《電子技術(shù)應(yīng)用》
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汽車傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢
摘要: 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(guān)鍵部件,也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。目前,一輛普通家用轎車上大約安裝幾十到近百只傳感器,而豪華轎車上的傳感器數(shù)量可多達(dá)二百余只。據(jù)報道,2000年汽車傳感器的市場為61.7億美元(9.04億件產(chǎn)品),到2005年將達(dá)到84.5億美元(12.68億件),增長率為6.5%(按美元計)和7.0%(按產(chǎn)品件數(shù)計)。
Abstract:
Key words :

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(guān)鍵部件,也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。目前,一輛普通家用轎車上大約安裝幾十到近百只傳感器,而豪華轎車上的傳感器數(shù)量可多達(dá)二百余只。據(jù)報道,2000年汽車傳感器的市場為61.7億美元(9.04億件產(chǎn)品),到2005年將達(dá)到84.5億美元(12.68億件),增長率為6.5%(按美元計)和7.0%(按產(chǎn)品件數(shù)計)。
1.汽車傳感器的應(yīng)用分類
汽車傳感器在汽車上主要用于發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)中。它的應(yīng)用,大大提高了汽車電子化的程度,增加了汽車駕駛的安全系數(shù)。
1.1發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)用傳感器
發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)用傳感器是整個汽車傳感器的核心,種類很多,包括溫度傳感器、壓力傳感器、位置和轉(zhuǎn)速傳感器、流量傳感器、氣體濃度傳感器和爆震傳感器等。這些傳感器向發(fā)動機(jī)的電子控制單元(ECU)提供發(fā)動機(jī)的工作狀況信息,供ECU對發(fā)動機(jī)工作狀況進(jìn)行精確控制,以提高發(fā)動機(jī)的動力性、降低油耗、減少廢氣排放和進(jìn)行故障檢測。
由于發(fā)動機(jī)工作在高溫(發(fā)動機(jī)表面溫度可達(dá)150℃、排氣歧管可達(dá)650℃)、振動(加速度30g)、沖擊(加速度50g)、潮濕(100%RH,-40℃-120℃)以及蒸汽、鹽霧、腐蝕和油泥污染的惡劣環(huán)境中,因此發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)用傳感器耐惡劣環(huán)境的技術(shù)指標(biāo)要比一般工業(yè)用傳感器高1-2個數(shù)量級,其中最關(guān)鍵的是測量精度和可靠性。否則,由傳感器帶來的測量誤差將最終導(dǎo)致發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)難以正常工作或產(chǎn)生故障。
1.溫度傳感器  
溫度傳感器主要用于檢測發(fā)動機(jī)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(diǎn),其應(yīng)用場合也略有區(qū)別。線繞電阻式溫度傳感器的精度高,但響應(yīng)特性差;熱敏電阻式溫度傳感器靈敏度高,響應(yīng)特性較好,但線性差,適應(yīng)溫度較低;熱偶電阻式溫度傳感器的精度高,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(shí)用化的產(chǎn)品有熱敏電阻式溫度傳感器(通用型-50℃~130℃,精度1.5%,響應(yīng)時間10ms;高溫型600℃~1000℃,精度5%,響應(yīng)時間10ms)、鐵氧體式溫度傳感器(ON/OFF型,-40℃~120℃,精度2.0%)、金屬或半導(dǎo)體膜空氣溫度傳感器(-40℃~150℃,精度2.0%、5%,響應(yīng)時間20ms)等。   
2.壓力傳感器   
壓力傳感器主要用于檢測氣缸負(fù)壓、大氣壓、渦輪發(fā)動機(jī)的升壓比、氣缸內(nèi)壓、油壓等。吸氣負(fù)壓式傳感器主要用于吸氣壓、負(fù)壓、油壓檢測。汽車用壓力傳感器應(yīng)用較多的有電容式、壓阻式、差動變壓器式(LVDT)、表面彈性波式(SAW)。  
電容式壓力傳感器主要用于檢測負(fù)壓、液壓、氣壓,測量范圍20~100kPa,具有輸入能量高,動態(tài)響應(yīng)特性好、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn);壓阻式壓力傳感器受溫度影響較大,需要另設(shè)溫度補(bǔ)償電路,但適應(yīng)于大量生產(chǎn);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,能在高溫下穩(wěn)定地工作,是一種較為理想的傳感器。  
3.流量傳感器   
流量傳感器主要用于發(fā)動機(jī)空氣流量和燃料流量的測量。空氣流量的測量用于發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)確定燃燒條件、控制空燃比、起動、點(diǎn)火等。空氣流量傳感器有旋轉(zhuǎn)翼片式(葉片式)、卡門渦旋式、熱線式、熱膜式等四種類型。旋轉(zhuǎn)翼片式(葉片式)空氣流量計結(jié)構(gòu)簡單,測量精度較低,測得的空氣流量需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償;卡門渦旋式空氣流量計無可動部件,反映靈敏,精度較高,也需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償;熱線式空氣流量計測量精度高,無需溫度補(bǔ)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(chǎn),成本低??諝饬髁總鞲衅鞯闹饕夹g(shù)指標(biāo)為:工作范圍0.11~103 立方米/min,工作溫度-40℃~120℃,精度≤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0~60kg/h,工作溫度-40℃~120℃,精度±1%,響應(yīng)時間小于10ms。
4.位置和轉(zhuǎn)速傳感器   
