傳感器在汽車中應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
發(fā)布時(shí)間：2017-08-07瀏覽次數(shù)：1174返回列表
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，汽車電子化程度不斷提高，傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)已經(jīng)難以解決某些與汽車功能要求有關(guān)的問題，因而將逐步被電子控制系統(tǒng)代替。傳感器作為汽車電控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其優(yōu)劣直接影響到系統(tǒng)的性能。目前，普通汽車上大約裝有幾十到近百只傳感器，豪華轎車上則更多，這些傳感器主要分布在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)和車身控制系統(tǒng)中。
1 發(fā)動(dòng)機(jī)控制用傳感器
發(fā)動(dòng)機(jī)用傳感器有很多種，其中包括溫度傳感器、壓力傳感器、旋轉(zhuǎn)傳感器、流量傳感器、位置傳感器、濃度傳感器、爆震傳感器等。這類傳感器是整個(gè)車用傳感器的核心，利用它們可提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、降低油耗、減少?gòu)U氣、反映故障等，由于其工作在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、汽油蒸汽、污泥、水花等惡劣環(huán)境中，因此它們的耐惡劣環(huán)境技術(shù)指標(biāo)要高于一般的傳感器。它們的性能指標(biāo)要求有很多種，其中關(guān)鍵的是測(cè)量精度與可靠性，否則由傳感器檢測(cè)帶來的誤差終將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)失靈或產(chǎn)生故障。
爆震傳感器
爆震傳感器檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況下的爆震或燃燒噪聲以避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作失常。
(1) 溫度傳感器：主要檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度，吸入氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度、催化溫度等，將它們轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，從而控制噴油嘴針閥開啟時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間，以保證供給發(fā)動(dòng)機(jī)佳混合氣并達(dá)到排氣凈化效果等。實(shí)際應(yīng)用的溫度傳感器主要有線繞電阻式、熱敏電阻式和熱電偶式。線繞電阻式溫度傳感器的精度較高，但響應(yīng)特性差；熱敏式傳感器靈敏度高，響應(yīng)特性較好，但線性差，適用溫度較低；熱電偶式傳感器的精度高，測(cè)溫范圍寬，但需考慮放大器和冷端處理問題。
(2) 壓力傳感器：主要檢測(cè)氣缸負(fù)壓，從而控制點(diǎn)火和燃料噴射；檢測(cè)大氣壓，從而控制爬坡時(shí)空燃比；檢測(cè)氣缸內(nèi)壓，從而控制點(diǎn)火提前角；檢測(cè)廢氣再循環(huán)流量、發(fā)動(dòng)機(jī)油壓、制動(dòng)器油壓、輪胎空氣壓力等等，并對(duì)相關(guān)量作出反應(yīng)。車用壓力傳感器目前已有若干種，應(yīng)用較多的有電容器式、壓阻式、差動(dòng)變壓器式(LVDT )、表面彈性波式(SAW )。電容器式傳感器具有輸入能量高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)；壓阻式受溫度影響大，需另設(shè)溫度補(bǔ)償電路，但適用于大量生產(chǎn)；LVDT 式有較大輸出，易于數(shù)字輸出，但抗振性較差；SAW 式具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、可靠性強(qiáng)、靈敏度高、分辨率高、數(shù)字量輸出等特點(diǎn)，是一種較為理想的傳感器。
