現(xiàn)代汽車傳感器的應用與發(fā)展趨勢

1、“汽車電子控制技術”課程論文現(xiàn)代汽車傳感器的應用與發(fā)展趨勢（072200777 通信與信息系統(tǒng)胡世鋒）摘要：本文介紹了現(xiàn)代汽車傳感器的種類和檢測對象，以及傳感器在汽車電子控制系統(tǒng)中的應用概況，闡述了汽車傳感器的現(xiàn)狀 ，并對汽車傳感器的發(fā)展趨勢作了預測，即汽車傳感器會向著微型化、集成化和智能化的方向發(fā)展。關鍵詞：傳感器；汽車；控制系統(tǒng)0引言汽車工業(yè)是我國國民經濟發(fā)展的支柱產業(yè)之一。現(xiàn)代汽車正由一個單純交通工具朝著能滿足人類需求和安全、舒適、方便及無污染的方向發(fā)展。當前，汽車電子已成為汽車工業(yè)發(fā)展的核心技術 。據(jù)有關統(tǒng)計，在汽車上的電子元件的相關價值已經從20世紀70年代的零增長到2000年的中級

2、汽車的20%左右。據(jù)預測，未來汽車電子產品的費用將占整車費用的30%,并認為汽車上70%勺革新將來源于汽車電子。汽車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)的關鍵部件，也是汽車電子技術領域研究的核心內容之一。20世紀末期，為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)達國家對汽車工業(yè)提出的新要求，促進了傳感器應用和技術的快速發(fā)展。傳感器的研發(fā)和生產單位采用 新材料和新的加工技術開發(fā)和生產新一代的傳感器及系統(tǒng)，滿足汽車工業(yè)的需求。1汽車傳感器的種類及其在電子控制系統(tǒng)中的應用20世紀80年代以來，汽車上應用的傳感器越來越多，表1列出了汽車傳感器的種類和檢測對象。表1汽車傳感器的種類和檢測對象種類檢測對象

3、溫度傳感器冷卻水，吸氣，排氣,車內外空氣，發(fā)動機機油等流量傳感器吸入空氣，燃油，排氣再循環(huán)，冷媒流量,二次空 氣等壓力傳感器進氣岐管名對壓力，大氣壓力，發(fā)動機油壓， 混合氣，制動液，各種泵壓，胎壓等位置傳感器曲軸位置,節(jié)氣門位置，排氣再循環(huán)閥開量， 車高，行駛距離，行駛方位等加速度傳感器發(fā)動機轉速，車速，輪速，加速度，負加速度等氣體傳感器。2 ,CO ,NOx ,HC化合物，柴油機排氣煙度等其他傳感器爆震，濕度，電流，雨滴，制動片磨損，動力座椅，轉向反射鏡，加速踏板位置等，見各類傳感器主要應用在發(fā)動機電子控制系統(tǒng)、底盤電子控制系統(tǒng)和車身電子控制系統(tǒng) 表2。表2汽車電子控制系統(tǒng)用傳感器電子控制系

4、統(tǒng)類別子系統(tǒng)名稱所用的主要傳感器發(fā)動機電子燃油噴射系統(tǒng)溫度，壓力，位置，轉速，流 量，爆震，車速，旋轉位移， 液位，力距，氧傳感器等底盤電子自動變速控制系統(tǒng)車速，位移，油溫，節(jié)流閥 傳感器等電子控制懸架系統(tǒng)車局，車速，航角，方位，加 速度，方向盤轉角傳感器 等電子控制動力轉向系統(tǒng)車速，轉向，轉速，油壓，扭 矩傳感器等防抱死制動系統(tǒng)輪速，壓力，加速度，振動 傳感器等車身安全氣囊系統(tǒng)慣性加速度，碰撞（前后和 側向）傳感器等防撞警告系統(tǒng)接近，紅外熱成像，超聲陣 歹L距離傳感器等自動空調系統(tǒng)低壓開關，溫度開關，壓 力,濕度傳感器等環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)溫度,氣壓，風量，風向，日 照，雨量，氣體（CO、NO、 C

5、O2）傳感器等GPS/GIS導航系統(tǒng)羅盤傳感器，陀螺儀，車 速，方向盤轉角傳感器等2汽車傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀1.1 溫度傳感器溫度傳感器主要用于檢測發(fā)動機溫度、吸入氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度以及催化溫度等。溫度用傳感器有線繞電阻式、熱敏電阻式和熱偶電阻式三種主要類型。三種類型傳感器各有特點，其應用場合也略有區(qū)別。線繞電阻式溫度傳感器的準確度高，但響應特性差；熱敏電阻式溫度傳感器靈敏度高，響應特性好，但線性差，適應溫度較低；熱偶電阻式溫度傳感器的準確度高，測量溫度范圍寬，但需要配合放大器和冷端處理一起使用。已實用化的產品有熱敏電阻式溫度傳感器（通用型-50C130C,精度1.5%,響應時間10m

