2025/11/21第一章概述目錄1.1新能源汽車的定義和分類1.2傳感器的定義和組成1.3傳感器分類和特性1.4新能源汽車傳感器的應用和特點本章導學本章導學

新能源汽車傳感器的重要性新能源汽車傳感器是汽車的“電五官”，起著車輛信息實時采集及傳輸?shù)淖饔谩Ｆ嚿系母鱾€控制系統(tǒng)以及人機接口，都要以傳感器為信息采集的源頭。例如，電動助力轉向系統(tǒng)（EPS），電控單元需要采集方向盤轉矩信息以及車速信息，進行處理后輸出控制命令，驅動轉向助力電機工作，協(xié)助司機轉向。因此，傳感器性能的好壞直接影響控制系統(tǒng)的工作，其作用至關重要。學習目標1.了解本門課程的的地位、作用、內(nèi)容體系結構。2.掌握傳感器的定義及組成。3.掌握傳感器的分類方法。4.掌握傳感器的靜態(tài)特性參數(shù)。5.了解傳感器的動態(tài)特性參數(shù)。6.能夠說出新能源汽車常用的傳感器類型。1.1新能源汽車的定義和分類工業(yè)和信息化部于2016年10月20日發(fā)布了《新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準入管理規(guī)定》(以下簡稱《規(guī)定》)，自2017年7月1日起施行。該《規(guī)定》對新能源汽車的定義如下:新能源汽車是指采用新型動力系統(tǒng)，完全或者主要依靠新型能源驅動的汽車，包括插電式混合動力(含增程式)汽車、純電動汽車和燃料電池汽車等。定義分類按照《規(guī)定》中的劃分方法，新能源汽車主要分為插電式混合動力電動汽車、增程式電動汽車、純電動汽車和燃料電池電動汽車以及氫發(fā)動機汽車、天然氣汽車以及其他新能源(如甲醇)汽車等不同類別產(chǎn)品。插電式混合動力汽車概述插電式混合動力汽車（Plug-inHybridElectricVehicle，簡稱PHEV）是一種結合了傳統(tǒng)內(nèi)燃機和電動機的混合動力汽車，與普通混合動力汽車（HEV）不同，PHEV可以通過外部電源對車載電池進行充電，在電池電量充足時，優(yōu)先使用電力驅動，以實現(xiàn)零排放或低排放行駛，當電池電量不足時，內(nèi)燃機會介入工作，提供額外的動力或為電池充電，確保車輛可以繼續(xù)行駛。在制動或減速時，PHEV可以通過再生制動系統(tǒng)回收動能，將能量轉換回電能存儲在電池中。增程式電動汽車概述

增程式電動汽車（RangeExtendedElectricVehicle,REEV）是一種在純電動模式下可以達到其所有動力性能，而當車載可充電儲能系統(tǒng)無法滿足續(xù)航里程要求時，打開車載輔助供電裝置（增程器）為動力系統(tǒng)提供電能，以延長續(xù)航里程的電動汽車，且該車載輔助供電裝置與驅動系統(tǒng)沒有傳動軸（帶）等傳動連接。增程器在功能上相當于一個車載充電系統(tǒng)，它是增程式電動汽車驅動系統(tǒng)的關鍵組件，目前，常用的增程器主要由發(fā)動機、發(fā)電機和發(fā)電機驅動控制裝置組成。如圖1-1所示純電動汽車原理

純電動汽車（BatteryElectricVehicle，簡稱BEV）是指以車載電源為動力，用電動機驅動車輪行駛，符合道路交通安全法規(guī)各項要求的車輛。純電動汽車完全采用可充電式電池驅動，驅動電機、車載電池、電控系統(tǒng)是核心部件，被稱為“三大電”。奧迪e-tron純電動SUV原理如圖1-2所示燃料電池電動汽車FCEV

燃料電池電動汽車FCEV(FuelCellElectricVehicle)是利用氫氣等燃料和空氣中的氧在催化劑的作用下在燃料電池中經(jīng)電化學反應產(chǎn)生電能，然后用電能通過電機驅動車輛。燃料電池汽車動力系統(tǒng)結構如圖1-3所示天然氣汽車概述

