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1、第四章 压力传感器,应变式传感器电感式传感器电容式传感器压电式传感器压力传感器在汽车上的应用,南昌大学科技学院,4.1 压力的概念及单位,国际单位制中定义压力的单位：1N的力垂直均匀作用在1m2面积上，所形成的压力为1个帕斯卡，简称帕，符号Pa。,在纬度45的海平面上，0时的平均大气压。,南昌大学科技学院,表4-1（续）,在标准重力加速度（980.655cm/s2）下，0时，1mm高水银柱底面上的压力。,在标准重力加速度（980.655cm/s2）下，4时，1mm高水柱底面上的压力。,1bar=1at1kgf/cm21bar=0.1MPa=100kPa,1kg的力垂直作用在1 cm2面积上所形
2、成的压力。,南昌大学科技学院,L,L+dL,2r,2(r-dr),:电阻系数l:金属导线长度S:金属导线截面积,一、电阻应变效应,当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。,4.2 应变式传感器,南昌大学科技学院,电阻的相对变化；电阻率的相对变化；金属丝长度相对变化，用表示，=称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；截面积的相对变化。,南昌大学科技学院,dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为r。,S=r 2,dS/S=2dr/r,r=,由材料力学知,将微分dR、d改写成增量R、，则,金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例
3、系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。,物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。KS由两部分组成：前一部分是（1+2），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属0.3，因此（1+2）1.6；后一部分为，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。对金属材料，以前者为主，则KS 1+2；对半导体，KS值主要由电阻率相对变化所决定。实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.83.6范围内。,南昌大学科技学院,二、压阻效应 半导体晶体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为“压阻效应”。,对半导体材料,对金属材料,电阻相对变化量,南昌大学科技学院,由于E一般都比
4、（1+2）大几十倍甚至上百倍，因此引起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应，所以上式可近似写成 式中 压阻系数；E弹性模量；应力；应变。上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应。,南昌大学科技学院,2,3,4,1,电阻应变片结构示意图,b,l,三、应变片的结构与材料 由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。,（1）敏感栅 由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60、120、200等多种规格，以120最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面
5、积内的平均轴向应变量。,栅长,栅宽,南昌大学科技学院,对敏感栅的材料的要求：应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻温度系数要小；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于焊接，对引线材料的热电势小。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。,（2）基底和盖片 基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。,南昌大学科技学院,（3）引线 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线
6、材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。,（4）粘结剂 用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。,南昌大学科技学院,四、温度误差及其补偿1、温度误差 由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的
