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摘要: 随着电子技术的发展,现代汽车正朝着高档智能化、电子信息自动化的机电一体化产品方向发展。汽车传感器作为汽车电子控制系统的关键部件,是现代汽车发展的主导与核心。随着汽车工业与电子工业的不断发展,汽车传感器将成为汽车电子产品市场中最有需求力的产品。
关键词: 汽车 传感器 汽车电子 控制系统
现代汽车正朝着高档智能化、电子信息自动化的机电一体化产品方向发展,汽车传感器作为汽车电子控制系统的关键部件,是现代汽车发展的主导与核心,尤其伴随着汽车电子技术的飞速发展,低成本、智能、集成多功能的微型新型传感器将逐步取代传统的传感器,成为现代“电子汽车”发展的助推剂。
汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源,是汽车电子控制系统的关键部件,已在汽车设计与制造的发展中起主要角色作用。这一作用随着汽车功能,如稳定性控制、安全性控制和电子油门控制等技术领域研究内容的增多而愈来愈大。
目前,一般汽车装配有几十到近百个传感器,高级豪华汽车更是有大约几百乃至上千个传感器。而且随着汽车制造业的发展,一辆普通轿车安装的传感器数量和种类都将越来越繁多。这些形形色色的传感器坚守于汽车的各个关键部位,承担起汽车自身检测和诊断的重要责任,将汽车时时刻刻的温度、压力、速度及湿度等信息传达到汽车的神经中枢即中央控制系统中,从而将汽车故障消于未形,因此,有人形象地将传感器形容为汽车的敏感神经未梢。
当前,常用的汽车传感器主要表现在发动机控制系统、底盘控制系统、车身控制系统和导航系统中。它的应用大大提高了汽车电子化的程度,增加了汽车驾驶的安全系数。其作用就是对汽车温度、压力、位置、转速、加速度和振动等各种信息进行实时、准确的测量和控制。常用的有温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、加速度传感器、距离传感器 、陀螺仪和车速传感器、方向盘转角传感器等。
一、汽车发动机控制用传感器
发动机的电子控制一直被认为是MEMS技术在汽车中的主要应用于领域之一。发动机控制系统用传感器是整个汽车传感器的核心,种类很多,包括温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体浓度传感器和爆震传感器等。这些传感器向发动机的电子控制单元(ECU)提供发动机的工作状况信息,供电子控制单元(ECU)对发动机工作状况进行精确控制,以提高发动机的动力性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测。由于其工作在发动机振动、汽油蒸气、污泥和泥水等恶劣环境中,因此它们耐恶劣环境技术指标要高于一般的传感器。对于它们的性能指标要求最关键的是测量精度与可靠性。
1.温度传感器
汽车用温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却温度、燃油温度、机油温度以及催化温度等。温度传感器有热敏电阻式、线绕电阻式和热电偶电阻式三种主要类型。这三种类型传感器各有特点,其应用场合也略有区别。热敏电阻式温度传感器灵敏度高、响应特性较好,但线性差、适应温度较低;线绕电阻式温度传感器的精度高,但响应特性差;热偶电阻式温度传感器的精度高,灵敏度高,响应特性较好,但线性差,测量温度范围宽,需要配合放大器和冷端处理一起使用。
2.压力传感器
是汽车中用得最多的传感器,主要检测进气歧管绝对压力、气囊贮气压力、传动系统流体压力、注入燃料压力、发动机油压力、制动器油压力、轮胎压力、空气过滤系统的流体压力等。车用压力传感器目前已有若干种,应用较多的有电容式、压敏电阻式、差动变压器式、声表面波式。电容式压力传感器主要用于检测负压、液压、气压,测量范围为20kPa～100kPa,具有输入能量高,动态响应特性好、环境适应性好等特点;压敏电阻式压力传感器的性能则受温度影响较大,需要另设温度补偿电路,但适应于大批量生产;差动变压器式压力传感器有较大的输出,易于数字输出,但抗干扰性差;声表面波式压力传感器具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、分辨力高、数字输出等特点,能在高温下稳定地工作,常用于汽车吸气阀压力检测,是一种较为理想的传感器。
