第四章 汽车测试技术

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4. 1 传感器的分类
• 电荷式传感器等，不需要外电源;无源传感器不起能量转换作用，只 是将被测非电量转换为电参量的变化，如电阻应变片式传感器、电感 式传感器及电容式传感器等，需要外电源。 • 有时人们常把被测参数和变换原理结合起来称为传感器，如电阻式 压力传感器、电容式液位传感器、压电式加速度传感器等。 • 本章即将介绍的传感器见表4一1。 • 汽车上使用的各种传感器按其功能可分为两类，一类是使驾驶员了 解汽车各部分状态的传感器，另一类是用于控制汽车运行状态的传感 器。汽车上使用的传感器种类见表4一2。
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4. 1 传感器的分类
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汽车上使用的传感器种类较多，分类方法也不完全相同，一种物理 量可用多种类型传感器来测量，而同一种传感器也可以测量多种物理 量。为了对传感器有一个概括认识，进行适当分类是十分必要的。 • 传感器的分类方法主要有以下几种。 • 1.根据被测物理量分类 • 根据被测物理量，传感器可分为位移传感器、角位移传感器、速度 传感器、角速度传感器、压力传感器、力传感器、力矩传感器、振动 传感器、电流传感器、温度传感器、流量传感器、磁敏传感器、气敏 传感器及浓度传感器等。
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4. 2 电阻应变片式传感器
• (1)金属丝式应变片 • 金属丝式电阻应变片分为圆角线栅式和直角线栅式两种。图4一2 ( a)所示为圆角线栅式电阻应变片，是最常见的形式，它制造容易、 成本低，但横向效应较直角线栅式电阻应变片大，见图4一2(b) • (2)金属箔式应变片 • 金属箔式应变片的工作原理与金属丝式应变片相同。它的敏感元件 不是金属丝栅，而是将厚度为0.001~0. 010 mm的康铜箔或镍铬箔， 利用现代照相制版、光刻腐蚀技术，在绝缘基底上制成很薄的金属箔 栅。箔式应变片的结构如图4一3所示。图4一3 ( a)是普通的箔式应变 片;图4一3(b)是用来测量剪应变或转矩的箔式应变片;图4一3()c是用 来测量流体压力的液压传感器膜片上的特种箔式应变片，其线栅形状
路参量，基本转换电路把转换元件的输出转换成电量输出。
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第4章 常用的传感器
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传感器的输出电量必须与被测量有单值函数关系，并尽可能为线性 关系。不仅要求传感器具有较高的精度和灵敏度，理想化的稳定性和 动态特性，而且要求结构简单、经久耐用及密封防潮，具有一定的抗 振性能和对环境有较强的适应性。传感器处于测试系统的输入端，其 性能直接影响着整个测试系统的性能。 • 现代高级轿车的电子控制系统的关键就在于采用传感器的数量和水 平。日前一辆普通家用轿车上大约安装几十到近百只传感器，而豪华 轿车上的传感器数量可多达200余只，种类达到30余种，多则达到上 百种。本章主要介绍汽车上常用的传感器工作原理、特性和应用情况。
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4. 2 电阻应变片式传感器
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上式表明，电阻丝电阻的相对变化率与其应变成正比，且呈线性关 系，用无量纲因子表征其特性为
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一般的，S也称之为电阻应变片灵敏度系数。用于制造电阻应变片的 电阻丝的灵敏度系数多在1. 7~3. 6之间 • 相应的，式(4一4)可以改写为
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第4章 常用的传感器
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传感器是一种转换装置，是以一定精度将被测的物理量转换为与之 相对应的，容易检测、传输或处理的信号的装置。它是实现测试与自 动控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的 测量，那么，无论是信号转换或信息处理，或者最佳数据的显示和控 制都将无法实现 • 传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机 技术、通信技术和传感器技术。计算机和通信技术发展极快，相当成 熟，从事这方血工作的工程技术人员也非常多。深入研究传感器的类 型、原理和应用，研究开发新型传感器对于科学技术、生产过程中的 自动控制和智能化发展，以及不断提高人类认识自然都具有重要的现 实意义。为了适应现代科学技术的发展，世界许多国家都把传感器技 术列为现代的关键技术之一。
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4. 2 电阻应变片式传感器
