常用傳感器最新PPT課件

1、常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 第二章 常用傳感器 速度傳感器 空間格柵式 壓差式、熱線風(fēng)速儀 加速度傳感器 壓電、應(yīng)變、電容式 沖撞傳感器 電容式、壓阻式、壓電 晶體 n基本內(nèi)容 控制系統(tǒng)所需傳感器 溫度傳感器 熱電阻、熱電偶 壓力傳感器 壓阻式、靜電容式 空氣流量傳感器 氣體傳感器 氧傳感器,空燃比傳感器 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 2.1 概述(各系統(tǒng)所需傳感器) 常 用 溫 度 傳 感 器 的 特 征 原 理種 類使 用 范 圍 測(cè) 量 范 圍 精 度 線 性 響 應(yīng) 價(jià) 格 鉑Pt-260+630-260+6300.015 好一 般高 熱 電 阻 半 導(dǎo) 體-50 +350-

2、50+3500.35不 好快較 低 R(PR)0+16000+15440.55一 般快高 K(CA)-200+1200-180+1000210好快一 般 E(CRC)-200+800-180+70035好快一 般 J(IC)-200+800-180+600310好快一 般 熱電偶 T(CC)-200+350-180+30025好快一 般 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 2.2.1 熱電阻 n對(duì)傳感器材料的要求： 溫度系數(shù)大，線性好；性能穩(wěn)定； 使用溫度范圍寬；系數(shù)設(shè)置方便； 線材加工方便。 最合適的材料：鉑(Pt)、銅(Cu) 鉑電阻：Rt=R0(1+At+Bt)(0630) R100/R0

3、=1.3916 鉑電阻主要規(guī)格如下： 公稱電阻公稱電阻：(50 ),100 精度等級(jí)精度等級(jí)：0.15級(jí),0.2級(jí),0.5級(jí) 額定電流額定電流：2mA,5mA,(10mA)(0.15級(jí)及0.2級(jí)用2mA ) 封裝形式封裝形式：護(hù)管式、玻璃封裝式(400)、陶瓷封裝(600) /1 1058973. 0,/1 103974973. 0 262 CBCA 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 半導(dǎo)體熱敏電阻 與金屬熱電阻比，溫度系數(shù)大、反應(yīng)速度快、價(jià)格便宜， 但線性差。 常用的有：NTC、PTC、CTR 等 NTC(Negative Tempreature Coefficient thermister

4、)主要 由Mn,Co,Ni,Fe等金屬氧化組 成，可通過(guò)改變成分調(diào)整電 阻值及溫度特性。 R=RoexpB(1/T-1/T0 其中，B：熱敏系數(shù)， 一般20006000K 1 2 電阻Rlg 0100200 溫度t CTR NTC1 PTC NTC2 3 4 5 6 常見熱敏電阻的溫度特性 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 2.2.2 熱電偶 n熱電偶由兩種不同的金屬線相接觸而構(gòu)成，當(dāng)基準(zhǔn)電和測(cè)量點(diǎn)間 有溫差時(shí)，就會(huì)得到輸出電位。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量范圍廣， 可測(cè)量微小區(qū)域的溫度(用的絲線細(xì))，響應(yīng)速度快，但輸出信號(hào) 小(幾十v/ )，需注意測(cè)量電路的漂移和噪聲。 n熱電偶測(cè)量的是溫差，需對(duì)

5、基準(zhǔn)點(diǎn)的溫度進(jìn)行補(bǔ)償： 將基準(zhǔn)點(diǎn)放置在冰點(diǎn)槽中；用熱電阻測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的溫度，并 用橋式電路進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。 n封裝形式：保護(hù)管(不銹鋼,330mm):強(qiáng)度高、耐熱、耐腐蝕； 鎧裝(金屬管,0.2,0.58mm):金屬細(xì)管和熱電偶芯間填充有MgO， 絕緣、密封，抗腐蝕和老化，反應(yīng)快，耐熱，耐振，可適當(dāng)彎曲。 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 2.3 壓力傳感器 n基本構(gòu)成：變形部分(壓力應(yīng)變); 變換部分(應(yīng)變電信號(hào)); 信號(hào)處理部分(信號(hào)放大和調(diào)整). n檢測(cè)原理:物性型(壓阻效應(yīng)); 結(jié)構(gòu)型(電極面積或距離). n2.3.1 壓阻式壓力傳感器 壓阻效應(yīng):結(jié)晶硅受到應(yīng)力作用,單位電阻值會(huì)發(fā)生變化.

