傳感器在汽車上的應(yīng)用及發(fā)展(共9頁)

1、傳感器在汽車上的應(yīng)用(yngyng)及發(fā)展1 前言隨著現(xiàn)代(xindi)電子技術(shù)的發(fā)展，汽車的電子化程度越來越高，特別是電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用，使汽車的使用性能得到了明顯改善和提高。但是，由于人們對(duì)現(xiàn)代汽車安全、舒適、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及自動(dòng)化程度等性能要求的逐步提高，使得汽車必須能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各部位進(jìn)行精密的自動(dòng)控制，而實(shí)現(xiàn)精密控制的第一信號(hào)源就是各種各樣的傳感器。汽車傳感器作為汽車電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部件，其使用數(shù)量和技術(shù)性能的好壞，直接影響汽車電子控制系統(tǒng)的工作狀況。普通汽車上大約安裝幾十只傳感器，而高級(jí)豪華轎車上的傳感器數(shù)量可達(dá)200多只，這些傳感器主要分布在汽車各大系

2、統(tǒng)(xtng)中。汽車電子化越發(fā)達(dá)，智能化程度越高，對(duì)傳感器的依賴性也就越大，因此，傳感器是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。2 車用傳感器的作用及性能要求傳感器是一種能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。它可把物理量、電量和化學(xué)量等信息變換成計(jì)算機(jī)能夠理解的電信號(hào)，這種變換包括能量形式的變換，所以也稱為換能器。汽車傳感器是安裝于汽車上，用來感測(cè)行車過程中外在變化的傳感器。汽車傳感器是汽車計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入裝置，它把汽車運(yùn)行中各種工況的信息，如車速、各種介質(zhì)的溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況等，轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸給計(jì)算機(jī)，使汽車處于最佳工作狀態(tài)。傳感器的精

3、度及可靠性對(duì)汽車而言是非常重要的兩個(gè)參數(shù)，一般說來，車用傳感器性能主要有以下要求：（1）精度要求高對(duì)于車用傳感器的精度要求1%或1%以下，要求在-40+120C 的范圍內(nèi)能長期工作， 耐振動(dòng)為1502000Hz，耐沖擊能達(dá)到從1m高處落在混凝土上而不引起精度的下降，并能抗電磁干擾、耐腐蝕。（2）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)汽車的使用環(huán)境非常惡劣，有來自發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱、振動(dòng)、汽油或柴油的蒸氣，以及輪胎的污泥、飛濺的水花，可概括為溫度、濕度等氣候條件，振動(dòng)沖擊等機(jī)械條件，電源、電磁干擾等電氣條件，或簡(jiǎn)單地歸納為溫度、濕度、振動(dòng)等物理環(huán)境，過壓電磁波等電氣環(huán)境。不同的環(huán)境，對(duì)傳感器提出不同的要求。（3）穩(wěn)定性好汽車

4、的交通事故和人的生命息息相關(guān)，因此車用傳感器有高可靠性要求，另外，國家對(duì)汽車排氣成分，如在CO、NOx 等成分的含量方面有嚴(yán)格規(guī)定，在正常情況下符合標(biāo)準(zhǔn)，而且還要求完成了規(guī)定行駛距離以后，仍然能達(dá)到排氣標(biāo)準(zhǔn)。3 車用傳感器的應(yīng)用車用傳感器所檢測(cè)的信息包括車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及駕駛操縱、車輛控制、運(yùn)動(dòng)環(huán)境、異常狀態(tài)監(jiān)控等所需信息。汽車電子控制系統(tǒng)上應(yīng)用了多種傳感器，在這些傳感器的共同作用下，汽車電子控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、行駛安全、信息傳輸?shù)冗M(jìn)行集中控制。3.1 MEMS 傳感器在汽車(qch)上的應(yīng)用MEMS 是在集成電路生產(chǎn)技術(shù)和專用的微機(jī)電加工方法的基礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來的高新科技，其研究開發(fā)主要集

