第四节 发电类传感器

发电类传感器可通过某种方式，直接将被测物理量转换为电量，根据转换电量的原理不同分类，发电类传感器有很多种。本节主要介绍在汽车上最为常见的压电式、磁电式、光电式和霍尔效应式等发电类传感器。

一、压电式传感器

压电式传感器是通过晶体结构材料的压电效应将被测量转换为电量的发电类传感器。

1.压电效应

压电材料是一种呈晶体结构的物质，晶体结构在机械力的作用下发生形变时，其内部产生极化现象，使晶体的某两个表面产生正、负电荷，去掉外力，形变恢复，电荷又重新消失，这种现象称之为压电效应。

常见的压电材料有石英晶体、酒石酸钾钠、钛酸钠、钛酸铅、钛酸钡等。

以石英晶体（SiO2）为例，天然结构的石英晶体为六角形晶柱，晶柱的中心线为z轴（光轴），垂直于z轴并通过棱角的轴线称x轴（电轴），按右手坐标系垂直于棱面的轴线为y轴（机械轴）。从晶体上沿轴线切下薄片称之为晶体切片，如图2-28所示。

晶体切片的压电效应如图2-29所示。沿z轴方向作用力时不产生压电效应，沿x轴方向施力（压或拉），晶体切片厚度方向变形，在与x轴垂直的表平面上产生电荷；沿y轴方向施力（压或拉），晶体切片也在与x轴垂直的表平面上产生电荷。

图2-28 石英晶体切片

图2-29 晶体切片的压电效应

晶体表面电荷量q与作用在晶体上的力成正比，即

q=DF （2-17）

式中 D——压电常数，与材质和切片的方向有关。

2.压电式传感器原理

（1）压电式晶体的输出电压

集聚电荷的晶体切片两侧的电荷量大小相等，方向相反，而晶体片具有很高的绝缘性能，因而晶体片可等效为电容（图2-30），其电容量Cq为

式中 ε——压电晶体的介电常数；

A——晶体片（构成极板）的面积；

δ——晶体片的厚度。

图2-30 晶体片的等效电容

根据电容的定义，晶体片等效电容器的电容量C与电压Uq及电荷q有如下关系：

将式（2-17）、式（2-18）代入上式，得

对某种压电晶片而言，Dδ/εA为一常数，因此，从集聚电荷的压电晶片两侧引出的电压Uq与作用于晶片的力F成正比关系。

（2）压电晶体的等效电路

压电式传感器的内部等效电路有两种形式，如图2-31所示。

当以输出的电荷量大小来反映其受力大小时，压电晶体可等效为电荷源与电容并联，传感器将与电荷放大器相连接；如果以传感器输出的电压信号反映被测量，则压电晶体可等效为电压源与电容串联，传感器需要连接电压放大器。

图2-31 压电晶体等效电路

a）电荷源等效电路 b）电压源等效电路

（3）压电晶片的组合方式

由于单片压电晶片产生的电信号太弱，压电式传感器通常采用多片晶片组合的方式构成其传感元件，以提高传感器的灵敏度。压电晶片有串联或并联两种组合方式，以适应不同物理量的测量。

串联组合方式将n片晶片串联相接后，其总的电荷量qn不变，等效电容量Cn减小n倍，电压输出Vn增加n倍，适用于以电压为输出信号的传感器。串联组合方式其等效的电容量小，时间常数小，动态响应较好。

并联组合方式将n片晶片并联相接后，其总的电荷量qn增加n倍，等效电容量Cn也增加n倍，电压输出Vn没有变化，适用于以电荷量为输出信号的传感器。由于其等效电容量大，有较大的时间常数，因此并联组合方式一般用于测量缓变的物理量。

3.压电式传感器的特点与应用

（1）压电式传感器的特点

压电式传感器用于力、压力的测量，以及可转换为力和压力的其他物理（如位移、振动加速度、振动频率等）的测量，具有体积小、质量轻、结构简单、工作可靠、高频响应特性好等优点。但在外力作用下压电元件上产生的电荷会因漏电而消失，因此，压电式传感器的低频特性差，不能用于静态测量。

（2）压电式传感器在汽车上的应用

压电式传感器在汽车上的应用实例有压电式爆燃传感器、压电式汽车碰撞传感器等。

二、光电式传感器

光电式传感器利用其传感元件的光电效应，将光能量转换为相应的电效应。光电效应可分为外光电效应和内光电效应。

图2-32 光电管原理

a）结构形式 b）电路原理

1—阳极 2—阴极

1.外光电效应

物质在光线作用下，其内部的电子逸出物体表面而向外发射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电管原理如图2-32所示。