6、 擴(kuò)散半導(dǎo)體式:在硅基片的中央制有膜片,在膜片上擴(kuò)散形成壓阻應(yīng)變 片,當(dāng)在壓力作用下,產(chǎn)生應(yīng)變,使應(yīng)變片阻值發(fā)生變化,測(cè)出阻值的 變化量即可得到壓力值. 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) n特點(diǎn):選擇擴(kuò)散位置可制出電橋其他臂;靈敏度高 (為金屬應(yīng)變片的幾十幾百倍);一致性好,無(wú)需粘接, 無(wú)畸變、滯后;溫度變化對(duì)壓阻系數(shù)影響大,需補(bǔ)償； 先將膜片固定在硅機(jī)體上,再一起固定在金屬機(jī)體上. n構(gòu)造和測(cè)量原理:在膜片表面擴(kuò)散成四個(gè)應(yīng)變片，其中 兩個(gè)沿半徑方向布置(Radial Gauge Resister):Rr1和 Rr2;其中兩個(gè)沿切線方向布置(Tangential Gauge Resister)

7、:Rt1和Rt2,膜片受到壓力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形, 在膜片表面上生成的應(yīng)力是徑向r切向t的合成,在微 小范圍內(nèi)變形與應(yīng)力可視為線性: r，tkP (其中, k:膜片的壓力應(yīng)變系數(shù);P:壓差) 如按圖(a)那樣布置,應(yīng)變電阻會(huì)受到二個(gè)方向應(yīng)力r和 t的作用,由于壓阻效應(yīng)使徑向應(yīng)變電阻和切向應(yīng)變 電阻的阻值發(fā)生變化,可近似用下面的式子表示： 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) Rr / Rrl r+ tt Rt/ Rtl t+ tr 其中, Rr, Rt:應(yīng)力為零時(shí)徑向和切向應(yīng)變電阻的阻值 Rr, Rt:應(yīng)力作用后徑向和切向應(yīng)變電阻的阻值變化量 l, t:縱向和橫向壓阻系數(shù)(l:longitudina

8、l,t:transverse) l0, t0 接成橋式電路時(shí)的輸出電壓: e=(Rr- Rt)E/(Rr+ Rt)k l p 制造過(guò)程制造過(guò)程: 將將n型硅片的兩面加工成鏡面；型硅片的兩面加工成鏡面； 擴(kuò)散形成應(yīng)變電阻和電子元件；擴(kuò)散形成應(yīng)變電阻和電子元件； 蒸著形成電極；蒸著形成電極； 內(nèi)面加工出凹形截面形成膜片；內(nèi)面加工出凹形截面形成膜片； 固定到與硅的熱膨脹系數(shù)接近的玻璃等基體上固定到與硅的熱膨脹系數(shù)接近的玻璃等基體上 裝入外殼中、連出引線、充填硅膠裝入外殼中、連出引線、充填硅膠 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 2.3.2靜電容式壓力傳感器靜電容式壓力傳感器 概要：由可動(dòng)電極 (膜片)

9、和絕緣基板上兩個(gè)面對(duì)面 的電極組成，被測(cè)壓力使膜片變形，和固定電極間 的間隙發(fā)生變化，引起靜電容變化，可得與壓力一 一對(duì)應(yīng)的容量差，其特性取決于膜片部分的結(jié)構(gòu)(特 別是電極間的間隙)，為了獲得穩(wěn)定性好的傳感器， 精密加工和裝配就尤其重要。 構(gòu)造和測(cè)量原理：以壓差傳感器為例，作為可動(dòng)電 極的的硅膜片置于兩個(gè)玻璃基板上形成的固定電極 之間，間隙在幾到幾十之間，形成差動(dòng)電容。 電容量變化和電極間隙：如果膜片有微小變形w,有： w=kp 其中，k:膜片的壓力變形系數(shù)， p:壓差 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 差動(dòng)容量變化量C和變形W之間可用下式表示: C/C=w/d (C與電極間隙d成反比,若間隙

