常用传感器工作机理.docx

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常用传感器工作机理

常用传感器工作机理

一）磁电效应

根据法拉第电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动，切割磁力线（或线圈所在磁场的磁通变化）时，线圈中所产生的感应电动势的大小取决于穿过线圈的磁通的变化率，

直线移动式磁电传感器

直线移动式磁电传感器由永久磁铁、线圈和传感器壳体等组成

当壳体随被测振动体一起振动且在振动频率远大于传感器的固有频率时，由于弹簧较软，运动件质量相对较大，运动件来不及随振动体一起振动（静止不动）。

此时，磁铁与线圈之间的相对运动速度接近振动体的振动速度。

转动式磁电传感器

软铁、线圈和永久磁铁固定不动。

由导磁材料制成的测量齿轮安装在被测旋转体上，每转过一个齿，测量齿轮与软

铁之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也变化一次。

线圈中感应电动势的变化频率（脉冲数）等于测量齿轮上的齿数和转速的乘积。

二）霍耳式传感器

1．霍耳效应

半导体或金属薄片置于磁场中，当有电流（与磁场垂直的薄片平面方向）流过时，在垂直于磁场和电流的方向上产生电动势，这种现象称为霍耳效应。

2．霍耳元件

目前常用的霍耳材料锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等。

N型锗容易加工制造，霍耳系数、温度性能、线性度较好；P型硅的线性度最好，霍耳系数、温度性能同N型锗，但电子迁移率较低，带负载能力较差，通常不作单个霍耳元件。

三）压电式传感器

1．压电效应

对某些电介质沿着一定方向加力而使其变形时，在一定表面上产生电荷，当外力撤除后，又恢复到不带电状态，这种现象称为正压电效应。

在电介质的极化方向施加电场，电介质会在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外电场去除后，变形或应力随之消失，此现象称为逆压电效应。

2．压电元件

压电式传感器是物性型的、发电式传感器。

常用的压电材料有石英晶体（SiO2）和人工合成的压电陶瓷。

压电陶瓷的压电常数是石英晶体的几倍，灵敏度较高。

四）光电式传感器

1．光电效应

当光线照射物体时，可看作一串具有能量E的光子轰击物体，如果光子的能量足够大，物质内部电子吸收光子能量后，摆脱内部力的约束，发生相应电效应的物理现象，称为光电效应。

1）在光线作用下，电子逸出物体表面的现象，称为外光电效应，如光电管、光电倍增管等。

2）在光线作用下，物体的电阻率改变的现象，称为内光电效应，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。

3）在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象，称为光生伏特现象，如光电池（属于对感光面入射光点位置敏感的器件）等。

2．光敏电阻

光敏电阻受到光线照射时，电子迁移，产生电子—空穴对，使电阻率变小。

光照越强，阻值越低。

入射光线消失，电子—空穴对恢复，电阻值逐渐恢复原值。

3．光敏管

光敏管（光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等）属于半导体器件。

4．电致发光

固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光。

电致发光是将电能直接转换成光能的过程。

发光二极管（LED）是以特殊材料掺杂制成的半导体电致发光器件。

当其PN结正向偏置时，由于电子—空穴复合时产生过剩能量，该能量以光子形式放出而发光。

五）热电式传感器

1．热电效应

将两种不同性质的金属导体A、B接成一个闭合回路，如果两接合点温度不相等（T0≠T），则在两导体间产生电动势，并且回路中有一定大小的电流存在，此现象称为热电效应。

2．热电阻传感器

热电阻材料通常为纯金属，广泛使用的是铂、铜、镍、铁等

3．热敏电阻传感器

热敏电阻用半导体制成，与金属热电阻相比有以下特点：

1）电阻温度系数大，灵敏度高；

2）结构简单，体积小，易于点测量；

3）电阻率高，且适合动态测量；

4）阻值与温度变化的关系是非线性的；

5）稳定性较差。

【详细介绍】

现代汽车技术发展特征之一就是越来越多的部件采用电子控制。

例如电控喷油喷射、废气排放、刹车防抱死系统、自动空调、大灯亮度控制、驾驶座位自动调整、转向控制、电控悬挂，等等。

电子自动控制的工作要依赖传感器的信息反缋。

据统计，目前一般轿车上大约有几十只传感器，高级轿车有100多个传感器，预计到2005年，全球的车用传感器需求量将达到12.7亿只。

根据传感器的作用，可以分类为测量温度、压力、流量、位置、气体浓度、速度、光亮度、干湿度、距离等功能的传感器，它们各司其职，一旦某个传感器失灵，对应的装置工作就会不正常甚至不工作。