由半圆形金属片制成的阴极和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极封装于抽成真空的玻璃壳内。当光线照射到阴极上时，光能量传递给了阴极材料的自由电子。当电子获得的能量足够大时，就会克服金属表面的束缚而逸出，形成电子发射。光电管在工作时，其阳极的电位高于阴极，从阴极表面逸出的电子被阳极吸引，在光电管内形成空间电子流（光电流）。光照度强，阴极材料自由电子获得的能量多，单位时间从阴极发射的电子数量也多，光电流就大。此电流通过测量电路的电阻RL，输出一个与光照度相对应的电压信号。

2.内光电效应

物质在光线作用下，其电导率发生变化（光电导效应）或产生光电动势（光生伏特效应）的效应称为内光电效应。

（1）光电导效应

半导体材料受到光照时，会产生电子空穴对，使其导电性能增强，光线越强，阻值越低。这种光照后电阻率发生变化的现象，称为光电导效应。基于光电导效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管等，可以用作光敏电阻式传感器的传感元件。这种基于光电导效应的光敏电阻式传感器属于参量型传感器，已在本章第一节提及。

（2）光生伏特效应

由半导体材料构成的PN结在受到光照时，产生一定方向的电动势，光线越强，电动势越高，这种光照后产生光生电动势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电元件有光电池。

光电池的原理如图2-33所示。当光线照射PN结时，产生电子和空穴（光生载流子），在PN结内电场En的作用下，光生载流子产生漂移运动。P区的光生电子被移向N区，空穴留在了P区，从而使P区带正电荷，N区带负电荷，形成电位差（光生电动势）。

光电池的材料有硅、锗、硒、硫化铊、硫化镉、砷化镓和氧化亚铜等。

3.光电式传感器类型

光电元件在测量中可不接触被测对象，因此光电式传感器通常用于非接触式测量。根据输出信号的方式不同，光电式传感器可分为模拟式和脉冲式两大类。

图2-33 光电池原理

（1）模拟式光电传感器

模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性，其光通量是随被测量而变，光电元件产生与光通量相对应的电信号，即传感器的输出电量是被测物理量的函数。这一类光电传感器依据光源、被测对象和光电元件的关系，又可分为辐射式、透射式、反射式和遮光式等四种类型，如图2-34所示。

1）辐射式。被测物体本身就是光源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电元件的输出可反映光源的某种物理量，典型的应用有光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感、光照度计等。

2）透射式。传感器有一恒定的光源，被测物体位于恒定光源和光电元件之间，根据被测对象对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参量。透射式光电传感器的典型应用有测量液体或气体的透明度、混浊度，对气体进行成分分析，测定液体中某种物质的含量等。

3）反射式。传感器恒定光源发出的光投射到被测物体上，被测物体把部分光反射到光电元件上，反射的光通量与被测物表面状态和性质有关，因而光电元件输出的电量就反映了被测对象的某种物理量。反射式光电传感器的典型应用有测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。

4）遮光式。被测物体位于恒定光源和光电元件之间，光源发出的光照射到光电元件上，被测对象会遮去一部分光通量，使作用在光电元件上的光通量与被测对象的位置有关。遮光式光电传感器可以用于测量物体的长度、厚度、线位移、角位移、振动等。

图2-34 光电传感器的四种类型

a）辐射式 b）透射式 c）反射式 d）遮光式

1—被测对象 2—光电元件 3—恒定光源

（2）脉冲式光电传感器

脉冲式光电传感器的工作方式是光电元件的输出仅有高电平和低电平两种稳定状态，或者说是“通”和“断”的开关状态，因此对光电元件其光电特性的线性度要求不高。脉冲式光电传感器的基本组成部件分是恒光源、光学通道和光电元件。根据从光源照射到光电元件的光学通道形式分类，有反射式和遮光式两种形式，如图2-35所示。

1）遮光式。在发光元件与光电元件之间是一个有透光槽的遮光盘（图2-35a），工作时，发光元件持续发光，遮光盘随被测对象转动，光线间歇性地通过透光槽照射到光电元件上，使光电元件产生反映被测量的电压脉冲。

2）反光式。由发光元件、光电元件及带反光片的回转体组成（图2-35b），回转体可以是传感器的一部分，也可以就是被测对象。工作时，发光元件持续发光，随回转体转动的反光片将光线反射，反射光线间歇性地照射到光电元件上，产生一个反映被测量的电压脉冲。

脉冲式光电传感器不存在非线性误差，结构简单，应用较为广泛。典型的应用有零件或产品的自动计数、转速测量、转角测量、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等。

图2-35 脉冲式光电传感器

a）遮光式 b）反射式

1—发光元件 2—光电元件 3—带透光槽的遮光盘 4—带反光片的回转体

4.光电式传感器的特点与应用

（1）光电式传感器的特点

光电式传感器的特点是灵敏度高、体积小、质量轻、性能稳定，且可实现非接触式测量；其缺点是抗污能力较差，光电元件、光源或光学通道有灰尘或脏污等而影响光通量时，传感器就会产生较大的误差或不能正常工作。

