汽車試驗(yàn)學(xué)課件 第3章 汽車測試系統(tǒng)的傳感器1

第3章

汽車測試系統(tǒng)的傳感器課件制作：許兆棠汽車試驗(yàn)學(xué)（許兆棠主編）機(jī)械工業(yè)出版社3.1電阻應(yīng)變片式傳感器3.2壓阻式傳感器3.3電容式傳感器3.4電渦流式傳感器3.5壓電式傳感器3.6磁電式傳感器3.7霍爾式傳感器3.8光電式傳感器講授內(nèi)容3.9熱電式傳感器3.10圖像式傳感器3.11軸角編碼器3.12超聲波傳感器3.13激光雷達(dá)3.14毫米波雷達(dá)3.15全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)3.16北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)3.1電阻應(yīng)變片式傳感器1.金屬電阻絲應(yīng)變片的基本構(gòu)造

金屬電阻絲應(yīng)變片由細(xì)長的金屬電阻絲構(gòu)成線柵，電阻絲是應(yīng)變片的敏感元件，其直徑0.025mm左右，材料為銅鎳合金、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金和康銅等?；缀蜕w片膠接，電阻絲在基底和蓋片之間。應(yīng)變片是通過在基底的下表面涂膠粘貼在被測零件上的，引線則通過焊接等方式與下級變換電路連接。圖3-1金屬電阻絲應(yīng)變片的基本構(gòu)造2.金屬電阻絲應(yīng)變片的工作原理

由電阻定律可知，一根金屬導(dǎo)線的電阻R與其長度L、橫截面積A和電阻率ρ的關(guān)系為

對式（3-1）微分，得（3-1）（3-2）

將式（3-1）代入式（3-2），再將等式兩邊再同除以R得（3-3）

將

、

代入式（3-3），得（3-4）2.金屬電阻絲應(yīng)變片的工作原理

式中，

的值很小，可以忽略不計(jì)，由式（3-4）得

令

，

為靈敏系數(shù)，泊松比

是常數(shù)，則

也是常數(shù)；由式（3-5）得（3-5）（3-6）

與

成正比，并且具有線性關(guān)系。

工作時(shí)，金屬電阻絲應(yīng)變片粘貼在被測零件的表面上，被測零件的表面產(chǎn)生應(yīng)變

，這個(gè)應(yīng)變可能是由力、力矩、壓強(qiáng)、位移、溫度或加速度等物理量作用在被測零件上產(chǎn)生的，根據(jù)式（3-6），應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚档淖兓?，?yīng)變片接在電路中，可進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐返妮敵鲭妷夯螂娏鞯淖兓?，?shí)現(xiàn)對作用被測零件上的力、力矩等測量。

金屬絲受拉時(shí)，l變長、r變小，導(dǎo)致R變大。2.金屬電阻絲應(yīng)變片的工作原理3.電阻應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用

（1）圓柱式力傳感器

圖3-2所示為一種圓柱式力傳感器，通常稱為拉壓傳感器。

a)圓柱式力傳感器

b)應(yīng)變片的粘貼

c)橋式測量電路

圖3-2圓柱式力傳感器及應(yīng)變片的粘貼和橋式測量電路3.電阻應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用

圓柱式力傳感器用于稱重儀，如地磅、電子稱，測量汽車的重量、軸荷，測量發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率試驗(yàn)中燃油的重量。原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手測拉力應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2R4汽車衡汽車衡稱重系統(tǒng)汽車衡稱重系統(tǒng)汽車衡3.電阻應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用

（2）梁式力傳感器

圖3-3所示為一種梁式力傳感器。載荷

作用于梁上，使梁產(chǎn)生彎曲，電阻應(yīng)變片貼在梁的上、下表面上，測量梁的上、下表面的彎曲應(yīng)力；載荷

為交變載荷時(shí)，使梁產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，電阻應(yīng)變片測量梁的彎曲振動(dòng)。圖3-3梁式力傳感器

同理，將電阻應(yīng)變片貼在汽車的車架的上、下表面上，則可用于測量車架的上、下表面的彎曲應(yīng)力和車架的彎曲振動(dòng)。3.2壓阻式傳感器1.壓阻式傳感器的構(gòu)成

壓阻式傳感器的構(gòu)成如圖3-4所示，在單晶硅的基片上用擴(kuò)散工藝制成一定形狀的應(yīng)變元件，構(gòu)成壓阻式傳感器。壓阻式傳感器受壓力

