智能电动汽车试验学 课件 第二章 汽车试验系统常用的典型传感器

第二章汽车试验系统常用的典型传感器CONTENTS目录01

汽车试验系统常用的典型传感器02

电阻式传感器03

电容式传感器04

电感式传感器05

气体传感器CONTENTS目录06

GPS/北斗传感器07

压电式传感器08

磁电式传感器09

热电式传感器10

光电式传感器CONTENTS目录11

霍尔式传感器12

CCD/CMOS图像传感器13

激光雷达传感器汽车试验系统常用的典型传感器01导读

传感器在汽车试验中的角色传感器是汽车试验系统关键部分，能将被测量转换为易处理显示的信号，为性能测试评估提供精确数据。

传感器种类与应用汽车试验传感器种类繁多，涵盖温度、压力、位移、振动、加速度、力测量等，提供全面精确测量手段。学习目标学习目标掌握电阻、电容、压电、磁电、热电、光电式传感器，熟悉电感式，了解气体、GPS/北斗、霍尔式、CCD/CMOS图像、激光雷达传感器。电阻式传感器02电阻式传感器

电阻式传感器类型热敏、压敏、滑动、应变片等在汽车试验中常用。

汽车试验应用电阻传感器用于监测温度、压力、位移和应变。热敏电阻式传感器热敏电阻原理利用材料电阻值随温度变化测温，如金属氧化物、单晶锗或硅。热敏电阻分类依据材料特性，分为三类，变化规律各异，适配不同测温需求。热敏电阻式传感器

01PTC型电阻值R随温度T的上升而上升。

02负温度系数型电阻值R随温度T的上升而下降。热敏电阻式传感器：3）临界温度型（CTR）热敏电阻特性在某一特定温度，电阻值R发生突变。所有类型的热敏电阻都表现出非线性的特点。NTC热敏电阻应用NTC热敏电阻式温度传感器在汽车上广泛应用，可测量发动机、进气、空调出风等部位温度。NTC热敏电阻公式负温度系数型热敏电阻电阻值与温度关系为（2-1）式，R为电阻值（Ω），A、B为材料和工艺常数（Ω、K），T为被测温度（K）。热敏电阻传感器优势汽车工程中热敏电阻传感器广泛应用于温度测量，因其结构紧凑、可靠性高、成本效益好、测量精度高。压敏电阻式传感器：压阻效应与压敏电阻压阻效应与压敏电阻压阻效应：半导体材料受压力时电阻率改变。压敏电阻传感器基于此效应，由掺杂处理的单晶硅和锗制成。压敏电阻原理公式压敏电阻原理式为（2-2）式，含半导体压阻系数K1、弹性模量E、应变系数ε。P型与N型压敏电阻特性P型压敏电阻受到压力时，其电阻值会升高；相对地，N型压敏电阻在受到压力时，电阻值会降低。压敏电阻式传感器

压敏电阻式压力传感器特性压敏电阻式压力传感器敏感元件与弹性元件一体，体积小（最小直径约2mm），固有频率高。

应用领域压敏电阻式压力传感器广泛应用于工程领域（如汽车发动机进气压力测量）、微机械和生物医学领域。滑变电阻式传感器

滑变电阻原理通过移动触点改变电阻线长度，调整电阻值，转换为电压或电流变化。

类型区分分为线位移型和角位移型，依据测量对象运动方式不同。滑变电阻式传感器

线位移型滑变电阻式传感器线位移型滑变电阻式传感器输出电阻Rl=Kτ·X，输出与输入呈线性关系，灵敏度为该直线斜率。滑变电阻式传感器：角位移型滑变电阻式传感器角位移型滑变电阻原理角位移型滑变电阻输出电阻Rα=Kw·α，输出与输入呈线性关系，灵敏度为该直线斜率。滑变电阻式传感器的缺点及改进绕线滑变电阻式传感器缺点：电阻变化呈台阶状、呈现电感式阻抗；改进：常用碳膜或导电塑料制作。滑变电阻式传感器的应用滑变电阻式传感器因结构简单、性能稳定、使用便捷，在汽车行业广泛应用，如节气门位置、油量、侧滑试验台线位移传感器。电阻应变式片式传感器

