光电传感器在汽车技术中的应用 毕业论文

光电传感器在汽车技术中的应用Photoelectric sensor in automotive technology and Application

摘要: 光电传感器是把被测量的变化转换成光信号的变化，然后，借助光电元件把光信号转换成电信号来实现控制。如光电开关、光感电阻、光感二极管、光电池、光纤等。光电式传感器在检测和控制领域中应用非常广泛，它是采用光电元件作为检测元件的传感器，具有反应快、精度高、非接触等优点，而且可测参数多，结构简单，形式灵活多样。本文列举了光电传感器技术在一些领域里的应用。并阐述了当前传感器技术的发展现状以及发展趋势。

关键词：光电效应光电器件常见故障检测控制发展趋势

Photoelectric sensors in automotive application

Abstract：A photoelectric sensor is measured change is converted into optical signal changes, and then, with the aid of photoelectric element to convert optical signals into electrical signals to control. Such as a photoelectric switch, light resistance, light diode, light battery, such as fiber. Photoelectric sensor in test and control field is widely used, it is used as a photoelectric element detection sensor, a quick reaction, high precision, non-contact and other advantages, and can measure many parameters, and has the advantages of simple structure, flexible and diverse forms. This article lists the photoelectric sensor technology in some fields of application. Elaborated the current sensor technology development status and trend of development.

Keywords：Photoelectric effect Optoelectronic devices Common fault

Detection and control Development trend

目录

绪论 (9)

汽车作为现代人类社会的交通工具，汽车在人类社会的政治、经济、社会生活各个领域已占据相当重要的地位，为人类经济的发展和社会的进步做出了巨大的贡献，汽车已成为人类文明与进步的象征和标志之一。对汽车的安全、环保与节能现已成为人们最为关心的问题，汽车上的各种传感器为此做出了重大的贡献。传感器位于动力总成系统的前端。传感器用来测量物理参数，如水温、空气压力以及发动机曲轴的转动速度。这些数据非常关键，它们为闭环控制系统提供了关键信息。除了温度传感、压力传感和霍尔传感器以外，微机械技术还带来了崭新的加速和偏向角速度传感器，同时还允许利用标准晶圆制造工艺集成信号处理电路和数字化电路。这样就能更有效保证汽车的安全性。第1章传感器的工作原理 (9)

第1章传感器的工作原理 (10)

传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。向传感器提供±15V电源，激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波，经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±5V的直流电源，该电源做运算放大器AD822的工作电源；由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v±1v的强信号，再通过V/F转换器LM131变换成频率信号，通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号，该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动--静环之间只有零点几毫米的间隙，加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内，形成有效的屏蔽，因此具有很强的抗干扰能力。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。第2章光电传感器 (10)

第2章光电传感器 (11)

2.1 光电传感器的概念 (11)

2.2 光电式传感器内容 (11)

2.3 光电式传感器的分类 (12)

光电元件有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、发光二极管（LED）、光电倍增管、光电池、光电耦合器件等。由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件（光学测控系统）输出量性质，光电式传感器可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲式光电传感器；模拟式光电传感器按被测量（检测目标物体）方法又可分为透射式、漫反射式遮光式三大类。第3章光电传感器在汽车控制技术中的应用 (12)

第3章光电传感器在汽车控制技术中的应用 (13)

3.1 光电式车高传感器 (13)

3.2 光电式转向传感器 (14)

3.3 光电式光量传感器 (15)

第4章汽车传感器未来的发展方向 (17)

结论 (19)

参考文献 (20)

致谢 (21)

绪论

汽车作为现代人类社会的交通工具，汽车在人类社会的政治、经济、社会生活各个领域已占据相当重要的地位，为人类经济的发展和社会的进步做出了巨大的贡献，汽车已成为人类文明与进步的象征和标志之一。对汽车的安全、环保与节能现已成为人们最为关心的问题，汽车上的各种传感器为此做出了重大的贡献。传感器位于动力总成系统的前端。传感器用来测量物理参数，如水温、空气压力以及发动机曲轴的转动速度。这些数据非常关键，它们为闭环控制系统提供了关键信息。除了温度传感、压力传感和霍尔传感器以外，微机械技术还带来了崭新的加速和偏向角速度传感器，同时还允许利用标准晶圆制造工艺集成信号处理电路和数字化电路。这样就能更有效保证汽车的安全性。

第1章传感器的工作原理

传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。向传感器提供±15V电源，激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波，经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±5V的直流电源，该电源做运算放大器AD822的工作电源；由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v±1v的强信号，再通过V/F转换器LM131变换成频率信号，通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号，该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动--静环之间只有零点几毫米的间隙，加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内，形成有效的屏蔽，因此具有很强的抗干扰能力。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。

第2章 光电传感器

2.1 光电传感器的概念

光电式传感器是将被测量的变化转换成光信号的变化，再通过光电器件把光信号的变化转换成电信号的一种传感器。

2.2 光电式传感器内容

光电式传感器的内容是：光电传感器的工作基础是光电效应。由光通量对光电元件作用的不同原理所制成光学测控系统是多种多样的，按光电元件输出量性质可分为两类，即模拟式光电传感器和脉冲式光电传感器，前者是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量问呈单值关系。

按被测量方法可分为透射式、漫反射式、遮光式三类：

（1）光敏二极管透射式。被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部分被吸收后，透射光投射到光电元件上；

（2）漫反射式。恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上；

（3）遮光式。 当光源发出的光通量经被测物遮挡其中一部分，使投射到光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置相关。

最常见的光传感器，不同于一般二极管的是其管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，为增加射入光线的受光面积，PN 结的面积做得较大。光敏二极管工作在反向偏置的状态下，并与负载电阻相串联。当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成的比暗电流大得多的反向电流，称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，通常只引出两个极-发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流，cbo ceo I I )1(β+=(很小)，