10、越小容量變 化就越大,就能作成高靈敏度傳感器) p=d C/(2k C) (d:電極間隙;C:初試電容量) n2.3.3汽車用壓力傳感器的性能參數(shù)汽車用壓力傳感器的性能參數(shù) 由于工作環(huán)境惡劣, 要求測(cè)量精度和 可靠性高 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) n基本特性：基本特性：精度、分辨率、測(cè)量范圍。 n決定測(cè)量下限的因素：壓力/應(yīng)變轉(zhuǎn)換靈敏度和 滯后、應(yīng)變/電信號(hào)轉(zhuǎn)換的噪聲等。 n決確定測(cè)量上限的因素：決確定測(cè)量上限的因素：壓力/應(yīng)變轉(zhuǎn)換部分的 機(jī)械強(qiáng)度。 n非線性：非線性：直接影響精度，取決于壓力/應(yīng)變轉(zhuǎn)換 部分。 n溫度特性：溫度特性：電橋用恒流供電可使溫度系數(shù)減小。 n壽命：壽命：由于工

11、作環(huán)境惡劣，采用保護(hù)結(jié)構(gòu)。高 壓傳感器用金屬膜片保護(hù)應(yīng)變面。 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 2.3.4 汽車用壓力傳感器應(yīng)用實(shí)例汽車用壓力傳感器應(yīng)用實(shí)例 n2.3.5汽車用壓力傳感器的技術(shù)動(dòng)向汽車用壓力傳感器的技術(shù)動(dòng)向 低成本化：半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程 批量生產(chǎn) 精細(xì)加工小型化 高性能化：數(shù)字信號(hào)處理；軟件補(bǔ)償 可靠性：表面保護(hù)技術(shù)；封裝技術(shù) 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 2.4 流量傳感器 n2.4.1 汽車用流量傳感器汽車用流量傳感器 空氣流量計(jì) 燃料(汽油、柴油、天然氣等)流量計(jì) 是電噴的主要傳感器，用于計(jì)量吸入汽缸的空氣量。 不僅是發(fā)動(dòng)機(jī)控制用，也可作耗油量表示用。 流量:單位時(shí)間內(nèi)流

12、體流經(jīng)流通斷面的量，測(cè)量方法有： 直接檢測(cè)量;檢測(cè)平均流速;檢測(cè)局部流速. n2.4.2 空氣流量計(jì)空氣流量計(jì) 對(duì)空氣流量計(jì)的要求：對(duì)空氣流量計(jì)的要求：測(cè)量范圍寬、精度高、響應(yīng) 快及耐塵土和油滴、能適應(yīng)大范圍的溫度變化、輸 出信號(hào)是流量的對(duì)數(shù)函數(shù)、可靠、體積小、重量輕、 成本低。 空氣流量計(jì)的類型：空氣流量計(jì)的類型：轉(zhuǎn)葉式、卡門螺旋式、熱線式 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 汽車用空氣流量計(jì)規(guī)格汽車用空氣流量計(jì)規(guī)格 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 2.4.3 熱線式空氣流量計(jì)熱線式空氣流量計(jì) Hot-Wire Anemometer 熱線式空氣流量計(jì)的原理：向鉑金絲熱線式空氣流量計(jì)的原理：向

13、鉑金絲(箔膜箔膜)供電使供電使 之發(fā)熱，利用空氣的熱傳導(dǎo)量與空氣流相依存的之發(fā)熱，利用空氣的熱傳導(dǎo)量與空氣流相依存的 關(guān)系來(lái)測(cè)量流量。在電橋臂上設(shè)有加熱絲和測(cè)溫關(guān)系來(lái)測(cè)量流量。在電橋臂上設(shè)有加熱絲和測(cè)溫 熱敏電阻，調(diào)整熱絲電流使熱絲和熱敏電阻間溫?zé)崦綦娮?，調(diào)整熱絲電流使熱絲和熱敏電阻間溫 差不隨空氣流量而變化，把供給熱絲的電流作為差不隨空氣流量而變化，把供給熱絲的電流作為 空氣流量信號(hào)?？諝饬髁亢洼敵鲂盘?hào)間的關(guān)系可空氣流量信號(hào)。空氣流量和輸出信號(hào)間的關(guān)系可 由熱絲發(fā)熱量和傳熱量的關(guān)系推出：由熱絲發(fā)熱量和傳熱量的關(guān)系推出： 其中，I:供電電流；Ga:空氣流量；A，B：常數(shù)只 要測(cè)出電流I，即可由

