条件件不易控控制，试试验过程程易受无无关因素素干扰，数据重复性较差。车载条件也对测试仪器设备提出了更高的要求。而且室外道路试验的组织和实施耗时较长，动用人员较多。对于有越野性能要求的车辆，“道路”也可以包括田间、沙地、冰雪地等非铺装地面。（2）室内内台架试试验 可可以消除除天气、道道路状况况和交通通流量等等不确定定因素的的影响，有利于组织和安排试验，缩短试验周期，试验数据精密度高、重复性好、可比性强。但真实行驶工况的模拟是一个需要重视的问题，否则试验结果是不可信的。台架本身搭建

7、时间可能较长，但试验操作本身过程较短（对于疲劳类试验，台架运行的时间很长，但并不需要全程人工操作和监控），仪器设备大多是固定式的，比较容易布置和操控。（3）试验验场试验验 这是是又一类类室外道道路试验验。（4）使用用试验 顾名思思义，使使用试验验就是在在实际使使用中对对车辆（或或车辆的的某部分分）的某某个指标标进行测测试，对对于道路路和气象象条件、车车辆载荷荷、驾驶驶操作习习惯、车车辆技术术状况和和维修调调整作业业等不做做任何特特殊规定定，完全全按驾驶驶员意图图和实际际行驶环环境操作作。得到到的结果果最为真真实可信信；但是是试验数数据的典典型性和和重复性性不好，且可操作性很差。能够采用使用试验

8、方式的汽车试验项目并不多。汽车试验的的基本步步骤总体而言，可可以划分分为四个个基本步步骤。制定试验大大纲 它它是指导导试验的的纲领性性技术文文件，它它的编制制是否科科学、合合理，将将影响整整个试验验的成败败。试验仪器设设备和人人员的准准备具体实施操操作编写试验报报告机械量的电电测量技技术在现代社会会，试验验测试手手段和方方法广泛泛应用于于国民经经济和社社会生活活的各个个领域。包包括汽车车试验在在内，现现代测试试技术普普遍具有有两大特特点：从从测试装装置的组组织和构构成的角角度看，采采用的是是“模块化化”；在信信号测量量的实现现手段上上，采用用的是“电测法法”。 测试系统统的转换换特性测试系统的

9、的基本组组成从“模块化化”的观点点出发，一个完整的测试系统，从被测信号变换和传输的过程来看，主要包括三部分：传感器、信号调节器、记录与显示装置。另外还可能有定度、校准装置和数据处理设备等。如图2-1所示。传感器：将将被测量量（通常常是非电电量）转转换成电电信号的的装置。也称为感应器或变送器。信号调节器器：也称信信号调理理器，指指的是信信号的中中间变换换与传输输。来自自传感器器的信号号，经过过中间处处理后，才才能成为为能量足足够、不不易失真真、干扰扰少、便便于传输输的电信信号，供供记录或或显示。记录与显示示装置：也也就是测测试系统统的输出出端，或称“负载”。同时，为了了使测试试系统自自身工作作正

10、常、结结果可靠靠，还需需要有定定度和校校准等装装置。定度：也叫叫标定，就就是确定定测试装装置的输输出-输输入关系系，比如如图2-6显示示的定度度曲线。校准：校准准，就是是在同一一信号的的作用下下，用该该工作装装置和更更高精度度等级的的标准装装置的输输出信号号进行比比较，找找出工作作装置的的误差，进进行修正正。此处的“测测试系统统”，仅是直直接服务务于被测测物理量量的测量量。而整整个汽车车试验的的硬件体体系还要要包括被被试件、动力输入装置、加载装置和其他联接支承设备等环节，这些环节的功用，就是产生、并向测试系统提供一个或几个被测物理量。对测试系统统的基本本要求一个理想的的测试系系统，要要满足两两

11、点基本本要求：具有单值、确确定的输输出-输入关系系。最好是是线性的的。满足单向性性。所谓“单向性性”，是指指被测系系统的运运作可以以对测试试系统施施加影响响、而测测试系统统对被测测系统没没有反作作用或者者反作用用尽量小小。系统的基本本思想我们暂时不不考察测测试系统统内部的的详细构构造和物物理原理理，将其其视作一一个“黑箱”，那么么这个黑黑箱的基基本功能能就是将将输入量量x按某某种关系系转换成成输出量量y。显然，在输输入、系系统和输输出三个个环节中，已知两两个，就就可以求求解另一一个。已知系统特特性h和输出出y，就可可以推断断输入信信号x，这就就是测量量。已知输入xx和输出出y，可可以确定定系统

12、特特性h，这这就是定定度（标标定）。如果已知输输入x和和系统特特性h，则则可以在在不进行行实测的的条件下下确定输输出y。这这称为输输出信号号预测。测试系统的的静态特特性静态，指的的就是测测试系统统的输入入和输出出都不随随时间变变化（或或非常缓缓慢）。在这个定义义中，“输入和和输出”改成“输入或或输出”是一样样的。测试系统的的静态数数学模型型，用输输出输入关关系式表表达为： （2-1）式中x为为系统的的输入量量、y为为输出量量；、等为常常数。系系统及其其特性，就就取决于于、等的数数值。如果系统是是绝对理理想的，满满足单值值、单向向和线性性的条件件，那么么其输出出输入关关系式应应该是一一条过原原点

