传感器在汽车行业中的应用

课题名称传感器在汽车中的应用

系别机械工程学院

专业机械设计制造及自动化班级机自本（一）班

成员陈怀棠祁步春吴敏杰

传感器在汽车中的应用

1引言

汽车工业是国民经济发展的支柱产业之一。现代汽车正由一个单纯交通工具朝着能满足人类需求和安全、舒适、方便及无污染的方向发展。当前,汽车电子已成为汽车工业发展的核心技术,据预测，未来汽车电子产品的费用将占整车费用的30%,并认为汽车上70%的革新将来源于汽车电子。近20年来,世界汽车电子产品的开发和应用已广泛用于汽车的各个独立的电子控制系统,并正向着可完成汽车各种功能的综合电子控制系统发展。同时,汽车电子产品也向完成单个汽车控制扩展到“汽车-人-公路-环境”的系统信息交流和控制的方向发展。在汽车电子产品中,传感器已成为关键的基础配套产品。20世纪末期,为了实现可持续发展战略,发达国家对汽车工业提出的新要求,促进了传感器应用和技术的快速发展。传感器的研发和生产单位采用新材料和新的加工技术开发和生产新一代的传感器及系统,满足汽车工业的需求。

2汽车用传感器

2.1汽车用传感器的特点

车用传感器是汽车计算机系统的输入装置，它把汽车运行中各种工况信息，如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等，转化成电讯号输给计算机，以便发动机处于最佳工作状态。

各类传感器主要应用在发动机电子控制系统、底盘电子控制系统和车身电子控制系统。

2.2汽车用传感器分类

常用的有如下三种：

按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器

按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。

按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“1”和"0”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。

汽车上的主要传感器有：

空气流量传感器是将吸入的空气转换成电信号送至电控单元（ECU），作为决定喷油的基本信号之一。根据测量原理不同，可以分为旋转翼片式空气流量传感器、卡门涡游式空气流量传感器、热线式空气流量传感器和热膜式空气流量传感器四种型式。前两者为体积流量型，后两者为质量流量型。目前主要采用热线式空气流量传感器和热膜式空气流量传感器两种。

进气压力传感器可以根据发动机的负荷状态测出进气歧管内的绝对压力，并转换成电信号和转速信号一起送入计算机，作为决定喷油器基本喷油量的依据。目前广泛采用的是半导体压敏电阻式进气压力传感器。

节气门位置传感器安装在节气门上，用来检测节气门的开度。它通过杠杆机构与节气门联动，进而反映发动机的不同工况。此传感器可把发动机的不同工况检测后输入电控单元（ECU），从而控制不同的喷油量。它有三种型式：开关触点式节气门位置传感器，线性可变电阻式节气门位置传感器、综合型节气门位置传感器。

曲轴位置传感器也称曲轴转角传感器，是计算机控制的点火系统中最重要的传感器，其作用是检测上止点信号、曲轴转角信号和发动机转速信号，并将其输入计算机，从而使计算机能按气缸的点火顺序发出最佳点火时刻指令。曲轴位置传感器有三种型式：电磁脉冲式曲轴位置传感器、霍尔效应式曲轴位置传感器、光电效应式曲轴位置传感器。曲轴位置传感器型式不同，其控制方式和控制精度也不同。曲轴位置传感器一般安装于曲轴皮带轮或链轮侧面，有的安装于凸轮轴前端，也有的安装于分电器。

爆震传感器安装在发动机的缸体上，随时监测发动机的爆震情况。目前采用的有共振型和非共振型两大类。

3传感器在汽车行业的具体应用

3.1传感器在发动机控制系统中的运用

发动机控制系统用传感器主要有温度传感器、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，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。

3.1.1 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。

3.1.2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。

3.1.3 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<10ms。

3.1.4 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%。

3.1.5 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，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。

3.1.6 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。

3.1.7 24GHz雷达传感器

24GHz雷达传感器用于汽车防撞安装系统，通过发射雷达波来判断前方出现的物体大小，距离和移动速度，进而通过显示器或与汽车制动系统进行配合，避免汽车与前方物体相撞。传感器发射频率在24.125GHz左右，可以调节的频率范围在50KHz左右。精度在国外精度可以达到毫米级别。

3.2传感器在汽车底盘电子控制系统的中的应用

底盘控制用传感器是指用于变速器控制系统的车速传感器、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；悬架控制系统应用的传感器有车速传感器、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；动力转向系统应用的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。

3.2.1变速器控制用传感器

主要有车速传感器、加速度传感器、发动机负荷传感器、发动机转速传感器、离合器传感器、水温传感器、油温传感器等。这些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变矩器锁止，实现最大动力和最大燃油经济性。

3.2.2悬架系统控制用传感器

主要有车速传感器、节流阀开度传感器、加速度传感器、车身高度传感器、方向盘转角传感器等。系统根据这些传感器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。

