第五章传感器课件
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汽车用传感器：车身传感技术 第5章《位置传感器与角度传感器》PPT教学课件
第五章 位置传感器与角度传感器
主讲教师：某某某
本章内容
按输出信号的种类
模拟式：电位计，将角度变化变换成电阻变化 数字式：光电式、电磁式的旋转式编码器
5.1 节气门位置传感器（编码器式） 5.2 节气门位置传感器（直线式） 5.3 滑动式节气门位置传感器 5.4 线性位置传感器 5.5 防滴型角度传感器 5.6 非接触角度传感器 5.7 转向传感器 5.8 光电式车高传感器 5.9 溢流环位置传感器
VC端子→电阻r→ E2端子 VTA端的电位并不受电阻R1、R2的影响
节气门全闭时，IDL触点闭合，电位为0 →计算机
根据这些信号判断出车辆的行驶状态，再决定进行过渡时期的空燃比 修正或是输出增量修正，或是切断油路，或是进行怠速稳定修正
车身传感技术
7
5.3 滑动式节气门位置传感器
安装在节流阀本体上，用作检测节 气门的开度
车身传感技术
2
5.1 节气门位置传感器（编码器式）
节气门位置传感器也叫节气门开关
装在节流阀本体上并与之连动 随着驾驶员对加速踏板的控制 靠自身触点检测出发动机处于
怠速、负荷、加减速状态 IDL触点：检测怠速状态 PSW触点：检测重负荷状态 ACC1和ACC2触点：检测加速状态
原理：
减振器总是振动，很难判定所处区域
过高区域
隔数十毫秒测一次车高控制传感器输出信号 车 高侧规定区域 对一定时间内各区域所占的百分比做出判断 高 低侧规定区域
过低区域
车身传感技术
22
5.8 光电式车高传感器
车高上升时工作情况
空气压缩机工作，向减振器输送压缩空气，车高上升
降低车高时
排气阀打开，减振器内压缩空气散到大气，车高降低
主讲教师：某某某
本章内容
按输出信号的种类
模拟式：电位计，将角度变化变换成电阻变化 数字式：光电式、电磁式的旋转式编码器
5.1 节气门位置传感器（编码器式） 5.2 节气门位置传感器（直线式） 5.3 滑动式节气门位置传感器 5.4 线性位置传感器 5.5 防滴型角度传感器 5.6 非接触角度传感器 5.7 转向传感器 5.8 光电式车高传感器 5.9 溢流环位置传感器
VC端子→电阻r→ E2端子 VTA端的电位并不受电阻R1、R2的影响
节气门全闭时，IDL触点闭合，电位为0 →计算机
根据这些信号判断出车辆的行驶状态，再决定进行过渡时期的空燃比 修正或是输出增量修正，或是切断油路，或是进行怠速稳定修正
车身传感技术
7
5.3 滑动式节气门位置传感器
安装在节流阀本体上，用作检测节 气门的开度
车身传感技术
2
5.1 节气门位置传感器（编码器式）
节气门位置传感器也叫节气门开关
装在节流阀本体上并与之连动 随着驾驶员对加速踏板的控制 靠自身触点检测出发动机处于
怠速、负荷、加减速状态 IDL触点：检测怠速状态 PSW触点：检测重负荷状态 ACC1和ACC2触点：检测加速状态
原理：
减振器总是振动，很难判定所处区域
过高区域
隔数十毫秒测一次车高控制传感器输出信号 车 高侧规定区域 对一定时间内各区域所占的百分比做出判断 高 低侧规定区域
过低区域
车身传感技术
22
5.8 光电式车高传感器
车高上升时工作情况
空气压缩机工作，向减振器输送压缩空气，车高上升
降低车高时
排气阀打开，减振器内压缩空气散到大气，车高降低
传感器原理及应用 第五章 磁电式与压电式传感器
用热磁分流器。
8/2/2023
8
5.1.3磁电式感应式传感器的测量电路
磁电感应式传感器是速度传感器，若要获取被测位移 或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。下图为测量 电路方框图。
磁电式传感器虽然配用积分电路可以测量位移，但它 只能测量位移随时间的变化，即动态位移，不能测静态位 移。
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（1）在有效载荷作用下测得最低频率时，位移的振幅为 5mm，试计算这时的输出电压值。
11
[例题1]图（a）磁电式传感器和图（b）自感式传感器有 何 异同？为什么后者可测量静态位移或距离而前者却不能？
解：相同点：二者都有线圈和活动衔铁。不同点：（a）
磁电式传感器的线圈是绕在永久磁钢上，磁电式传感器有永久
磁铁。自感式传感器的线圈是绕在不带磁性的铁心上。（b）
自感式传感器的自感取决于活动衔铁与铁心的距离，磁电式传
当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、机械振动或 冲击时，其灵敏度将发生变化而产生测量误差。 相对误差为
dsI dB dL dR sI B L R
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6
1.非线性误差
主要原因是：由于传感器线圈内有电流I流过时， 将产生一定的交变磁通ΦI，此交变磁通叠加在永久
磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化 如右图所示。
