第11章傳感器的綜合應(yīng)用本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容：11.1傳感器在家用電器中的應(yīng)用11.2傳感器在汽車工業(yè)中的應(yīng)用11.1傳感器在家用電器中的應(yīng)用許多簡單的傳感器和微系統(tǒng)產(chǎn)品，如溫度傳感器和液位傳感器早已應(yīng)用于家電領(lǐng)域，而新型的先進(jìn)傳感器正在以驚人的速度搶占市場，帶有智能控制系統(tǒng)的現(xiàn)代傳感器的運(yùn)用成為區(qū)別不同產(chǎn)品和廠家的顯著特點(diǎn)之一。越來越多的傳感器和微系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于家用電器中，如表11-1。家用監(jiān)控功能目前所用傳感器類型家用監(jiān)控功能目前所用傳感器類型洗衣機(jī)溫度旋轉(zhuǎn)液位質(zhì)量位置失衡NTC轉(zhuǎn)速計(jì)壓力傳感器電感傳感器簧片管轉(zhuǎn)速計(jì)、壓力傳感器微波爐溫度濕度陶瓷傳感器吹風(fēng)機(jī)氣體溫度濕度氣流NTC紅外線熱電偶NTC烘干機(jī)溫度濕度NTC電導(dǎo)傳感器烤面包機(jī)溫度溫度（非接觸）紅外線熱電偶雙金屬片開關(guān)、加速度傳感器洗碗機(jī)溫度咸度洗滌劑量噴射臂旋轉(zhuǎn)流量NTC簧片觸點(diǎn)+密度傳感器簧片觸點(diǎn)磁阻傳感器旋轉(zhuǎn)式水表壓力傳感器熨斗溫度濕度位置移動傾斜傳感器、加速度傳感器

真空吸塵器氣流微粒氣體

陶瓷傳感器制冷機(jī)溫度擴(kuò)張毛細(xì)血管、空氣凈化器微?？鞠錅囟萅TC家用傳感器使用實(shí)例11.1.1洗衣機(jī)中所用的傳感器

一臺洗衣機(jī)應(yīng)包括的基本功能有：攪動，進(jìn)水、水位，溫度控制，洗滌劑分配，水和泡沫監(jiān)控。1.洗衣機(jī)中的位移傳感器

根據(jù)測量技術(shù)分類，位移傳感器可分為兩大類。無論什么時(shí)候移動的待測物體和傳感器有機(jī)械連接的，就稱為“接觸式”位移傳感器；如果被測物體與移動目標(biāo)體無機(jī)械連接，后不允許連接，或受外力作用，此時(shí)就必須使用非接觸式位移傳感器。

洗衣機(jī)的滾筒經(jīng)彈簧和阻尼器與外殼相連接。當(dāng)加入負(fù)載，進(jìn)行洗滌和旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾筒相對與外殼運(yùn)動。洗衣機(jī)中的位移傳感器檢測滾筒的負(fù)重和不平衡。因此，這個(gè)傳感器必須既能檢測靜態(tài)位置，又能檢測動態(tài)位移。（1）電感測量原理

滾筒的位移是一個(gè)磁性鐵芯來測量的。隨著線圈內(nèi)鐵芯進(jìn)人量的變化，繞組中的感生電勢也發(fā)生變化。使用電橋電路測出感生電勢的變化就實(shí)現(xiàn)了將鐵芯位移量轉(zhuǎn)換成線性電信號的過程。

電感測量原理

為了降低洗滌和甩干時(shí)發(fā)出的噪聲，Micro-Epsilon和SUSPA聯(lián)合開發(fā)出一種先進(jìn)的彈簧一摩擦阻尼器傳感器系統(tǒng)。在高速旋轉(zhuǎn)過程中，滾筒的動力傳遞到阻尼器的聯(lián)合彈簧上。這個(gè)過程中摩擦襯里不會移動，這樣，整個(gè)轉(zhuǎn)動都很平穩(wěn)且噪聲很低。集成在阻尼器中的傳感器的結(jié)構(gòu)（2）感應(yīng)電動勢測量原理