(3) 旋轉(zhuǎn)傳感器：主要用于檢測(cè)曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、風(fēng)門開度、車速等，從而控制點(diǎn)火提前角、燃油配量和噴射時(shí)間等，產(chǎn)品主要有發(fā)電機(jī)式、磁阻式、霍爾效應(yīng)式、光學(xué)式、振動(dòng)式等。
(4) 氧傳感器：檢測(cè)排氣中空燃比，向供油系統(tǒng)發(fā)出負(fù)反饋信號(hào)，以修正噴油脈沖，使空燃比調(diào)整到理論值，以達(dá)到理想的排氣凈化效果，常用的是氧化鋯和氧化鈦傳感器。
(5) 流量傳感器：測(cè)定進(jìn)氣量和燃油流量以控制空燃比。主要有空氣流量傳感器和燃料流量傳感器?？諝饬髁總鞲衅鳈z測(cè)進(jìn)入的空氣量從而控制電子噴油器噴油量，以得到較準(zhǔn)確的空燃比，實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品主要有卡爾曼旋渦式、葉片式、熱線式。卡爾曼式無可動(dòng)部件，反應(yīng)靈敏，精度較高；熱線式易受吸入氣體脈動(dòng)影響，且易斷絲；燃料流量傳感器用于檢測(cè)燃料流速，以計(jì)算汽車燃油消耗量，產(chǎn)品主要有水車式、球循環(huán)式。
(6) 爆震傳感器：檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，并根據(jù)檢測(cè)到的爆震信號(hào)適當(dāng)調(diào)整點(diǎn)火時(shí)刻，主要產(chǎn)品有磁致伸縮式和壓電式。
2 底盤控制用傳感器
底盤控制用傳感器是指分布在變速器控制系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、防抱制動(dòng)系統(tǒng)中的傳感器，它們?cè)诓煌到y(tǒng)中作用不同，但工作原理與發(fā)動(dòng)機(jī)中傳感器是相同的，主要有以下幾種形式傳感器。
(1) 變速器控制用傳感器：主要有車速傳感器、加速度傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、離合器傳感器、水溫傳感器、油溫傳感器等。這些傳感器檢測(cè)所獲得的信息經(jīng)處理使電控裝置控制換檔點(diǎn)和變矩器鎖止，實(shí)現(xiàn)大動(dòng)力和大燃油經(jīng)濟(jì)性。
(2) 懸架系統(tǒng)控制用傳感器：主要有車速傳感器、節(jié)流閥開度傳感器、加速度傳感器、車身高度傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器等。系統(tǒng)根據(jù)這些傳感器檢測(cè)到的信息自動(dòng)調(diào)整車高，抑制車輛姿勢(shì)的變化等，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛舒適性、操縱穩(wěn)定性和行車穩(wěn)定性的控制。
(3) 動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用傳感器：主要有車速傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器等，利用這些傳感器使動(dòng)力轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向操縱輕便、提高響應(yīng)特性、減少發(fā)動(dòng)機(jī)損耗、增大輸出功率、節(jié)省燃油等。
( 4) 防抱制動(dòng)傳感器主要是利用車輪角速度傳感器，檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速，在各車輪的滑移率為20% 時(shí)控制制動(dòng)油壓、改善制動(dòng)性能，確保車輛操縱性和穩(wěn)定性。
3 車身控制用傳感器
采用這類傳感器的主要目的是提高汽車安全性、可靠性、舒適性等，其耐惡劣環(huán)境技術(shù)要求不如發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤用傳感器那么嚴(yán)格，一般工業(yè)用傳感器稍加改進(jìn)即可應(yīng)用。主要有應(yīng)用于自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)中的多種溫度傳感器、風(fēng)量傳感器、日照傳感器等，制動(dòng)門鎖系統(tǒng)中的車速傳感器，安全氣囊系統(tǒng)中的加速度傳感器，亮度自控中光傳感器，死角報(bào)警系統(tǒng)中的超聲波傳感器，圖像傳感器等。
4 車用傳感器研究開發(fā)趨勢(shì)
