3第三章--典型傳感器第一頁，共140頁。傳感器的分類按工作原理分

發(fā)電式傳感器：將非電量轉(zhuǎn)化為電動勢的傳感器。如測速發(fā)電機(jī)、磁感式傳感器等。

電參量式傳感器：將被測量轉(zhuǎn)換為電參量（如電阻、電容、電感等）的變化。各類電阻（熱敏電阻、壓敏電阻、光敏電阻等）式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器等。按被測物理量分按被測物理量的不同，傳感器可分為很多類，汽車行業(yè)所用的傳感器主要有：溫度傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、速度/轉(zhuǎn)速傳感器、傾角傳感器、氣體傳感器等。

第二頁，共140頁。3．1電阻式傳感器熱敏電阻式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器壓敏電阻式傳感器滑變電阻式傳感器光敏電阻式傳感器第三頁，共140頁。一、熱敏電阻式傳感器

熱敏電阻式溫度傳感器是利用某些金屬氧化物或單晶鍺、單晶硅等材料的電阻值隨溫度的變化而變化的特性工作的。制造熱敏電阻的材料不同，熱敏電阻隨溫度變化的規(guī)律亦不同，據(jù)此，熱敏電阻式溫度傳感器被分為三種不同類型，即正溫度系數(shù)型（PTC）：電阻值

隨溫度

的上升而上升；負(fù)溫度系數(shù)型（NTC）：電阻值

隨溫度

的上升而下降；臨界溫度型（CTR）：在某一特定溫度，電阻值

發(fā)生突變。第四頁，共140頁。熱敏電阻式傳感器的特性與特點(diǎn)

熱敏電阻式溫度傳感器的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、制造成本低、測量精度，在汽車上得到了廣泛的應(yīng)用。圖3-1熱敏電阻特性曲線1－正溫度系數(shù)型(PTC)；2－負(fù)溫度系數(shù)型(NTC)；3－臨界溫度型(CTR)第五頁，共140頁。熱敏電阻式傳感器的應(yīng)用

汽車上各部位（如反動機(jī)溫度、進(jìn)氣溫度、空調(diào)出風(fēng)的溫度）的溫度測量幾乎都采用負(fù)溫度系數(shù)型（NTC）熱敏電阻式溫度傳感器。

負(fù)溫度系數(shù)型熱敏電阻溫度傳感器：

(3-1)

式中：

——熱敏電阻的電阻值；

、

——與材料和工藝有

關(guān)的常數(shù)；

——被測溫度。第六頁，共140頁。

二、壓敏電阻式傳感器

壓敏電阻式傳感器是利用壓阻效應(yīng)來工作的。有些半導(dǎo)體材料在受到壓力作用后，其電阻率會發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。利用壓阻效應(yīng)制造出的敏感元件就是人們常說的壓敏電阻。

壓敏電阻主要是結(jié)晶硅和鍺經(jīng)摻入雜質(zhì)后形成的P型和N型半導(dǎo)體。由于半導(dǎo)體是各向異性的材料，因此它的壓阻系數(shù)不僅與摻雜濃度、工作溫度和材料的類型有關(guān)，而且還與晶軸方向有關(guān)。當(dāng)單晶半導(dǎo)體材料沿某一軸向受外力作用時，原子點(diǎn)陣排列規(guī)律隨之發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度產(chǎn)生變化，從而引起電阻率的變化。

單晶半導(dǎo)體電阻率的變化率在外力作用下變化明顯，而單位應(yīng)變和徑向相對變化率的變化卻很小，可以忽略不計(jì)。

第七頁，共140頁。

壓敏電阻受外力時電阻的變化率為：

(3-17)

式中：—半導(dǎo)體的壓阻系數(shù)；

—半導(dǎo)體材料的彈性模量，晶向不同時，其值亦不同，晶向?yàn)?lt;110>時，＝1.67×1011N/m2；

—材料的應(yīng)變。若從專門處理的單晶硅或鍺上沿一定晶軸方向切割一小塊晶片，便可制造出P型和N型壓敏電阻，P型壓敏電阻在受壓后，電阻值增加，而N型壓敏電阻在受壓后電阻值會減小。第八頁，共140頁。

壓敏電阻常用來制造壓力傳感器，即壓敏電阻式壓力傳感器，又稱為擴(kuò)散硅壓力傳感器，如圖3-9所示。其核心件是一塊沿某晶向切割的N型硅膜片,在膜片上利用集成電路工藝擴(kuò)散出四個阻值相同的P型電阻（四個電阻的分布如圖3-9（b）所示），并將其連成一平衡電橋，膜片的四周用圓形硅環(huán)固定，如此便形成了上、下兩腔，上腔為高壓腔，下腔為低壓腔。圖3-9壓敏電阻式壓力傳感器(a)

壓敏電阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)(b)P型電阻的分布1－引線；2－硅環(huán)；3－高壓腔；4－低壓腔；5－硅膜片第九頁，共140頁。

壓敏電阻式壓力傳感器的突出特點(diǎn)是，敏感元件與彈性元件制成一體，因此它的體積可以做的很小，最小的壓敏電阻式壓力傳感器其外形尺寸只2mm左右。此外，壓敏電阻式壓力傳感器固有頻率很高，其值為：

（3-18）式中：—固有頻率；

—膜片厚度；

—膜片的彈性模量；

—膜片材料的泊松比；

—膜片材料的電阻率。由第二章對測試系統(tǒng)動態(tài)特性的分析知，固有頻率高的測試系統(tǒng)，其通頻帶就寬。因此，壓敏電阻式壓力傳感器可以測量頻繁變化的流體壓力，包括脈動的壓力。正因?yàn)槿绱?，壓敏電阻式壓力傳感器不僅在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用（如用其測試汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力），而且還大量用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。第十頁，共140頁。三、滑變電阻式傳感器

滑變電阻式傳感器又稱電位計(jì)式傳感器，其工作原理是通過滑動觸點(diǎn)改變電阻絲的長度來改變電阻值的大小，進(jìn)而將電阻值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂娏鞯淖兓?，如圖3-1所示。圖3-1滑變電阻式傳感器（a）線位移型（b）角位移型

第十一頁，共140頁。

圖中變阻器的活動觸C的滑動量分別為X（線位移型）和α（角位移型）。固定觸點(diǎn)A和活動觸點(diǎn)C之間的電阻值分別為：

(3-1)

(3-2)

式中：、—分別為線位移型和角位移型滑變電阻式傳感器的輸出電阻；、—分別為單長度和單位弧度的電阻值；、—分別是線位移和角位移。

滑變電阻式傳感器的輸出（電阻）與輸入（位移）呈線性關(guān)系。傳感器的靈敏度E就是該直線的斜率，即：

(3-3)

（3-4）第十二頁，共140頁。

若滑變電阻式傳感器與后繼設(shè)備相連，由于二者之間有能量的交換，因此必然存在負(fù)載效應(yīng)（負(fù)載效應(yīng)對測量結(jié)果的影響由后繼設(shè)備的阻抗性質(zhì)決定），其結(jié)果是使得傳感器的輸出與輸入之間的線性關(guān)系變?yōu)榉蔷€性。為了補(bǔ)償這種非線性，在實(shí)際測試工作中常采用滑動觸點(diǎn)距離與電阻值成非線性關(guān)系的變阻器，如圖3-2所示。

