光電傳感器在汽車技術中的應用畢業(yè)論文

1、光電傳感器在汽車技術中的應用Photoelectric sensor in automotive technology and Application摘要: 光電傳感器是把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后，借助光電元件把光信號轉換成電信號來實現(xiàn)控制。如光電開關、光感電阻、光感二極管、光電池、光纖等。光電式傳感器在檢測和控制領域中應用非常廣泛，它是采用光電元件作為檢測元件的傳感器，具有反應快、精度高、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，結構簡單，形式靈活多樣。本文列舉了光電傳感器技術在一些領域里的應用。并闡述了當前傳感器技術的發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。關鍵詞：光電效應 光電器件 常見故障 檢測控制 發(fā)

2、展趨勢Photoelectric sensors in automotive applicationAbstract： A photoelectric sensor is measured change is converted into optical signal changes, and then, with the aid of photoelectric element to convert optical signals into electrical signals to control. Such as a photoelectric switch, light resista

3、nce, light diode, light battery, such as fiber. Photoelectric sensor in test and control field is widely used, it is used as a photoelectric element detection sensor, a quick reaction, high precision, non-contact and other advantages, and can measure many parameters, and has the advantages of simple

4、 structure, flexible and diverse forms. This article lists the photoelectric sensor technology in some fields of application. Elaborated the current sensor technology development status and trend of development.Keywords：Photoelectric effect Optoelectronic devices Common fault Detection and control D

5、evelopment trend 目 錄緒 論9汽車作為現(xiàn)代人類社會的交通工具，汽車在人類社會的政治、經(jīng)濟、社會生活各個領域已占據(jù)相當重要的地位，為人類經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步做出了巨大的貢獻，汽車已成為人類文明與進步的象征和標志之一。對汽車的安全、環(huán)保與節(jié)能現(xiàn)已成為人們最為關心的問題，汽車上的各種傳感器為此做出了重大的貢獻。傳感器位于動力總成系統(tǒng)的前端。傳感器用來測量物理參數(shù)，如水溫、空氣壓力以及發(fā)動機曲軸的轉動速度。這些數(shù)據(jù)非常關鍵，它們?yōu)殚]環(huán)控制系統(tǒng)提供了關鍵信息。除了溫度傳感、壓力傳感和霍爾傳感器以外，微機械技術還帶來了嶄新的加速和偏向角速度傳感器，同時還允許利用標準晶圓制造工藝集成信號

6、處理電路和數(shù)字化電路。這樣就能更有效保證汽車的安全性。第1章 傳感器的工作原理9第1章 傳感器的工作原理10傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號?；瘜W傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現(xiàn)象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。向傳感器提供±15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生400Hz的方波，經(jīng)過TDA2030功率放大器即產(chǎn)生交流激磁功率電源，通過能源環(huán)形變壓器T1從靜止的初級線圈傳遞至旋轉的次級線圈，得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到

7、77;5V的直流電源，該電源做運算放大器AD822的工作電源；由基準電源AD589與雙運放AD822組成的高精度穩(wěn)壓電源產(chǎn)生±4.5V的精密直流電源，該電源既作為電橋電源，又作為放大器及V/F轉換器的工作電源。當彈性軸受扭時，應變橋檢測得到的mV級的應變信號通過儀表放大器AD620放大成1.5v±1v的強信號，再通過V/F轉換器LM131變換成頻率信號，通過信號環(huán)形變壓器T2從旋轉的初級線圈傳遞至靜止次級線圈，再經(jīng)過外殼上的信號處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號，該信號為TTL電平,既可提供給專用二次儀表或頻率計顯示也可直接送計算機處理。由于該旋轉