电阻应变片原理将线应变转化为电阻变化率，利用金属丝应变效应，电阻变化率与线应成正比。

电阻应变片应用尺寸小、响应快，用于力、力矩、压强等测量，转换物理量至线应变后检测。电阻应变式片式传感器：电阻应变片式传感器的结构

电阻应变片式传感器由电阻应变片和弹性元件组成电阻应变式片式传感器：电阻应变片式传感器的结构电阻应变片

电阻应变片分类分为金属丝式和金属箔式，敏感栅材料和工艺不同，均含基底、敏感栅、盖片和引线。

金属丝式应变片敏感栅由康铜或镍铬合金丝制成，受力时产生横向效应，影响灵敏度，适用于大应变、高频场合。

金属箔式应变片利用光刻技术在薄金属箔上刻制，线条均匀，尺寸精确，适合复杂形状和大规模生产，逐步替代金属丝式。电阻应变式片式传感器：电阻应变片式传感器的结构

弹性元件弹性元件是电阻应变片式传感器关键部分，将物理量转换为应变，其设计决定传感器灵敏度和量程。电阻应变式片式传感器：电阻应变片式传感器的应用

电阻应变片式传感器应用广泛用于结构件应力应变测量，工程测试多领域，尤其汽车测试中具体应用显著。电阻应变式片式传感器：电阻应变片式传感器的应用

拉、压力的测量电阻应变片式传感器典型应用于汽车轴荷仪，中/大型与小型车辆轴荷仪设计不同，各有特点。电阻应变式片式传感器：电阻应变片式传感器的应用转矩测量

电阻应变片式传感器应用测量转矩有两种结构方案：扭力型和压力型，前者基于二向应力状态理论，后者通过力臂转换测量。

扭力型结构在传动轴周围按45度角布置四个应变片，组成电桥电路，测量最大应力，计算转矩大小。

压力型结构通过力臂将转矩测量转换为力测量，使用压力传感器测得压力F，乘以力臂长度L得到转矩M=LF。电阻应变式片式传感器：应变片的温度特性

01应变片温度特性温度变化使敏感栅尺寸改变，影响电阻值，线胀系数差异引额外应变。

02实际测试影响温度致阻值变化显著，应变引起变化小，温度效应需重点考虑。

03温度对敏感栅电阻值的影响温度变化引起敏感栅电阻值变化△RT，与应变片电阻、电阻温度系数、温度变化值相关，可折算成应变值。

04敏感栅与基底线胀差异引起的附加应变线胀差异引起附加应变，公式含敏感栅与基底材料线胀系数；总应变含温度影响，常用桥接电阻应变片补偿。电容式传感器03电容式传感器基本原理电容式传感器将被测量变化转换成电容变化量，本身是可变电容器。电容量公式平行极板电容器电容量公式为C=ε0εrA/d，各参数有特定含义。类型分类基于原理可分为变面积型、变极距型和变介质型电容式传感器。电容式传感器的类型和应用：变面积型电容式传感器电容式传感器类型及原理

变面积型电容式传感器分类分为线位移型和平面、圆柱线位移及角位移型，结构设计依据不同位移模式。平面线位移型电容变化原理动板沿x方向移动，覆盖面积变化导致电容线性变化，灵敏度由(ε0εrb△x)/d0计算。圆柱线位移型电容变化原理覆盖长度x变化引起电容线性变化，灵敏度由2πε0εr△x/ln(r/R)计算。角位移型电容变化原理动板转角导致覆盖面积变化，电容线性变化，灵敏度由εrε0r2△θ/(2d)计算。电容式传感器的类型和应用：变面积型电容式传感器变面积型电容传感器应用变面积型电容传感器特点：高精度、高灵敏度、体积小、重量轻。应用：汽车测试，测量部件微小位移；监测液体液位。电容式传感器的类型和应用：变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器原理

电容式传感器类型变极距型电容式传感器通过改变极板间距影响电容，适用于微小位移测量，线性度受限于极距变化比。电容式传感器原理基于电容C随极板间距d变化的原理，当Δd/d较小，ΔC与Δd近似线性，实现微位移的线性检测。电容式传感器的类型和应用：变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器特性

电容式传感器灵敏度当Δd很小时，灵敏度与d的平方成反比，d越小灵敏度越高，但非线性误差随之增大。

电容式传感器测量范围增加d时，灵敏度迅速减小，表明测量范围有限，适用于微位移测量，起始电容20-100pF，极板间距25-200μm，最大位移<间距1/10。电容式传感器的类型和应用：变极距型电容式传感器极距型电容式传感器应用

极距型电容式传感器可监测汽车车身姿态变化和刹车系统状态，提升汽车操控稳定性、安全性并预测故障。电容式传感器的类型和应用：变介质型电容式传感器变介质电容式传感器原理

01变介质型电容式传感器结构两平行电极间插入不同厚度的电介质，总电容量C受介质厚度影响，与L成线性关系。

02电容变化与介质移动的关系电容变化量与电介质εr2的移动量L呈线性关系，灵敏度由公式计算得出。电容式传感器的类型和应用：变介质型电容式传感器变介质电容式传感器应用变介质电容式传感器通过改变介质改变电容值测量物理量，汽车试验测试中用于油位测量、湿度监测、材料检测等。差动测量