后，其電阻率圖3-4壓阻式傳感器的構(gòu)成1單晶硅的基片2壓敏電阻（3-7）進(jìn)一步得壓阻式傳感器電阻的變化

與成正比。當(dāng)壓阻式傳感器連接到電路中且受到壓力作用時(shí)，壓阻式傳感器的電阻發(fā)生變化，從而使輸出電壓發(fā)生變化。（3-8）2.壓阻式傳感器的應(yīng)用

壓阻式傳感器用于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管的壓力測試。硅膜片封裝在真空室內(nèi)，一側(cè)作用的是進(jìn)氣歧管壓力，另一側(cè)為絕對真空，如圖3-5(a)所示。硅膜片是壓力轉(zhuǎn)換元件，在圓形薄膜片的表面制作四只梳狀阻值相等的半導(dǎo)體壓阻式傳感器，四只壓阻式傳感器連接成惠斯頓電橋電路。在進(jìn)氣管壓力下，硅膜片產(chǎn)生應(yīng)變，壓阻式傳感器的阻值發(fā)生變化，導(dǎo)致電橋輸出電壓變化，集成電路將此電壓信號放大后送至ECU。圖3-5進(jìn)氣管上半導(dǎo)體壓阻式傳感器及硅膜片的結(jié)構(gòu)3.3電容式傳感器1.電容式傳感器的工作原理

在一對相距很近、平行相對的電極板兩側(cè)施加電壓，在兩極板之間的區(qū)域內(nèi)將產(chǎn)生均勻的等強(qiáng)電場，兩極板會帶上等量異號電荷，這對極板就構(gòu)成了一個(gè)典型的平行板電容器，如圖3-6所示。平行板電容器的電容值C為（3-9）

根據(jù)式（3-9），如果被測量能使電容器結(jié)構(gòu)參數(shù)中的S、d或

中的任一項(xiàng)變化，那么電容值C就會發(fā)生變化。測量電路將這個(gè)電容變化進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電流、電壓或頻率等輸出信號，根據(jù)輸出信號的特性，就可求得被測量的大小。圖3-6平行板電容器2.電容式傳感器在聲級計(jì)中的應(yīng)用

在汽車噪聲的測量中，廣泛使用聲級計(jì)，精密聲級計(jì)的核心就是一個(gè)電容式傳感器，稱為電容式微音器，其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)微形話筒，如圖3-7所示。振動(dòng)膜片作為電容器的活動(dòng)極板，在被測噪聲的聲壓下發(fā)生位移，根據(jù)式（3-9），微音器的電容發(fā)生變化，測量電路將這個(gè)電容變化進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電壓信號；背板是固定極板。外殼和中心電極分別為振動(dòng)膜片和背板提供連接線，絕緣體起支承定位作用。圖3-7電容式微音器

電容式傳感器在進(jìn)氣歧管壓力測量中的應(yīng)用

電容式傳感器用于D型電控發(fā)動(dòng)機(jī)噴射系統(tǒng)中，測量進(jìn)氣歧管中流動(dòng)空氣的壓力。1接進(jìn)氣歧管，整個(gè)傳感器外表面處于該氣體壓力環(huán)境中。兩個(gè)氧化鋁膜片5都可以在氣壓變化下運(yùn)動(dòng)。厚膜電極2和4構(gòu)成電容器的兩個(gè)極板。3是內(nèi)部填充的絕緣介質(zhì)。進(jìn)氣壓力的波動(dòng)轉(zhuǎn)變成電容值的變化，該電容參與構(gòu)成一個(gè)振蕩器諧振電路，其輸出信號的頻率與進(jìn)氣歧管壓力成正比，從而測出進(jìn)氣歧管中空氣的壓力。電容式進(jìn)氣壓力傳感器2.電容式傳感器在聲級計(jì)中的應(yīng)用電容式加速度傳感器固定電極固定電極質(zhì)量塊m質(zhì)量塊m

彈簧片+?C-?C加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用

加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。裝有傳感器的假人氣囊汽車氣囊的保護(hù)作用使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。汽車氣囊對駕駛員的保護(hù)作用汽車氣囊傳感器3.4電渦流式傳感器1.電渦流式傳感器的工作原理

線圈置于金屬板附近，距離為d，當(dāng)線圈中通以高頻交變電流i時(shí)，便在線圈周圍產(chǎn)生交變磁通

。此交變磁通通過金屬板時(shí)，金屬板上便產(chǎn)生電渦流i1，該電渦流也將產(chǎn)生交變磁通

，根據(jù)楞次定律，電渦流的交變磁場與線圈的磁場變化相反，

總是抵抗

的變化。當(dāng)電渦流磁場的作用變化時(shí)，使原線圈的等效阻抗發(fā)生變化，并使流過線圈的電流大小和相位都發(fā)生變化。金屬板到線圈距離d的變化，金屬板的裂紋、齒輪等的結(jié)構(gòu)變化，均會引起電渦流磁場的變化，也即均將其變化轉(zhuǎn)變?yōu)榫€圈的電流大小和相位的變化，根據(jù)線圈的電流大小和相位的變化，獲得被測參數(shù)。圖3-8