3.流量传感器
主要用于发动机空气流量和燃料流量的测量,多为空气流量传感器。进气量是燃油喷射量计算的基本参数之一,其主要功能表现在感知并检测发动机的空气流量大小,并转换成电信号传输给发动机的电子控制单元,从而控制喷油器的喷油量,以得到较准确的空燃比。实际应用的有卡门旋涡式、叶片式、热线式。卡门式无可动部件、反应灵敏、精度较高;热线式易受吸入气体脉动影响,且易断丝;燃料流量传感器用于判定燃油消耗量,主要有水车式、球循环式。
4.位置和转速传感器
汽车使用的位置和转速传感器主要用于检测发动机曲轴转角、发动机转速、节气门的开度、车速等。在使用过程中有敏感车轮旋转的、也有敏感动力传动轴转动的,还有敏感差速从动轴转动的,其目的是为点火时刻和喷油时刻提供参考点信号,同时,提供发动机转速信号。目前,曲轴位置与转速传感器主要有交流发电机式、磁阻式、霍尔效应式、簧片开关式、光学式、半导体磁性晶体管式等,其测量范围为0°～360°,精度优于±0.5°,测弯曲角达±1°。
5.气体浓度传感器
气体浓度传感器主要用于检测车体内气体和废气排放。其中,最主要的是氧传感器。它被安装在排气管内,测量排气管中的含氧量,确定发动机的实际空燃比与理论值的偏差,向微机控制装置发出反馈信号,调节可燃混合气的浓度,使空燃比接近于理论值,从而提高经济性,降低排气污染。实际应用的是氧化锆和氧化钛传感器。
6.爆震传感器
爆震传感器是一种振动加速度传感器,其特点表现在结构牢固、紧凑、测量灵敏感度高等。爆震传感器用于检测发动机的振动,通过调整点火提前角控制和避免发动机发生爆震。使用时将此类传感器安装在发动机气缸上,可装一只或多只。传感器的敏感元件为压电晶体,或磁致伸缩式或压电式。磁致伸缩式爆震传感器的使用温度为-40℃～125℃,频率范围为5kHz～10kHz;压电式爆震传感器在中心频率5.417kHZ处,其灵敏度可达200mV/gn,在振幅为0.1～10gn范围内具有良好线性度。为了最大限度地发挥发动机功率而不产生爆燃,点火提前角应控制在爆燃产生的临界值,当发动机爆震时,发动机振动通过传感器内的质块传递到晶体上。压电晶体由于受质块振动产生的压力,在两个极面上产生电压,把振动转化为电压信号输出,并传给电子控制单元。检测爆震有检测气缸压力、发动机机体振动和燃烧噪声等三种方法。
7.节气门位置传感器
节气门位置传感器安装在节气门上,其功能是将发动机节气门的开度信号转变成电信号,并传递给电子控制单元,用以感知发动机的负荷大小和加减速工况。最常用的是可变电阻式节气门位置传感器。该传感器是一种典型的节气门传感器,主要由一个线形变位器和一个怠速触点两部分组成。电阻变位器用陶瓷薄膜电阻制成,滑动触点用复位弹簧控制,与节气门同轴转动。工作时,线形变位器的触点在电阻体上滑动,根据变化的电阻值,可以测得与节气门开度成正比的线性输出电压信号。根据输出电压值,电子控制单元可获知节气门的开度和开度变化率,从而精确判断发动机的运行工况,提高控制精度和效果。怠速信号滑动触点是常开触点,只有在节气门全闭时才闭合,产生怠速触点信号,主要用于怠速控制、断油控制及点火提前角的修正。
二、底盘控制用传感器
底盘控制用传感器是指分布在变速器控制系统、悬架控制系统、动力转向系统、制动防抱制动系统中的传感器。这些传感器尽管在不同系统中作用不同,但工作原理与发动机中传感器是相同的。而且,随着汽车电子控制系统集成化程度的提高和CAN-BUS技术的广泛应用,同一传感器不仅可以给发动机控制系统提供信号,也可为底盘控制系统提供信号。
1.变速器控制传感器
多用于电控自动变速器的控制。它是根据车速传感器、加速度传感器、发动机负荷传感器、发动机转速传感器、水温传感器、油温传感器检测所获得的信息经处理使电控装置控制换档点和液力变矩器锁止,实现最大动力和最大燃油经济性。