差动测量原理通过两个完全相同的电容式传感器以差动方式连接，利用位移变化使电容器间隙一增一减，输出相反，相减后灵敏度提高一倍，有效抵消温度误差。

差动测量优势差动测量能显著提升传感器灵敏度，同时大幅减少因温度变化导致的测量误差，增强测量精度和稳定性。容栅式传感器

容栅式传感器原理容栅式传感器是在变面积型电容式传感器基础上发展起来的，用于解决汽车测试和工程测量中大幅度变化物理量的测量问题。

容栅式传感器结构容栅式电容传感器由两个平板电容极板组成，一极板为较长栅片（定栅），另一极板为两块栅片（动栅对）。

容栅式传感器应用容栅式传感器构造多样，具有大量程、高精度（达5μm），应用于汽车试验（测位置、位移、长度）和工程测试（如数显游标卡尺）。电感式传感器04电感式传感器

电感式传感器原理运用电磁感应，将非电物理量转为线圈感抗变化，再由电路转换为电压或电流信号。

电感式传感器应用适用于位移、压力、流量、振动等非电物理量的测量，实现精准转换。自感式电感传感器电感传感器结构原理自感式电感传感器由线圈、铁芯和衔铁构成，衔铁移动改变气隙厚度δ，导致磁阻Rm和电感值L变化，可测衔铁位移幅度和方向。电感传感器类型电感传感器类型包括变间隙型、变面积型和螺管型。电感计算公式不考虑磁路铁损和导磁体磁阻时，线圈电感量L与匝数N、真空磁导率μ0、空气隙截面积S成正比，与空气隙厚度δ成反比。自感式电感传感器的类型变间隙型电感传感器变间隙型电感传感器气隙随被测量变动调整影响磁阻，灵敏度和非线性特性随气隙增减降低，设计需平衡两者，气隙通常设定在0.1至0.5毫米之间，δ越小灵敏度越高。变面积型电感传感器铁芯与衔铁相对接触面积随被测量参数变动，调节磁阻，灵敏度恒定，线性度出色。螺管插铁型电感传感器螺管插铁型电感传感器由螺管线圈和衔铁组成，通过衔铁位置改变导致磁阻和电感值变化，具有量程大、灵敏度低、结构简洁的优点。差动式测量

差动式测量原理采用一对相同线圈与共用衔铁,被测量使衔铁上下移动,引起磁阻变化,形成大小相等、方向相反的差动输出。

差动式测量优势提高线性度,增强灵敏度,提升抗干扰能力,适用于精密测量场景。其他类型电感式传感器：互感式传感器

互感式传感器原理互感式传感器将非电量变化转为线圈互感变化，互感系数随衔铁位移变化，基于变压器原理，次级绕组差动连接，也称差动变压器式传感器。

差动变压器工作方式一次线圈加激励电压，二次线圈输出感应电压。被测位移改变互感结构，感应电压相应变化。衔铁居中时输出为零，偏离时差动电压增加。

绕组与衔铁说明1—一次绕组；2、3—二次绕组；4—衔铁其他类型电感式传感器：电涡流式传感器

电涡流传感器原理电涡流传感器利用涡流效应，将非电量转换为线圈阻抗变化进行测量。线圈通交变电流产生磁场，使金属导体产生电涡流及反向磁场，导致线圈阻抗变化，此变化取决于被测金属导体的电涡流效应。其他类型电感式传感器：电涡流式传感器电涡流效应因素电涡流传感器原理阻抗变化与电导率、磁导率、尺寸、频率及距离相关，形成单值函数，实现参数测量。传感器应用通过测量电路检测阻抗变化，可精准测量特定参数，如距离或材料特性。其他类型电感式传感器：电涡流式传感器电涡流传感器应用电涡流式传感器可非接触测量金属导体的位移、振动等多种物理量，用于无损探伤。电感式传感器的应用

电感式传感器应用非接触测量，高精度可靠，用于轮胎转速、发动机参数监测，保障车辆稳定性和发动机精准控制。

具体应用场景自感式适于轮胎与发动机监控，互感式用于曲轴、凸轮轴位置及空气流量测量，涡流式监测振动、位移，助汽车制造质量控制。气体传感器05气体传感器

气体传感器分类基于结构特点，分为干式与湿式；干式用固态材料，湿式利用液体感知气体变化。

气体传感器类型依据工作原理，有接触燃烧、半导体、固体电化学及红外吸收等多种类型。接触燃烧式气体传感器：接触燃烧式气体传感器的工作原理

可燃气体燃烧原理可燃气体与空气中氧气接触发生化学反应释放无焰接触燃烧热，使铂丝温度上升、电阻值增加。

气体浓度与热量关系空气中可燃气体浓度较低时能完全燃烧，放出热量与浓度成正比，浓度越高热量越大，可通过铂丝电阻变化检测浓度。

催化剂涂层的作用为延长铂丝线圈传感元件寿命并提升响应性能，实际应用中常在其外部添加氧化物催化剂涂层。接触燃烧式气体传感器：接触燃烧式气体传感器的结构

制作气体传感器线圈铂丝绕制10圈以上成线圈（1-2Ω），涂覆氧化铝或混合膏烧结成多孔球形，浸入贵金属盐溶液后烘干高温处理形成催化剂层。

组装气体敏感元件处理后的线圈组装成气体敏感元件，补偿元件铂线圈尺寸和阻值与检测元件匹配，涂覆氧化铝或氧化硅载体层，不形成催化剂层。接触燃烧式气体传感器气体传感器应用氢火焰离子化检测器基于氢空燃烧火焰使有机物电离，离子流经放大产生与质量成正比电信号，结构简洁、运行稳定、测量精度高而广泛应用。半导体式气体传感器