（a）（b）（c）圖3-2非線性滑變電阻式傳感(a)簡單非線性(b)正余弦式(c)對數(shù)式第十三頁，共140頁。獲得高分辨率的結(jié)構(gòu)方案：線繞式結(jié)構(gòu)線繞式結(jié)構(gòu)的兩大缺點(diǎn)：

1、電阻的變化是臺階狀（當(dāng)滑動觸點(diǎn)從一圈導(dǎo)線移至下一圈時，電阻值不是連續(xù)變化，而是呈現(xiàn)出一個一個的臺階）；

2、呈現(xiàn)出電感式阻抗。解決方案：用碳膜或?qū)щ娝芰现谱龌冸娮枋絺鞲衅鳌；冸娮枋絺鞲衅鞯膬?yōu)點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便。在汽車領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。

在汽車上的應(yīng)用：發(fā)動機(jī)節(jié)氣門位置傳感器、汽車側(cè)滑試驗(yàn)臺上的線位移傳感器等多采用滑變電阻式傳感器。

第十四頁，共140頁。四、電阻應(yīng)變片式傳感器

由《物理學(xué)》之，金屬絲的電阻與金屬絲的長度、截面積及電阻率的關(guān)系如下：

(3-5)式中：—電阻值，；

—電阻率，；

—金屬絲的長度，；

—金屬絲的截面積，。

當(dāng)金屬絲受到拉伸或壓縮時，由于金屬絲的長度L和截面積A要發(fā)生變化，因此電阻值R亦會發(fā)生變化。為了了解其變化規(guī)律，下面對式（3-5）進(jìn)行微分得：

（3-6）第十五頁，共140頁。

設(shè)金屬絲的半徑為r，則截面積，將其代入式(3-6)并整理得：

(3-7)式中：—單位應(yīng)變，常用表示；

—金屬絲的徑向相對變化率，當(dāng)金屬絲沿軸向伸長時，徑向必然會相對地縮小，其二者的關(guān)系為：

(3-8)

—金屬絲的泊松比；

—金屬絲電阻率的相對變化率，其大小與縱向所受的應(yīng)力有關(guān)。

(3-9)

—縱向壓阻系數(shù)；

—材料的彈性模量。第十六頁，共140頁。

將式（3-8）和（3-9）代入（3-7）式，并整理得：

(3-10)

對于一般的金屬材料而言，電阻率的變化率很小，即縱向壓阻系數(shù)很小，可忽略不計(jì)。如此，式（3-10）就變?yōu)椋?/p>

(3-11)

即金屬絲的電阻變化率與縱向應(yīng)變成正比，這就是金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)，利用應(yīng)變效應(yīng)制做的傳感器稱為電阻應(yīng)變片式傳感器。式（3-11）中的即為電阻應(yīng)變片式傳感器的靈敏度，用表示。第十七頁，共140頁。1、電阻應(yīng)變片式傳感器的構(gòu)造

電阻應(yīng)變片式傳感器由電阻應(yīng)變片和彈性元件兩大部分組成，如圖3-3所示。圖3-3電阻應(yīng)變片式傳感器1－電阻應(yīng)變片2－彈性元件第十八頁，共140頁。

電阻應(yīng)變片

電阻應(yīng)變片有金屬絲式和金屬箔式兩種，如圖3-4所示。由基底1、敏感柵2、蓋片3和引線4等部分組成。圖中l(wèi)為柵長，又稱格距，一般l＝2～3mm。柵長小的應(yīng)變片橫向效應(yīng)嚴(yán)重，粘貼和定位較困難，所以常選用柵長大的應(yīng)變片。柵長小的應(yīng)變片主要用于應(yīng)變變化梯度大、頻率高、粘貼面受限的場合。a為柵寬，通常10mm。

圖3-4電阻應(yīng)變片的構(gòu)造（a）金屬絲式（b）金屬箔式1－基底；2－敏感柵；3－蓋片；4－引線第十九頁，共140頁。金屬絲式應(yīng)變片：

敏感柵常用直徑20μm～30μm的康銅或鎳鉻合金曲折繞成柵狀后貼在由浸漬過絕緣材料的紙或合成有機(jī)聚合物的基底上。缺點(diǎn)：橫向效應(yīng)比較明顯。金屬箔式應(yīng)變片

敏感柵通常是用光刻法在厚度僅為1μm～10μm的金屬箔片上刻制而成。如此，不僅可制造出可滿足各種不同測試要求的形狀復(fù)雜的應(yīng)變片（如圖3-5所示）,而且刻制出的線條均勻、尺寸精度高，適于大批量制造。

第二十頁，共140頁。

彈性元件

彈性元件是電阻應(yīng)變片式傳感器不可或缺的重要組成部分。為了將被測量轉(zhuǎn)換為適合于應(yīng)變片測量的應(yīng)變范圍，需按被測量的性質(zhì)對彈性元件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。如圖3-6所示。

圖3-6彈性元件結(jié)構(gòu)簡圖第二十一頁，共140頁。2、電阻應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用

電阻應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用十分廣泛，除大量用于各種結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變測量外，在工程測試的各個領(lǐng)域均有應(yīng)用。拉壓力的測量

轉(zhuǎn)矩測量流體壓力測量第二十二頁，共140頁。

拉壓力測量

在工程測試領(lǐng)域有大量拉壓力的測試問題，其中汽車軸荷儀是電阻應(yīng)變片式傳感器測拉、壓力的一種典型應(yīng)用。第二十三頁，共140頁。

轉(zhuǎn)矩測量

利用電阻應(yīng)變片式傳感器測轉(zhuǎn)矩有兩種不同的結(jié)構(gòu)方案,如圖3-7所示。方案一：在轉(zhuǎn)軸(彈性元件)的圓周上沿主應(yīng)力方向均布四個應(yīng)變片，并將其聯(lián)接成電橋(見圖3-7(a)),測出轉(zhuǎn)軸表面最大應(yīng)力便可計(jì)算出轉(zhuǎn)矩的大小。方案二：通過一個力臂將轉(zhuǎn)矩的測量轉(zhuǎn)換為力的測量。電阻應(yīng)變片式力傳感器3測得的壓力乘以測力臂2的長度L即為所要測量的轉(zhuǎn)矩圖3-7轉(zhuǎn)矩的測量1－支架；2－測力臂；3－力傳感器第二十四頁，共140頁。

流體壓力的測量

圖3-8是一種膜電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖。彈性元件是一種周邊固定的圓形金屬膜片，在壓力P的作用下，膜片周圍上的切向應(yīng)變?yōu)榱?，徑向?yīng)變?yōu)樨?fù)的最大應(yīng)變；在膜片的中心處,切向應(yīng)變和徑向應(yīng)變相等，且均達(dá)到正的最大值。據(jù)此，將四個應(yīng)變片按圖3-8(c)所示的方法粘貼，并將其接成差動電橋，便可測量流體的壓力。