2.悬架系统控制传感器
主要有车速传感器、节气门开度传感器、加速度传感器、车身高度传感器、方向向盘转角传感器等。根据检测到的信息自动调整车高,抑制车辆姿势的变化等,实现对车辆舒适性、操纵稳定性和行车稳定性的控制。
3.动力转向系统传感器
它是根据车速传感器、发动机转速传感器、转矩传感器、油压传感器等使动力转向电控系统实现转向操纵轻便,提高响应特性,减少发动机损耗,增大输出功率,节省燃油等。
4.制动防抱死传感器
它是根据轮速传感器、车速传感器检测车轮转速,在各车轮的滑移率为20%时控制制动油压、改善制动性能,确保车辆的操纵性和稳定性。
5.胎压监测传感器
胎压监测系统是在每一个轮框内安装微型压力传感器来测量轮胎的气压,并通过无线发射器将信息传到驾驶前方的监视器上。轮胎压力太低时,系统会自动发出警报,提醒驾驶员及时处理。这样不但可以确保汽车在行驶中的安全,还能保护胎面,延长轮胎使用寿命并达到省油的目的。
三、车身控制用传感器
车身控制用传感器的主要目的是提高汽车安全性、可靠性和舒适性。此类传感器有应用于自动空调系统中的多种温度传感器、湿度传感器、风量传感器、日照传感器等;应用于安全气囊系统中的加速度传感器;应用于门锁控制中的车速传感器;应用于亮度自控中的光传感器;应用于倒车控制中的超声波传感器或激光传感器;应用于保持车距的距离传感器;应用于消除驾驶员盲区的图像传感器;应用于死角报警系统中超声波传感器、图像传感器等。由于其工作条件不象发动机和底盘那么恶劣,一般工业用传感器稍加改进就可以应用。
随着汽车工业与电子工业的不断发展,现代汽车上传感器作为不可缺少的配件,已成为汽车电子产品市场中最有需求力的产品。有人说“没有传感器技术就没有现代汽车”。汽车电子化程度越发达、自动化程度越高,对传感器依赖性就越大,也因此将为汽车用户提供更好的性能和更高的安全性。
参考文献:
1.齐志鹏.汽车传感器和执行器的原理与检修.人民邮电出版社,2002
2.邹长庚,赵琳.现代汽车电子控制系统.北京理工大学出版社,2006
3.秦永和,李伟,程本同.汽车传感器的现状与发展趋势[J].传感器技术,2003,22(12):5-8
关键词: 汽车 传感器 汽车电子 控制系统
现代汽车正朝着高档智能化、电子信息自动化的机电一体化产品方向发展,汽车传感器作为汽车电子控制系统的关键部件,是现代汽车发展的主导与核心,尤其伴随着汽车电子技术的飞速发展,低成本、智能、集成多功能的微型新型传感器将逐步取代传统的传感器,成为现代“电子汽车”发展的助推剂。
汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源,是汽车电子控制系统的关键部件,已在汽车设计与制造的发展中起主要角色作用。这一作用随着汽车功能,如稳定性控制、安全性控制和电子油门控制等技术领域研究内容的增多而愈来愈大。
目前,一般汽车装配有几十到近百个传感器,高级豪华汽车更是有大约几百乃至上千个传感器。而且随着汽车制造业的发展,一辆普通轿车安装的传感器数量和种类都将越来越繁多。这些形形色色的传感器坚守于汽车的各个关键部位,承担起汽车自身检测和诊断的重要责任,将汽车时时刻刻的温度、压力、速度及湿度等信息传达到汽车的神经中枢即中央控制系统中,从而将汽车故障消于未形,因此,有人形象地将传感器形容为汽车的敏感神经未梢。
当前,常用的汽车传感器主要表现在发动机控制系统、底盘控制系统、车身控制系统和导航系统中。它的应用大大提高了汽车电子化的程度,增加了汽车驾驶的安全系数。其作用就是对汽车温度、压力、位置、转速、加速度和振动等各种信息进行实时、准确的测量和控制。常用的有温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、加速度传感器、距离传感器 、陀螺仪和车速传感器、方向盘转角传感器等。
一、汽车发动机控制用传感器