13、的直直线：。系统的的实际特特性曲线线与上述述理想直直线之间间存在着着各方面面的偏差差，就构构成了系系统的静静态特性性。曲线的截距距零点漂漂移零点漂移的的含义是是，当测测试系统统的输入入为零时时，输出出不为零零。显然然，当aa0不等于于零时，就就会造成成零点漂漂移。曲线的斜率率灵敏度度灵敏度S是是系统的的输出增增量y与输输入增量量x之比比，也就就是输出出输入关关系曲线线上各点点的斜率率。一般来说，测测试装置置的灵敏敏度以高高些为好好，但灵敏度度过高，往往往会引引起测量量范围变变窄、装装置的稳稳定性下下降。由于系统自自身特性性的改变变或者环环境条件件改变等等因素的的影响，造造成公式式（2-1）中中

14、的、等数值值的变化化，就表表现为灵灵敏度的的改变，或或者叫“灵敏度度漂移”。灵敏敏度漂移移常以在在输入不不变的情情况下每每小时输输出的变变化量来来衡量，越越小越好好。 图2-5 零点点漂移、灵灵敏度及及其漂移移曲线与直线线的偏差差非线性性度非线性度是是指测试试系统的的实际输输出输入关关系与理理想线性性关系的的偏差。 图中实线为为定度曲曲线，也也就是系系统输出出输入关关系实际际特性；虚线是是根据实实际特性性进行拟拟合得到到的理论论直线。BB是实际际曲线与与理论直直线的最最大差值值，A是是仪器的的标称输输出范围围（即，满量量程）。定量评价：非线性性度曲线上行和和下行的的差异回程误误差同一输入量量下

15、，正正向输入入（输入入量由小小到大，即即加载）和和反向输输入（输输入量由由大到小小，即卸卸载）时，所对对应的输输出量不不同，这就是回回程误差差。如图图2-7所所示。图中h是是正向输输入与反反向输入入的差值值，称滞滞后量。回程误差=回程误差的的产生，主主要来源源于各种种滞后的物物理效应应，以及及仪器设设备存在在不工作作区（死死区）。滞滞后效应应包括磁磁性材料料的磁化化与退磁磁、弹性性材料的的变形与与恢复等等，机械械运动结结构中的的摩擦和和间隙（自自由行程程）则是产生生不工作作区的主主要原因因。测试系统的的动态特性性动态指的是是系统的的输入和和/或输输出随时时间变化化的状态态。测试系统的的动态数数

16、学模型型微分方方程大多数测试试系统都都是线性性的，而而且系统统参数为为常数，所所以其数数学模型型是常系系数线性性微分方方程。其其通式可可以写作作： （22-2）式中x为为系统的的输入量量、y为为输出量量；、为常数数。也就是说，要要写出微微分方程程，必须须知道系系统的结结构参数数。线性系统的的主要性性质叠加特性：几个输输入同时时作用于于系统所所引起的的输出，等等于几个个输入单单独作用用于系统统所引起起的输出出之和。比例特性：某输入入的若干干倍作用用于系统统所引起起的输出出，等于于该输入入单独作作用于系系统所引引起的输输出的若若干倍。微分特性：某输入入先求微微分、然然后作用用于系统统所引起起的输出

17、出，等于于该输入入直接作作用于系系统所引引起的输输出、再再求微分分。积分特性：某输入入先求积积分、然然后作用用于系统统所引起起的输出出，等于于该输入入直接作作用于系系统所引引起的输输出、再再求积分分。频率保持性性：线性性系统，若若输入为为某一频频率的正正弦信号号，则其其稳态输输出将保保持同一一频率。 频频率保持持性的重重要意义义在于，对对于线性性测试系系统，如如果知道道输入的的频率，那那么系统统的输出出信号中中就只有有该频率率的成分分才有可可能是这这个输入入引起的的，其余余频率分分量都是是噪声干干扰。传递函数由数学分析析可知，对对微分方方程进行行拉普拉拉斯变换换（拉氏氏变换），可可以建立立传递

18、函函数H(s)。我们定义：传递函函数=。经经计算可可得： （2-3）频率响应函函数（频频率响应应特性）频率响应函函数的数数学定义义当系统的输输入为简简谐输入入时，可可以取，则则传递函函数就变变成频率率响应函函数 ，简称称频响函函数或频频响。 （22-4）式中，即即虚单位位。频率响应特特性的基基本思想想（频率率响应函函数的工工程解释释）对于一个线线性系统统，令其其输入为为任意正正弦信号号，那么么稳态输输出可写作：。可见，系统统的特性性（转换换关系）就表现为将转换成、将转换成。 于是定义频率响应函数: 系统的输出量与输入量之比， 。经过详细数数学推证证，我们们定义：幅频函数（幅幅频特性性）：频频率

19、响应应函数的的模，又又称幅值值比，为为输出幅幅值与输输入幅值值之比。即即 。相频函数（相相频特性性）：频频率响应应函数的的相角，为为输出向向量与输输入向量量的相位位差。 即。一阶系统其微分方程程的一般般式可以以写作。稍稍加变形形，即： （2-5）其中，称称为时间间常数；，就是是灵敏度度。由微分方程程（2-5）可可以得出出传递函函数： (22-6)当系统的静静态灵敏敏度S=1时，传传递函数数化为： （2-7）将改作，就就可由传传递函数数写出频频率响应应函数： （22-8）分别计算其其模和相相角，得得到幅频频特性和和相频特特性： （22-9） （22-100）一阶系统的的幅频特特性和相相频特性性曲