半导体气体传感器原理利用金属氧化物半导体材料的气敏效应，接触气体后电学性质变化，实现气体检测。

常见气敏材料SnO2、ZnO、Fe2O3等，通过监测气敏电阻阻值变动，准确检测多种气体。

应用领域因成本低，半导体气体传感器在多领域广泛应用，如甲烷、一氧化碳检测。半导体式气体传感器：气敏电阻的特性参数

气敏电阻的固有电阻值常温干净空气中半导体气体传感器的电阻值为气敏电阻基础电阻值Ra，通常在10³到10⁵欧姆，受地区空气成分影响。

气敏元件的加热电阻和加热功率气敏元件需加热电路提供200℃以上工作温度。加热电阻（RH）直热式<5Ω，旁热式>20Ω；加热功率（PH）0.5至2.0W。

气敏电阻的响应时间在特定工作温度下，气敏电阻接触一定浓度被测气体后，阻值增至稳定值63%所需时间为响应时间，用tr表示。

气敏电阻的恢复时间在工作温度下，气敏元件脱离被测气体至阻值恢复到洁净空气中阻值63%所需的时间，称为气敏电阻的恢复时间，用tf表示。

初期稳定时间气敏电阻非工作状态长时间存放后，通电时电阻值先降后升最终稳定，从开启电源到电阻值稳定所需时间为初始稳定时间。半导体式气体传感器：气敏电阻的结构形式

气敏电阻分类分为烧结型、薄膜型和厚膜型，烧结型应用最广，敏感于还原性气体，工作温度约300℃。

气敏电阻加热方式存在直接加热式和旁热式两种，依据加热机制区分，适应不同使用环境。

直接加热式直接加热式气敏电阻结构含芯片、支架和金属防爆网罩，因热容量低、稳定性差等因素，工程应用较少见。

旁热式旁热式气敏电阻以陶瓷管为基底，内有加热丝，外部两侧设测量电极，电极间为高温烧结的金属氧化物气敏材料。半导体式气体传感器气敏电阻型氧传感器的应用气敏电阻型氧传感器电阻值随排气氧气含量变动，内置电加热器维持温度稳定，输出电压0.1至0.9V连续变化。固体电解质式气体传感器

氧化锆氧传感器原理氧化锆氧传感器以氧化锆为固体电解质，300°C以上时仅允许氧离子移动，通过测量电动势确定气体浓度。

氧浓度差产生电势差氧化锆管两侧存氧浓度差时，氧离子从高浓度侧向低浓度侧扩散，使铂电极间产生电势差，其大小与氧浓度差成正比。

电势差信号的应用电势差信号送入ECU，ECU监测混合气空燃比并调整喷油量控制接近理想值，氧化锆氧传感器需加热，配备加热元件保持工作反应温度。GPS/北斗传感器06GPS/北斗传感器核心功能

定位测量方式通过GPS/北斗接收机进行绝对或单点定位测量，计算得出测试数据。

系统依赖条件需依赖GPS/北斗卫星系统，接收机才能执行测试任务。GPS系统基本介绍

系统概况美国20世纪70年代启动，历时20年，投资超200亿美元的卫星导航系统。运营功能1994年全面运营，具备全球范围内实时三维导航与定位功能。全球定位系统组成全球定位系统由空间部分、地面监控部分和接收部分等组成

