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一、陶瓷傳感器的簡介
車用傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。汽車電子化和自動化程度越高，對傳感器的依賴性就越大，因此，國內(nèi)外都將車用傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù)。目前，電子零部件在平均每輛高檔車零部件成本中占有30％的比率，汽車傳感器多達(dá)上百至數(shù)百只，以往安裝在豪華、高檔車或?qū)Ｓ密囕v上的先進(jìn)傳感器，現(xiàn)也紛紛落戶在中、低檔車上，陶瓷傳感器就是其產(chǎn)品之一。
陶瓷是一種包含三種物相（單晶相、玻璃相、氣相）的多相系統(tǒng)。陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝（溶膠-凝膠等）生產(chǎn)，完成適當(dāng)?shù)念A(yù)備性操作之后，已成形的元件在高溫中進(jìn)行燒結(jié)。其工作過程主要是作用在陶瓷基片和測量膜片上的差壓引起電容極板間電容值的變化并由位于陶瓷基片上的電極進(jìn)行檢測。
二、陶瓷傳感器的五大應(yīng)用
（一）檢測汽車溫度
一輛汽車檢測溫度一般需用10余只陶瓷溫度傳感器。例如，發(fā)動機(jī)電噴系統(tǒng)需要連續(xù)精確地測量冷卻水溫度、進(jìn)氣溫度、排氣溫度的傳感器，以便根據(jù)溫度變化修正或補(bǔ)償燃油噴射量，改變怠速轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)值等，獲得最佳空燃比；負(fù)溫度系數(shù)ntc熱敏電阻的溫度特性為一種指數(shù)函數(shù)，隨溫度升高電阻值減小，呈現(xiàn)出負(fù)溫度特性、靈敏度高、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，常用作檢測冷卻水和進(jìn)氣以及機(jī)油溫度傳感器；ntc熱敏電阻由mn、cu、ni、fe等過渡金屬氧化物配方，經(jīng)陶瓷燒結(jié)工藝制作，按配方的不同，主要分為二元系、三元系、四元系等材料。工作溫度范圍在-200℃～130℃的ntc用于水溫進(jìn)氣溫度的檢測，其結(jié)構(gòu)是將ntc電阻裝配在螺栓型金屬外殼內(nèi)，與電控單元的電阻串聯(lián)。另一類以batio3為主要材料，與金屬氧化物混合燒結(jié)制成的正溫度系數(shù)ptc熱敏電阻，則用作汽車的液面水平傳感器或低溫啟動加熱元件。
（二）檢測汽車尾氣
利用固體電解質(zhì)氣敏陶瓷材料，研制出用于汽車尾氣監(jiān)測的氧傳感器，測定尾氣排放中的氧濃度來檢測發(fā)動機(jī)空燃比，除可節(jié)省燃油外，還能減少co、no2等有害氣體的排放量。zro2氧傳感器因靈敏度高、可靠性好，在汽車的實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)采用這種類型，其主要結(jié)構(gòu)由產(chǎn)生電動勢的u形zro2電解質(zhì)敏感管以及起電極作用的襯套、電阻加熱器、有廢氣進(jìn)口的防護(hù)外殼、多孔陶瓷帽組成。zro2管的內(nèi)外表面涂覆有薄薄一層r，pt既作電極又具有電動勢放大作用，以及r涂覆在zro2管上的催化作用，外電極是測量電極，內(nèi)電極是參比電極。氣體要通過多孔陶瓷帽（擴(kuò)散障）的小氣量小，排氣溫度低時，由電控單元給電阻加熱器通電加熱，保證氧傳感器正常工作。zro氧傳感器安裝在歧管或前排氣管內(nèi)，在400℃高溫下，敏感管內(nèi)外面存在氧濃度差時就會產(chǎn)生電動熱，提供0～1v的反饋信號，通過檢測廢氣中的氧壓比，非常適于空燃比的控制。按工作原理，可分為濃差電池型和電化學(xué)泵的極限電流型氧傳感器，這兩種結(jié)構(gòu)類似，制造工藝相似，分別適宜理論空燃比和稀薄燃燒系統(tǒng)空燃比的控制。此外，tio2、nb2o5和ceo2等氧化物陶瓷氧傳感器、薄膜和厚膜型氧傳感器的研發(fā)及在汽車中的應(yīng)用開發(fā)也在積極深入開展。