7、温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。,南昌大学科技学院,2、温度补偿自补偿法和电路补偿法1）自补偿单丝自补偿应变片双丝组合式自补偿应变片2）桥式电路补偿法,南昌大学科技学院,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相邻臂上，造成R1t与R2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压USC与温度无关。当工作应变片感受应变时，
8、电桥将产生相应输出电压。,南昌大学科技学院,根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。,梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压变化。当温度变化时，应变片R1和R2的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。,南昌大学科技学院,热敏电阻补偿法 当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻Rt的阻值下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥输出电压。选择分流电阻R5的值，可
9、以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。,1、单臂直流电桥,五、测量电路,R1+R,南昌大学科技学院,2、差动电桥：,相邻桥臂，电阻一个增加、一个减少,南昌大学科技学院,3、全桥：,四臂都是应变片，且相邻电阻变化相反,南昌大学科技学院,4.2 电感式传感器-差动变压器,一.工作原理 互感式电感传感器本身相当于一个变压器，当一次线圈接入电源后，二次线圈就将产生感应电动势，当互感变化时，感应电动势也相应变化。差动变压器有变气隙式、变面积式和螺管式三种类型，目前应用最广泛的是螺管式差动变压器。,南昌大学科技学院,二.结构形式,南昌大学科技学院,4.3 电容传感器,电容式传感器的工作原理可
10、以用平板电容器来说明。平板电容器是由两个金属极板、中间夹一层电介质构成。当忽略边缘效应时，其电容器的电容量为 电容传感器分为三种类型：变极距型、变面积型、变介电常数型。,一、工作原理,南昌大学科技学院,二、结构形式,1.变极距型电容传感器2.变面积型传感器,南昌大学科技学院,3.变介电常数型传感器 如果在电容器两极板间插入不同介质，电容器的电容量就会不同，利用这种原理制作的电容传感器称为变介电常数型电容传感器，常被用来测量液体的液位和材料的厚度。,南昌大学科技学院,1 桥式电路,三、测量电路,南昌大学科技学院,2、脉冲宽度调制电路,原理：利用传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随电容传感器的
11、电容量变化而变化，经过低通滤波器滤波后得到对应于被测量变化的直流信号。,南昌大学科技学院,顺压电效应：一些电介质，在受到一定方向的外力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为顺压电效应，又称为压电效应。逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场时，电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种将电能转换成机械能的现象称“逆压电效应”,又称为电致伸缩效应。,4.4 压电式传感器,一、定义,南昌大学科技学院,石英晶体的压电效应演示,当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变
12、为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。,南昌大学科技学院,南昌大学科技学院,二、压电材料种类：压电晶体，如石英等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。对压电材料特性要求：转换性能。要求具有较大压电常数。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，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。环境适应性强。温度和湿度稳定性要好。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。,南昌大学科技学院,五、压电传感器的特点,力敏传感器，可测如力、压力、加速度等双向有源传感器体积小、重
