汽车传感器性能与选用

2013年汽车电控技术开发、测试及应用研讨会汽车传感器的性能与选用汽车电控技术开发、测试及应用研讨会个人简介姓名：籍贯：电邮：手机：教育经历：123主要研究方向：汽车电子控制技术新能源汽车汽车电控技术开发、测试及应用研讨会国家标准GB7665-2005（87）对传感器（transducer/sensor）所下的定义：能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其定义所蕴含的四个意思：①传感器是测量装置，能完成检测任务；②它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电信号；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器的功用:一感二传，即感受被测信息，并传送出去。传感器的定义汽车电控技术开发、测试及应用研讨会现代汽车技术发展特征之一就是越来越多的子系统采用电子控制技术，传感器是电子控制系统中的必不可少的重要组成部分，担当采集系统状态的作用。因而传感器在汽车上的应用越来越广泛。汽车传感器主要应用在汽车的电子控制系统（主要由发动机电控系统和底盘电控系统）和仪表与指示灯系统中。由于实时精确地获取系统的当前状态是电控系统实现快速精准控制的首要条件，汽车传感器又作为汽车电子控制系统的信息源，故汽车传感器是汽车电子控制系统的关键部件,其技术是汽车电控技术的核心内容之一。普通汽车大约装有近百只传感器，而高级豪华汽车由于装备了更多的电控装置，其装备的传感器达到了200~300只。汽车传感器概述汽车电控技术开发、测试及应用研讨会汽车传感器作为汽车电控系统的输入装置，把汽车运行中各种工况信息,如车速、发动机运转工况和各种介质的温度等,转换成电信号并传输给电控单元,以控制车辆处于最佳工作状态。汽车传感器概述汽车电控技术开发、测试及应用研讨会传感器执行器在汽车电控系统中汽车传感器的作用汽车电控技术开发、测试及应用研讨会在汽车仪表与指示灯系统中传感器仪表或指示灯电路汽车传感器的作用汽车电控技术开发、测试及应用研讨会与其他的传感器相比，汽车传感器具有以下的特点：环境耐受性好。汽车的工作环境在-40~80℃，且在各种复杂道路条件下运行，经受着各种变化载荷的冲击，有时甚至在强大电磁场的情况下工作，因此要求传感器耐振、耐冲击、耐温、耐水、耐油污、抗电磁干扰。可靠性高。汽车传感器的可靠性指标是10年，要求汽车行驶10万公里无障碍。特性好精度高。汽车传感器的精度直接关系到汽车电控系统的性能，进而关乎汽车的各项性能（如安全性、经济性、动力性、舒适性等）。批量生产和通用性。汽车传感器在确保其性能的基础上，成本要求尽可能低，且安装调试方便。结构紧凑小巧。可减少汽车重量，提升汽车利用空间，便于安装调试。应符合汽车行业的标准。汽车传感器的特点汽车电控技术开发、测试及应用研讨会汽车传感器的发展趋势传感器在汽车电控系统中的重要作用和快速增长的汽车市场需求，促进了汽车传感器技术的不断进步和发展。未来汽车传感器发展的总趋势是：多功能化集成化微型化智能化新材料和新原理的应用汽车电控技术开发、测试及应用研讨会汽车传感器的分类按传感器所在系统可大致分为两类：用于使驾驶员掌握汽车运行状态的传感器,如各种仪表和指示灯用传感器;用于控制汽车运行状态的电控系统用传感器,如发动机电控系统所需的传感器。汽车电控技术开发、测试及应用研讨会按被测量的特性可分为：汽车传感器的分类汽车电控技术开发、测试及应用研讨会为了提高汽车电控系统和仪表与指示系统的性能，要求能实时且精准地获取的汽车运行的各个状态。所以在选用汽车传感器时，除了需要考虑被测量的特点外，更需考虑传感器的基本特性（性能）。传感器的特性是指它转换信息的能力和性质。这种能力和性质常用传感器的输入与输出的对应关系来描述。传感器的输入量可分为静态量（常量或变化缓慢的量）和动态量（随时间快速变化的量，如周期变化、瞬态变化或随机变化等）两大类，故传感器的基本特性可分为静态特性和动态特性。