汽車采用柴油發(fā)動機(jī)作動力時，除氧傳感器外，用氮氧化物nox傳感器進(jìn)一步改善燃燒狀態(tài)和廢氣再處理也是十分重要的。利用濺射法在氧化鋁基板上形成約100μm厚的zno及sno2薄膜，然后加上電極，并在基板內(nèi)側(cè)裝上加熱器，構(gòu)成nox傳感器。nox在薄膜表面上吸附負(fù)電荷，nox濃度增加時，薄膜電阻增大，在3～15s內(nèi)即可檢測出廢氣中的nox濃度，靈敏度為5～800ppm。
（三）檢測汽缸工作狀態(tài)
基于壓阻效應(yīng)的壓電陶瓷可以監(jiān)測汽缸工作的狀態(tài)。壓電陶瓷爆震傳感器由壓電陶瓷振子、金屬片、密封墊、金屬外殼等構(gòu)成。壓電振子產(chǎn)生的電荷與發(fā)動機(jī)氣缸發(fā)生的振動成正比，所產(chǎn)生的電壓經(jīng)屏蔽線進(jìn)入電控單元，由此檢測出7khz左右振動所產(chǎn)生的電壓，電控單元根據(jù)這一電壓的大小判斷爆震強(qiáng)度，及時修正或相應(yīng)推遲點(diǎn)火提前角消除爆震，使發(fā)動機(jī)在接近爆震、熱效率最高、燃料消耗量最少的點(diǎn)火時刻工作，實(shí)現(xiàn)無爆震工作狀態(tài)，保證發(fā)動機(jī)以最大可能的功率與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)運(yùn)轉(zhuǎn)。
（四）指導(dǎo)汽車安全駕駛
基于壓阻效應(yīng)的超聲波傳感器用作汽車倒車防撞報(bào)警裝置，也被稱為超聲波倒車?yán)走_(dá)或倒車聲納系統(tǒng)，尤其適用于加長型裝載汽車、載重大貨車、礦山汽車等大型車輛。超聲波傳感器通常由鋁合金外殼、壓電陶瓷換能器、吸聲材料、引線電極所構(gòu)成，具有水平方向特性寬，而垂直方向受到限制的方向性，原理上利用錯欽酸鉛pzt壓電陶瓷在電能與機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的正、逆壓電效應(yīng)，即在壓電陶瓷上加一電信號，便產(chǎn)生機(jī)械振動而發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波在空氣傳播途中碰到障礙物立即被反射
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一、陶瓷傳感器的簡介
車用傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。汽車電子化和自動化程度越高，對傳感器的依賴性就越大，因此，國內(nèi)外都將車用傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù)。目前，電子零部件在平均每輛高檔車零部件成本中占有30％的比率，汽車傳感器多達(dá)上百至數(shù)百只，以往安裝在豪華、高檔車或?qū)Ｓ密囕v上的先進(jìn)傳感器，現(xiàn)也紛紛落戶在中、低檔車上，陶瓷傳感器就是其產(chǎn)品之一。
陶瓷是一種包含三種物相（單晶相、玻璃相、氣相）的多相系統(tǒng)。陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝（溶膠-凝膠等）生產(chǎn)，完成適當(dāng)?shù)念A(yù)備性操作之后，已成形的元件在高溫中進(jìn)行燒結(jié)。其工作過程主要是作用在陶瓷基片和測量膜片上的差壓引起電容極板間電容值的變化并由位于陶瓷基片上的電極進(jìn)行檢測。
二、陶瓷傳感器的五大應(yīng)用
（一）檢測汽車溫度
一輛汽車檢測溫度一般需用10余只陶瓷溫度傳感器。例如，發(fā)動機(jī)電噴系統(tǒng)需要連續(xù)精確地測量冷卻水溫度、進(jìn)氣溫度、排氣溫度的傳感器，以便根據(jù)溫度變化修正或補(bǔ)償燃油噴射量，改變怠速轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)值等，獲得最佳空燃比；負(fù)溫度系數(shù)ntc熱敏電阻的溫度特性為一種指數(shù)函數(shù)，隨溫度升高電阻值減小，呈現(xiàn)出負(fù)溫度特性、靈敏度高、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，常用作檢測冷卻水和進(jìn)氣以及機(jī)油溫度傳感器；ntc熱敏電阻由mn、cu、ni、fe等過渡金屬氧化物配方，經(jīng)陶瓷燒結(jié)工藝制作，按配方的不同，主要分為二元系、三元系、四元系等材料。工作溫度范圍在-200℃～130℃的ntc用于水溫進(jìn)氣溫度的檢測，其結(jié)構(gòu)是將ntc電阻裝配在螺栓型金屬外殼內(nèi)，與電控單元的電阻串聯(lián)。另一類以batio3為主要材料，與金屬氧化物混合燒結(jié)制成的正溫度系數(shù)ptc熱敏電阻，則用作汽車的液面水平傳感器或低溫啟動加熱元件。