由于傳感器在電控系統(tǒng)中的重要性，所以從某種意義上說，汽車的競(jìng)爭(zhēng)即是傳感器的競(jìng)爭(zhēng)，各國(guó)對(duì)其理論研究、新材料應(yīng)用、產(chǎn)品開發(fā)都非常重視。金剛石的耐熱性好、熱穩(wěn)定高，在真空中1 200℃以上其表面才開始出現(xiàn)炭化，在大氣中也要600℃以上才開始炭化，利用這一特性，制作適用于高溫的熱敏傳感器，從常溫到600℃范圍內(nèi)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)與控制，并且適用在高溫且有腐蝕氣體的惡劣環(huán)境下使用，性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)中的高溫測(cè)量。此外金剛石在高溫下形變率很高，利用這一特性可制作高溫環(huán)境下使用的振動(dòng)傳感器和加速度傳感器。與其它材料振動(dòng)膜相結(jié)合可作為高溫、耐腐蝕、靈敏度高的壓力傳感器，用于振動(dòng)檢測(cè)以及發(fā)動(dòng)機(jī)、氣缸壓力等測(cè)量。
光導(dǎo)纖維型傳感器由于其抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高、重量輕、體積小、適于遙測(cè)等特點(diǎn)正受到人們的普遍重視。目前已有不少成熟的產(chǎn)品問世，如光纖轉(zhuǎn)矩傳感器，以及溫度、振動(dòng)、壓力、流量等傳感器。
在開發(fā)利用新材料同時(shí)，由于微電子技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，傳感器正朝著微型化、多功能化、智能 化方向發(fā)展。微型化傳感器利用微機(jī)械加工技術(shù)將微米級(jí)的敏感元件、信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)處理裝置集成封裝在一塊芯片上。由于其體積小、價(jià)格、便于集成等特點(diǎn)，可以提高系統(tǒng)測(cè)試精度，例如把微型壓力傳感器和微型溫度傳感器集成在一起，同時(shí)測(cè)出壓力和溫度，便可通過芯片內(nèi)運(yùn)算消去壓力測(cè)量中的溫度影響。目前已有不少微型傳感器面世，如壓力傳感器、加速度計(jì)、用于防撞的硅加速度計(jì)等。據(jù)說在汽車輪胎內(nèi)嵌入微型壓力傳感器可以保持適當(dāng)充氣，避免充氣過量或不足，從而可節(jié)約燃油10%。多功能化的特性使得傳感器能夠同時(shí)檢測(cè)2 個(gè)或2 個(gè)以上的特性參數(shù)。而智能傳感器由于帶有專用計(jì)算機(jī)，因而具有智能特點(diǎn)。
此外，傳感器響應(yīng)時(shí)間、輸出與計(jì)算機(jī)的接口等問題也是重要的研究課題。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，車用傳感器的技術(shù)必將趨于完善。
1 發(fā)動(dòng)機(jī)控制用傳感器
發(fā)動(dòng)機(jī)用傳感器有很多種，其中包括溫度傳感器、壓力傳感器、旋轉(zhuǎn)傳感器、流量傳感器、位置傳感器、濃度傳感器、爆震傳感器等。這類傳感器是整個(gè)車用傳感器的核心，利用它們可提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、降低油耗、減少?gòu)U氣、反映故障等，由于其工作在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、汽油蒸汽、污泥、水花等惡劣環(huán)境中，因此它們的耐惡劣環(huán)境技術(shù)指標(biāo)要高于一般的傳感器。它們的性能指標(biāo)要求有很多種，其中關(guān)鍵的是測(cè)量精度與可靠性，否則由傳感器檢測(cè)帶來的誤差終將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)失靈或產(chǎn)生故障。
爆震傳感器
爆震傳感器檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況下的爆震或燃燒噪聲以避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作失常。
(1) 溫度傳感器：主要檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度，吸入氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度、催化溫度等，將它們轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，從而控制噴油嘴針閥開啟時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間，以保證供給發(fā)動(dòng)機(jī)佳混合氣并達(dá)到排氣凈化效果等。實(shí)際應(yīng)用的溫度傳感器主要有線繞電阻式、熱敏電阻式和熱電偶式。線繞電阻式溫度傳感器的精度較高，但響應(yīng)特性差；熱敏式傳感器靈敏度高，響應(yīng)特性較好，但線性差，適用溫度較低；熱電偶式傳感器的精度高，測(cè)溫范圍寬，但需考慮放大器和冷端處理問題。