圖3-8膜片式壓力傳感器(a)膜片式壓力傳感器的構(gòu)造(b)膜片上的應(yīng)變(c)應(yīng)變片的布置第二十五頁，共140頁。3、應(yīng)變片的溫度特性

熱脹冷縮是金屬材料的共同特性。由此可見，溫度的變化必然引起電阻值的變化。由于在測試過程中，應(yīng)變引起的電阻值變化一般都很小，因此溫度的變化所引起的電阻值變化所占的比重相當(dāng)大。溫度的影響還表現(xiàn)在另一個方面，即敏感柵與基底材料線脹系數(shù)的差異也會帶來附加的應(yīng)變。

溫度對敏感柵電阻值的影響

敏感柵與基底線脹差異引起的附加應(yīng)變第二十六頁，共140頁。

溫度對敏感柵電阻值的影響

設(shè)測試過程中被測試件的溫度變化為，則由此所引起敏感柵電阻值的變化為：

(3-13)

式中：—溫度變化引起敏感柵電阻值的變化；

—應(yīng)變片電阻；

—應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)；

—測試過程中被測試件的溫度變化值。電阻值的變化折算成相應(yīng)的應(yīng)變值為：

(3-14)

式中：—應(yīng)變片的靈敏度。第二十七頁，共140頁。

敏感柵與基底線脹差異引起的附加應(yīng)變

設(shè)測試過程中被測試件的溫度變化為，則敏感柵與基底線脹差異引起的附加應(yīng)變?yōu)椋?/p>

(3-15)

式中：—線脹差異引起的附加應(yīng)變、—分別為敏感柵和基底材料的線脹系數(shù)。溫度引起的總的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

（3-16）

欲消除溫度的影響，常用的方法是進(jìn)行補(bǔ)償。關(guān)于測試結(jié)果的補(bǔ)償，后面有專門的章節(jié)進(jìn)行討論。前面的應(yīng)用實(shí)例中，將電阻應(yīng)變片進(jìn)行橋接就是一種有效的補(bǔ)償方法。

第二十八頁，共140頁。3.2電容式傳感器

電容式傳感器事實(shí)上就是一個可變電容。若忽略電容器的邊緣效應(yīng)，則平行極板電容器的電容量為：

(3-19)

式中：—電容量，F(xiàn)；

—極板的有效面積，；

—真空介電常數(shù)，＝8.85×10-12

；

—極板間介質(zhì)的介電常數(shù),當(dāng)介質(zhì)為空氣時，＝1；

—兩極板間的距離，。由上式可知，改變電容器的、和均可帶來電容量的變化，據(jù)此便可制做出三種不同類型的電容式傳感器，即：型電容式傳感器、型電容式傳感器和型電容式傳感器。第二十九頁，共140頁。

一、A型電容式傳感器A型電容式傳感器有三種不同的結(jié)構(gòu)形式，即：平板平移式圓柱平移式旋轉(zhuǎn)式電容傳感器圖3-10型電容式傳感器

（a）平板平移式（b）圓柱平移式（c）旋轉(zhuǎn)式1－活動極板；2－固定極板第三十頁，共140頁。1、平板平移式電容傳感器

當(dāng)活動極板1沿x方向移動時（見圖3-10(a)），電容器極板有效面積的變化量為：

(3-20)

由此帶來電容量的變化為：

(3-21)

式中：—傳感器的靈敏度，。對于某一具體的電容式傳感器，和均為定值，即為常數(shù)。由此可見，該電容式傳感器的輸出與輸入呈線性關(guān)系。

第三十一頁，共140頁。

2、圓矩平移式電容傳感器

當(dāng)沿電容器的軸線方向移動圓柱平移式電容傳感器的活動極板時（見圖3-10(b)），利用高斯積分可得到該電容器的電容量為：（3-22）式中：、--分別為固定極板的內(nèi)徑和活動極板的外徑。若活動極板的軸向移動量為，則電容的變化量為：（3-23）式中：—傳感器的靈敏度，。由于、及、均為不變的量，因此，此種傳感器也具有線性特性。

第三十二頁，共140頁。二、d型電容式傳感器（3-25）由式（3-25）知，當(dāng)電容器極板間間距d改變時，電容量隨d的變化規(guī)律是一曲線，如圖3-11（b）所示。圖3-11d型電容式傳感器(a)

d型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖(b)d型電容式傳感器的特性曲線1－活動極板；2－固定極板第三十三頁，共140頁。

設(shè)電容器初始狀態(tài)兩極板的間距為，對應(yīng)的電容量為：活動極板1向固定極板2的方向平移時的電容量將增加為，即：（3-26）將式（3-26）等式右邊的分子和分母同乘以得：當(dāng)很小時，＝，則上式變?yōu)椋海?-27）即當(dāng)很小時，d型電容式傳感器的特性近似于線性。其靈敏度為：

(3-28)

上式表明，d型電容式傳感器的靈敏度與極板間距的平方成反比，即極板間距越小，靈敏度越高。但當(dāng)靈敏度提高時，非線性誤差亦隨之增大，因此這種傳感器的測量范圍有限。第三十四頁，共140頁。

三、型電容式傳感器

圖3-12是兩種不同形式的型電容式傳感器。一種是在圓筒極板之間改變液態(tài)介質(zhì)質(zhì)量的多少，另一種是在平板極板間改變固態(tài)介質(zhì)的插入深度。前者的輸入常是液位，后者的輸入一般是位移，因此將其分別稱為型電容式液位傳感器和型電容式位移傳感器。

第三十五頁，共140頁。

1、型電容液位傳感器

設(shè)圖3-14(a)傳感器兩圓筒形極板的長度為

，內(nèi)極板的外徑為

、外極板的內(nèi)徑為

，極板間的液體介質(zhì)為非導(dǎo)電液體，其介電常數(shù)為

，極板間未被液浸泡的部分是空氣，其介電常數(shù)

，極板被液體介質(zhì)浸泡的深度為

，此時該電容式傳感器的輸出電容

為：

（3-29）式中：—電容器兩極板間為空氣介質(zhì)的電容量，；

—該電容式傳感器的靈敏度，。由式（3-29）知，此電容器的特性為線性。第三十六頁，共140頁。2、型電容式位移傳感器

（3-30）

式中：—電容器極板寬度；—電容器極板長度；

—真空介電常數(shù)；—固體電介質(zhì)的介電常數(shù)；

—固體電介質(zhì)進(jìn)入電容器極板的深度；

—極板間距；—電容器極板間為空氣介質(zhì)的電容量，；

—傳感器的靈敏度。第三十七頁，共140頁。

四、差動電容傳感器

為了提高測試系統(tǒng)的靈敏度、消除溫升所帶來的誤差，常將電容式傳感器做成差動式結(jié)構(gòu)。差動結(jié)構(gòu)的電容式傳感器的靈敏度是相應(yīng)單個電容傳感器的兩倍，而且還自動消除了溫升所引起的測試誤差。圖3-13差動機(jī)構(gòu)的電容式傳感器第三十八頁，共140頁。