天然氣汽車是以天然氣作為燃料的汽車，又稱為“藍色動力”汽車。按照天然氣的化學成分和形態(tài)，分為壓縮天然氣汽車(CNG)、液化天然氣汽車(LNG)和液化石油氣汽車(LPG)三種。1.2傳感器的定義和組成1.2傳感器的定義和組成新能源汽車傳感器相當于汽車的感覺器官，能正確檢測出各種車載設備參數(shù)信息，并把它們轉變成電量，向汽車控制器及顯示終端提供汽車運行的各種物理量。新能源汽車上，傳感器在動力電池系統(tǒng)、驅動電機系統(tǒng)、增程器、汽車底盤、車身和燈光、電氣等各個系統(tǒng)都有大量的應用。1.2.1定義

傳感器的廣義定義在傳感器的廣義定義中，把傳感器定義為一種能把特定的(物理、化學、生物)信息按一定的規(guī)律轉換成某種可用信號輸出的器件和裝置。根據(jù)這個定義，我們常用的體溫計、腕表等都屬于傳感器。

傳感器的狹義定義在傳感器的狹義定義中，把傳感器定義為能把外界非電量信息轉換成電信號輸出的器件。其英語表述一般為:“Asensorisadevicethatreceivesastimulusandrespondswithanelectricalsignal”。這其實就是本書中所介紹的新能源汽車傳感技術相關內(nèi)容。該定義中沒有對輸入量的大小進行說明。定義中特別強調了用電信號作為輸出量。同時，該定義還闡述了傳感器具有信息敏感的功能和信號放大的作用，是人類延伸自身感官的特殊而有效的手段。

我國標準對傳感器的定義我國國家標準GB/T7665-2005《傳感器通用術語》（最新標準GB/T20232924-T-604正在起草）中對傳感器是這樣定義的:能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。1.2.2傳感器的組成傳感器一般是由敏感元件、轉換元件和其他輔助元件組成。其中，敏感元件、轉換元件是傳感器的基本組成部分，有時也將信號調節(jié)與轉換電路及輔助電源作為傳感器的組成部分。傳感器組成見圖1-4

敏感元件敏感元件是傳感器中能直接感受（或響應）被測信息（非電量）的元件，起感受被測量的作用。轉換元件轉換元件則是指傳感器中能將敏感元件的感受（或響應）信息轉換為電信號（可以用以傳輸?shù)碾妷夯蛘唠娏鳎┑牟糠?。信號調節(jié)與轉換電路信號調理與轉換電路一般是指能把傳感元件輸出的電信號轉換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號的電路。信號調節(jié)與轉換的電路選擇要視傳感元件的類型而定，常用電路有信號放大器電橋、振蕩器、阻抗變換器等。

輔助電源傳感器的基本部分和信號調理與轉換電路還需要輔助電源提供工作能量。1.3傳感器分類和特性1.3.1傳感器的分類按輸入量進行分類按新能源汽車傳感器輸入量分類方法以被測物理量命名，如驅動電機轉速傳感器、動力蓄電池溫度傳感器、車高位置傳感器、加速度傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、空氣濕度傳感器、發(fā)動機進氣壓力傳感器、氫氣壓力、濃度傳感器等。這種分類方法通常在討論傳感器的用途時使用。按工作原理進行分類新能源汽車傳感器按照工作原理，可以分為電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、熱電式傳感器、光電式傳感器、磁敏式傳感器、化學式傳感器、輻射式傳感器等。這種分類方法通常在討論傳感器的工作原理時使用。按輸出量進行分類按新能源汽車傳感器輸出量分類，可以分為直流、交流、頻率調制、脈寬調制和串行數(shù)據(jù)信號。輸出信號是控制系統(tǒng)中各個傳感器、控制電腦和其他設備之間相互通信的基本語言，電子信號各有不同的特點，用于不同的通信目的。1.3.1傳感器的分類傳感器可按輸入量、輸出量、工作原理、基本效應、能量變換關系、所蘊含的技術特征、尺寸大小以及存在形式分類，其中按輸入量和工作原理的分類方式較為普遍。新能源汽車上傳感器的分類法見圖1-5所示

