第二章

新能源汽車上的電阻式傳感器CONTENTS目錄2.1分流電阻式傳感器2.2電位器式傳感器2.3應變式傳感器本章導學本章導學電阻是導體本身的一種特性，用以表示導體對電流的阻礙作用的大小。導體的電阻越大，表示導體對電流的阻礙作用越大，不同的導體，電阻一般不同，電阻的大小由公式R=ρlS確定，受被測量的影響，改變電阻率ρ,長度以及橫截面積S時，相應的電阻值就會發(fā)生變化，當外加電源時，既可以通過輸出電壓或者電流反映出被測參數(shù)的大小。學習目標

1．掌握分流電阻式、電位器式、應變式、壓阻式傳感器的基本原理；2．了解電位器式傳感器、應變式傳感器、壓阻式傳感器的基本特性；3.熟悉分流電阻式、電位器式傳感器、應變式傳感器、壓阻式傳感器在新能源汽車傳感檢測中的典型應用;4．能夠利用電阻式傳感器的理論知識對新能源汽車傳感檢測中的壓力、加速度、位置等傳感器的原理及特點進行分析。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用主要有哪些？2.1分流電阻式傳感器2.1分流電阻式傳感器電動汽車的動力電池及電機系統(tǒng)電動汽車中，傳統(tǒng)的燃油動力系統(tǒng)被動力電池及電機系統(tǒng)所取代，用于電壓及電流檢測的傳感器件便廣泛地應用在電動汽車的汽車電子、大電流電路、變頻器、DC/AC、AC/DC轉(zhuǎn)換以及空調(diào)等模塊上。動力電池系統(tǒng)檢測技術(shù)特別是對于電動汽車所用的動力電池系統(tǒng)，由于要實時獲取電池余量及是否工作正常等狀態(tài)，所以實時檢測動力電池的電壓及電流就尤為重要。目前，常用的電壓及電流傳感器主要有霍爾元件式和分流電阻式兩種，圖2-1所示為用于測量高壓母線電流的分流電阻式傳感器的應用舉例大電流檢測技術(shù)在電動汽車中的應用電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的工作電流大多在1~100A之間，在特殊情況下，會有短時間200~300A的電流，車輛的起動電流甚至高達1500A。在電池和電源管理系統(tǒng)中，還有更極端的電流情況。對于這些大電流值的精確檢測，就要用到電流傳感器分流電阻電流傳感原理分流電阻式電流傳感器核心是高精密微阻值電阻的分流器。分流器實際上就是一個可以通過大電流的阻值很小的精密電阻，當有直流電流通過時，就會在電阻兩端產(chǎn)生一個小的電壓降，一般為毫伏級別。用毫伏級電壓表測量這個電壓后，再依據(jù)歐姆定律換算為電流，就可以完成大電流的測量并顯示出來，所以電流表實際上是一塊電壓表電動汽車電流傳感器目前，大部分電動汽車上的分流電阻式電流傳感器都采用德國Isabellenhutte(德國伊薩)公司生產(chǎn)，其外觀如圖2-2所示2.1分流電阻式傳感器電動汽車中，傳統(tǒng)的燃油動力系統(tǒng)被動力電池及電機系統(tǒng)所取代，用于電壓及電流檢測的傳感器件便廣泛地應用在電動汽車的汽車電子、大電流電路、變頻器、DC/AC、AC/DC轉(zhuǎn)換以及空調(diào)等模塊上。特別是對于電動汽車所用的動力電池系統(tǒng)，

由于要實時獲取電池余量及是否工作正常等狀態(tài)，

所以實時檢測動力電池的電壓及電流就尤為重要。目前，

常用的電壓及電流傳感器主要有霍爾元件式和分流電阻式兩種，圖2-1所示為用于測量高壓母線電流的分流電阻式傳感器的應用舉例。2.1分流電阻式傳感器2.1分流電阻式傳感器電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的工作電流大多在1~100A之間，

在特殊情況下，

會有短時間200~300A的電流，

車輛的起動電流甚至高達1500A。在電池和電源管理系統(tǒng)中，

還有更極端的電流情況。

對于這些大電流值的精確檢測，

就要用到電流傳感器。分流電阻式電流傳感器核心是高精密微阻值電阻的分流器。分流器實際上就是一個可以通過大電流的阻值很小的精密電阻，當有直流電流通過時，就會在電阻兩端產(chǎn)生一個小的電壓降，一般為毫伏級別。用毫伏級電壓表測量這個電壓后，再依據(jù)歐姆定律換算為電流，就可以完成大電流的測量并顯示出來，所以電流表實際上是一塊電壓表。目前，