五、容柵式傳感器

電容式傳感器的重要特點(diǎn)是量程非常有限，即只適合測量一些微小變化的量。為了能有效解決變化范圍很大的一些物理量的測量，近些年，在A型電容式傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來一種容柵式傳感器。容柵式傳感器的量程得到了極大地擴(kuò)展。從理論上講，它的測量范圍可以達(dá)到任意大小。圖3-14容柵式傳感器(a)外形結(jié)構(gòu)(b)剖面圖1－矩形窗口，2－測量裝置，3－金屬帶，4－發(fā)射電極，5－接收電極第三十九頁，共140頁。

容柵式傳感器已發(fā)展出多種不同的結(jié)構(gòu)型式，由于它不僅量程大，而且精度很高（可達(dá)5μm），因此被認(rèn)為是一種極有發(fā)展前途的傳感器，在汽車試驗(yàn)領(lǐng)域已開始將其用于位置、位移及長度的測量。數(shù)顯游標(biāo)卡尺已用到容柵式傳感器。(a)活動和固定柵片(b)整體1－活動?xùn)牌綐O板；2－固定柵片式極板第四十頁，共140頁。六、電容式傳感器的應(yīng)用

由于電容式傳感器具有體積小、功耗低、精度高、性能穩(wěn)定及所需要驅(qū)動力小等特點(diǎn)，因此在汽車及各工程領(lǐng)域被廣泛地用來測量位置、位移、壓力、振動、噪聲和傾角等。下面舉兩例介紹電容式傳感器的應(yīng)用。

電容式加速度傳感器電容式傾角傳感器第四十一頁，共140頁。1、電容式加速度傳感器

圖3-16電容式加速度傳感器

1－下固定極板；2－外殼；3－彈性支承鋼片；4－質(zhì)量塊；

5－上固定極板；6－絕緣墊；A、B－上、下活動極板第四十二頁，共140頁。2、電容式傾角傳感器

圖3-17是電容式傾角傳感器的工作原理簡圖。圖3-17(a)是傾角為零的狀態(tài)；如圖3-17(b)。從圖中可以看出，隨著傾角的改變，電容器兩極板被液體介質(zhì)浸泡的面積隨之改變，即介電常數(shù)隨之發(fā)生變化,傳感器的輸出電容隨傾角的變化而變化，如此便實(shí)現(xiàn)了傾角的測量。圖3-17電容式傾角傳感器1、3－分別是電容器的兩個極板；2－不導(dǎo)電的液體介質(zhì)第四十三頁，共140頁?？臻g傾角的測量

將圖3-20所示的傳感器按圖3-21所示的方法將其分成四個參數(shù)完全相同的電容器1、2、3、4，并將電容器1和3、2和4分別聯(lián)成2個差動式結(jié)構(gòu)。顯然，由電容器1和3組成的差動式

型電容傳感器可測量繞

軸的傾角

，由2和4組成的差動式

型電容傳感器可測量繞

軸的傾角

。第四十四頁，共140頁。3.3電感式傳感器

電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測的非電量轉(zhuǎn)換為電感量的變化。電感應(yīng)有自感和互感之分，與之對應(yīng)的分別稱為自感式和互感式傳感器。第四十五頁，共140頁。

一、自感式傳感器

圖3-19是自感式傳感器的結(jié)構(gòu),由電磁感應(yīng)原理可知,線圈1中電感L為：（3-31）式中：—線圈的匝數(shù)；

—磁路的磁阻。若空氣隙較小，且不考慮磁路的鐵損和導(dǎo)磁體的磁阻，則：

(3-32)

式中：—空氣隙厚度，；－真空的導(dǎo)磁率，＝4π×10-7

；－空氣隙的截面積，。

(a)型自感式傳感器(b)A型自感式傳感器(c)螺旋管式自感傳感器1－線圈；2－鐵芯；3－銜鐵第四十六頁，共140頁。

將式（3-27）代入（3-26）得線圈的電感量為：

(3-33)

由上式知，改變氣隙厚度及空氣隙的截面積A均可改變電感L。據(jù)此便可制造出兩種不同的傳感器，即:

（1）變氣隙厚度的自感式傳感器，簡稱為型自感式傳感器（見圖3-19(a)）；（2）變氣隙截面積的自感式傳感器，簡稱為A型自感式傳感器，如圖3-19(b)所示。

第四十七頁，共140頁。1、自感式傳感器

由式（3-33）知，型自感式傳感器的特性曲線是一雙曲線，如圖3-20(a)所示，該傳感器的靈敏度為：

(3－34)

由式（3-34）表明型自感式傳感器的靈敏度與氣隙厚度成反比，越小，靈敏度越高。第四十八頁，共140頁。

2、A型自感式傳感器

當(dāng)氣隙厚度不變時，該傳感器的電感值L與氣隙截面積成線性關(guān)系，如圖3-20(b)所示。該傳感器的靈敏度為：圖3-20自感式傳感器的特性曲線(a)型自感式傳感器(b)A型自感式傳感器

第四十九頁，共140頁。

3、螺旋管式自感傳感器

螺旋管式自感傳感器輸出電感涉及的計(jì)算比較復(fù)雜，在此直接引用《電磁學(xué)》中的結(jié)論，即電感L為：

（3-35）式中：—真空的導(dǎo)磁率，＝4π×10-7；

—磁通作用半徑；—線圈的高度；

—鐵芯插入線圈的深度；—比磁導(dǎo)；

—線圈的匝數(shù)。上式表明，螺旋管式自感傳感器的特性是一復(fù)雜曲線。通常螺旋管式自感傳感器的特性曲線由試驗(yàn)獲得，因?yàn)槭?3-35)是在某些假設(shè)的基礎(chǔ)上得到的，它與實(shí)際存在一定的誤差。第五十頁，共140頁。4、差動式自感傳感器

電感式傳感器最突出的特點(diǎn)是，線圈通電后會產(chǎn)生溫升，而溫度的變化會帶來輸出特性的變化。此外，供電電壓的波動也會給測試帶來影響，為克服這些不足，提高傳感器的靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中，和電容式傳感器一樣，常采用差動式結(jié)構(gòu)，如圖3-21所示。圖3-21差動式自感傳感器第五十一頁，共140頁。

二、互感式傳感器

互感式傳感器常采用兩個次級線圈組成差動式結(jié)構(gòu)，因此又稱為差動變壓器式傳感器。在結(jié)構(gòu)上，差動變壓器式傳感器和差動式自感傳感器基本相同，所不同的只是差動變壓器式傳感器在一個鐵芯上繞制了初級線圈和次級線圈，兩個次級線圈反向串連，當(dāng)給初級線圈上加上交流電壓時，次級線圈和分別產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和，其大小與銜鐵位移有關(guān)。當(dāng)銜鐵在中間位置時，，輸出電壓；當(dāng)銜鐵向上偏離中心位置時，，；當(dāng)銜鐵向下偏離中心位置時，，。圖3-22互感式傳感器