電渦流式傳感器的工作原理2.電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)

電渦流式傳感器如圖3-9所示，線圈繞在聚四氟乙烯的線圈架上，保護(hù)套包圍線圈和線圈架，線圈架與螺桿連接，螺桿和螺母用于固定電渦流式傳感器。圖3-9電渦流式傳感器2.電渦流式傳感器的應(yīng)用

電渦流式傳感器能非接觸測量，用于測量材料厚度、振幅和振動(dòng)頻率、位移、探傷、轉(zhuǎn)速等。圖3-10電渦流式傳感器的應(yīng)用a)測量制動(dòng)盤的厚度b)測量傳動(dòng)軸彎曲振動(dòng)的振幅和頻率c)測量離合器壓盤的軸向跳動(dòng)d)探傷離合器壓盤的裂紋

e)測量轉(zhuǎn)速2.電渦流式傳感器的應(yīng)用測量振動(dòng)

測量傳動(dòng)軸彎曲振動(dòng)的振幅測量制動(dòng)盤的軸向跳動(dòng)2.電渦流式傳感器的應(yīng)用

測量軸膨脹測量流量3.5壓電式傳感器1.壓電效應(yīng)和壓電材料

壓電式傳感器的工作原理是壓電效應(yīng)。指某些材料當(dāng)沿著一定的方向?qū)ζ涫┘訅毫Γɑ蚶Γ〧x時(shí)，材料不僅發(fā)生機(jī)械變形，而且內(nèi)部發(fā)生極化，在兩側(cè)表面出現(xiàn)等量的異號電荷，電荷量與壓力大小成正比。當(dāng)外力去掉后，該材料又重新回到不帶電的狀態(tài)，具有這樣特性的材料為壓電材料。a)受壓力b)受拉力圖3-11壓電效應(yīng)1.壓電效應(yīng)和壓電材料

壓電式傳感器是一種發(fā)電式傳感器，這種壓電材料相當(dāng)于一個(gè)對壓力敏感的電荷源，壓力越大，產(chǎn)生的電荷越多。電荷量

與壓力

的關(guān)系式可表達(dá)為

傳感器內(nèi)的壓電材料常被稱為壓電元件、壓電晶體或壓電晶片。常見的壓電材料有石英(Si02)、壓電陶瓷（鈦酸鋇BaTi03和鋯鈦酸鉛PZT等）和聚二氟乙烯(PVF2)高分子薄膜等。壓電陶瓷的壓電系數(shù)高，可以測量較小的力；但是并不適用于有高穩(wěn)定性要求的測量。（3-10）2.壓電式加速度傳感器及其應(yīng)用

壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)：兩片壓電晶片，其間放置一金屬片，一條引線5焊接在金屬片上，另一條引線與基座相連。壓電晶片上裝有一塊密度較大的金屬質(zhì)量塊2，并用剛度很大的壓緊彈簧1對其預(yù)加載荷。壓電式加速度傳感器的工作原理：測量時(shí)，傳感器基座與被測件連接，當(dāng)被測試件作加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊產(chǎn)生正比于加速度的慣性力作用于壓電晶片上，并在晶片產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。電荷經(jīng)電荷放大器放大和阻抗變換后，再用一般測量電路處理，最終在顯示器上顯示出加速度的大小。

壓電式加速度傳感器的應(yīng)用：在汽車平順性試驗(yàn)中，用壓電式加速度傳感器測量汽車振動(dòng)的振幅和頻率。在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒試驗(yàn)中，用壓電式加速度傳感器測量發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震時(shí)，傳感器輸出最大電壓信號。圖3-12壓電式加速度傳感器的結(jié)造1壓緊彈簧2質(zhì)量塊3壓電晶片4機(jī)座5引出線2.壓電式加速度傳感器及其應(yīng)用爆振測量3.壓電電纜式傳感器及其應(yīng)用

壓電電纜通過環(huán)氧樹脂粘接在薄膜中間，薄膜保護(hù)壓電電纜，并與壓電電纜成為一體；壓電電纜與前置放大器連接，前置放大器放大壓電電纜的輸出電壓，成為信號傳輸裝置可接受的電壓。圖3-14壓電電纜式傳感器測量汽車的軸荷和車速圖3-13壓電電纜式傳感器