20、线如如图2-9所示。 图图2-99 一一阶系统统的频率率响应特特性一阶系统的的实例，有有忽略质质量的弹弹簧阻尼尼系统和和忽略电电感的简简单RCC电路等等。如图图2-110所示示。 图2-110 一阶系系统的机机械实例例和电工工实例二阶系统无论是测试试系统还还是其他他应用的的工作系系统，以以二阶系系统最为为常见。其其微分方方程的一一般式可可以写作作。对二阶系统统，做如如下特性性参数的的定义：灵敏度；固有频率； （2-11）阻尼比。则二阶系统统的频率率响应函函数表达达为： （2-112）做灵敏度归归一化，令令S=11，则幅频特特性A()和和相频特特性()为为： （2-113） （2-114）二阶系

21、统的的幅频特特性和相相频特性性曲线如如图2-11所示示。 图图2-111 二阶系系统的频频率响应应特性信号频率等于固固有频率率n、也就是是频率比比为1，就是共振。二阶系统的的实例，有有弹簧阻阻尼质量量系统和和简单LRC电电路等。如如图2-12所示示。 图2-12 二阶阶系统的的机械实实例和电电工实例例5.不失真真测量的的条件不失真测量量：输出出与输入入波形精精确地相相似，幅幅值和相相位允许许有差异异。如图图2-113所示示。图2-133 波波形不失失真地复复现由数学分析析可知，对于线性系统，要实现不失真测量，必须同时满足两个条件：幅频特性为常数、相频特性成线性。对于一阶系系统，由由相关公公式和

22、曲曲线可以以看出，为为满足公公式（22-155），就就要求尽可可能小。其其中是输入入信号的的频率，无无法预测测和限制制；所以以一阶系系统不失失真测量量的条件件就是时时间常数数越小越越好。二阶系统不不失真测测量的要要求有如如下三点点：阻尼比0.77（一般般认为取取0.660.8之间间比较合合适）；频率比或者者固有频频率n足够高高；固有频率n也不能能太高，否否则会导导致灵敏敏度降低低。在本节分析析中，认认为系统统的频率率响应特特性取决决于系统统参数，即即、等参数数，这种种思路适适用于系系统的原原理分析析、设计计和选择择等工作作。但是是，如果果该系统统是测试试研究的的对象，工工作目的的是确定定某个给

23、给定系统统的特性性，那么么上述参参数很可可能是不不知道的的。此时时，就需需要采用用试验的的方法，利利用输出出和输入入的关系系来求解解系统的的频率响响应函数数。 传感器含义：传感感器是将被测测物理量量（通常常是非电电量）转转换成电电信号的的装置，也称为感应器或变送器。传感器的基基本构造造可以分分为两部部分：敏敏感元件件和辅助助元件。敏感元件是传感器的核心，直接负责将被测非电量转换为输出的电信号；其它辅助元件则为敏感元件提供必要的机械联接、支承与定位、防护以及信号传送等。传感器种类类繁多，根根据输出出电信号号的性质质，可以以分为两两类：发发电式和和参量式式。发电式传感感器输出出的是电电动势（此此处

24、的“电动势势”泛指具具有电能能、能够够主动驱驱动测量量仪表运运转或显显示的电电学量，包包括电压压、电流流和电荷荷等），因因为自身身输出电电动势，所所以发电电式传感感器不需需要外电电源。参量式传感感器的输输出是各各种电参参量，包包括电阻阻、电容容和电感感等。电参参量本身身不具有有电场能能，需要要外加电电源才能能表达其其电学特特性。电阻式传感感器凡是能将被被测非电电量转化化为电阻阻变化的的传感器器，都可可称为电电阻式传传感器。电阻式传感感器是一一种参量量式传感感器。根根据产生生电阻变变化的机机理不同同，又可可分为电电阻应变变片式传传感器和和滑变电电阻式传传感器。电阻应变片片式传感感器电阻应变片片，

25、简称称应变片片，任何物物理量，只只要能设设法转换换成应变变，都可可以由应应变片来来测量。应变片的基基本构造造和工作作原理电阻应变片片的基本本构造如如图2-14所示示。其工作原理理是基于于金属导导线的电电阻应变变效应金属导导体在外外力作用用下，不不仅发生生机械变变形，其其电阻也也会发生生改变。 图2-14 电阻阻应变片片的基本本构造由电阻定律律可知，一根金属导线的电阻R与其长度L、截面积A和电阻率有关。 （22-166） 两两侧取自自然对数数、再微微分，易易得： （2-17）其中，是单单位电阻阻的电阻阻变化量量，称为为电阻变变化率，就就是应变变片的输输出。是电阻率的的变化率率。是金属导线线长度的

26、的变化率率，也就就是线应应变，按按材料力力学通常常记作。，为泊松松比。得得。代入式式（2-17）: （2-18）这就是金属属材料的的电阻变变化率与与应变之之间的关关系。将电阻变化化率与应应变之比比称作导导线材料料的灵敏敏系数，记记作，即即： （22-199）应变片的种种类金属丝式应应变片金属丝式应应变片制制造简单单，性能能一般。金属箔式应应变片通过光刻、腐腐蚀等工工艺，把把构成线线栅的合合金材料料制成金金属箔，“印刷”在应变片的基底上。因而可以制成各种复杂的形状。金属箔式应应变片优优点很多多，使用用非常广广泛，基基本上取取代了金金属丝式式应变片片。半导体应变变片半导体应变变片的工工作原理理是半