5、中在微傳感器、微執(zhí)行器和微系統(tǒng)三個(gè)方面，用此技術(shù)研制的五花八門的微傳感器具有(jyu)體積小、質(zhì)量輕、響應(yīng)快、靈敏度高、易生產(chǎn)、成本低的優(yōu)勢(shì)，可以測(cè)量各種物理量、化學(xué)量及生物量。在高檔汽車中，大約采用25至40只MEMS傳感器，技術(shù)上日趨成熟完善，可滿足汽車環(huán)境苛刻(kk)、可靠性高、精度準(zhǔn)確、成本低的要求，極大地推動(dòng)了電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用。壓力傳感器最流行的汽車 MEMS壓力傳感器采用壓阻式力敏原理，用單晶硅作材料，以MEMS技術(shù)在材料中間制作成力敏膜片，然后在膜片上擴(kuò)散雜質(zhì)形成4只應(yīng)變電阻，再以惠斯頓電橋方式將應(yīng)變電阻連接成電路，來獲得高靈敏度，其輸出大多為05V模擬量，測(cè)量范圍取決于力

6、敏膜片的厚度，一枚晶片上可同時(shí)制作許多個(gè)力敏芯片，易于批量生產(chǎn)，力敏芯片受溫度影響性能采用調(diào)理電路補(bǔ)償。可用于測(cè)量進(jìn)氣歧管壓、大氣壓、油壓、輪胎氣壓等，表1示出一些主要用途。表1 汽車壓力傳感器用途(2) 微加速度計(jì)微加速度計(jì)通常由一個(gè)平行的懸臂梁構(gòu)成，梁的一端固定在邊框架上，另一端懸掛一個(gè)小質(zhì)量物體塊（約10mg），無加速度時(shí)質(zhì)量塊不運(yùn)動(dòng)，而當(dāng)有垂直方向加速度時(shí)，質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)，對(duì)加速度敏感，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)C/V轉(zhuǎn)變、放大相敏解調(diào)輸出。按檢測(cè)方式，微加速度計(jì)有壓阻式、電容式、隧道式、共振式、熱形式等幾種。電容式微加速度計(jì)的靈敏度高、噪音低、漂移小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在汽車安全氣囊系統(tǒng)和防滑系統(tǒng)獲得廣

7、泛應(yīng)用，電容式微加速度計(jì)質(zhì)量塊在有加速度時(shí)向下運(yùn)動(dòng)，與邊框上的另一個(gè)電極的距離發(fā)生變化，通過檢測(cè)電容的變化可獲得質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)的位移，主要結(jié)構(gòu)分為懸臂擺片式和梳齒狀的折疊梁式，并變異成其它類型。前者結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單些，制作上也多采用體硅加工方法，簡(jiǎn)單的擺片式結(jié)構(gòu)由上、下固定電極和可動(dòng)敏感硅懸臂梁電極組成，用半導(dǎo)體平面工藝各向異性腐蝕，靜電封接技術(shù)封裝完成制作。后者可看作是懸臂梁的并、串組合，設(shè)計(jì)上要復(fù)雜得多，微加工方法則以表面犧牲層技術(shù)為主，多晶硅材料的各向同性性質(zhì)可保證微機(jī)械性能的對(duì)稱性，批量加工精度高，采用這種結(jié)構(gòu)的敏感部分尺寸做得很小，實(shí)現(xiàn)與外圍電路的單片集成。(3) 微機(jī)械(jxi)陀螺微機(jī)械

8、陀螺是一種振動(dòng)(zhndng)式角速率傳感器，在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)倍受關(guān)注，主要用于汽車導(dǎo)航的GPS 信號(hào)(xnho)補(bǔ)償和汽車底盤控制系統(tǒng)。微機(jī)械陀螺中有兩個(gè)振動(dòng)模式，一個(gè)是橫向振動(dòng)模式，即驅(qū)動(dòng)振動(dòng)模式，通常稱為參考振動(dòng)，在科氏力作用下會(huì)產(chǎn)生附加運(yùn)動(dòng)；另一個(gè)是法向振動(dòng)模式，即敏感振動(dòng)模式，對(duì)反映科氏力的附加運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)，獲得包含在科氏力中的角速率信息。按所用材料，微機(jī)械陀螺分為石英和硅振動(dòng)梁兩類，石英材料結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)Q值最高，陀螺特性最好，但石英加工難度大，成本很高。硅材料結(jié)構(gòu)完整，彈性好，比較容易得到高Q值的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，成為當(dāng)前低成本研發(fā)的主流。從硅微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)上，常采用振梁結(jié)構(gòu)、雙框