直流信號直流(DirectCurrent，DC)信號是在任何周期里，方向不隨時間變化的電壓、電流信號。直流信號可以分為恒壓直流信號和非恒壓直流信號兩種。在汽車中產(chǎn)生恒壓直流信號的電源裝置有蓄電池電壓和控制器輸出的傳感器參考電壓。交流信號交流(AlternatingCurrent，AC)信號是大小和方向隨時間變化的信號。在汽車中產(chǎn)生交流信號的傳感器主要是磁電式傳感器和爆燃傳感器等。頻率調制信號保持輸出電信號波的幅度恒定而改變頻率稱為頻率調制。在汽車中產(chǎn)生可變頻率信號的傳感器主要是光電式傳感器和霍爾式傳感器。串行數(shù)據(jù)信號串行數(shù)據(jù)信號是按時序將組成數(shù)據(jù)和字符的碼元逐位予以傳輸?shù)男盘?。與并行數(shù)據(jù)相比，串行數(shù)據(jù)傳輸所需通信線少，傳輸?shù)木嚯x長，適用于長距離而速度要求不高的場合。在汽車電子智能設備中用來通信的串行數(shù)字信號是最復雜的信號，要用專門的解碼器讀取。如，發(fā)動機冷卻液溫度傳感器故障時，發(fā)動機控制模塊（PowertrainControlModule，PCM）輸出的串行數(shù)據(jù)(多路)信號波形如圖1-8所示脈寬調制信號脈沖寬度調制(Pulsewidthmodulation，PWM)簡稱脈寬調制。脈沖寬度，簡稱脈寬，就是在一個周期內(nèi)高電平持續(xù)的時間（見圖1-9），持續(xù)時間越長，其信號能量越大。4.按基本效應進行分類結合生物識別元件如酶、抗體或DNA，檢測生物分子或細胞，應用于醫(yī)療診斷、生物研究和藥物開發(fā)，實現(xiàn)高靈敏度和特異性檢測。生物傳感器通過檢測化學物質的濃度或反應變化，如氣體、pH值或離子含量，用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷和食品安全檢測，提供精準的化學分析數(shù)據(jù)。化學傳感器利用物理效應如電磁、光學、聲學等原理檢測環(huán)境參數(shù)，包括溫度、壓力、光強、運動等變化，廣泛應用于工業(yè)自動化、智能家居和環(huán)境監(jiān)測領域。物理傳感器另外，按傳感器的能量變換關系可以將傳感器分為無源（能量控制型或參量型）傳感器和有源（能量變換型或發(fā)電型）傳感器。按傳感器所蘊含的技術特征可以將傳感器分為普通傳感器與新型傳感器，按傳感器的存在形式進行分類可以將傳感器分為硬傳感器和軟傳感器等。1.3.2傳感器的特性傳感器的基本特性是指傳感器的輸入-輸出關系特性，是傳感器的內(nèi)部結構參數(shù)作用關系的外部特性表現(xiàn)。傳感器所測量的物理量基本上有兩種形式:穩(wěn)態(tài)(靜態(tài)或準靜態(tài))和動態(tài)(周期變化或瞬態(tài))。前者的信號不隨時間變化或變化很緩慢，后者的信號是隨時間變化而變化的。傳感器的基本任務就是要盡量準確地反映輸入物理量的狀態(tài)，因此傳感器所表現(xiàn)出來的輸入-輸出特性也就不同，即存在靜態(tài)特性和動態(tài)特性。1.3.2傳感器的特性

靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是它在穩(wěn)態(tài)信號作用下的輸入-輸出關系衡量傳感器靜態(tài)特性的主要指標是測量范圍和量程、線性度、靈敏度、分辨率、遲滯、重復性和漂移。

測量范圍和量程傳感器的測量范圍是指傳感器所能測得的最小被測量與最大被測量之間的范圍;測量范圍的上限值與下限值之差稱為量程。線性度線性度(Linearity)是指傳感器的輸出與輸入間成線性關系的程度。傳感器的理想輸入-輸出特性應是線性的，因為這有助于簡化傳感器的理論分析、數(shù)據(jù)處理、制作標定和測試，但傳感器的實際輸入-輸出特性大都具有一定程度的非線性，如果傳感器的非線性項的方次不高，在輸入量變化范圍(Range)不大的條件下，可以近似地代表實際曲線的一段。

