传感器在汽车中的应用及发展现状

传感器在汽车中的应用及发展情况摘要：介绍汽车传感器的特点和种类以及传感器在汽车电子控制系统的应用，阐述了汽车传感器的现状及发展趋势，指出汽车传感器将向着微型化，集成化和智能化方向发展。引言：现代汽车正由一个单纯交通工具朝着能满足人类需求和安全，舒适及无污染的方向发展。汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。本文简单介绍了汽车电子系统的各种传感器在汽车上的运用以及汽车传感器的发展动态。（一）汽车传感器的特点1.1适应性强、耐恶劣环境汽车可能行驶在地球上的任何区域,环境条件差别极大,既有南北极的极严寒地区,也有象赤道地区的酷热气候,因此,要求传感器具有极强的适应性,能在-40～80℃的条件下,勿须调整正常工作。汽车可能工作在极度恶劣的气候条件下,有时尘土弥漫,有时风雨交加,所以传感器应具有很好的密封性,耐潮湿、抗腐蚀能力强。1.2抗干扰能力强传感器除了能够适应外界恶劣环境之外,也要能够抵抗来自发动机内部的各种干扰。传感器都安装在发动机舱中,除了能够承受发动机工作时的高温、高压、燃烧废气腐蚀之外,还要求有良好的抗震性能,抵抗发动机工作时的强烈震动,另外,发动机工作时会产生电磁波,因此要求传感器具有抗干扰能力。汽车电源(发电机、蓄电池等)电压可在6～16V变化,有时甚至迭加超过100V的正负高电压脉冲,故还应具有抗电涌能力等。1.3稳定性和可靠性高汽车的各种零部件一般要求能运行10×104km以上,并且勿须更换和调整仍能满足规定的技术指标。因此,传感器必须具有高稳定性和高可靠性。1.4价格低廉,适应大批量生产（二）汽车传感器应用分类汽车传感器汽车上主要用于发动机控制系统、底盘控制系统、车身控制系统和导航系统中。它的应用，大大提高了汽车电子化程度，增加了汽车驾驶安全系数。2.1发动机控制系统用传感器发动机控制系统用传感器是整个汽车传感器核心，种类很多，包括温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体浓度传感器和爆震传感器等。这些传感器向发动机电子控制单元（ECU）提供发动机工作状况信息，供ECU对发动机工作状况进行精确控制，以提高发动机动力性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测。发动机工作高温(发动机表面温度可达150℃、排气歧管可达650℃)、振动(加速度30g)、冲击(加速度50g)、潮湿(100%RH，-40℃-120℃)以及蒸汽、盐雾、腐蚀和油泥污染恶劣环境中，发动机控制系统用传感器耐恶劣环境技术指标要比一般工业用传感器高1-2个数量级，其中最关键是测量精度和可靠性。否则，由传感器带来测量误差将最终导致发动机控制系统难以正常工作或产生故障。1.温度传感器温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。温度用传感器有线绕电阻式、热敏电阻式和热偶电阻式三种主要类型。三种类型传感器各有特点，其应用场合也略有区别。线绕电阻式温度传感器精度高，但响应特性差；热敏电阻式温度传感器灵敏度高，响应特性较好，但线性差，适应温度较低；热偶电阻式温度传感器精度高，测量温度范围宽，但需要配合放大器和冷端处理一起使用。已实用化产品有热敏电阻式温度传感器(通用型-50℃～130℃，精度1.5%，响应时间10ms；高温型600℃～1000℃，精度5%，响应时间10ms)、铁氧体式温度传感器(ON/OFF型，-40℃～120℃，精度2.0%)、金属或半导体膜空气温度传感器(-40℃～150℃，精度2.0%、5%，响应时间20ms)等。2.