這種測量方法是基于電渦流原理的。在鐵芯和線圈之間的非導(dǎo)電層上形成一個(gè)電容電路。輸出信號與被測物體的位置有關(guān)。感應(yīng)電動勢測量原理2.自動洗衣機(jī)中的加速度傳感器

在大部分常見的家用洗衣機(jī)類型中，裝有衣物的滾筒在盛有洗滌劑泡沫的容器中轉(zhuǎn)動。

在轉(zhuǎn)動的滾筒中,不平衡的洗漆物不但會產(chǎn)生速度波動，而且合力和反作用力也會移動彈簧懸掛裝置中的整個(gè)泡沫容器。在亞臨界和超臨界速度范圍內(nèi)，這樣的移動說明滾筒中有不平衡衣物。

測量泡沫容器移動的最簡單的方法是運(yùn)用距離傳感器，加速度傳感器（如圖11-5)基本上也是用于測量由不平衡物引起的泡沫容器偏移。但是,能用距離傳感器測量靜態(tài)洗滌物的重量，卻不能用加速度傳感器測量。不平衡物微控制器模擬壓力傳感器

圖11-5帶有液位傳感器和附加不平衡洗滌物的自動洗衣機(jī)

非常經(jīng)濟(jì)的加速度測量方法是在洗衣機(jī)里裝配上帶微處理器控制的高分辨力的模擬壓力傳感器。

采用差壓原理，并通過泡沫容器下部的軟管測量靜壓，以檢測泡沫容器的水位(如圖11-5)。

在旋轉(zhuǎn)的過程中，泡沫抽吸泵一直開著,壓力傳感器此時(shí)并不能檢測水位。一個(gè)固定泡沫容器的附加元件安裝在壓力傳感器與泡沫容器之間的軟管里，它能夠從泡沫容器的動態(tài)移動中產(chǎn)生壓力信號，這個(gè)信號再經(jīng)過壓力傳感器送人微處理器中進(jìn)行計(jì)算。

在旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)泡沫容器移動時(shí)，由于重塊的質(zhì)量慣性，彈性膜片會產(chǎn)生一個(gè)壓力信號。這樣，在這種洗衣機(jī)里極其廉價(jià)且耐用的加速度檢測成為可能。

壓力傳感器通常測量施加在一個(gè)給定表面上的壓力。從這個(gè)特殊壓力傳感器的原理來看，需要有一個(gè)加速的物體，當(dāng)加速時(shí)，這個(gè)物體能夠產(chǎn)生一個(gè)附加力，引出加速度信號。例1：壓阻式硅壓力傳感器壓阻構(gòu)件外加物塊圖11-6壓阻式硅壓力傳感器

外界壓力施加到傳感器上面，而被測壓力作用在底部。當(dāng)有壓力作用在硅壓阻元件上時(shí)，膜片發(fā)生形變。壓阻元件固定在膜片上，它根據(jù)膜片的形變來改變自身的電阻值。然后，由電橋電路產(chǎn)生一個(gè)與壓力差成比例的電信號。例2：電容器式壓力傳感器圖11-7電容式壓力傳感器

膜片中央也要安裝物塊，這個(gè)物塊增加了膜片質(zhì)量。如果加速度影響到傳感器外殼，那么膜片和物塊的慣性會引起膜片與外殼之間的相對運(yùn)動。接著膜片與電極之間的距離也發(fā)生改變，這樣也引起有關(guān)電容的改變，因而這種傳感器也可以測量加速度。3.洗衣機(jī)中的水位測量

水位測量是利用壓力測量原理實(shí)現(xiàn)的，其功能也只是作為單純的限位器。如圖11-8.圖11-8機(jī)電和電子壓力測量元件4.洗衣機(jī)中的溫度控制

洗衣機(jī)中的溫度控制通常是依靠一種功能類似于溫度限制器的毛細(xì)管溫度調(diào)節(jié)裝置來實(shí)現(xiàn)。如圖11-9.