第五十二頁，共140頁。

通常不直接作為傳感器的輸出電壓，因?yàn)?(1）傳感器的輸出是交流電壓，其幅值與銜鐵位移成正比，因此輸出電壓的大小只能反映銜鐵的位置，而不能反映其運(yùn)動的方向；（2）當(dāng)銜鐵經(jīng)過中間位置時，其輸出有一定的零點(diǎn)殘余電壓，因此，即使和的有效值相等，由于其相位不相同，輸出電壓亦不等于零。為此，互感式傳感器的后接電路常采用能反映銜鐵位置和運(yùn)動方向的可補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的相敏檢波電路，如圖3-23所示。圖3-23互感式傳感器的后接電路第五十三頁，共140頁。

三、電感式傳感器的應(yīng)用

電感式傳感器是一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、靈敏度高、重復(fù)性好、精度高的傳感器，因此在汽車及工程領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。從電感式傳感器的工作原理看，其輸入方式與電容式傳感器很相像，因此絕大多數(shù)可用電容式傳感器所測得的量均可用電感式傳感器來測量（傾角的測量除外）。即電感式傳感器可用于測量位置、位移、振動、噪聲和壓力等。

第五十四頁，共140頁。3.4氣體傳感器

可用于檢測氣體濃度或成分的傳感器統(tǒng)稱為氣體傳感器。氣體傳感器的種類很多，分類方法各異。

按結(jié)構(gòu)的不同，氣體傳感器可分為干式氣體傳感器和濕式氣體傳感器二大類。凡是構(gòu)成氣體傳感器的材料為固體者稱為干式氣體傳感器；凡是利用水溶性或電解液感知?dú)怏w濃度或成分這成為濕式氣體傳感器。

按工作原理的不同，氣體傳感器可分為接觸燃燒式氣體傳感器、半導(dǎo)體式氣體傳感器、固體電化學(xué)式氣體傳感器和紅外吸收式氣體傳感器。第五十五頁，共140頁。一、接觸燃燒式氣體傳感器接觸燃燒式氣體傳感器的工作原理接觸燃燒式氣體傳感器的結(jié)構(gòu)第五十六頁，共140頁。1、接觸燃燒式氣體傳感器的工作原理

可燃性氣體(

、

、

等)與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，使得敏感材料鉑絲的溫度升高，電阻值相應(yīng)增大?？諝庵锌扇夹詺怏w的濃度都不太高(低于10％)，可燃性氣體可以完全燃燒，其發(fā)熱量與可燃性氣體的濃度有關(guān)。只要測定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值(

)，就可檢測空氣中可燃性氣體的濃度。純鉑絲線圈作為檢測元件，其壽命較短，所以，實(shí)際應(yīng)用的檢測元件，都是在鉑絲圈外面涂覆一層氧化物觸媒。

—檢測元件；

—補(bǔ)償元件第五十七頁，共140頁。

工作時，要求在

和

上保持100mA～200mA的電流通過，以供可燃性氣體在檢測元件

上發(fā)生氧化反應(yīng)(接觸燃燒)所需要的熱量。當(dāng)檢測元件

與可燃性氣體接觸時，由于劇烈的氧化反應(yīng)(燃燒)，釋放大量熱量，使得檢測元件的溫度上升，電阻值相應(yīng)增大，橋式電路不再平衡，在

間產(chǎn)生電位差

。

（3-38）

式中：

——檢測元件的電阻值，

；

——測試過程中檢測元件電阻值的變化，

；

——補(bǔ)償原件

的電阻值，

；

——電橋電阻，

。第五十八頁，共140頁。

因?yàn)?/p>

很小，且

，式（3-38）可改寫為：

（3-39）令：

，則有：

（3-40）第五十九頁，共140頁。

若檢測元件

和補(bǔ)償元件

的電阻比

接近于1，

兩點(diǎn)間的電位差

近似地與

成比例。在此，

是由與可燃性氣體接觸燃燒所產(chǎn)生的溫度變化(燃燒熱)引起的，與接觸燃燒熱(可燃性氣體氧化反應(yīng)熱)成比例，即

可用下式表示：

（3-41）式中：

——檢測元件的電阻溫度系數(shù)；

——由于可燃性氣體接觸燃燒所引起的檢測元件的溫度增加值；

——可燃性氣體接觸燃燒的發(fā)熱量；

——檢測元件的熱容量；

——可燃性氣體的燃燒熱；

——可燃性氣體的濃度[％(Vol)]；

——由檢測元件上涂覆的催化劑決定的常數(shù)。第六十頁，共140頁。

，

和

的數(shù)值與檢測元件的材料、形狀、結(jié)構(gòu)、表面處理方法等因素有關(guān)。

由可燃性氣體的種類決定。因而，在一定條件下均為常數(shù)。將式(3-41)代入式(3-40)得：

（3-42）

即

、

兩點(diǎn)間的電位差與可燃性氣體的濃度

成比例。如果在

、

兩點(diǎn)間連接電流計(jì)或電壓計(jì)，就可以測得

、

間的電位差

，并由此求得空氣中可燃性氣體的濃度。若與相應(yīng)的電路配合，就能在空氣中當(dāng)可燃性氣體達(dá)到一定濃度時，自動發(fā)出報警信號，其感應(yīng)特性曲線如下圖所示。

第六十一頁，共140頁。2、接觸燃燒式氣體傳感器的結(jié)構(gòu)

接觸燃燒式氣體傳感器用鉑絲繞制成線圈一般繞10圈以上(1Ω～2Ω)。線圈外涂以氧化鋁或氧化鋁和氧化硅組成的膏狀涂覆層，干燥后在一定溫度下燒結(jié)成球狀多孔體，將其放在貴金屬鉑、鈀等的鹽溶液中充分浸漬后取出烘干，然后經(jīng)過高溫?zé)崽幚?，使在氧化鋁(氧化鋁一氧化硅)載體上形成貴金屬觸媒層，最后組裝成氣體敏感元件。作為補(bǔ)償元件的鉑線圈，其尺寸、阻值均應(yīng)與檢測元件相同，并涂覆氧化鋁或者氧化硅載體層，只是無需浸漬貴金屬鹽溶液以形成觸媒層。第六十二頁，共140頁。二、半導(dǎo)體式氣體傳感器

半導(dǎo)體式氣體傳感器的敏感元件大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料。當(dāng)被測氣體在半導(dǎo)體表面吸附后，使半導(dǎo)體敏感材料的電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率)發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為氣敏效應(yīng)，具有氣敏效應(yīng)的半導(dǎo)體材料又成為氣敏電阻。常用的氣敏材料有：

、

、

、

、

、

等。半導(dǎo)體式氣體傳感器可以有效地用于：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、酒精、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多氣體地檢測。半導(dǎo)體式氣體傳感器低廉的成本使其在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。第六十三頁，共140頁。1、氣敏電阻的特性參數(shù)氣敏電阻的固有電阻值氣敏元件的加熱電阻和加熱功率氣敏電阻的響應(yīng)時間氣敏電阻的恢復(fù)時間初期穩(wěn)定時間第六十四頁，共140頁。（1）氣敏電阻的固有電阻值