(2) 壓力傳感器：主要檢測(cè)氣缸負(fù)壓，從而控制點(diǎn)火和燃料噴射；檢測(cè)大氣壓，從而控制爬坡時(shí)空燃比；檢測(cè)氣缸內(nèi)壓，從而控制點(diǎn)火提前角；檢測(cè)廢氣再循環(huán)流量、發(fā)動(dòng)機(jī)油壓、制動(dòng)器油壓、輪胎空氣壓力等等，并對(duì)相關(guān)量作出反應(yīng)。車用壓力傳感器目前已有若干種，應(yīng)用較多的有電容器式、壓阻式、差動(dòng)變壓器式(LVDT )、表面彈性波式(SAW )。電容器式傳感器具有輸入能量高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)；壓阻式受溫度影響大，需另設(shè)溫度補(bǔ)償電路，但適用于大量生產(chǎn)；LVDT 式有較大輸出，易于數(shù)字輸出，但抗振性較差；SAW 式具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、可靠性強(qiáng)、靈敏度高、分辨率高、數(shù)字量輸出等特點(diǎn)，是一種較為理想的傳感器。
(3) 旋轉(zhuǎn)傳感器：主要用于檢測(cè)曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、風(fēng)門開度、車速等，從而控制點(diǎn)火提前角、燃油配量和噴射時(shí)間等，產(chǎn)品主要有發(fā)電機(jī)式、磁阻式、霍爾效應(yīng)式、光學(xué)式、振動(dòng)式等。
(4) 氧傳感器：檢測(cè)排氣中空燃比，向供油系統(tǒng)發(fā)出負(fù)反饋信號(hào)，以修正噴油脈沖，使空燃比調(diào)整到理論值，以達(dá)到理想的排氣凈化效果，常用的是氧化鋯和氧化鈦傳感器。
(5) 流量傳感器：測(cè)定進(jìn)氣量和燃油流量以控制空燃比。主要有空氣流量傳感器和燃料流量傳感器?？諝饬髁總鞲衅鳈z測(cè)進(jìn)入的空氣量從而控制電子噴油器噴油量，以得到較準(zhǔn)確的空燃比，實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品主要有卡爾曼旋渦式、葉片式、熱線式。卡爾曼式無可動(dòng)部件，反應(yīng)靈敏，精度較高；熱線式易受吸入氣體脈動(dòng)影響，且易斷絲；燃料流量傳感器用于檢測(cè)燃料流速，以計(jì)算汽車燃油消耗量，產(chǎn)品主要有水車式、球循環(huán)式。
(6) 爆震傳感器：檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，并根據(jù)檢測(cè)到的爆震信號(hào)適當(dāng)調(diào)整點(diǎn)火時(shí)刻，主要產(chǎn)品有磁致伸縮式和壓電式。
2 底盤控制用傳感器
底盤控制用傳感器是指分布在變速器控制系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、防抱制動(dòng)系統(tǒng)中的傳感器，它們?cè)诓煌到y(tǒng)中作用不同，但工作原理與發(fā)動(dòng)機(jī)中傳感器是相同的，主要有以下幾種形式傳感器。
(1) 變速器控制用傳感器：主要有車速傳感器、加速度傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、離合器傳感器、水溫傳感器、油溫傳感器等。這些傳感器檢測(cè)所獲得的信息經(jīng)處理使電控裝置控制換檔點(diǎn)和變矩器鎖止，實(shí)現(xiàn)大動(dòng)力和大燃油經(jīng)濟(jì)性。
(2) 懸架系統(tǒng)控制用傳感器：主要有車速傳感器、節(jié)流閥開度傳感器、加速度傳感器、車身高度傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器等。系統(tǒng)根據(jù)這些傳感器檢測(cè)到的信息自動(dòng)調(diào)整車高，抑制車輛姿勢(shì)的變化等，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛舒適性、操縱穩(wěn)定性和行車穩(wěn)定性的控制。