14、上式求得空氣流量，代表空 氣流量的電流信號(hào)，在低流速時(shí)，信號(hào)變化大。 a GBARI 2 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) n按先后順序介紹幾種實(shí)用結(jié)構(gòu)按先后順序介紹幾種實(shí)用結(jié)構(gòu) 整流筒式：整流筒式：在整流筒內(nèi)架設(shè)有70m的鉑金絲，用 鉑金在陶瓷上形成的箔膜電阻作測(cè)溫電阻，工作時(shí) 熱絲被加熱到1000 (自潔)，排除塵埃附著的影響。 分流式：分流式：將熱絲和測(cè)溫電阻設(shè)置在分流通道中，以 減少流體波動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響；同時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī) 回火時(shí)能保護(hù)熱絲。 薄膜電阻式：薄膜電阻式：與整流筒式類似，只是不用熱絲而用 薄膜電阻(制在薄型陶瓷上)，與空氣流成30夾角。 插入式：插入式：可裝在進(jìn)氣管任意部位

15、，它將熱絲、旁通 通道、測(cè)量電路作成整體結(jié)構(gòu)，從進(jìn)氣管的側(cè)壁插 入即可。其目的是減小整體體積。 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 熱絲式空氣流量計(jì)的構(gòu)造 傳感部分 熱絲型(Hot-wire)：將鉑金絲架設(shè)在空氣流中，; 線圈型：將鉑金絲卷在陶瓷支架上，； 薄膜型(Hot-Film)：將 薄膜電阻設(shè)在陶瓷板上。 鉑金絲細(xì)，熱容量小，響應(yīng)快，但易堆積塵 埃，影響測(cè)量精度；熱容量大，響應(yīng)較慢，但 不易堆積塵埃，且對(duì)測(cè)量精度影響不大。 測(cè)量電路：使熱絲和熱敏電阻間溫差保持恒定，現(xiàn) 在采用一比較放大器，可測(cè)量劇烈變化的空氣溫度。 分流通道：從進(jìn)氣通道分隔出來(lái)的支路，以降低氣 流波動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響。 常

16、用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 熱絲式空氣流量計(jì)測(cè)波動(dòng)氣流時(shí)應(yīng)注意： n波動(dòng)流平均流量的平均化：波動(dòng)流平均流量的平均化：指示值比實(shí)際值小。分 流式利用分流通道內(nèi)氣流慣性讓平均流速增加，使 誤差相互抵消。 P:分流通道出入口壓力差 u,l:分流通道的流速及長(zhǎng)度 n逆流修正：逆流修正：不能測(cè)量出流動(dòng)方向，有逆流時(shí)，測(cè)量 值比實(shí)際值大?？刹捎梅至魇健傲黧w二極管” 原理：逆流發(fā)生時(shí)分流通道內(nèi)的氣流不流動(dòng)，將測(cè) 量誤差降為原來(lái)的一半。 n2.4.4 空氣流量計(jì)的課題 流量和流向；輸出特性自動(dòng)修正、軟件修正。 dt duu P 2 2 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 2.5 速度及加速度傳感器速度及加速

17、度傳感器 n2.5.1 速度傳感器速度傳感器 具有代表性的是車速傳感器，常用方法： 近似測(cè)量計(jì)測(cè)車輪單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)； 多卜勒雷達(dá)測(cè)速，fD=f1-f2=2Vcos/ 空間光柵式：光波等在通過(guò)已知空間頻率的光柵時(shí)， 其功率譜中心頻率會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)中心頻率的變 化即可得到移動(dòng)速度。利用周節(jié)為P的空間光柵和凸 透鏡來(lái)觀察以速度V移動(dòng)的路面時(shí)，觀察到的光線具 有的中心頻率f可表示為：f=MV/P,M: 透鏡放大倍數(shù)。 實(shí)際系統(tǒng)使用cds光電元件做傳感器。 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 2.5.2 車輛控制用加速度傳感器車輛控制用加速度傳感器 加速度傳感器測(cè)量方式比較 常用傳感器最新 汽車電子控

