2025/11/21第九章其他類型傳感器CONTENTS目錄01

9.1雷達傳感器02

9.2音叉式橫擺角速度傳感器03

9.3氫氣濃度傳感器本章導(dǎo)學(xué)本章導(dǎo)學(xué)在新能源汽車上，還存在雷達測距、測速傳感器，音叉式橫擺角速度傳感器，氫氣濃度傳感器等類型的傳感器，本章中重點講解上述傳感器的工作原理的特性。學(xué)習(xí)目標(biāo)1．掌握雷達測距、測速傳感器的工作原理和特點；2．掌握音叉式橫擺角速度傳感器的工作原理和主要構(gòu)成；3．掌握氫氣濃度傳感器的工作原理和特點。4．了解燃料電池汽車上氫氣濃度傳感器的檢測方法。課前小討論根據(jù)電阻的計算公式R=ρlS，電阻值的大小與電阻率ρ,長度l以及橫截面積S存在相關(guān)性，當(dāng)被測物理量作用在電阻上時，通過改變電阻的上述三個參數(shù)中的一個或幾個，就能改變電阻值，那么被測物理量是如何引起被測參數(shù)的變化，電阻式傳感器在新能源汽車上的應(yīng)用主要有哪些？9.1雷達傳感器9.1雷達傳感器在ESP系統(tǒng)中，橫擺角速度傳感器扮演著至關(guān)重要的角色。該傳感器檢測汽車沿垂直軸的偏轉(zhuǎn)，與側(cè)向加速度傳感器一起識別車輛實際運動方向。當(dāng)橫擺角速度傳感器檢測到的偏轉(zhuǎn)角速度達到一個閾值時，說明汽車可能發(fā)生側(cè)滑或者甩尾的危險工況，這時ESPECU會觸發(fā)控制措施，判斷是過度轉(zhuǎn)向還是不足轉(zhuǎn)向，進而決定哪一側(cè)的輪胎需要加壓以糾正。橫擺角速度傳感器的工作原理是什么樣的呢？9.1雷達傳感器9.1.1雷達測距傳感器在安裝主動巡航控制系統(tǒng)的車輛上，采用汽車前部安裝的雷達測距傳感器來收集交通情況。雷達測距傳感器可識別最遠(yuǎn)大約130m的前方路況。當(dāng)檢測到道路上沒有阻擋物時，主動巡航控制系統(tǒng)控制車輛保持本車按照存儲的期望車速行駛。如果距前方行駛的汽車過近，主動巡航控制系統(tǒng)便會降低車速，以保持足夠的安全距離。當(dāng)采集到前方行駛的汽車加速時，主動巡航控制系統(tǒng)在最高不超過駕駛?cè)嗽O(shè)定的期望車速的條件下自動加速。9.1雷達傳感器與自動駕駛技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)品有激光雷達、毫米波雷達和攝像機等，見圖9-2所示。雷達測距傳感器主要包括發(fā)生器、天線及檢測器三個主要組成部分。原理是基于電磁波的傳播特性，特別是無線電波（雷達波）的發(fā)射、反射和接收。其基本過程如下：9.1雷達傳感器1）發(fā)射無線電波：雷達系統(tǒng)發(fā)射機產(chǎn)生一個高頻的無線電波（雷達波），這個波以光速傳播。2）波的反射：當(dāng)無線電波遇到目標(biāo)物體（如車輛、路障）時，會被反射回來。3）接收反射波：雷達系統(tǒng)的接收器捕捉到這些反射回來的無線電波。4）時間測量：雷達系統(tǒng)測量無線電波發(fā)射出去到接收回來的時間間隔（通常以微秒或納秒計）。由于光速是已知的，這個距離可以用來計算距離：

（9-1）式中S—車輛到占該物體的距離（m）；v—雷達波的傳播速度（m/s）；t—雷達波發(fā)射到接受的時長（m/s）；

雷達測距傳感器具有可以在雨、霧和夜間等各種天氣條件下工作，探測距離遠(yuǎn)、可同時跟蹤多個目標(biāo)等得優(yōu)點。9.2.2雷達測距傳感器利用多普勒效應(yīng)可以探測運動物體的速度方向與方位。雷達測距傳感器是利用雷達將微波發(fā)射到被測對象，并接收返回的反射波來實現(xiàn)的。為測量汽車相對地面的行駛速度,在專用的、有較大傳動轉(zhuǎn)差率的車輛上,如拖拉機,常使用簡單的、低成本的、短距離的多普勒雷達系統(tǒng),如圖9-3所示，雷達的發(fā)射頻率為24~35GHz。9.2.2雷達測距傳感器圖中，S/R表示發(fā)射器/接收器，Sr,Rr表示后面的發(fā)射器、接收器，Sv，Rv表示前面的發(fā)射器、接收器，vF表示車輛行駛速度，a表示測量方向角，δ表示汽車對地的傾角。9.2音叉式橫擺角速度傳感器9.2音叉式橫擺角速度傳感器橫擺角速度傳感器位于導(dǎo)航系統(tǒng)的殼體中，用于記錄車輛在行進方向上的左右方向變化。具有緊湊的尺寸、精度更高、無須校準(zhǔn)以及抗磁場干擾的優(yōu)點。科氏力（Coriolisforce）是一種在旋轉(zhuǎn)參考系中觀察到的慣性力，它使在旋轉(zhuǎn)參考系中移動的物體表現(xiàn)出偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象?？剖狭κ怯煞▏锢韺W(xué)家加斯帕爾-古斯塔夫·德·科里奧利在19世紀(jì)初首次描述的，數(shù)學(xué)表達式為：(9-5)式中F