如图所示可见，在磁电感应式传感器后面接积分电路可 以测量位移，后面接微分电路可以测量加速度。因为位移是 速度的积分，而加速度是速度的微分。
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[例题3]已知磁电式速度传感器的技术参数如下：频率范围 5~100Hz，位移幅值范围为5mm（峰-峰值），加速度幅值 范围为0.1~30g（g=9.8m/s2），无阻尼固有频率为5Hz，线 圈电阻为600Ω，横向灵敏度最大为20%，灵敏度为 4.88V/(m/s),质量为170g。假设测量的振动是简谐振动。
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5.1.3磁电式感应式传感器的测量电路
磁电感应式传感器是速度传感器，若要获取被测位移 或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。下图为测量 电路方框图。
磁电式传感器虽然配用积分电路可以测量位移，但它 只能测量位移随时间的变化，即动态位移，不能测静态位 移。
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（1）在有效载荷作用下测得最低频率时，位移的振幅为 5mm，试计算这时的输出电压值。
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[例题1]图（a）磁电式传感器和图（b）自感式传感器有 何 异同？为什么后者可测量静态位移或距离而前者却不能？
解：相同点：二者都有线圈和活动衔铁。不同点：（a）
磁电式传感器的线圈是绕在永久磁钢上，磁电式传感器有永久
磁铁。自感式传感器的线圈是绕在不带磁性的铁心上。（b）
自感式传感器的自感取决于活动衔铁与铁心的距离，磁电式传
当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、机械振动或 冲击时，其灵敏度将发生变化而产生测量误差。 相对误差为
dsI dB dL dR sI B L R
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1.非线性误差
主要原因是：由于传感器线圈内有电流I流过时， 将产生一定的交变磁通ΦI，此交变磁通叠加在永久
磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化 如右图所示。
如图所示可见，在磁电感应式传感器后面接积分电路可 以测量位移，后面接微分电路可以测量加速度。因为位移是 速度的积分，而加速度是速度的微分。
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[例题3]已知磁电式速度传感器的技术参数如下：频率范围 5~100Hz，位移幅值范围为5mm（峰-峰值），加速度幅值 范围为0.1~30g（g=9.8m/s2），无阻尼固有频率为5Hz，线 圈电阻为600Ω，横向灵敏度最大为20%，灵敏度为 4.88V/(m/s),质量为170g。假设测量的振动是简谐振动。
5第五章电容式传感器1精品PPT课件
5.2 电容传感器输出特性
1 变极距型（ d ）
传感器原理及工程应用
电容的总的变化量
C
C1
C2
2C0
[
d d0
( d d0
)3
]
电容的相对变化量 C 2 d [1 ( d )2 ( d )4 ]
C0
d0
d0
d0
电容特征方程忽略高次项得： C 2 d
C0
d0
提问与解答环节
Questions And Answers
d
d0
d0
非性线误性差误δ就差在和2％d～d0 1有0％关之，间如。果也当就d是d0 说0.，02在~ 0d.1产时生，微则小非变线
化△d时，会产生比较大的非线性误差。显然这种单极板
式变间距型传感器适用于微小位移的测量
第5章 电容式传感器
传感器原理及工程应用
5.2 电容传感器输出特性
1 变极距型（d）
第5章 电容式传感器 5.2 电容传感器输出特性
1 变极距型（ d ）
传感器原理及工程应用
差动结构的电容特征方程式为（当动极板向上移动时）
C1
C0
C
C0
1
1 d
d0
C0[1
d d0
( d )2 d0
]
定极板
C2
C0 [1
d d0
( d d0
)2
]
动极板
C1 d1 C2 d2
定极板
第5章 电容式传感器
A
d0 d
A
d0
(1
d d0
)
C01ຫໍສະໝຸດ 1 dd0增加的电容量为：
电容的相对变化量:
第5章 电容式传感器
人教版2019高中物理选择性必修第二册第五章 传感器40张ppt
压力 F/N
电阻 R/Ω
0 50 100 150 200 250 300 … 300 270 240 210 180 150 120 …
(2)该秤零刻度线(即踏板空载时的刻度线)应标在电流表刻度盘多少毫安处？
答案 15.6 mA
解析 依题意可知，电子秤空载时压力传感器受到的压力为零，电阻R1 ＝300 Ω，电路中的电流为I1＝RU1＝43.0608 A＝15.6 mA，所以该秤零刻度线 应标在电流表刻度盘的15.6 mA处.