8、變壓器動-靜環(huán)之間只有零點幾毫米的間隙，加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內(nèi)，形成有效的屏蔽，因此具有很強的抗干擾能力。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類。第2章 光電傳感器10第2章 光電傳感器112.1 光電傳感器的概念112.2 光電式傳感器內(nèi)容112.3 光電式傳感器的分類12光電元件有光敏電阻、光電二極管、光電三極管、發(fā)光二極管（LED）、光電倍增管、光電池、光電耦合器件等。由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件（光學測控系統(tǒng)）輸出量性質(zhì)，光電式傳感器可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖式光電傳感器；模擬式光電傳感器按被測量（檢測目

9、標物體）方法又可分為透射式、漫反射式遮光式三大類。第3章 光電傳感器在汽車控制技術中的應用12第3章 光電傳感器在汽車控制技術中的應用133.1 光電式車高傳感器133.2 光電式轉向傳感器143.3 光電式光量傳感器15第4章 汽車傳感器未來的發(fā)展方向17結 論19參考文獻20致 謝21緒 論汽車作為現(xiàn)代人類社會的交通工具，汽車在人類社會的政治、經(jīng)濟、社會生活各個領域已占據(jù)相當重要的地位，為人類經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步做出了巨大的貢獻，汽車已成為人類文明與進步的象征和標志之一。對汽車的安全、環(huán)保與節(jié)能現(xiàn)已成為人們最為關心的問題，汽車上的各種傳感器為此做出了重大的貢獻。傳感器位于動力總成系統(tǒng)的前

10、端。傳感器用來測量物理參數(shù)，如水溫、空氣壓力以及發(fā)動機曲軸的轉動速度。這些數(shù)據(jù)非常關鍵，它們?yōu)殚]環(huán)控制系統(tǒng)提供了關鍵信息。除了溫度傳感、壓力傳感和霍爾傳感器以外，微機械技術還帶來了嶄新的加速和偏向角速度傳感器，同時還允許利用標準晶圓制造工藝集成信號處理電路和數(shù)字化電路。這樣就能更有效保證汽車的安全性。第1章 傳感器的工作原理傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號?；瘜W傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現(xiàn)象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。向傳感器提供

11、7;15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生400Hz的方波，經(jīng)過TDA2030功率放大器即產(chǎn)生交流激磁功率電源，通過能源環(huán)形變壓器T1從靜止的初級線圈傳遞至旋轉的次級線圈，得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到±5V的直流電源，該電源做運算放大器AD822的工作電源；由基準電源AD589與雙運放AD822組成的高精度穩(wěn)壓電源產(chǎn)生±4.5V的精密直流電源，該電源既作為電橋電源，又作為放大器及V/F轉換器的工作電源。當彈性軸受扭時，應變橋檢測得到的mV級的應變信號通過儀表放大器AD620放大成1.5v±1v的強信號，再通過V/F轉換器LM131變換成頻率信號，通過信

12、號環(huán)形變壓器T2從旋轉的初級線圈傳遞至靜止次級線圈，再經(jīng)過外殼上的信號處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號，該信號為TTL電平,既可提供給專用二次儀表或頻率計顯示也可直接送計算機處理。由于該旋轉變壓器動-靜環(huán)之間只有零點幾毫米的間隙，加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內(nèi)，形成有效的屏蔽，因此具有很強的抗干擾能力。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類。第2章 光電傳感器2.1 光電傳感器的概念光電式傳感器是將被測量的變化轉換成光信號的變化，再通過光電器件把光信號的變化轉換成電信號的一種傳感器。2.2 光電式傳感器內(nèi)容光電式傳感器的內(nèi)容是：光電傳感器的工作基礎

13、是光電效應。由光通量對光電元件作用的不同原理所制成光學測控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件輸出量性質(zhì)可分為兩類，即模擬式光電傳感器和脈沖式光電傳感器，前者是將被測量轉換成連續(xù)變化的光電流，它與被測量問呈單值關系。按被測量方法可分為透射式、漫反射式、遮光式三類：（1）光敏二極管透射式。被測物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物，部分被吸收后，透射光投射到光電元件上；（2）漫反射式。恒光源發(fā)出的光投射到被測物上，再從被測物體表面反射后投射到光電元件上；（3）遮光式。 當光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物遮擋其中一部分，使投射到光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測物體在光路位置相關。最常見的光傳感器，不