18、制技術(shù) n車輛控制系統(tǒng)用(低頻);防撞氣囊用(高頻) 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng):壓電晶體在受 到力的作用時(shí)會(huì)發(fā)生變 形同時(shí)產(chǎn)生電荷. 在受到加速度作用時(shí), 膜片變形,輸出電極和壓 電晶體間產(chǎn)生與加速度 成比例的的電壓,下面的 壓電晶體是為了消除電 荷堆積效應(yīng)而設(shè)置的.環(huán) 狀驅(qū)動(dòng)電極用于自診斷. 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器 n本方式是利用硅基片上的精細(xì)加工技術(shù)制造而成. 將兩枚硅片用1000以上的高溫直接粘再一起,并在上片作 出梁;在下片作出慣性質(zhì)量,然后 再貼在玻璃集體上,當(dāng)受到加速 度作用時(shí),重物上下移動(dòng),支持重 物的

19、梁發(fā)生彎曲變形,梁上的應(yīng) 變片阻值發(fā)生變化,通過(guò)測(cè)量其 阻值就可測(cè)出加速度的大小.在 重物和基體間形成有阻尼控制 作用的間隙,利用間隙中流動(dòng)氣 體的“氣枕作用”,對(duì)高頻成分(振 動(dòng)系共振頻率)加以抑制. 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 n本方式也是利用硅基片上的精細(xì)加工技術(shù)制造而成. 可動(dòng)電極由懸臂梁支承;可動(dòng)電極產(chǎn)生位移時(shí)，和兩個(gè)固定 電極間的電容量會(huì)發(fā)生變化。 可把電容量發(fā)生轉(zhuǎn)換成輸出電壓 的；也可采用靜電伺服方式，雖 然信號(hào)處理電路較為復(fù)雜，但精 度較高。 PWM(Pulse Width Modulation) 脈寬調(diào)制靜電伺服型加速度傳感器 常用

20、傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 2.5.3 防撞氣囊用沖撞傳感器防撞氣囊用沖撞傳感器 n防撞氣囊的構(gòu)成防撞氣囊的構(gòu)成:傳感器傳感器(檢測(cè)沖撞檢測(cè)沖撞);控制器控制器(判判 斷沖撞斷沖撞);沖氣氣囊沖氣氣囊(保護(hù)乘員保護(hù)乘員)；氣體發(fā)生器；氣體發(fā)生器(產(chǎn)產(chǎn) 生氣體生氣體)，見下圖。，見下圖。 電源電路 沖撞 傳感器 模擬量 沖撞 判斷電路 驅(qū)動(dòng)電路 安全 傳感器 診斷電路 氣 體 發(fā) 生 器 充 氣 氣 囊 控制模塊 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 沖撞傳感器沖撞傳感器(Crash Sensor)常見形式常見形式: 電容式整體式 表面型 n模擬式壓阻式半導(dǎo)體應(yīng)變式 金屬應(yīng)變式 壓電式彎曲式懸臂梁

21、式 剪切式圓板式 硅半導(dǎo)體型的特點(diǎn)硅半導(dǎo)體型的特點(diǎn): 利用半導(dǎo)體工藝進(jìn)行大量生產(chǎn)利用半導(dǎo)體工藝進(jìn)行大量生產(chǎn),以降低成本；以降低成本； 通過(guò)硅微加工技術(shù)通過(guò)硅微加工技術(shù),能實(shí)現(xiàn)小型化；能實(shí)現(xiàn)小型化； 傳感部與放大電路能集成化；傳感部與放大電路能集成化； 性能優(yōu)秀、穩(wěn)定，重復(fù)性好，可靠性高。性能優(yōu)秀、穩(wěn)定，重復(fù)性好，可靠性高。 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 電容式?jīng)_撞傳感器電容式?jīng)_撞傳感器 n電極間的電容量取決于相互重疊的面積和間隙,若在 兩個(gè)電極間置入可動(dòng)電極,就構(gòu)成了差動(dòng)式(一個(gè)容量 增加;一個(gè)減小),能提高溫度和機(jī)體變形的穩(wěn)定性。 n測(cè)量方法測(cè)量方法:將兩個(gè)電容容量差直接轉(zhuǎn)換成電壓輸出；

