汽车电子学车用传感器概述课件

汽车电子学车用传感器概述课件2目录汽车电子学车用传感器

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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目录汽车电子学车用传感器

AutomotiveSens3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车用传感器概述工程测试技术“科学是从测量开始的”-门捷列夫4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发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状5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车用传感器概述温度传感器汽车常用传感器的种类和检测对象6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7目录汽车电子学车用传感器

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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目录汽车电子学车用传感器

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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9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传感器分类和组成“传感器”定义为能感受被测量，并按10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分类法型式说明按构成原理分类结构型以转换元件结构111)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111)按被测量分类机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,12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机械式,电气式,光学式,流体式等.2)按工作的物理基础分13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能量转换型和能量控制型.3)按信号变换特征:能量转换型:144)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144)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:物性型:依靠敏感15目录汽车电子学车用传感器

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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目录汽车电子学车用传感器

AutomotiveSen16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20~50cm离合器位置50mm转向角度±2×360°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17

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EE117利用金属导线电阻或薄膜电阻的长度与电阻值的正比对18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19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

δ、A或ε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20a)极距δ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.20a)极距δ变化型++位置测量传感器及其工作原理2电容式21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22

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测量电路a)电桥电路b)谐振电路c)运算放大器23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24a)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24a)自感型--可变磁阻式（活动铁芯式）位置测量传感器及其25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26b)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26b)自感型--涡流式原理:涡流效应原线圈的等效阻抗Z变化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28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29c）互感型WW1W2Esx-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EwEout29c）互感型WW1W2Esx-x工作原理:互感现象.位置30目录汽车电子学车用传感器

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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目录汽车电子学车用传感器

AutomotiveSen31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32

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金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂33汽车速度测量:速度/转速传感器及其工作原理1霍尔式:

33汽车速度测量:速度/转速传感器及其工作原理1霍尔式:34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351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Φ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351例题：推导测速电机转速与电压的关系式。速度/转速传感36

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。+++---PN光敏电阻光电池36光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光37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速度/转速传感器及其工作原理1---光源；2---38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测量电路：编码码制：十进制码---0123439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结构：与绝对编码器类似码道：最外(A)---增量码40目录汽车电子学车用传感器

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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目录汽车电子学车用传感器

AutomotiveSen41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-40~130机油油温-40~170废气100~1000空调蒸发器-10~5041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42

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温度分类:应用:测温接触测温非接触测温热辐射测温热传43

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热电阻原理与特性:要求：（1）温度系数、电阻率较高44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(0.02~0.07mm)绕制成线圈(3)测量精度高：<0℃:±1℃、

0~100℃:±0.5℃、

100~650℃:±0.5%R0：0℃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：0~+850℃：0~-200℃：应用45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：-50~50℃:±0.5℃、50~150℃:±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(0.02~0.07mm)绕制成线圈b)铜电阻(Cu)R0：0℃时的温度–标准值温度传感器及其工作原理1.热电阻45特点：-50~180℃：应用：(1)易于提纯，在46材料：特点：分类：（1）温度系数大→灵敏度高（为热电阻10~100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材料：特点：分类：（1）温度系数大→灵敏度高（2）结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48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测温原理——热敏电阻例题：NTC热敏电阻的温度电阻关系49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热敏电阻的应用家用电器电熨斗、电冰箱、电饭煲、洗衣机、电50温度传感器及其工作原理3.热电偶

(1)工作原理:温差电势：σA-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→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3.热电偶(1)工作原理:温51温度传感器及其工作原理若两种导体相同：σA=σB→E=0若两端无温差：T=T0→E=0两种情况TT0TTV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温度传感器及其工作原理若两种导体相同：σA=σB52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400~1900℃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常用热电偶金属材料：材料测温范围特点应用铂铹10纯铂053(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(1~3mm)，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(3)热电偶结构：a)普通热电偶：应用：测量气体、54目录汽车电子学车用传感器

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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目录汽车电子学车用传感器

AutomotiveSen55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为了改善环