汽車壓力傳感器

1、汽車壓力傳感器及其發(fā)展趨勢(shì)于新龍摘要：詳細(xì)介紹了汽車上所使用的傳感器種類，特別是所用到的壓力傳感器及其用途。介紹了幾個(gè)廣泛使用的汽車壓力傳感器和幾個(gè)新型壓力傳感器。最后預(yù)測(cè)汽車傳感器的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：汽車；壓力傳感器；發(fā)展方向。Abstract：This paper introduced some types of sensors used on vehicles, especially the pressure sensors and their application on vehicles. Then a brief introduction of some widely used a

2、nd new types of pressure sensors are given. In the end, the future development trends are predicted.Key words:vehicle; pressure sensor; development trends.1. 汽車傳感器概述現(xiàn)代汽車技術(shù)發(fā)展特征之一就是越來越多的部件采用電子控制。隨著汽車電子技術(shù)設(shè)備的不斷更新，各種用途的傳感器越來越多地出現(xiàn)在汽車上，特別是計(jì)算機(jī)在汽車上的應(yīng)用，更加確定了傳感器在汽車電子設(shè)備中的重要地位。車用傳感器是促進(jìn)汽車高檔化、電子化、自動(dòng)化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前一般

3、普通汽車裝有幾十個(gè)到近百個(gè)傳感器，高級(jí)豪華汽車大約使用200300 個(gè)傳感器。電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步促進(jìn)了汽車工業(yè)的發(fā)展，利用先進(jìn)的車用傳感器技術(shù)充當(dāng)汽車電子及自動(dòng)控制技術(shù)的“眼睛”，是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。在種類繁多的傳感器中，常見的有： 進(jìn)氣壓力傳感器：反映進(jìn)氣歧管內(nèi)的絕對(duì)壓力大小的變化，是向ECU（發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元）提供計(jì)算噴油持續(xù)時(shí)間的基準(zhǔn)信號(hào)； 空氣流量計(jì)：測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的空氣量，提供給ECU作為噴油時(shí)間的基準(zhǔn)信號(hào)；節(jié)氣門位置傳感器：測(cè)量節(jié)氣門打開的角度，提供給ECU作為斷油、控制燃油/空氣比、點(diǎn)火提前角修正的基準(zhǔn)信號(hào)； 曲軸位置傳感器：檢測(cè)曲軸及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，提供給ECU作

4、為確定點(diǎn)火正時(shí)及工作順序的基準(zhǔn)信號(hào)； 氧傳感器：檢測(cè)排氣中的氧濃度，提供給ECU作為控制燃油/空氣比在最佳值附近的的基準(zhǔn)信號(hào)； 進(jìn)氣溫度傳感器：檢測(cè)進(jìn)氣溫度，提供給ECU作為計(jì)算空氣密度的依據(jù)； 冷卻液溫度傳感器：檢測(cè)冷卻液的溫度，向ECU提供發(fā)動(dòng)機(jī)溫度信息； 爆震傳感器：安裝在缸體上專門檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的爆燃狀況，提供給ECU根據(jù)信號(hào)調(diào)整點(diǎn)火提前角。 這些傳感器主要應(yīng)用在變速器、方向器、懸架和ABS上。 汽車傳感器中使用量較多、發(fā)展得最快的是壓力傳感器。汽車中使用壓力傳感器主要在以下幾個(gè)方面：1. 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力升壓比監(jiān)控傳感器;2. 燃料噴射壓力的監(jiān)控傳感器;3. 油壓監(jiān)視傳感器;4. 變速器

