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汽车中的传感器综述

发布时间:2017-11-02 责任编辑:wenwei

【导读】电子技术已经成为新一代汽车发展方向的主导因素,而传感器是电子技术的核心元件,现代汽车越来越多地应用了传感器,以提高汽车发动机的经济、动力和排放性能,改善底盘的制动操纵性能、转向性能和汽车行驶的安全性能。要实现这些目标的关键在于汽车的电子化和智能化,先决条件则是各种信息的及时获取,这势必要求在汽车中大量采用各种传感器。
 
汽车传感器概述
 
汽车传感器是汽车计算机系统的输入装置,它把汽车运行中各种工况信息,如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等,并按一定规律转换成可用输入信号的器件或装置。简单地说,传感器是把非电量转换成电信号传递给ECU,以便汽车处于最佳工作状态。
 
汽车中的传感器综述
 
现代汽车电子控制中,传感器广泛应用在发动机、底盘、和车身各个系统中。汽车传感器在这些系统中担负着信息的采集和传输功用,它采集的信息由电脑(电子控制单元)进行处理后,形成向执行器发出的指令,完成电子控制。传感器在电子控制和自诊断系统中是非常重要的装置,它能及时识别外界的变化和系统本身的变化,再根据变化的信息去控制系统本身的工作。各个系统控制过程正是依靠传感器,进行信息的反馈,实现自动控制工作的。
 
汽车传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。
 
1、敏感元件是指能直接感受(或响应)被测量的部分,即将被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其它量。
 
2、转换元件则将上述非电量转换成电参量。
 
3、测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流或频率等可测电量,以便进行显示、记录、控制和处理的部分。
 
汽车中的传感器综述
 
传感器处于研究对象与测试系统的接口位置,即检测与控制之首。传感器是感知、获取与检测信息的窗口,一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号,其作用与地位特别重要。
 
下图形象的将人体与机器的对应关系列出,有助于进一步的对其作用进行认识。
 
现代汽车电子控制中,传感器广泛应用在发动机、底盘和车身各个系统中。汽车传感器在这些系统中担负着信息的采集和传输,由电脑(电子控制单元ECU)对信号急进行处理后向执行器发出指令,实行电子控制。传感器在电子控制和自我诊断系统中是非常重要的装置,它能及时识别外界的变化和系统本身的变化,再根据变化的信息去控制本身系统的工作。各个系统控制过程正是依靠传感器,进行信息的反馈,实现自动控制工作的。
 
汽车传感器的发展史
 
在20世纪60年代,汽车上仅有机油压力传感器、油量传感器和水温传感器,它们与仪表或指示灯连接。
 
进入70年代后,为了治理排放,又增加了一些传感器来帮助控制汽车的动力系统,因为同期出现的催化转换器、电子点火和燃油喷射装置需要这些传感器来维持一定的空燃比以控制排放。
 
80年代,防抱死制动装置和气囊提高了汽车安全性。
 
汽车中的传感器综述
 
今天,传感器有用来测定各种流体温度和压力(如进气温度、气道压力、冷却水温和燃油喷射压力等)的传感器;有用来确定各部分速度和位置的传感器(如车速、节气门开度、凸轮轴、曲轴、变速器的角度和速度、排气再循环阀(EGR)的位置等);还有用于测量发动机负荷、爆震、断火及废气中含氧量的传感器;确定座椅位置的传感器;在防抱死制动系统和悬架控制装置中测定车轮转速、路面高差和轮胎气压的传感器;保护前排乘员的气囊,不仅需要较多的碰撞传感器和加速度传感器。研究人员还用防撞传感器(测距雷达或其他测距传感器)来判断和控制汽车的侧向加速度、每个车轮的瞬时速度及所需的转矩,使制动系统成为汽车稳定性控制系统的一个组成部分。
 
汽车传感器的分类
 
按能量关系分类
 
传感器按能量关系分类可分为主动型和被动型两种。汽车上使用的传感器大多数属于被动型传感器,这种被动型传感器需要外加输入电源才能产生电信号,所以这种传感器实际上是一个能量控制器。
 
按信号转换分类
 
按信号转换关系分类,可分为由一种非电量转换成另一种非电量,如弹性敏感元件和气动传感器;另一种是由非电量转换成电量的传感器,如热电偶温度传感器、压电式加速度传感器等。
 
按输入量分类
 
按输入量分类即按被测量分类,可分为位移、速度、加速度、角位移、角速度、力、力矩、压力、真空度、温度、电流、气体成分、浓度传感器等。如下图空气流量传感器:
 