靈敏度靈敏度(Sensitivity)是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化對輸入量變化的比值，通常用或Sn或K來表示。即Sn=dydx或Sn=ΔyΔx（1-1）對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性曲線的斜率，非線性傳感器的靈敏度為一變量。曲線越陡峭，靈敏度越大；越平坦，則靈敏度越小。見圖1-10所示。如果輸入量和輸出量有不同的量綱，則靈敏度也有量綱，例如輸入量為溫度（℃），輸出量為電壓（V），則靈敏度的單位為“V/℃”。如果輸入量和輸出量是同類量，則靈敏度是一個放大倍數(shù)，它體現(xiàn)了傳感器對被測量的微小變化放大為顯著變化的輸出信號的能力，即傳感器對輸入變量微小變化的敏感程度分辨力傳感器能夠感知或檢測到的最小輸入信號增量就是傳感器的分辨力，反映傳感器能夠分辨被測量微小變化的能力。分辨力可以用能夠分辨最小增量的絕對值或能夠分辨最小增量與滿量程的百分比來表示（此時稱為分辨率），通常將模擬式傳感器的分辨率規(guī)定為最小刻度分格值的一半。靈敏度越高，分辨力越強（?。?，反之亦然。閾值閾值是指能使傳感器輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，即零位附近的分辨力。大多數(shù)情況下，閾值主要取決于傳感器的噪聲大小。如圖1-11所示的滾珠式傳感器，其觸發(fā)閾值和滾珠的質量，滾珠與殼體的摩擦等參數(shù)相關。遲滯遲滯(Hysteresis)，也叫回程誤差，是指在相同測量條件下，對應于同一大小的輸入信號，傳感器正(輸入量由小增大)、反(輸入量由大減小)行程的輸出信號大小不相等的現(xiàn)象。遲滯的大小一般由實驗方法來確定。用正、反行程間的最大輸出差值與滿量程比值表示。產(chǎn)生遲滯的原因主要是傳感器機械部分存在不可避免的摩擦、間隙、松動、積塵等引起能量吸收和消耗。重復性重復性(Repeatability)表示傳感器在輸入量按同一方向做全量程多次測試時所得輸入-輸出特性曲線一致的程度。產(chǎn)生的原因與遲滯產(chǎn)生的原因相同。

穩(wěn)定性穩(wěn)定性是表示傳感器在較長一段時間內(nèi)保持特性參數(shù)的能力。最常見的現(xiàn)象是漂移。：1）傳感器自身敏感材料特性和結構參數(shù)老化。2）測試過程中環(huán)境（如溫度、濕度、壓力等）發(fā)生變化(常見溫度漂移)。

準確度準確度是指測量結果與被測量理論值（真值）的一致程度。一般用精度來衡量。2.動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性是指傳感器對動態(tài)激勵(輸入)的響應(輸出)特性，即其輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性。一個動態(tài)特性好的傳感器，其輸出隨時間變化的規(guī)律(輸出變化曲線)，將能再現(xiàn)輸入隨時間變化的規(guī)律(輸入變化曲線)，即輸出輸入具有相同的時間函數(shù)。傳感器的動態(tài)特性可以從時域和頻域兩個方面分別采用瞬態(tài)響應和頻率響應來分析。由于輸入信號的時間函數(shù)形式是多種多樣的，在時域內(nèi)研究傳感器的響應特性時，只研究幾種特定的輸入時間函數(shù)，如階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)和斜坡函數(shù)等。在頻域內(nèi)研究動態(tài)特性一般是采用正弦函數(shù)。對應的傳感器動態(tài)特性指標分為兩類，即與階躍響應有關的指標和與頻率響應特性有關的指標。①在采用階躍輸入研究傳感器的時域動態(tài)特性時，常用延遲時間、上升時間、響應時間、超調量等來表征傳感器的動態(tài)特性。②在采用正弦輸入信號研究傳感器的頻域動態(tài)特性時，常用幅頻特性和相頻特性來描述傳感器的動態(tài)特性。