圖11-9毛細(xì)管溫度調(diào)節(jié)器和NTC溫度傳感器11.1.2控制燃燒過程的傳感器

使用傳感器監(jiān)控燃燒狀態(tài)主要由三種方法:第一種，在煤氣和空氣混合燃燒前測量溫度、流速和可燃?xì)怏w的成分。

第二種，監(jiān)測可能的反應(yīng)區(qū)。第三種，燃燒狀態(tài)可以通過檢測廢氣中,和的數(shù)量來確定。1.電容測量

電容測量是通過檢測介電常數(shù)的變化來作為煤氣濃度變化的結(jié)果。2.光學(xué)原理

光學(xué)原理實(shí)際上是基于特殊氣體可以在電磁輻射的不同波長范圍內(nèi)有區(qū)別地吸收光譜。目前廣泛應(yīng)用的“紅外光譜光度計(jì)”就是利用某種氣體以特殊的方式吸收紅外線輻射。

和是“不活躍的紅外線分子”，光學(xué)方法特別適用于和濃度的選擇性檢測。用于檢測的光學(xué)傳感器3.熱導(dǎo)率測量

氣體的另一個(gè)特性就是其熱導(dǎo)率，它可以以很少的花費(fèi)來測定。在恒溫恒壓情況下，熱導(dǎo)率僅取決于氣體的摩爾質(zhì)量。11.1.3小型家電中的傳感器

傳感器在小家電中的應(yīng)用和在大家電中的應(yīng)用很類似，并且有如下特點(diǎn)：體積小、耗能小，很多設(shè)備都是便攜式。如：（1）自動烘烤控制，舉例來說，傳感器與非接觸式溫度分散識別相結(jié)合。（2）智能醫(yī)學(xué)傳感器用于護(hù)牙設(shè)備。（3）設(shè)備中應(yīng)用改進(jìn)的紫外傳感器作為防止對紫外線感光過敏的保護(hù)。（4）距離傳感器和壓力傳感器用于剃須刀中來時(shí)刻調(diào)整刀片。（5）在吹風(fēng)機(jī)中應(yīng)用紅外熱電偶傳感器進(jìn)行非接觸式溫度測量，既可以防止傷害頭發(fā)，又可以加速吹干頭發(fā)的過程。（6）紅外熱電偶傳感器還可以應(yīng)用在溫度計(jì)中利用紅外輻射原理測量皮膚溫度。這樣能快速準(zhǔn)確地測量出體溫，并且使用起來簡單、舒適。（7）熱電偶傳感器也可以用在烤面包過程中，它可以使烤制過程易于控制，更加可靠。（8）加速度傳感器應(yīng)用在熨斗中，當(dāng)熨斗在一個(gè)地方靜止停頓的時(shí)間過長，電源會自動切斷保護(hù)。11.2傳感器在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

汽車用傳感器是用于汽車顯示和電控系統(tǒng)的各種傳感器的統(tǒng)稱，它涉及到很多的物理傳感器和化學(xué)傳感器。目前普通汽車裝有幾十只到近百只傳感器，而高級豪華轎車大約使用200只?300只傳感器。汽車傳感器的精度及可靠性對汽車非常重要，豪華轎車的各種先進(jìn)功能都離不開它。項(xiàng)目傳感器汽車發(fā)動機(jī)控制溫度、壓力、流量、曲軸轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速傳感器，氧傳感器，爆燃傳感器防打滑的制動器對地速度傳感器、車輪轉(zhuǎn)速傳感器液壓轉(zhuǎn)向位置車速傳感器、油壓傳感器速度自動控制系統(tǒng)車速傳感器、加速踏板位置傳感器氣胎、車距自控雷達(dá)、氣胎傳感器死角報(bào)警超聲波傳感器、圖像傳感器自動門鎖系統(tǒng)車速傳感器電子式駕駛磁傳感器、氣流方向傳感器自動空調(diào)室內(nèi)溫度傳感器、吸氣溫度傳感器、風(fēng)量傳感器、日照傳感器導(dǎo)向行駛系統(tǒng)方向傳感器、車速傳感器、GPS傳感器慢性行駛系統(tǒng)方向傳感器、行駛距離傳感器安全氣囊系統(tǒng)磁性傳感器、水銀開關(guān)傳感器、偏心錘式傳感器電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器汽車安全裝置玻璃破裂傳感器、振動傳感器各種液位裝置電容式、浮筒式、壓電式、熱敏電阻式傳感器燈光控制裝置光敏器件傳感器車高及減振器控制車輛高度傳感器、振動傳感器電子自動恒速裝置節(jié)氣門開度傳感器、車速傳感器電動座椅座椅調(diào)定位置傳感器11.2.1