发动机的电子控制一直被认为是MEMS技术在汽车中的主要应用于领域之一。发动机控制系统用传感器是整个汽车传感器的核心,种类很多,包括温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体浓度传感器和爆震传感器等。这些传感器向发动机的电子控制单元(ECU)提供发动机的工作状况信息,供电子控制单元(ECU)对发动机工作状况进行精确控制,以提高发动机的动力性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测。由于其工作在发动机振动、汽油蒸气、污泥和泥水等恶劣环境中,因此它们耐恶劣环境技术指标要高于一般的传感器。对于它们的性能指标要求最关键的是测量精度与可靠性。
1.温度传感器
汽车用温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却温度、燃油温度、机油温度以及催化温度等。温度传感器有热敏电阻式、线绕电阻式和热电偶电阻式三种主要类型。这三种类型传感器各有特点,其应用场合也略有区别。热敏电阻式温度传感器灵敏度高、响应特性较好,但线性差、适应温度较低;线绕电阻式温度传感器的精度高,但响应特性差;热偶电阻式温度传感器的精度高,灵敏度高,响应特性较好,但线性差,测量温度范围宽,需要配合放大器和冷端处理一起使用。
2.压力传感器
是汽车中用得最多的传感器,主要检测进气歧管绝对压力、气囊贮气压力、传动系统流体压力、注入燃料压力、发动机油压力、制动器油压力、轮胎压力、空气过滤系统的流体压力等。车用压力传感器目前已有若干种,应用较多的有电容式、压敏电阻式、差动变压器式、声表面波式。电容式压力传感器主要用于检测负压、液压、气压,测量范围为20kPa～100kPa,具有输入能量高,动态响应特性好、环境适应性好等特点;压敏电阻式压力传感器的性能则受温度影响较大,需要另设温度补偿电路,但适应于大批量生产;差动变压器式压力传感器有较大的输出,易于数字输出,但抗干扰性差;声表面波式压力传感器具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、分辨力高、数字输出等特点,能在高温下稳定地工作,常用于汽车吸气阀压力检测,是一种较为理想的传感器。
3.流量传感器
主要用于发动机空气流量和燃料流量的测量,多为空气流量传感器。进气量是燃油喷射量计算的基本参数之一,其主要功能表现在感知并检测发动机的空气流量大小,并转换成电信号传输给发动机的电子控制单元,从而控制喷油器的喷油量,以得到较准确的空燃比。实际应用的有卡门旋涡式、叶片式、热线式。卡门式无可动部件、反应灵敏、精度较高;热线式易受吸入气体脉动影响,且易断丝;燃料流量传感器用于判定燃油消耗量,主要有水车式、球循环式。
4.位置和转速传感器
汽车使用的位置和转速传感器主要用于检测发动机曲轴转角、发动机转速、节气门的开度、车速等。在使用过程中有敏感车轮旋转的、也有敏感动力传动轴转动的,还有敏感差速从动轴转动的,其目的是为点火时刻和喷油时刻提供参考点信号,同时,提供发动机转速信号。目前,曲轴位置与转速传感器主要有交流发电机式、磁阻式、霍尔效应式、簧片开关式、光学式、半导体磁性晶体管式等,其测量范围为0°～360°,精度优于±0.5°,测弯曲角达±1°。
5.气体浓度传感器
气体浓度传感器主要用于检测车体内气体和废气排放。其中,最主要的是氧传感器。它被安装在排气管内,测量排气管中的含氧量,确定发动机的实际空燃比与理论值的偏差,向微机控制装置发出反馈信号,调节可燃混合气的浓度,使空燃比接近于理论值,从而提高经济性,降低排气污染。实际应用的是氧化锆和氧化钛传感器。
6.爆震传感器
爆震传感器是一种振动加速度传感器,其特点表现在结构牢固、紧凑、测量灵敏感度高等。爆震传感器用于检测发动机的振动,通过调整点火提前角控制和避免发动机发生爆震。使用时将此类传感器安装在发动机气缸上,可装一只或多只。传感器的敏感元件为压电晶体,或磁致伸缩式或压电式。磁致伸缩式爆震传感器的使用温度为-40℃～125℃,频率范围为5kHz～10kHz;压电式爆震传感器在中心频率5.417kHZ处,其灵敏度可达200mV/gn,在振幅为0.1～10gn范围内具有良好线性度。为了最大限度地发挥发动机功率而不产生爆燃,点火提前角应控制在爆燃产生的临界值,当发动机爆震时,发动机振动通过传感器内的质块传递到晶体上。压电晶体由于受质块振动产生的压力,在两个极面上产生电压,把振动转化为电压信号输出,并传给电子控制单元。检测爆震有检测气缸压力、发动机机体振动和燃烧噪声等三种方法。