传感器必须既有良好的静态特性又有良好的动态特性，才能完成信号无失真的转换。传感器的基本特性汽车电控技术开发、测试及应用研讨会传感器的基本特性传感器的输出与输入之间的关系都可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。1、静态模型输入信号不随时间变化情况下，传感器输出量与输入量之间的函数关系。一般可用多项式来表示。2、动态模型输入信号为随时间变化的量，传感器输出量与输入量之间的数学关系。一般可用微分方程或传递函数来表示。汽车电控技术开发、测试及应用研讨会1．测量范围（量程）测量范围是指按传感器标定的精确度可进行测量的被测量的变化范围，故测量范围的上限值Ymax与下限值Ymin之差就是传感器的量程YFS，即YFS=Ymax–Ymin有的传感器一旦过载（即被测量超出测量范围）就将损坏，而有的传感器允许一定程度的过载，但过载部分不作为测量范围，我们选用传感器时应注意。传感器的静态特性汽车电控技术开发、测试及应用研讨会2、线性度（非线性误差）线性度是指传感器的输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度。非线性误差是传感器线性度的衡量指标，它取实际值与理论值之间的绝对误差的最大值与传感器量程之比的百分数。传感器的静态特性汽车电控技术开发、测试及应用研讨会3、灵敏度灵敏度是指传感器输出的增量与输入的增量之比，即：线性传感器的灵敏度为常数，即输入输出关系直线的斜率，斜率越大，其灵敏度就越高。非线性传感器的灵敏度是变量，是输入输出关系曲线的斜率，输入量不同，灵敏度就不同，通常用拟合直线的斜率表示系统的平均灵敏度。要注意灵敏度越高，就越容易受外界干扰的影响，系统的稳定性就越差，测量范围相应就越小。xyS传感器的静态特性汽车电控技术开发、测试及应用研讨会4、重复性重复性表示传感器按同一方向做全量程多次测量时，所得的输入输出特性曲线不一致的程度。曲线越重合，重复性越好。max100%xFSEY传感器的静态特性重复性主要与传感器的机械部分的磨损、间隙、松动、部件的内摩擦、积尘以及辅助电路的老化和漂移等因素有关。重复性可以采用下式（极限误差式）表示。汽车电控技术开发、测试及应用研讨会5、迟滞（变差、回程误差）迟滞是指传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程中输出输入曲线不重合的现象。max/100%HHFSy式中△Hmax—正反行程间输出的最大差值。迟滞现象如右图所示，它一般由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,即0yx⊿HmaxyFS迟滞现象传感器的静态特性汽车电控技术开发、测试及应用研讨会6、精确度（精度）相关概念的区别：精密度：是指传感器输出值的分散程度，是随机误差大小的标志。正确度：是指传感器输出值与真值的偏离程度，是系统误差大小的标志。精确度：它是精密度和准确度两者的总和，精确度高表示精密度准确度都比较高。传感器的静态特性汽车电控技术开发、测试及应用研讨会以射击为例，加深对三个概念的理解。(a)准确度高，精密度低；(b)准确度低，精密度高；(c)精确度高。传感器的静态特性汽车电控技术开发、测试及应用研讨会7、分辨力在规定测量范围内能引起输出变化的输入量的最小变化量，表示传感器分辨输入量微小变化的能力。当被测量的变化量小于分辩力时，传感器对输入量的变化则没有任何反应。8、漂移漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移:在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。温度漂移:因环境温度变化而引起的零点或灵敏度的漂移。传感器的静态特性汽车电控技术开发、测试及应用研讨会9、稳定性稳定性又称长期稳定性，即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。