空间部分空间部分由24颗卫星构成，分布在20200公里轨道，形成卫星星座，确保全球任意位置任何时间能观测到至少4颗卫星。全球定位系统组成：地面监控部分

01GPS地面监控承担卫星星历计算、监控及系统维护，由监测站、主控站和注入站构成。

02地面监控功能负责计算卫星星历，监控卫星状态，维护系统运行，确保GPS系统正常运作。

03监测站监测站接收记录GPS信号，搜集气象数据，配备原子钟等设备，处理数据后传至主控站。

04主控站主控站是地面监控系统核心，接收处理数据，计算卫星参数编制导航电文，调整卫星轨道，启用备用卫星，建立维护系统时间基准。

05注入站注入站主要任务是将导航电文和控制指令注入卫星存储器，通过3.6米天线传送，监测注入信息正确性以确保卫星正常接收执行。全球定位系统组成

接收部分接收部分由GPS接收机及相关设备组成，是获取卫星信号、处理数据并实现定位、导航和时间服务的关键环节。GPS工作原理

计算伪距原理伪距原理：光速已知，时延乘光速得接收器与卫星大致距离，未考虑大气延迟等误差，为直线距离。

GPS定位机制GPS系统以地球中心为参考点，Z轴对准北极，通过测量接收机与多颗卫星的距离确定位置，卫星持续发送信号，用户接收后计算距离和位置。

解算接收机位置用户接收机时钟与卫星星载时钟不同步，需引入时间差未知数，至少接收4个卫星信号才能确定位置。GPS应用场景GPS在汽车测试的应用GPS传感器用于汽车性能测试，替代五轮仪测速度和距离，因C/A码定位误差大需提高精度。GPS应用场景：提升GPS定位精度的方法提升GPS定位精度提升GPS定位精度的方法：增加数据更新率至20~100Hz，利用连续测量的速度或距离数据相互校正。GPS应用场景：提升GPS定位精度的方法利用多卫星信号提高精度

GPS应用场景汽车性能试验场，利用GPS接收多颗卫星信号，提高定位精度。

提升GPS定位精度的方法通过数据融合和滤波算法，结合排列组合计算，定位误差显著减少至0.2米。GPS应用场景GPS与五轮仪的对比

五轮仪长期使用累积系统误差，GPS无此问题，位置坐标误差始终≤0.2米，汽车性能测试精度更高。压电式传感器07压电效应与材料

压电效应原理某些特殊材料受特定方向压迫时，内部极化，两相对表面出现正负电荷形成电场，外力移除后恢复未带电状态，此为压电效应。

压电传感器介绍压电传感器基于压电效应工作，该效应由法国科学家皮埃尔·居里和雅克·居里于1880年提出。

压电材料分类压电材料主要分为三类：单晶压电材料、多晶压电陶瓷、高分子压电薄膜。压电传感器原理01压电效应原理压电效应原理中，电荷量Q与压力F的关系式为Q=KF，表明压电传感器输出电荷量与承受的力成正比。02电荷泄露问题传感器绝缘电阻高易电荷泄露，需防止压电元件电荷流失，确保与后续设备无能量交换，实际测量难满足。03动态测量适用性压电元件受动态交变力时电荷可持续补充，使压电传感器适用于动态测量，不适用于静态测量。压电传感器结构与应用：压电元件结构与连接方式压电元件电极制作

压电元件结构蒸镀银或金金属薄膜于两面，形成电极，小电荷量需多片同性能晶片组合。

连接方式压电晶片有电荷极性，支持并联与串联，依据输出需求选择连接方式。压电传感器结构与应用：压电元件结构与连接方式

压电晶片连接方式串联接法总电压、电荷量、电容量与单晶片关系涉晶片数，n=2时输出电压为单片2倍，适合电压量输出；并联接法n=2时极板电荷为单块2倍，适合电荷量输出。压电传感器结构与应用

信号放大与阻抗匹配组合压电元件可提高传感器输出信号强度，但仍需信号放大；压电传感器需大负载阻抗，测量电路或前置放大器要实现信号放大与阻抗匹配。

前置放大器类型前置放大器根据压电晶片组合方式分为电压放大器和电荷放大器，前者输出电压与输入电压成正比，后者与输入电荷量成正比。压电传感器发展趋势

压电传感器发展趋势微电子技术进步，集成电压型前置放大器，解决信号传输与灵敏度问题，无需增大传感器体积，提升电压放大型传感器实用性。磁电式传感器08磁电式传感器

01工作原理磁电式传感器是利用电磁感应原理工作的传感器。

02感应电动势公式感应电动势大小与磁通量变化率有关，公式为E=-NΔΦ/Δt。

03公式参数说明E为感应电动势(V)，N为线圈匝数，ΔΦ/Δt为磁通量变化率(Wb/s)。

04负号意义负号表示感应电流磁场方向与磁通量增长方向相反。

05磁通量变化方式改变磁通量有移动线圈、移动磁铁及改变磁阻三种方式。

06传感器分类对应三种方式分别称为动圈式、动磁式及磁阻式磁电传感器。动圈式与动磁式磁电传感器动圈式与动磁式磁电传感器同属恒定磁场式，通过永久磁铁与线圈相对运动产生感应电动势，用于速度测量。工作原理工作气隙磁通恒定，线圈切割磁力线产生电动势，实现线速度或角速度直接测量。线速度型线速度测量中，磁体相对线圈直线运动产生感应电动势E=NBLv，N、B、L为常数时，v与E成正比，传感器灵敏度Ec=NBL。转速型角速度型动圈式磁电传感器中，线圈旋转角速度与感应电动势成正比，灵敏度Ec=kNBA。磁阻式磁电传感器磁阻式磁电传感器原理磁阻式磁电传感器（变磁通式）原理：线圈和磁体不动，运动物体改变磁路磁阻Rm，引起磁场变化，使线圈产生感应电动势。转速传感器应用磁阻式磁电感应传感器常用作转速传感器，输出线圈感应电动势脉冲数，其取决于磁通变化频率，可测转速n和角速度ω。测试量对比磁阻式和恒定磁场式磁电传感器测试量不同，前者测感应电动势变化次数m，后者测感应电动势E。磁电式传感器的应用：磁电传感器在汽车工程的应用