27、导导体材料料的压阻阻效应当半导导体受到到应力作作用时，由由于载流流子迁移移率的变变化，使使其电阻阻率发生变变化的现现象。半导体应变变片最大大的优点点在于灵灵敏系数数高。其其缺点是是价格较较高，而而且半导导体材料料对温度度的变化化非常敏敏感，测测量大应应变时非非线性度度也较大大。应变片的主主要特性性灵敏系数KK当试件在一一维应力力作用下下，应变变片主轴轴线与主主应力方方向一致致时，应应变片的的电阻变变化率与与试件主主应变的的比值，称称为应变变片的灵灵敏系数数。 （22-211）由于存在横横向效应应和胶层层传递应应变失真真，应变变片的灵灵敏系数数略小于导导线材料料的灵敏敏系数。其具体体数值需需要做

28、标标定试验验来确定定。横向效应应变片对于于垂直于于其主轴轴线方向向应变的的响应，称称为横向向效应。金属箔箔式应变变片通过过将横向向部分做做得很粗粗，其初初始电阻阻就很小小，横向向效应就就几乎没没有了。温度特性指的是在应应变不变变的条件件下，随随着温度度的变化化，应变变片的输输出电阻变变化率发生变变化。显显然，这这对于测测量工作作来说是是一种干干扰。温度特性来来源于两两方面：敏感线线栅的电电阻率随随温度发发生变化化；试件件、应变变片基底底和敏感感线栅的的热膨胀胀系数不不同，当当温度改改变时会会产生热热应变。应变片的阻阻值指的是应变变片未粘粘贴、不不受力、处处于室温温（200C）环环境下的的电阻值

29、值。有660、1220、2000、10000等多种种规格，其其中以1120最常用用。应变片的粘粘贴工艺艺 应应变片的的粘贴工工艺大致致包括如如下步骤骤：先要要清理试试件的待待粘贴表表面，必必要时在在粘贴部部位划线线。选用用粘合剂剂将应变变片粘贴贴在指定定部位。粘粘贴后要要根据粘粘合剂的的不同给给予足够够的固化化时间。然然后焊接接引线、检检查粘贴贴质量和和导线的的绝缘性性。最后后采用蜡蜡封等方方法将应应变片与与外界环环境隔绝绝开。应变片式传传感器开发了各种种以电阻阻应变片片为核心心元件的的专用传传感器，称称之为应应变片式式传感器器。应变变片已经经贴在传传感器里里面，不不需要操操作者做做试验时时自

30、行安安装。应变片式传传感器包包括应变变片、弹弹性元件件和其他他附件。应变片式传传感器在在使用前前一般要要进行标标定，确确定被测测物理量量与传感感器的输输出电阻阻变化率率（或者者电桥的的输出电电压）之之间的转转换关系系。 图22-166 圆柱柱式测力力传感器器滑变电阻式式传感器器滑变电阻式式传感器器，又称称电位计计式传感感器，主主要用于于被测物物体的（角角）位置置或（角角）位移移的测量量。其传传感核心心就是一一个滑线线变阻器器， 图图2-220 滑变电电阻式传传感器滑变电阻式式传感器器原理简简单、制制造容易易、输入入输出的的线性度度较好。一一个缺点点是，当当触点运运动时产产生一定定的摩擦力，其其

31、趋势是是阻碍被被测物体体运动，有有可能影影响被测测物体原原来的运运动状况况，特别别是对于于低输入入能量的的运动量量。汽车发动机机电控系系统中的的翼片式式空气流流量计和和线性输输出型节节气门位位置传感感器，采采用的就就是电位位计式原原理。 图2-21 翼片片式空气气流量计计还有一类电电阻式传传感器，不不依赖运运动和变变形，而而是单纯纯靠温度度变化来来改变电电阻材料料的电阻阻率，从从而改变变输出。例例如，用用于测量量发动机机冷却水水温和进进气温度度的绕线线电阻式式温度传传感器，其其传感核核心是高高纯度的的镍线电电阻，其其电阻值值随水温温或气温温的改变变而变化化。这种种传感器器响应速速度较慢慢，不能

32、能用于追追踪迅速速变化的的温度。电容式传感感器电容式传感感器是将将被测物物理量的的变化转转换为电电容值变变化的一一种传感感装置，属属于参量量式传感感器。其基本本构造就就是一个个具有可可变参数数的电容容器。工作原理平行板电容容器的电电容数值值C为： （22-222）式中，S为为两极板板的正对对面积；为两极极板的间间距；0为真空空中的介介电常数数，为88.85510-112库库伦/伏伏特；r为极板板间实际际介质的的相对介介电常数数，极板板间填充充不同物物质，其其相对介介电常数数不同，对于空气，取r=1。如果被测量量能使电电容器结结构参数数中的SS、或r中的任一项变化化，那么么电容值值C就会会发生变

33、变化。主要类型和和应用根据被测量量对电容容器结构构参数的的不同影影响，电电容式传传感器可可以分为为三类： 变极距型这是最常见见的电容容式传感感器。变极距型电电容传感感器最擅擅长的是是测量位位移，特特别是微微小的位位移。在汽车噪声声的测量量中，广广泛使用用声级计计，精密密声级计计的核心心就是一个个电容式式传感器器，称电电容微音音器。电容式传感感器也可可以测量量流体压压强的变变化。例例如，DD型电控控发动机机喷射系系统中，发发动机进进气量由由进气歧歧管压力力和发动动机转速速推算。而而进气压压力的测测量就是是利用电电容式传传感器，如图2-25所示。图2-255 电容式式进气压力力传感器器 图图中，1