6、s；高溫型600 c1000 C ,精度5%響應時間10ms）、鐵氧體式溫度傳感器（ ON/OFF 型，-40C120C,精度2.0%）、金屬或半導體膜空氣溫度傳感器 （-40C150 C,精度2.0%、 5%,響應時間20ms）等。1.2 壓力傳感器壓力傳感器主要用于檢測氣缸負壓、大氣壓、渦輪發(fā)動機的升壓比、氣缸內壓、油壓等。吸氣負壓式傳感器主要用于吸氣壓、負壓、油壓檢測。汽車用壓力傳感器應用較多的有電容式、壓阻式、差動變壓器式（ LV DT ） 、表面彈性波式（ SAW ）。電容式壓力傳感器主要用于檢測負壓、液壓、氣壓，測量范圍20100kPa,具有輸入能量高，動態(tài)響應特性好、環(huán)境適應性好

7、等特點；壓阻式壓力傳感器受溫度影響較大，需要另設溫度補償電路，但適應于大量生產；LVDT式壓力傳感器有較大的輸出，易于數(shù)字輸出，但抗干擾性差；SAW式壓力傳感器具有體積小、質量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、分辨率高、數(shù)字輸出等特點，用于汽車吸氣閥壓力檢測，能在高溫下穩(wěn)定地工作，是一種較為理想的傳感器。1.3 流量傳感器流量傳感器主要用于發(fā)動機空氣流量和燃料流量的測量?？諝饬髁康臏y量用于發(fā)動機控制系統(tǒng)確定燃燒條件、控制空燃比、起動、點火等。空氣流量傳感器有旋轉翼片式（ 葉片式 ） 、 卡門渦旋式、熱線式、熱膜式等四種類型。旋轉翼片式（ 葉片式 ） 空氣流量計結構簡單，測量精度較低，測得的空氣流

8、量需要進行溫度補償；卡門渦旋式空氣流量計無可動部件，反應靈敏，精度較高，也需要進行溫度補償；熱線式空氣流量計測量精度高，無需溫度補償，但易受氣體脈動的影響，易斷絲； 熱膜式空氣流量計和熱線式空氣流量計測量原理一樣，但體積少，適合大批量生產，成本低?？諝饬髁總鞲衅鞯闹饕夹g指標為：工作范圍0.11103m3/min,工作溫度為-40C120C,精度為w 1%燃料流量傳感器用于檢測燃料流量，主要有 水輪式和循環(huán)球式，其動態(tài)范圍是060kg/h,工作溫度為-40C120 C,精度十,響應時間小于10ms。1.4 線性位置和角度傳感器位置傳感器測量線性位移的量程是小于1dm（典型的例子是在MEMS傳感

9、器內滿量程敏感 元 件 移 動 ） 到 200mm（ 在 主 動 懸 掛 系 統(tǒng) 支 架 震 動 和 傳 輸 ） 滿 量 程 的 位 移 量 變 化 為 2000000 ： 1。傳感器的主要類型有：（1）電位計式角度和線性位置傳感器； （2）霍爾傳感器； （3） 各向異性磁阻式角度和線性位置傳感器；（4） 光學編碼。1.5 氣體濃度傳感器氣體濃度傳感器主要用于檢測車體內氣體和廢氣排放。其中，最主要的是氧傳感器，實用化的有氧化錨傳感器 （使用溫度-40C900C,精度1%）、氧化錯濃差電池型氣體傳感 器（使用溫度300c800C）、固體電解質式氧化錯氣體傳感器（使用溫度0c400C,精度0.5%

10、)，另外還有二氧化鈦氧傳感器。與氧化鋯傳感器相比，二氧化鈦氧傳感器具有結構簡單、輕巧、便宜，且抗鉛污染能力強的特點。1.6 爆震傳感器爆震傳感器用于檢測發(fā)動機的振動，通過調整點火提前角控制和避免發(fā)動機發(fā)生爆震。可以通過檢測氣缸壓力、發(fā)動機機體振動和燃燒噪聲等三種方法來檢測爆震。爆震傳感器有磁致伸縮式和壓電式。磁致伸縮式爆震傳感器的使用溫度為-40C125C,頻率范圍為510kHz;壓電式爆震傳感器在中心頻率5.417kHz處，其靈敏度可達200mV/g,在振幅為0.1g10g范圍內具有良好線性度。1.7 位置和轉速傳感器位置和轉速傳感器主要用于檢測曲軸轉角、發(fā)動機轉速、節(jié)氣門的開度、車速等。目

