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第1章传感器概述1.1人的感觉与机械的感觉1.2信号变换和能量变换1.3能量变换型传感器和能量控制型传感1.4模拟输出信号和数字输出信号1.5汽车用传感器的种类和项目1.1人的感觉与机械的感觉与人的视觉、听觉、触觉等相对应的有光传感器、传声器、应变计等物理传感器。人的味觉、嗅觉等一般称为化学感觉，与此相应，在离子电极以及溶液电导率等检测时采用了化学传感器。当然，物理传感器和化学传感器并没有本质上的区别。下一页返回1.1人的感觉与机械的感觉如果有人问，把人的感觉器官与传感器相比，哪一个好些?这可是一个非常难的题目。人的感觉是我们生活的基础，生活是以感觉为前提的。因此，在我们的生活中，如果从感觉器官的尺度来评价传感器的话，那么一定是我们的感觉器官好些。以嗅觉为例，与狗的鼻子相比，人鼻子的敏感性要差多了，但对某种物质来说，人鼻子的敏感性超过了现代的化学分析技术。下一页返回上一页1.1人的感觉与机械的感觉但是，再看光传感器时就会知道，已有传感器能够检测出人无法感觉到的红外线和紫外线。另外作为温度传感器的热电偶可以直接置入熔化的钢及燃烧的液化大然气中，从而测定其温度，精度达到11℃，而且，可测温度范围在-160℃~1600℃之间。下一页返回上一页1.1人的感觉与机械的感觉某人发烧时，有时把手放在额头附近来判断体温，这是因为两者温差不大，若温差太大，就难以做出定量的判断。当很多人聚在一起吵吵闹闹时，如果有人喊自己的名字，自己也会从喧闹声中分辨出来，但传声器对此却望尘莫及。还有，人们对自家附近火车通过的声音，会在不知不觉中习惯。虽然都可以说是五官，但人的五官和机械传感器还是有差别的。返回上一页1.2信号变换和能量变换我们是通过五官获得必要信息的。机器和系统是通过传感器获得周围环境的条件与计量对象的信息。传感器要把接收到的信号变换成电信号后再对外输出。传感器以什么样的敏感度检测信号，变换后的信号与原输入信号相比，失真情况如何?这些项目都可用来评价传感器的优劣。也就是说，要从传感器处理信息的质与量上来评价传感器的性能。对“物质”和“能量”而言，“信息”是一个较新的概念。在研究传感器时，人们比较重视在信号检测与转换过程中的信息的质与量，所以对此过程中的能量和物质的作用，常常置于第二位来考虑。下一页返回1.2信号变换和能量变换信息是以信号的形式进行变换的。在信号的变换过程中必然有能量的传递和转换。传感器是能量变换器。例如光传感器中的太阳能电池就是把光能变换成电能的变换器;温度传感器的热电偶是把热能变换成电能的变换器。返回上一页1.3能量变换型传感器和能量控制型传感器太阳能电池和热电偶所输出的电能分别来源于传感器所吸收的光能和热能。这些能量加在传感器上经变换后再输出，因此把这种传感器叫作“能量变换型传感器”。另一方面，温度传感器以及照相机用自动曝光机构的光传感器是以改变电阻值的方式向外输出信号的。这时，输入到传感器的热能及光能并没有变成其他形式的能量，传感器的电源还是由测试回路供给的，但电源所输出的能量要受控于测试对象输出的信号(热及光)，就把这种传感器叫“能量控制型传感器”。下一页返回1.3能量变换型传感器和能量控制型传感器“能量控制型传感器”要消耗输入信号的能量，但这与被控的输出能量或输出功率比较起来看，通常要小得多。如果着眼于输入能量和输出能量的对比，就会看出，这种传感器具有一种放大作用，因此，也把“能量控制型传感器”叫做“有源型传感器”。与此相应，因为“能量变换型传感器”没有能量放大作用，所以也叫做“无源型传感器”。返回上一页1.4模拟输出信号和数字输出信号什么是模拟信号呢?一般来说电压、电流、阻抗等都是模拟信号。此外，频率以及光输出传感器的输出也是模拟信号。阻抗变化的传感器也属能量控制型的，所以输出信号是电压或电流。以直流电压为例，对模拟信号加以说明。用零至V的电压来传递某一个“量”时，只要把“量”值变换成直流电压就可以了。电压低时传递的“量”比较小，电压高时传递的“量”比较大;即用电信号的变化来传递“量”的变化情况。有时不用电压信号而是用电流信号，变换规律类似。