22、 用容量差產(chǎn)生電壓,將電壓施加給梁,使梁處于電容 平衡點(diǎn),即伺服式。 構(gòu)造及工作原理構(gòu)造及工作原理 兼作可動(dòng)電極的慣性質(zhì)量由兩根梁支承,在外框上加工 出單晶硅片(固定電極)。 重物受到加速度作用時(shí),梁會(huì)產(chǎn)生彎曲變形使容量發(fā)生 變化,使用專用IC,測(cè)出容量變化,輸出與加速度成比 例的電壓信號(hào)。 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 在質(zhì)量為m的可動(dòng)電極上施加加速度a時(shí)，位移x，如 支承剛度為k，則有： x=ma/k如X與d相比很小，則有： :電介常數(shù)，S:可動(dòng)電極面積 由以上兩式可知：容量變化量C和加速度a成正比。 頻率響應(yīng) 速度由表示慣性質(zhì)量運(yùn)動(dòng)的方程式?jīng)Q定： 其中,：空氣隙的阻尼系數(shù) F：外部作

23、用力 阻尼系數(shù)=B/d3 B:電極常數(shù)，由Navier-stokes和連 續(xù)方程式求得，:流體粘性系數(shù)。 d xS C2 Fkx dt dx dt xd m 2 2 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 慣性質(zhì)量的設(shè)計(jì)慣性質(zhì)量的設(shè)計(jì) n沖撞傳感器的關(guān)鍵參數(shù)是靈敏度，欲增大C，就要 加大面積S，減小氣隙d，但氣隙太小，阻尼系數(shù)增 大，頻率特性降低?？赏ㄟ^(guò)減小來(lái)減低。減小表 面積可使常數(shù)B減小，但要犧牲靈敏度，為此，在 可動(dòng)電極表面開出空氣槽。 溫度特性分析溫度特性分析 n溫度變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，氣隙也會(huì)變化，改變電 容量大小，但差動(dòng)式的對(duì)稱結(jié)構(gòu)使C的變化卻很小， 即不容易受溫度等的影響。 常用傳感器

24、最新 汽車電子控制技術(shù) 應(yīng)變式?jīng)_撞傳感器 n硅壓阻式應(yīng)變片具有靈敏度高的特點(diǎn)。且： 可應(yīng)用原半導(dǎo)體壓 力傳感器的知識(shí)和技術(shù)； 信號(hào)處理簡(jiǎn)單，直 接輸出電信號(hào)，抗干擾 制造和IC相似，便 于與處理電路集成。 構(gòu)造：構(gòu)造：為了將加速度 產(chǎn)生的慣性力轉(zhuǎn)換成應(yīng) 變，在硅片上整體形成 懸臂支承的慣性質(zhì)量， 并在懸臂上擴(kuò)散四只應(yīng) 變片。 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 工作原理：工作原理：施加加速度a時(shí)，應(yīng)變片部分的應(yīng)力x表 示為：則輸出電壓： 傳感器靈敏度由各種參數(shù)決定,特別是應(yīng)變部位厚度h2. 如有阻尼油時(shí)有： 頻率特性頻率特性:由振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率fn和阻尼系數(shù)決定: = /2(mk)1/2， f

25、n= (mk)1/2/2 信號(hào)處理電路：信號(hào)處理電路：傳感器與信號(hào)處理電路封裝在一起， 由于壓阻系數(shù)的溫度特性，靈敏度具有負(fù)的溫度特 性，需要在信號(hào)處理電路內(nèi)加以修正。另備有自診 斷電路，故障發(fā)生時(shí)，能自動(dòng)診斷并表示出來(lái)。 so x VhlhaV hlhl 2 21441 2 2112 )/()(6 )/( soo VhlahV 2 21441 )/()(6 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 壓電式?jīng)_撞傳感器壓電式?jīng)_撞傳感器 若作用在壓電晶體上的力為F,則產(chǎn)生的電荷:Q=dF (d為壓電變形系數(shù))，如壓電元件的電容量為C， 則輸出電壓:V=Q/C=dF/C=gF/C 壓電式和其他方式一樣使用S