压力传感器压力传感器主要用于检测气缸负压、大气压、涡轮发动机升压比、气缸内压、油压等。吸气负压式传感器主要用于吸气压、负压、油压检测。汽车用压力传感器应用较多有电容式、压阻式、差动变压器式（LVDT）、表面弹性波式（SAW）。电容式压力传感器主要用于检测负压、液压、气压，测量范围20～100kPa，具有输入能量高，动态响应特性好、环境适应性好等特点；压阻式压力传感器受温度影响较大，需要另设温度补偿电路，但适应于大量生产；LVDT式压力传感器有较大输出，易于数字输出，但抗干扰性差；SAW式压力传感器具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、分辨率高、数字输出等特点，用于汽车吸气阀压力检测，能高温下稳定工作，是一种较为理想传感器。3.流量传感器流量传感器主要用于发动机空气流量和燃料流量测量。空气流量测量用于发动机控制系统确定燃烧条件、控制空燃比、起动、点火等。空气流量传感器有旋转翼片式（叶片式）、卡门涡旋式、热线式、热膜式等四种类型。旋转翼片式（叶片式）空气流量计结构简单，测量精度较低，测空气流量需要进行温度补偿；卡门涡旋式空气流量计无可动部件，反映灵敏，精度较高，也需要进行温度补偿；热线式空气流量计测量精度高，无需温度补偿，但易受气体脉动影响，易断丝；热膜式空气流量计和热线式空气流量计测量原理一样，但体积少，适合大批量生产，成本低。空气流量传感器主要技术指标为：工作范围0.11～103立方米/min，工作温度-40℃～120℃，精度≤1%。燃料流量传感器用于检测燃料流量，主要有水轮式和循环球式，其动态范围0～60kg/h，工作温度-40℃～120℃，精度±1%，响应时间小于10ms。4.位置和转速传感器位置和转速传感器主要用于检测曲轴转角、发动机转速、节气门开度、车速等。目前汽车使用位置和转速传感器主要有交流发电机式、磁阻式、霍尔效应式、簧片开关式、光学式、半导体磁性晶体管式等，其测量范围0°～360°，精度±0.5°以下，测弯曲角达±0.1。车速传感器种类繁多，有敏感车轮旋转、也有敏感动力传动轴转动，还有敏感差速从动轴转动。当车速高于100km/h时，一般测量方法误差较大，需采用非接触式光电速度传感器，测速范围0.5～250km/h，重复精度0.1%，距离测量误差优于0.3%。5.气体浓度传感器气体浓度传感器主要用于检测车体内气体和废气排放。其中，最主要是氧传感器，实用化有氧化锆传感器(使用温度-40℃～900℃，精度1%)、氧化锆浓差电池型气体传感器(使用温度300℃～800℃)、固体电解质式氧化锆气体传感器(使用温度0℃～400℃，精度0.5%)，另外还有二氧化钛氧传感器。和氧化锆传感器相比，二氧化钛氧传感器具有结构简单、轻巧、便宜，且抗铅污染能力强特点。6.爆震传感器爆震传感器用于检测发动机振动，调整点火提前角控制和避免发动机发生爆震。可以检测气缸压力、发动机机体振动和燃烧噪声等三种方法来检测爆震。爆震传感器有磁致伸缩式和压电式。磁致伸缩式爆震传感器使用温度为-40℃～125℃，频率范围为5～10kHz；压电式爆震传感器中心频率5.417kHz处，其灵敏度可达200mV/g，振幅为0.1g～10g范围内具有良好线性度。2.2底盘控制用传感器底盘控制用传感器是指用于变速器控制系统、悬架控制系统、动力转向系统、制动防抱死系统等底盘控制系统中传感器。这些传感器尽管分布不同系统中，但工作原理与发动机中相应传感器是相同。，汽车电子控制系统集成化程度提高和CAN-BUS技术广泛应用，同一传感器可以给发动机控制系统提供信号，也可为底盘控制系统提供信号。自动变速器系统用传感器主要有：车速传感器、加速踏板位置传感器、加速度传感器、节气门位置传感器、发动机转速传感器、水温传感器、油温传感器等。