下一页返回1.4模拟输出信号和数字输出信号所谓“数字信号”就是表示量的符号，最简单的例子是用两个符号来表示量。我们平常是用。0~9这10个数字的组合表示量的。但这决不是说，表明“量”的数字非得是十进位不可。我们用“0,1”这样两个符号表示数时，就称为二进制数。与连续的模拟量不同，数字式传感器的输出是离散的数值及符号。数字变换中最简单的输出信号是“0,1，与此相对应的有通、断(ON/OFF)型传感器，或者是开关触点的通、断(ON/OFF)状态。数字技术在飞跃地发展，已经出现了精度和分解能力都非常高的数字输出传感器。这种传感器的优点是:信号传输过程中的衰减小，即使有干扰混入，误差也很小。返回上一页1.5汽车用传感器的种类和项目在传感器这个词广泛使用之前，在汽车上已经装用带传感器的仪表，如温度表、转速表及速度表等。随着电子技术的发展，作为汽车电子控制系统中、自的微机在迅速地普及，这又促使了信息处理技术及控制技术的进步，为了向微机提供各种必要的信息，人们又开发了许多种传感器，以达到各种目的。有的一辆车上就装了50多个传感器。其中大部分传感器用于动力传动系统、车辆控制系统、车身控制系统、通信系统以及提高工作性能的系统上。目前，为创造一个舒适的驾驶环境以及注重安全也用了很多传感器。下一页返回1.5汽车用传感器的种类和项目提高发动机性能其关键在于燃油喷射量和点火时间。为了确定这两个参数就需要许多信息，如发动机的进气量、温度、发动机转速、曲轴位置等。为此，汽车上装有温度传感器、流速传感器、角度传感器、位置传感器等，还有测定排气中氧气浓度，以便正确进行控制的传感器。为了使汽车安全地行驶采用了电子技术，在进一步提高汽车性能的过程中，传感器所起的作用更加重要。汽车电子技术应用成功与否的关键在于传感器，这样的说法并不过分。汽车传感器，其采用系统、使用日的见表1-1、如图1-1所示.下一页返回上一页1.5汽车用传感器的种类和项目(1)有关发动机控制的检测项目。(2)有关转向控制系统的检测项目。(3)有关空调控制的检测项目。(4)有关仪表、报警、诊断等的控制项目。(5)变速系统控制项目。(6)制动系统控制项目。(7)悬架系统控制项目。(8)导向系统控制项目。(9)有关安全控制项目。下一页返回上一页1.5汽车用传感器的种类和项目各控制系统所用传感器按其检测项目分类，可分为:①温度传感器;②压力传感器;③空气流量传感器;④位置、角度传感器;⑤气体浓度传感器;⑥转速传感器;⑦加速度、振动传感器;⑧光量传感器;⑨液位传感器;⑩距离传感器;⑩电流传感器;⑩角速度传感器;⑩载荷传感器等。要想使传感器在汽车上大量地装用，传感器的测定范围、精度、分辨能力、响应性等基本因素应符合要求之外，还要考虑到参数的一致性、耐久性及经济性。要根据使用目的来选定适当水平的传感器。发动机上几种典型计量项目与特性要求见表1-2.下一页返回上一页1.5汽车用传感器的种类和项目此外，发动机的使用环境也非常广，从寒带到热带，车上有的部位达到1000℃左右的高温，加之机械振动、腐蚀、需要防水等，还有许多考虑不到的严酷环境，所以对传感器来说，其使用环境条件是很苛刻的。发动机用传感器的典型环境条件见表1一3、表1一4。在数年以前，对排气装置部件就曾有10年保证期的要求。所以，对汽车用传感器的开发，与其说是传感器自身的开发，不如说更注重于对传感器的互换性及耐久性等可靠性方面的开发。下一页返回上一页1.5汽车用传感器的种类和项目前面已经介绍过，传感器相当于人的感觉接受器官，用以检测各种物理量、化学量，同时还要求传感器对稳定程度及危险程度等状态也能进行测定，对舒服性、不愉快感、臭味等人的感官功能的项目做出定量测定，判断司乘人员的操作意图等。即要求传感器不仅能够检测出单一的变量，而且也可测量出各个变量随时间的变化情况及其空间分布;或具有与其他变量对比、再进行推断与判断的功能。也就是说，传感器不仅具有感官功能，而且与具有信息处理功能的微型计算机形成一个整体的检测系统，这就是集成化传感器。集成化传感器的典型例子是半导体压力传感器。返回上一页表1一1汽车各系统所用传感器的种类与目的返回表1一2发动机的计量项目与特性要求返回表1一3发动机用传感器的典型环境条件(行驶状态，发动机舱)返回表1一4特殊环境条件返回图1一1各系统上与传感器相关的检测项目返回