3.傳感器的技術指標由于傳感器的應用范圍很廣，類型很多，使用要求差別很大，因此很難給出能夠全面衡量傳感器質量的統(tǒng)一指標。但是，列出若干基本參數(shù)和比較重要的環(huán)境參數(shù)指標作為檢驗、使用和評價傳感器的依據(jù)，是很有必要的。表1-1給出了傳感器的技術指標。當然，對于一種具體的傳感器來說，并不是全部指標都是必需的，應根據(jù)實際需要，確保主要參數(shù)滿足要求。1.4新能源汽車傳感器的應用和特點1.4.1新能源汽車傳感器的應用新能源汽車電子控制系統(tǒng)隨著新能源汽車智能化的發(fā)展，汽車電子控制系統(tǒng)越來越精密和完善，旨在提高整車的安全性、動力性、經(jīng)濟性、舒適性、操縱性以及排放性能等。汽車電子控制系統(tǒng)由傳感器、電控單元(ElectronicControlUnit，ECU)和執(zhí)行器三部分組成，如圖1-12所示。其中，傳感器作為控制系統(tǒng)信息的源頭，是一種能測量各種被測物體的物理量，并把它們轉變成電信號的裝置。它的主要作用是向新能源汽車各控制單元和顯示終端提供汽車運行的各種工況信息，是新能源汽車的“電五官”。

動力電池傳感器及其作用動力電池上的傳感器主要有電流傳感器、電壓傳感器、溫濕度傳感器、位置傳感器以及氣體傳感器，見圖1-13所示。其中，電流傳感器用于監(jiān)測電池充放電時的電流，電壓傳感器用于測量電池組中每個電池的電壓，確保電池組中的每個電池都處于良好的工作狀態(tài)。溫度傳感器主要用于監(jiān)測電池的溫度，防止電池充放電時熱失控發(fā)生，濕度傳感器則用于監(jiān)測電池環(huán)境中的濕度，這對于電池的性能和壽命有著重要影響。位置傳感器主要用于檢測水冷裝置中冷卻液面的位置情況，以便于BMS及時調節(jié)控制主水泵與副水泵進行切換運行。氣體傳感器用于檢測當動力電池熱失控時，產(chǎn)生的諸如一氧化碳、氫氣等大量異常氣體情況，發(fā)出預警，并要求整車控制器進行有效處理，從而全面監(jiān)測電池的健康狀況。電機傳感器及其功能驅動電機上的傳感器主要有電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、轉速傳感器、位置傳感器以及磁場傳感器，見圖1-14所示。位置傳感器用于檢測電機轉子的精確位置，這對于實現(xiàn)精確的矢量控制和磁場定向控制（FOC）至關重要。電流傳感器用于監(jiān)測電機的電流，這對于控制電機的扭矩和轉速至關重要。溫度傳感器用于監(jiān)測電機和控制器的溫度，以確保系統(tǒng)的安全運行并防止過熱。通常采用NTC或PTC類型的熱敏電阻，轉速傳感器用于監(jiān)測電機的轉速，確保電機在安全的轉速范圍內(nèi)運行。可以是機械式的（如齒輪傳感器）或電子式的（如霍爾傳感器），該傳感器提供關于電機轉速的反饋，以便控制器進行相應的調整。電壓傳感器用于監(jiān)測電機的供電電壓，確保電機在適當?shù)碾妷合逻\行。這對于保護電機免受過電壓或欠電壓損害至關重要。另外，在某些電機設計中，可能會使用磁場傳感器來監(jiān)測電機的磁場強度，這對于控制電機的磁場強度和優(yōu)化電機性能非常重要

發(fā)動機傳感器在惡劣環(huán)境下的性能要求對于插電式混合動力汽車和增程式電動汽車，除了考慮動力電池和驅動電機以外，還需要考慮發(fā)動機系統(tǒng)上的傳感器，主要包括燃燒室溫度傳感器、排氣溫度傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、進氣壓力傳感器、曲軸位置和轉速傳感器、流量傳感器、氧傳感器和爆燃傳感器等，見圖1-15所示。