將半導(dǎo)體氣體傳感器在常溫下置于潔凈空氣中所測得的電阻，稱為氣敏電阻的固有電阻值

，其值約為103～105Ω。由于地理環(huán)境的差異，各地區(qū)空氣中含有的氣體成分差別較大，即使對于同一氣敏電阻在溫度相同的條件下，在不同地區(qū)進(jìn)行測量，其電阻值會各不相同。第六十五頁，共140頁。（2）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率

氣敏電阻一般工作在200℃以上的高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻(指加熱器的電阻值)稱為加熱電阻，用

表示。直熱式的加熱電阻值一般小于5Ω；旁熱式的加熱電阻大于20Ω。氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用

表示，其數(shù)值約為0.5～2.0W。第六十六頁，共140頁。（3）氣敏電阻的響應(yīng)時間

在工作溫度下，從氣敏電阻與一定濃度的被測氣體接觸到氣敏電阻的阻值達(dá)到在此濃度下穩(wěn)定電阻值的63％所經(jīng)歷的時間，稱為氣敏電阻的響應(yīng)時間，用

表示。第六十七頁，共140頁。（4）氣敏電阻的恢復(fù)時間

在工作溫度下，氣敏元件脫離被測氣體時至其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的63％時所需時間，成為氣敏電阻的恢復(fù)時間，用

表示。第六十八頁，共140頁。（5）初期穩(wěn)定時間

長期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏電阻,因表面吸附空氣中的水分或者其他氣體，導(dǎo)致其表面狀態(tài)的變化。因此，使氣敏電阻恢復(fù)正常工作狀態(tài)需要一定的時間，此時間稱為氣敏元件的初期穩(wěn)定時間。通常氣敏電阻在剛通電的瞬間，其電阻值會先下降后上升，最后達(dá)到穩(wěn)定值。從接通氣敏電阻的電源到電阻值到達(dá)穩(wěn)定值所需的時間，稱為初期穩(wěn)定時間。初期穩(wěn)定時間是氣敏電阻存放時間和環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。存放時間越長，其初期穩(wěn)定時間也越長。在一般條件下，氣敏電阻存放兩周以后,其初期穩(wěn)定時間即可達(dá)最大值。第六十九頁，共140頁。2、氣敏電阻的結(jié)構(gòu)型式直接加熱式旁熱式第七十頁，共140頁。（1）直接加熱式

直接加熱式氣敏電阻由芯片(加熱器和測量電極一同燒結(jié)在金屬氧化物半導(dǎo)體管芯內(nèi))、基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成，如圖3-30所示。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測量電路與加熱電路間易相互干擾，加熱器與氣敏電阻基體間由于熱膨脹系數(shù)的差異而容易導(dǎo)致接觸不良，因此，此種型式的熱敏電阻在公程實(shí)踐中應(yīng)用相對較少。

（a）結(jié)構(gòu)

（b）符號1-測量電極；2-燒結(jié)體；3-加熱電極。第七十一頁，共140頁。（2）旁熱式

旁熱式熱敏電阻以陶瓷管為基底，管內(nèi)穿加熱絲，管外側(cè)有兩個測量極，測量極之間為金屬氧化物氣敏材料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，如下圖所示。

（a）氣敏電阻外形

（b）燒結(jié)體

（c）基本測量轉(zhuǎn)換電路

（d）氣敏電阻外形1-燒結(jié)題；2-不銹鋼網(wǎng)罩；3-引腳；4-塑料底座；5-加熱回路電源；6-加熱電極；7-工作電極；8-測量回路電源。第七十二頁，共140頁。三、固體電解質(zhì)式氣體傳感器

導(dǎo)電體有兩大類。一類是金屬導(dǎo)體，依靠自由電子導(dǎo)電。當(dāng)電流通過導(dǎo)體時，導(dǎo)體本身不發(fā)生任何化學(xué)變化。另一類是電解質(zhì)導(dǎo)體，依靠離子的運(yùn)動導(dǎo)電，在相界面有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，其電導(dǎo)率隨溫度升高而增大。電解質(zhì)導(dǎo)體有液體和固體之分，固體電解質(zhì)是離子遷移速度較高的固態(tài)物質(zhì)，具有一定的形狀和強(qiáng)度。對于多數(shù)固體電解質(zhì)而言，只有在較高溫度下，電導(dǎo)率才能達(dá)到

數(shù)量級，因此固體電解質(zhì)的電化學(xué)實(shí)際上是高溫電化學(xué)。第七十三頁，共140頁。

具有很好的耐高溫性能以及化學(xué)穩(wěn)定性。它在常溫下是單斜晶系晶體，當(dāng)溫度升高到大約1150℃時發(fā)生相變，成為正方晶系，同時產(chǎn)生大約9%（有資料介紹為7%）的體積收縮。溫度下降時相變會逆轉(zhuǎn)。由于

晶形隨溫度變化，因此它也是不穩(wěn)定的。但若在

中加入一定數(shù)量陽離子半徑與

相近的氧化物，如

、

、

、

等，經(jīng)高溫煅燒后，它們與

形成置換式固溶體。摻雜后，

晶形將變?yōu)槲炇土⒎骄?，并且不再隨溫度變化，稱為穩(wěn)定的

。摻入

的

可記作

或

，其余類同。穩(wěn)定的

和用類似的方法制作的

固體電解質(zhì)是制造氣體傳感器較為理想的材料。固體電解質(zhì)式氣體傳感器可用來測量

、

、

、

、

CO、

、

、

、

、

、

等多種氣體。第七十四頁，共140頁。

安裝在汽車發(fā)動機(jī)排氣管上的氧傳感器大多用

和

制成。下面以

氧傳感器為例介紹其結(jié)構(gòu)原理。

氧傳感器的基本元件是陶瓷體9，固定在管座2中。多孔陶瓷電極板(固體電解質(zhì))10的一邊與環(huán)境空氣接觸。多孔陶瓷的外面有一帶槽的保護(hù)套1，一旦氧氣滲入到多孔陶瓷就會發(fā)生電離，若陶瓷體內(nèi)(大氣)外(廢氣)側(cè)氧含量不一致，即存在濃度差時，在多孔陶瓷內(nèi)部的氧離子從大氣一側(cè)向廢氣一側(cè)擴(kuò)散，在多孔陶瓷電極板間便產(chǎn)生電壓。當(dāng)混合氣稀時，廢氣中所含氧多，多孔陶瓷兩側(cè)的氧濃度差相對較小，電極間產(chǎn)生小的電壓；當(dāng)混合氣濃時，廢氣中氧含量少，同時伴有較多的未完全燃燒的中間產(chǎn)物

、

等，這些成分在氧傳感器外表面的作用下，消耗廢氣中殘余的氧，使多孔陶瓷外表面氧濃度變?yōu)榱氵@樣就使其兩側(cè)的氧濃度差突然增大，兩極間產(chǎn)生的電壓便突然增大。當(dāng)

時，氧傳感器的輸出電壓幾乎為0；當(dāng)