大部分電動汽車上的分流電阻式電流傳感器都采用德國Isabellenhutte(德國伊薩)公司生產(chǎn)，其外觀如圖2-2所示。2.1分流電阻式傳感器1)寄生電感小于0.1nH。2)持續(xù)的負載功率為500W。3)針對微小阻值的電阻，低溫度系數(shù)最小可達10PPM/K，遠遠優(yōu)于目前的同類產(chǎn)品。4)四引線技術(shù)保障信號的精確度及電阻本身的損耗。5)保證了性能穩(wěn)定的5000h的持續(xù)測試。6)能做到很小阻值的電阻，最小為4μΩ。2.2電位器式傳感器電位器式傳感器是一種把機械線位移或角位移輸入量通過傳感器電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電阻或電壓輸出的傳感器。由電阻元件和滑臂等部件組成。作為傳感元件，它能將機械位移轉(zhuǎn)換成與之成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。電位器式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，價格低廉，性能穩(wěn)定，對環(huán)境條件要求不高，輸出信號較強，一般不需放大，并易實現(xiàn)函數(shù)關(guān)系的轉(zhuǎn)換。但電阻元件與滑臂間由于存在磨損，壽命較短，且阻值范圍窄，分辨率有限，故其精度一般不高，動態(tài)響應較差，主要適合于變化緩慢的物理量的測量。2.2電位器式傳感器2.2電位器式傳感器電位器式傳感器種類較多，根據(jù)輸入-輸出特性的不同，電位器式傳感器可分為線性電位器和非線性電位器兩種;根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，又可分為線繞式、薄膜式和光電式等。目前常用的以單圈線繞式電位器居多。在新能源汽車上，電位器式傳感器主要應用有加速踏板位置傳感器、制動踏板位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、燃油液位傳感器、機油壓力傳感器、空氣流量傳感器、扭矩傳感器等。2.2.1．工作原理及特性

工作原理電位器式傳感器一般由電阻元件、骨架及滑臂(滑動觸點)等組成，滑臂相對于電阻元件的運動可以是直線運動、轉(zhuǎn)動或螺旋運動。當被測量發(fā)生變化時，通過滑臂觸點在電阻元件上產(chǎn)生移動，該觸點與電阻元件間的電阻值就會發(fā)生變化，從而實現(xiàn)位移(被測量)與電阻之間的轉(zhuǎn)換。線性直線位移式電位器常用的線性直線位移式電位器傳感器原理如圖2-3所示。其電阻元件由金屬電阻絲繞成，電阻絲截面積相等，電阻值沿長度變化均勻。設該電位器全長為xmax總電阻為Rmax當滑臂由A到B移動位移x后，A到滑臂間的電阻值Rx為

（2-1）可見，電位器式傳感器作變阻器使用時，其電阻值為位移x的函數(shù)若作分壓器使用，設加在電位器A、B之間的電壓為Umax，則輸出電壓Ux為

（2-2）

線性角位移式電位器線性角位移式電位器原理如圖2-4所示。作為變阻器時，電阻值Rα與角度α的關(guān)系為

（2-3）作為分壓器使用時，輸出電壓Uα與角度α的關(guān)系為

（2-4）非線性電位器在一些傳感器的應用中，需要輸入量(位移)和輸出電壓之間呈現(xiàn)某種函數(shù)規(guī)律的非線性變化，此時便需要非線性電位器，它可以實現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)及其他任意函數(shù)，常用的非線性電位器有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式和電位給定式四種。與線性電位器不同，非線性電位器輸出電阻(或電壓)與滑動行程之間是非線性函數(shù)關(guān)系，與滑臂位置有關(guān)，故其靈敏度是變量，如圖2-5所示

。2.特性

（1）階梯特性由線繞式電位器的結(jié)構(gòu)可知，當滑臂在多匝導線上移動時，電位器的阻值和輸出電壓不是連續(xù)變化，而是階躍式地變化?；勖恳苿舆^一匝線圈，電阻就突然增加一匝阻值，輸出電壓就產(chǎn)生一次階躍。圖2-6所示為繞n匝電阻絲的線性電位器式傳感器的階梯特性曲線圖。若總共移動n匝，則輸出電壓就產(chǎn)生次階躍，其階躍值為：

（2-5）（當滑臂從m-1匝移至m匝時，滑臂瞬間使相鄰兩匝線圈短接，總匝數(shù)從n減小到n-1，即在每一次電壓階躍中又產(chǎn)生一次小階躍，這個小階躍的電壓設為ΔUn，有

