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1、第10章 加速度(G)传感器,10.1 加速度传感器工作原理概述 10.2 钢球式加速度传感器 10.3 半导体加速度传感器 10.4 高精度高可靠性MEMS加速度传感器,10.1 加速度传感器工作原理概述,10. 1.1“滑翔机牌”车气囊用加速度传感器包括“滑翔机牌”车在内的丰田车多数都将三种G传感器组合起来用作气囊传感器，这三种传感器是:前气囊传感器、中央气囊传感器及辅助传感器。前气囊传感器是由壳体、偏心锤、固定触头及旋转触头构成.,下一页,返回,10.1 加速度传感器工作原理概述,偏心锤式加速度传感器的工作原理:因旋转触头与偏心转子是一个整体式结构，在弹簧预压力的作用下，偏心转子和偏心锤
2、都靠在挡块上，挡块与外壳也是一个整体结构，固定触头与旋转触头处于断开状态。但当受到冲击有减速度加到传感器上时，与偏心转子为一体的旋转触头旋转，并与固定触头连通，输出ON信号.辅助传感器的结构与前安全气囊用传感器的结构相同。,上一页,返回,下一页,10.1 加速度传感器工作原理概述,另一个传感器是中央安全气囊传感器，它所采用的是内装于微机中、长期可得到稳定工作特性的半导体型G传感器。其结构采用的为悬臂支撑方式。通过测量碰撞形成的测量元件的应变，再将其转换成电信号，这种传感器的特点是:对减速具有线性输出特性，超过预先所设定的数值时，则输出ON信号.,上一页,返回,下一页,10.1 加速度传感器工作
3、原理概述,10. 1. 2“塞普达”车安全气囊用传感器“塞普达”车与“滑翔机牌”采用同样的安全气囊，但所用传感器不同，“塞普达”车用前安全气囊传感器的结构称为滚轴式传感器，它是由滚柱、片簧及挡销等构成的，其中滚柱和旋转触头制为一个合件，片簧和固定触点制为一个合件.在传感器不起作用时，在片簧预加载荷的作用下，滚柱靠在挡销上，固定触头与旋转触头处于断开状态。当加有冲击时，在惯性力的作用下，滚柱转动，与滚柱成为合件的旋转触头移动，当其与固定触头接触时，对外输出ON信号。,上一页,返回,下一页,10.1 加速度传感器工作原理概述,10. 1. 3“花冠”车安全气囊用传感器与丰田公司其他车型不同，“花冠
4、”车安全气囊的传感器均为机械式.在传感器未动作时，触发轴与点火销是靠在一起的，点火销不是处于弹出状态。因碰撞、减速度增加、惯性力高于偏置弹簧的弹力及阻尼力时，钢球开始移动，阻尼力是指在钢球与球套之间存在着气隙的气流形成的阻力。在减速度继续升高时，钢球使触发轴转动，点火销与触发轴之间脱开配合。此时，在点火弹簧弹力的作用下，点火销弹出，使气体发生器内的点火剂点火。,上一页,返回,下一页,10.1 加速度传感器工作原理概述,10. 1. 4“森铁阿”牌车安全气囊用传感器“森铁阿”牌车安全气囊用传感器分为两种，即车前方的加速度传感器和辅助传感器。加速度传感器的结构是由测量减速度的传感球，将传感球保持到
5、某加速度为止的永磁铁，对传感球运动提供空气阻尼器作用的导缸及二极端子构成的。,上一页,返回,下一页,10.1 加速度传感器工作原理概述,传感器不动作时，在永久磁铁磁力的作用下，传感球被吸引，维持于传感器的后部，因此触头之间处于开路状态即OFF状态。当碰撞后，有相当大的惯性力作用到加速度传感器上时，传感球克服了永久磁铁的磁力，脱开永久磁铁的吸引，滚向前方，因此，触点之间处于闭合状态，输出ON信号.,上一页,返回,下一页,10.1 加速度传感器工作原理概述,10. 1. 5“西维克”牌车安全气囊用传感器西维克牌车安全气囊用传感器分主传感器和辅助传感器两种，前者为气体阻尼型，后者为笛簧开关型，这两种