14、同于一般二極管的是其管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，為增加射入光線的受光面積，PN結的面積做得較大。光敏二極管工作在反向偏置的狀態(tài)下，并與負載電阻相串聯(lián)。當無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很小，稱為光敏二極管的暗電流；當有光照時，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱為光電載流子。在外電場的作用下，光電載流子參于導電，形成的比暗電流大得多的反向電流，稱為光電流。光電流的大小與光照強度成正比，在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。光敏三級管的外型與一般三極管相差不大，通常只引出兩個極-發(fā)射極和集電極，基

15、極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時集電結反偏，發(fā)射結正偏。在無光照時管子流過的電流為暗電流，(很小)，比一般三極管的穿透電流還小；當有光照時，激發(fā)大量的電子-空穴對，使得基極產(chǎn)生的電流增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流公式為，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。2.3 光電式傳感器的分類光電元件有光敏電阻、光電二極管、光電三極管、發(fā)光二極管（LED）、光電倍增管、光電池、光電耦合器件等。由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件（光學測控系統(tǒng)）輸出量性質(zhì)，光電式傳

16、感器可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖式光電傳感器；模擬式光電傳感器按被測量（檢測目標物體）方法又可分為透射式、漫反射式遮光式三大類。第3章 光電傳感器在汽車控制技術中的應用3.1 光電式車高傳感器主動懸架系統(tǒng)能夠根據(jù)車身高度、車速、轉向角度及速率、制動等信號，由電控單元ECU控制懸架的執(zhí)行機構，使懸架的剛度、減振器的阻尼力及車身高度等參數(shù)改變，使汽車具有良好的乘坐舒適性和操作穩(wěn)定性。在主動懸架系統(tǒng)中車高和轉向傳感器是兩個重要部件，目前現(xiàn)代轎車上應用最多的是光電式車高和轉向傳感器。如圖3-1所示圖3-1 光電式車高傳感器為車高自動調(diào)整控制系統(tǒng)。車高傳感器可根據(jù)乘員和貨物的增減，把車高變化（懸架

17、形變量的變化）轉換成傳感器軸的旋轉，并檢測出旋轉角度，將其轉換為電信號輸入電控單元ECU，ECU通過有關執(zhí)行元件，根據(jù)汽車載荷的大小，來自動調(diào)整車身的高度。車高傳感器可作為車高控制系統(tǒng)的車高檢出器，也可作為電子控制的惡劣道路檢出器使用。車高傳感器的結構有一靠連桿帶動旋轉的軸，在軸上裝有一個開有許多槽的盤形遮光板，在遮光板的兩側裝有4組光電元件（由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成），當連桿帶動軸旋轉時，光電元件之間時而透光，時而被遮光板遮上，使電路接通（ON）或斷開（OFF）。在主動懸架系統(tǒng)中，一般安裝使用三個車高傳感器，左、右前輪各安裝一個，后橋中部安裝一個，也有的左、右、前、后輪各安裝一個。為車身

18、高度傳感器的安裝位置及工作狀態(tài)。拉緊螺栓的上端與傳感器的連桿鉸鏈，下端與后懸架臂相連。當車身上下振動時，拉緊螺栓帶動連桿使傳感器的軸左右旋轉，光電耦合件把旋轉信號轉換成車高信號輸出。拆下拉緊螺栓，擰松拉緊螺栓的鎖緊螺母，旋轉拉緊螺栓的螺旋插頭，可以改變拉緊螺栓的長度，從而可以調(diào)整車身高度的設定值。車高調(diào)整裝置的控制原理，利用光電元件接通或斷開的組合，就可把車高的變化范圍分為多個區(qū)域進行檢測。3.2 光電式轉向傳感器光電式轉向傳感器安裝在轉向軸管上，它用于檢測轉向盤的中間位置、轉動方向、轉動角度和轉動速度。在電子控制懸架中，電子控制裝置根據(jù)車速傳感器信號和轉向傳感器信號，判斷汽車轉向時側向力的大