（2-6）為了方便實際應用，工程上常將實際階梯特性曲線簡化為如圖2-7所示的理想階梯特性曲線。在理想情況下，特性曲線各個階梯的大小完全相同，此時穿過每個階梯中點的直線即是理論直線，階梯曲線圍繞理論直線上下波動，從而產(chǎn)生一定的偏差，這種偏差就是電位器的階梯誤差。該階梯誤差通常用理想階梯特性曲線對理論直線最大偏差值與最大輸出電壓值之比的百分數(shù)表示，即

（2-7）（2）負載特性一般情況下，電位器輸出端是接有負載的。當接入負載時，由于負載電阻和電位器的比值為有限值，此時所得的特性為負載特性。負載特性偏離理想空載特性的偏差稱為電位器的負載誤差。帶負載的電位器的電路如圖2-8所示。電位器的負載電阻為RL可理解為測量儀表的內(nèi)阻或放大器的輸入電阻，此電位器的輸出電壓為

（2-8）2.2.2新能源汽車上的電位器式傳感器

加速踏板位置傳感器加速踏板位置傳感器安裝在汽車加速踏板附近，可用于檢測加速踏板的行程，向電控單元(ECU)反映駕駛?cè)笋{駛意圖的信息。電控單元供給加速踏板位置傳感器5V電壓，傳感器向電控單元發(fā)出反映加速踏板位置的電壓信號加速踏板位置傳感器有霍爾式和滑動電阻式兩種，新型加速踏板位置傳感器有雙滑動電阻式和線性雙霍爾式，純電動汽車中常用的為滑動電阻型加速踏板位置傳感器如圖2-9所示，加速踏板位置傳感器與加速踏板相連，當駕駛員踩下加速踏板時，傳感器會檢測到踏板的位移或角度變化滑動電阻型加速踏板位置傳感器工作原理是一個簡單的電位計，將踏板的踩下情況直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栞敵?。當駕駛員踩下加速踏板時，與加速踏板位置傳感器線圈接觸的小型滑臂沿圓弧轉(zhuǎn)動，加速踏板位置傳感器從ECU接收恒定的5V直流基準電壓。當油門關(guān)閉時，滑臂轉(zhuǎn)動到使基準電壓通過全部線圈位置，加速踏板位置傳感器產(chǎn)生約為0.5V的輸出信號，向ECU回饋，當油門處于全開位置時，滑臂轉(zhuǎn)動到基準電壓只通過很少線圈的位置，向ECU回饋的信號電壓約為4.5V。油門處于關(guān)閉和油門全開之間位置時，加速踏板位置傳感器向ECU回饋的信號電壓將與滑臂在電阻上的位置成正比可見，加速踏板位置傳感器的輸出信號為在0.5~4.5V之間變化的電壓值，隨著加速踏板位置的變化，輸出信號電壓相應變化，兩者之間呈線性關(guān)系，見圖2-10電動汽車上，隨著駕駛員踩下加速踏板深度的增大，傳感器的電壓信號也會高，ECU識別該電壓變化后，發(fā)送更高的驅(qū)動電壓，使得車輛速度提升圖2-11所示為榮威E50采用的加速踏板位置傳感器的針腳示意圖，該加速踏板位置傳感器采用雙滑動電阻式，也是安裝在加速踏板軸的一端。通過腳踩加速踏板使得傳感器內(nèi)部指針滑動改變滑動電阻器的阻值，從而影響加載在其上面的電壓值，用于監(jiān)測加速踏板的加、減速信號2.2.2新能源汽車上的電位器式傳感器1.加速踏板位置傳感器2.制動踏板位置傳感器3.扭矩傳感器4.車身高度傳感器5.節(jié)氣門位置傳感器6.機油壓力傳感器7.空氣流量傳感器8.燃油液位傳感器加速踏板位置傳感器安裝在汽車加速踏板附近，可用于檢測加速踏板的行程，向電控單元(ECU)反映駕駛?cè)笋{駛意圖的信息。電控單元供給加速踏板位置傳感器5V電壓，傳感器向電控單元發(fā)出反映加速踏板位置的電壓信號。1.加速踏板位置傳感器圖2-11所示為榮威E50采用的加速踏板位置傳感器的針腳示意圖，該加速踏板位置傳感器采用雙滑動電阻式，也是安裝在加速踏板軸的一端。