一般以传感器在室温条件下，经过相当长的时间间隔，其输出与起始标定的输出值之间的差异来表示，有时也用标定的有效期来表示。差异越小，稳定性越好。传感器的静态特性汽车电控技术开发、测试及应用研讨会在测量随时间快速变化的参数时，只考虑静态性能指标是不够的，还要注意其动态性能指标。当传感器的输入信号较快变化时，由于传感器内的各种运动惯性及能量传递需要时间，传感器的输出无法瞬时完全追随输入量的变化。当传感器输入信号变化缓慢时，是容易跟踪的，但随着输入信号的变化加快，传感器随动跟踪性能会逐步下降。有良好的静态特性的传感器未必有良好的动态特性。良好的动态特性是指传感器不仅能精确地测量信号的幅值大小，而且能测量出输入信号随时间变化的波形。研究动态特性的方法有两种：时域法和频域法。在时域内研究动态特性采用瞬态响应法。输入的时间函数为阶跃函数、脉冲函数、斜坡函数，工程上常输入的标准信号为阶跃函数。在频域内研究动态特性采用频率响应法，输入的标准信号为正弦函数。传感器的动态特性汽车电控技术开发、测试及应用研讨会一般根据输出达到其稳定值的63.2%(即0.632y0)所用的时间τ（时间常数τ），来衡量一阶传感器的动态响应速度。τ值越大，则动态响应越慢，动态误差越大且存在时间越长。时间常数τ是一阶传感器的主要动态性能指标，一般希望它越小越好。一阶（惯性）传感器的阶跃响应曲线如左图所示。由图可见，由于传感器的惯性，其输出不能立即复现输入信号，而是从零开始，按指数规律上升，最终达到稳态值。理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才达到稳态值，但通常认为t=(3～4)τ时，如当t=4τ时其输出就可达到稳态值的98.2%，可以认为已达到稳态。传感器的动态特性一阶(惯性)传感器的阶跃响应曲线汽车电控技术开发、测试及应用研讨会二阶传感器阶跃响应的典型指标：①上升时间tr—输出由稳态值的10%变化到稳态值的90%所用的时间。②响应时间ts—系统从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围（±5%或±2%）内所需要的时间。③峰值时间tp—阶跃响应曲线从零达到第一个峰值所需时间。④超调量σ%—传感器输出超过稳态值的最大值ΔA，常用相对于稳态值的百分比σ%表示。⑤衰减率ψ—相邻两个波峰高度下降的百分比。传感器的动态特性二阶（振荡）传感器的阶跃响应曲线前三个指标反映传感器的动态响应速度。后两个指标反映传感器的动态精度。汽车电控技术开发、测试及应用研讨会选用传感器需考虑的四方面因素：①与测量条件有关的因素②与传感器性能有关的因素③与使用环境条件有关的因素④与购买和维修有关的因素传感器的选用汽车电控技术开发、测试及应用研讨会一、与测量条件有关的因素测量的目的；被测量；测量范围；输入信号的幅值，频带宽度；测量的精度要求；测量所需要的时间。传感器的选用汽车电控技术开发、测试及应用研讨会二、与传感器性能有关的因素传感器的精度；稳定度；响应特性；模拟量或数字量；输出幅值；对被测物体产生的负载效应；校正周期；超标准过大的输入信号的保护。接地及噪声干扰情况分析传感器的选用汽车电控技术开发、测试及应用研讨会三、与使用环境条件有关的因素安装现场条件及情况；环境条件(湿度、温度、振动等)；信号与其他设备的传输距离及连接方式；所需现场提供的功率容量。传感器的选用汽车电控技术开发、测试及应用研讨会四、与购买和维修有关的因素价格；交货日期；零配件的储备；服务与维修制度，保修时间。传感器的选用汽车电控技术开发、测试及应用研讨会基本参数指标环境参数指标可靠性指标其他指标量程指标：量程范围、过载能力等灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出等精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性动态性能指标：固定频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标：允许各向抗