5、油壓控制傳感器;5. 制動(dòng)系統(tǒng)防止車輪抱死的制動(dòng)壓力傳感器;6. 用于海拔高度測(cè)量,以使實(shí)施最佳燃料噴射點(diǎn)火控制的大氣壓力傳感器;7. 懸架裝置的控制用油壓傳感器(汽車高度、減震力彈性系數(shù)的測(cè)控) ;8. 動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置的油壓控制;9. 發(fā)動(dòng)機(jī)液壓傳感器;10. 輪胎欠壓報(bào)警;11. 發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中直接測(cè)量燃燒壓力的微壓力傳感器;12. 旅客人身安全保護(hù)氣囊用壓力傳感器;13. 汽缸內(nèi)壓力檢測(cè)的動(dòng)態(tài)壓力傳感器。各種傳感器雖然作用不盡相同，但有共同的工作特性：1. 特性穩(wěn)定、可靠性高;2. 適宜批量生產(chǎn)、成本低;3. 體積小、重量輕、安裝和更換方便;4. 耐高溫和低溫特性佳;5. 抗振動(dòng)、沖擊和

6、加速度能力強(qiáng);6. 耐塵埃、沖洗和潮濕能力強(qiáng);7. 即使有(616) V 的電壓變化,也能正常工作;8. 具有強(qiáng)抗腐蝕、耐老化能力、抗電磁干擾能力。2. 幾種類型的壓力傳感器2.1應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式傳感器的工作原理基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體在外界作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。通過電阻值的變化與輸出電信號(hào)變化的關(guān)系計(jì)算出應(yīng)變的大小，進(jìn)而計(jì)算出所求壓力。應(yīng)變式壓力傳感器主要用來測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力，如動(dòng)力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道的壓力等。應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。圖2.1所示為膜片式壓力傳感器, 應(yīng)變片貼在膜片內(nèi)壁,

7、在壓力p作用下, 膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變r(jià)和切向應(yīng)變t, 表達(dá)式分別為:圖2.1 膜片式壓力傳感器 （a）應(yīng)變變化圖 （b）應(yīng)變片粘貼式中: p膜片上均勻分布的壓力; R, h膜片的半徑和厚度; x離圓心的徑向距離。由應(yīng)力分布圖可知, 膜片彈性元件承受壓力p時(shí), 其應(yīng)變變化曲線的特點(diǎn)為: 當(dāng)x=0時(shí), rmax=tmax；當(dāng)x = R時(shí), t= 0, r=-2rmax。 根據(jù)以上特點(diǎn), 一般在平膜片圓心處切向粘貼R1、R4兩個(gè)應(yīng)變片, 在邊緣處沿徑向粘貼R2、R3兩個(gè)應(yīng)變片, 然后接成全橋測(cè)量電路。2.2 電容式壓力傳感器由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器, 如果不考慮邊緣效應(yīng), 其電容

8、量為：式中： 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù), =0·r, 其中0為真空介電常數(shù), r為極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù); A兩平行板所覆蓋的面積; d兩平行板之間的距離。 式中A，d或發(fā)生變化時(shí), 電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變, 而僅改變其中一個(gè)參數(shù), 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化, 通過測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此, 電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。圖2.2所示為差動(dòng)電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。圖中所示為一個(gè)膜片動(dòng)電極和兩個(gè)在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成的差動(dòng)電容器。 圖2.2 差動(dòng)電容式壓力傳感器當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并使之產(chǎn)生位移時(shí),

9、 形成的兩個(gè)電容器的電容量,一個(gè)增大, 一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。計(jì)算后可得到相應(yīng)的壓力或壓力差。電容式壓力傳感器主要用于檢測(cè)負(fù)壓、液壓、氣壓，測(cè)量范圍20100kPa，具有輸入能量高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)。2.3 壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器的壓力敏感元件是壓阻元件, 它是基于壓阻效應(yīng)工作的。 所謂壓阻元件實(shí)際上就是指在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻, 當(dāng)它受外力作用時(shí), 其阻值由于電阻率的變化而改變。圖2.3是壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。 在一塊圓形的單晶硅膜片上, 布置四個(gè)擴(kuò)散電阻, 組成一個(gè)全橋測(cè)