（二）檢測汽車尾氣
利用固體電解質(zhì)氣敏陶瓷材料，研制出用于汽車尾氣監(jiān)測的氧傳感器，測定尾氣排放中的氧濃度來檢測發(fā)動機(jī)空燃比，除可節(jié)省燃油外，還能減少co、no2等有害氣體的排放量。zro2氧傳感器因靈敏度高、可靠性好，在汽車的實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)采用這種類型，其主要結(jié)構(gòu)由產(chǎn)生電動勢的u形zro2電解質(zhì)敏感管以及起電極作用的襯套、電阻加熱器、有廢氣進(jìn)口的防護(hù)外殼、多孔陶瓷帽組成。zro2管的內(nèi)外表面涂覆有薄薄一層r，pt既作電極又具有電動勢放大作用，以及r涂覆在zro2管上的催化作用，外電極是測量電極，內(nèi)電極是參比電極。氣體要通過多孔陶瓷帽（擴(kuò)散障）的小氣量小，排氣溫度低時，由電控單元給電阻加熱器通電加熱，保證氧傳感器正常工作。zro氧傳感器安裝在歧管或前排氣管內(nèi)，在400℃高溫下，敏感管內(nèi)外面存在氧濃度差時就會產(chǎn)生電動熱，提供0～1v的反饋信號，通過檢測廢氣中的氧壓比，非常適于空燃比的控制。按工作原理，可分為濃差電池型和電化學(xué)泵的極限電流型氧傳感器，這兩種結(jié)構(gòu)類似，制造工藝相似，分別適宜理論空燃比和稀薄燃燒系統(tǒng)空燃比的控制。此外，tio2、nb2o5和ceo2等氧化物陶瓷氧傳感器、薄膜和厚膜型氧傳感器的研發(fā)及在汽車中的應(yīng)用開發(fā)也在積極深入開展。
汽車采用柴油發(fā)動機(jī)作動力時，除氧傳感器外，用氮氧化物nox傳感器進(jìn)一步改善燃燒狀態(tài)和廢氣再處理也是十分重要的。利用濺射法在氧化鋁基板上形成約100μm厚的zno及sno2薄膜，然后加上電極，并在基板內(nèi)側(cè)裝上加熱器，構(gòu)成nox傳感器。nox在薄膜表面上吸附負(fù)電荷，nox濃度增加時，薄膜電阻增大，在3～15s內(nèi)即可檢測出廢氣中的nox濃度，靈敏度為5～800ppm。
（三）檢測汽缸工作狀態(tài)
基于壓阻效應(yīng)的壓電陶瓷可以監(jiān)測汽缸工作的狀態(tài)。壓電陶瓷爆震傳感器由壓電陶瓷振子、金屬片、密封墊、金屬外殼等構(gòu)成。壓電振子產(chǎn)生的電荷與發(fā)動機(jī)氣缸發(fā)生的振動成正比，所產(chǎn)生的電壓經(jīng)屏蔽線進(jìn)入電控單元，由此檢測出7khz左右振動所產(chǎn)生的電壓，電控單元根據(jù)這一電壓的大小判斷爆震強(qiáng)度，及時修正或相應(yīng)推遲點(diǎn)火提前角消除爆震，使發(fā)動機(jī)在接近爆震、熱效率最高、燃料消耗量最少的點(diǎn)火時刻工作，實(shí)現(xiàn)無爆震工作狀態(tài)，保證發(fā)動機(jī)以最大可能的功率與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)運(yùn)轉(zhuǎn)。
（四）指導(dǎo)汽車安全駕駛
基于壓阻效應(yīng)的超聲波傳感器用作汽車倒車防撞報(bào)警裝置，也被稱為超聲波倒車?yán)走_(dá)或倒車聲納系統(tǒng)，尤其適用于加長型裝載汽車、載重大貨車、礦山汽車等大型車輛。超聲波傳感器通常由鋁合金外殼、壓電陶瓷換能器、吸聲材料、引線電極所構(gòu)成，具有水平方向特性寬，而垂直方向受到限制的方向性，原理上利用錯欽酸鉛pzt壓電陶瓷在電能與機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的正、逆壓電效應(yīng)，即在壓電陶瓷上加一電信號，便產(chǎn)生機(jī)械振動而發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波在空氣傳播途中碰到障礙物立即被反射
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