因此，传感器在汽车上的作用是很重要的。

汽车传感器过去单纯用于发动机上，现在巳扩展到底盘、车身和灯光电气系统上了。

这些系统采用的传感器有100多种。

在种类繁多的传感器中，常见的有∶

1、用在电控喷油喷射发动机上的传感器

进气压力传感器：

反映进气歧管内的绝对压力大小的变化，是向ECU（发动机电控单元）提供计算喷油持续时间的

基准信号；

空气流量传感器：

测量发动机吸入的空气量，提供给ECU作为喷油时间的基准信号；

节气门位置传感器：

测量节气门打开的角度，提供给ECU作为断油、控制燃油/空气比、点火提前角修正的基准信号；

曲轴角度传感器：

检测曲轴及发动机转速，提供给ECU作为确定点火正时及工作顺序的基准信号；

氧传感器：

检测排气中的氧浓度，提供给ECU作为控制燃油/空气比在最佳值（理论值）附近的的基准信号；

进气温度传感器：

检测进气温度，提供给ECU作为计算空气密度的依据；

水温传感器：

检测冷却液的温度，向ECU提供发动机温度信息；

爆燃传感器：

安装在缸体上专门检测发动机的爆燃状况，提供给ECU根据信号调整点火提前角。

2、用在底盘控制方面的传感器

这些传感器主要应用在变速器、方向器、悬架和ABS上。

变速器：

有车速传感器、温度传感器、轴转速传感器、压力传感器等，方向器有转角传感器、转矩传感器、液压传感器；

悬架：

有车速传感器、加速度传感器、车身高度传感器、侧倾角传感器、转角传感器等；

下面我们来认识一下汽车上的主要传感器。

空气流量传感器

空气流量传感器是将吸入的空气转换成电信号送至电控单元（ECU），作为决定喷油的基本信号之一。

根据测量原理不同，可以分为旋转翼片式空气流量传感器（丰田PREVIA旅行车）、卡门涡游式空气流量传感器（丰田凌志LS400轿车）、热线式空气流量传感器（日产千里马车用VG30E发动机和国产天津三峰客车TJ6481AQ4装用的沃尔沃B230F发动机）和热膜式空气流量传感器四种型式。

前两者为体积流量型，后两者为质量流量型。

目前主要采用热线式空气流量传感器和热膜式空气流量传感器两种。

进气压力传感器

进气压力传感器可以根据发动机的负荷状态测出进气歧管内的绝对压力，并转换成电信号和转速信号一起送入计算机，作为决定喷油器基本喷油量的依据。

国产奥迪100型轿车（V6发动机）、桑塔纳2000型轿车、北京切诺基（25L发动机）、丰田皇冠3．0轿车等均采用这种压力传感器。

目前广泛采用的是半导体压敏电阻式进气压力传感器。

节气门位置传感器

节气门位置传感器安装在节气门上，用来检测节气门的开度。

它通过杠杆机构与节气门联动，进而反映发动机的不同工况。

此传感器可把发动机的不同工况检测后输入电控单

元（ECU），从而控制不同的喷油量。

它有三种型式：

开关触点式节气门位置传感器（桑塔纳2000型轿车和天津三峰客车）、线性可变电阻式节气门位置传感器（北京切诺基）、综合型节气门位置传感器（国产奥迪100型V6发动机）。