將兩根壓電電纜相距2米，平行埋設(shè)于瀝青公路的路面下約5cm處，汽車通過壓電電纜，壓電電纜中的電荷量與汽車的軸荷成正比，從而測得汽車的軸荷；根據(jù)車輪通過壓電電纜時(shí)產(chǎn)生的電信號，測得車輪通過兩根壓電電纜的時(shí)間，再根據(jù)兩根壓電電纜間的距離為2米，由速度公式，計(jì)算出汽車的車速；還可根據(jù)壓電電纜的電信號，判定汽車的軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎等，為交通監(jiān)控提供數(shù)據(jù)。高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

高分子壓電電纜的應(yīng)用演示

將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。

交通監(jiān)測

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場滑行道等。高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應(yīng)），可用于測量汽車噪聲3.6磁電式傳感器1.電磁感應(yīng)

磁電式傳感器是一種發(fā)電式傳感器，其工作原理是電磁感應(yīng)或稱電磁效應(yīng)。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知：通過閉合回路面積內(nèi)的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，其大小正比于磁通量的變化率，可表達(dá)為（3-11）2.磁電式傳感器的工作原理

線圈繞在磁鐵外面，齒輪安裝在軸上并隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，輪齒和齒槽通過線圈的下方時(shí)，空氣間隙發(fā)生變化，線圈中的磁通量發(fā)生變化，在線圈中感應(yīng)出波動(dòng)的電壓并輸出，波峰的個(gè)數(shù)與齒輪的齒數(shù)相等，波動(dòng)的電壓經(jīng)整形電路整形后送入計(jì)數(shù)電路，時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)k，齒輪的齒數(shù)z，k

個(gè)脈沖對應(yīng)齒輪轉(zhuǎn)過k

/z圈或轉(zhuǎn)，t秒時(shí)間間隔內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)過k

/zt圈或轉(zhuǎn),再考慮轉(zhuǎn)速的單位為轉(zhuǎn)/分或圈/分，得齒輪的轉(zhuǎn)速為60k

/zt；又根據(jù)角速度的定義及頻率f=k/t，可得角速度的計(jì)算公式；即齒輪的轉(zhuǎn)速n

及角速度的計(jì)算公式：（3-12）（3-13）圖3-16線圈中波動(dòng)的電壓圖3-15磁電式傳感器的工作原理3.磁電式傳感器的應(yīng)用

磁電式傳感器用于發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸、ABS系統(tǒng)的車輪的角速度或轉(zhuǎn)速的測量，如果再接入微分或積分電路，也可以測量角加速度或角位移。3.磁電式傳感器的應(yīng)用圖3-18輸出電壓

與輸出電壓

的時(shí)間差圖3-17磁電式傳感器測量功率的工作原理

磁電式傳感器還用于功率的測量，兩個(gè)相同的磁電式傳感器及齒輪平行安裝，齒輪固定在扭桿的兩端。軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁電式傳感器1輸出電壓

，磁電式傳感器5輸出電壓

，由于扭桿的扭轉(zhuǎn)，使齒輪4和齒輪1之間有相對扭轉(zhuǎn)角

，又由于兩個(gè)相同的磁電式傳感器及齒輪平行安裝及扭桿的扭轉(zhuǎn)，使輸出電壓

有時(shí)間差

，如圖3-18所示，對于轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪來說，表現(xiàn)為輸出電壓

的相位差。通過相位檢測電路，可測得輸出的相位差，再由輸出電壓

的相位差與齒輪4和齒輪1之間相對扭轉(zhuǎn)角的標(biāo)定關(guān)系，得齒輪4和齒輪1之間的相對扭轉(zhuǎn)角

。（3-14）3.磁電式傳感器的應(yīng)用圖3-18輸出電壓

與輸出電壓

的時(shí)間差圖3-17磁電式傳感器測量功率的工作原理

扭桿的直徑

d和扭桿L的長度

可由扭桿測得，剪切彈性模量G可由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中查得或由試驗(yàn)得到，這樣，由式（3-14）可計(jì)算得到軸中的扭矩

T；由磁電式傳感器1或磁電式傳感器5可測得軸的角速度

，進(jìn)一步可計(jì)算得軸傳遞的功率（3-14）

由材料力學(xué)得，軸中的扭矩（3-15）3.磁電式傳感器的應(yīng)用3.7霍爾式傳感器

1.霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)原理如圖3-19所示。長度l、寬度b、厚度d的N型半導(dǎo)體薄片（N型半導(dǎo)體為電子型），處在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，在薄片長度方向上施加控制電流I，那么在垂直于磁場和電流所形成的平面的方向（即圖中寬度方向）上，將產(chǎn)生電動(dòng)勢UH?；魻栯妷汗綖閳D3-19霍爾效應(yīng)原理（3-16）

將霍爾元件的霍爾