通過腳踩加速踏板使得傳感器內(nèi)部指針滑動改變滑動電阻器的阻值，從而影響加載在其上面的電壓值，用于監(jiān)測加速踏板的加、減速信號。1.加速踏板位置傳感器制動踏板位置傳感器安裝在汽車制動踏板附近，用于檢測制動踏板的行程，如圖2-12所示。制動踏板位置傳感器有霍爾式、滑動電阻式和開關(guān)型三種，為了提高信息檢測的精確度，現(xiàn)出現(xiàn)了新型制動踏板位置傳感器，包括雙滑動電阻式和線性雙霍爾式兩種。2.制動踏板位置傳感器電位計式扭矩傳感器主要由扭桿彈簧、轉(zhuǎn)角-位移變換器、電位計組成。扭桿彈簧主要作用是檢測司機作用在方向盤上的扭矩，并將其轉(zhuǎn)化成相應的轉(zhuǎn)角值。轉(zhuǎn)角-位移變換器將扭桿彈簧兩端的相對轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為滑動套滑塊的軸向位移?；瑝K相對于輸入軸可以在螺旋方向上移動，同時滑塊通過一個銷安裝到輸出軸上，可以相對于輸出軸在垂直方向上移動。當轉(zhuǎn)動方向盤時，扭矩被傳遞到扭力桿，輸入軸相對于輸出軸方向出現(xiàn)偏差。該偏差使得滑塊出現(xiàn)移動，這些軸方向的移動轉(zhuǎn)化為電位計的杠桿旋轉(zhuǎn)角度，滑動觸點在電阻線上的移動使電位計的電阻值隨之變化，電阻的變化通過電位計轉(zhuǎn)化為電壓。這樣扭矩信號就轉(zhuǎn)化為了電壓信號。3.扭矩傳感器電位計式車身高度傳感器，也被稱為電位計式車高位置傳感器，一種利用電位計原理來測量車身高度變化的裝置。其結(jié)構(gòu)如圖2-14所示。主要由傳感器軸、轉(zhuǎn)板、電刷和印制電路板組成，前三者組成一個整體，由導桿帶動而旋轉(zhuǎn)，印制電路板的電刷可在電阻器上滑動。當車身高度發(fā)生變化時，懸掛系統(tǒng)的伸縮使得滑動觸點沿著電阻條移動，觸點與電阻條兩端之間的電阻值會發(fā)生變化，電阻值的變化與滑動觸點的位置成正比。4.車身高度傳感器采用電位器式原理的汽車節(jié)氣門位置傳感器稱為線性可變電阻型節(jié)氣門位置傳感器。線性可變電阻式節(jié)氣門位置傳感器的設計避免了開關(guān)式節(jié)氣門位置傳感器只能檢測發(fā)動機怠速工況和全負荷工況的弊端，因此可以獲得節(jié)氣門從全閉到全開連續(xù)變化的信號，從而更精確地判斷發(fā)動機的運行工況，其外觀和安裝位置分別如圖2-15、圖2-16所示。5.節(jié)氣門位置傳感器線性可變電阻式節(jié)氣門位置傳感器的內(nèi)部是一個旋轉(zhuǎn)式可變電阻電位器，其滑動觸點與節(jié)氣門軸連接，由節(jié)氣門軸帶動電位計的滑動觸點動作。電位器有3個接線端子，分別與電位器電阻的兩個固定端和滑動觸點連接。如果在兩個固定端之間外加一個恒定的電壓，電位器的3個接線端子之間就形成了一個分壓電路，當滑動觸點在節(jié)氣門的帶動下轉(zhuǎn)動時，觸點在電阻體上的位置發(fā)生變化，改變了觸點與電位器任一固定端之間的電阻，該端子上的電壓便隨之發(fā)生變化，如圖2-17所示。不同型號的節(jié)氣門位置傳感器，其電阻值及輸出電壓信號值也不完全相同。下面以2008款別克凱越發(fā)動機節(jié)氣門位置傳感器為例，說明其檢測方法。圖2-18所示為2008款別克凱越節(jié)氣門位置傳感器與發(fā)動機控制模塊的連接電路圖。機油壓力傳感器通常通過螺紋擰入缸體的油道內(nèi),其內(nèi)有一個滑動電阻,一端輸出信號,另一端和搭鐵的滑動臂連接。當油壓增高時,壓力通過潤滑油道接口推動膜片彎曲,膜片推動滑動臂移動到低電阻位置,輸出電流增大，油壓降低時,情況正好相反,如圖2-19所示。