5.有一种测量人体重的电子秤，其原理图如图8所示.它主要由三部分构 成：踏板和压力杠杆ABO、压力传感器R(一个阻值可随压力大小而变化 的电阻器)、显示体重的仪表 (其实质是电流表).其中AO∶BO＝5∶1.已 知压力传感器的电阻与其所受压力的关系如下表所示：
压力 F/N
0 50 100 150 200 250 300 …
总电流增大，则R1两端的电压增大，而路端电压减小，所以灯泡两端的
电压减小，灯泡变暗，选项B、D正确，C错误.
答案：ABD
9.(电阻应变片、力传感器的应用)压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，
有位同学设计了利用压敏电阻判断竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图
如图11甲所示，将压敏电阻固定在升降机底板上，其上放置一个物块，在升降
二、热敏电阻的应用
2.现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达 到或超过60 ℃时，系统报警.提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很 小，流过的电流超过Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)，直流 电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)，滑 动变阻器R2(最大阻值为2 000 Ω)，单刀双掷开关一个，导线若干. 在室温下对系统进行调节.已知U约为18 V，Ic约为10 mA；流过报警器的 电流超过20 mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而 减小，在60 ℃时阻值为650.0 Ω.
传感器与测试技术课件第五章电阻应变片
2、电阻应变片的种类及材料 电阻应变片的种类
常用有丝式、箔式、半导体式和薄膜式应变片等。
丝式应变片：金属电阻应变片的典型结构。将一根高 电阻率金属丝（0.025mm左右）绕成栅形，粘贴在绝缘 的基片和覆盖层之间并引出导线构成。
？栅状
结构
dR /R S x
为了获得大的 电阻变化量
丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。 分为丝绕式和短接式两种。
电桥的工作特性:
1）不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度，尽量采 用半桥双臂或全桥方式。
1 R 0 Uo UI 4 R 0
1 R 0 Uo UI 2 R 0
R0 Uo UI R0
•在R0<<R0条件下，电桥的输出与 R0/R0成正比；
•全桥接法可以获得最大的输出，其灵敏度为半桥单 臂接法的4倍 。
5）焊线：用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。
6）用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘电阻，应 大于1000M欧。
7）应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。
5.2 测量电路及温度补偿
电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路 将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被 测量的测量。 1、测量电桥 电桥按其电源性质的不同可 以分为直流电桥和交流电桥。 直流电桥只能测量电阻，而 交流电桥可用于测量电阻、 电感和电容的变化。
电阻应变片
电阻应变片的选择、粘贴技术 1）目测 Nhomakorabea阻应变片有无折痕、断丝 等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。 2）用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥 中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆。
3）试件表面处理：贴片处用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。
传感器课件 第五章
电感L 由电容器本身的电感和外部引线电感组成。它与电容器的结构 和引线的长度有关。
由等效电路可知，等效电路有一个谐振频率，通常为几十兆赫，当工 作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此， 应该选择低于谐振频率的工作频率，否则电容传感器不能正常工作。
22
有效电容 Ce可由下式近似求得（为了计算方便，忽略Rs，Rp） 1 1 jL jCe jC
K
C
C0
（常数）
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2. 平面线位移
极板起始覆盖面积为S＝a×b，
初始电容： C0
动极板
ab
d
定极板
沿活动极板宽度方向移动x，则改变了两极间覆盖面积。忽 略边缘效应，改变后的电容量为