汽车中的传感器综述
 
按工作原理分类
 
按传感器的工作原理分类,有电阻式、电容式、应变式、电感式、光电式、光敏式、压电式、热电式传感器等。
 
按输出信号分类
 
按传感器输出信号分类有模拟式和数字式传感器。
 
汽车中的传感器综述
 
细数汽车发动机用传感器
 
发动机的电子控制一直被认为是汽车主要技术领域之一。发动机控制系统用传感器是整个汽车传感器的核心,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的电子控制单元提供发动机的工作状况信息,供电子控制单元对发动机工作状况执行精确控制,以提高发动机的动力性、降低油耗、减少废气排放和执行故障检测。
 
汽车中的传感器综述
 
温度传感器
 
汽车用温度传感器主要用于检测发动机温度、吸人气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。
 
汽车中的传感器综述
 
温度传感器有热敏电阻式、线绕电阻式和热偶电阻式三种主要类型。这三种类型传感器各有特性,其运用场合也略有区别。热敏电阻式温度传感器灵敏度高、响应特征较好,但线性差、适应温度较低。其中,通用型的测温范围为-50℃~30℃,精度为1.5%,响应时间为10ms;高温型为600℃~1000℃,精度为5%,响应时间为10ms;线绕电阻式温度传感器的精度高,但响应特征差;热偶电阻式温度传感器的精度高,测量温度范围宽,但须要配合放大器和冷端处理一起运用。
 
其他已实用化的产品有铁氧体式温度传感器(测温范围为-40℃~120℃,精度为2.0%)、金属或半导体膜空气温度传感器(测温范围为-40℃~150℃,精度为2.0%,5%,响应时间约20ms)等。
 
压力传感器
 
压力传感器是汽车中用得最多的传感器,主要用于检测气囊贮气压力、传动系统流体压力、注入燃料压力、发动机机油压力、进气管道压力、空气过滤系统的流体压力等。
 
目前,比较常用的汽车压力传感器有电容式、压阻式、差动变压器式、声表面波式。电容式压力传感器主要用于检测负压、液压、气压,测量范围为20kPa~100kPa,其特性是输入能量高,动态响应特征好、环境适应性好;压阻式压力传感器的性能则受温度影响较大,须要另设温度补偿电路,但适应于大批量生产;差动变压器式压力传感器有较大的输出,易于数字输出,但抗干扰性差;声表面波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、分辨力高、数字输出等特性,用于汽车吸气阀压力检测,能在高温下稳定地工作。
 
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的测量。进气量是燃油喷射量计算的基本参数之一。
 
空气流量传感器的功能:感知空气流量的大小,并转换成电信号传输给发动机的电子控制单元。空气流量的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、卡门涡旋式、热线式、热膜式等4种类型。空气流量传感器的主要技能指标:
工作范围为0.11m3/min~103m3/min,工作温度为-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,其动态范围为0~60kg/h,工作温度为-40℃~120℃,精度为±1%,响应时间<10ms。
 
位置和转速传感器
 
曲轴位置与转速传感器主要用于检测发动机曲轴转角、发动机转速、节气门的开度、车速等,为点火时刻和喷油时刻提供参考点信号,同时,提供发动机转速信号。
 
汽车中的传感器综述
 
目前,汽车运用的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,其测量范围为0°~360°,精度优于±0.5°,测弯曲角达±0.1°。
 
车速传感器种类繁多,有敏感车轮旋转的、也有敏感动力传动轴转动的,还有敏感差速从动轴转动的。当车速高于100km/h时,一般测量要领误差较大,需采用非接触式光电速度传感器,测速范围为0.5km/h~250km/h,重复精度为0.1%,距离测量误差优于为0.3%。
 
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,最主要的是氧传感器,它检测汽车尾气中的氧含量,根据排气中的氧浓度测定空燃比,向微机控制装置发出反馈信号,以控制空燃比收敛于理论值。
 
常用的有氧化锗传感器(运用温度为-40℃~900℃,精度为1%)、氧化铬浓差电池型气体传感器(运用温度为300℃~800℃)、固体电解质式氧化铬气体传感器(运用温度为0~400℃,精度为0.5%),另外,还有二氧化钦氧传感器以及二氧化错氧传感器。
 
