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图1-1汽车与传感器
汽车空气系统中的传感器是检测和控制燃烧所需空气量,得到最佳的燃烧状态和最小的排气污染,空气经空气滤清器过滤,经空气流量传感器测量后进入气管,与汽油混合后进入气缸,ECU根据车速、功率(载重量、爬坡)等不同情况,控制电磁调节阀的开合程度来增加、减少空气流量。
汽车燃油系统首先检测油压,油压送到ECU,ECU调整燃油泵和喷油器中电磁线圈通电时间(占空比),从而控制喷油量。
发动机点火系统由霍尔传感器检测曲轴转角,确定点火时刻。
汽车用传感器的种类和项目参见附录一所示。
1.1传感器的工作原理
传感器定义:
能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。
传感器组成:
敏感元件、传感元件、测量转换电路
图1-2传感器组成框图
传感器特征:
“感”,感受,用敏感元件直接感受或响应被测量,“传”,传递,传送,能将被测量转换成适于传输或测量的电信号,并传出去供显示或处理。
1)传感器的作用是将非电量转变成电量
2)传感器的输出信号一般很弱,需要信号调理电路将其放大变换为容易传输、处理、记录、显示的形式
3)并不是所有的传感器都能明显区分敏感原件和转换元件,有的传感器是将两者合二为一的。
有的传感器是将其感受的被测量直接转换为电信号,没有中间转换环节。
4)随着集成技术的发展,传感器的调节与转换可以安装在传感器的壳体里或者与敏感元件一起集成在同一芯片上。
传感器实例---压力传感器:
图1-3电位器式压力传感器
图1-3中弹簧管是敏感元件,作用是将压力变换为角位移。
弹簧管空心,固定一端,自由的一端由盖子密封。
压力通过弹簧管的固定端导入弹簧管的内腔,弹簧管受力后,截面力图变成圆形,截面形状改变导致趋向伸直,弹簧管的位移通过齿条带动齿轮转动,从而带动电位器的电刷产生角位移。
图中齿条和齿轮是传动机构,将弹簧管的位移传递给电刷。
图中电位器是传感元件,它将角位移转变为电参量---电阻的变化。
当电位器的两端加上电源后,电位器组成了分压比电路,它的输出量与压力成一定比例关系。
在此例中,电位器又是测量转换电路
1.2传感器命名方法
通常根据具体用途命名传感器,如测压的---压力传感器,测温度的---温度传感器,测直线位移的(功能在于把直线机械位移量转换成电信号)传感器--直线位移传感器
传感器产品的命名由主题词加四级修饰语构成
。
例CY-GQ_1传感器为序号是1的光纤压力传感器。
(1)主题词——传感器。
C—传感器,主题词;
(2)第一级修饰语——被测量,包括修饰被测旦的定语。
Y压力
,W温度
(3)第二级修饰语——转换原理,一般可后续以‘‘式”字。
Z电阻,
(4)第三级修饰语——特征描述,指必须强调的传感器结构、性能、材料特征及其它必要的性能特征,一般可后续以“型”字。
(5)第四级修饰语——主要技术指标(量程、精确度、灵敏度等)。
例WZPK2-236G:
铠装电阻式油压?
温度?