6.機油壓力傳感器以豐田Miria為例，空氣供給系統(tǒng)主要由空氣濾清器、空壓機、空氣流量計、中冷器、三通閥、背壓閥以及消聲器等部件組成，如圖2-20所示。7.空氣流量傳感器電位器式空氣流量傳感器又稱為翼片式空氣流量傳感器,其結(jié)構(gòu)原理如圖2-21所示。在翼片上安裝一個電位計,它與翼片同軸旋轉(zhuǎn),電位計上滑片移動導致電阻的變化，并轉(zhuǎn)變成電壓信號輸入ECU。7.空氣流量傳感器當空氣流量增大時,進氣氣流對翼片產(chǎn)生推力也增大,推力克服復位彈簧彈力使翼片旋轉(zhuǎn)角度a增大,直到推力與彈簧力平衡為止。進氣量越大,翼片偏轉(zhuǎn)角度越大。因為翼片與電位計的滑片都被固定在轉(zhuǎn)軸上,在翼片偏轉(zhuǎn)的同時,滑片也偏轉(zhuǎn)。當空氣流量增大時,其端子VC與VS之間的電阻值減小,兩端子間的輸出電壓Us降低。當進氣量減小時,進氣氣流對翼片的推力減小,彈簧克服彈簧彈力使翼片偏轉(zhuǎn)的角度a也減小,端子VC與VS之間的電阻值增大,兩端子間的輸出電壓升高。動片式空氣流量傳感器的原理圖如圖2-22所示。7.空氣流量傳感器7.空氣流量傳感器浮子可變電阻型燃油液位傳感器采用電位器方式來檢測燃油液位的變化，如圖2-25所示，由浮子、內(nèi)裝可變電阻的本體以及連接這兩者的浮子臂等構(gòu)成。浮子可隨液位上、下移動,這時滑動臂就在電阻上滑動,從而改變搭鐵與浮子之間的電阻值,利用這一阻值變化來控制回路中電流的大小,并在儀表上顯示出來。8.燃油液位傳感器這種傳感器可用于油量的測量,如圖2-26所示,該傳感器在汽油油量表中應用時,儀表部分與浮子部分串聯(lián)。當油箱內(nèi)裝滿汽油時,浮子升到最高位置,滑動臂向電阻值低的方向滑動,通過回路中的電流增大,儀表部分的雙金屬片彎曲得厲害,指針指示F側(cè)。當燃油箱內(nèi)的汽油量較少時,浮子降到較低位置,電阻增大,汽油表電路中的電流較小,儀表內(nèi)的雙金屬片只是稍稍彎曲,指針指示E一側(cè)。8.燃油液位傳感器2.3應變式傳感器彈性應變與彈性元件應變(Stress)是物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象。當外力去除后物體又能完全恢復其原來的尺寸和形狀的應變稱為彈性應變，具有彈性應變特性的物體稱為彈性元件。應變式傳感器應用應變式傳感器是利用電阻應變片將應變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，由彈性元件(感知與力相關(guān)的量并產(chǎn)生應變)及在其上粘貼的電阻應變片(作為應變敏感元件或轉(zhuǎn)換元件將應變轉(zhuǎn)換為電阻變化)構(gòu)成。應變電阻式傳感器工作時引起的電阻值變化甚小，但其測量靈敏度較高。因此，在力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測量中得到了廣泛的應用。2.3.1．工作原理及特性當被測物理量(如力、力矩或壓力等)作用在彈性元件上使其發(fā)生形變，產(chǎn)生相應的應變或位移，然后傳遞給與之相連的電阻應變片，引起電阻應變片的電阻值發(fā)生變化，通過測量電路變成電壓等電量輸出，通過輸出電壓的大小反映被測物理量的大小。（1）應變效應應變效應是指導體或半導體材料在力的作用下產(chǎn)生機械變形，其電阻值相應地發(fā)生變化的現(xiàn)象如圖2-27所示。一根具有應變效應的金屬電阻絲，在未受力時，原始電阻值R為

