《常用传感器》课件.ppt
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1、重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,第二章 常用传感器,速度传感器空间格栅式压差式、热线风速仪加速度传感器压电、应变、电容式冲撞传感器电容式、压阻式、压电晶体,基本内容控制系统所需传感器温度传感器热电阻、热电偶压力传感器压阻式、静电容式空气流量传感器气体传感器氧传感器,空燃比传感器,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,2.1 概述(各系统所需传感器),汽车电子控制技术,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,2.2 温度传感器,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,2.2.1 热电阻,对传感器材料的要求:温度系数大,线性好;性能稳定;使用温度范围宽;系数设置方便
2、;线材加工方便。最合适的材料:铂(Pt)、铜(Cu)铂电阻:Rt=R0(1+At+Bt)(0630)R100/R0=1.3916 铂电阻主要规格如下:公称电阻:(50),100 精度等级:0.15级,0.2级,0.5级额定电流:2mA,5mA,(10mA)(0.15级及0.2级用2mA)封装形式:护管式、玻璃封装式(400)、陶瓷封装(600),重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,半导体热敏电阻与金属热电阻比,温度系数大、反应速度快、价格便宜,但线性差。常用的有:NTC、PTC、CTR 等NTC(Negative Tempreature Coefficient thermiste
3、r)主要由Mn,Co,Ni,Fe等金属氧化组成,可通过改变成分调整电阻值及温度特性。R=RoexpB(1/T-1/T0其中,B:热敏系数,一般20006000K,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,2.2.2 热电偶,热电偶由两种不同的金属线相接触而构成,当基准电和测量点间有温差时,就会得到输出电位。其结构简单、可靠,测量范围广,可测量微小区域的温度(用的丝线细),响应速度快,但输出信号小(几十v/),需注意测量电路的漂移和噪声。热电偶测量的是温差,需对基准点的温度进行补偿:将基准点放置在冰点槽中;用热电阻测量基准点的温度,并用桥式电路进行自动补偿。封装形式:保护管(不锈钢,33
4、0mm):强度高、耐热、耐腐蚀;铠装(金属管,0.2,0.58mm):金属细管和热电偶芯间填充有MgO,绝缘、密封,抗腐蚀和老化,反应快,耐热,耐振,可适当弯曲。,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,2.3 压力传感器,基本构成:变形部分(压力应变);变换部分(应变电信号);信号处理部分(信号放大和调整).检测原理:物性型(压阻效应);结构型(电极面积或距离).2.3.1 压阻式压力传感器压阻效应:结晶硅受到应力作用,单位电阻值会发生变化.扩散半导体式:在硅基片的中央制有膜片,在膜片上扩散形成压阻应变片,当在压力作用下,产生应变,使应变片阻值发生变化,测出阻值的变化量即可得到压力
5、值.,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,特点:选择扩散位置可制出电桥其他臂;灵敏度高(为金属应变片的几十几百倍);一致性好,无需粘接,无畸变、滞后;温度变化对压阻系数影响大,需补偿;先将膜片固定在硅机体上,再一起固定在金属机体上.构造和测量原理:在膜片表面扩散成四个应变片,其中两个沿半径方向布置(Radial Gauge Resister):Rr1和Rr2;其中两个沿切线方向布置(Tangential Gauge Resister):Rt1和Rt2,膜片受到压力作用时会产生变形,在膜片表面上生成的应力是径向r切向t的合成,在微小范围内变形与应力可视为线性:r,tkP(其中,k:
6、膜片的压力应变系数;P:压差)如按图(a)那样布置,应变电阻会受到二个方向应力r和t的作用,由于压阻效应使径向应变电阻和切向应变电阻的阻值发生变化,可近似用下面的式子表示:,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,Rr/Rrl r+tt Rt/Rtl t+tr其中,Rr,Rt:应力为零时径向和切向应变电阻的阻值 Rr,Rt:应力作用后径向和切向应变电阻的阻值变化量l,t:纵向和横向压阻系数(l:longitudinal,t:transverse)l0,t0接成桥式电路时的输出电压:e=(Rr-Rt)E/(Rr+Rt)k l p制造过程:将n型硅片的两面加工成镜面;扩散形成应变电阻和电
7、子元件;蒸着形成电极;内面加工出凹形截面形成膜片;固定到与硅的热膨胀系数接近的玻璃等基体上装入外壳中、连出引线、充填硅胶,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,静电容式压力传感器,概要:由可动电极(膜片)和绝缘基板上两个面对面的电极组成,被测压力使膜片变形,和固定电极间的间隙发生变化,引起静电容变化,可得与压力一一对应的容量差,其特性取决于膜片部分的结构(特别是电极间的间隙),为了获得稳定性好的传感器,精密加工和装配就尤其重要。构造和测量原理:以压差传感器为例,作为可动电极的的硅膜片置于两个玻璃基板上形成的固定电极之间,间隙在几到几十之间,形成差动电容。电容量变化和电极间隙:如果膜
8、片有微小变形w,有:w=kp其中,k:膜片的压力变形系数,p:压差,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,差动容量变化量C和变形W之间可用下式表示:C/C=w/d(C与电极间隙d成反比,若间隙越小容量变化就越大,就能作成高灵敏度传感器)p=d C/(2k C)(d:电极间隙;C:初试电容量)2.3.3汽车用压力传感器的性能参数由于工作环境恶劣,要求测量精度和 可靠性高,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,基本特性:精度、分辨率、测量范围。决定测量下限的因素:压力/应变转换灵敏度和滞后、应变/电信号转换的噪声等。决确定测量上限的因素:压力/应变转换部分的机械强度。非线性
