《常用传感器》课件.ppt

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；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 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。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,330mm):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: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：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，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；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,支持重物的梁发生弯曲变形,梁上的应变片阻值发生变化,通过测量其阻值就可测出加速度的大小.在重物和基体间形成有阻尼控制作用的间隙,利用间隙中流动气体的“气枕作用”,对高频成分(振动系共振频率)加以抑制.,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,电容式加速度传感器,本方式也是利用硅基片上的精细加工技术制造而成.可动电极由悬臂梁支承;可动电极产生位移时，和两个固定电极间的电容量会发生变化。可把电容量发生转换成输出电压的；也可采用静电伺服方式，虽然信号处理电路较为复杂，但精度较高。PWM(Pulse Width Modulation)脉宽调制静电伺服型加速度传感器,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,2.5.3 防撞气囊用冲撞传感器,防撞气囊的构成:传感器(检测冲撞);控制器(判断冲撞);冲气气囊(保护乘员)；气体发生器(产生气体)，见下图。,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,冲撞传感器(Crash Sensor)常见形式:,电容式整体式表面型模拟式压阻式半导体应变式金属应变式压电式弯曲式悬臂梁式剪切式圆板式硅半导体型的特点:利用半导体工艺进行大量生产,以降低成本；通过硅微加工技术,能实现小型化；传感部与放大电路能集成化；性能优秀、稳定，重复性好，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,电容式冲撞传感器,电极间的电容量取决于相互重叠的面积和间隙,若在两个电极间置入可动电极,就构成了差动式(一个容量增加;一个减小),能提高温度和机体变形的稳定性。测量方法:将两个电容容量差直接转换成电压输出；用容量差产生电压,将电压施加给梁,使梁处于电容平衡点,即伺服式。构造及工作原理兼作可动电极的惯性质量由两根梁支承,在外框上加工出单晶硅片(固定电极)。重物受到加速度作用时,梁会产生弯曲变形使容量发生变化,使用专用IC,测出容量变化,输出与加速度成比例的电压信号。,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,在质量为m的可动电极上施加加速度a时，位移x，如支承刚度为k，则有：x=ma/k如X与d相比很小，则有：:电介常数，S:可动电极面积由以上两式可知：容量变化量C和加速度a成正比。频率响应速度由表示惯性质量运动的方程式决定：其中,：空气隙的阻尼系数F：外部作用力阻尼系数=B/d3 B:电极常数，由Navier-stokes和连续方程式求得，:流体粘性系数。,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,惯性质量的设计,冲撞传感器的关键参数是灵敏度，欲增大C，就要加大面积S，减小气隙d，但气隙太小，阻尼系数增大，频率特性降低。可通过减小来减低。减小表面积可使常数B减小，但要牺牲灵敏度，为此，在可动电极表面开出空气槽。温度特性分析温度变化时，会产生变形，气隙也会变化，改变电容量大小，但差动式的对称结构使C的变化却很小，即不容易受温度等的影响。,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,应变式冲撞传感器,硅压阻式应变片具有灵敏度高的特点。且：可应用原半导体压力传感器的知识和技术；信号处理简单，直接输出电信号，抗干扰制造和IC相似，便于与处理电路集成。构造：为了将加速度产生的惯性力转换成应变，在硅片上整体形成悬臂支承的惯性质量，并在悬臂上扩散四只应变片。