w—温度,被测量Z—热电阻,P---铂K—铠装式
例B
F
350
–
3是称重传感器
B:
表示应变计类别,(B:
箔式;
T:
特殊用途;
Z:
专用(特指卡玛箔))
F:
表示基底材料种类,(B:
玻璃纤维增强合成树脂;
改性酚醛;
A:
聚酰亚胺;
E:
酚醛-缩醛;
Q:
纸浸胶;
J:
聚氨酯)
350:
表示应变计标准电阻
1.3传感器的基本特性
1)分辨力
传感器能检出的被测信号的最小变化量
2)灵敏度
传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比
3)线性度
传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程范围内的输出百分比
传感器把被测量转换为电参数,如电阻、电容、电感的变化,按这种传感原理分类有电阻传感器、电容传感器、电感传感器。
1.4电阻传感器
电阻式传感器是将非电量如力、位移、形变、速度和加速度等的变化,通过电阻元件变换成电阻值的变化,然后再变成电信号。
设有一长度为L,截面积为S,半径为r,电阻率为ρ的金属单丝,它的电阻值可以表示为
导体的电阻可由下式计算:
,其中S=πr2
●改变电阻的长度:
电位器式传感器
三端电子器件,改变滑动臂的位置,改变了电路的分压比,有直滑式和旋转式,用于测量直线位移和角位移。
下图是直滑式,由线绕电阻(将电阻丝绕在绝缘的骨架上)和移动电刷组成。
通过电刷的移动,改变电阻值的大小,从而得到不同的输出出电压Uo,输出电压与电刷位移之间的关系为
电位器式传感器例:
油浮子传感器原理是在油箱内设有一个浮子,一端连接一根金属杆,金属杆的尾部经由一个可移动的接点连接到一个滑线变阻器的滑动端,进而将信号传输到仪表盘的油量表上,浮子位置变化的机械信号通过滑线变阻器转化为电信号,从而进入信号处理系统。
●改变电阻的长度或截面积----应变式传感器
原理基于应变效应。
导体或半导体材料在外界力的作用下,会产生机械形变,其电阻值也将随着发生变化。
测量各种物理量的专用应变式传感器的电阻应变片粘到某些弹性体上,并接到测量转换电路,还有一种是应变片牢固地粘在测试体表面,当测件受力变形,在应变仪上读取应变量。
应变片可以分为金属应变片及半导体应变片,前者分为金属丝式、箔式、薄膜式三种
●压阻效应:
由于应力的作用,材料电阻率发生变化。
压阻传感器如下:
应变式传感器例1:
D型EFI空气供给系统----进气歧管绝对压力传感器
端子意义:
VC(5伏电源+)。
PIM:
气歧管绝对压力信号输出。
E2负极
压敏电阻式进气压力传感器的工作原理:
应变电阻R1、R2、R3、R4,他们构成惠斯顿电桥并与硅膜片粘接在一起。
硅膜片是压力转换元件,膜片一面通真空室,另一面导入进气压力,当进气压力变化时,硅膜片随之产生变形。
硅模片在歧管内的绝对压力作用下产生变形,从而引起应变电阻R阻值的变化,歧管内的绝对压力越高,硅膜片的变形越大,电阻R的阻值变化也越大,即把硅膜片的机械形变转换成了电信号,再由集成电路放大后输出至ECU。
应变式传感器例2:
电阻传感器举例---主油缸压力传感器
这一传感器安装在主油缸的下部。
其作用是检测主油缸的输出压力。
其结构如图所示,这也是利用膜片上应力片电阻改变的效应,制成的半导体传感器,膜片与应变片制成一个整体,当制动压力加到其上时膜片发生变形,此变形使应变片的阻值发生变化,再通过桥式电路测出与压力成正比的电信号并传输出去。
热电阻传感器
金属热电阻在温度升高时,金属内部原子晶格的振动加剧,从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻力增大,表现为电阻值增大,即电阻值与温度变化的趋势相同。
金属热电阻使用金属材料制成,最常用的是铂丝,还有铜、镍、铁、铁—镍等。
它的主要特点是测量精度高,温度-电阻之间的关系极为稳定,习惯上将测温金属电阻称热电阻。
热敏电阻为半导体感温电阻,热敏电阻分正温度系数和负温度系数两种,正温度系数PTC(PositiveTemperatureCoeffiCient)是指在某一温度下电阻急剧增加,负温度系数NTC(NegativeTemperatureCoeffiCient)是指随温度上升电阻呈指数关系减小。
热敏电阻由半导体材料制成,种类繁多。
它的主要特点如下:
优点:
体积小、重量轻;