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电阻应变片式传感器简称电阻片或应变片。它是一种将应变转换成 电阻变化的元件，进而通过电路转变成电压或电流信号输出的一类传 感器。应变片可以测量能转换为应变的相应变化的任何物理量，如力、 转矩、加速度等。它结构简单，性能稳定，成本低廉，所以在测试中 应用非常广泛。 • 1.金属应变片工作原理 • 电阻应变片的敏感元件是电阻丝，其结构如图4一1所示。栅状的 电阻丝粘贴在很薄的弹性绝缘基底和覆盖层之间，在线栅的两端焊上 外接引出线，由引出线接后续电路. • 应变片敏感元件(线栅)的材料主要有铜镍合金、镍铬合金、铁铬铝合 金、康铜等。康铜的灵敏度系数比较稳定，电阻系数高，电阻温度系 数较低，易于加工，价格也较低廉，因而获得广泛应用。
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4. 1 传感器的分类
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传感器把被测量参数的信息作为输入参数(如温度、力、位移)转换成 电信号输出，一般称为一次变换，有的也称传感器为一次仪表。 • 传感器输出的电信号有电阻、电容、电感、电压、电流、频率的变 化。除频率外，其他都是模拟量，输出的电信号较微弱，如电压信号 为mV级，电流信号为uA , mA级 • 传感器输出的微弱信号常与噪声混合在一起，需要通过专门的电子 电路对其进行“加工处理”，如将微弱的信号给予放大，用滤波器将 无用的干扰信号滤掉，将非线性的特性曲线线性化。这种信号变换， 一般称为二次变换，完成二次变换的电路，称为测量电路，也称为调 理电路。完成这些电路功能的仪表，称为测量仪表或二次仪表。这些 将在以后的章节中介绍。
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4. 2 电阻应变片式传感器
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当电阻丝发生变形时，其长度l,截血积A都发生变化，电阻率P也会 由于晶格的变化而有所改变。电阻R的增量为
• 电阻的相对变化为
• 式中dl/l=ξ—电阻丝纵向应变，或称轴向相对变形; • drlr—电阻丝的横向应变，或称径向相对变形(drlr=ξ’，根据材料 力学可知，ξ和ξ’之间的关系为drlr=-υdl/l,u为电阻丝材料的泊松比);
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4. 2 电阻应变片式传感器
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使用时，将应变片用钻结剂粘贴在被测试件表血，在载荷或在外界 因素作用下试件发生变形时，电阻丝随试件一起变形，电阻值发生变 化，由此将被测量转换为电阻值的变化，所以可通过应变片电阻的大 小来检测载荷的大小。 • 由欧姆定律，电阻丝的电阻为
• 式中P—电阻率，Ω.mm2/m; • l—电阻丝长度，m; • A—电阻丝横截血积(导体截血积为圆形时，A=πr2，mm2； • r---电阻丝的半径，mm；
4. 2 电阻应变片式传感器
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敏感元件为半导体的应变片称为半导体应变片。半导体应变片由于 电阻率变化引起的λEξ远远大于几何尺寸变化引起的(1 + 2υ)二项，故 (4-3)可简化为
• 半导体应变片的灵敏度为 • 半导体应变片一般比金属丝电阻应变片的灵敏度大50 ~70倍。 • 以上分析表明，金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻的变化，而 半导体应变片则利用半导体电阻率变化引起电阻的变化
第4章 常用的传感器
• • • • • • • • 4. 1 传感器的分类 4. 2 电阻应变片式传感器 4. 3 电感式传感器 4. 4 电容式传感器 4.5 压电式传感器 4.6 磁电式传感器 4. 7 霍尔式传感器 4. 8 光电式传感器
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第4章 常用的传感器
• • • • • • 4. 9 热敏传感器 4. 10 光纤传感器 4. 11 超声波传感器 4. 12 传感器的发展方向 4. 13 传感器的选用原则 思考题
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4. 2 电阻应变片式传感器
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• • • • • • 例4一1有一电阻应变片如题图，其灵敏度S =2,R =120 Ω ,设工作时 其应变为1 00μξ(μξ为微应变，10-6 )，试求△R=?若接成如题图所示 的电路，试分析这个电阻的变动量能否从表中读出。 解:因为 所以△R=RxSxξ=120x2x1000x10-6= 0. 24Ω 无应变时电流为I1=1.5/120=0.0125(A); 有应变时电流为I2=1.5/(120+0.24)=0.012475(A). 由于产生的应变，电流的变化为△I = 0. 000 025 A = 0. 025 mA 这个电流的变化，小于电流表的分辨率，因此不能读出这个变量