34、1接进气气歧管，整整个传感感器外表表面处于于该气体体压力环环境中。两两个氧化化铝膜片片5都可可以在气气压变化化下运动动。2和和4是厚厚膜电极极，构成成电容器器的两个个极板。3是内内部填充充的绝缘缘介质。进气压力的波动转变成电容值的变化，该电容参与构成一个振荡器谐振电路，其输出信号的频率与进气歧管压力成正比。变面积型电容器的两两个极板板中，一一个固定定，另一一个在其其平面内内做平动动或转动动，两者者的正对对面积SS就发生生变化，根根据式（22-222），电电容C就发生生改变。测线位移 b)测测角位移移 c)圆圆筒形图2-266 变变面积型型电容式式传感器器变面积型电电容传感感器很多多做成同同轴圆

35、筒筒形结构构，如图图2-226-cc)所示。因因为筒式式电容器器的径向向变化对对电容值值影响相相对较小小。变介电常数数型两个极板均均不动，改改变极板板间的填填充物质质或者物物质的尺尺寸、位位置，不不同物质质的相对对介电常常数不同同，电容容值随之之发生改改变。变介电常数数型电容容式传感感器通常常用于测测量电介介质的厚厚度、电电介质插插入极板板的位置置、电介介质液体体的高度度或者成成分变化化等。测物体位置置 b) 测物物体厚度度 cc) 测测液面高高度图2-277 变变介电常常数型电电容式传传感器性能特点电容式传感感器的运运动部分分（主要要就是活活动极板板）质量量极小，因因此固有有频率非非常高，特

36、特别适合合高频动动态测量量，比如如声音信信号。电电容器极极板间的的静电作作用力很很小，适适宜进行行低输入入能量的的测量，可可以测量量极低的的压力、极极小的加加速度和和极其微微小的位位移，灵灵敏度和和分辨力力非常高高，甚至至能够感感受到纳纳米级的的位移。但是，电容容传感器器也存在在一些问问题。输出阻抗高高电容式传感感器的电电容值一一般很小小，当采采用交流流电路处处理和变变换时，容容抗很大大（容抗抗，为交流流电路的的圆频率率），要要求绝缘缘电阻极极大、放放大器输输入阻抗抗也很大大。提高高供电频频率可以以降低容容抗，但但高频信信号的放放大和传传输复杂杂，寄生生电容的的影响也也会增大大。受寄生电容容的

37、影响响相对于电容容式传感感器自身身的电容容（就是是电容器器两平行行板间的的电容），传传感器的的引线电电缆电容容、测量量电路的的杂散电电容以及及传感器器极板与与周围导导体形成成的电容容等，共共同构成成寄生电电容。寄寄生电容容会降低低传感器器的灵敏敏度，而而且寄生生电容常常常随机机波动，影影响测量量结果的的精度。这这就对电电缆的选选择、安安置、连连接方法法和周围围环境提提出了比比较严格格的要求求。极板间距和和厚度的的问题平行板电容容器靠近近边缘的的部分电电场强度度降低，这这会降低低传感器器的灵敏敏度，而而且增大大非线性性度。为为了降低低这种边边缘效应应，同时时进一步步减小寄寄生电容容，需要要降低极

38、极板原始始间距、增增大极板板面积、降降低极板板厚度（如如采用镀镀金或镀镀银工艺艺）。这这对极板板的制造造和装配配技术提出出了一定定的要求求。对于变面积积型和很很多变介介电常数数型电容容式传感感器来说说，输出出与输入入的线性性关系良良好。但但是对于于最常见见的变极极距型电电容式传传感器，由由于其基基本原理理缺陷，输输出电容容与输入入位移之之间不是是线性关关系。数学推推证可以以得出：为了提提高传感感器的灵灵敏度（和和线性度度），电电容式传传感器的的极板原原始间距距要做得得很小；而为了了进一步步提高线线性度，测测量位移移d还要要远小于于原始间间距。所所以，电电容式传传感器只只能测量量微小的的位移。

39、为为了进一一步提高高测量的的灵敏度度和线性性度、同同时降低低外界干干扰的影影响，可可以采用用差动测测量。差差动测量量是一种种应用广广泛的测测试方法法，其基基本思想想是设计计两套相相同的测测量装置置，甲和和乙。同同一输入入量分别别作用于于甲、乙乙两元件件。甲元元件的输输出是(a+bb)，其中中a是被被测量引引起的、bb是外界界干扰引引起的；乙元件件的输出出的(-a+bb)，a、bb的含义义同甲。两两者的输输出相减减，(aa+b)-(-a+bb)=22a。可可见，差差动测量量可以将将灵敏度度提高一一倍，同时将将外界环境境影响对对两个测测量元件件的干扰扰抵消掉掉。 图2-29 差动动测量的的原理和和

40、输出特特性电感式传感感器顾名思义，电感式传感器，就是将被测非电量转换为电感的传感器，属于参量式传感器。这类传感器的结构特征是具有参数可变的电感绕组（即线圈）。电感包括自自感和互互感，所所以电感感式传感感器也可可以分为为自感式式和互感感式两类类。自感式电感感传感器器电感绕组的的自感系系数（电电感量）与与磁路的的几何尺尺寸、线线圈的匝匝数和介介质的导导磁率有有关。一一般来说说，线圈圈的匝数数和介质质的导磁磁率不易易改变，所所以，被被测量通通常是位位移，改改变的是是磁路的的几何尺尺寸。如如图2-30所所示。(a)变气气隙型 (b)变变截面型型 (c)螺螺管型 11-线圈圈 2-铁铁芯 33-衔铁铁