時，氧傳感器的輸出電壓接近1V。第七十五頁，共140頁。

（a）傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（b）傳感器特性曲線

（c）傳感器外形圖3-32氧傳感器1-帶槽保護(hù)套；2-管座；3-外殼；4-絕緣體；5-電極；6-傳感器加熱線；7-簧片；8-加熱電阻；9-陶瓷體；10-多孔陶瓷電極板。第七十六頁，共140頁。

氧化鈦式氧傳感器是利用

材料的電阻值隨排氣中氧含量的變化而變化的特性制成的，故又稱電阻型氧傳感器。

氧傳感器的外形和氧化鋯式氧傳感器相似，在傳感器前端的護(hù)罩內(nèi)是一個

厚膜元件（見圖3-33）。

在常溫下是一種高電阻的半導(dǎo)體，但表面一旦缺氧，電阻隨之減小。由于

的電阻也隨溫度不同而變化，因此，在

氧傳感器內(nèi)部也有一個電加熱器，以保持

氧傳感器在發(fā)動機(jī)工作過程中的溫度恒定不變。

氧傳感器的輸出電壓在0.1-0.9V之間不斷變化，這一點(diǎn)與氧化鋯式氧傳感器很相似。第七十七頁，共140頁。

（a）

氧傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（b）

氧傳感器外形圖3-33

氧傳感器1-保護(hù)套管；2-連接線；3-二氧化鈦厚膜元件。第七十八頁，共140頁。3.5

GPS傳感器

GPS傳感器是利用GPS接收機(jī)(或稱GPS天線)實(shí)現(xiàn)絕對/單點(diǎn)定位測量，通過相應(yīng)的計(jì)算得到所需的測試結(jié)果。當(dāng)然，欲使GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)其測試功能，必須要有GPS系統(tǒng)。

GPS的英文全稱是：NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem，意為“導(dǎo)航星測時與測距全球定位系統(tǒng)”，簡稱全球定位系統(tǒng)。美國軍方從20世紀(jì)70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS以全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點(diǎn)。成功地應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空攝影、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)、軍事等多種學(xué)科。

全球定位系統(tǒng)由空間、地面監(jiān)控和接收等三部分組成。第七十九頁，共140頁。一、空間部分

空間部分使用24顆高度約2.02萬千米的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。衛(wèi)星均為近圓形軌道，運(yùn)行周期約為11小時58分，分布在六個軌道面上（每軌道面四顆），

軌道傾角為55度，如下圖所示。

衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地

方，任何

時間都可觀測到四顆

以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位

解算精度的幾何圖形（DOP）。

這就提供了在時間上連續(xù)的全球

導(dǎo)航能力。第八十頁，共140頁。二、地面控制部分

地面監(jiān)控部分包括四個監(jiān)控間、一個上行注入站和一個主控站。監(jiān)控站設(shè)有GPS用戶接收機(jī)、原子鐘、收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器和進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理的計(jì)算機(jī)。監(jiān)控站的主要任務(wù)是取得衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。主控站設(shè)在范登堡空軍基地。它對地面監(jiān)控部實(shí)行全面控制。主控站主要任務(wù)是收集各監(jiān)控站對GPS衛(wèi)星的全部觀測數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算每顆GPS衛(wèi)星的軌道和對衛(wèi)星鐘進(jìn)行修正。第八十一頁，共140頁。三、接受部分

接收部分已有各種不同功能和不同用途的設(shè)備，目前GPS接收部分一般可以同時接收12顆衛(wèi)星信號。GPS接收部分收到3顆衛(wèi)星的信號可以輸出2維（2D）數(shù)據(jù)，即只有經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，沒有高度數(shù)據(jù)。如果收到4顆以上的衛(wèi)星，就能輸出3D數(shù)據(jù)，可以提供海拔高度。但由于地球不是標(biāo)準(zhǔn)球體，因此高度數(shù)據(jù)有一定的誤差。現(xiàn)在有些GPS接收設(shè)備內(nèi)置了大氣壓表，通過多渠道得到的高度數(shù)據(jù)綜合出最終的海拔高度，從而提高了準(zhǔn)確度。第八十二頁，共140頁。四、GPS信號類型

GPS信號有C/A碼和P碼兩種類型。C/A碼的誤差是29.3m到2.93m。民用接收設(shè)備利用C/A碼計(jì)算定位。美國在90年代中期為了自身的安全考慮，在信號上作了干擾處理，令接收機(jī)的誤差增大，達(dá)到100米左右。但在2000年5月2日之后，干擾取消。所以，現(xiàn)在的GPS精度都能在20m以內(nèi)。P碼的誤差為2.93m到0.293m是C/A碼的十分之一，但是P碼只為美國軍方使用。第八十三頁，共140頁。五、GPS定位坐標(biāo)系

GPS定位坐標(biāo)系：常用的是LAT/LON即經(jīng)緯度，以及海拔高度。一般從GPS得到的數(shù)據(jù)是經(jīng)緯度和海拔高度。在經(jīng)緯度坐標(biāo)系里，緯度是平均分配的，從南極到北極一共180個緯度。經(jīng)度就不是這樣，只有在緯度為零的時候，即在赤道上，一個經(jīng)度之間的距離大約是111.319km，經(jīng)線隨著緯度的增加，距離越來越近，最后交匯于南北極。第八十四頁，共140頁。五、GPS定位坐標(biāo)系

GPS以地心為原點(diǎn)，Z軸指向北極。其工作原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)計(jì)算出接收機(jī)的具體位置。而衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。GPS系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射電文。當(dāng)用戶接受到電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與接收設(shè)備的距離，再利用電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，從而接收設(shè)備在大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知。然而，由于用戶接受設(shè)備使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)

外，還要引進(jìn)一個

即衛(wèi)星與接收設(shè)備之間的時間差作為未知數(shù)，然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收設(shè)備所處的位置，至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。第八十五頁，共140頁。六、GPS測速原理

接收器與衛(wèi)星之間的距離為：

（3-43）

式中：

——第

個衛(wèi)星的坐標(biāo)；

——接收設(shè)備的坐標(biāo)；

——光速。

將各衛(wèi)星的坐標(biāo)

代入式（3-43）便可解出接收設(shè)備的坐標(biāo)

。GPS接收設(shè)備移動時，坐標(biāo)

隨之發(fā)生變化，將坐標(biāo)的變化量對事件求導(dǎo)，即

、

、

是接收設(shè)備在各坐標(biāo)方向上的運(yùn)行速度，這就是GPS的測速原理。第八十六頁，共140頁。

3.6壓電式傳感器

壓電效應(yīng)：某些功能材料，當(dāng)沿一定方向?qū)ζ涫簳r，晶體不僅會產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變，而且其內(nèi)部還會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，從而在材料的相對表面上產(chǎn)生異性電荷而形成電場；當(dāng)外力移去后，晶體重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。利用壓電效應(yīng)制成的傳感器稱為壓電式傳感器。壓電效應(yīng)是由法國人皮埃爾·居里和雅克·居里于1880年發(fā)現(xiàn)的。已發(fā)現(xiàn)具有壓電效應(yīng)的材料有三類，即：（1）單晶壓電晶體，如石英、羅歇爾鹽（四水酒石酸鉀鈉）、硫酸鋰、磷酸二氫銨等；（2）多晶壓電陶瓷，如極化的鐵電陶瓷（鈦酸鋇）、鋯鈦酸鉛等；（3）高分子壓電薄膜，如聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯等。第八十七頁，共140頁。