—科氏力（N）；m

—物體的質(zhì)量(kg)；Ω

—旋轉(zhuǎn)參考系的角速度向量（rad/s）；v—物體相對于旋轉(zhuǎn)參考系的速度向量（m/s）；×—向量叉乘。音叉式橫擺角速度傳感器的外形和構(gòu)造如圖圖9-5所示。9.2音叉式橫擺角速度傳感器它的基本部件是一個微型機械系統(tǒng),帶有一個單硅晶體做成的雙調(diào)音叉,單硅晶體被放置在傳感器薄板的電子構(gòu)件里。雙調(diào)音叉的“尾部”和其余的硅體相連,為了看得更清楚,把這部分硅體去掉了。當(dāng)在硅體調(diào)音叉上施加交流電壓,由于逆壓電效應(yīng)，勵磁調(diào)音叉在11kHz時產(chǎn)生共振,測量調(diào)音叉在11.33kHz時共振。如果在雙調(diào)音叉上施加頻率為11kHz的交流電壓,則勵磁調(diào)音叉產(chǎn)生共振,而測量調(diào)音叉不產(chǎn)生共振,如圖圖9-6所示。9.2音叉式橫擺角速度傳感器當(dāng)車輛改變方向時，與車輛轉(zhuǎn)動方向相反的科氏力作用在傳感器的振動叉上。音叉的上部側(cè)向擺動彎曲變形，音叉的變形傳遞到上部壓電元件，從而在壓電元件上產(chǎn)生了一個與科氏力呈對應(yīng)關(guān)系的電壓，導(dǎo)航控制單元根據(jù)這個電壓大小計算行進的方向變化，如圖9-7所示。9.3氫氣濃度傳感器9.3氫氣濃度傳感器氫氣在空氣中濃度達到4%時，電火花或者高溫就會導(dǎo)致氫氣爆炸。對氫氣濃度的檢測是氫燃料電池汽車安全的重要環(huán)節(jié)。豐田Mirai燃料電池汽車搭載了128kW的燃料電池堆，為了防止氫氣泄露，確保Mirai燃料電池汽車的使用安全性，需要在車身安裝氫氣濃度傳感器，以實時監(jiān)測車內(nèi)氫氣濃度值。一般來說，燃料電池汽車總共要求安裝4個氫氣濃度傳感器，而所有傳感器信號需直接傳送到儀表盤的醒目位置。目前在氫燃料電池汽車上最常見的是催化燃燒型，其優(yōu)點是計量準(zhǔn)確，快速響應(yīng)，超長壽命。氫氣濃度傳感器可以實現(xiàn)1s內(nèi)快速響應(yīng)和長久工作，并且可在車輛啟動前監(jiān)測和預(yù)報氫氣濃度值，其檢測原理有電化學(xué)式、催化燃燒式、熱導(dǎo)式、光干涉式類型。9.3氫氣濃度傳感器電化學(xué)氫氣傳感器主要由電解質(zhì)、電極和隔離膜組成，利用電化學(xué)反應(yīng)來檢測氫氣。當(dāng)氫氣與電極接觸時，會發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生微電流信號。該信號的大小與氫氣濃度成正比。催化燃燒式氫氣傳感器主要由加熱器和催化劑組成，利用催化燃燒原理來檢測氫氣。當(dāng)氫氣與催化劑接觸時，會發(fā)生催化燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生熱量，傳感器的溫度升高。溫升的程度與氫氣濃度成正比。熱導(dǎo)式氫氣傳感器利用熱導(dǎo)原理來檢測氫氣。它主要由加熱器和熱敏電阻組成。當(dāng)氫氣與熱敏電阻接觸時，會影響熱敏電阻的阻值變化，從而改變電流大小和溫度分布。通過測量溫度變化可以推算出氫氣濃度。9.3氫氣濃度傳感器光干涉型氫氣傳感器利用光學(xué)干涉原理來檢測氫氣。它主要由光源、光路和探測器組成。當(dāng)氫氣與光路中的空氣分界面接觸時，會產(chǎn)生折射率變化，導(dǎo)致光干涉現(xiàn)象發(fā)生。通過測量干涉條紋的變化可以推算出氫氣濃度。圖示為催化燃燒型HW-19GP傳感器。9.3氫氣濃度傳感器催化燃燒傳感器基于催化燃燒的熱效應(yīng)原理。在一定溫度條件下，可燃?xì)怏w在檢測元件載體表面及催化劑的作用下發(fā)生無焰燃燒，燃燒使鉑金電阻溫度升高，電阻變化，變化值是可燃性氣體濃度的反映。這種傳感器包含一對很小的被稱為“