燃料電池汽車的傳感器技術燃料電池汽車是一種新型環(huán)保汽車，燃料電池是一種將氫氣和氧氣轉化為電能的清潔能源技術。在燃料電池系統(tǒng)中，傳感器起著至關重要的作用，幫助實現(xiàn)對溫度、壓力、流量、濃度、濕度和電流等關鍵參數(shù)的監(jiān)測和控制。通過這些傳感器的精確測量，燃料電池系統(tǒng)能夠實現(xiàn)更高的效率、更長的壽命和更穩(wěn)定的運行。同時，傳感器的數(shù)據(jù)還可以用于故障診斷、系統(tǒng)優(yōu)化和性能改進。

汽車控制系統(tǒng)與傳感器應用此外，汽車主要的控制系統(tǒng)，如防抱死制動系統(tǒng)（Anti-lockBrakingSystem，ABS）、電控空氣懸架系統(tǒng)（ElectronicallyControlledAirSuspension，ECAS）、助力轉向系統(tǒng)（ElectricPowerSteering，EPS）等，都借助于相應的傳感器作為信息輸入，完成控制動作。ABS系統(tǒng)工作原理ECAS系統(tǒng)優(yōu)化車輛性能ECAS系統(tǒng)借助于車身高度傳感器、車速傳感器、加速度傳感器、轉向盤轉角傳感器等，實時檢測車輛運行狀態(tài)，由電控單元控制懸架執(zhí)行機構改變懸架彈性元件的剛度、減振器阻尼力及車身高度等參數(shù)，使車輛的操縱性和平順性都達到最優(yōu)。ECAS系統(tǒng)結構見圖1-18

EPS系統(tǒng)工作原理汽車在轉向時，EPS系統(tǒng)轉矩(轉向)傳感器會“感覺”到轉向盤的力矩和擬轉動的方向，這些信號會通過數(shù)據(jù)總線發(fā)給電子控制單元，電控單元會根據(jù)傳動力矩、擬轉的方向、車速等數(shù)據(jù)信息，向電動機控制器發(fā)出動作指令，從而電動機就會根據(jù)具體的需要輸出相應大小的轉動力矩，產(chǎn)生助力轉向，提高駕駛員轉向時的操縱性及行車安全性，EPS組成見圖1-19所示1.4.2新能源汽車傳感器的特點1）高精度與可靠性。2）智能化與網(wǎng)絡化。3）低功耗與長壽命。4）集成化與多功能化。5）智能化算法與數(shù)據(jù)分析。6）新材料與新工藝的應用。7）環(huán)境適應性。8）批量生產(chǎn)性。9）體積小。THEEND謝謝第二章

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轉換以及空調等模塊上。動力電池系統(tǒng)檢測技術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在電動汽車中的應用電動汽車驅動系統(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轉換以及空調等模塊上。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，它能將機械位移轉換成與之成一定函數(shù)關系的電阻或電壓輸出。電位器式傳感器結構簡單，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)關系的轉換。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)結構形式的不同，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的關系為

（2-3）作為分壓器使用時，輸出電壓Uα與角度α的關系為

（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)關系，與滑臂位置有關，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構可知，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。滑臂每移動過一匝線圈，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)反映駕駛人駕駛意圖的信息。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。當油門關閉時，滑臂轉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)反映駕駛人駕駛意圖的信息。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，并將其轉化成相應的轉角值。轉角-位移變換器將扭桿彈簧兩端的相對轉角轉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化為電位計的杠桿旋轉角度，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化為電壓。這樣扭矩信號就轉化為了電壓信號。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。其結構如圖2-14所示。主要由傳感器軸、轉板、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，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,其結構原理如圖2-21所示。在翼片上安裝一個電位計,它與翼片同軸旋轉,電位計上滑片移動導致電阻的變化，并轉變成電壓信號輸入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,翼片偏轉角度越大。因為翼片與電位計的滑片都被固定在轉軸上,在翼片偏轉的同時,滑片也偏轉。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。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。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換為電阻變化的傳感器，由彈性元件(感知與力相關的量并產(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換元件將應變轉換為電阻變化)構成。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構如圖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。惠斯通電橋根據(jù)其供橋電源的性質，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，而與環(huán)境溫度無關應當指出，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)過質量慣性系統(tǒng)將加速度轉換成力，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構，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構如圖2-38所示。