（2）光电式传感器的应用

在汽车上的运用较多的是脉冲式光电传感器，例如：光电式发动机转速与曲轴位置传感器、光电式转向盘转角传感器、光电式车身高度传感器等，均属于遮光式光电传感器。

三、磁电式传感器

磁电式传感器也称磁感应式传感器，通过磁电效应将被测物理量的变化转换为电信号。根据法拉第电磁感应定律：通过回路所包围的面积的磁通量发生变化时，回路中产生的电动势e与磁通量Φ相对时间的变化率成正比。具有W匝线圈的感应电动势为

式（2-20）中的负号表示感应电动势的方向与磁通量的变化相反。对于磁电式传感器，通常使其磁动势保持不变，通过线圈的运动（动圈式）或改变磁路的磁阻（磁阻式）的方式使磁通量发生变化，以使线圈产生相应的感应电动势。

1.动圈式磁电传感器

动圈式磁电传感器将被测物理量转换为感应线圈的移动，使通过线圈的磁通量发生变化而产生感应电动势。根据线圈移动的方式不同，动圈式传感器有线位移（线速度）型和角位移（角速度）型两种，如图2-36所示。

（1）线速度型

当线圈随被测量在磁场中作直线运动时（图2-36a），通过线圈的磁通量发生变化，线圈的感应电动势e为

e=WBlVsinθ （2-21）

式中 W——线圈的有效匝数；

B——磁场的磁感应强度；

l——单匝线圈的长度；

V——线圈运动速度；

θ——线圈运动方向与磁场方向

的夹角，通常θ=π/2。

图2-36 动圈式磁电传感器

a）线位移型 b）角位移型

1—线圈 2—永久磁铁 3—导磁板

由于传感器线圈的匝数W、单匝线圈的长度l及磁感应强度B等均为定值，因而感应线圈的电动势e只与线圈的直线运动速度V成正比关系。

（2）角速度型

当线圈随被测量在磁场中作旋转运动时（图2-36b），通过线圈的磁通量发生变化，线圈的感应电动势e为

e=WBAω （2-22）

式中 W——线圈的有效匝数；

B——磁场的磁感应强度；

A——单匝线圈的截面积；

ω——线圈运动速度。由于W、A、B等均为定值，因而感应线圈的电动势e只与线圈的角速度ω成正比关系。

2.磁阻式磁电传感器

磁阻式磁电传感器将被测物理量转换为磁路磁阻的变化，使通过线圈的磁通量发生变化而产生感应电动势。磁阻式传感器磁路的磁阻大小主要取决于磁路中空气隙的大小，改变磁路中的空气隙的方式有导磁体运动和铁心运动两种方式。图2-37所示的是通过导磁体运动来改变空气隙大小，图2-37a为导磁块作直线运动，用于测量线速度，图2-37b则是导磁转子作旋转运动，可测量角速度。

磁阻式传感器的线圈、永久磁铁及铁心等固定不动，导磁块或导磁转子随被测物理量的变化作直线运动或旋转动时，磁路的磁阻因空气隙的变化而改变，使通过线圈的磁通量改变而产生感应电动势。

图2-37 变磁阻式磁电传感器

a）导磁块式 b）导磁转子式

导磁块作直线运动的磁阻式传感器通常用于测量振动、加速度等物理量，导磁转子作旋转运动的磁阻式传感器产生脉冲式电信号，用于计数、测量转速等。

3.磁电式传感器的特点与应用

（1）磁电式传感器的特点

磁电式传感器结构简单，工作可靠，在工程测量和自动控制系统中应用较为广泛。磁电式传感器的特点是只能用于动态测量，如果被测对象的速度（V、ω）太低，传感器感应线圈产生的感应电动势e太弱，也不能进行测量。

（2）磁电式传感器的应用

磁电式传感器在汽车上应用较多，例如：磁电式发动机转速与曲轴位置传感器、磁电式转向盘转角传感器、磁电式车身振动传感器、磁电式车轮转速传感器、磁电式发动机爆燃传感器等。

四、霍尔效应式传感器

霍尔效应式传感器利用半导体元件的霍尔效应，将被测物理量转换为相应的电压或电压脉冲。

1.霍尔效应

置于磁场中的半导体（称霍尔元件）有电流流过时，在垂直于电流和磁场的元件两端就会产生电动势，这种物理现象称之为霍尔效应。

图2-38 霍尔效应

霍尔效应的原理如图2-38所示。在外电场力的作用下，半导体中的载流子作定向运动（即形成电流），在磁场中运动的电荷又会受磁场力的作用，这个力称之为洛仑兹力。洛仑兹力的方向垂直于电荷运动的方向，使运动的电子发生偏转，在霍尔元件的一侧形成负电荷的累积，另一侧则累积了正电荷（空穴）。于是，在霍尔元件的两侧就形成了电位差，这个电位差称之为霍尔电压。霍尔电压UH的大小与电流I、磁感应强度B成正比，与霍尔元件的厚度d成反比，即