26、eism系統(tǒng)，它的輸出是壓 電元件質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，和作用力成正比，也 和加速度成正比。 根據(jù)向壓電元件施加力的方法不同，有： 壓縮型壓縮型(利用縱向應(yīng)力):將壓電晶體置于機(jī)體和重物 之間,機(jī)械強(qiáng)度大,適用于大加速度、沖擊測(cè)量。但瞬 時(shí)的溫度變化會(huì)引起輸出變化,不能測(cè)量微小信號(hào)。 剪切型剪切型(利用剪切效應(yīng))：壓電晶體置于懸臂重物和機(jī) 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 座之間,靈敏度高,漂移小, 應(yīng)用較多。 彎曲型彎曲型(利用橫向效應(yīng)): 壓電晶體置于彎曲梁上, 靈敏度高,可測(cè)微小振動(dòng), 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高。 電路組成：電路組成： 阻抗變換電路阻抗變換電路; 溫度補(bǔ)償電路溫度補(bǔ)償電路; 濾

27、波電路濾波電路; 放大電路放大電路; 自診斷電路自診斷電路. 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) n壓電式?jīng)_撞傳感器電路原理框圖 自診斷信號(hào) 發(fā)生電路 加速度 檢測(cè)元件 溫度補(bǔ)償 電路 阻抗 變換電路 濾波 電路 放大 電路 基準(zhǔn)電壓 發(fā)生電路 Test In Vcc +5V OUT GND 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 2.6 氣體傳感器氣體傳感器 2.6.1 概要概要 檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒廢氣中的氧氣檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒廢氣中的氧氣(O2)、碳?xì)浠衔锾細(xì)浠衔?HC)、 一氧化碳一氧化碳(CO)等未燃成分。通過(guò)測(cè)量空燃比對(duì)燃料等未燃成分。通過(guò)測(cè)量空燃比對(duì)燃料 噴射量進(jìn)行補(bǔ)償。主要有：開關(guān)型的氧傳感

28、器；噴射量進(jìn)行補(bǔ)償。主要有：開關(guān)型的氧傳感器； 線性輸出的空燃比傳感器。線性輸出的空燃比傳感器。 氣體氣體排氣成分排氣成分 氧傳感器氧傳感器 濃差型電池濃差型電池 傳感器傳感器傳感器傳感器 空燃比空燃比 氧化物半導(dǎo)體型氧化物半導(dǎo)體型 其它成分傳感器其它成分傳感器 2.6.2 濃差電池型氧傳感器濃差電池型氧傳感器(EGO:Exhaust Gas Oxygen Sensor):用排氣中的氧濃度差而產(chǎn)生電位作為輸用排氣中的氧濃度差而產(chǎn)生電位作為輸 出電壓，排氣側(cè)由具有催化功能的鉑金電極用多孔性陶瓷保出電壓，排氣側(cè)由具有催化功能的鉑金電極用多孔性陶瓷保 護(hù)膜覆蓋而成，在過(guò)濃區(qū)域電極周圍的氧用于氧化，比

29、基準(zhǔn)護(hù)膜覆蓋而成，在過(guò)濃區(qū)域電極周圍的氧用于氧化，比基準(zhǔn) 側(cè)大氣中的氧濃度稀薄近側(cè)大氣中的氧濃度稀薄近20位，輸出位，輸出1V；稀區(qū)輸出稀區(qū)輸出0.1V 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) n工作原理工作原理 用 Y2O3在高溫中部分穩(wěn)定化燒結(jié)而成的ZrO2是能傳遞 氧離子的固體電解質(zhì),如加入鉑金形成多孔性電極的 話,與電極間氧氣分壓比成對(duì)數(shù)關(guān)系的濃差電勢(shì): E=(RT/4F)ln(Pa/Pd) 在650,大氣中氧氣的濃度為基準(zhǔn)值0.209,排氣電極 周圍氧氣的濃度為2.091011時(shí),電池輸出為0.458V. n構(gòu)造及材料構(gòu)造及材料 主要由ZrO2濃差電池、加熱電極、保護(hù)管、引線和插 件組成。

30、濃差電池起動(dòng)遲緩，需控制加熱。 n規(guī)格和性能規(guī)格和性能 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) n氧傳感器性能參數(shù) 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 2.6.3 氧化物半導(dǎo)體型氧傳感器氧化物半導(dǎo)體型氧傳感器 n不需要引入大氣，可降低成本；敏感元件小型化使 起動(dòng)性加快?，F(xiàn)用材料：TiO2；正在開發(fā)的材料： Nb2O5。 工作原理：工作原理：將氧化物半導(dǎo)體置于高溫環(huán)境中,為使和 周圍空氣中的氧濃度保持平衡,會(huì)放出晶格中的氧, 同時(shí)放出了氧的空穴隨時(shí)會(huì)奪回氧.當(dāng)周圍氧濃度較 高時(shí),空穴少,阻抗高;當(dāng)氧濃度較低時(shí),空穴增加使阻 抗減小;用具有催化作用的鉑金來(lái)作測(cè)量電極,就構(gòu) 成了阻抗能隨氧濃度突變的傳感器。