3.2.3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、转矩传感器等，利用这些传感器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。

3.2.4防抱制动传感器

主要是利用车轮角速度传感器，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，确保车辆操纵性和稳定性。

3.3传感器在车身控制中的应用

采用这类传感器的主要目的是提高汽车安全性、可靠性、舒适性等，其耐恶劣环境技术要求不如发动机、底盘用传感器那么严格，一般工业用传感器稍加改进即可应用。主要有应用于自动空调系统中的多种温度传感器、风量传感器、日照传感器等，制动门锁系统中的车速传感器，安全气囊系统中的加速度传感器，亮度自控中光传感器，死角报警系统中的超声波传感器，图像传感器等

4 常用的汽车传感器类型

4.1 里程表传感器

在差速器或者半轴上面的传感器，来感觉转动的圈数，一般用霍尔，光电两个方式来检测信号，其目的利用里程表记数可有效的分析判断汽车的行驶速度和里程，因为半轴和车轮的角速度相等，已知轮胎的半径，直接通过历程参数来计算。在传动轴上设计两个轴承，大大减轻了运行中的力距，减少了摩擦力，增强了使用寿命;由原来的动态检测信号改为齿轮运转式检测信号;由原来直插式垂直变速箱改为倒角式接口变速箱。里程表传感器插头一般是在变速箱上，有的打开发动机盖可以看到，有的要在地沟操作。

4.2 机油压力传感器

是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。常用的有硅压阻式和硅电容式，两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器。一般情况上，我们通过机油压力传感器来检测汽车的机油向内的汽油还有多少，并将检测到的信号转换成我们可以理解的信号，提醒我们还有多少汽油，或者还可以走多远，甚至是提醒汽车需要加汽油了。

4.3 水温传感器

它的内部是一个半导体热敏电阻，温度愈低，电阻愈大;反之电阻愈小，安装在发动机缸体或缸盖的水套上，与冷却水直接接触。从而侧得发动机冷却水的温度。电控单元根据这一变化测得发动机冷却水的温度，温度愈低，电阻愈大;反之电阻愈小。电控单元根据这一变化测得发动机冷却水的温度，作为燃油喷射

和点火正时的修正号。简单的说就是我们可以通过发动机水温的温度了解汽车现在的运行的状态，停止或者运动，或者运动的时间有多长等。

4.4 空气流量传感器

它的作用是检测发动机进气量的大小，并将进气量信息转换成电信号输出，并传送到ECU。我们知道汽车的行驶是需要点火装置点火得到向前的冲量，因此，充气量得大小是ECU计算汽车在点火的时候点火装置需要喷油时间和喷油量和

点火时间的依据。它的作用是可以让我们更好的让汽车进行加减速行驶。

4.5 ABS传感器

在制动活塞旁边(卡制动碟的卡钳，里面是制动活塞)，ABS工作就是保证制动活塞和制动碟不卡死，保证它们处于滑动摩擦和静摩擦的边缘。大多由电感传感器来监控车速，abs传感器通过与随车轮同步转动的齿圈作用，输出一组准

正弦交流电信号，其频率和振幅与轮速有关.该输出信号传往ABS电控单元(ECU), 实现对轮速的实时监控。

4.6 安全气囊传感器

也称碰撞传感器，按照用途的不同，分为触发碰撞传感器和防护碰撞传感器。触发碰撞式用于检测碰撞时的加速度变化，并将碰撞信号传给气囊电脑，作为气囊电脑的触发信号;防护碰撞式它与触发碰撞式串联，用于防止气囊误爆。

5 其他类型传感器

5.1空气质量流量传感器

采用热耗散原理,由一个热线式敏感元件(加上一个辅助的补偿热线元件)安放在空气入口的旁路中监测发动机空气质量流量。这种类型的传感器可测量真实的质量,不能测量空气流量的回流波动。

5.2线性加速度惯性传感器

这种传感器用在底盘的入口;自适应悬挂系统/车辆稳定性系统和ABS防爆

死系统;车身系统的前端、侧端碰撞敏感。目前采用MEMS技术制作的线性加速度惯性传感器的有压阻式MEMS加速度传感器;电容式MEMS加速度传感器和谐振梁MEMS传感器。

5.3角速率传感器

这种传感器用于底盘悬架系统(车轮和间距)和车辆稳定性,车轮碰撞敏感和车辆导航。角速率传感器也应用了MEMS技术,其工作原理是检测施加在不同类型结构如环形、薄型、盘式和片式的Corio-lis力的效应。