Cx
b(a x)
d
ba bx
d
x C0
C0
x a
12
1. 角位移
当动极板有一个角位移θ时，与定极板的遮盖面积就改变，从 而改变了两极板间的电容量。当θ＝0 时，则
C0
当θ≠0时，则
S
d
S 1 C C0 C0 d
C C C0 C0
这种形式的传感器电容量C与角位移θ是成线性关系的。 灵敏度：
0 g
0
式中 g = 7——云母的相对介电常数；
0 ——真空介电常数；
dg ——云母片的厚度； d0 ——空气气隙厚度。 云母的相对介电常数为空气的7倍，其击穿电压不小于103 kV/mm，而 空气的击穿电压仅为3kV/mm，即使厚度为0.01mm 的云母片，它的击穿电 压也不小于10kV/mm。因此有了云母片，极板之间的起始距离可以大大减 小。同时分母中的dg/g 项是恒定值，它能使电容式传感器的输出特性的线 性度得到改善，只要云母片厚度选取得当，就能获得较好的线性关系。
第5章 1 《认识传感器》课件ppt
实例引导
例题全面了解汽车的运行状态(速度、水箱温度、油量)是确保汽车安全
行驶和驾驶员安全的举措之一,为模仿汽车油表原理,某同学自制一种测定
油箱油量多少或变化多少的装置。如图乙所示,其中电源电压保持不变,
是滑动变阻器,它的金属滑片是金属杆的一端,R'是定值电阻,R'≫R。该同
学在装置中使用了一只电压表(图中没有画出),通过观察电压表示数,可以
本课结束
2023 新 版 人 教 版 高 中 物 理 选 择 性 必 修 第 二 册
第五章 1.认识传感器
内
01 课前篇 自主预习
容
索
02 课堂篇 探究学习
引
学习目标
1.知道非电学量转换成电学量的 技术意义。(物理观念) 2.了解传感器在生产、生活中的 应用。(物理观念) 3.深入认识物理学对现代生活和 科技发展的促进作用。(科学态 度与责任)
5．(多选)如图所示，干簧管放在磁场中时两个舌簧能被磁化．关于
干簧管，下列说法正确的是
()
A．干簧管接入电路中相当于电阻的作用
B．干簧管是根据热胀冷缩的原理制成的
C．干簧管接入电路中相当于开关的作用
D．干簧管是作为电控元件以实现自动控制的
【答案】CD
【解析】干簧管能感知磁场，因为两个舌簧由软磁性材料制成，当 周围存在磁场时，两个舌簧被磁化，就会相互吸引，所以是作开关来使 用，作为控制元件以实现自动控制的， C、D正确．
解析 在0~t1内,I恒定,压敏电阻阻值不变,由小球的受力不变可知,小车可能 做匀速或匀加速直线运动,在t1~t2内,I变大,压敏电阻阻值变小,压力变大,小 车做变加速运动,A、B均错误;在t2~t3内,I不变,压力恒定,小车做匀加速直 线运动,C错误,D正确。
传感器PPT教学课件
热电阻ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
基于电阻随温度变化的原 理，常用于中低温测量。
集成温度传感器
将温敏元件、信号调理电 路等集成于一体，具有体 积小、响应快等优点。
压力传感器
压阻式压力传感器
利用压阻效应将压力转换为电阻变化 ，具有灵敏度高、线性度好等特点。
压电式压力传感器
电容式压力传感器
通过测量电容变化来反映压力大小， 具有稳定性好、抗干扰能力强等优点 。
智能安防
02
利用红外传感器、门窗磁感应器等监测家庭安全状况，及时发
现异常情况并报警。
智能家电
03
传感器在智能家电中广泛应用，如温度传感器在空调中调节室
内温度，湿度传感器在加湿器中控制室内湿度等。
汽车电子领域应用
汽车安全系统
利用碰撞传感器、加速度传感器等监测车辆行驶状态，及时触发安 全气囊、安全带预紧器等安全装置，保障驾乘人员安全。
网络化
传感器具有数字接口和通信协议，可方便地与计 算机或网络进行连接和通信。
物联网应用
传感器作为物联网的感知层设备，广泛应用于智 能家居、智能交通、智能农业等领域。
多功能化与复合化趋势
多功能化
一个传感器可以同时检测多个参数，如温度、湿度、压力等，实 现一机多用。
复合化
将不同功能的传感器进行组合和封装，形成复合传感器，提高检测 效率和精度。
转换元件
将敏感元件输出的物理量 转换为电信号。
测量电路
将转换元件输出的电信号 进行放大、处理、转换， 以便于显示、记录、控制 和处理。
传感器信号转换过程
传感器接收被测量，通过敏感元件转换为相应的物理量 。
转换元件将物理量转换为电信号，如电压、电流或电阻 等。
人教版高中物理选择性必修第二册第五章传感器5-1认识传感器课件
解析:话筒是一种常用的声传感器,其作用是将声信号转换为电 信号,选项A错误;交警使用的酒精测试仪主要目的是测量酒精 度,它是酒精气体传感器,它的阻值随酒精浓度的变化而变化,不 是利用压力工作的,选项B错误;霍尔元件是磁传感器,能够把磁 感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量,其原理不是法拉 第电磁感应定律,选项C错误;新型冠状病毒疫情防控中使用的 枪式测温仪应用了红外传感器,选项D正确. 答案:D
过程建构 1.传感器的工作流程.
2.传感器在现代信息技术与自动控制中的作用. 传感器的作用是把非电学量(如光、声音、温度等)转换为电学 量(如电压、电流等),将电学量与计算机技术结合,可以方便地 实现信息的采集、处理、输出的自动化和智能化,所以传感器 在现代信息技术与自动控制中有极其重要的作用.
