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汽车传感器应用现状
作者:方舟电子
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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,也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。目前,一辆普通家用轿车上大约安装几十到近百只传感器,而豪华轿车上的传感器数量可多达二百余只。据报道,2000年汽车传感器的市场为61.7亿美元(9.04亿件产品),到2005年将达到84.5亿美元(12.68亿件),增长率为6.5%(按美元计)和7.0%(按产品件数计)。汽车传感器在汽车上主要用于发动机控制系统、底盘控制系统、车身控制系统和导航系统中。

发动机控制系统用传感器:

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。

由于发动机工作在高温(发动机表面温度可达150℃、排气歧管可达650℃)、振动(加速度30g)、冲击(加速度50g)、潮湿(100%RH,-40℃-120℃)以及蒸汽、盐雾、腐蚀和油泥污染的恶劣环境中,因此发动机控制系统用传感器耐恶劣环境的技术指标要比一般工业用传感器高1-2个数量级,其中最关键的是测量精度和可靠性。否则,由传感器带来的测量误差将最终导致发动机控制系统难以正常工作或产生故障。

1.温度传感器

温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。温度用传感器有线绕电阻式、热敏电阻式和热偶电阻式三种主要类型。三种类型传感器各有特点,其应用场合也略有区别。线绕电阻式温度传感器的精度高,但响应特性差;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;热偶电阻式温度传感器的精度高,测量温度范围宽,但需要配合放大器和冷端处理一起使用。

已实用化的产品有热敏电阻式温度传感器(通用型-50℃~130℃,精度1.5%,响应时间10ms;高温型600℃~1000℃,精度5%,响应时间10ms)、铁氧体式温度传感器(ON/OFF型,-40℃~120℃,精度2.0%)、金属或半导体膜空气温度传感器(-40℃~150℃,精度2.0%、5%,响应时间20ms)等。

2.压力传感器

压力传感器主要用于检测气缸负压、大气压、涡轮发动机的升压比、气缸内压、油压等。吸气负压式传感器主要用于吸气压、负压、油压检测。汽车用压力传感器应用较多的有电容式、压阻式、差动变压器式(LVDT)、表面弹性波式(SAW)。

电容式压力传感器主要用于检测负压、液压、气压,测量范围20~100kPa,具有输入能量高,动态响应特性好、环境适应性好等特点;压阻式压力传感器受温度影响较大,需要另设温度补偿电路,但适应于大量生产;LVDT式压力传感器有较大的输出,易于数字输出,但抗干扰性差;SAW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、分辨率高、数字输出等特点,用于汽车吸气阀压力检测,能在高温下稳定地工作,是一种较为理想的传感器。

3.流量传感器

流量传感器主要用于发动机空气流量和燃料流量的测量。空气流量的测量用于发动机控制系统确定燃烧条件、控制空燃比、起动、点火等。空气流量传感器有旋转翼片式(叶片式)、卡门涡旋式、热线式、热膜式等四种类型。旋转翼片式(叶片式)空气流量计结构简单,测量精度较低,测得的空气流量需要进行温度补偿;卡门涡旋式空气流量计无可动部件,反映灵敏,精度较高,也需要进行温度补偿;热线式空气流量计测量精度高,无需温度补偿,但易受气体脉动的影响,易断丝;热膜式空气流量计和热线式空气流量计测量原理一样,但体积少,适合大批量生产,成本低。空气流量传感器的主要技术指标为:工作范围0.11~103立方米/min,工作温度-40℃~120℃,精度≤1%。

燃料流量传感器用于检测燃料流量,主要有水轮式和循环球式,其动态范围0~60kg/h,工作温度-40℃~120℃,精度±1%,响应时间小于10ms。

4.位置和转速传感器

位置和转速传感器主要用于检测曲轴转角、发动机转速、节气门的开度、车速等。目前汽车使用的位置和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0°~360°,精度±0.5°以下,测弯曲角达±0.1 。