曲軸轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速傳感器

曲軸轉(zhuǎn)角傳感器又稱曲軸位置傳感器，它是控制點(diǎn)火時(shí)刻（點(diǎn)火提前角）確認(rèn)曲軸位置不可缺少的信號源，其檢測并輸入發(fā)動機(jī)的微型計(jì)算機(jī)控制裝置的信號包括活塞上止點(diǎn)及曲軸轉(zhuǎn)角兩種，同時(shí)也是供測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的信號源。如圖11-11是美國GM公司的觸發(fā)葉片結(jié)構(gòu)的霍爾式曲軸轉(zhuǎn)角傳感器。

圖11-11GM公司的霍耳曲軸轉(zhuǎn)角傳感器

霍爾信號發(fā)生器由永久磁鐵、導(dǎo)磁板和霍爾集成電路等組成，內(nèi)、外信號輪側(cè)面各設(shè)置一個(gè)霍爾信號發(fā)生器，信號轉(zhuǎn)動時(shí),每當(dāng)葉片進(jìn)入永久磁鐵與霍爾元件之間的空氣隙中時(shí)霍爾集成電路中的磁場即被觸發(fā)葉片所旁路（或稱隔磁），這時(shí)不產(chǎn)生霍爾電壓如圖11-12（a）所示，當(dāng)觸發(fā)葉片離開空氣隙時(shí)，永久磁鐵3的磁通便通過導(dǎo)磁板5穿過霍爾元件，這時(shí)產(chǎn)生霍爾電壓如圖11-l2(b)所示。

1-信號輪的觸發(fā)葉片；2-霍爾元件；3-永久磁鐵；4-底板圖11-12GM公司的霍爾傳感器工作原理11.2.2車速傳感器

車速傳感器主要用于儀表盤的車速表顯示及發(fā)動機(jī)變速、汽車加減速期間的空燃比等控制。圖11-13舌簧開關(guān)型車速傳感器

工作原理：舌簧開關(guān)平時(shí)由兩個(gè)鋼片臂（其中一個(gè)鋼片是固定的，一個(gè)鋼片是可動的）及觸頭組成的，開關(guān)是斷開的，在永久磁鐵N極和S極轉(zhuǎn)到舌簧開頭兩端時(shí)，開關(guān)的兩個(gè)臂末端（觸頭端)被磁化為和永久磁鐵相近的N極和S極，產(chǎn)生吸力，開關(guān)閉合。在永久磁鐵的一個(gè)極（如N極)轉(zhuǎn)到開關(guān)中心時(shí)，這是開關(guān)兩臂末端被磁化為相同的極性(N極），則產(chǎn)生斥力，觸頭斷開。11.2.3液位傳感器

圖11-14浮子舌簧開關(guān)式液位傳感器

工作原理：當(dāng)永久磁鐵接近舌簧開關(guān)時(shí)，舌簧開關(guān)閉合，報(bào)警燈至搭鐵形成通路，報(bào)警燈亮，通知駕駛?cè)藛T液位已經(jīng)低于規(guī)定值。當(dāng)液位達(dá)到規(guī)定值時(shí)，浮子至少上升到規(guī)定位置，在觸頭本身的彈力作用下，舌簧開關(guān)打開，報(bào)警指示燈滅，表示液位符合要求。

由于熱敏電阻對液位反應(yīng)敏感，所以可利用熱敏電阻式液位傳感器檢測汽油油箱等的油位，這是利用了熱敏電阻上加有電壓時(shí)，就有電流通過，在電流的作用下熱敏電阻自身就要發(fā)熱這一性質(zhì)。如圖11-15.