19、小，以控制車身的側傾。轉向盤轉向傳感器用于檢測汽車轉向輪的偏轉角度及偏轉方向。在豐田轎車上裝用的電子控制懸架系統(tǒng)上應用的光電式轉向傳感器，其結構如圖7所示。轉向（控制）圓盤安裝在軸上，加在盤的兩側的是兩組光電元件（發(fā)光二極管及光敏晶體管組成），光電元件套在轉向柱管上。盤的周圍開有許多均勻的槽，隨著轉向主軸的旋轉，圓盤也隨著旋轉，通過等間隔配列的開縫口，使光電元件之間的光間斷開閉，由此可檢出旋轉角度。如圖3-2所示如圖3-2 光電式轉向傳感器光電式轉向傳感器的電路，光敏晶體管在遮光盤的作用下，或者導通，或者截止。根據(jù)晶體管導通、截止的速度，就可以檢測出轉向器的角速度。此外，晶體管Tr1與Tr2之

20、間的導通與截止，相位差90°，根據(jù)先導通的脈沖信號（波形下降），可檢測出轉向器的旋轉方向，而且，圖中的光敏晶體管在轉向圓盤的作用下導通或截止，根據(jù)其導通或截止的速度，就可檢測出轉向器的速度。如圖3-3所示如圖3-3 轉向盤3.3 光電式光量傳感器光電式光量傳感器用硫化鎘（CdS）作為半導體元件，當光線照射硫化鎘（CdS）時，電阻值隨之變化，能把周圍光照的變化轉換為電阻值的變化，以電信號的形式輸入控制器。目前在汽車上用于各種燈具亮、熄的自動控制。光電式光量傳感器在汽車燈控制上的應用。燈光控制器安裝在儀表板的上方，到傍晚時，它使尾燈點亮，當天色變得更暗時，前照燈被點亮。當對方來車時，還具

21、有變光功能，這些都是自動完成的。3.4 光電式車速傳感器光電式車速傳感器用于數(shù)字式速度表，由發(fā)光二極管、光敏晶體管以及安裝在速度表驅(qū)動軸上的遮光板構成。車速表顯示分辨率為1km/h時，當顯示車速超過101km/h時，速度判斷回路輸出報警信號，點亮速度警告信號燈；當顯示的車速超過105km/h時，蜂鳴器就會鳴叫。如圖3-4所示如圖3-4所示如圖3-4所示光電式車速傳感器在數(shù)字式車速報警系統(tǒng)中的應用，數(shù)字式車速表主要由熒光管、電控單元、集成電路IC等構成。如圖3-5所示，車速傳感器輸出的脈沖信號傳入到車速表，通過熒光顯屏顯示車速，并把其信號輸入到里程表、燃油表、溫度表等。數(shù)字式車速表的安裝位置。光

22、電式車速傳感器產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)整形后輸入到計數(shù)電路中，在記憶電路中被記憶下來。定時電路輸出信號決定著計數(shù)電路的計測時間和記憶時間，記憶電路中的輸出信號加到顯示電路上，熒光管根據(jù)光電式車速傳感器輸出的脈沖數(shù)顯示車速。如圖3-6所示如圖3-5 數(shù)字車速表位置圖形如圖3-6 車速表電路框圖第4章 汽車傳感器未來的發(fā)展方向未來的汽車傳感器技術的發(fā)展趨勢是微型化、多功能化、集成化和智能化。 20世紀末期，設計技術、材料技術，特別是Meant (微電子機械系統(tǒng))技術的發(fā)展使微型傳感器提高到了一個新的水平，利用微電子機械加工技術將微米級的敏感元件、信號處理器、數(shù)據(jù)處理裝置封裝在同一芯片上，它具有體積小、價格