31、 TiO2的溫度特性:溫度增加100,阻抗減小到1/51/3. 與氧的分壓關(guān)系:氧分壓減少4位，阻抗約減少1位。 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 輸出函數(shù)：輸出函數(shù)： T：絕對(duì)溫度(K); k:波爾茲曼常數(shù)(1.380210-16erg/deg) 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：不需要參考?xì)怏w，測(cè)量部分小，容易作成防 水結(jié)構(gòu)，氣敏元件、加熱器、 分壓電阻作在一塊基板上。 性能：性能： TiO2對(duì)溫度很敏感, 易受排氣溫度的影響,因此, 氣敏元件和加熱器作在一塊 基板上,使加熱速度提高,從 ZrO2 的35s預(yù)熱時(shí)間下降到 10s。 4/1 2 / Re PoxpRT kTE 11 13 15 17 100k 1

32、0k 1k 100 10 1 電極間電阻值 空燃比 理論空燃比點(diǎn) 電阻/ 空燃 比特性 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 2.6.4 管狀空燃比傳感器管狀空燃比傳感器(Air-Fuel Ratio Sensor) n名稱來(lái)源于“為了線性控制空燃比的傳感器”,但實(shí) 際檢測(cè)的對(duì)象是燃燒廢氣中所含的殘留氧氣,CO,HC 等未燃成分,叫做“排氣中氧和未燃成分線性傳感器” 比較準(zhǔn)確,也有叫 “Mixture Sensor ”, “ Universal EGO Sensor”, “ Linear Oxygen Sensor,” etc. 空燃比傳感器被有的試驗(yàn)車采用,但目前還未批量生產(chǎn), 這里只介紹“單電

33、池的管式”和“雙電池的疊層式” n工作原理：工作原理：在濃差電池電路中,由Kirchhoff電流定 律可得:E0=IP(Ri+R)+V0+E 其中,E:濃差電池電動(dòng)勢(shì); E0:預(yù)加電壓;V0:固定偏置電 壓; R:測(cè)量擴(kuò)散速度電流IP的外接電阻; Ri:極間電阻. 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) 在限制擴(kuò)散速度的多孔膜內(nèi)外氧氣分壓保持一定時(shí), 如用單一通孔等價(jià)代換多孔膜內(nèi)的連通通道,則可 由氣體分子擴(kuò)散的熱力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程式得到流過(guò)多 孔膜氣體的雙向流量: IP=4FDs(Pe-Pd)/RTl 其中, IP:排氣中的離子電流(mA); D:擴(kuò)散系數(shù)(Diffusion Coefficient);

34、 s/l:等價(jià)單一通道面積s與長(zhǎng)度l之比; Pe:排氣中的氧分壓; Pd:被擴(kuò)散膜所覆蓋的排氣電極周圍的氧分壓. 管狀空燃比傳感器將大氣作為基準(zhǔn)氣體引入管內(nèi)側(cè), 待測(cè)氣體配置在管外側(cè),一個(gè)電池既是基準(zhǔn)電池又 是測(cè)量電池.為此,方程式中具體的控制內(nèi)容有: 常用傳感器最新 汽車電子控制技術(shù) E恒定控制恒定控制:要使?jié)獠铍姵氐碾妱?dòng)勢(shì)保持恒定,必須使 兩電極間的氧分壓比Pa/Pd保持不變,為此,采用雙向 流動(dòng)的氧離子電流,根據(jù)Pa=2.09X10-1對(duì)Pd進(jìn)行反饋 控制使其為2.09X10-10. Ri恒定控制恒定控制:為了穩(wěn)定濃差電池的工作溫度 (t=650+273K)，用壓降法求得和溫度相關(guān)的極間電 阻(Ri=20)，對(duì)加熱器的通電時(shí)間進(jìn)行反饋控制。 IP線性控制線性控制:濃差電池氧離子電流和極間電壓Vs的關(guān) 系如