6、传感器均内装于转向器轿车辅助保护系统(SRS)中。主传感器的本体内装于封有惰性气体的金属壳中，且采用了耐久性非常好的镀金触头。主传感器的工作原理:当前方受到强烈冲击时，在克服了弹簧弹力与阻尼力后，在惯性力的作用下，重块即动触头滑动，与触头接触，传感器有ON信号输出。,上一页,返回,下一页,10.1 加速度传感器工作原理概述,辅助传感器为笛簧开关型，玻璃管内充入了惰性气体，触点采用了镀金与镀锗工艺。当传感器受到前方的强烈冲击，动作时，在惯性力作用下，永久磁铁滑动、笛簧开关闭合(ON)。,上一页,返回,下一页,10.1 加速度传感器工作原理概述,10. 1. 6“陆地巡洋舰”牌车ABS用加速度传感
7、器普通简称为4WD车的就是四轮驱动车，有时4个车轮大致是同相位减速的，特别是在低道路上，这种趋向更加显著，因而这种ABS控制是不可靠的，所以采用了G传感器，视道路状态是高或是低，改变运算方法，这才是可靠的ABA系统.,上一页,返回,下一页,10.1 加速度传感器工作原理概述,“陆地巡洋舰”牌车的G传感器是由两组发光二极管、光敏三极管、信号板及变换电路构成的.当减速度加到车身上时，由减速度所产生的惯性力使信号板旋转，由发光二极管至光敏三极管的光通路或者畅通、或者被隔断，由此光敏三极管或导通(ONE、或截止(OFF).本节介绍的传感器上有两套发光二极管与光敏三极管，根据各自的光敏三极管的ON与OF
8、F的组合，可以将减速度分为三个档次来检测。,上一页,返回,下一页,10.1 加速度传感器工作原理概述,10. 1. 7“帕杰罗”牌车ABS用G传感器“帕杰罗”牌车CBS采用了检测位移量的差动变压器型传感器作为G传感器，传感器内设有向激磁线圈供给交流电的振荡电路及检测线圈整流电路用的控制电路。此外，为了防止差动变压器中可动线圈的振动，在G传感器内密封有硅油。,上一页,返回,下一页,10.1 加速度传感器工作原理概述,利用差动变压器检测位移的工作原理如下所述:输出电压相同但极性相反的两组线圈串联，且铁芯处于中间位置时，次级绕组所感应的交流电压相等;当两个次级绕组的波形相位相反时，其输出电压为零;当
9、减速度加在传感器上，铁芯偏离中间位置时，两个次级绕组上的感应电压不同，放大器上就会产生与其差值成正比的交流电压。利用这一现象，通过将铁芯的位移量变换成正、负直流电压值，就可知道铁芯的位移(即加速度的大小)。,上一页,返回,下一页,10.1 加速度传感器工作原理概述,10. 1. 8“希玛”4WD车用G传感器希玛4WD车具有牵引力控制、ABS功能，因此车上设置了检测车辆前、后加速度的传感器及检测横向加速度的横G传感器。树脂外壳内充满了硅油，永久磁铁置于中间，当车辆加、减速时，形成了永久磁铁的位移，此位移通过霍尔元件变换成电信号，再输入到控制组件中。,上一页,返回,下一页,10.1 加速度传感器工
10、作原理概述,10. 1. 9“蓝鸟”4WD车ABS用G传感器“蓝鸟”4WD车ABS用G传感器，在玻璃管中充入了水银，在减速度比较小时(在低路上制动时)，因为水银不移动，所以电路仍保持闭合;对行车的前进方向来说，在减速度比较大的场合下(在高道路上制动时)，在惯性力的作用下，水银移动，电路处于断开(OFF)状态，由此就可以判别出是较小减速(低路)还是较大减速(高路)，并将其信号输入到控制组件中去。,上一页,返回,10.2 钢球式加速度传感器,10. 2.1车用加速度传感器的规格(1)加速度的检测范围。在一般行车状况下，急停车时车身前后方向的加速度小于0.5g。车辆前后方向能够产生的最大加速度是1.
