常用传感器
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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
常用温度传感器的特征
原 理 种类 铂 Pt 热电阻 半导体 R(PR) K(CA) 热 电 E(CRC) 偶 J(IC) T(CC)
汽车电子控制技术
使用范围℃ -260~+630 -50 ~+350 0~+1600 -200~+1200 -200~+800 -200~+800 -200~+350
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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μv/ ℃)，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： ⑴将基准点放置在冰点槽中；⑵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：⑴保护管(不锈钢,3~30mm):强度高、耐热、耐腐蚀； ⑵铠装(金属管,0.2,0.5~8mm):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。
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特点:①选择扩散位置可制出电桥其他臂;②灵敏度高 (为金属应变片的几十~几百倍);③一致性好,无需粘接, 无畸变、滞后;④温度变化对压阻系数影响大,需补偿； ⑤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σr切向σt的合成,在微 小范围内变形与应力可视为线性: σr，σt＝k·ΔP (其中, k:膜片的压力应变系数;ΔP:压差) 如按图(a)那样布置,应变电阻会受到二个方向应力σ 和 σ 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：
制造过程:
⑴将n型硅片的两面加工成镜面； ⑵扩散形成应变电阻和电子元件； ⑶蒸着形成电极； ⑷内面加工出凹形截面形成膜片； ⑸固定到与硅的热膨胀系数接近的玻璃等基体上 ⑹装入外壳中、连出引线、充填硅胶
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2.3.2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μ到几十μ之间，形成差动电容。 电容量变化和电极间隙：如果膜片有微小变形w,有： w=k•Δp 其中，k:膜片的压力变形系数， Δp:压差
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2.3 压力传感器
基本构成：⑴变形部分(压力→应变); ⑵变换部分(应变→电信号); ⑶信号处理部分(信号放大和调整). 检测原理:⑴物性型(压阻效应); ⑵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值.
Coefficient thermister)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。
6 5 4
CTR
PTC
NTC1
R=Roexp[B(1/T-1/T0] 其中，B：热敏系数， 一般2000~6000K
3 2 1
NTC2
0
100 温度t[℃]
200
常见热敏电阻的温度特性
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℃)
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㈡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 电阻R[lgΩ ]
r t
源自文库汽车电子控制技术
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ΔRr / Rr≈πl σr+ πtσt ΔRt/ Rt≈πl σt+ πtσr 其中, Rr, Rt:应力为零时径向和切向应变电阻的阻值 ΔRr, ΔRt:应力作用后径向和切向应变电阻的阻值变化量 πl, πt:纵向和横向压阻系数(l:longitudinal,t:transverse) πl>0, πt<0 接成桥式电路时的输出电压: e=(Rr- Rt)E/(Rr+ Rt)≈k πl Δp
测量范围℃ -260~+630 -50~+350 0~+1544 -180~+1000 -180~+700 -180~+600 -180~+300
精度℃ 线性 响应 价格 0.01~5 好 一般 高 0.3~5 不好 快 较低 0.5~5 一般 快 高 2~10 好 快 一般 3~5 好 快 一般 3~10 好 快 一般 2~5 好 快 一般
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2.2.1 热电阻
对传感器材料的要求：
⑴温度系数大，线性好； ⑵性能稳定； ⑶使用温度范围宽； ⑷系数设置方便； ⑸线材加工方便。 最合适的材料：铂(Pt)、铜(Cu) ㈠铂电阻：Rt=R0(1+At+Bt² ) (0~630 ℃) A 0.3974973 102[1/ C], B 0.58973 106[1/ C 2 ] R100/R0=1.3916 铂电阻主要规格如下：
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2.2 温度传感器
常用温度传感器的特征
原 理 种类 铂 Pt 热电阻 半导体 R(PR) K(CA) 热 电 E(CRC) 偶 J(IC) T(CC)
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使用范围℃ -260~+630 -50 ~+350 0~+1600 -200~+1200 -200~+800 -200~+800 -200~+350
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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μv/ ℃)，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： ⑴将基准点放置在冰点槽中；⑵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：⑴保护管(不锈钢,3~30mm):强度高、耐热、耐腐蚀； ⑵铠装(金属管,0.2,0.5~8mm):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。
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特点:①选择扩散位置可制出电桥其他臂;②灵敏度高 (为金属应变片的几十~几百倍);③一致性好,无需粘接, 无畸变、滞后;④温度变化对压阻系数影响大,需补偿； ⑤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σr切向σt的合成,在微 小范围内变形与应力可视为线性: σr，σt＝k·ΔP (其中, k:膜片的压力应变系数;ΔP:压差) 如按图(a)那样布置,应变电阻会受到二个方向应力σ 和 σ 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：
制造过程:
⑴将n型硅片的两面加工成镜面； ⑵扩散形成应变电阻和电子元件； ⑶蒸着形成电极； ⑷内面加工出凹形截面形成膜片； ⑸固定到与硅的热膨胀系数接近的玻璃等基体上 ⑹装入外壳中、连出引线、充填硅胶
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2.3.2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μ到几十μ之间，形成差动电容。 电容量变化和电极间隙：如果膜片有微小变形w,有： w=k•Δp 其中，k:膜片的压力变形系数， Δp:压差
汽车电子控制技术
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2.3 压力传感器
基本构成：⑴变形部分(压力→应变); ⑵变换部分(应变→电信号); ⑶信号处理部分(信号放大和调整). 检测原理:⑴物性型(压阻效应); ⑵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值.
Coefficient thermister)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。
6 5 4
CTR
PTC
NTC1
R=Roexp[B(1/T-1/T0] 其中，B：热敏系数， 一般2000~6000K
3 2 1
NTC2
0
100 温度t[℃]
200
常见热敏电阻的温度特性
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℃)
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㈡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 电阻R[lgΩ ]
r t
源自文库汽车电子控制技术
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ΔRr / Rr≈πl σr+ πtσt ΔRt/ Rt≈πl σt+ πtσr 其中, Rr, Rt:应力为零时径向和切向应变电阻的阻值 ΔRr, ΔRt:应力作用后径向和切向应变电阻的阻值变化量 πl, πt:纵向和横向压阻系数(l:longitudinal,t:transverse) πl>0, πt<0 接成桥式电路时的输出电压: e=(Rr- Rt)E/(Rr+ Rt)≈k πl Δp
测量范围℃ -260~+630 -50~+350 0~+1544 -180~+1000 -180~+700 -180~+600 -180~+300
精度℃ 线性 响应 价格 0.01~5 好 一般 高 0.3~5 不好 快 较低 0.5~5 一般 快 高 2~10 好 快 一般 3~5 好 快 一般 3~10 好 快 一般 2~5 好 快 一般
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2.2.1 热电阻
对传感器材料的要求：
⑴温度系数大，线性好； ⑵性能稳定； ⑶使用温度范围宽； ⑷系数设置方便； ⑸线材加工方便。 最合适的材料：铂(Pt)、铜(Cu) ㈠铂电阻：Rt=R0(1+At+Bt² ) (0~630 ℃) A 0.3974973 102[1/ C], B 0.58973 106[1/ C 2 ] R100/R0=1.3916 铂电阻主要规格如下：