41、图2-30 自感感式传感感器的类类型和原原理也可以将变变气隙型型和变截截面型称称作可动动衔铁型型电感式式传感器器、将螺螺管型称称做可动铁芯型型电感式式传感器器。对于常见的的可动衔衔铁型，由由公式（22-233）可见见，传感感器的输输出电感感L和被被测位移移之间是是非线性性关系。为为了提高高线性度度，同时时提高灵灵敏度和和抗干扰扰能力，同同电容式式传感器器一样，电电感式传传感器也也经常采采用差动动测量方方式。如如图2-32所所示，两两个铁芯芯共用一一个衔铁铁，衔铁铁的运动动引起两两个线圈圈的电感感反向变变化，将将这两个个电感量量差接进进测量电电路以实实现差动动测量。 (aa)测量量线位移移 (b

42、)测测量角位位移 图图2-332 自感式式电感传传感器的的差动测测量互感式电感感传感器器互感式电感感传感器器，其构构造就等等效于一一个互感感系数可可变的变变压器。这种传感器一般都做成差动式的，采用两个次级绕组，铁芯的运动对两个绕组的影响趋势相反，常被称作差动变压器。如图2-33所示。 图2-33 差动动变压器器电感式传感感器的特特点与电容式传传感器相相比，电电感式传传感器可可以测量量较大的的位移（即即使衔铁铁或铁芯芯的运动动超出量量程也不不会造成成损坏）。电感式传感感器的运运动部件件与固定定部件之之间都没没有摩擦擦，而且且电感效效应本身身不同于于电磁感感应，不不需要很很大的输输入能量量。因此此

43、，电感感式传感感器的动动作阻力力小、对对被测系系统的影影响小、本本身无机机械磨损损。电感感线圈允允许输入入较大的的激励电电压。电感式传感感器比较较突出的的一个问问题是动动作部分分的惯量量非常大大。惯量量大导致致固有频频率低，为为了满足足不失真真测量的的条件，只只能测量量更低频频的信号号。所以以，电感感式传感感器不能能用作高高频动态态测量。而且，电感式传感器的分辨率受测量范围的影响，测量范围越大，分辨率越低。压电式传感感器基本原理和和性能特特点压电式传感感器的工工作原理理是压电电效应：某些材材料当沿沿着一定定的方向向对其施施加压力力（或拉拉力）时时，材料料不仅发发生机械械变形，而而且内部部发生极

44、极化，在在两侧表表面出现现等量的的异号电电荷，电电荷量与与压力大大小成正正比。当当外力去去掉后，该该材料又又重新回回到不带带电的状状态。如如图2-34所所示。(a) 受压力力 (bb) 受拉力力 图22-344 压压电效应应压电效应原原理中的的电荷量量Q和压压力F的的关系式式可写作作：。式中，KK压电系系数库库伦/牛牛顿压电式传感感器在汽汽车试验验中最多多的应用用就是用用来测量量振动加加速度。另外，在发动机电控系统中，需要感知爆振率信号，发动机的爆振程度通常由机体振动反映，也可以采用压电式加速度传感器来测量。压电式传感感器的主主要优点点是体积积小、重重量轻、结结构简单单、工作作可靠、固固有频率

45、率高、灵灵敏度和和线性度度都较高高。压电式传感感器的主主要缺点点是：第第一，通通常作为为振动加速速度传感感器，当当被测运运动频率率较低时时，测试试较困难难。第二二，输出出信号弱弱、压电电片的阻阻抗高。所所以，一个传传感器里里通常包包含两个个压电片片，而且且传感器器输出端端必须连连接前置置放大器器。根据据两片压压电片连连接方式式的不同同，配套套不同的的放大器器。前置放大器器压电式传感感器的前前置放大大器有两两个作用用：一是是将传感感器输出出的微弱弱信号放放大；二二是阻抗抗匹配，将传感器的高阻抗输入转变成低阻抗输出，才能传给常规放大器继续放大、处理。即，压电式传感器前置放大器常规放大器当然，很多测

46、试系统所采用的前置放大器，内部包含了常规放大的功能，所以我们看到的放大器只有一个。压电片是有有极性的的，就是是说受到到压力时时，出现现正、负电荷荷的表面面是固定定的。当当一个传传感器里里面的两片压电电片的异极性性表面相相连时，就就是串联联；当同同极性表表面相连连时，就就是并联联。如图图2-336所示示。 (a)两片压压电片串串联 (bb)两片片压电片片并联 图图2-336 两片压压电片的的连接当压电片串串联时，其其输出电电压相当当于单片片的两倍倍，适于于采用电电压式前前置放大大器。这这种放大大器的输输出电压压与传感感器输入入电压成成正比，但但也会受受到被测测信号频频率和导导线分布布电容的的影响

47、。放大器的高频响应良好，但低频响应不好。对导线电缆的品质要求高，导线不能过长（特别是要求高灵敏度的场合），更换电缆后需要重新标定灵敏度。电压式前置放大器的优点是结构较简单，价格较低。两片压电片片并联，其其输出电电荷相当当于单片片的两倍倍，适用用于采用用电荷式式前置放放大器。这这种放大大器线路路结构复复杂，调调节困难难，成本本较高。但但是其性性能优点点是很突突出的：放大器器输出电电压仅与与输入电电荷量和和放大器器反馈电电容有关关（电荷荷放大器器的本质质是一个个具有深深度电容容负反馈馈的高增增益放大大器，其其反馈电电容属于于结构设设计参数数，是固固定的或或可选的的），而而与信号号频率和和导线分分布