（2-9）式中R—電阻絲的電阻值（Ω）ρ—電阻絲的電阻率（Ω.m）—電阻絲的長度（m）A—電阻絲的截面積（m2）當電阻絲受到拉力F作用時將伸長，截面積相應減小，電阻率也將因形變而改變(增加)，故引起電阻值發(fā)生i相應變化，變化量為

（2-10）則電阻的相對變化量

（2-11）將電阻絲軸向(長度)相對變化量定義為軸向應變，用符號ε表示，徑向應變與軸向應變的關(guān)系為

（2-12）式中μ—電阻絲材料的泊松比（取值在0~0.5之間，通常為0.3左右）可以得出

（2-13）通常把單位應變引起的電阻值相對變化量稱為電阻絲的靈敏度系數(shù)，表示為

（2-14）由此可見，電阻絲的靈敏度系數(shù)受兩個因素的影響:一個是受力后材料幾何尺寸的變化，即(1+2μ)，另一個是受力后材料的電阻率的變化dρ。對金屬材料：1+2μ?dρρ/ε。對半導體材料dρρ/ε?1+2μ。大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對變化與應變成正比，即K為常數(shù)。（2）金屬電阻應變片（3）半導體應變片半導體電阻應變片的使用方法與絲式電阻應變片相同，即粘貼在被測物體上，隨著被測物體的應變，其電阻值發(fā)生相應的變化。半導體電阻應變片的結(jié)構(gòu)如圖2-30所示。半導體敏感元件產(chǎn)生壓阻效應時其電阻率的相對變化與應力間的關(guān)系為

（2-15）式中π—半導體材料的壓阻系數(shù)（1/Pa）σ—半導體材料的所受應變力（Pa）E—半導體材料的彈性模量（Pa）ε—半導體材料的應變（無量綱）因此，對于半導體電阻應變片來說，其靈敏度系數(shù)K近似為

（2-16）2.測量電路應變的信號獲取通常采用惠斯通電橋，它可記錄橋路中電阻的微小應變?；菟雇姌蚋鶕?jù)其供橋電源的性質(zhì)，可分為直流電橋和交流電橋，即供橋電源采用直流源的為直流電橋，采用交流源的為交流電橋。直流電橋應用廣泛，其所需的高精度直流電源比較容易獲得,電橋平衡調(diào)節(jié)簡單,傳感器引線分布參數(shù)影響小,不過由于電橋輸出電壓很小，一般都需要加放大器。而直流放大器易產(chǎn)生零漂，因此在動態(tài)測量時多采用交流電橋。交流電橋采用交流供電，其平衡條件、引線分布參數(shù)影響及后續(xù)信號放大電路等許多方面與直流電橋存在明顯差異。直流電橋電路1）電橋平衡條件直流電橋電路如圖2-31所示圖中，E為電源電壓，R1、R2、R3及R4為橋臂電阻，RL為負載電阻。當RL→∞時，電橋輸出電壓Uo為

（2-17）當電橋平衡時，Uo=0，則有

（2-18）或

（2-19）式(2-19)為電橋平衡條件。這說明欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應相等或相對兩臂電阻的乘積應相等2）電壓靈敏度應變片工作時，其電阻值變化很小，電橋相應輸出電壓也很小，一般需要加入放大器進行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時仍視電橋為開路情況。當受應變時，若應變片電阻R1的變化為ΔR，其他橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0，則電橋不平衡，輸出電壓為

（2-20）設橋臂比n=R2/R1，由于ΔR1<<R1，分母中ΔR1/R1可忽略，并考慮到平衡條件，則上式可寫為

（2-21）直流電橋的電壓靈敏度KU定義為

（2-22）由式(2-22)可以看出，電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高，電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受到應變片允許功耗的限制，所以不可無限增大。同時，電橋電壓靈敏度還是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當?shù)剡x擇橋臂比n的值，可以保證電橋具有較高的電壓靈敏度思路：求導法求得的最大值。對上式中求偏導，可得

（2-23）求得,n=R2/R1=1時，為最大值。即在供橋電壓確定后，當R1=R2=R3=R4時，電橋電壓靈敏度最高，此時有

（2-24）

（2-25）交流電橋電路輸出電壓為

（2-26）電橋平衡條件，得

（2-27）整理得

（2-28）變形為

（2-29）其實部、虛部分別相等，整理后可得交流電橋的平衡條件為

（2-30）

（2-31）3.溫度補償（1）應變片的溫度誤差由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差,稱為應變片的溫度誤差。產(chǎn)生應變片溫度誤差的主要因素有電阻溫度系數(shù)的影響、試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響兩個方面。1)電阻溫度系數(shù)的影響電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系如公式(2-32)所示

（2-32）式中Rt—溫度為t時的電阻值（Ω）R0—溫度為t0時的電阻值（Ω）α0—溫度為時金屬絲的電阻溫度系數(shù)（1/℃）?t—溫度變化值，?t=t?t0,（℃）3.溫度補償（2)試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響當試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時，不論環(huán)境溫度如何變化，不會產(chǎn)生附加形變。當試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時，由于環(huán)境溫度的變化，電阻絲會產(chǎn)生附加形變，從而產(chǎn)生附加的電阻變化。設電阻絲和試件在溫度為t0時的長度都為l0，它們的線膨脹系數(shù)分別為βg和βs，則當兩者粘貼在一起用于力的檢測時，電阻絲產(chǎn)生的附加變形?l、附加應變εβ和附加電阻變化?Rβ分別為