磁电传感器汽车应用汽车工程中，磁阻式发动机转速/上止点位置传感器用缺齿信号盘确定活塞位置；磁致伸缩式爆震传感器由磁心等组成，通过磁通量变化产生输出信号。

扭矩传感器原理扭矩测量磁电式传感器：转轴不受扭矩时两线圈输出信号相同、相位差为零；受扭矩时两端产生扭转角，两感应电动势有附加相位差。磁电式传感器的应用磁电式传感器的低速特性磁电式传感器测量缓慢变化时，因dΦ/dt小致感应电动势E小，故不适用于小速度和小转速测量，低速特性不好。热电式传感器09热电式传感器热电式传感器原理基于材料随温度变化的物理属性，用于温度测量，分接触式与非接触式。接触式测量方法使用热电偶和热敏电阻，直接接触被测物体进行温度检测。非接触式测量方法采用红外测温技术，无需直接接触，适用于高温或难以接近的环境。热电耦式温度传感器：热电偶基本原理

热电偶原理与应用热电偶是接触式温度传感器，可将温度变化转换为电势信号，1821年基于热电效应开发，现广泛应用种类约四五十种。国际标准热电偶国际电工委员会（IEC）在IEC584-1和684-2文件中制定七种标准热电偶，包括S、B、K、T、E、J、R型。热电耦式温度传感器：热电效应与热电偶组成热电效应原理

热电效应两不同材料导体联接,温度差产生热电势,形成电流。热电偶组成焊接两材料接点,一端测温(热端),另一端恒温(冷端)作参考。热电耦式温度传感器：热电效应与热电偶组成热电偶工作原理

热电偶原理热电偶由A、B材料组成，冷端温度恒定，热电势EAB(T,T0)是热端温度T的单值函数，包含接触电电势和温差电动势。

热电势计算热电势EAB(T,T0)计算公式含四部分：eAB(T)，eB(T,T0)，eAB(T0)，eA(T,T0)，分别代表接触电电势和温差电动势。热电耦式温度传感器：热电偶特性与应用热电偶基本原理热电偶回路热电势由接触电势（帕尔贴电势）和温差电势（汤姆逊电势）决定，常令T0=0℃测总电势并绘曲线或列表。热电耦式温度传感器：热电偶特性与应用热电偶优点概述

热电偶构造与使用由两金属线构成，结构简洁易制，有保护套管，使用便捷。

热电偶测温性能高精度，反应快，直接接触测物，抗介质影响，适于高温区。

热电偶信号传输输出电信号，利于远程传输记录，适合集中监控控制。

热电偶尺寸与适用性体积小，低热容惯性，适测局部与壁面温度，动态测量佳。

热电偶测温范围品种规格多，测温范围广，-270℃至2800℃，应用广泛。非接触式温度传感器（红外测温仪）：红外测温仪原理与构成红外测温原理

非接触式温度传感器红外测温仪利用物体热状态下的红外辐射，根据斯蒂芬-玻尔茨曼定律，测量红外线辐射功率获取温度信息，无需直接接触目标物体。红外测温仪工作原理基于所有物体在热状态时发出的红外线，通过检测红外辐射强度，实现温度测量，辐射能量与温度成正比。非接触式温度传感器（红外测温仪）：红外测温仪原理与构成

斯蒂芬-玻尔茨曼定律斯蒂芬-玻尔茨曼定律表明，物体辐射强度随热力学温度上升而显著增强。公式中W为单位面积红外热辐射功率，σ为常数，ε为比辐射率，T为热力学温度。非接触式温度传感器（红外测温仪）：红外测温仪原理与构成红外测温仪结构

红外测温仪构成由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出组成，汇聚红外辐射能量，转换为电信号，计算出温度值。

红外测温仪原理利用大气窗口，选择不受水汽和二氧化碳吸收的红外波段，确保能量传输，准确测量目标温度。非接触式温度传感器（红外测温仪）：非接触式温度传感器的应用

非接触式温度传感器的优势非接触式温度传感器能解决工程中难接触、环境恶劣或高温物体表面温度测量挑战，如汽车制动热衰退性试验中摩擦表面温度测量问题。

在电动汽车中的应用非接触式温度传感器监测电动汽车电池组温度，确保其在适宜范围工作，以提高性能和安全性。

广泛的应用场景非接触式温度传感器的应用远不止于汽车测试，它在汽车制造及众多工程应用中都有广泛的使用。光电式传感器10光电式传感器

光电式传感器原理基于光电效应，光照射改变物质电特性，实现光电转换。

光电传感器应用关键元件于光电检测系统，将光信号转为电信号，涵盖红外、可见、紫外辐射。外光电效应

01光电效应原理光照射金属或金属氧化物光电材料，光子能量传给表面电子，电子获足够能量克服吸引力脱离材料表面进入外界空间的现象称为外光电效应。02光电管的工作原理光电管基于外光电效应，阴极受光照发射光电子，被阳极吸引形成光电流，光强增大光电流变大，外电路电阻电压降实现光电转换。内光电效应