48、电容容无关。高高频和低低频响应应都很好好，传输输距离可可长达数百百米，对对导线品品质要求求低，更更换导线线后不需需要重新新标定。在在线性度度和信噪噪比等方方面也优优于电压压放大式式。所以以目前多多采用电电荷放大大式前置置放大器器。还有一种半半导体压压电效应应：在单单晶半导导体上，人人为添加加一些不不同物质质，就会会形成一一定的电电阻值，对对此电阻阻施加一一定的应应力（应应变），其其阻值就就会发生生变化。例如，D型型电控喷喷射发动动机的进进气压力力传感器器，就采采用了这这种原理理，如图图2-337所示示。N型型硅片的的中央部部位减薄薄，形成成膜片，用用光刻腐腐蚀工艺艺在膜片片上形成成4个PP型应

49、变变电阻，各各电阻的的初始阻阻值都是是R。当当膜片两两侧有压压力差时时，就会会向一侧侧膨胀，导导致R11和R3、R2和R4的阻值值变化相相反，由由电桥电电路转化化成输出出电压VVE。这种种传感器器体积小小、精度度高、成成本低、抗抗振性和和可靠性性高，是是目前最最先进的的进气压压力传感感器，应应用十分分广泛。磁电式传感感器磁电式传感感器，也也叫感应应式传感感器，是是一种发发电式传传感器，其工作原理是电磁感应（亦称电磁效应）。由法拉第电磁感应定律可知：通过闭合回路面积内的磁通量发生变化时，回路内会产生感应电动势，其大小正比于磁通量的变化率。公式为：。式中， 感应电电动势伏特；闭合回回路线圈圈的匝数

50、数；磁通量量的变化化率韦韦伯/秒秒；负号号表示感感应电流流的磁场场方向与上上述磁通通量的增增长方向向相反。在汽车试验验中，磁磁电式传传感器通通常用于于转速的的测量。其中的一种是测速发电机。其本质就是一台小型直流发电机。这种测速发电机的输出电压较高、能量较强，可以直接带动负载（记录器）而省去中间变换电路；缺点是低转速时的线性度较差，而且电压输出易受无关因素的干扰。另一种应用用较广的的转速传传感器是是磁电式式脉冲转转速计，其其原理如如图2-38所所示。转盘1与被被测轴同同步旋转转，外圈圈有一圈圈凸齿。在在固定支支架4上上安装有有线圈22、内部部插有磁磁极3，磁磁极前端端与转盘盘凸齿之之间的距距离很

51、近近。当转转盘转动动时，其其边缘的的齿顶和和齿槽依依次经过过磁极正正面，在在线圈中中感应出出电脉冲冲。脉冲冲个数对对应转过过的齿数数。脉冲冲电压经经整形后后送入计计数电路路，根据据单位时时间通过过的脉冲冲数以及及转盘一一圈的齿齿数，算算出平均均转速。（平平均时间间很短，刷刷新频率率很快，只只要被测测转速变变化不是是非常剧剧烈，这这种平均均转速完完全可以以代替瞬瞬时转速速。）这这种脉冲冲式转速速计低频频响应更更好，抗抗干扰能能力更强强，广泛泛应用于于五轮仪仪、测功功机等试试验设备备的转速速测量以以及汽车车电控系系统的曲曲轴转速速（或位位置）和和车轮转转速的测测量。 图22-388 磁磁电式脉脉冲

52、转速速计测速发电机机的基本本思想是是用输出出电压的的幅值来反反映被测测量；而而脉冲转转速计的的基本思思想则是是用输出出脉冲的的频率来来反映被被测量。信信号的幅幅值在传传输、处处理中比比较容易易受到干干扰，而而频率信信号在传传输和处处理过程程中，抗抗干扰能能力相对对更强，因因为线性性系统的的基本特特性之一一就是频频率保持持性。脉脉冲式转转速计就就是利用用频率来来计数，信信号幅值值的偏差差不会影影响测量量结果。推而广之，很很多测试试设备，都要把传感器直接输出的物理量转换成某种频率信号，用以反映被测量，利用的就是这种“测频率比测幅值更可靠”的思想。（例如P15 图2-25“电容式进气压力传感器”。）

53、霍尔式传感感器工作原理霍尔式传感感器的工工作原理理是霍尔尔效应（亦亦称“霍耳效效应”）。 图2-39 霍尔尔效应原原理长度l、宽宽度b、厚厚度d的的N型（NN型：电电子型）半导体薄片，处在磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，在薄片长度方向上施加控制电流I。那么：在垂直于磁场和电流所形成的平面的方向（即图中宽度方向）上，将产生电动势。被称为霍尔电动势或霍尔电压，该半导体薄片就是霍尔元件。给定霍尔元件，霍尔电压与控制电流和磁感应强度之积IB成正比。 （2-26）为霍尔系数数，与载载流材料料的电阻阻率和载载流子迁迁移率成成正比。金金属材料料的电阻阻率太低低，P型型半导体体的载流流子是空空穴、

