機(jī)車檢測與故障診斷技術(shù)

1、1第四章 傳感器技術(shù)(jsh)傳感器概述(i sh)溫度傳感器濕度傳感器壓力傳感器轉(zhuǎn)速傳感器加速度傳感器電壓/電流傳感器共四十二頁24.1 傳感器概述(i sh)傳感器的組成(z chn)：傳感器是指能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器是信息檢測的必要工具，是生產(chǎn)自動化、科學(xué)測試、計算核算、監(jiān)測診斷等系統(tǒng)中必不可少的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和其他輔助部件組成。敏感元件是指傳感器中能直接感受（或響應(yīng)）與檢測出被測對象的待測信息的元件；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件所感受（或響應(yīng)）的信息直接轉(zhuǎn)換成電信號的部分；輔助器件通常包括電源。共四十二頁3傳感器

2、的分類(fn li)：按信號變換的特征分：有物性傳感器和結(jié)構(gòu)傳感器。物性傳感器是指依靠敏感元件材料本身的物理變化來實現(xiàn)信號的變換。結(jié)構(gòu)傳感器是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化來實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換。按用途不同：有溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移(wiy)傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器等。按工作原理不同：有電學(xué)式傳感器、磁學(xué)式傳感器、光電式傳感器、電勢型傳感器、電荷傳感器、半導(dǎo)體傳感器、諧振式傳感器、電化學(xué)式傳感器等。共四十二頁4按能量關(guān)系不同：分為有源傳感器和無源傳感器。有源傳感器能將非電能量轉(zhuǎn)換為電能量，它通常配有電壓測量和放大(fngd)電路。無源

3、傳感器本身不能換能，被測非電量公對傳感器中的能量起控制或調(diào)節(jié)作用，通常使用的測量電路有電橋和諧振電路。按測量方式不同：有接觸式傳感器和非接觸式傳感器。接觸式傳感器與被測物體接觸，而非接觸式傳感器與被測物體不接觸。按輸出信號的不同：有的模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。模擬式傳感器的輸出信號是連續(xù)變化的模擬量，數(shù)字式傳感器的輸出信號是數(shù)字量。共四十二頁5傳感器的性能指標(biāo)：精確度：表示傳感器精確度的指標(biāo)有精密度、正確度和精確度。精密度反映了測量結(jié)果的分散性。正確度反映了測量結(jié)果偏離真值的程度，也就是指所測數(shù)值與真值的符合程度。精確度含有(hn yu)精密度與正確度兩者之和的意思，即測量的綜合優(yōu)良程度。共

4、四十二頁6穩(wěn)定性：表示傳感器穩(wěn)定性的指標(biāo)有穩(wěn)定度和影響系數(shù)。穩(wěn)定度一般是指時間上的穩(wěn)定性。它反映了傳感器和測量儀表中隨機(jī)性變動、周期性變動、漂移等引起示值變化(binhu)的程度。室溫、大氣壓、振動等外部環(huán)境狀態(tài)變化對傳感器和測量儀表示值的影響，以及電源電壓、頻率等儀表工作條件變化對傳感器和測量儀表示值的影響，統(tǒng)稱環(huán)境影響，可用影響系數(shù)來表示。共四十二頁7輸入/輸出特性：反映傳感器輸入/輸出的指標(biāo)輸出有靈敏度、分辨率、線性度、重復(fù)性、滯環(huán)、動態(tài)特性。靈敏度是指達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時，輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比。分辨率是指讓傳感器示值發(fā)生可察覺的極微小變化時被測量的最小變化值。線性度（也

5、稱非線性誤差）用來說明輸出量與輸入量的實際關(guān)系曲線偏離直線的程度。重復(fù)性是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測量范圍內(nèi)連續(xù)變動(bindng)多次所得到的特性曲線的不一致性。共四十二頁8滯環(huán)說明了一個傳感器的正向（上升）特性和反向(fn xin)（下降）特性不一致的程度。動態(tài)特性是指傳感器對于(duy)隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。共四十二頁4.2 溫度傳感器共四十二頁10熱電阻溫度傳感器熱電阻溫度傳感器主要用于中、低溫度（-2000C+6500C或+8500C）范圍(fnwi)的溫度測量，常用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化熱電阻有鉑熱、銅熱和鎳熱電阻。共四十二頁11熱電阻溫度傳感器的結(jié)構(gòu)：一般由測溫元件