9、架結(jié)構(gòu)、平面對(duì)稱結(jié)構(gòu)、橫向音叉結(jié)構(gòu)、梳狀音叉結(jié)構(gòu)、梁島結(jié)構(gòu)等，用來產(chǎn)生參考振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式有靜電驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)和電磁驅(qū)動(dòng)等，而檢測(cè)由于科氏力帶來的附加振動(dòng)的檢測(cè)方式有電容檢測(cè)、壓電檢測(cè)、壓阻檢測(cè)。靜電驅(qū)動(dòng)、電容檢測(cè)的陀螺設(shè)計(jì)最為常見，已有部分產(chǎn)品研制成功。3.2 側(cè)向傾斜角度傳感器在汽車上的應(yīng)用汽車側(cè)向傾斜角度傳感器的應(yīng)用是防止汽車在行駛中發(fā)生傾翻事故的一種有效方法，是提高汽車安全性的重要措施，特別是越野車、雙層客車等重心較高的汽車更有必要。利用重力原理制造的角度傳感器如圖1所示。擺動(dòng)部分的質(zhì)量為m，重心距轉(zhuǎn)軸的距離為L，當(dāng)汽車車體傾斜或做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，均能使擺動(dòng)部分偏轉(zhuǎn)。設(shè)圖1中的受力分析是無任

10、何摩擦的理想狀態(tài)下，力F為下滑力F1和向心力F2共同作用的結(jié)果，力F與傾翻力成正比，所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角度也就與傾翻力成正比。擺動(dòng)部分所受重力G與F的合力T是擺桿所受拉力，擺動(dòng)角度=tg-1(F/G)，與L 無關(guān)，當(dāng)質(zhì)量m一定時(shí)，只與F有關(guān)，且成正比。實(shí)際上，由于存在轉(zhuǎn)軸等處的摩擦，則L越長，擺動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，精度越高。圖1 角度傳感器角度傳感器在控制系統(tǒng)中通常(tngchng)作為采樣元件，其性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著重要作用。電位器式角度傳感器已在各種控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，但它的缺點(diǎn)是存在觸點(diǎn)的滑動(dòng)磨損和電噪聲；磁敏電阻式角度傳感器是利用半導(dǎo)體技術(shù)制造的新型純電阻性元件，特點(diǎn)是無觸點(diǎn)，當(dāng)擺動(dòng)部分偏轉(zhuǎn)時(shí)，

11、通過磁敏電阻的磁通量發(fā)生變化，使磁敏電阻的阻值發(fā)生數(shù)倍以上的變化，從根本上消除了電噪聲，并使精度得以提高。各種( zhn)角度傳感器都具有阻尼功能，使得對(duì)所測(cè)得角度的響應(yīng)有一個(gè)短暫的延時(shí)，對(duì)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)來講是有益處的。3.3 車用雨量傳感器的應(yīng)用雨量傳感器通過自動(dòng)檢測(cè)降雨的強(qiáng)度，利用先進(jìn)的光學(xué)傳感技術(shù)、模擬信號(hào)處理技術(shù)、模式識(shí)別、預(yù)測(cè)控制算法，實(shí)時(shí)檢測(cè)、分析、判斷、控制刮水系統(tǒng)在合適的模式下工作。車用雨量傳感器檢測(cè)雨量的方法有電容式、紅外散射式。如圖2、圖3所示。正常天氣情況下，電容式傳感器有一固定的電容值，當(dāng)有雨下到電容的柵極之間時(shí)，改變了電容的介電常數(shù)從而改變電容值，以

12、此判斷雨量的大小。紅外散射式是目前產(chǎn)品化雨量傳感器的主要工作方式，傳感器自身發(fā)出紅外光線透過玻璃入射到玻璃外表面，當(dāng)有雨時(shí)，雨滴對(duì)光產(chǎn)生散射，從玻璃射回傳感器接收端的光線變?nèi)?，從而判斷是否下雨、雨量大小。圖2 電容式雨量傳感器 圖3 紅外散射雨量傳感器紅外散射式雨量傳感器工作原理如圖4所示,紅外散射式雨量傳感器分成了幾個(gè)不同的部分,光學(xué)元件（Optical Element）通過硅膠墊粘貼在前擋風(fēng)玻璃的內(nèi)側(cè),通常在內(nèi)視鏡支架座的下方。發(fā)射管、接收管在雨量傳感器的PCB板上，雨量傳感器通過機(jī)械鎖止機(jī)構(gòu)固定在光學(xué)元件上。通常,光學(xué)元件、傳感器、內(nèi)視鏡支架會(huì)由一裝飾蓋整個(gè)包住，從乘客艙內(nèi)看不出任何區(qū)別