内光电效应定义光线作用下，物体电阻率变化现象，称光导效应。

基于内光电效应元件光敏电阻、二极管、三极管，图2-25展示具体类型。内光电效应：光敏电阻

光敏电阻的工作原理光照使光敏电阻阻值减小，因材料在特定波长光下，电子吸收光子跃迁，激发出电子-空穴对，导电性提升，电极常用梳状以提高灵敏度。

光敏电阻的特性参数光敏电阻特性参数有暗电阻、亮电阻和光电流。暗电阻大、亮电阻小性能好，暗电阻常超1MΩ，亮电阻几kΩ以下，灵敏度高。

光敏电阻的应用领域光敏电阻可应用于光存在与否的感应（数字量）以及光强度的测量（模拟量）领域。内光电效应：光敏二极管光敏二极管的工作原理光敏二极管是半导体光电转换器件，光照PN结时反向电流随光照度变化，实现光信号转电信号，PN结在管顶有透镜窗口。光敏二极管的电路应用光敏二极管通常反向偏置，无光时为暗电流，有光时产生光电流，光电流随光照强度增强近似线性增加。内光电效应：光敏晶体管

光敏三极管简介光敏三极管是光电传感器中响应良好、测量范围广、利用价值高的传感器，构造与一般三极管相同，有NPN和PNP版本，具电流增益，基极通常不接引线。内光电效应：光敏晶体管光敏三极管的工作原理光敏三极管原理基区吸收光照，激发电子-空穴对，增大饱和电流，形成光生电流，经发射结放大，成为光电流。光敏三极管特性无光照时，仅有暗电流；光照下，利用半导体三极管放大作用，提高光生电流，灵敏度优于二极管。光生伏特效应

光生伏特效应原理光照射特定材料产生方向性电动势为光生伏特效应，原理是光照PN结区激发电子-空穴对，在电场作用下两侧聚积电荷形成电位差。

光电池工作原理PN结连导线有电流（P区至N区），断外电路测光生电动势；光强越高电动势越强；无需外加电压，光电转换效率高、光谱范围宽等，应用广泛。光电传感器的应用

光电转速传感器光电转速传感器由信号盘、光源和光电转换器件组成，通过透光窗口使光电元件输出脉冲信号，转速可由脉冲数、窗口数和时间计算。

透光式烟度计透光式烟度计基于烟雾对光的吸收设计，废气导入测量管道，光源穿透废气至光电检测器，电信号强度反映烟雾浓度。霍尔式传感器11霍尔传感器原理

霍尔传感器原理利用半导体材料霍尔效应，通过磁场和电流作用，在薄片侧面产生霍尔电势，实现物理量到电动势的转换。霍尔传感器特性

霍尔元件原理霍尔电压与控制电流、磁场强度成正比，与半导体厚度成反比。霍尔系数、灵敏度系数与材料及几何尺寸相关，元件较薄，薄膜型厚度约1μm。

霍尔传感器特性霍尔传感器输出电压仅取决于控制电流和磁感应强度，与转速无关，高低速特性好，适合各种运行速度测量。

霍尔传感器应用因此，在汽车行业中，霍尔传感器常用于车速的测量。霍尔传感器应用霍尔传感器测转速应用转轴装齿盘，霍尔器件及磁路靠近。齿盘转动使磁阻周期性变化，霍尔信号经处理确定转速。霍尔传感器作行程开关霍尔传感器可制作非接触式行程开关，磁铁接近时输出电平变化，经驱动电路控制继电器，实现运动部件限位，防止撞坏传感器。霍尔传感器在发动机中的应用

霍尔式传感器工作原理信号转子与曲轴连接，有与气缸数相等缺口。缺口在永磁体和霍尔元件间时产生霍尔电压，离开则不产生。

霍尔传感器发动机应用霍尔式传感器向ECU提供进气行程信息以控制喷油，还能作点火信号发生器并测量转速。CCD/CMOS图像传感器12CCD/CMOS图像传感器CCD/CMOS工作原理