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4. 2 电阻应变片式传感器
• 与膜片上的应力分布特点相适应。金属箔应变片由于它的表血积大， 散热性好，允许通过较大电流，横向灵敏度小，阻值一致性好，并可 制成基长很短或任意形状，便于大量生产，因此日前使用的多为金属 箔式应变片。 • (3)半导体应变片 • 半导体应变片是指用半导体作为敏感栅材料的应变片。半导体应变 片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指单晶 半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率P发生变化的现 象 • 半导体应变片最简单的典型结构如图4 -4所示。半导体应变片的使 用方法与金属电阻应变片相同，即粘贴在弹性元件或被测物体上，其 电阻随被测试件产生应变而发生相应变化。
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4. 2 电阻应变片式传感器
• 基底的作用是保持金属线栅的几何形状，并保证线栅与被测试件之间 的电绝缘。基底材料有薄纸和有机聚合物两种，并相应的被称为纸基 和胶基应变片。纸基应变片制造简单，价格便宜，易于粘贴，固化快， 但耐热性和耐潮性不好，一般多在室内短期试验中使用，适用温度在 70℃以下。胶基应变片使用温度可提高，绝缘性好，耐潮性好，蠕变 和滞后都很小。 • 引出线的作用是把应变片的线栅连接到测量电路，一般多用直径为 0. 15 ~0. 30 mm的镀锡软铜线。 • 导体在外力作用下产生机械变形时，它的电阻值也相应的发生变化， 这一物理现象称为电阻应变效应。
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4. 2 电阻应变片式传感器
• 2.应变片的主要参数 • ①几何参数:基长l和丝栅宽度b，制造厂常用b xl表示，如图4一2(a) 所示。 • ②电阻值:应变片的原始电阻值。 • ③灵敏度系数:表示应变片变换性能的重要参数 • ④其他表示应变片性能的参数:工作温度、滞后、蠕变、零漂、疲劳 寿命以及横向灵敏度等。 • 3.应变片的种类和结构 • 应变片主要分为金属电阻应变片和半导体应变片两类。常用的金属 电阻应变片有丝式、箔式和薄膜式三种，下血介绍几种常见的应变片。
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4. 2 电阻应变片式传感器
电阻率的相对变化，与电阻丝轴向所受正应力有关其 中，λ为与材料有关的压阻系数，E为电阻丝材料 的弹性模量). • 将以上关系式代入式(4一2)得
• 上式中，(1+2μ)二项是由电阻丝几何尺寸改变所引起的，对于同一种 材料，(1+2μ)是常数;λEξ二项是由于电阻丝的电阻率随应变的变化引 起的，对于金属丝来讲，λE很小，可以忽略不计。这样，式(4一3)可 简化为
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第4章 常用的传感器
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国际电工委员会(IEC : International Electrotechnical Committee) 的定义为:“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换 成可供测量的信号。”目前，一般对传感器的理解往往是指非电量与 电量的转换，即传感器是将被测的非电量(如压力、力矩、应变、位 移、速度、加速度、温度、流量、转速等)转换成与之对应的、易于 处理和传输的电量(如电流、电压)或电参量(如电阻、电感、电容、电 荷等)。传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。敏 感元件是传感器的核心，直接感受被测物理量，并输出与被测量成确 定关系的某一物理量的元件，转换元件则把敏感元件的输出转换成电
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4. 1 传感器的分类
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• 2.根据工作原理分类 根据工作原理，传感器可分为电阻式传感器、电容式传感器、电感 式传感器、压电式传感器、光电式传感器、热电式传感器、光纤传感 器、超声波传感器及激光传感器等。 3.根据输出信号的性质分类 根据输出信号的性质，传感器可分为模拟式传感器和数字式传感器， 模拟式传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号，数字式传感器 将被测量的非电量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。 4.根据能量转换原理分类 根据能量转换原理，传感器可分为有源传感器和无源传感器。有源 传感器将非电量转换为电能量，如压电式传感器、电磁式传感器、