,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,工作原理：施加加速度a时，应变片部分的应力x表示为：则输出电压：传感器灵敏度由各种参数决定,特别是应变部位厚度h2.如有阻尼油时有：频率特性:由振动系统的共振频率fn和阻尼系数决定:=/2(mk)1/2，fn=(mk)1/2/2信号处理电路：传感器与信号处理电路封装在一起，由于压阻系数的温度特性，灵敏度具有负的温度特性，需要在信号处理电路内加以修正。另备有自诊断电路，故障发生时，能自动诊断并表示出来。,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,压电式冲撞传感器,若作用在压电晶体上的力为F,则产生的电荷:Q=dF(d为压电变形系数)，如压电元件的电容量为C，则输出电压:V=Q/C=dF/C=gF/C压电式和其他方式一样使用Seism系统，它的输出是压电元件质量的运动而产生的，和作用力成正比，也和加速度成正比。根据向压电元件施加力的方法不同，有：压缩型(利用纵向应力):将压电晶体置于机体和重物之间,机械强度大,适用于大加速度、冲击测量。但瞬时的温度变化会引起输出变化,不能测量微小信号。剪切型(利用剪切效应)：压电晶体置于悬臂重物和机,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,座之间,灵敏度高,漂移小,应用较多。弯曲型(利用横向效应):压电晶体置于弯曲梁上,灵敏度高,可测微小振动,但结构复杂,成本较高。电路组成：阻抗变换电路;温度补偿电路;滤波电路;放大电路;自诊断电路.,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,压电式冲撞传感器电路原理框图,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,2.6 气体传感器,2.6.1 概要检测发动机燃烧废气中的氧气(O2)、碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)等未燃成分。通过测量空燃比对燃料喷射量进行补偿。主要有：开关型的氧传感器；线性输出的空燃比传感器。气体排气成分 氧传感器 浓差型电池传感器传感器 空燃比 氧化物半导体型其它成分传感器2.6.2 浓差电池型氧传感器(EGO:Exhaust Gas Oxygen Sensor):用排气中的氧浓度差而产生电位作为输出电压，排气侧由具有催化功能的铂金电极用多孔性陶瓷保护膜覆盖而成，在过浓区域电极周围的氧用于氧化，比基准侧大气中的氧浓度稀薄近20位，输出1V；稀区输出0.1V,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,工作原理用 Y2O3在高温中部分稳定化烧结而成的ZrO2是能传递氧离子的固体电解质,如加入铂金形成多孔性电极的话,与电极间氧气分压比成对数关系的浓差电势:E=(RT/4F)ln(Pa/Pd)在650,大气中氧气的浓度为基准值0.209,排气电极周围氧气的浓度为2.091011时,电池输出为0.458V.构造及材料主要由ZrO2浓差电池、加热电极、保护管、引线和插件组成。浓差电池起动迟缓，需控制加热。规格和性能,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,氧传感器性能参数,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,2.6.3 氧化物半导体型氧传感器,不需要引入大气，可降低成本；敏感元件小型化使起动性加快。现用材料：TiO2；正在开发的材料：Nb2O5。工作原理：将氧化物半导体置于高温环境中,为使和周围空气中的氧浓度保持平衡,会放出晶格中的氧,同时放出了氧的空穴随时会夺回氧.当周围氧浓度较高时,空穴少,阻抗高;当氧浓度较低时,空穴增加使阻抗减小;用具有催化作用的铂金来作测量电极,就构成了阻抗能随氧浓度突变的传感器。TiO2的温度特性:温度增加100,阻抗减小到1/51/3.与氧的分压关系:氧分压减少4位，阻抗约减少1位。,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,输出函数：T：绝对温度(K);k:波尔兹曼常数(1.380210-16erg/deg)结构：不需要参考气体，测量部分小，容易作成防水结构，气敏元件、加热器、分压电阻作在一块基板上。性能：TiO2对温度很敏感,易受排气温度的影响,因此,气敏元件和加热器作在一块基板上,使加热速度提高,从ZrO2 的35s预热时间下降到10s。