曲轴位置传感器

也称曲轴转角传感器，是计算机控制的点火系统中最重要的传感器，其作用是检测上止点信号、曲轴转角信号和发动机转速信号，并将其输入计算机，从而使计算机能按气缸的点火顺序发出最佳点火时刻指令。

曲轴位置传感器有三种型式：

电磁脉冲式曲轴位置传感器、霍尔效应式曲轴位置传感器（桑塔纳2000型轿车和北京切诺基）、光电效应式曲轴位置传感器。

曲轴位置传感器型式不同，其控制方式和控制精度也不同。

曲轴位置传感器一般安装于曲轴皮带轮或链轮侧面，有的安装于凸轮轴前端，也有的安装于分电器（桑塔纳2000型轿车）。

爆震传感器

爆震传感器安装在发动机的缸体上，随时监测发动机的爆震情况。

目前采用的有共振型和非共振型两大类。

市场状况】

传感器在汽车上的应用不断扩大，它们在汽车电子稳定性控制系统（包括轮速传感器、陀螺仪以及刹车处理器）、车道偏离警告系统和盲点探测系统（包括雷达、红外线或者

光学传感器）各个方面都得到了使用。

2005年，美国ABI研究公司公布了一份专门针对传感器市场的研究报告。

这份名为《汽车传感器：

加速计、陀螺仪、霍耳效应、光学、压力、雷达以及超音速传感器》的报告，对2012年前主要传感器的地区性使用前景作了预测。

报告讨论了使用传感技术的许多先进安全系统，并提供了主要40家生产厂家的详细资料，以及100多家生产厂家名录。

这家调查公司的一位资深分析师认为，是主动式安全系统推动了传感器被越来越多地使用。

在汽车业，安全系统成为传感器的最大市场。

根据“全球信息公司”的调查报告，全球轻型汽车传感器OEM市场年均增长率7.4%，到2010年将达到140亿美元的规模，其增长幅度远远超出汽车本身的年均增长率。

在发达国家，随着汽车电子系统日益完善，电子传感新技术快速发展，但已经成熟的传感器产品的增长将趋缓甚至可能下降；在发展中国家，基本的汽车传感器主要用于汽车发动机、安全、防盗、排放控制系统，增长量十分可观。

用于发展中国家汽车幕EM生产，以减少成本。

汽车传感器供应商面临严峻挑战：

一方面要扩大产能产量，另一方面要不断减低成本，这种发展趋势未来将不可能改变。

汽车发动和驱动系统仍是传感器的最大和最成熟的市

场，然而与其它应用相比，增速将放缓；随着全球燃油价格的提高，“改进燃烧效率”将是汽车传感器的新的应用“亮点”领域；在汽车安全和防盗系统中的应用将是最快的增长的市场；尾气排放控制系统市场的发展则十分稳定，前景良好。

按区域划分的几大应用市场是，在美国，主要用于胎压检测；在欧洲，用于汽车行人警告系统；在新兴产业国家，主要用于安全气囊和自动安全带系统。

以每辆车来衡量，氧传感器用量最多，技术上不断进步。

【应用现状】

传感器在发动机上的应用

发动机控制系统用传感器是整个汽车传感器的核心，种类很多，包括温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体浓度传感器和爆震传感器等。

这些传感器向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，供ECU对发动机工作状况进行精确控制，以提高发动机的动力性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测。

由于发动机工作在高温（发动机表面温度可达150℃、排气歧管可达650℃）、振动（加速度30g）、冲击（加速度50g）、潮湿（100％RH，-40℃-120℃）以及蒸汽、盐雾、腐蚀和油泥污染的恶劣环境中，因此发动机控制系统用传感器耐恶劣环境的技术指标要比一般工业用传感器高1-2个数量级，其中最关键的是测量精度和可靠性。

否则，由传感器带来的测量

误差将最终导致发动机控制系统难以正常工作或产生故障。

1.温度传感器

温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。

温度用传感器有线绕电阻式、热敏电阻式和热偶电阻式三种主要类型。

三种类型传感器各有特点，其应用场合也略有区别。

线绕电阻式温度传感器的精度高，但响应特性差；热敏电阻式温度传感器灵敏度高，响应特性较好，但线性差，适应温度较低；热偶电阻式温度传感器的精度高，测量温度范围宽，但需要配合放大器和冷端处理一起使用。