【典例2】传感器工作的一般流程是
2.(2022·广东广州)关于传感器,下列说法正确的是 ( ) A.话筒是一种常用的声传感器,其作用是将电信号转换为声 信号 B.交警使用的酒精测试仪是一种物理传感器,是靠吹气的压力 来工作的 C.霍尔元件能够检测磁场及其变化,其原理是法拉第电磁感 应定律 D.新型冠状病毒疫情防控中使用的枪式测温仪应用了红外传 感器
第五章 传感器
1 认识传感器
学习目标 1.通过演示实验,认识传感器,知道传感器是把非电学量转换成 电学量的器件或装置,了解传感器的基本结构及各部分的作用, 知道非电学量转换成电学量的技术意义. 2.通过生活中常用的传感器,了解传感器的种类、组成和应用模 式,会分析简单传感器的工作原理,知道传感器能够改变人类的 生产生活方式.
答案:D
4.下图是一个测定液面高度的传感器原理示意图,在导线芯的 外面涂上一层绝缘物质,放在导电液体中,导线芯和导电液体构 成电容器的两极,把这两极接入外电路,当电容器的电容增大时, 导电液体的深度h的变化情况是 ( ) A.h增大 B.h减小 C.h不变 D.无法确定
第五章电感式传感器.ppt
RLu2 n1(R 2RL )
传感器衔铁下移
uL
RLu2 n1(R 2RL )
2019/11/15
39
（3）波形图
2019/11/15
相敏检波电路波形图
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差动变压器式传感器的应用
差动变压器不仅可以直接用于位移测量， 而且还可以测量与位移有关的任何机械 量，如振动、加速度、应变、压力、张 力、比重和厚度等。
变压器式交流电桥电路图
2019/11/15
15
分析
设O点为电位参考点，根据电路的基本 分析方法，可得到电桥输出电压为
Uo
UAB
VA VB
( Z1 Z1 Z2
1 2)U2
当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置 时，两线圈的电感相等，阻抗也相等， 即，其中表示活动铁芯处于初始平衡位 置时每一个线圈的阻抗。
2019/11/15
3
内容
1 基本工作原理 2 自感式传感器的测量电路 3 自感式传感器应用
2019/11/15
4
电感传感器的基本工作原理演示
F
气隙变小，电感变大，电流变小
2019/11/15
5
3.1.1 基本工作原理
线圈的自感量等于线圈中通入单位电流 所产生的磁链数，即线圈的自感系数
在非电量测量中，应用最多的是螺线管式的差 动变压器，它可以测量1～100mm范围内的 机械位移，并具有测量精度高、灵
基本工作原理
变隙式差动变压器原理图
螺线管式差动变压器原理图
2019/11/15
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输出特性
当铁芯位于中心位置，输出 电压压称为U2零并点不残等余于电零压，这。个它电的 存在使传感器的输出特性曲 线不经过零点，造成实际特 性和理论特性不完全一致。 零点残余电压使得传感器的 输出特性在零点附近不灵敏， 给测量带来误差，它的大小 是衡量差动变压器性能好坏 的重要指标。
第5章 霍尔式传感器(西理工传感器原理及应用课件)
(c)遮断式
由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理 量的检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体、 液体）去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。在车 轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路， 可制成车速表，里程表等等.
转速测量演示
f n= 60 4
(r/min)
第五章 磁电式传感器
本章要点: 1.磁电感应式传感器的原理和应用 2.霍尔传感器(特别是集成霍尔器件) 的原理、设计方法和正确使用
第一节
磁电感应式传感器
简称感应式传感器，也称电动式传感器。 建立在电磁感应基础上，利用导体和磁场发生相对运动而在 导体两端输出感应电动势 e=BNlv 。 应用于测振动速度、转速、扭矩等。 以磁电式速度传感器为例，一种是绕组与壳体连接，磁钢用 弹性元件支承，另一种是磁钢与壳体连接，绕组用弹性元 件支承。
b.四根引线
c.壳体：非导磁金属、陶瓷和环氧树脂封装。
电路符号：
H
常用材料有锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、 砷化铟（InAs）等半导体材料。
2.电磁特性 a.UH-I特性：磁场B恒定，控制电流I与霍尔输出电势 UH之间呈线性关系。 b.UH-B特性：控制电流I恒定，霍尔元件的开路霍尔 电势随磁感应强度增加并不完全呈线性关系。 c.R-B特性：磁阻效应：霍尔元件的内阻随磁场的绝对 值增加而增加的现象（增大）。 3.霍尔元件的零位误差(不等位电势和寄生直流电势)、 温度误差及补偿
VH cos