5.4日照、微光和闪光检测器

有两种类型的光检测器:光热量检测光电二极管对近红外波长敏感;微光检测二极管对可见光波长敏感。应用另外的一种光检测器是微型光敏芯片,检测可见光和微光。

5.5湿度/雨量传感器

典型的湿度检测传感器是向车窗的挡风玻璃发射红外光束,当雨滴滴在挡风玻璃外面时,雨滴和湿度层产生较大的折射率。

5.6近距离障碍物检测传感器

目前,传感器类型有噪声传感器、微波雷达传感器、RF电容式传感器和红外传感器。

6目前正在研制的汽车传感器将对汽车工业的发展起到重要的影响,其中主要项目是:

6.1汽车发动机燃烧传感器

(1)火花塞离子电流传感器(采用直流或交流施加间隙电压)。检测发动机熄火和爆震,而且指示气缸的峰压和空燃比。

(2)光纤膜片反射传感器:检测汽缸内的压力波形。

(3)压阻式碳化硅绝缘体压力传感器:检测汽缸内的压力波形。

6.2检测燃油质量传感器

(1)应力预测方法:根据发动机转动的组合系数和油温计算油的累加应力。

(2)多功能传感器:检测油的电解质常数,油的液面和温度。

6.3发动机传动和方向盘力矩传感器

(1)扭曲角度和扭力杆:采用电位计的方法检测由于力矩产生的扭曲角,也可以采用可变光圈的光学方法、位移杆编码的光学方法、位移空气间隙的磁学方法,以及涡流可变电极的电器方法。

(2)非扭转轴磁弹性检测:一种传感器是利用交流电激励的方法检测转动轴导磁率的变化;另外一种传感器是带有磁性的转动轴产生直流磁通量信号,这两种传感器都是属于转动轴的非接触式检测方式。

(3)由于气缸点火发动机轴速产生变化的检测。采用数学运算的方法根据由于每个气缸点火情况调节发动机调速轮,计算发动机的力距,一般应用高分辩力的旋转位移传感器。

6.4多轴向微机械加工惯向传感器

(1)双轴向加速度传感器:采用双功能的加速度传感器检测车辆的安全系统。

(2)角速度加速度传感器:在一块芯片上生产多功能的传感器。应用在底盘系统测量侧加速度和车轮的角速度。

7 汽车用传感器发展趋势

7.1车用传感器发展的主要因素——安全与舒适

根据市场调研公司BCC研究报告指出，2005年全球车用传感器产值为105亿美元，预计到2010年将提高至142亿美元，年平均成长率为6.1％。最早车上传感器主要是用在引擎或是驱动系统等行驶状态监测，主要有氧气、流体、温度、地压与电流等传感器。

随着汽车市场对于驾驶安全、舒适性及操控性等要求持续提升，对分散在负责安全、舒适与环保等各个车用次系统的要求也越来越高，以提升安全功能的各式传感器，占了整体传感器数量的50％以上，年平均增长率最高，达到了13.7％，因此从汽车安全角度来看，传感器应用是极为关键性的电子组件。

7.2 降低事故发生率

汽车安全发展至今，其终极目标就是降低事故发生率，而这也是车用传感器发展以来最重大的指标之一。一般人向前的视野约略超过180度，不过，车上的

三面后视镜总计不过是40-50度的后照视野，更不要说大型车辆所能提供驾驶者的可视范围；因此，车辆后方、侧边等死角也是造成意外擦撞的主要原因。

经美国汽车安全的研究报告数据指出，在北美汽车零件市场中，后视镜每年销售金额保守估计超过2.5亿美元，换句话说每年美国车主替换数以百万计的后视镜，或在车子各个部位加装新的后视镜，来改进汽车后方可视范围。

7.3功能化、模块化、智能化、微型化将是车用传感器发展新途径

现在几乎所有车体上的机械结构及组件都已受到电子设备掌控，但因为车体内可应用空间过于狭隘，构件系统空间更是受到限制。因此，在一般的理想状况下，电子控制单元应该会与受到控制组件紧密结合，而逐渐形成一个整体。因此，电路及组件的微型化、模块化是必然趋势，从工程的角度来看，将传感器组件微型化有其优点。

现代汽车上微机电技术发展的车用传感器发展趋势应朝多功能化、模块化、智能化、微型化技术方向发展。

8 结束语

在今后的汽车业的竞争中,汽车电子的作用将是举足轻重的。而传感器在汽车电子中所占比重很大,给传感器营造了一个较大的市场,从国际统计资料可看出,汽车电子是传感器应用最集中、最具规模的一类,也是传感器创业发展最现实,最具经济效益的产品。为适应未来汽车智能化与数字化时代的发展需要。作为基础的传感器技术也朝着数字化、功能化和智能化的方向发展。车载多媒体系统、汽车智能安全系统、舒适性管理系统等都将在汽车上得到应用。传感器企业将采用新型的微纳米技术制作更加廉价、性能更高和可靠性更好的传感器,按汽车的结构将传感器模块化,满足汽车工业的需求。