9、:直接影响精度,取决于压力/应变转换部分。温度特性:电桥用恒流供电可使温度系数减小。寿命:由于工作环境恶劣,采用保护结构。高压传感器用金属膜片保护应变面。,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,2.3.4 汽车用压力传感器应用实例,2.3.5汽车用压力传感器的技术动向低成本化:半导体标准过程 批量生产精细加工小型化高性能化:数字信号处理;软件补偿可靠性:表面保护技术;封装技术,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,2.4 流量传感器,2.4.1 汽车用流量传感器空气流量计燃料(汽油、柴油、天然气等)流量计是电喷的主要传感器,用于计量吸入汽缸的空气量。不仅是发动机控制用,
10、也可作耗油量表示用。流量:单位时间内流体流经流通断面的量,测量方法有:直接检测量;检测平均流速;检测局部流速.2.4.2 空气流量计对空气流量计的要求:测量范围宽、精度高、响应快及耐尘土和油滴、能适应大范围的温度变化、输出信号是流量的对数函数、可靠、体积小、重量轻、成本低。空气流量计的类型:转叶式、卡门螺旋式、热线式,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,汽车用空气流量计规格,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,2.4.3 热线式空气流量计Hot-Wire Anemometer,热线式空气流量计的原理:向铂金丝(箔膜)供电使之发热,利用空气的热传导量与空气流相依存的关
11、系来测量流量。在电桥臂上设有加热丝和测温热敏电阻,调整热丝电流使热丝和热敏电阻间温差不随空气流量而变化,把供给热丝的电流作为空气流量信号。空气流量和输出信号间的关系可由热丝发热量和传热量的关系推出:其中,I:供电电流;Ga:空气流量;A,B:常数只要测出电流I,即可由上式求得空气流量,代表空气流量的电流信号,在低流速时,信号变化大。,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,按先后顺序介绍几种实用结构整流筒式:在整流筒内架设有70m的铂金丝,用铂金在陶瓷上形成的箔膜电阻作测温电阻,工作时热丝被加热到1000(自洁),排除尘埃附着的影响。分流式:将热丝和测温电阻设置在分流通道中,以减少流
12、体波动对测量精度的影响;同时,在发动机回火时能保护热丝。薄膜电阻式:与整流筒式类似,只是不用热丝而用薄膜电阻(制在薄型陶瓷上),与空气流成30夹角。插入式:可装在进气管任意部位,它将热丝、旁通通道、测量电路作成整体结构,从进气管的侧壁插入即可。其目的是减小整体体积。,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,热丝式空气流量计的构造,传感部分热丝型(Hot-wire):将铂金丝架设在空气流中,;线圈型:将铂金丝卷在陶瓷支架上,;薄膜型(Hot-Film):将 薄膜电阻设在陶瓷板上。铂金丝细,热容量小,响应快,但易堆积尘埃,影响测量精度;热容量大,响应较慢,但不易堆积尘埃,且对测量精度影响
13、不大。测量电路:使热丝和热敏电阻间温差保持恒定,现在采用一比较放大器,可测量剧烈变化的空气温度。分流通道:从进气通道分隔出来的支路,以降低气流波动对测量精度的影响。,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,热丝式空气流量计测波动气流时应注意:,波动流平均流量的平均化:指示值比实际值小。分流式利用分流通道内气流惯性让平均流速增加,使误差相互抵消。P:分流通道出入口压力差 u,l:分流通道的流速及长度逆流修正:不能测量出流动方向,有逆流时,测量值比实际值大。可采用分流式“流体二极管”原理:逆流发生时分流通道内的气流不流动,将测量误差降为原来的一半。2.4.4 空气流量计的课题流量和流向;
14、输出特性自动修正、软件修正。,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,2.5 速度及加速度传感器,2.5.1 速度传感器具有代表性的是车速传感器,常用方法:近似测量计测车轮单位时间内的转数;多卜勒雷达测速,fD=f1-f2=2Vcos/空间光栅式:光波等在通过已知空间频率的光栅时,其功率谱中心频率会发生变化,根据中心频率的变化即可得到移动速度。利用周节为P的空间光栅和凸透镜来观察以速度V移动的路面时,观察到的光线具有的中心频率f可表示为:f=MV/P,M:透镜放大倍数。实际系统使用cds光电元件做传感器。,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,2.5.2 车辆控制用加速度
15、传感器,加速度传感器测量方式比较,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,车辆控制系统用(低频);防撞气囊用(高频)压电式加速度传感器压电效应:压电晶体在受到力的作用时会发生变形同时产生电荷.在受到加速度作用时,膜片变形,输出电极和压电晶体间产生与加速度成比例的的电压,下面的压电晶体是为了消除电荷堆积效应而设置的.环状驱动电极用于自诊断.,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,应变式加速度传感器,本方式是利用硅基片上的精细加工技术制造而成.将两枚硅片用1000以上的高温直接粘再一起,并在上片作出梁;在下片作出惯性质量,然后再贴在玻璃集体上,当受到加速度作用时,重物上下移动
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