10、量電路。膜片用一個(gè)圓形硅杯固定, 將兩個(gè)氣腔隔開。一端接被測(cè)壓力, 另一端接參考?jí)毫Α．?dāng)存在壓差時(shí), 膜片產(chǎn)生變形, 使兩對(duì)電阻的阻值發(fā)生變化, 電橋失去平衡, 其輸出電壓反映膜片承受的壓差的大小。圖2.3 壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小, 結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單, 動(dòng)態(tài)響應(yīng)也好, 靈敏度高, 能測(cè)出十幾帕斯卡的微壓, 它是一種比較理想, 目前發(fā)展和應(yīng)用較為迅速的一種壓力傳感器。這種傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響, 從而影響壓阻系數(shù)的大小。 現(xiàn)在出現(xiàn)的智能壓阻壓力傳感器利用微處理器對(duì)非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償,它利用大規(guī)模集成電路技術(shù), 將傳感器與計(jì)算機(jī)集成在同一塊硅片上, 兼有信

11、號(hào)檢測(cè)、處理、記憶等功能, 從而大大提高傳感器的穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確度。 壓阻式壓力傳感器具有信號(hào)調(diào)制、自校、非線性和溫漂、信號(hào)輸出的功能，全溫度范圍內(nèi)達(dá)到高精度，幾乎達(dá)到了產(chǎn)品完全互換的程度，適應(yīng)于大量生產(chǎn)。壓阻式壓力傳感器廣范用于汽車中流體壓力、差壓、液位等的測(cè)量。除此之外還有差動(dòng)變壓器式壓力傳感器（LVDT）、表面彈性波式壓力傳感器（SAW）, 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(zhì)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(diǎn)，用于汽車吸氣閥壓力檢測(cè)，能在高溫下穩(wěn)定地工作，是一種較為理想的傳感器。 3. 未來汽車傳感器發(fā)展

12、趨勢(shì)未來的汽車傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是微型化、多功能化、集成化和智能化。 隨著設(shè)計(jì)技術(shù)、材料技術(shù)，特別是Mems (微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)的發(fā)展，微型傳感器提高到了一個(gè)新的水平，利用微電子機(jī)械加工技術(shù)將微米級(jí)的敏感元件、信號(hào)處理器、數(shù)據(jù)處理裝置封裝在同一芯片上，它具有體積小、價(jià)格便宜、可靠性高等特點(diǎn)，并且可以明顯提高系統(tǒng)測(cè)試精度。汽車傳感器和電子系統(tǒng)向著采用Mems傳感器的方向發(fā)展。Philips Electronics公司和Continental Treves公司10年銷售1億只用于汽車ABS系統(tǒng)的傳感器芯片, 生產(chǎn)上達(dá)到了一個(gè)新的里程碑。 兩個(gè)公司共同開發(fā)有源磁場(chǎng)傳感器的前瞻性技術(shù),產(chǎn)品應(yīng)用在

13、汽車廠家生產(chǎn)的最新的轎車上。Continental Teves公司用這種磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器制作了輪速傳感器, 用于ABS系統(tǒng),防滑系統(tǒng)等。Mems傳感器成本低、可靠性好、尺寸小，可以集成在新的系統(tǒng)中,工作時(shí)間達(dá)到幾百萬個(gè)小時(shí)。Mems器件最早的是絕壓傳感器（Map）和氣囊加速度傳感器。目前，正在研發(fā)和小批量生產(chǎn)的MEMS/MST產(chǎn)品有：輪速旋轉(zhuǎn)傳感器, 胎壓傳感器, 制冷壓力傳感器, 發(fā)動(dòng)機(jī)油壓傳感器, 剎車壓力傳感器和偏離速率傳感器等等。 在今后的5-7年Mems器件將大量應(yīng)用到汽車系統(tǒng)中。 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和電子控制系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用迅速增加，汽車傳感器市場(chǎng)需求將保持高速增長(zhǎng)，以Mems技術(shù)為基礎(chǔ)的微型化、多功能化、集成化和智能化的傳感器將逐步取代傳統(tǒng)的傳感器，成為汽車傳感器的主流。多功能化是指一個(gè)傳感器能檢測(cè)2個(gè)或者兩個(gè)以上的特性參