2.加速度傳感器該傳感器利用了懸臂梁結構，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。由于其結構簡單、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，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，即利用結構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。310PP11-06高壓傳感器為壓阻式原理傳感器，為森薩塔研發(fā)的MSG微熔應變片技術。采用4個壓敏電阻通過玻璃微熔密封的金屬基板背面，組成惠斯通電橋。當受壓時，壓敏電阻因阻值變化導致電壓變化，通過芯片放大處理后傳輸出隨壓力變化的電壓信號（或數(shù)字信號）。6.氫氣壓力傳感器在裝有發(fā)動機的新能源汽車上，要考慮燃燒氣體的排放情況。為了達到排放標準的要求，通常的方法是在汽車尾氣排放部分放置捕集器，捕集尾氣中的微小顆粒。然而，廢氣排放通道會隨著捕集到顆粒的積聚而被漸漸堵塞。積聚顆粒的處理是在通道的某個位置或直接在尾氣中注入額外的燃油來提高廢氣的溫度，在捕集器中存在催化劑時，廢氣的高溫足以使積聚的顆粒燃燒并氣化。這個清潔過程被稱為“再生”過程。這個過程中有一個問題，“再生”過程太頻繁，會增加耗油量；間隔太長，則會降低發(fā)動機性能。因而，選擇合理的“再生”觸發(fā)時刻顯得非常重要。差壓傳感器將壓力差信號送至ECU，ECU根據(jù)該壓力差判斷捕集器中顆粒的積聚程度，決定“再生”觸發(fā)時刻及額外燃料注入量。同時，ECU還可以通過控制EGR閥調節(jié)尾氣的溫度。7.差壓傳感器其核心是一塊圓形硅膜片（彈性元件

），通過擴散工藝在硅基底上擴散出4個

電阻，

構成惠斯通電橋的4個橋臂接入平衡電橋。膜片兩邊有兩個壓力腔，

一個是與被測系統(tǒng)相連接的高壓腔；另一個是低壓腔。當膜片兩邊存在壓力差時，膜片上各點產(chǎn)生應力，膜片產(chǎn)生變形。四個電阻的阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出電壓。該電壓與膜片兩邊壓力差成正比。7.差壓傳感器進氣歧管壓力傳感器測量發(fā)動機進氣管中氣體的絕對壓力,典型的進氣絕對壓力值為250kPa。該絕對壓力是相對于基準真空壓力而不是相對于環(huán)境的大氣壓力。由測量得到的進氣歧管氣體的絕對壓力就可以算出空氣的質量流量,并根據(jù)發(fā)動機的需要調節(jié)增壓壓力。進氣歧管壓力傳感器廣泛采用半導體應變片原理。進氣歧管壓力傳感器如圖2-48所示,主要包括硅片、底座、硅杯和蓋子等。硅片上形成有膜片,膜片上埋入了檢測壓力的測量電阻，底座上設置了導壓管和作為輸入/輸出的引線端子。

8.進氣歧管壓力傳感器硅片的中央部分為用腐蝕法形成的膜片,在壓力的作用下,膜片會產(chǎn)生機械應變。在硅膜片表面的四周上,采用IC的微加工技術等使膜片的外圓周上形成應變電阻,并將4個測量電阻按惠斯頓電橋法在硅片內(nèi)部連接起來。將4個應變電阻R1、R2、R3和R4的電阻值設計成同樣值R。當膜片上作用有壓力時,膜片會產(chǎn)生應力,同時引起測量電阻的阻值發(fā)生變化,導致惠斯頓電橋的平衡被破壞。當將一定的電壓輸入到惠斯頓電橋的輸入端時,就可以在電橋的輸出端得到電壓的變化值。

8.進氣歧管壓力傳感器硅片的外圓周邊粘接固定到底座上,并用外殼蓋住后,內(nèi)部便處于真空狀態(tài)。壓力接管接入所測量的壓力后,薄膜在該壓力的作用下產(chǎn)生應力,電橋回路就輸出與測量壓力成比例的電壓，進氣歧管壓力傳感器輸出特性如圖2-50所示。因為將真空壓力作為基準壓力,所以就能測量絕對壓力。為了補償應變電阻值和薄膜厚度的不均以及應變電阻的溫