车速传感器种类繁多,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。当车速高于100km/h时,一般测量方法误差较大,需采用非接触式光电速度传感器,测速范围0.5~250km/h,重复精度0.1%,距离测量误差优于0.3%。

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,实用化的有氧化锆传感器(使用温度-40℃~900℃,精度1%)、氧化锆浓差电池型气体传感器(使用温度300℃~800℃)、固体电解质式氧化锆气体传感器(使用温度0℃~400℃,精度0.5%),另外还有二氧化钛氧传感器。和氧化锆传感器相比,二氧化钛氧传感器具有结构简单、轻巧、便宜,且抗铅污染能力强的特点。

6.爆震传感器

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。可以通过检测气缸压力、发动机机体振动和燃烧噪声等三种方法来检测爆震。爆震传感器有磁致伸缩式和压电式。磁致伸缩式爆震传感器的使用温度为-40℃~125℃,频率范围为5~10kHz;压电式爆震传感器在中心频率5.417kHz处,其灵敏度可达200mV/g,在振幅为0.1g~10g范围内具有良好线性度。

底盘控制用传感器

底盘控制用传感器是指用于变速器控制系统、悬架控制系统、动力转向系统、制动防抱死系统等底盘控制系统中的传感器。这些传感器尽管分布在不同的系统中,但工作原理与发动机中相应的传感器是相同的。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。

自动变速器系统用传感器主要有:车速传感器、加速踏板位置传感器、加速度传感器、节气门位置传感器、发动机转速传感器、水温传感器、油温传感器等。制动防抱死系统用传感器主要有:轮速传感器、车速传感器;悬架系统用传感器主要有:车速传感器、节气门位置传感器、加速度传感器、车身高度传感器、方向盘转角传感器等;动力转向系统用传感器主要有:车速传感器、发动机转速传感器、转矩传感器、油压传感器等。

车身控制用传感器

车身控制用传感器主要用于提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等。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。主要有用于自动空调系统的温度传感器、湿度传感器、风量传感器、日照传感器等;用于安全气囊系统中的加速度传感器;用于门锁控制中的车速传感器;用于亮度自动控制中的光传感器;用于倒车控制中的超声波传感器或激光传感器;用于保持车距的距离感器;用于消除驾驶员盲区的图象传感器等。

导航系统用传感器

随着基于GPS/GIS(全球定位系统和地理信息系统)的导航系统在汽车上的应用,导航用传感器这几年得到迅速发展。导航系统用传感器主要有:确定汽车行驶方向的罗盘传感器、陀螺仪和车速传感器、方向盘转角传感器等。

汽车传感器发展趋势

由于汽车传感器在汽车电子控制系统中的重要作用和快速增长的市场需求,世界各国对其理论研究、新材料应用和新产品开发都都非常重视。未来的汽车用传感器技术,总的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。

微型传感器基于从半导体集成电路技术发展而来的MEMS (微电子机械系统),微型传感器利用微机械加工技术将微米级的敏感元件、信号处理器、数据处理装置封装在一快芯片上,由于具有体积小、价格便宜、便于集成等特点,可以明显提高系统测试精度。目前该技术日渐成熟,可以制作各种能敏感和检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的微型传感器。由于基于MEMS技术的微型传感器在降低汽车电子系统成本及提高其性能方面的优势,它们已开始逐步取代基于传统机电技术的传感器。

多功能化是指一个传感器能检测2个或者两个以上的特性参数或者化学参数,从而减少汽车传感器数量,提高系统可靠性。

集成化是指利用IC制造技术和精细加工技术制作IC式传感器。

智能化是指传感器与大规模集成电路相结合,带有CPU,具有智能作用,以减少ECU的复杂程度,减少其体积,并降低成本。

总之,随着电子技术的发展和汽车电子控制系统应用的日益广泛,汽车传感器市场需求将保持高速增长,微型化、多功能化、集成化和智能化的传感器将逐步取代传统的传感器,成为汽车传感器的主流。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2016-4-1)
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