盡管不同的壓電材料產(chǎn)生壓電效應(yīng)的機(jī)理不盡相同，但對任何壓電材料制成的壓電元件來說，所加外力于晶面產(chǎn)生的電荷量的關(guān)系式卻很相似，即：（3-36）式中：—壓電元件表面產(chǎn)生的電荷量；

—壓電元件的壓電系數(shù)；

—施加在壓電元件上的壓力。上式表明，壓電式傳感器所產(chǎn)生的電荷量與所施的壓力成正比。但值得注意的是，壓電傳感器的絕緣電阻很高，電荷易泄漏，欲獲得一個精確的測量結(jié)果，就必須采用不消耗壓電元件表面上產(chǎn)生的電荷的措施，即壓電傳感器與后繼設(shè)備不進(jìn)行能量交換，這在實(shí)際測試過程中是難以實(shí)現(xiàn)的。好在當(dāng)受動態(tài)交變力的作用時，壓電元件產(chǎn)生的電荷可不斷地得到補(bǔ)充。由此可見，壓電傳感器較適合于動態(tài)測量，而不適合于靜態(tài)測量。

第八十八頁，共140頁。

為了能測量壓電元件兩工作表面上產(chǎn)生的電荷量，常用金屬蒸鍍法在壓電晶片的兩工作表面上蒸鍍一層金屬薄膜，其材料多為銀或金，從而構(gòu)成兩個相應(yīng)的電極，如圖3-24所示。圖3-24壓電晶片結(jié)構(gòu)壓電晶片外形

1、3－蒸鍍的金屬薄電極；2－壓電晶片

壓電元件受壓后所能產(chǎn)生的電荷量很小，在實(shí)際使用中，常把兩片組合在一起使用，且根據(jù)輸出的需要進(jìn)行串連或并聯(lián)聯(lián)接，如圖3-25所示圖3-25壓電晶片的組合方式(a)串連(b)并聯(lián)第八十九頁，共140頁。

對于串連接法，其輸出的總電壓、總電荷量、總電容量與單晶片的電壓、電荷和電容的關(guān)系為：，，式中：－晶片數(shù)。對于并聯(lián)接法，，，

串連接法較適合于電壓量的輸出,并聯(lián)接法較適合于電荷量的輸出。盡管將兩個壓電元件組合起來使用可使傳感器的輸出量得以增大，但其量仍很有限，因此需對其放大；此外欲使壓電式傳感器能正常工作，就應(yīng)盡可能地減小它與后繼設(shè)備或電路的能量交換，即使它的負(fù)載阻抗極大。因此與壓電傳感器配套的測量電路之前置放大器必須具有兩大作用：(1)放大壓電傳感器的微弱信號；(2)將高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵觥Ｈ绱?，按壓電晶片組合方式的不同，其前置放大器亦有兩種不同的型式：一是電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(壓電傳感器的輸出電壓)成正比；另一是電荷放大器，其輸出電壓與輸入的電荷量成正比。前者稱為電壓放大型壓電傳感器，后者稱為電荷放大型壓電傳感器。第九十頁，共140頁。

1、電壓放大型壓電傳感器圖3-26電壓放大型壓電傳感器的等效電路－壓電傳感器的輸出電壓；－壓電元件的等效電容；－壓電元件的電阻；－電纜的分布電容；－放大器的輸入電阻；－放大器的輸入電容；－放大器的輸入電壓設(shè)壓電傳感器感受交變壓力的輸出電壓為：（3-37）式中：—交變應(yīng)力的圓頻率；—電壓的幅值。壓電元件開路時的電壓與電荷量的關(guān)系為：（3-38）將式(3-36)代入式(3-38)得：（3-39）式中：—壓電元件的壓電系數(shù)；—施加在壓電元件上的力；

—壓電元件的等效電容。第九十一頁，共140頁。

由圖3-26知，放大器的輸入電壓為：

（3-40）式中各符號的物理意義見圖3-26，—等效電阻，。放大器輸入電壓的幅頻特性和相頻特性分別為：

（3-41）式中：—交變力的幅值。

（3-42）當(dāng)時，放大器輸入端的電壓幅值為：

（3-43）這時傳感器的電壓靈敏度為：

（3-44）第九十二頁，共140頁。

式(3-40)、(3-41)、(3-43)和式(3-44)表明，電纜電容和放大器輸入電容的存在，會使傳感器的輸出和傳感器的靈敏度減小。在測試過程中如因某種原因需要更換電纜，那么就會發(fā)生變化，傳感器的輸出和靈敏度亦隨之變化，因此改變電纜的規(guī)格和長度后均需要對靈敏度進(jìn)行重新校正。不僅如此，若電纜線加長，將隨之增大，傳感器的輸出和靈敏度亦減小，這就是電壓放大型壓電傳感器的輸出信號不適合于遠(yuǎn)距離傳送的根本原因之所在。

第九十三頁，共140頁。2、電荷放大型壓電傳感器

圖3-27電荷放大型壓電傳感器的電路原理圖(a)基本電路(b)等效電路、、－分別為壓電元件的等效電容、電導(dǎo)和電阻；、－分別為放大器的輸入電容和電導(dǎo)；、、－分別是反饋電容、電導(dǎo)、電阻；－壓電元件的輸出電荷；－放大器的輸入電壓；－放大器的輸出電壓；－放大倍數(shù)；－電纜的分布電容。第九十四頁，共140頁。

圖3-27是電荷放大型壓電傳感器的電路原理圖。據(jù)此可得到等效電路的方程為：

（3-45）式(3-45)表明，只要放大器的放大倍數(shù)足夠大，式(3-45)分母中的<<，

<<，即壓電元件的電容及電纜的分布電容對電荷放大器輸出的影響很小。即電荷放大型壓電傳感器的輸出信號可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，且電纜線的改變不會影響到測試結(jié)果，這是電荷放大型壓電傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)。但電荷放大器的電路遠(yuǎn)比電壓放大器復(fù)雜，因此價格較高。

第九十五頁，共140頁。

3、壓電傳感器的應(yīng)用

由于壓電傳感器具有體積小、重量輕、信噪比高、工作可靠、通頻帶寬、精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此它在汽車及各工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。尤其是它極小的體積和重量及大的通頻帶寬，使之成為測量振動加速的首選傳感器。汽車振動及發(fā)動機(jī)暴振的測量，幾乎無一例外地都采用壓電式傳感器。圖3-28是三種不同結(jié)構(gòu)地壓電晶體式振動加速度傳感器。

圖3-28壓電晶體式振動加速度傳感器(a)中心壓縮式(b)環(huán)形剪切式(c)三角剪切式1－彈簧；2－質(zhì)量塊；3－壓電晶體；4－基座；5－導(dǎo)線

第九十六頁，共140頁。3.5磁電式傳感器

磁