(3) 動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用傳感器：主要有車速傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器等，利用這些傳感器使動(dòng)力轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向操縱輕便、提高響應(yīng)特性、減少發(fā)動(dòng)機(jī)損耗、增大輸出功率、節(jié)省燃油等。
( 4) 防抱制動(dòng)傳感器主要是利用車輪角速度傳感器，檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速，在各車輪的滑移率為20% 時(shí)控制制動(dòng)油壓、改善制動(dòng)性能，確保車輛操縱性和穩(wěn)定性。
3 車身控制用傳感器
采用這類傳感器的主要目的是提高汽車安全性、可靠性、舒適性等，其耐惡劣環(huán)境技術(shù)要求不如發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤用傳感器那么嚴(yán)格，一般工業(yè)用傳感器稍加改進(jìn)即可應(yīng)用。主要有應(yīng)用于自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)中的多種溫度傳感器、風(fēng)量傳感器、日照傳感器等，制動(dòng)門鎖系統(tǒng)中的車速傳感器，安全氣囊系統(tǒng)中的加速度傳感器，亮度自控中光傳感器，死角報(bào)警系統(tǒng)中的超聲波傳感器，圖像傳感器等。
4 車用傳感器研究開發(fā)趨勢(shì)
由于傳感器在電控系統(tǒng)中的重要性，所以從某種意義上說，汽車的競(jìng)爭(zhēng)即是傳感器的競(jìng)爭(zhēng)，各國(guó)對(duì)其理論研究、新材料應(yīng)用、產(chǎn)品開發(fā)都非常重視。金剛石的耐熱性好、熱穩(wěn)定高，在真空中1 200℃以上其表面才開始出現(xiàn)炭化，在大氣中也要600℃以上才開始炭化，利用這一特性，制作適用于高溫的熱敏傳感器，從常溫到600℃范圍內(nèi)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)與控制，并且適用在高溫且有腐蝕氣體的惡劣環(huán)境下使用，性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)中的高溫測(cè)量。此外金剛石在高溫下形變率很高，利用這一特性可制作高溫環(huán)境下使用的振動(dòng)傳感器和加速度傳感器。與其它材料振動(dòng)膜相結(jié)合可作為高溫、耐腐蝕、靈敏度高的壓力傳感器，用于振動(dòng)檢測(cè)以及發(fā)動(dòng)機(jī)、氣缸壓力等測(cè)量。
光導(dǎo)纖維型傳感器由于其抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高、重量輕、體積小、適于遙測(cè)等特點(diǎn)正受到人們的普遍重視。目前已有不少成熟的產(chǎn)品問世，如光纖轉(zhuǎn)矩傳感器，以及溫度、振動(dòng)、壓力、流量等傳感器。
在開發(fā)利用新材料同時(shí)，由于微電子技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，傳感器正朝著微型化、多功能化、智能 化方向發(fā)展。微型化傳感器利用微機(jī)械加工技術(shù)將微米級(jí)的敏感元件、信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)處理裝置集成封裝在一塊芯片上。由于其體積小、價(jià)格、便于集成等特點(diǎn)，可以提高系統(tǒng)測(cè)試精度，例如把微型壓力傳感器和微型溫度傳感器集成在一起，同時(shí)測(cè)出壓力和溫度，便可通過芯片內(nèi)運(yùn)算消去壓力測(cè)量中的溫度影響。目前已有不少微型傳感器面世，如壓力傳感器、加速度計(jì)、用于防撞的硅加速度計(jì)等。據(jù)說在汽車輪胎內(nèi)嵌入微型壓力傳感器可以保持適當(dāng)充氣，避免充氣過量或不足，從而可節(jié)約燃油10%。多功能化的特性使得傳感器能夠同時(shí)檢測(cè)2 個(gè)或2 個(gè)以上的特性參數(shù)。而智能傳感器由于帶有專用計(jì)算機(jī)，因而具有智能特點(diǎn)。
此外，傳感器響應(yīng)時(shí)間、輸出與計(jì)算機(jī)的接口等問題也是重要的研究課題。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，車用傳感器的技術(shù)必將趨于完善。