11、1g横向最大加速是0.8g，上下方向最大加速度是2g，根据这些数据可以看出，加速度的检测范围达-1.5+1.5 就够了。关于传感器的频率范围，使人感到不舒服的主要频率范围是到7Hz为止，因此一般要求到10Hz为止的范围增益、相位都应该为平坦特性。,返回,下一页,10.2 钢球式加速度传感器,(2)基本输出特性。基本输出特性是指规定加到传感器上的加速度与输出电压之间的关系。从车辆上已普及的电路元件、电路的构成来考虑，用+5v单电源驱动的A/D变换器比较合适，所以，一般对输出特性规定:有效利用区域为05V.,上一页,返回,下一页,10.2 钢球式加速度传感器,(3)各项基本特性。加速度传感器性能的
12、主要项目及其内容如下所述。非线性特性。灵敏度偏差。垂直轴灵敏度。温度漂移。频率特性。,上一页,返回,下一页,10.2 钢球式加速度传感器,(4)可靠性。对车辆来说，可靠性项目中特别重要的有以下3点。耐跌落性。高温性能。抗干扰性能。,上一页,返回,下一页,10.2 钢球式加速度传感器,10. 2. 2钢球式加速度传感器的结构与检测原理传感器由加速度检测部分和检测电路组成，它们被集中在30. 5mmx32mmx36mm的外壳内，下面以此传感器的特点为中心，对其结构、检测原理加以说明。,上一页,返回,下一页,10.2 钢球式加速度传感器,(1)检测部分的结构。传感器的剖面图如图10一1所示，传感器的
13、检测部分是由钢球、一对永久磁铁、差动变压器线圈及扼铁构成，利用一对永久磁铁支撑的钢球按照球套的轴向加速度改变位置，利用线圈将钢球位置的变化检测出来，并以此作为测得的加速度。此外，从减小体积而又有较大磁引力以及耐久性(长时间使用后变得老化)的角度采用了衫钻系列的稀土类永久磁铁.,上一页,返回,下一页,10.2 钢球式加速度传感器,(2)钢球的磁场力支撑。钢球式加速度传感器的本质特征可以说是惯性质量(钢球)的磁场支撑。线圈骨架的轴向磁场力。骨架轴与垂直方向的磁场力。,上一页,返回,下一页,10.2 钢球式加速度传感器,(3)差动变压器。差动变压器的原理如图10-2所示。差动变压器是由激磁方的初级绕
14、组与检测方的次级绕组组成的，因次级绕组的连接极性不同，所以其两端形成了差动输出，与次级绕组交链的磁通随钢球位置而变化，由此可以检测出钢球位置与移动方向。,上一页,返回,下一页,10.2 钢球式加速度传感器,(4)检测电路。检测电路的方框图如图10一3所示，检测电路应用了可减小传感器体积的表面封装技术，而且采用专用的集成电路片，其上包括了大部分的电子元件，因采取了这两项措施，线路板的尺寸可减少到29mm x29mm。基准电压电路。振荡电路。 AC放大电路。同步整流电路。输出信号的滤波电路。,上一页,返回,下一页,10.2 钢球式加速度传感器,10. 2. 3钢球式加速度传感器的外形钢球式加速度传
15、感器的外形如图10-4所示，实际装车时，有些车型是通过盖子固定的。车的横向用、前后用与上下方向用传感器仅是安装方向的不同，基本方面并无差别，但传感器内部的调整(电路的调整等)有一定区别。,上一页,返回,下一页,10.2 钢球式加速度传感器,10. 2. 4钢球式加速度传感器的性能与可靠性(1)传感器的性能。传感器的各项性能见表10一1。从使产品更加完善的角度概括说明下列几点。滞后。关于温度漂移。(2)可靠性。为使产品更加完善，对需注意的两点稍加说明抗干扰性能。耐热冲击性能。,上一页,返回,10.3 半导体加速度传感器,10. 3.1半导体加速度传感器的基本结构与工作原理本节介绍的传感器是用于汽
16、车防抱死制动系统的半导体加速度传感器。它采用的是塑料外壳，另外设有传感元件，混合集成电路以及防干扰滤波器(EMI滤波器)等。混合集成电路块上设有低温偏置漂移型倒装式运算放大器。传感元件的结构如图10一5所示。加速度检测部分的硅片如图10一6(a)所示，加速度检测部分的等效电路如图10一6(b)所示。,返回,下一页,10.3 半导体加速度传感器,因为要将加速度形成的惯性力变换成位移(应变)，将半导体硅片制成悬臂梁结构，为提高灵敏度将硅片固定端附近的一部分作等方向腐蚀，减薄其厚度的同时，在其自由端附加有配重。在已被腐蚀的薄层上面，为了检测应变，同时考虑到结晶方向，配置了4个具有压电效应的应变片，配线状况，保证它们连接成桥式电路，根据惯性力所形成的应变，压电电阻的阻值发生变化，利用桥式电路将这种阻值的变化以电压变化形式检测出来。此外为调整传感器的动态特性，在金属壳内封入有硅油，传感元件结构的模型图如图10-7所示。,上一页,返回,下一页,10.3 半导体加速度传感器,10. 3. 2频率特性加速度传感器的频率特性取决于下式所示振动系统中的元件共振频率fn与衰减系数，应注意到，在应检测的加速度信号频率范围及温度环境下，增益特性与相位特性应是平顶的。式中，m为振动系统质量;k为振动系统弹簧常数;为阻尼系数。,