6、（電阻體）、保護(hù)管和接線盒三部分組成。熱電阻傳感器的測量線路(xinl)一般使用電橋。鎧裝熱電阻：由金屬保護(hù)管、絕緣材料和感溫元件組成。這種熱電阻熱惰性小、響應(yīng)速度快；具有良好的機(jī)械性能，可以耐強(qiáng)烈振動和沖擊，適合于高壓設(shè)備測溫、有振動的場合和惡劣環(huán)境中使用。薄膜型及厚膜型鉑熱電阻：一般用于平面物體的表面溫度和動態(tài)溫度檢測。共四十二頁12集成(j chn)溫度傳感器測溫范圍：一般為-500C+1500C，主要用于環(huán)境空間溫度的檢測與控制，以及家用電器(ji yn din q)的測試檢測、控制和補(bǔ)償。結(jié)構(gòu)：是一種將感溫元件、放大電路、溫度補(bǔ)償電路等功能集成在一塊極小芯片上的溫度傳感器。特點：是發(fā)

7、展的方向。具有線性度好、靈敏度高、體積小、穩(wěn)定性好、輸出信號大且規(guī)范化等優(yōu)點。類型：根據(jù)其輸出形式不同可分為電壓輸出型和電流輸出型兩種。共四十二頁13共四十二頁14智能(zh nn)溫度傳感器智能溫度傳感器：屬于智能化集成溫度傳感器。結(jié)構(gòu)：適配各種微控制器（MCU），包括微處理器（P）和單片機(jī) （C），是研制和開發(fā)具有高性價比的新一代溫度測量(cling)系統(tǒng)所必不可少的核心器件。特點：采用數(shù)字化技術(shù)，能以數(shù)字形式直接輸出被測溫度值，被測誤差小、分辨力高、抗干擾能力強(qiáng)，能夠遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，帶串行總線接口等。共四十二頁15共四十二頁164.3 濕度(shd)傳感器分類：按其使用(shyng)的材料

8、不同可分為：電解質(zhì)型：在絕緣基板上制作一對電極，涂上氯化鋰膠模，產(chǎn)生離子導(dǎo)電，隨濕度升高而電阻減小。陶瓷型：通過陶瓷工藝把金屬氧化物制成一種多孔陶瓷，利用多孔陶瓷的阻值對空氣水蒸氣的敏感特性而制成。高分子型：在玻璃等絕緣基板上蒸發(fā)梳狀電極，通過浸漬或涂履，使其附著一層有機(jī)高分子感濕膜。單晶半導(dǎo)體型：主要是硅單晶，利用半導(dǎo)體工藝制成二極管或MOSFET濕度第三器件等。其特點是易于和半導(dǎo)體電路集成在一起。共四十二頁17濕度(shd)傳感器的主要參數(shù)：濕度量程：是指技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定的感濕范圍。用相對濕度（0100）%RH表示，它是濕度傳感器工作性能的一項重要指標(biāo)。感濕特征量相對濕度特征：在規(guī)定工作范

9、圍內(nèi)，濕度傳感器的電阻（電容）值隨環(huán)境濕度變化的關(guān)系(gun x)特性曲線，簡稱為阻濕特征。感濕靈敏度：又叫濕度系數(shù)，指在某一濕度范圍內(nèi)，相對濕度改變1%時，濕度傳感器電參量的變化值或百分率。特征量溫度系數(shù)：反映了濕度傳感器的感濕特征量相對濕度特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特性。共四十二頁18感濕溫度系數(shù)：是反映濕度傳感器溫度特性的一個比較直觀、實用的物理量。它是指在兩個規(guī)定的溫度下，濕度傳感器的電阻（電容）值相等時，其對應(yīng)的相對濕度之差與兩個溫度變化量之比。響應(yīng)時間：在一定的溫度下，當(dāng)相對濕度發(fā)生躍變時，濕度傳感器的電參量達(dá)到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比例所需要的時間。電壓特性：當(dāng)用濕度傳感器測量濕度時，

10、所加的測試電壓不能采用直流電壓。頻率特性：頻率特性是指濕度傳感器的阻值與外加(wiji)測試電壓頻率的關(guān)系。共四十二頁19陶瓷濕度傳感器具有許多優(yōu)點： 測濕范圍寬、可實現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的濕度測量；工作溫度高，工作溫度可達(dá)8000C；響應(yīng)時間(shjin)短、精度高、抗污染能力強(qiáng)、工藝簡單、成本低廉。陶瓷(toc)濕敏元件的結(jié)構(gòu)：傳感器的感濕體是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。氣孔大部分是粒間氣孔，氣孔直徑隨TiO2的添加量的增加而增大。粒間氣孔與顆粒大小無關(guān)，相當(dāng)于一種開口毛細(xì)管，容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相，此外，還有TiO2相等，感濕體是一個多晶多相的混合物。陶瓷濕度傳感器