汽车中的传感器综述
 
和氧化锗传感器相比,二氧化钛氧传感器具有结构基本、轻巧、便宜,且抗铅污染能力强的特性。二氧化锆微离子传感器由氧化钙稳定氧化错离子体、多孔铂厚膜工作电极、钯/氧化把厚膜参数电极、不透水层、电极接触和保卫层构成。
 
汽车中的传感器综述
 
其中,氧化钙稳定氧化错由反应溅射法积淀。工作电极和参考电极都由厚膜工艺打造。在理想的A/F点附近的输出电压发生骤变,当空燃比变高,废气中的氧浓度添加时,氧传感器的输出电压减小;当空燃比变低,废气中的氧浓度降低时,氧传感器的输出电压增大。电子控制单元识别这一突变信号,对喷油量执行修正,从而相应地调节空燃比,使其在理想空燃比附近变动。
 
NOx传感器
 
目前全球对于氮氧化物(NOx)、粒子状物质(PM)等柴油车尾气的限制越来越严格。要想应对这种限制,只改进柴油引擎的燃烧方式显然不够,因此后处理技术越来越受重视。选择还原催化剂(SCR)法是NOx净化技术之一,可以选择性地将尾气中的NOx吸附于催化剂,通过向催化剂喷射尿素,以还原反应将NOx分解成氮和水并排放。尿素SCR中的传感器,可检测SCR所需的尿素水的剂量是否合适。这种传感器对于还原剂使用尿素水的氮氧化物(NOx)净化装置必不可少。
 
爆震传感器
 
爆震传感器用于检测发动机的振动,通过调整点火提前角控制和避免发动机发生爆震。可以通过检测气缸压力、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的使用温度为-40℃~125℃,频率范围为5~10kHz;压电式爆震传感器在中心频率5.417kHz处,其灵敏度可达200mV/g,在振幅为0.1g~10g范围内具有良好线性度。
 
汽车传感器在汽车底盘电子控制系统的中的应用
 
底盘用传感器是指分布在变速器控制系统、悬架控制系统、动力转向系统、制动系统中的传感器,它们在不同系统中作用不同,但工作原理与发动机中传感器是相同的,主要应用于以下几个总成中。
 
汽车中的传感器综述
 
悬架用传感器
 
通过对汽车悬挂元件特性进行干预和调节来实现的汽车动力学控制。连续性阻尼控制系统ADC由4个控制单元、CAN、4个车轮垂直加速度传感器、4个车身垂直加速度传感器和4个阻尼器比例阀组成。系统根据汽车运动状况和这些传感器检测到的信息计算出每个车轮悬挂阻尼器的最优阻尼系数,自动调整车高,抑制车辆姿势的变化等,实现对车辆舒适性、操纵稳定性和行车稳定性的控制。
 
系统用传感器
 
系统是通过对车轮转向角的电子控制来实现的,常见的系统有主动前轮助力转向系统ESP,主动前轮叠加转向系统AFS和主动后轮转向系统RWS。用到的传感器主要有车速传感器、发动机转速传感器、转矩传感器等,利用这些传感器使动力转向电控系统实现转向操纵轻便、提高响应特性、减少发动机损耗、增大输出功率、节省燃油等。
 
汽车中的传感器综述
 
无论是ESP、AFS还是RWS,其原理都是由驾驶员操纵指令,由传感器感知路面的状况,以电信号的形式由网络传递给电子控制器及执行器。
 
1、ABS系统
 
防抱制动传感器主要是利用车轮角速度传感器,检测车轮转速,在各车轮的滑移率为20% 时控制制动油压、改善制动性能,确保车辆操纵性和稳定性。在该系统里轮速传感器是ABS十分重要的部件。它要向ECU及时地提供可靠精确的车轮转速。传感器有电磁式、霍尔式、磁阻式。
 
2、TCS系统
 
当汽车驱动轮的驱动力矩过大时,驱动轮会相对地面作滑转运动。一般希望驱动轮的滑转率不要超过20%。这种对驱动轮滑转进行控制的系统称为TCS系统。它是在ABS的基础上发展起来的。在绝大多数汽车里, TCS和ABS共用一个ECU,它们根据传感器输入的信号,来识别和判断汽车的行驶状况。
 
3、ESP电子稳定系统
 
ESP是通过调节车轮纵向力大小及匹配来控制汽车的横摆运动,使汽车具有良好的操纵性和方向的稳定性的主动安全系统。ESP的基本原理是通过传感器和运算逻辑来识别驾驶员对汽车的期望运动状态。为了识别驾驶员对汽车的期望和得知汽车的实际运动状态,ESP系统需要比ABS和TCS更多的传感器。它们是转向盘传感器、汽车横摆角速度传感器、横向加速度传感器和制动主缸的液压传感器。
 