54、其其迁移率率小于电电子，都都不适合合，所以以霍尔元元件常用用N型半半导体材材料。另另外，由由式（22-266）可以以看出，载载流材料料厚度越小，霍霍尔电压压越大，所所以霍尔尔元件都都比较薄薄，薄膜膜型霍尔尔元件可可薄至11微米。传感器特性性及应用用霍尔片是长长方形的的薄片，长长度方向向上焊有有两根控控制电流流引线cc、d，宽宽度方向向上焊有有两根霍霍尔电压压输出引引线a、bb。 图22-400 霍霍尔传感感器霍尔传感器器的转换换效率较较低，对对温度变变化较敏敏感，对对转换精精度要求求较高时时需要采采取温度度补偿措措施。但但由于结结构简单单、体积积小、耐耐久性好好、频率率响应范范围宽（从从直流到

55、到微波频频段）、可可靠性高高、易于于微型化化和集成成电路化化等优点点，霍尔尔传感器器在测量量技术、信信息处理理和自动动控制等等方面仍仍然有广广泛的应应用。霍尔传感器器最直接接的应用用，是施施加一个个给定的的控制电电流，通通过测量量输出霍霍尔电压压，来测测量所在在位置的的磁场方方向和磁磁感应强强度。其其他物理理量如位位移、电电流或者者速度，如如果能引引起这个个磁场的的变化，那那么也可可以使用用霍尔传传感器来来测量。图2-411为发动动机转速速与曲轴轴位置传传感器。永永久磁铁铁3和导导磁板55构成闭闭合磁路路，两者者之间布布置有霍霍尔元件件2，44是基座座。外圈圈叶轮有有18个个等间距距齿、内内圈

56、叶轮轮有3个个不等间间距齿，叶叶轮和曲曲轴同步步旋转。触触发叶轮轮进入空空气隙时时，霍尔尔元件的的磁场大大部分被被叶片旁旁路，因因此输出出霍尔电电压呈低低电平信信号；当当触发叶叶轮离开开空气隙隙时，则则输出高高电平。根根据188X信号号，可以以计算出出曲轴转转角和发发动机转转速；根根据3XX信号，可可以判断断出点火火缸号（33X脉冲冲信号上上边沿分分别对应应1、44缸，33、6缸缸和2、55缸压缩缩行程上上止点前前75）。两两者结合合，可以以精确控控制各缸缸点火时时刻。 (a)触触发叶轮轮进入空空气隙 (b)触触发叶轮轮离开空空气隙 (cc)传感感器输出出信号 图2-41 霍尔式式曲轴转转速与

57、位位置传感感器有的资料将将电感式式传感器器、磁电电式传感感器和霍霍尔式传传感器等等与磁场场有关的的传感器器，统称称为磁敏敏式传感感器。光电式传感感器工作原理光电式传感感器的工工作原理理是光电电效应。光光电效应应是一个个统称，具具体包括括：外光电效应应，又称称光电子子发射效效应。金金属或半半导体光光电材料料在光照照下表面面逸出光光电子，这这是最经经典、最最狭义的的光电效效应。典典型器件件是光电电管。光伏特效应应。半导导体PNN结在光光照下产产生电动动势。典典型器件件是光电电池和光光敏二极极管、三三极管。光导效应，又又称内光光电效应应。高电电阻率的的半导体体在光照照下导电电载流子子增加，电电阻率下

58、下降。典典型器件件是光敏敏电阻。热电效应。某些陶瓷瓷材料在在光照下下受热，表表面产生生移动电电荷（但但不逸出出）。性能特点和和主要应应用光电式传感感器通常常是发光光器件和和接收器器件（光光电元件件）配套套使用。光电式传感感器体积积小、精精度和集集成度高高，在工工业制造造和控制制领域常常用于测测量物体体的形状状和位置置、位移移和距离离、感光光光学特特性，以及非非接触测测量高温温物体的的温度等等。汽车试验测测试中，光光电式传传感器主主要用于于转速的的测量，或或者判断断物体的的位置。图2-422是一种种典型的的光电式式转速传传感器的的原理示示意图。这种测试思想与磁电式脉冲转速计类似。但其对光学环境和

59、仪器元件的清洁度要求相对较高。 图22-422 光光电式转转速传感感器图2-433 左左右轮或或前后轴轴是否平平行的检检测 在在进行给给定路段段的车速速试验时时，经常常采用光光电管遮遮蔽的原原理测量量汽车到到达起点点或终点点的时刻刻。另外，在机机油品质质的检测测或柴油油机烟度度的测试试等需要要判定被被测物质质清洁度度的试验验中，也也常采用用光电式式传感器器。一些四轮定定位仪，也也采用光光电式测测量原理理，参见见图2-43。热电式传感感器原理和性能能热电偶，参参见图22-444。 图22-444 热热电偶两种不同性性质的导导体A和和B连接接成一个个回路，两两个结合合点的温温度不同同，则在在导体之

60、之间存在在电势差差，称热热电动势势。导体A和导导体B是是两个热热电极，端称参比端或冷端、端称工作端或热端。由这两种对偶导体材料组成、并将温度（实际上是与的温差）转换成热电动势的传感器就叫热电偶。热电偶的两两个热电电极A和和B必须须由不同同材料制制成；热电偶偶的两个个端和的温度度必须不不同；热电偶偶的输出出热电动动势只取取决于两两端的温温度差-，和AA、B两两个电极极材料中中间部位位的温度度无关。因因此，热热电偶在在工作时时应确保保温度不不变或可可控，使使热电动动势是待待测温度度的单值值函数，同同时允许许在两极极之间中中接入其其他仪表表构成测测量回路路。热电偶最突突出的优优点是温温度测量量范围广