（2-33）

（2-34）

（2-35）因此，由于溫度變化而引起的應變片總電阻相對變化量為電阻溫度系數(shù)的影響與試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響相加

（2-36）應變片的溫度補償電阻應變片的溫度補償方法通常有電橋補償法和應變片自補償法兩種。其中，電橋補償法是最常用且效果較好的補償法，如圖2-33所示假設A為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)，測量應變時，工作應變片R1粘貼在被測試件表面上，補償應變片RB粘貼在與被測試件材料完全相同的補償塊上，且僅工作應變片承受應變,如圖2-33所示。同時，R1和RB又處于同一環(huán)境溫度為t的溫度場中，調(diào)整電橋參數(shù)使之達到平衡，此時，電橋輸出電壓Uo與橋臂參數(shù)的關(guān)系為

（2-37）當溫度升高或降低Δt=t-t0時，兩個應變片因溫度而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)，即

（2-38）若此時被測試件有應變ε的作用，則工作應變片電阻R1又有新的增量ΔR1=R1Kε，而補償片因不承受應變，故不產(chǎn)生新的增量，此時電橋輸出電壓為

（2-39）由上式可知，電橋的輸出電壓Uo僅與被測試件的應變ε有關(guān)，而與環(huán)境溫度無關(guān)應當指出，若要實現(xiàn)完全補償，上述分析過程必須滿足以下4個條件：1）在應變片工作過程中，保證R3=R42）R1和RB兩個應變片應具有相同的電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β、應變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R03）粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數(shù)相同4）兩應變片應處于同一溫度場2.3.2．新能源汽車上的應變式傳感器1.前乘客座椅占用傳感器2.加速度傳感器3.輪胎壓力傳感器4.扭矩傳感器5.制動壓力傳感器6.氫氣壓力傳感器7.差壓傳感器8.進氣歧管壓力傳感器9.大氣壓力傳感器10.GDI燃油壓力傳感器汽車座椅占用傳感器是一種薄膜型觸點傳感器，傳感器的觸點均勻分布在座椅的受力表面，當座椅受來自于外部的壓力時產(chǎn)生一個觸發(fā)信號，可用于汽車座椅乘員感知系統(tǒng)，如安全帶報警傳感器，出租車自動計費等，可以根據(jù)汽車座椅的形狀、硬度和蒙皮的松緊度來設計傳感器的外形及觸點的靈敏度。座椅占用傳感器的外觀如圖2-34所示。

1.前乘客座椅占用傳感器前乘客側(cè)座椅占用傳感器G128安裝在前乘客座椅的座椅套和坐墊之間，座椅占用傳感器的位置覆蓋前乘客座椅的后部區(qū)域，選擇位置時應確保能夠探測到座椅面的相關(guān)區(qū)域。座椅占用識別壓力傳感器和座椅占用識別墊是一個部件。座椅占用識別墊充有硅凝膠，位于前乘客座椅的坐墊下。如果前乘客座椅被占用，則座椅占用識別墊中的壓力發(fā)生變化。座椅占用識別壓力傳感器識別出該壓力變化，并以電壓信號形式將這一情況發(fā)送給座椅占用識別控制單元J706。

1.前乘客座椅占用傳感器借助座椅占用識別壓力傳感器的信號，座椅占用識別控制單元可識別出前乘客座椅的負重情況。如果前乘客座椅負重約小于20kg，并且識別出沒有安全帶拉緊力或者安全帶拉緊力很小，則座椅占用識別控制單元確定為“兒童座椅”，并將這一情況發(fā)送給安全氣囊控制單元。前乘客正面安全氣囊即被安全氣囊控制單元關(guān)閉。如果前乘客座椅負重約25kg，并且安全帶拉緊力超過一個預定的值，則座椅占用識別控制單元識別到兒童座椅被具有兒童座椅固定功能的安全帶額外壓在坐墊上。則識別為“兒童座椅”，安全氣囊控制單元將前乘客正面安全氣囊關(guān)閉。從負重約大于25kg和很小的安全帶拉緊力起，座椅占用識別控制單元將座椅視為被一個成人占用，前乘客正面安全氣囊保持激活狀態(tài)。接通啟動開關(guān)后，傳感器的信息將被持續(xù)分析。這樣可以確保座椅占用識別控制單元識別到座椅占用的變化情況，并對此做出反應。