已实用化的产品有热敏电阻式温度传感器（通用型-50℃~130℃，精度1.5％，响应时间10ms；高温型600℃~1000℃，精度5％，响应时间10ms）、铁氧体式温度传感器（ON/OFF型，-40℃~120℃，精度2.0％）、金属或半导体膜空气温度传感器（-40℃~150℃，精度2.0％、5％，响应时间20ms）等。

2.压力传感器

压力传感器主要用于检测气缸负压、大气压、涡轮发动机的升压比、气缸内压、油压等。

吸气负压式传感器主要用于吸气压、负压、油压检测。

汽车用压力传感器应用较多的有电容式、压阻式、差动变压器式（LVDT）、表面弹性波式（SAW）。

电容式压力传感器主要用于检测负压、液压、气压，测量范围20~100kPa，具有输入能量高，动态响应特性好、环境适应性好等特点；压阻式压力传感器受温度影响较大，需要另设温度补偿电路，但适应于大量生产；LVDT式压力传感器有较大的输出，易于数字输出，但抗干扰性差；SAW式压力传感器具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、分辨率高、数字输出等特点，用于汽车吸气阀压力检测，能在高温下稳定地工作，是一种较为理想的传感器。

3.流量传感器

流量传感器主要用于发动机空气流量和燃料流量的测量。

空气流量的测量用于发动机控制系统确定燃烧条件、控制空燃比、起动、点火等。

空气流量传感器有旋转翼片式（叶片式）、卡门涡旋式、热线式、热膜式等四种类型。

旋转翼片式（叶片式）空气流量计结构简单，测量精度较低，测得的空气流量需要进行温度补偿；卡门涡旋式空气流量计无可动部件，反映灵敏，精度较高，也需要进行温度补偿；热线式空气流量计测量精度高，无需温度补偿，但易受气体脉动的影响，易断丝；热膜式空气流量计和热线式空气流量计测量原理一样，但体积少，适合大批量生产，成本低。

空气流量传感器的主要技术指标为：

工作范围0.11~103立方米/min，工作温度-40℃~120℃，精度≤1％。

燃料流量传感器用于检测燃料流量，主要有水轮式和循

环球式，其动态范围0~60kg/h，工作温度-40℃~120℃，精度1％，响应时间＜10ms。

4.位置和转速传感器

位置和转速传感器主要用于检测曲轴转角、发动机转速、节气门的开度、车速等。

目前汽车使用的位置和转速传感器主要有交流发电机式、磁阻式、霍尔效应式、簧片开关式、光学式、半导体磁性晶体管式等，其测量范围0~360，精度0．5以下，测弯曲角达0．1。

车速传感器种类繁多，有敏感车轮旋转的、也有敏感动力传动轴转动的，还有敏感差速从动轴转动的。

当车速高于100km/h时，一般测量方法误差较大，需采用非接触式光电速度传感器，测速范围0．5~250km/h，重复精度0．1％，距离测量误差优于0．3％。

5.气体浓度传感器

气体浓度传感器主要用于检测车体内气体和废气排放。

其中，最主要的是氧传感器，实用化的有氧化锆传感器（使用温度-40℃~900℃，精度1％）、氧化锆浓差电池型气体传感器（使用温度300℃~800℃）、固体电解质式氧化锆气体传感器（使用温度0℃~400℃，精度0．5％），另外还有二氧化钛氧传感器。

和氧化锆传感器相比，二氧化钛氧传感器具有结构简单、轻巧、便宜，且抗铅污染能力强的特点。

6.爆震传感器

爆震传感器用于检测发动机的振动，通过调整点火提前角控制和避免发动机发生爆震。

可以通过检测气缸压力、发动机机体振动和燃烧噪声等三种方法来检测爆震。

爆震传感器有磁致伸缩式和压电式。

磁致伸缩式爆震传感器的使用温度为-40℃~125℃，频率范围为5~10kHz；压电式爆震传感器在中心频率5.417kHz处，其灵敏度可达200mV/g，在振幅为0.1g~10g范围内具有良好线性度。