a. sin2及 cos2 发生器 两霍尔器件互成直角地放在一个可旋转的恒定磁场中，其中 之一通以控制电流I，输出电压为VH1=kHI cos，如果把该输 出电压放大后加至另一个霍尔器件的控制电流端，则第二 个霍尔输出电压为VH2 sincos，因此VH2 sin2 。 如果两个霍尔器件互相平行安置，则输出为VH2 cos cos， 即VH2 cos2
(完整版)压力传感器ppt课件
15
① 检测传感器的电源电 压
② 检测传感器的信号电 压
端子 Ｂ 与搭铁端子 Ａ
4~5V发动机
发动机热机怠速运转 节气门开度逐渐增大
4.5~5.5V
16
③ 检测传感器负极导线的连接情况 用万用表电阻挡检测传感器 Ａ 端子与发动机缸体间的电 阻 ， 阻值应小于 0.5 Ω 。
23
视频
24
三 、 电容式进气压力传感器
１电容式进气压力传感器的结构与原理
电容量的变化量与 弹性膜片的 位移成正比 ， 而弹性膜片的位 移取决于上 、 下两个气体空腔 的 压力 ，只要弹性膜片上部的 空腔为绝对真空 ， 下部空腔通 进气管 ， 则可通过检测电容量 的变化来检测进气歧管的绝对 压力 。
20
（ ２ ） 真空膜盒差动变压器式进气压力 传 感 器
输出 电压 发生 变化
振荡 器发 出交 流电
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（ ３ ） 真空膜盒可变电感式进气压力传感器
进气压力增大时 ，膜片回缩 ， 铁芯向两线圈中间运动时 ， 耦合变紧 ， 输出电压增大 ； 反之 ， 则膜片膨胀 ， 使输 出 电压减小 。
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真空膜盒式进气压力传感器的检测方法
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⑤用汽车专用万用 表 对 此进 气压力传感器的频率进行测试 是 ： 打 开 点 火 开 关 ， 发 动 机 不 运 转 ， 进气压力传感 器 输 出 信 号 的 频 率 约 为 160Ｈｚ ； 怠 速 时 频 率 为105Ｈｚ 左 右 ； 减 速 时 频 率 为 ８０Ｈｚ 左 右； 若进气压力输出信号消 失 或者超出工作范围 （ 小 于 80Ｈｚ 或 大 于160Ｈｚ ）， 则 说 明 此 传 感 器 已 损 坏 ， 应 进 行 检 修或 更 换 。
的振荡频率，即可输出压力信号。
① 检测传感器的电源电 压
② 检测传感器的信号电 压
端子 Ｂ 与搭铁端子 Ａ
4~5V发动机
发动机热机怠速运转 节气门开度逐渐增大
4.5~5.5V
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③ 检测传感器负极导线的连接情况 用万用表电阻挡检测传感器 Ａ 端子与发动机缸体间的电 阻 ， 阻值应小于 0.5 Ω 。
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视频
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三 、 电容式进气压力传感器
１电容式进气压力传感器的结构与原理
电容量的变化量与 弹性膜片的 位移成正比 ， 而弹性膜片的位 移取决于上 、 下两个气体空腔 的 压力 ，只要弹性膜片上部的 空腔为绝对真空 ， 下部空腔通 进气管 ， 则可通过检测电容量 的变化来检测进气歧管的绝对 压力 。
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（ ２ ） 真空膜盒差动变压器式进气压力 传 感 器
输出 电压 发生 变化
振荡 器发 出交 流电
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（ ３ ） 真空膜盒可变电感式进气压力传感器
进气压力增大时 ，膜片回缩 ， 铁芯向两线圈中间运动时 ， 耦合变紧 ， 输出电压增大 ； 反之 ， 则膜片膨胀 ， 使输 出 电压减小 。
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真空膜盒式进气压力传感器的检测方法
26
⑤用汽车专用万用 表 对 此进 气压力传感器的频率进行测试 是 ： 打 开 点 火 开 关 ， 发 动 机 不 运 转 ， 进气压力传感 器 输 出 信 号 的 频 率 约 为 160Ｈｚ ； 怠 速 时 频 率 为105Ｈｚ 左 右 ； 减 速 时 频 率 为 ８０Ｈｚ 左 右； 若进气压力输出信号消 失 或者超出工作范围 （ 小 于 80Ｈｚ 或 大 于160Ｈｚ ）， 则 说 明 此 传 感 器 已 损 坏 ， 应 进 行 检 修或 更 换 。
的振荡频率，即可输出压力信号。
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第 ５ 章
压电式传感器
（5） 电阻。 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏， 从 而改善压电传感器的低频特性。 （6） 居里点温度。 居里点温度是指压电材料开始丧失压 电特性的温度。 常用的压电材料的性能参数如表5-1所示。