7.节气门位置传感器
节气门位置传感器安装在节气门上,其功能是将发动机节气门的开度信号转变成电信号,并传递给电子控制单元,用以感知发动机的负荷大小和加减速工况。最常用的是可变电阻式节气门位置传感器。该传感器是一种典型的节气门传感器,主要由一个线形变位器和一个怠速触点两部分组成。电阻变位器用陶瓷薄膜电阻制成,滑动触点用复位弹簧控制,与节气门同轴转动。工作时,线形变位器的触点在电阻体上滑动,根据变化的电阻值,可以测得与节气门开度成正比的线性输出电压信号。根据输出电压值,电子控制单元可获知节气门的开度和开度变化率,从而精确判断发动机的运行工况,提高控制精度和效果。怠速信号滑动触点是常开触点,只有在节气门全闭时才闭合,产生怠速触点信号,主要用于怠速控制、断油控制及点火提前角的修正。
二、底盘控制用传感器
底盘控制用传感器是指分布在变速器控制系统、悬架控制系统、动力转向系统、制动防抱制动系统中的传感器。这些传感器尽管在不同系统中作用不同,但工作原理与发动机中传感器是相同的。而且,随着汽车电子控制系统集成化程度的提高和CAN-BUS技术的广泛应用,同一传感器不仅可以给发动机控制系统提供信号,也可为底盘控制系统提供信号。
1.变速器控制传感器
多用于电控自动变速器的控制。它是根据车速传感器、加速度传感器、发动机负荷传感器、发动机转速传感器、水温传感器、油温传感器检测所获得的信息经处理使电控装置控制换档点和液力变矩器锁止,实现最大动力和最大燃油经济性。
2.悬架系统控制传感器
主要有车速传感器、节气门开度传感器、加速度传感器、车身高度传感器、方向向盘转角传感器等。根据检测到的信息自动调整车高,抑制车辆姿势的变化等,实现对车辆舒适性、操纵稳定性和行车稳定性的控制。
3.动力转向系统传感器
它是根据车速传感器、发动机转速传感器、转矩传感器、油压传感器等使动力转向电控系统实现转向操纵轻便,提高响应特性,减少发动机损耗,增大输出功率,节省燃油等。
4.制动防抱死传感器
它是根据轮速传感器、车速传感器检测车轮转速,在各车轮的滑移率为20%时控制制动油压、改善制动性能,确保车辆的操纵性和稳定性。
5.胎压监测传感器
胎压监测系统是在每一个轮框内安装微型压力传感器来测量轮胎的气压,并通过无线发射器将信息传到驾驶前方的监视器上。轮胎压力太低时,系统会自动发出警报,提醒驾驶员及时处理。这样不但可以确保汽车在行驶中的安全,还能保护胎面,延长轮胎使用寿命并达到省油的目的。
三、车身控制用传感器
车身控制用传感器的主要目的是提高汽车安全性、可靠性和舒适性。此类传感器有应用于自动空调系统中的多种温度传感器、湿度传感器、风量传感器、日照传感器等;应用于安全气囊系统中的加速度传感器;应用于门锁控制中的车速传感器;应用于亮度自控中的光传感器;应用于倒车控制中的超声波传感器或激光传感器;应用于保持车距的距离传感器;应用于消除驾驶员盲区的图像传感器;应用于死角报警系统中超声波传感器、图像传感器等。由于其工作条件不象发动机和底盘那么恶劣,一般工业用传感器稍加改进就可以应用。
随着汽车工业与电子工业的不断发展,现代汽车上传感器作为不可缺少的配件,已成为汽车电子产品市场中最有需求力的产品。有人说“没有传感器技术就没有现代汽车”。汽车电子化程度越发达、自动化程度越高,对传感器依赖性就越大,也因此将为汽车用户提供更好的性能和更高的安全性。
参考文献:
1.齐志鹏.汽车传感器和执行器的原理与检修.人民邮电出版社,2002
2.邹长庚,赵琳.现代汽车电子控制系统.北京理工大学出版社,2006
3.秦永和,李伟,程本同.汽车传感器的现状与发展趋势[J].传感器技术,2003,22(12):5-8