将光信号转为电信号，通过镜头聚焦，MOS电容器或光电二极管进行光电转换，形成“电荷图像”。图像形成过程

入射光强度与电荷成正比，经数模转化处理后，最终形成图像文件。CCD图像传感器

CCD图像传感器原理CCD图像传感器以电荷为信号，是排列的MOS电容阵列，基本功能为信号电荷的产生、存储、传输和输出。

MOS电容器结构MOS电容器单元结构为像素，由栅极（金属电极）、衬底电极（半导体材料）及氧化物（SiO₂）绝缘体构成电容。CCD图像传感器：势阱捕获电子过程01光照下的MOS电容器效应栅极正偏压形成势阱，光照产生电子-空穴对，势阱捕获电子，空穴被电场推出耗尽区。02势阱捕获电子与光照强度的关系势阱捕获电子数量与光照强度成正比，光强则电子数多，光弱则电子数少，MOS电容器可实现光信号向电荷信号转变。03电荷包与电荷图像的形成势阱捕获的光生电荷为电荷包，光敏单元阵列加电压U形成电荷图像，经驱动电路输出、数模转化成图像文件。CCD图像传感器CCD图像传感器应用CCD图像传感器应用于工业生产中产品尺寸、位置、表面缺陷的非接触在线检测、距离测定，以及光学文字、标记、图形识别、传真、摄像等。CMOS图像传感器

CMOS技术简介CMOS技术全称互补性金属氧化物半导体，是集成度高的图像感应设备，将多种元件集成在硅芯片上，在像素上放大电信号，光电转换由光电二极管完成。

CMOS的优势与进展CMOS比CCD省电，初期图像质量等有问题，现随技术进步克服缺点，以高集成度等优势广泛应用于数码产品和工程测试领域。CCD与CMOS的对比CCD与CMOS差异CCD基于MOS结构输出模拟信号，电荷顺序转移易受故障影响；CMOS靠光电二极管输出数字信号，集成度高，硬件设计简化。CCD与CMOS对比CCD噪声低、响应度高、动态范围大；CMOS集成度高、响应速度快、随机窗口读取能力强、成本低廉。CCD与CMOS应用领域CCD曾用于高端领域，CMOS曾活跃于低端市场；现CMOS性能提升，已取代CCD的大众消费市场，并在高端市场竞争。CCD/CMOS图像传感器的应用：车轮定位参数测试车轮定位参数测量原理

01车轮定位参数测量使用CCD图像传感器，通过测量车轮侧壁三点A、B、C到传感器距离LA、LB、LC，计算车轮外倾角β和前束角α。

02测量系统组成测量头含三组传感器总成，每组含激光器与CCD，三条激光线分别照射车轮侧壁，反射信息用于计算定位参数。CCD/CMOS图像传感器的应用：车轮定位参数测试计算公式及传感器间距说明LA、LB、LC为车轮侧壁特定位置到测量头距离(mm)；S为传感器A、C间距(mm)；组件含传感器、前束角测试、外倾角测试。CCD/CMOS图像传感器的应用：双目视觉测量双目视觉测量技术的重要性双目视觉测量技术是无人驾驶汽车核心要素，为车辆自主行驶等功能提供环境图像理解基础，支持物体精确定位与深度信息还原，保障驾驶安全可靠。CCD/CMOS图像传感器的应用：双目视觉测量双目传感器测量位置的原理

双目视觉测量原理基于三角法，两视觉传感器与目标构成三角，通过视差计算目标深度距离，实现三维坐标定位。深度距离计算利用视差d与基线b、焦距f关系，按三角相似原理计算深度Z，构建物体三维点云。激光雷达传感器13激光雷达传感器

激光雷达传感器用于智能网联汽车环境感知，精准测距，高分辨率，提升驾驶安全性。毫米波雷达的原理和应用：毫米波雷达概述毫米波雷达的历史与应用毫米波雷达20世纪40年代开始研制，50年代军事应用，20世纪末随集成电路技术进步用于智能网联汽车行驶环境检测。毫米波雷达的优点适应能力强、精度高、响应快、成本较低，受环境天气影响小，分辨率高、指向性好，元器件可小型化。毫米波雷达的局限性不能识别物体颜色，无法识别交通标志等；监测区域为扇形，存在盲区；对横向目标、高处物体、行人等分辨率不高。毫米波雷达的原理和应用：毫米波雷达结构与分类毫米波雷达结构与组件

毫米波雷达结构包括MMIC芯片、天线PCB板、带连接器主体、整流罩和底板，MMIC芯片为核心，天线PCB板保持信号强度，主体用于外部信息交互，整流罩和底板提供保护。毫米波雷达组件功能MMIC芯片负责信息处理，天线PCB板采用微带阵列设计，带连接器主体实现外部通信，整流罩和底板确保结构安全。毫米波雷达的原理和应用：毫米波雷达结构与分类毫米波雷达分类依据按探测距离分：近距离（60m）、中距离（100m）、远距离（200m）。按探测频段分：24GHz、60GHz、77GHz、79GHz，车载主流为24GHz（近距离）和77GHz（中远距离）。毫米波雷达工作原理毫米波雷达分脉冲式和调频式，脉冲式利用脉冲信号时间差算距离，调频式利用多普勒效应测距离和速度。毫米波雷达的原理和应用：毫米波雷达工作原理

毫米波雷达概述毫米波雷达主要测量目标位置和运动信息，因脉冲式存在技术问题应用少，重点介绍调频式连续毫米波雷