第 ５ 章
压电式传感器
第 ５ 章
压电式传感器
选取合适的压电材料是设计、 制作高性能传感器的关键。 一般应考虑以下因素： （1） 转换性能： 具有较大的压电系数。 （2） 机械性能： 压电元件作为受力元件， 希望它的机械 强度高、 刚度大， 以获得宽的线性范围和高的固有振荡频率。
1. 钛酸钡压电陶瓷 最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。 它是由 碳酸钡和二氧化钛按1∶1摩尔分子比例混合后烧结而成的。 它的压电系数约为石英的50倍， 但居里点温度只有115℃， 使用温度不超过70℃， 温度稳定性和机械强度都不如石英。
第 ５ 章
压电式传感器
2． 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT）系列， 它是钛酸铅（PbTiO3）和锆酸铅（PbZrO3）组成的（Pb （ZrTi）O3）， 居里点在300℃以上， 性能稳定， 有较高的 介电常数和压电系数。
第 ５ 章
压电式传感器
（2） 当石英晶体受沿y轴方向的作用力时， 晶体沿该方向产生压缩变形， 正负离子的相对位置发生 变动， 如图5-5（c）所示。 此时， 两个三角形的重心不再重 合， 即正负电荷的重心不再重合， 在x轴的上方出现负电荷， 下方出现正电荷, 在y方向上不出现电荷。 （如果是受拉力作 用， 则出现的电荷极性方向相反， 即上方为正电荷， 下方为 负电荷。 ）
第 ５ 章
压电式传感器
图5-4 石英晶体受力方向与电荷极性的关系
第 ５ 章
压电式传感器
3. 石英晶体的压电效应特性与其内部的分子结构 石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。 图5-5是一 个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子， 在垂直于z轴 的xy平面上的投影， 等效为一个正六边形排列。 正负离子分 布于正六边形的顶点上， 形成三个互成120°夹角的电偶极矩， 三个正离子和三个负离子的中心连接分别组成一个正三角形， 此时， 两个正三角的重心重合， 即正负电荷的重心重合， 相 互平衡， 电偶极矩的矢量和为0， 整个晶体呈电中性， 如图 5-5（a）所示。
第 ５ 章
压电式传感器
图5-5
石英晶体压电效应示意图
(a) 未受力时； (b) 受沿x轴方向的力时； (c) 受沿y轴方向的力时
第 ５ 章
压电式传感器
（1） 当石英晶体受沿x轴方向的作用力时， 晶体沿该方向产生压缩变形， 正负离子的相对位置发生 变动， 如图5-5（b）所示。 此时， 两个三角形的重心不再重 合， 即正负电荷的重心不再重合， 在x轴的上方出现正电荷， 在y轴方向不出现电荷。 （如果是受拉力作用， 则出现的电荷 极性方向相反， 即上方为负电荷， 下方为正电荷。 ）
第 ５ 章
压电式传感器
这种现象称为压电效应。 当作用力方向改变时， 电荷的 极性也随之改变， 如图5-1所示。 有时人们把这种机械能转换 为电能的现象， 称为“正压电效应”（顺压电效应）。 相反， 当在电介质极化方向施加电场时， 这些电介质也会产生几何 变形， 当外电场撤去时， 这些变形也随之消失。 这种电能转 化为机械能的现象， 称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。
第 ５ 章
压电式传感器
5.2.3 新型压电材料 新型压电材料
1. 压电半导体材料 压电半导体材料有ZnO、 CdS、 CdTe等， 这种力敏器件 具有灵敏度高、 响应时间短等优点。
第 ５ 章
压电式传感器
2. 高分子压电材料 某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后， 具有一定的压电性能， 这类薄膜称为高分子压电薄膜。 目前 出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、 聚氟乙烯PVF、 聚氯乙 烯PVC等。 高分子压电材料是一种柔软的压电材料， 不易破 碎， 可以大量生产和制作较大的面积。
第 ５ 章
压电式传感器
（3） 电性能： 希望具有高的电阻率和大的介电常数， 以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。 （4） 环境适应性： 温度和湿度稳定性要好， 要求具有较 高的居里点， 获得较宽的工作温度范围。 （5） 时间稳定性： 压电特性不随时间退化。
第 ５ 章
压电式传感器
5.2.1 石英晶体
第 ５ 章
压电式传感器
图5-2 压电效应的可逆性
第 ５ 章
压电式传感器
5.1.2 石英晶体的压电效应
1. 石英晶体的压电效应 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体， 其化学式为SiO2， 是单晶体结构， 理想的形状为六角椎体， 如图5-3（a）所示。 石英晶体是各向异性材料， 不同晶向具有不同的物理特性， 可用x、 y、 z轴来描述。
第 ５ 章