热惯性小、价格便宜;
本身阻值大,不需要考虑引线长度带来的误差,适合远距离传输。
缺点:
①非线性严重;
②元件的一致性差,互换性差;
③元件易老化,稳定性较差;
④除特殊高温热敏电阻外,绝大多数NTC热敏电阻适合测-50~+300℃范围的温度,使用时必须注意。
测量电路:
直流电桥
1.5电容式传感器
工作原理:
电容器的容量受三个因素的影响:
C=ε.A/d,A为两极板间的有效覆盖面积;
d为两极板间的距离;
ε为两极板间介质的介电常数。
通过改变复盖面积或相对介电常数或极板间距,都可以引起电容量的相对变化,这是电容传感器的基本工作原理。
测量范围大、灵敏度高、动态响应时间短、机械损失小、结构简单;
寄生电容影响较大、线性度较差、受大气温度和湿度影响
(1)变介质介电常数(ε)
(2)改
变两极板间的有效覆盖面积来获得电容量的变化
(3)改变极板间距
电容式传感器例:
电容式油位传感器的传感部分是一个同轴的容器,当油进入容器后引起传感器壳体和感应电极之间电容量的变化,这个变化量通过电路的转换并进行精确的线性和温度补偿,输出4-20mA标准信号供给显示仪表
由于差动式结构具有较强的抗干扰能力,误差小,灵敏度高等特点,所以电容式传感器常常采用差动式结构
1.6电感式传感器(inductance_typetransducer)
是利用线圈自感和互感量系数的变化实现对位移或与位移有关的工件尺寸、压力、振动等参数的检测。
分辨率高,精度高,但是反应慢。
原理是电磁感应(Electromagneticinduction),因磁通量变化产生感应电动势的现象。
简单地说就是变化的磁场在周围空间产生电场,当导体处在此电场中时,导体中的自由电子在电场力作用下作定向移动而产生电流,产生的电流称为感应电流。
即闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时,导体中就会产生电流。
自感:
线圈中通过交流电流时,其周围则会出现随时间而变化的磁力线。
根据电磁定律可知,变化的磁力线在线圈两端产生感应电动势。
这种感应电动势是由线圈中电流引起的,即所谓的自感应作用,叫做自感。
电感量只是一个与线圈的圈数、大小、形状和介质有关的一个参量,而与外加电流无关。
电感量L最基本的单位是"
亨利"
,用字母"
H"
表示。
1亨利电感就是在1秒钟内电流平均变化1安时,在电路内感应出l伏自感应电动势的电感量值。
比亨利小的单位有毫亨(mH)和微亨(μH)。
电感元件一般是由导线(大多为带绝缘层的导线)绕成空心线圈或带铁心(磁心)的线圈而制成的,所以又把电感元件称为电感线圈,简称为线圈。
任何线圈有电流通过时,线圈的周围就会产生磁场。
当线圈中流过的是直流电流时,其周围只呈现固定的磁力线,不随时间而变化,当线圈中通过交流电流时,其周围则会出现随时间而变化的磁力线。
自感电动势的大小可由下式表示,即
习惯上的电感式传感器指自感式传感器,互感式传感器利用变压器原理,往往做成差动变压器式传感器。
?
参见实验指导书P11上的图6
电涡流效应:
金属导体置于变化的磁场中,导体表面有就会有感应电流产生,这种金属电流的流线在金属体内自行闭合,这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流。
这种现象称为电涡流效应。
电涡流式传感器利用电涡流效应检测被测体(必须是金属导体)与探头端面的相对位置。
特点是是长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响,常被用于对大型旋转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数进行长期实时监测。
1.7压电式传感器
压电效应(PiezoelectricEffect)
压电式传感器是一种典型的发电型传感器,压电传感元件是力敏感元件。
在压力、应力、加速等外力作用下,某些晶体或陶瓷材料,内部就产生极化现象,同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷,当外力消失后,又恢复到不带电状态。
压电传感器测量动态力、动态压力、加速度,不能测量静态参数。
压电传感器虽然是有源传感器,但输出信号十分微弱,不能单独工作,必须与放大器配套才能工作。
1.8热电偶传感器