23、便宜、可靠性高等特點，并且可以明顯提高系統(tǒng)測試精度。目前采用Memes技術可以制作檢測力學量、磁學量、熱學量、化學量和生物量的微型傳感器。由于Memes微型傳感器在降低汽車電子系統(tǒng)成本及提高其性能方面的優(yōu)勢，它們已開始逐步取代基于傳統(tǒng)機電技術的傳感器。Memes傳感器將成為世界汽車電子的重要構成部分。 汽車傳感器和電子系統(tǒng)向著采用Memes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)上達到了一個新的里程碑。 兩個公司共同開發(fā)有源磁場傳感器的前瞻性技術,產(chǎn)品應用在汽車廠家生產(chǎn)的最新的轎

24、車上。Continental Treves公司用這種磁阻式轉速傳感器制作了輪速傳感器, 用于ABS系統(tǒng),防滑系統(tǒng)等。 Memes傳感器成本低、可靠性好、尺寸小，可以集成在新的系統(tǒng)中,工作時間達到幾百萬個小時。Memes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：輪速旋轉傳感器, 胎壓傳感器, 制冷壓力傳感器, 發(fā)動機油壓傳感器, 剎車壓力傳感器和偏離速率傳感器等等。 在今后的5-7年Memes器件將大量應用到汽車系統(tǒng)中。 隨著微電子技術的發(fā)展和電子控制系統(tǒng)在汽車上的應用迅速增加，汽車傳感器市場需求將保持高速增長，以Memes技術為基礎

25、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。 21世紀初期（2010前后），敏感元件與傳感器發(fā)展的總趨勢是小型化、集成化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化。傳感器領域的主要技術將在現(xiàn)有基礎上予以延伸和提高，并加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。 微機械加工技術（MEMT）和微米/納米技術將得到高速發(fā)展，將成為21世紀傳感器領域中帶有革命變化的高新技術。采用MEMT制作的MEMS產(chǎn)品（微傳感器和微系統(tǒng)），具有劃時代的微小體積、低成本、高可靠等獨特的優(yōu)點，預計由微傳感器、微執(zhí)行器以及信號和數(shù)據(jù)處理裝置總裝集成的微系統(tǒng)將進入商業(yè)市場。 隨著新型敏感材料的加速開發(fā)，微電

26、子、光電子、生物化學、信息處理等各學科、各種新技術的互相滲透和綜合利用，可望研制出一批新穎、先進的傳感器。如：新一代光纖傳感器、超導傳感器、焦平面陣列紅列探測器、生物傳感器、診斷傳感器、智能傳感器、基因傳感器以及模糊傳感器等。 硅傳感器的研究、生產(chǎn)和應用將成為主流，半導體工業(yè)將更加有力地帶動傳感器的設計手日工藝制造技術；而微處理器和計算機將進一步帶動新一代智能傳感器和網(wǎng)絡傳感器的數(shù)據(jù)管理和采集。 敏感元件與傳感器的更新?lián)Q代周期將越來越短，其應用領域?qū)⒌玫酵卣?，二次傳感器和傳感器系統(tǒng)的應用將大幅度增長，廉價傳感器的比例將增大，必將促進世界傳感器市場的迅速發(fā)展。 高科技在傳感技術中的應用比例更加增大。傳感技術涉及多學科的交叉，它的設計需要多學科綜合理論分析，常規(guī)方法已難于滿足，CAD技術將得到廣泛應用。如：國外在90年代初就研究出了用于硅壓力傳感器設計的MEMS CAD軟件，大型有限元分析軟件ANSYS，包含了力、熱、聲、流體、電、磁等分析模塊，在MEMS器件的設計和模擬方面取得了成功。 傳感器產(chǎn)業(yè)將進一步向著生產(chǎn)規(guī)?；?、專業(yè)化和自動化方向發(fā)展。工業(yè)化大生產(chǎn)的平面工藝技術將