压电式传感器
对于压电陶瓷， 通常取它的极化方向为z轴， 垂直于z轴 平面上的任何直线都可作为x轴或y轴， 这是和石英晶体的不 同之处。 当压电陶瓷在沿极化方向上受力时， 则在垂直于z轴 的上、 下两表面上将出现电荷， 如图5-7（a）所示。 垂直于z轴的上、 下两表面上的电荷量为 q=d33fz 式中, d33为压电陶瓷的纵向压电常数。 （5-4）
第 ５ 章
压电式传感器
图5-7 压电陶瓷的变形方式 （a） 纵向变形; （b） 横向变形; （c） 体积变形
第 ５ 章
压电式传感器
压电陶瓷在受到如图5-7（b）所示的作用力fy或沿x方向 的作用力fx时， 在垂直于z轴的上、 下平面上分别出现负、 正电荷， 其电荷量为
式中， Az为极化面面积； Ax、 Ay为受力面面积； d32、d31 为压电陶瓷的横向压电常数。
第 ５ 章
压电式传感器
图5-6 压电陶瓷的极化 (a) 未极化; (b) 电极化
第 ５ 章
压电式传感器
在陶瓷上施加外电场时， 电畴的极化方向发生转动， 趋 向于按外电场方向的排列， 从而使材料得到极化。 外电场愈 强， 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。 当外电场强 度大到使材料的极化达到饱和的程度， 即所有电畴极化方向 都整齐地与外电场方向一致时， 当外电场去掉后， 电畴的极 化方向基本不变化， 即剩余极化强度很大， 这时的材料才具 有压电特性, 如图5-6（b）所示。
第 ５ 章
压电式传感器
极化处理后， 陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化， 当 陶瓷材料受到外力作用时， 电畴的界限发生移动， 电畴发生 偏转， 从而引起剩余极化强度的变化， 因而在垂直于极化方 向的平面上将出现极化电荷的变化。 这种因受力而产生的由 机械效应转变为电效应， 将机械能转变为电能的现象， 就是 压电陶瓷的正压电效应。
第 ５ 章
压电式传感器
（2） 沿y轴方向施加作用力: 仍然在yOx平面上产生电荷， 但极性方向相反， 其大 小为 （5-3）
式中，d12为沿y方向受力的压电系数(石英轴对称d12=－d11); fy为y轴方向的作用力； a为切片的长度； b为切片的厚度。
第 ５ 章
压电式传感器
（3） 沿z轴方向施加作用力: 不会产生压电效应， 没有 电荷产生。 根据上述分析， 石英晶体切片上受力发生压电效应时， 所产生的电荷符号与受力方向的关系如图5-4所示。
石英是一种具有良好压电特性的压电晶体， 在几百摄氏 度的温度范围内， 其介电常数和压电系数几乎不随温度而变 化； 它有很大的机械强度和稳定的机械性能。 但是石英材 料价格昂贵， 且压电系数比压电陶瓷低很多， 因此一般仅用 于标准仪表或要求较高的传感器中。
第 ５ 章
压电式传感器
5.2.2 压电陶瓷 压电陶瓷
由物理学知道， 自然界的32种晶体点阵中， 有中心对 称和非对称两大类， 在非中心对称的21种晶体点阵中， 有 20种有压电效应， 这一现象是晶体缺乏中心对称引起的。 某些电介质， 当沿着一定方向对其施加力而使它变形时， 内部就产生极化现象， 同时在它的两个表面上便产生符号 相反的电荷， 当外力去掉后， 又重新恢复到不带电状态。
第 ５ 章
压电式传感器
2. 作用力和电荷的关系 压电方程是关于压电体中电位移、 电场强度、 受力之间 关系的方程组。 常表示为： 当压电元件受到外力f作用时， 在相应的表面产生表面电 荷q。 其关系为 q = dijf （5-1）
式中， d为压电系数， 其下标i=1, 2, 3， 表示晶体的极化方向； j=1, 2, 3, 4, 5, 6表示晶体的受力面。
第 ５ 章
压电式传感器
5.2 压 电 材 料
压电材料的主要特性参数如下： （1） 压电常数。 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参 数， 它直接关系到压电输出的灵敏度。 （2） 弹性常数。 压电材料的弹性常数、 刚度决定着压 电器件的固有频率和动态特性。
第 ５ 章
压电式传感器
（3） 介电常数。 对于一定形状、 尺寸的压电元件， 其 固有电容与介电常数有关； 而固有电容又影响着压电传感器 的频率下限。 （4） 机械耦合系数。 机械耦合系数的意义是在压电效应 中， 转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之 比的平方根， 这是衡量压电材料机械能-电能量转换效率的一 个重要参数。
第 ５ 章
压电式传感器
5.3 压电式传感器的等效电路
压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷 量的大小来反映的， 因此压电式传感器等效为一个电容器， 正、 负电荷聚集的两个表面相当于电容的两个极板， 极板间 物质相当于一种介质， 其电容量为
第 ５ 章
压电式传感器
第5章 压电式传感器
5.1 压电式传感器的原理 5.2 压电材料 5.3 压电式传感器的等效电路 5.4 压电式传感器的测量电路 5.5 压电式传感器的应用 本章小结 习题 实验、 实验、 实训建议