热电效应--两种不同材料的导体A和B串接成一闭合回路,如果两个接点出现温差,则在回路中就有电流产生,这种现象称为热电效应。
产生电流的电动势就是热电势。
这种不同导体的组合就是热电偶,热电偶结构简单,由热电极金属材料丝、绝缘材料、保护材料及接线部分组成,热电偶的感受部分是工作端结点。
测试中的补偿:
由于热电偶的热电势与两结点的温度有关,因此,在测温过程中,只有保持冷端温度不变,才能准确地测量热端温度。
但在实际测量过程中,环境温度是变化的,这就导致了测量误差,必须采取修正或补偿措施。
1.9光电式传感器
光具有波粒二像性。
光是电磁波,所以有反射、折射、干涉衍射、偏振现象。
光是一种粒子。
光电效应:
用光照射物体,物体收到光子的轰击,组成物体的材料吸收光子能量发生电效应。
外光电效应的光电器件:
在光线的作用下,电子逸出物体表面,如光电管、光电摄像管
内光电效应器件:
在光线的作用下,物体的电阻率改变,如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管
在光线的作用下,物体产生一定方向的电动势的现象成为光生伏特效应。
用途很广:
烟度测量、转速测量、光电开关、太阳能利用。
灵敏度高;
线性度较低;
初始电流不为零。
1.10超声波传感器
声波是一种机械波,频率在20~20khz时,人耳可听见。
低于20hz时为次声波,人耳听不见,许多动物能听见,地震前有些动物有异常反应。
高于20khz的是超声波,人耳听不见。
但是指向性好、能量集中、超声波和光波一样,有折射、反射特性。
超声波遇到两种介质的分界面时,有明显的反射和折射现象。
超声波传感器分为反射型和透射型。
超声发射器和接收器在被测物两侧的为透射型,发射器和接收器在同侧的为反射型。
1.11霍尔传感器
霍尔效应原理:
在与强度为B的磁场垂直的半导体薄片的两边通以控制电流I,则在半导体另外两边会产生一个大小与I和B乘积成正比的电势UH,这一现象称为霍尔效应。
该电势称为霍尔电势,半导体薄片就是霍尔元件。
UH=KHIB式中KH——霍尔元件的灵敏度系数。
奇瑞汽车的转速传感器是霍尔传感器,由带永久磁铁的圆筒和线圈组成。
旋转的飞轮边缘有齿,故意少了两个齿,具体地说奇瑞的飞轮是60齿轮、减少两齿为58齿。
在缺齿的边缘处有个对应的传感器,它就叫转速/上止点传感器。
就是当缺齿部分靠近传感器时改变了原来的磁场,使霍尔传感器输出了一个交变的电压信号。
ECU就是根据这个信号来计数和时间。
飞轮每旋转一圈,ECU都能读到信号,飞轮的转速就是曲轴的转速、曲轴的转速就是发动机的转速。
因此,ECU是无时不刻地监督着发动机的转速。
2信号调理
来自传感器的电信号不能用数据采集设备测量,因为多信号电压小,容易受噪声影响,而某些信号本身存在很高的尖峰值。
因此需要吧传感器信号进行放大、滤波、隔离、或其他形式的信号调理。
具体参见下图。
2.1信号放大
放大是将信号放大到模数转换的最大输入范围,供模数转换器数字化处理,更好地反应原始的低电平信号。
同时缩短电缆长度,使用护套、双绞线,让信号线远离交流电源线、远离显示器等,可以减少噪声。
2.2滤波
滤波是滤掉信号中不需要的成分或噪声,可分为四类:
低通、高通、带通、带阻。
许多缓慢变化的信号常使用低通滤波器,低通滤波是容许低于截止频率的信号通过,但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。
RC低通中,电容与负载是并联关系,那在负载两端的信号表现就是通低频阻高频
2.3电桥
电桥主要有直流和交流电桥电路。
电桥电路的作用:
把电阻片的电阻变化率ΔR/R转换成电压输出,然后提供给放大电路放大后进行测量
有四个电阻组成桥臂,一个对角接电源,另一个作为输出。
如图所示,电桥各臂的电阻分别为R1、R2、R3、R4,U为电桥的直流电源电压。
当四臂电阻R1=R2=R3=R4=R时,称为等臂电桥;
当R1=R2=R,R3=R4=R'
≠R时,称为输出对称电桥;
当R1=R4=R,R2=R3=R'
≠R时,称为电源对称电桥
Ub=USR/(R1+R2)
Ud=UsR3/(R3+R4)
Ub-Ud=Us(R1R3-R2R4)/((R1+R2)/(R3+R4))
单臂R1为电阻应变片,其他为固定电阻,且R1=R2=R3=R4=R时:
非平衡:
当R1没有变化时,Ub-Ud=0
当R1有变化时,Ub-Ud=?