13、，在視覺上不會(huì)對(duì)駕駛員造成任何影響。由圖4可以看出，光學(xué)元件的導(dǎo)光面為一拋物面，這樣如果發(fā)射管、接收管均放置在拋物面的焦點(diǎn)上的話，則通過光學(xué)元件入射到擋風(fēng)玻璃上的光線可以認(rèn)為是平行光線。圖4 紅外散射式雨量傳感器工作(gngzu)原理雨量傳感器為相對(duì)量測(cè)量，在玻璃外表面干燥的情況下，認(rèn)為發(fā)射管發(fā)出的光平行入射到擋風(fēng)玻璃上后被100反射回來，通過光學(xué)元件匯聚后由接收管接收。在前擋風(fēng)玻璃外表面干燥的情況下，首先對(duì)傳感器進(jìn)行初始化，由此可以得出在固定發(fā)射電流情況下接收的光強(qiáng)度。在這種情況下，光的強(qiáng)度通常比較高。當(dāng)擋風(fēng)玻璃外表面有雨滴時(shí)，入射到擋風(fēng)玻璃上的光線被部分散射掉，反射后接收管的光線變少，雨量

14、越大則反射回來的光線越少。通過與擋風(fēng)玻璃干燥情況下接收光強(qiáng)的比較，就可以得出目前擋風(fēng)玻璃上水滴的大小、多少，進(jìn)而可以判斷出不同的下雨模式，發(fā)出刮水請(qǐng)求至車身控制器BCM或者(huzh)獨(dú)立的控制器，控制刮水器完成間歇刮水、低速連續(xù)刮水以及高速連續(xù)刮水。3.4 氧傳感器在汽車(qch)上的應(yīng)用針對(duì)越來越嚴(yán)重的汽車尾氣污染問題，汽車用氧傳感器作為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制燃油噴射技術(shù)的關(guān)鍵零部件之一起到舉足輕重的作用。目前, 汽車用氧傳感器主要包括濃差電池型ZrO2 傳感器、極限型ZrO2傳感器、半導(dǎo)體型TiO2傳感器。濃差型ZrO2氧傳感器濃差型氧傳感器是基于固體電解質(zhì)兩邊氧分壓的差異而產(chǎn)生濃差電勢(shì),

15、濃差電勢(shì)大小利用能斯脫公式可得式中E為傳感器濃差電勢(shì)(V)；R為氣體常數(shù)( 8. 314 J/ (mol*K) )；T為工作溫度(K)；F為法拉第常數(shù)； po2 ( = 1 * ROMAN I)為氣體參比氧分壓值; po2( = 2 * ROMAN II)為氣體被測(cè)氧分壓值。若參比氣體為空氣(即氧分壓為已知)，工作溫度T = 973 K 時(shí), 則有濃差式ZrO2氧傳感器是比較成熟的產(chǎn)品(chnpn)，已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域, 特別(tbi)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比三元催化系統(tǒng)。對(duì)于汽車用濃差式ZrO2氧傳感器其結(jié)構(gòu)一般由產(chǎn)生(chnshng)濃差電勢(shì)ZrO2電解質(zhì)管、內(nèi)外電極層、以及防止ZrO2管

16、損壞的不銹鋼套筒組成，如圖5所示。圖5 汽車用濃差式ZrO2氧傳感器結(jié)構(gòu)示意圖ZrO2管的內(nèi)外表面均涂覆有一層金屬鉑。鉑既可以作為電極又具有催化作用。CO+1/2O2CO2就靠這種作用，當(dāng)空燃比接近理論值時(shí)，鉑的表面從O2為過剩的狀態(tài)變化為零的狀態(tài)。電解質(zhì)兩邊氧濃度之比急劇變化, 濃差電勢(shì)也急劇變化。特性如圖6所示。圖6 濃差式氧傳感器的輸出特性極限型ZrO2氧傳感器極限型極限型ZrO2氧傳感器是近年來研究開發(fā)很活躍的一種新型氧傳感器。用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制的稀薄燃燒系統(tǒng)中的ZrO2極限式氧傳感器已見報(bào)道。它的結(jié)構(gòu)和ZrO2濃差式氧傳感器的結(jié)構(gòu)相似。其差異處為: 用一帶孔的陶瓷帽( 或擴(kuò)散層