1-指示燈；2-點(diǎn)火開關(guān)；3-熱敏電阻圖11-15熱敏電阻式燃油報(bào)警電路1-蓄電池殼；2-電極（鉛棒圖11-16電極式液位傳感器

當(dāng)蓄電池液位符合規(guī)定要求時(shí)，鉛棒浸在電解液中，鉛棒上產(chǎn)生正向（相對蓄電池負(fù)極）電動勢；當(dāng)蓄電池液位低于規(guī)定要求時(shí),鉛棒沒有浸在電解液中，其上沒有電動勢產(chǎn)生，報(bào)警燈亮，以通知駕駛員電解液不足。如圖11-16.11.2.4空氣流量傳感器

隨著車用發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的發(fā)展，需要對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量進(jìn)行精確測量，以調(diào)節(jié)空燃比，從而保證發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)最優(yōu)。

卡門漩禍?zhǔn)娇諝饬髁坑?jì)在其空氣通道中設(shè)置一錐體狀的發(fā)生器，在渦流發(fā)生器后部將會不斷產(chǎn)生稱之為卡門漩渦的禍流串，測出卡門游禍的頻率即可求出空氣流量的大小。圖11-17(a)為超聲波檢測方式的卡門漩渦式空氣流量計(jì)的結(jié)構(gòu)，圖11-17(b)為反光鏡方式的卡門漩渦式空氣流量計(jì)的結(jié)構(gòu)。（a）（b)

如圖11-18是采用主流方式的熱線空氣流量計(jì)的結(jié)構(gòu)，取樣管置于主空氣通道中央，兩端有金屬防護(hù)網(wǎng)，防護(hù)網(wǎng)用卡箍固定在殼體上，取樣管由兩個(gè)塑料護(hù)套和一個(gè)熱線支承環(huán)構(gòu)成。熱線為線徑70的鉑絲,布置在支環(huán)內(nèi)，其阻值隨溫度變化,是惠斯登電橋電路的一個(gè)臂如圖11-19。

1-防護(hù)網(wǎng)；2-取樣管；3-鉑熱線；4-溫度補(bǔ)償電阻；5-控制線路板圖11-18熱線主流方式空氣流量計(jì)的結(jié)構(gòu)圖11-19熱線式空氣流量計(jì)的電路圖熱線支撐環(huán)前端的塑料護(hù)套內(nèi)安裝一個(gè)鉑薄膜電阻器，其電阻值隨進(jìn)氣溫度變化,成為溫度補(bǔ)償電阻，是惠斯登電橋電路的另一個(gè)臂。熱線支撐環(huán)后端的塑料護(hù)套上粘結(jié)著一只精密電阻，也是惠斯登電橋的一個(gè)臂，該電阻上的電壓即產(chǎn)生熱線空氣流量計(jì)的輸出電壓信號?；菟沟请姌蜻€有一個(gè)臂的電阻器裝在控制線路板上面，該電阻器在最后調(diào)試試驗(yàn)中用激光修整，以便在預(yù)定的空氣流量下調(diào)定空氣流量計(jì)的輸出特性。11.2.5溫度傳感器

為了判定發(fā)動機(jī)的熱狀態(tài)，計(jì)算進(jìn)氣空氣的質(zhì)量、流量以及排氣凈化處理，需要能夠連續(xù)精確地測量冷卻水溫度、進(jìn)氣溫度與排氣溫度的傳感器。應(yīng)用較多的是繞線式電阻式和熱敏電阻式溫度傳感器。11.2.6汽車用壓力傳感器表11-4汽車用壓力傳感器的用途進(jìn)氣歧管壓力測試點(diǎn)火提前角控制、空燃比控制懸掛油壓懸掛控制大氣壓測量空燃比修正輪胎氣壓輪胎氣壓檢測氣缸內(nèi)氣壓測量爆振控制制動閥油壓制動控制變速器油壓變速器控制

（1）半導(dǎo)體壓敏電阻式進(jìn)氣壓力傳感器利用的是半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)如圖11-20所示。薄膜周圍有4個(gè)應(yīng)變電阻，以惠斯登電橋方式連接。半導(dǎo)體壓敏電阻式進(jìn)氣壓力傳感器輸出的信號電壓具有隨進(jìn)氣歧管絕對壓力的增大呈線性增大的特性。

1-EMI過濾器；2-混合集成電路；3-壓力；轉(zhuǎn)