,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,2.6.4 管状空燃比传感器(Air-Fuel Ratio Sensor),名称来源于“为了线性控制空燃比的传感器”,但实际检测的对象是燃烧废气中所含的残留氧气,CO,HC等未燃成分,叫做“排气中氧和未燃成分线性传感器”比较准确,也有叫“Mixture Sensor”,“Universal EGO Sensor”,“Linear Oxygen Sensor,”etc.空燃比传感器被有的试验车采用,但目前还未批量生产,这里只介绍“单电池的管式”和“双电池的叠层式”工作原理：在浓差电池电路中,由Kirchhoff电流定律可得:E0=IP(Ri+R)+V0+E其中,E:浓差电池电动势;E0:预加电压;V0:固定偏置电压;R:测量扩散速度电流IP的外接电阻;Ri:极间电阻.,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,在限制扩散速度的多孔膜内外氧气分压保持一定时,如用单一通孔等价代换多孔膜内的连通通道,则可由气体分子扩散的热力学运动方程式得到流过多孔膜气体的双向流量:IP=4FDs(Pe-Pd)/RTl其中,IP:排气中的离子电流(mA);D:扩散系数(Diffusion Coefficient);s/l:等价单一通道面积s与长度l之比;Pe:排气中的氧分压;Pd:被扩散膜所覆盖的排气电极周围的氧分压.管状空燃比传感器将大气作为基准气体引入管内侧,待测气体配置在管外侧,一个电池既是基准电池又是测量电池.为此,方程式中具体的控制内容有:,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,E恒定控制:要使浓差电池的电动势保持恒定,必须使两电极间的氧分压比Pa/Pd保持不变,为此,采用双向流动的氧离子电流,根据Pa=2.09X10-1对Pd进行反馈控制使其为2.09X10-10.Ri恒定控制:为了稳定浓差电池的工作温度(t=650+273K)，用压降法求得和温度相关的极间电阻(Ri=20)，对加热器的通电时间进行反馈控制。IP线性控制:浓差电池氧离子电流和极间电压Vs的关系如图所示，为使IP从浓到稀和空燃比均为线性，对极间电压进行程序控制。结构及材料：传感器的结构：与氧传感器基本相同，不同点;多孔膜(500m50m);工作温度(400650).,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,传感器的驱动及信号处理：差动输入电压Vr=浓差电池极间电压Vs;同向输入电压V0+极间电压Vs=输出电匋E0,因此,R上的压降IP R就代表了空燃比信号。在稀区(Lean),Vs=Vr=E+Ri IP,则输出电压:E0=E+V0+(Ri+R)IP在浓区(Rich),Vs=Vr=E-Ri IP,则输出电压:E0=E+V0-(Ri+R)IP在理论空燃比点,IP=0,Vs=Vr=E,E0=E+V0可用微机来作驱动信号处理,浓差电池离子电流用桥式电路驱动,使E保持恒定,将IP作为输出信号.性能:IP-空燃比特性,由于稀区是氧扩散、浓区是未燃成分扩散，所以为斜率不同的曲线，一般为四次多项式。IP函数可通过线性控制或查表法等进行线性处理。,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,阶跃响应速度取决于置换扩散膜和排气电极所形成空间的气体响应，该传感器增加减少的时间常数200ms。起动时间是从20到浓差电池功能正常的时间，氧传感器仅到300,需要10s,而空燃比传感器要升到650,则需35s.耐热、振动、腐蚀、水等方面的性能和氧传感器基本一致。但扩散膜表面污损和热冲击易使扩散系数变化、以理论空燃比点为中心的IP会随时间而改变。课题：扩散系数的初期分散和随时间的漂移，解决办法之一是“大气校正(Calibration)”:汽车减速时要减少燃料供应,这时大气经过安装空燃比传感器的安装部位,把该大气的氧浓度看作基准浓度2.09vol%,并和原先读入的最新值比较,将得到的变化率和其后的测量值作乘法运算进行修正.,重庆大学机械工程学院汽车系张伟,汽车电子控制技术,2.6.5 积层空燃比传感器,构造:新开发的积层空燃比传感器有大气导入型和定氧抽出型,除基准氧分压的形成方法以外的基本工作原理、构造、材料均相同。限速扩散方法不是积层状的热裂纹,而是多孔膜;加热器不是直接贴在浓差电池上,而是分离结构;管式继承了火花塞制造技术,它则借厚膜工艺,实现小型化,以缩短加热时间。性能：限速扩散而流动的全体会受到扩散膜温度和排气压力的影响,多孔膜的气孔直径若比氧的平均自由运动空间大时,分子扩散时会发生撞击;相反,分子则和孔壁撞击,按Knudsen方式扩散.两种扩散速度不同,多孔膜扩散间于二者之间。通过优化可减小温度的影响。,