11、：共四十二頁20主要(zhyo)特性與性能：電阻濕度-特性： MgCr2O4-TiO2系陶瓷濕度傳感器的電阻-濕度特性隨著濕度的增加，電阻值急劇下降，基本呈指數(shù)規(guī)律。在單對數(shù)座標(biāo)中，電阻-濕度近似呈線性關(guān)系。電阻-溫度特性：在不同溫度下，各條曲線規(guī)律基本一致，具有負(fù)溫度系數(shù)。響應(yīng)時間：依照規(guī)定(gudng)，響應(yīng)時間小于10s。穩(wěn)定性：制成的MgCr2O4-TiO2系陶瓷類濕度傳感器需要進(jìn)行實驗，經(jīng)過各種試驗以后，大多數(shù)陶瓷濕度傳感器仍能可靠地工作，說明其穩(wěn)定性比較好。共四十二頁21高分子濕度(shd)傳感器：用有機(jī)高分子材料制成了濕度傳感器，主要是利用其吸濕性與脹縮性。某些高分子電介質(zhì)吸濕后

12、，介電常數(shù)明顯改變，就可制成電容式濕度傳感器。某些高分子電解質(zhì)吸濕后，電阻明顯變化，就可制成電阻式濕度傳感器。利用脹縮式高分子（如樹脂）材料和導(dǎo)電粒子(lz)在吸濕之后的開關(guān)特性，就可制成結(jié)露傳感器。共四十二頁22集成(j chn)濕度傳感器：集成濕度傳感器是將濕敏電阻與濕度信號調(diào)理器集成在一個模塊中。由于集成度高，因此不需要外圍元件(yunjin)，使用非常方便。單片智能化濕度/溫度傳感器：瑞士森斯瑞（Sensirion）公司推出的SHT11濕度/溫度傳感器是一種超小型、高精度、自較準(zhǔn)、多功能式智能傳感器，可用來測量相對濕度、溫度和露點等參數(shù)。共四十二頁234.4 壓力(yl)傳感器電容式壓

13、力(yl)傳感器差動電容式傳感器：工作原理：在密封系統(tǒng)內(nèi)將壓力變?yōu)槲⑿∥灰圃僖痣娙莸淖兓?，并采用轉(zhuǎn)換電路，將變化的電信號輸出。測量電路：差動電容式壓力傳感器的測量電路采用交流電路，由于檢測電路部分裝入密封液內(nèi)，因此就采取措施使電路部分受密封液的電導(dǎo)率變化和雜散電容的影響最小。共四十二頁24硅電容式集成(j chn)壓力傳感器：硅電容式集成壓力傳感器主要有擴(kuò)散(kusn)硅壓阻式和硅電容式兩種形式。由于兩者的傳感機(jī)理不同，硅電容式的許多性能優(yōu)于擴(kuò)散硅壓阻式，電容式的靈敏度比壓阻式的靈敏度高10倍以上，而功耗卻低兩個數(shù)量級。共四十二頁25電感式壓力(yl)傳感器電感式壓力傳感器是利用磁性材料和空

14、氣磁導(dǎo)率不同，壓力作用在膜片上，靠膜片改變空氣氣隙大小，去改變固定線圈的電感，電路中這種電感變化就變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓或電流輸出，通過將壓力變?yōu)殡娏?，達(dá)到(d do)測量壓力的目的。電感式壓力傳感器按磁路特性不同分為變磁阻和變磁導(dǎo)兩種。它的特點是：靈敏度高、輸出較大、結(jié)構(gòu)牢靠、對動態(tài)加速度干擾不敏感；但不適合高頻動態(tài)測量，且測量儀器較笨重。共四十二頁26變磁阻式電感(din n)壓力傳感器：工作(gngzu)原理：鐵芯、膜片以及其間的氣隙組成了閉合的磁路，而氣隙是該磁路的主要部分。當(dāng)壓力施之于膜片上，膜片發(fā)生變形，氣隙改變，即改變了磁路的磁阻，鐵芯上線圈的電感也發(fā)生了變化。變磁導(dǎo)式電感壓力傳感器：工