11、前汽車使用的位置和轉速傳感器主要有交流發(fā)電機式、磁阻式、霍爾效應式、簧片開關式、光學式、半導體磁性晶體管式等，其測量范圍0。360。，精度10.5以下，測彎曲角達 垃1。車速傳感器種類繁多，有敏感車輪旋轉的、也有敏感動力傳動軸轉動的，還有敏感差速從動軸轉動的。當車速高于100km/h 時，一般測量方法誤差較大，需采用非接觸式光電速度傳感器，測速范圍為0.5250km/h,重復精度為0.1%,距離測量誤差優(yōu)于 0.3%。1.8 其他類型的傳感器以上介紹的是現(xiàn)代汽車上運用最多、最常見和最傳統(tǒng)的傳感器，隨著社會的不斷發(fā)展，人們對汽車的性能要求也越來越精細。因此傳感器種類的要求也逐漸增多，比如空氣質量

12、流量傳感器、線性加速度慣性傳感器、角速率傳感器、日照、微光和閃光檢測器、濕度/ 雨量傳感器和近距離障礙物檢測傳感器等不同復雜種類的出現(xiàn)。同時還有一些難度更大、更復雜的汽車傳感器正在研制過程當中，比如汽車發(fā)動機燃燒傳感器、檢測燃油質量傳感器、發(fā)動機傳動和方向盤力矩傳感器、多軸向微機械加工慣向傳感器等。3 汽車傳感器的發(fā)展趨勢現(xiàn)代社會對汽車性能的要求越來越高, 促使汽車傳感器技術不斷發(fā)展, 今后汽車傳感器的發(fā)展趨勢是實現(xiàn)微型化、智能化和多功能化, 開發(fā)新材料、新工藝和新型傳感器。3.1 微型化利用微電子機械系統(tǒng)( MEMS )技術和計算機輔助設計技術可以設計出低成本、高性能的微型傳感器。MEMS

13、的核心技術是研究微電子、微機械加工與封裝技術的巧妙結合, 期望能夠由此而制造出體積小巧但功能強大的新型系統(tǒng)。經過幾十年的發(fā)展, 尤其最近10 多年的研究與發(fā)展, MEMS 技術已經顯示出了巨大的生命力, 此項技術的有效采用將信息系統(tǒng)的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了一個新的高度。在當前技術水平下, 微切削加工技術已經可以生產出具有不同層次的3D微型結構，從而可以生產出體積非常微小的微型傳感器敏感元件。3.2 智能化智能化傳感器主要包括主傳感器、輔助傳感器及微型機的硬件設備等組成部分, 是能夠執(zhí)行信息處理和信息存儲, 而且還能夠進行邏輯思考和結論判斷的傳感器系統(tǒng)。這一類傳感器相當于是

14、微型機與傳感器的綜合體, 將信號處理和控制電路集成到了單個的芯片中, 具有自診斷、多參數(shù)混合測量、誤差補償?shù)忍攸c。3.3 多功能化將若干種敏感元件組裝在同一種材料或單獨一塊芯片上的一體化多功能傳感器具有體積小巧、能對不同種類的參數(shù)進行檢測的特點, 它可以借助于敏感元件中不同的物理結構或化學物質及其各不相同的表征方式, 用單獨一個傳感器系統(tǒng)來同時實現(xiàn)多種傳感器的功能。3.4 開發(fā)新材料開發(fā)新材料是傳感器技術的重要基礎。半導體和陶瓷材料是早期使用的傳感器材料, 現(xiàn)在光導纖維、納米材料、超導材料等新型材料的出現(xiàn)為傳感器的發(fā)展開辟了新天地, 隨著研究的不斷深入, 將會有更多更新的傳感器材料被開發(fā)出來。

15、3.5 開發(fā)新工藝傳感器的功能不僅與其材料有關, 還與其加工技術有關, 加工技術的微精細化在傳感器的生產中占有越來越重要的地位。微機械加工技術是近年來隨著集成電路工藝發(fā)展起來的,它是離子束、電子束、 激光束和化學刻蝕等用于微電子加工的技術, 目前已越來越多地用于傳感器制造工藝。隨著現(xiàn)代制造技術的發(fā)展, 將會有更多的先進制造技術應用到汽車傳感器的制作中。3.6 開發(fā)新型傳感器傳感器的工作原理是基于各種物理、化學、 生物效應和定律, 由此啟發(fā)人們進一步探索具有新效應的敏感功能材料, 并以此研制具有新原理的新型傳感器。這是發(fā)展低成本、高性能、多功能和微型化傳感器的重要途徑。4 結語在今后的汽車業(yè)的競爭中, 汽車電子的作用將是舉足輕重的。而傳感器在汽車電子中所占比重很大, 給傳感器營造了一個較大的市場, 從國際統(tǒng)計資料可看出, 汽車電子是傳感器應用最集中、最具規(guī)模的一類, 也是傳感器創(chuàng)業(yè)發(fā)展最現(xiàn)實, 最具經濟效益的產品。隨著電子技術的發(fā)展和汽車電子控制系統(tǒng)應用的日益廣泛, 汽車傳感器市場需求將增加多功能化、集成化和智能化的傳感器將逐步取代傳統(tǒng)傳感器,