汽车安全系统方面的传感器应用
 
安全是汽车考虑的首要因素,用于安全方面的传感器也很多,如有用于汽车安全气囊的微型加速度计,测角速率的表面微机械陀螺等。
 
微加速度计
 
微加速度计通常由一个平行的悬臂梁构成,梁的一端固定在边框架上,另一端悬挂一个小质量物体块(约10mg),无加速度时质量块不运动,而当有垂直方向加速度时,质量块运动,对加速度敏感,并转换为电信号,经C/V转变、放大相敏解调输出。按检测方式,微加速度计有压阻式、电容式、隧道式、共振式、热形式等几种。
 
汽车中的传感器综述
 
电容式微加速度计的灵敏度高、噪音低、漂移小、结构简单,在汽车安全气囊系统和防滑系统获得广泛应用,电容式微加速度计质量块在有加速度时向下运动,与边框上的另一个电极的距离发生变化,通过检测电容的变化可获得质量块运动的位移,主要结构分为悬臂摆片式和梳齿状的折叠梁式,并变异成其它类型。前者结构相对简单些,制作上也多采用体硅加工方法,简单的摆片式结构由上、下固定电极和可动敏感硅悬臂梁电极组成,用半导体平面工艺各向异性腐蚀,静电封接技术封装完成制作。后者可看作是悬臂梁的并、串组合,设计上要复杂得多,微加工方法则以表面牺牲层技术为主,多晶硅材料的各向同性性质可保证微机械性能的对称性,批量加工精度高,采用这种结构的敏感部分尺寸做得很小,实现与外围电路的单片集成。
 
微机械陀螺
 
微机械陀螺是一种振动式角速率传感器,在汽车领域的应用开发倍受关注,主要用于汽车导航的GPS 信号补偿和汽车底盘控制系统。
 
微机械陀螺中有两个振动模式,一个是横向振动模式,即驱动振动模式,通常称为参考振动,在科氏力作用下会产生附加运动;另一个是法向振动模式,即敏感振动模式,对反映科氏力的附加运动的检测,获得包含在科氏力中的角速率信息。按所用材料,微机械陀螺分为石英和硅振动梁两类,石英材料结构的品质因数Q值最高,陀螺特性最好,但石英加工难度大,成本很高。硅材料结构完整,弹性好,比较容易得到高Q值的微机械结构,成为当前低成本研发的主流。
 
从硅微机械陀螺的结构上,常采用振梁结构、双框架结构、平面对称结构、横向音叉结构、梳状音叉结构、梁岛结构等,用来产生参考振动的驱动方式有静电驱动、压电驱动和电磁驱动等,而检测由于科氏力带来的附加振动的检测方式有电容检测、压电检测、压阻检测。静电驱动、电容检测的陀螺设计最为常见,已有部分产品研制成功。
 
车辆监控和自诊断用传感器
 
在车辆监控和自诊断方面,汽车传感器的主要应用将是轮胎压力监测,其次是应用于冷却、刹车等系统的传感器。此外,还有如像在亮度控制系统中使用光传感器;在电子驾驶系统中使用磁传感器、气流速度传感器;在自动空调系统中使用室内温度传感器、吸气温度传感器、风量传感器、日照传感器、湿度传感器;在导向行驶系统中使用方位传感器、车速传感器等。
 
碰撞传感器
 
碰撞传感器是安全气囊系统中比较主要的控制信号输入装置,其作用是当汽车在路上发生碰撞时,由碰撞传感器检测汽车碰撞的强度信号,并将信号输入安全气囊电脑,安全气囊电脑根据碰撞传感器的信号来判定是否引爆充气元件使气囊充气。经过许多国家的改造,很多汽车中还装有侧向安全气囊,当汽车发生侧向碰撞时,安全气囊也会充气,因此装有侧向安全气囊的系统,在汽车的左右侧还装有碰撞传感器。这就比较人性化地保障用车人员的安全。
 