15、作原理：變磁導(dǎo)式傳感器沒有鐵芯，只有一個小的可沿軸向移動的磁性元件，由于元件位置變化，有效磁導(dǎo)率發(fā)生變化，從而在指示儀表中讀出讀數(shù)。這種傳感器實質(zhì)上是一個普通的調(diào)感線圈。共四十二頁27電阻應(yīng)變(yngbin)片式壓力傳感器被測壓力作用在彈性元件上，而它的變形又被其上的電阻應(yīng)變(yngbin)片所感受，按這種原理設(shè)計的傳感器稱為電阻應(yīng)變(yngbin)片式壓力傳感器。它分為粘貼式和非粘貼式兩種。結(jié)構(gòu)：一般由敏感柵、基底、覆蓋層組成。敏感柵：是轉(zhuǎn)換元件，把感受到的應(yīng)變成電阻變化；基底：是用來將彈性體表面應(yīng)變準(zhǔn)確地傳送到敏感柵上，并起到敏感柵與彈性體之間的絕緣作用；覆蓋層：起著保護(hù)敏感柵的作用。共四

16、十二頁28工作原理：工作時，將應(yīng)變片用粘合劑貼在彈性體上，彈性體受外力作用變形所產(chǎn)生的應(yīng)變就會傳遞到應(yīng)變片上，從而使應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化，通過測量阻值的變化，就能得知外力被測量的大小。溫度補(bǔ)償：為消除電阻的溫度影響，在測量用應(yīng)變片的相鄰橋臂上，接一個完全相同的應(yīng)變片作為補(bǔ)償片，并將其放在同一溫度場內(nèi)，用補(bǔ)償片的溫度效應(yīng)來抵消測量片的溫度效應(yīng)。全橋連接：一般用四個測量應(yīng)變片，兩片貼在正應(yīng)變區(qū)，并將其接在電橋兩個相對的臂上；另兩個貼在負(fù)應(yīng)變區(qū)，接在另兩個相對臂上。一方面補(bǔ)償溫度效應(yīng)，另一方面還能放大輸出(shch)信號。共四十二頁29壓阻式壓力(yl)傳感器特點：隨著(su zhe)半導(dǎo)體元件的迅

17、速發(fā)展，這種傳感器受到普遍重視，它結(jié)構(gòu)簡單、頻響高、體積小、靈敏度高、輸出電平大，是當(dāng)今最引人注目的壓力傳感器。工作原理：核心部件是一個硅膜片，它是用集成電路工藝在膜上制成四個等值電阻，組成惠斯登電橋。硅片被支承在一個硅環(huán)上，當(dāng)壓力施于硅膜片時，由于硅的壓阻效應(yīng)，使四個橋臂阻值發(fā)生變化，造成電橋不平衡，即得相應(yīng)的電壓輸出。共四十二頁30壓電式壓力(yl)傳感器特點：它是一種有源傳感器，又稱自發(fā)電傳感器或電勢式傳感器。其體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)(jigu)簡單、工作可靠，適用于動態(tài)力學(xué)的測量。此外它也是典型的機(jī)-電轉(zhuǎn)換元件。壓電效應(yīng)：一些晶體結(jié)構(gòu)的材料，當(dāng)沿著一定的方向受到外力時，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，

18、同時在兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷。而當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷方向也隨著改變，產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。共四十二頁31壓電式傳感器的工作(gngzu)原理：共四十二頁32智能(zh nn)壓力傳感器特點：智能(zh nn)壓力傳感器將差壓、靜壓和溫度的多參數(shù)傳感與智能(zh nn)化的信號調(diào)理功能融為一體，徹底打破了傳感器與變送器的界限。網(wǎng)絡(luò)化智能壓力傳感器特點：網(wǎng)絡(luò)化智能壓力傳感器將壓敏電阻傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、存儲器（RAM、E2PRAM）和接口電路集于一身，不僅達(dá)到了高性能指標(biāo)，還極大地方便了用戶。共四十二頁334.5 轉(zhuǎn)速(zhun

19、s)傳感器磁電式轉(zhuǎn)速(zhun s)傳感器特點：利用磁場變化獲得電流的現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)與原理：它由永久磁鐵、線圈、磁盤等組成。在磁盤上加工有序齒形凸起，磁盤裝在測速轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，磁盤的凸凹齒形將引起磁盤與永久磁鐵間氣隙的大小變化，從而使永久磁鐵組成的磁路中磁通量隨之發(fā)生變化。有磁路通過的感應(yīng)線圈，當(dāng)磁通量發(fā)生突變時，會感應(yīng)出一定幅度的脈沖電勢。共四十二頁34光電式轉(zhuǎn)速(zhun s)傳感器直射(zh sh)式光電轉(zhuǎn)速傳感器：共四十二頁35反射式光電轉(zhuǎn)速(zhun s)傳感器：結(jié)構(gòu)(jigu)：它由紅外發(fā)射管、紅外接收管、光學(xué)系統(tǒng)等組成，光學(xué)系統(tǒng)由透鏡及半透鏡組成。共四十二頁36光斷續(xù)(dun x)器式轉(zhuǎn)速傳感器共四十二頁374