传感器在车身上的应用

车身控制用传感器主要用于提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等。

由于其工作条件不象发动机和底盘那么恶劣，一般工业用传感器稍加改进就可以应用。

主要有用于自动空调系统的温度传感器、湿度传感器、风量传感器、日照传感器等；用于安全气囊系统中的加速度传感器；用于门锁控制中的车速传感器；用于亮度自动控制中的光传感器；用于倒车控制中的超声波传感器或激光传感器；用于保持车距的距离传感器；用于消除驾驶员盲区的图象传感器等。

导航系统用传感器主要有：

确定汽车行驶方向的罗盘传感器、陀螺仪和车速传感器、方向盘转角传感器等。

在车身上应用的各种传感器：

有防撞加速度传感器、超声近距离目标传感器和红外热成像传感器，毫米波雷达和环境气体电化学传感器。

新型的传感器有超声阵列反向传感器、侧面路面偏距报警和红外热成像夜视传感器。

传感器在底盘上的应用

底盘控制用传感器是指用于变速器控制系统的车速传感器、加速踏板位置传感器、加速度传感器、节气门位置传感器、发动机转速传感器、水温传感器、油温传感器等；悬架控制系统应用的传感器有车速传感器、节气门位置传感器、加速度传感器、车身高度传感器、方向盘转角传感器等；动力转向系统应用的传感器主要有车速传感器、发动机转速传感器、转矩传感器、油压传感器等。

底盘应用的主要类型传感器，即旋转位移和压力传感器。

惯性加速度传感器和角速率传感器取代了温度传感器而成为在车底盘上应用的4种主要传感器。

表3种列出了27种传感器。

其中4种是压力传感器，3种旋转位移传感器，5种加速度传感器和3种角速率传感器。

27种传感器其中的15种是属于这种类型传感器。

目前低盘应用的新型传感器有侧路面角速率传感器、车轮角位置传感器和悬架位移位置传感器。

传感器在控制系统中的应用状况

发动机控制系统用传感器主要有温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体浓度传感器和爆震传感器等。

这些传感器向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，以提高发动机的动力性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测。

由于发动机工作在高温（发动机表面温度可达150℃、排气歧管可达650℃）、振动（加速度30g）、冲击（加速度50g）、潮湿（100%RH，-40℃-120℃）以及盐雾、腐蚀和油泥等污染的恶劣环境中，发动机控制系统用传感器耐恶劣环境的技术指标要比一般工业用传感器高1-2个数量级，其中最关键的是测量精度和可靠性。

汽车控制系统应用的主要传感器类型，即旋转位移传感器、压力传感器和温度传感器。

在北美，这三种传感器的销售数量分别占第一、第二和第四位。

在表2中共列出了40种不同的汽车传感器。

其中有8种压力传感器，四种温度传感器和四中旋转位移传感器。

近年来研制的新型传感器是气缸压力传感器，踏板加速计位置传感器和油质量传感器。

导航系统用传感器

随着基于GPS/GIS（全球定位系统和地理信息系统）的导航系统在汽车上的应用，导航用传感器这几年得到迅速发展。

导航系统用传感器主要有：

确定汽车行驶方向的罗盘传感器、陀螺仪和车速传感器、方向盘转角传感器等。

自动变速器系统传感器

自动变速器系统用传感器主要有：

车速传感器、加速踏板位置传感器、加速度传感器、节气门位置传感器、发动机转速传感器、水温传感器、油温传感器等。

制动防抱死系统用传感器主要有：

轮速传感器、车速传感器；悬架系统用传

感器主要有：

车速传感器、节气门位置传感器、加速度传感器、车身高度传感器、方向盘转角传感器等；动力转向系统用传感器主要有：

车速传感器、发动机转速传感器、转矩传感器、油压传感器等。