侧向倾斜角度传感器
 
汽车侧向倾斜角度传感器的应用是防止汽车在行驶中发生倾翻事故的一种有效方法,是提高汽车安全性的重要措施,特别是越野车、双层客车等重心较高的汽车更有必要。
 
汽车中的传感器综述
 
如图所示,利用重力原理制造的角度传感器。摆动部分的质量为m,重心距转轴的距离为L,当汽车车体倾斜或做曲线运动时,均能使摆动部分偏转。设图1中的受力分析是无任何摩擦的理想状态下,力F为下滑力F1和向心力F2共同作用的结果,力F与倾翻力成正比,所产β生的偏转角度β也就与倾翻力成正比。摆动部分所受重力G与F的合力T是摆杆所受拉力,摆动角度β=tg-1(F/G),与L 无关,当质量m一定时,β只与F有关,且成正比。实际上,由于存在转轴等处的摩擦,则L越长,摆动转矩越大,精度越高。
 
角度传感器在控制系统中通常作为采样元件,其性能的优劣对整个系统起着重要作用。电位器式角度传感器已在各种控制系统中广泛应用,但它的缺点是存在触点的滑动磨损和电噪声;磁敏电阻式角度传感器是利用半导体技术制造的新型纯电阻性元件,特点是无触点,当摆动部分偏转时,通过磁敏电阻的磁通量发生变化,使磁敏电阻的阻值发生数倍以上的变化,从根本上消除了电噪声,并使精度得以提高。
 
各种角度传感器都具有阻尼功能,使得对所测得角度的响应有一个短暂的延时,对控制系统来讲是有益处的。
 
其他主要的汽车传感器
 
酒精检测MEMS系统
 
这是一种新型的集成酒精传感器,该酒精传感器可根据环境中的氧气浓度吸附氧气并使得电阻值改变的特性。正常状况下,元件在吸附空气中的氧气后会保持某个电阻值不发生变化,而一旦空气中含有酒精,元件表面的氧元素便会与酒精发生反应,使电阻值下降。通过测定电阻值,便可检测出呼气中含有的酒精浓度。酒精检测MEMS传感器将可以植入在径8mm的密封外壳内、连同信号处理电路等一起嵌入方向盘内,一旦检测出驾驶员呼出的气体含有酒精,便发出安全警报。
 
自动雨刷系统
 
汽车中的传感器综述
 
以发光二极管对前挡风玻璃发出光束,当雨滴打在感应区的玻璃上时,光束所反射的光线强度,会因玻璃上的雨量或湿气含量而有所变化,改变雨刷的刷动频率。或透过红外线电子雨量传感器感应雨量的多寡,并随车速的变化自动调整雨刷速度,增进驾驶人的驾驶方便性让驾驶更有安全性。
 
胎压监测系统
 
在每个轮胎上安装高灵敏度的传感器,用于行车状态下随时监测轮胎状况,并透过传感器以无线方式发射到接收器,让驾驶人能随时掌握漏气与温度升高等轮胎状况,,以确保汽车行驶中的安全,并延长轮胎的使用寿命与降低燃油的消耗。最先进的直接轮胎压力监测解决方案的特点包括高级预警系统和压力、温度、电压和动作探测等。
 
汽车中的传感器综述
 
机油粘度传感器
 
何时更换机油一般是根据厂家规定的时间或里程来进行。少数厂家采用了更先进的方式,通过记录发动机转速和温度来计算换油间隔。
 
汽车传感器的发展趋势
 
由于汽车传感器在汽车电子控制系统中的重要作用和快速增长的市场需求,世界各国对其理论研究、新材料应用和新产品开发都非常重视。未来的汽车用传感器技术,总的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。
 
利用微电子机械系统(MEMS)技术和计算机辅助设计技术可以设计出低成本、高性能的微型传感器。在当前技术水平下,微切削加工技术已经可以生产出具有不同层次的3D微型结构, 继而可以生产出体积非常微小的微型传感器敏感元件。由于元器件比较微型,使用起来比较便捷和高效,使得经济性有了很好的提高。
 
多功能化是指一个传感器能检测2个或者两个以上的特性参数或者化学参数,从而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的复杂程度,减少其体积,并降低成本。
 
此外,开发新材料是传感器技术的重要基础,现在光导纤维、纳米材料、超导材料等新型材料的出现为传感器的发展开辟了新天地,随着研究的不断深入,将会有更多更新的传感器材料被开发出来。传感器的功能不仅与其材料有关,还与其加工技术有关,微机械加工技术已越来越多地用于传感器制造工艺。随着现代制造技术的发展,将会有更多的先进制造技术应用到汽车传感器的制作中。传感器的工作原理是基于各种物理、化学、生物效应和定律,由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料,并以此研制具有新原理的新型传感器。这是发展低成本、高性能、多功能和微型化传感器的重要途径。
 
本文转载自传感器技术。
 
 
 
 
 
 
 
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