位置和轉(zhuǎn)速傳感器主要用于檢測曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門的開度、車速等。目前汽車使用的位置和轉(zhuǎn)速傳感器主要有交流發(fā)電機(jī)式、磁阻式、霍爾效應(yīng)式、簧片開關(guān)式、光學(xué)式、半導(dǎo)體磁性晶體管式等,其測量范圍0°~360°,精度±0.5°以下,測彎曲角達(dá)±0.1 。
車速傳感器種類繁多,有敏感車輪旋轉(zhuǎn)的、也有敏感動力傳動軸轉(zhuǎn)動的,還有敏感差速從動軸轉(zhuǎn)動的。當(dāng)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0.5~250km/h,重復(fù)精度0.1%,距離測量誤差優(yōu)于0.3%。
5.氣體濃度傳感器   
氣體濃度傳感器主要用于檢測車體內(nèi)氣體和廢氣排放。其中,最主要的是氧傳感器,實(shí)用化的有氧化鋯傳感器(使用溫度-40℃~900℃,精度 1%)、氧化鋯濃差電池型氣體傳感器(使用溫度300℃~800℃)、固體電解質(zhì)式氧化鋯氣體傳感器(使用溫度0℃~400℃,精度0.5%),另外還有二氧化鈦氧傳感器。和氧化鋯傳感器相比,二氧化鈦氧傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、便宜,且抗鉛污染能力強(qiáng)的特點(diǎn)。  
6.爆震傳感器   
爆震傳感器用于檢測發(fā)動機(jī)的振動,通過調(diào)整點(diǎn)火提前角控制和避免發(fā)動機(jī)發(fā)生爆震??梢酝ㄟ^檢測氣缸壓力、發(fā)動機(jī)機(jī)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-40℃~125℃,頻率范圍為5~10kHz;壓電式爆震傳感器在中心頻率5.417kHz處,其靈敏度可達(dá)200mV/g,在振幅為0.1g~10g范圍內(nèi)具有良好線性度。
1.2底盤控制用傳感器
底盤控制用傳感器是指用于變速器控制系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動防抱死系統(tǒng)等底盤控制系統(tǒng)中的傳感器。這些傳感器盡管分布在不同的系統(tǒng)中,但工作原理與發(fā)動機(jī)中相應(yīng)的傳感器是相同的。而且,隨著汽車電子控制系統(tǒng)集成化程度的提高和CAN-BUS技術(shù)的廣泛應(yīng)用,同一傳感器不僅可以給發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)提供信號,也可為底盤控制系統(tǒng)提供信號。   自動變速器系統(tǒng)用傳感器主要有:車速傳感器、加速踏板位置傳感器、加速度傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、水溫傳感器、油溫傳感器等。制動防抱死系統(tǒng)用傳感器主要有:輪速傳感器、車速傳感器;懸架系統(tǒng)用傳感器主要有:車速傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、加速度傳感器、車身高度傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器等;動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用傳感器主要有:車速傳感器、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、油壓傳感器等。
1.3車身控制用傳感器
車身控制用傳感器主要用于提高汽車的安全性、可*性和舒適性等。由于其工作條件不象發(fā)動機(jī)和底盤那么惡劣,一般工業(yè)用傳感器稍加改進(jìn)就可以應(yīng)用。主要有用于自動空調(diào)系統(tǒng)的溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)量傳感器、日照傳感器等;用于安全氣囊系統(tǒng)中的加速度傳感器;用于門鎖控制中的車速傳感器;用于亮度自動控制中的光傳感器;用于倒車控制中的超聲波傳感器或激光傳感器;用于保持車距的距離傳感器;用于消除駕駛員盲區(qū)的圖象傳感器等。
1.4導(dǎo)航系統(tǒng)用傳感器
隨著基于GPS/GIS(全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng))的導(dǎo)航系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用,導(dǎo)航用傳感器這幾年得到迅速發(fā)展。導(dǎo)航系統(tǒng)用傳感器主要有:確定汽車行駛方向的羅盤傳感器、陀螺儀和車速傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器等。
2.汽車傳感器的發(fā)展趨勢
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需求,世界各國對其理論研究、新材料應(yīng)用和新產(chǎn)品開發(fā)都都非常重視。未來的汽車用傳感器技術(shù),總的發(fā)展趨勢是微型化、多功能化、集成化和智能化。  
微型傳感器基于從半導(dǎo)體集成電路技術(shù)發(fā)展而來的MEMS (微電子機(jī)械系統(tǒng)),微型傳感器利用微機(jī)械加工技術(shù)將微米級的敏感元件、信號處理器、數(shù)據(jù)處理裝置封裝在一快芯片上,由于具有體積小、價格便宜、便于集成等特點(diǎn),可以明顯提高系統(tǒng)測試精度。目前該技術(shù)日漸成熟,可以制作各種能敏感和檢測力學(xué)量、磁學(xué)量、熱學(xué)量、化學(xué)量和生物量的微型傳感器。由于基于MEMS技術(shù)的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(jī)電技術(shù)的傳感器。  
多功能化是指一個傳感器能檢測2個或者兩個以上的特性參數(shù)或者化學(xué)參數(shù),從而減少汽車傳感器數(shù)量,提高系統(tǒng)可靠性。  
集成化是指利用IC制造技術(shù)和精細(xì)加工技術(shù)制作IC式傳感器。
智能化是指傳感器與大規(guī)模集成電路相結(jié)合,帶有CPU,具有智能作用,以減少ECU的復(fù)雜程度,減少其體積,并降低成本。   
總之,隨著電子技術(shù)的發(fā)展和汽車電子控制系統(tǒng)應(yīng)用的日益廣泛,汽車傳感器市場需求將保持高速增長,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。

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