13、量轻结构简单、工作可靠频响宽,南昌大学科技学院,4.5压力传感器在汽车上的应用,(1)进气管压力传感器(2)大气压力传感器(3)空气滤清器真空开关(4)机油压力开关(5)空调高压、低压开关(6)油压助力制动系统中的油压传感器(7)主动悬架系统中的控制阀压力传感器(8)制动主缸油压传感器(9)蓄压器压力传感器(10)增压传感器,汽车上的主要压力传感器：,南昌大学科技学院,4.5.1 汽车用压力传感器的种类与用途,作用：检测空气滤清器是否堵漏，主要用于化油器规格的车辆上，利用压力差检测堵漏状况。工作原理：当产生压力差时（AB），在B腔负压的作用下，膜片推压弹簧向下移动，笛簧开关导通。,4.5.1.
14、1 真空开关,南昌大学科技学院,当空气滤清器发生堵塞时，B接头处为负压，笛簧开关闭合，报警指示灯亮。,南昌大学科技学院,4.5.1.2 检测堵塞的连杆式传感器,用于检测进气管内的负压，当达到规定值时，传感器内的触点闭合，点亮报警灯，发出空气滤清器已堵塞的警告。,南昌大学科技学院,4.5.1.3 油压开关,无压力作用时触点闭合；有压力作用时触点断开。,作用：用于检测发动机油无油压，以及用于油压指示器上,南昌大学科技学院,4.5.1.4 油压传感器,作用：用于带油压助力装置的制动系统的油压控制，可检测出储压器的压力、输出油泵的闭合或断开信号以及油压的异常报警。,南昌大学科技学院,4.5.1.5 绝
15、对压力型传感器,作用：用于主动型悬架系统的油压控制,南昌大学科技学院,4.5.1.6 相对压力型高压传感器,作用：用于检测汽车空调的冷媒压力,南昌大学科技学院,、进气管压力传感器（半导体压力传感器）,1、作用在D型EFI中，由进气歧管绝对压力传感器测量进气管压力，并将信号输入到ECU中，作为燃油喷射和点火控制的主控制信号。2、安装位置安装在进气歧管上,南昌大学科技学院,半导体式进气管压力传感器：,结构图,工作原理,原理：压力变化硅片电阻变化电压信号,南昌大学科技学院,电路图,南昌大学科技学院,4.5.1.8 真空传感器,工作原理：压力变化波纹管变形差动变压器的铁芯移动差动变压器的输出端子产生电
16、压计算机基本喷油量,南昌大学科技学院,4.5.1.9 增压传感器,作用：用于检测涡轮增压机的增压压力，修正喷射脉冲及控制增压压力。,南昌大学科技学院,4.5.1.10 主油缸压力传感器,作用：检测主油缸的输出压力。原理：制动压力膜片变形应变片阻值变化,南昌大学科技学院,4.5.1.11 蓄压器用压力传感器,安装在油压组件的上方，用于检测油压组件的压力。,南昌大学科技学院,4.5.2 半导体进气压力传感器,类型：,绝对压力型差压型应变压力型,表面受压型里面受压型,受压面为形成测量电阻的平面,受压面为形成测量电阻平面的反面,南昌大学科技学院,4.5.2.1 传感器的结构,硅杯的作用：吸收因底座材料
17、与硅材料的热膨胀系数之差所造成的加在膜片上的热应力。,工作原理（压阻效应）：压力膜片应力测量电阻的阻值变化电桥输出端电压或电流的变化,南昌大学科技学院,4.5.2.2 压力传感器的额定值与特性,（1）压力额定值额定电压：传感器正常工作时的最佳电压过载电压：在不影响各项特性的范围里可以加上的最大压力值。（2）输出电压特性传感器输出电压：在外加电压与压力时桥式电路输出端上的电压偏置电压：外加压力为0Pa时的输出电压（桥不平衡零点电压）控制电压（表明传感器的灵敏度）：传感器加上额定压力的输出电压减去偏置电压（3）精度与温度特性精度：将定义域内输出电压的上限值与下限值连接的直线定为基准线，确定的最大偏
18、差温度特性：与硅片和硅杯的材料形状有关,南昌大学科技学院,4.5.3 半导体微差压力传感器,4.5.3.1 半导体微差压力传感器的工作原理,采取措施：在涡旋压力导入管的左右设置涡旋压力导入口，将涡旋压力导入管左右交替产生涡旋的压力变化以差压方式传输至半导体管芯上。,安装：在进气歧管上工作原理（压阻效应）：压力膜片应力测量电阻的阻值变化电桥输出端电压或电流的变化,南昌大学科技学院,4.5.3.2 微差压力传感器的特点,（1）压力检测范围宽；（2）耐压能力高（3）差压工作，对卡曼涡旋之外因素引起的压力变化（同相成分）的灵敏度很低；（4）耐环境性能好；（5）半导体芯片的壳体与涡旋发生柱做成一个整体，
19、缩小体积。,南昌大学科技学院,4.5.4 采用压粉铁芯的电动助力转向（EPS）用非接触式扭矩传感器,（1）压粉铁芯定义：在采用绝缘涂敷铁粉的复合型软磁材料中，添加混合树脂粘结剂后，加以成型，再进行加热，使树脂粘结剂融熔、固化而成的部件。特点：高磁导率、高尺寸精度、耐振动与冲击应用：扭矩传感器中的软磁性材料铁芯及检测环,南昌大学科技学院,（2）扭矩传感器的结构与原理,工作原理：输入扭矩为0检测环与检测环的齿固定在某一相位上；输入扭矩不为0扭杆扭转检测环与检测环的齿部面积发生变化检测温度补偿线圈与检测线圈之间的电位差检测出与输入扭矩成正比的输出信号。,与检测环与检测环固定在同一根轴上,输入轴输出轴,检测环检测环,检测环,输入环,输出环,南昌大学科技学院,4.5.5 接触式转向角度/扭矩传感器,原理：利用电刷在底板上的触点位置的变化引起电阻的变化输出扭矩与转向角度信号。,功能要求：转向操纵性、耐久性、静音性,南昌大学科技学院,4.5.6 动力传输系统用磁致伸缩式扭矩传感器,（1）检测原理,南昌大学科技学院,（2）结构与特点,