平衡测量:
测量时调滑动变阻器使Ub-Ud=0
R1(应变片)=R2(滑动变阻器)=R3=R4=R,
3数据采集
3.1模数转换
模拟量:
语音、电压、电流等电信号或者声、光、压力、湿度、温度等随时间连续变化的非电的物理量,它们随着时间连续变化。
非电模拟量可通过合适的传感器(如光电传感器、压力传感器、温度传感器)转换成电信号。
A/D转换是将模拟量转换成数字量,D/A转换是将数字量转换为模拟量。
ADC模数转换需要经过两个大的过程:
一是对模拟量采样,即对连续变化的模拟信号进行定时测量,抽取其样值。
采样结束后,再将此取样信号保持一段时间,使A/D转换器有时间去进行AD转换。
二是转换,即把采样电压转换成以某个最小电压的整数倍的过程。
如将3.3V分为1024个单位,即每个单位对应的电压为3.2226mV,若当前采样回来的电压为1V,则可以将之量化为3.2226mV的310个整数倍(3.2226MV*310=999.006MV)。
此时,310即为AD模数转换结果。
3.2ADC0809
ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器,把输入的连续变化的模拟电压信号转换成单片机能够识别的数字信号。
它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成(见图1)。
多路开关可选通8个模拟通道,允许8路模拟量分时输入,共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量,当OE端为高电平时,才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
IN0-IN7:
8条模拟量输入通道,ADC0809对输入模拟量要求:
信号单极性,电压范围是0-5V,若信号太小,必须进行放大;
输入的模拟量在转换过程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入前增加采样保持电路。
地址输入和控制线:
4条
ALE为地址锁存允许输入线,高电平有效。
当ALE线为高电平时,地址锁存与译码器将A,B,C三条地址线的地址信号进行锁存,经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。
A,B和C为地址输入线,用于选通IN0-IN7上的一路模拟量输入。
通道选择表如下表所示。
C
B
A
选择的通道
IN0
1
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
数字量输出及控制线:
11条
ST为转换启动信号。
当ST上跳沿时,所有内部寄存器清零;
下跳沿时,开始进行A/D转换;
在转换期间,ST应保持低电平。
EOC为转换结束信号。
当EOC为高电平时,表明转换结束;
否则,表明正在进行A/D转换。
OE为输出允许信号,用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE=1,输出转换得到的数据;
OE=0,输出数据线呈高阻状态。
D7-D0为数字量输出线。
CLK为时钟输入信号线。
因ADC0809的内部没有时钟电路,所需时钟信号必须由外界提供,通常使用频率为500KHZ,
VREF(+),VREF(-)为参考电压输入。
ADC0809应用说明
ADC0809内部带有输出锁存器,可以与AT89S51单片机直接相连。
初始化时,使ST和OE信号全为低电平。
送要转换的哪一通道的地址到A,B,C端口上。
在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。
是否转换完毕,我们根据EOC信号来判断。
当EOC变为高电平时,这时给OE为高电平,转换的数据就输出给单片机了。
AD0809的编程应用
AD0809的启动方式为脉冲启动方式,启动信号START启动后开始转换,EOC信号在START的下降沿10us后才变为无效的低电平。
这要求查询程序待EOC无效后再开始查询,转换完成后,EOC输出高电平,再由OE变为高电平来输出转换数据。
我们在设计程序时可以利用EOC信号来通知单片机(查询法或中断法)读入已转换的数据,也可以在启动AD0809后经适当的延时再读入已转换的数据。
AT89S51的输出频为晶振频的1/6(2MHZ),AT89S1提供AD0809的工作时钟。
AD0809的工作频范围为10KHZ-1280KHZ,当频率范围为500KHZ时,其转换速度为128us。
AD0809的数据输出公式为:
Dout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin为输入模拟电压,Vout
为输出数据。
软件设计思路及程序流程
(1)
ALE信号锁存地址信号ADDA~ADDC,向AD0809写入通道号
(2)
START脉冲(下跳沿)启动A/D转换(JNBEOC,$)
(3)
延时1ms后等待EOC出现高电平(转换结束后,信号EOC自动变为高电平,EOC信号可以作为状态信号由CPU查询;
可以作为中断请求信号通知CPU。
)
(4)CPU在查询式I/O程序或中断服务程序中:
给OE置高并读入转换数据存入数据地址或数组中。
4节气门位置传感器项目
4.1汽车上的节气门
作用:
是将节气门开度(即发动机负荷)大小转变为电信号输入ECU。
ECU根据节气门位置信号判别发动机的工况,如怠速工况,部分负荷工况,大负荷工况等等,并根据发动机不同工况对混合气浓度的需求来控制喷油时间。
结构:
节气门位置传感器安装在节气门体上,并与节气门轴联动,常用的节气门位置传感器有开关式、滑动电阻式、综合式。
从外表来看象个电位器——只有三根线,我们把这三根线暂叫1、2、3。
中间的叫“2”是滑动臂;
“1”为上面的终极端;
“3”为起始端,怠速时节气门全闭在“3”上。
然而节气
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