17、) 罩住泵電池的陰極, 氣體要通過小孔從環(huán)境中擴(kuò)散到陰極, 由于空隙足夠小, 氧氣在孔中的擴(kuò)散成為極限電流的控制步驟，如圖7所示。圖7 氧化鋯極限(jxin)式氧傳感器結(jié)構(gòu)這種傳感器是在ZrO2固體電解質(zhì)施加適當(dāng)(shdng)電壓時(shí), 與待測(cè)氣體(qt)有小孔相連的小室內(nèi)氧形成氧離子(O2+ ) 被抽到另一側(cè), 這時(shí)在電極電路中有電流通過。增大電壓, 流經(jīng)回路的電流隨之增大, 待電壓超過某一數(shù)值時(shí), 電流不再增大而達(dá)到極限值, 該極限電流的大小與繼續(xù)增加的電壓無關(guān), 而與被測(cè)環(huán)境中氧分壓成正比, 并且該極限電流值I1完全取決于氧向小室擴(kuò)散的速率。式中DO2為氧氣的擴(kuò)散系數(shù); S為小孔截面積；L

18、為小孔長度; po2為待測(cè)氧分壓; F為法拉第常數(shù); T為工作溫度(K) ; R 為氣體常數(shù)( 8. 314 J/ (mol *K) )，V-I1關(guān)系見圖8。圖8 氧化鋯極限式氧化傳感器在不同氧氣分壓下的V-I1圖半導(dǎo)體型TiO2傳感器半導(dǎo)體型TiO2傳感器的工作原理，是基于外界大氣中氧分壓的變化會(huì)引起氧化物半導(dǎo)體表面的氧化或還原而引起氧化物半導(dǎo)體電阻的變化，即式中Rt為TiO2氧傳感器電阻的變化；A為常數(shù)；E為活化能，與晶格缺陷的形成有關(guān)； T為溫度；K為Boltzman常數(shù)；po2為待測(cè)氧分壓。用于汽車控制的TiO2氧傳感器其結(jié)構(gòu)如圖9所示。圖9 TiO2氧傳感器的結(jié)構(gòu)(jigu)在陶瓷(

19、toc)絕緣體的前端設(shè)置TiO2元件(yunjin)，TiO2氧傳感器阻抗特性如圖10所示。圖10 TiO2氧傳感器的阻抗特性4 車用傳感器的發(fā)展趨勢(shì)由于汽車傳感器在汽車電子控制系統(tǒng)中的重要作用和快速增長的市場(chǎng)需求，世界各國對(duì)其理論研究、新材料應(yīng)用和新產(chǎn)品開發(fā)都非常重視。利用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)技術(shù)可以設(shè)計(jì)出低成本、高性能的微型傳感器。智能化傳感器能夠執(zhí)行信息處理和信息存儲(chǔ)，而且還能夠進(jìn)行邏輯思考和結(jié)論判斷的傳感器系統(tǒng)，具有自診斷、多參數(shù)混合測(cè)量、誤差補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)。多功能化是指將若干種敏感元件組裝在同一種材料或單獨(dú)一塊芯片上的一體化傳感器，并且體積小巧、能檢測(cè)兩個(gè)或兩個(gè)以

20、上的特性參數(shù)或者化學(xué)參數(shù)，提高系統(tǒng)可靠性。開發(fā)新材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，現(xiàn)在光導(dǎo)纖維、納米材料、超導(dǎo)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(huì)有更多更新的傳感器材料被開發(fā)出來。傳感器的功能不僅與其材料有關(guān)，還與其加工技術(shù)有關(guān)，微機(jī)械加工技術(shù)已越來越多地用于傳感器制造工藝。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)有更多的先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用到汽車傳感器的制作中。傳感器的工作原理是基于各種物理、化學(xué)、生物效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)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。在今后的汽車業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中，汽車電子產(chǎn)品的作用將是舉足輕重的，汽車傳感器市場(chǎng)將繼續(xù)保持高速增長的態(tài)勢(shì)。以MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）技術(shù)為基礎(chǔ)的微型化、多功能化、集成化、智能化和低成本化的新型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。 參考文獻(xiàn)1 李剛.傳感器在汽車(qch)電子技術(shù)中的應(yīng)用J.農(nóng)業(yè)裝備與車輛(chling)工程，2010（8）：40-42.2 P.T.WHELAN, W.E.BORBIDGE. “Interpretation of the output signal from a zirconia oxygen sensor operating under applied current,