1.前乘客座椅占用傳感器應變電阻式加速度傳感器用于測量物體的加速度。加速度是運動參數(shù)而不是力，因此，它首先需要經(jīng)過質(zhì)量慣性系統(tǒng)將加速度轉(zhuǎn)換成力，再作用于彈性元件上來實現(xiàn)測量。為使加速度形成的慣性力變換成位移,將半導體硅片制成懸臂梁結(jié)構(gòu)，為提高靈敏度,將硅片固定端作等方向腐蝕,并在其自由端附加配重。為了檢測位移(應變),在已被腐蝕的薄層上面,配置了4個具有壓電效應的應變電阻，為了提高傳感器的檢測精度,應變電阻一般都連接成橋式電路,如圖2-37所示。2.加速度傳感器車輛速度發(fā)生改變時，根據(jù)慣性力形成應變,應變電阻的阻值發(fā)生變化,通過橋式電路可將這種阻值的變化以電壓變化的形式檢測出來。應變電阻式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2-38所示。

2.加速度傳感器該傳感器利用了懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁是一端固定,另一端自由的彈性敏感元件。根據(jù)梁的截面形狀不同可分為變截面梁（等強度梁）和等截面梁。由于其結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、應變片容易粘貼、靈敏度高等，

在較小力的測量中應用普遍。等強度懸臂梁使用時，電阻應變片R1粘貼在一端固定的懸臂梁上，

另一端的三角形頂點上受到載荷力F的作用，梁內(nèi)各斷面產(chǎn)生的應力相等，

表面上的應變也相等，與水平方向的貼片位置無關(guān)，如圖2-39所示。

2.加速度傳感器輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)（TirePressureMonitorSystem，TPMS）通過采用無線射頻通信的胎壓傳感單元和胎壓監(jiān)控單元，實現(xiàn)對輪胎壓力的實時監(jiān)控。TPMS的作用是在汽車行駛過程中對輪胎氣壓進行實時自動監(jiān)控，并對輪胎漏氣和低氣壓進行報警，以確保行車安全。TPMS通過在每一個輪胎上安裝高靈敏度的傳感器，在行車或靜止的狀態(tài)下，實時監(jiān)視輪胎的壓力、溫度等數(shù)據(jù)，并通過無線方式發(fā)射到接收器，在顯示器上顯示各種數(shù)據(jù)變化或以蜂鳴等形式，提醒駕車者。并在輪胎漏氣和壓力變化超過安全閾值（該閾值可通過顯示器設定）時進行報警，以保障行車安全。

3.輪胎壓力傳感器該扭矩傳感器由彈性軸、測量電橋、儀器用放大器、接口電路組成。彈性軸是敏感元件，在45度和135度的方向上產(chǎn)生最大壓應力和拉應力。傳感器的信息轉(zhuǎn)換過程是，在彈性軸上粘貼應變片組成測量電橋，當彈性軸受扭矩產(chǎn)生微小變形后引起電橋電阻值變化，應變電橋電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕淖兓瘡亩鴮崿F(xiàn)扭矩測量。

4.扭矩傳感器如圖4-44所示，制動壓力傳感器集成在ESP單元內(nèi)，該傳感器根據(jù)壓阻效應原理，即利用結(jié)構(gòu)變形時引起的材料電導率變化工作。傳感器通過4個接觸彈簧4與控制單元連接。兩個觸點用于供電，另外兩個觸點提供兩個彼此獨立的壓力信號。四個壓阻測量元件構(gòu)成一個電橋5，這些元件固定在一個隔膜6上。壓阻測量元件是半導體材料制成的電阻。如圖2-45所示。當進入測量室1的制動壓力升高時，隔膜6和與其連接的壓阻測量電橋5的長度發(fā)生變化。分布在壓阻電橋中的電阻值發(fā)生變化，測量電橋內(nèi)的壓電電橋元件7將該變化反饋到輸出電路上，以信號形式輸送給電子控制單元。ESP制動壓力傳感器通過三根電線與電子控制單元相連，分別是5V電源線，信號線和搭鐵線。5.制動壓力傳感器氫氣壓力傳感器主要是高壓氫氣瓶瓶閥上的高壓傳感器和經(jīng)過減壓閥后的氫氣中壓傳感器，以及最后進入電堆時的氫氣低壓傳感器。氫氣壓力傳感器通常由壓力敏感元件和信號處理單元組成。按工作原理主要有應變式、壓電式、壓阻式、磁電式等。圖2-46所示為森薩塔（SENSATA）氫氣高壓傳感器310PP11-06。310P