式中 RH——霍尔系数，与霍尔元件所采用的材料有关。

2.霍尔效应式传感器

从式（2-23）可知，改变I或B，均可使UH产生相应的变化。霍尔效应传感器通常采用固定电流I、磁感应强度B随被测物理量变化的形式，霍尔元件产生的霍尔电压UH反映了被测物理量。改变B的方式有变磁路磁阻式、动铁式或动元件式等，几种典型的霍尔效应式传感器原理如图2-39所示。

图2-39 霍尔效应式传感器

a）角位移 b）线位移 c）加速度 d）计数 e）转速 f）压力

霍尔效应式传感器根据其电压输出的形式不同，也可分为模拟式和脉冲式两种。

（1）模拟式霍尔效应传感器

模拟式霍尔效应传感器其霍尔元件的输出与模拟放大器连接，输出与被测物理量变化相对应的电压信号。模拟式霍尔效应传感器用各种方式将被测量转换为通过霍尔元件的磁感应强度变化，并产生相应的电压信号。模拟式霍尔效应传感器可用于非接触测距、磁场测量、磁力探伤、振动测量等。

（2）脉冲式霍尔效应传感器

脉冲式霍尔效应传感器是将霍尔元件产生的霍尔电压经开关电路处理后，输出只有高电平和低电平变化的数字信号。脉冲式霍尔效应传感器利用不同的转换方式，将被测量转换为通过霍尔元件磁通量的变化，产生脉动的电压信号。脉冲式霍尔效应传感器通常用于测量位移、转速、计数等。

3.霍尔效应式传感器的特点与应用

（1）霍尔效应式传感器的特点

与磁电式传感器相比，脉冲式霍尔效应传感器的信号电压稳定，即信号电压不受转速和位移速度的影响。与光电式传感器相比，霍尔效应式传感器则具有抗污能力强的特点。此外，霍尔效应式传感器结构较为简单，测量精度也较高。

（2）霍尔效应式传感器的应用

由于霍尔效应式传感器没有磁电式传感器和光电式传感器的缺点，其应用越来越广泛。在汽车上，脉冲式霍尔效应传感器有较多的应用，例如：霍尔效应式发动机转速与曲轴位置传感器、霍尔效应式车轮转速传感器、霍尔效应式车速传感器等。

五、热电式传感器

热电式传感器利用其传感元件的热电效应，将被测量对象的部分热量转换为反映其温度高低的电信号。

1.热电效应

两种不同材料的导体串成一闭合回路（称之为热电偶，如图2-40所示），如果两接点的温度不同，在回路中就有电流产生，这种由于温度不同而产生电动势的现象被称为热电效应。这种由热电效应所产生的电动势实际上包含了接触电动势和温差电动势两部分。

图2-40 热电偶

（1）接触电动势

两种不同材料的导体接触后，其接触表面就会有自由电子的扩散运动。由于不同材料的导体其自由电子的密度不同，自由电子密度高的导体向自由电子密度低的导体扩散的电子数量多，使其接触表面电子数量减少而呈正极，密度低的导体其接触表面则是由于电子数量的增加而呈负极。于是，两种不同材料的导体接触表面就形成了电位差，此电位差称为接触电动势。

电子扩散的速率与温度和导体的材料有关，因此，不同材料的导体、在不同的温度下，其接触电动势会有所不同。对于确定的材料，接触电动势就只与温度有着一一对应的关系了。

（2）温差电动势

同种导体其两端的温度不同时，在导体高温端，其内部自由电子具有较大的动能，因而总体上导体中的电子从温度高端向温度低端迁移，使得温度高端失去电子而电位升高，温度低端则得到电子而电位降低，从而在导体两端产生电位差，这个电位差称之为温差电势。温差电动势e与导体的材料和冷热端的温度差有关。

2.热电偶温度测量原理

对于材料已经确定了的热电偶来说，其电动势的大小只与两接点的温度有关，且两端的温度差越大，热电偶产生的电动势也越大。通常将热电偶的冷端（非测量端）温度固定，热电偶的电动势就成为热端（测量端）温度的单值函数了。

3.热电偶式温度传感器的特点与应用

热电偶测量温度具有简单、可靠、灵敏、测量精度较高、信号便于远距离传送等优点，特别适用于温度高、测量精度要求也高的温度测量。

在汽车上，热电偶式温度传感器应用很少，应用实例有用来监测三元催化转化器温度的排气温度传感器，在有的汽车上采用热电偶式温度传感器。