制动防抱死系统用传感器主要有：轮速传感器、车速传感器；悬架系统用传感器主要有：车速传感器、节气门位置传感器、加速度传感器、车身高度传感器、方向盘转角传感器等；动力转向系统用传感器主要有：车速传感器、发动机转速传感器、转矩传感器、油压传感器等。2.3车身控制用传感器车身控制用传感器主要用于提高汽车安全性、可*性和舒适性等。其工作条件不象发动机和底盘那么恶劣，一般工业用传感器稍加改进就可以应用。主要有用于自动空调系统温度传感器、湿度传感器、风量传感器、日照传感器等；用于安全气囊系统中加速度传感器；用于门锁控制中车速传感器；用于亮度自动控制中光传感器；用于倒车控制中超声波传感器或激光传感器；用于保持车距距离传感器；用于消除驾驶员盲区图象传感器等。2.4导航系统用传感器基于GPS/GIS（全球定位系统和理信息系统）导航系统汽车上应用，导航用传感器这几年到迅速发展。导航系统用传感器主要有：确定汽车行驶方向罗盘传感器、陀螺仪和车速传感器、方向盘转角传感器等。（三）正在研制的汽车传感器:3.1汽车发动机燃烧传感器(1)火花塞离子电流传感器(采用直流或交流施加间隙电压)。检测发动机熄火和爆震,而且指示气缸的峰压和空燃比。(2)光纤膜片反射传感器:检测汽缸内的压力波形。(3)压阻式碳化硅绝缘体压力传感器:检测汽缸内的压力波形。3.2检测燃油质量传感器(1)应力预测方法:根据发动机转动的组合系数和油温计算油的累加应力。(2)多功能传感器:检测油的电解质常数,油的液面和温度。3.3发动机传动和方向盘力矩传感器(1)扭曲角度和扭力杆:采用电位计的方法检测由于力矩产生的扭曲角,也可以采用可变光圈的光学方法、位移杆编码的光学方法、位移空气间隙的磁学方法,以及涡流可变电极的电器方法。(2)非扭转轴磁弹性检测:一种传感器是利用交流电激励的方法检测转动轴导磁率的变化;另外一种传感器是带有磁性的转动轴产生直流磁通量信号,这两种传感器都是属于转动轴的非接触式检测方式。(3)由于气缸点火发动机轴速产生变化的检测。采用数学运算的方法根据由于每个气缸点火情况调节发动机调速轮,计算发动机的力距,一般应用高分辩力的旋转位移传感器。3.4多轴向微机械加工惯向传感器(1)双轴向加速度传感器:采用双功能的加速度传感器检测车辆的安全系统。(2)角速度加速度传感器:在一块芯片上生产多功能的传感器。应用在底盘系统测量侧加速度和车轮的角速度。（四）汽车传感器发展趋势汽车传感器汽车电子控制系统中重要作用和快速增长市场需求，世界各国对其理论研究、新材料应用和新产品开发都都非常重视。未来汽车用传感器技术，总发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。微型传感器基于从半导体集成电路技术发展而来MEMS(微电子机械系统)，微型传感器利用微机械加工技术将微米级敏感元件、信号处理器、数据处理装置封装一快芯片上，具有体积小、价格便宜、便于集成等特点，可以明显提高系统测试精度。目前该技术日渐成熟，可以制作各种能敏感和检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量微型传感器。基于MEMS技术微型传感器降低汽车电子系统成本及提高其性能方面优势，它们已开始逐步取代基于传统机电技术传感器。多功能化是指一个传感器能检测2个两个以上特性参数化学参数，减少汽车传感器数量，提高系统可靠性。集成化是指利用IC制造技术和精细加工技术制作IC式传感器。智能化是指传感器与大规模集成电路相结合，带有CPU，具有智能作用，以减少ECU复杂程度，减少其体积，并降低成本。电子技术发展和汽车电子控制系统应用日益广泛，汽车传感器将向着微型化、多功能化、集成化和智能化方向发展.学号：20100030114姓名：张露