比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流b I 增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流公式为b c I I )1(β+=，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。

2.3 光电式传感器的分类

光电元件有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、发光二极管（LED）、光电倍增管、光电池、光电耦合器件等。由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件（光学测控系统）输出量性质，光电式传感器可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲式光电传感器；模拟式光电传感器按被测量（检测目标物体）方法又可分为透射式、漫反射式遮光式三大类。

第3章光电传感器在汽车控制技术中的应用

3.1 光电式车高传感器

主动悬架系统能够根据车身高度、车速、转向角度及速率、制动等信号，由电控单元ECU控制悬架的执行机构，使悬架的刚度、减振器的阻尼力及车身高度等参数改变，使汽车具有良好的乘坐舒适性和操作稳定性。在主动悬架系统中车高和转向传感器是两个重要部件，目前现代轿车上应用最多的是光电式车高和转向传感器。如图3-1所示

图3-1 光电式车高传感器

为车高自动调整控制系统。车高传感器可根据乘员和货物的增减，把车高变化（悬架形变量的变化）转换成传感器轴的旋转，并检测出旋转角度，将其转换为电信号输入电控单元ECU，ECU通过有关执行元件，根据汽车载荷的大小，来自动调整车身的高度。车高传感器可作为车高控制系统的车高检出器，也可作为电子控制的恶劣道路检出器使用。

车高传感器的结构有一靠连杆带动旋转的轴，在轴上装有一个开有许多槽的盘形遮光板，在遮光板的两侧装有4组光电元件（由发光二极管和光敏晶体管组成），当连杆带动轴旋转时，光电元件之间时而透光，时而被遮光板遮上，使电路接通（ON）或断开（OFF）。在主动悬架系统中，一般安装使用三个车高传感器，左、右前轮各安装一个，后桥中部安装一个，也有的左、右、前、后轮各安装一个。

为车身高度传感器的安装位置及工作状态。拉紧螺栓的上端与传感器的连杆

铰链，下端与后悬架臂相连。当车身上下振动时，拉紧螺栓带动连杆使传感器的轴左右旋转，光电耦合件把旋转信号转换成车高信号输出。

拆下拉紧螺栓，拧松拉紧螺栓的锁紧螺母，旋转拉紧螺栓的螺旋插头，可以改变拉紧螺栓的长度，从而可以调整车身高度的设定值。

车高调整装置的控制原理，利用光电元件接通或断开的组合，就可把车高的变化范围分为多个区域进行检测。

3.2 光电式转向传感器

光电式转向传感器安装在转向轴管上，它用于检测转向盘的中间位置、转动方向、转动角度和转动速度。在电子控制悬架中，电子控制装置根据车速传感器信号和转向传感器信号，判断汽车转向时侧向力的大小，以控制车身的侧倾。

转向盘转向传感器用于检测汽车转向轮的偏转角度及偏转方向。在丰田轿车上装用的电子控制悬架系统上应用的光电式转向传感器，其结构如图7所示。转向（控制）圆盘安装在轴上，加在盘的两侧的是两组光电元件（发光二极管及光敏晶体管组成），光电元件套在转向柱管上。盘的周围开有许多均匀的槽，随着转向主轴的旋转，圆盘也随着旋转，通过等间隔配列的开缝口，使光电元件之间的光间断开闭，由此可检出旋转角度。如图3-2所示

如图3-2 光电式转向传感器

光电式转向传感器的电路，光敏晶体管在遮光盘的作用下，或者导通，或者截止。根据晶体管导通、截止的速度，就可以检测出转向器的角速度。此外，晶体管Tr1与Tr2之间的导通与截止，相位差90°，根据先导通的脉冲信号（波形下降），可检测出转向器的旋转方向，而且，图中的光敏晶体管在转向圆盘的作用下导通或截止，根据其导通或截止的速度，就可检测出转向器的速度。

如图3-3所示

如图3-3 转向盘

3.3 光电式光量传感器

光电式光量传感器用硫化镉（CdS）作为半导体元件，当光线照射硫化镉（CdS）时，电阻值随之变化，能把周围光照的变化转换为电阻值的变化，以电信号的形式输入控制器。目前在汽车上用于各种灯具亮、熄的自动控制。光电式光量传感器在汽车灯控制上的应用。灯光控制器安装在仪表板的上方，到傍晚时，它使尾灯点亮，当天色变得更暗时，前照灯被点亮。当对方来车时，还具有变光功能，这些都是自动完成的。

3.4 光电式车速传感器

光电式车速传感器用于数字式速度表，由发光二极管、光敏晶体管以及安装在速度表驱动轴上的遮光板构成。车速表显示分辨率为1km/h时，当显示车速超过101km/h时，速度判断回路输出报警信号，点亮速度警告信号灯；当显示的车速超过105km/h时，蜂鸣器就会鸣叫。如图3-4所示

如图3-4所示

如图3-4所示

光电式车速传感器在数字式车速报警系统中的应用，数字式车速表主要由荧光管、电控单元、集成电路IC等构成。如图3-5所示，车速传感器输出的脉冲信号传入到车速表，通过荧光显屏显示车速，并把其信号输入到里程表、燃油表、温度表等。

数字式车速表的安装位置。光电式车速传感器产生的脉冲信号经整形后输入到计数电路中，在记忆电路中被记忆下来。定时电路输出信号决定着计数电路的计测时间和记忆时间，记忆电路中的输出信号加到显示电路上，荧光管根据光电式车速传感器输出的脉冲数显示车速。如图3-6所示

如图3-5 数字车速表位置图形

如图3-6 车速表电路框图

第4章汽车传感器未来的发展方向

未来的汽车传感器技术的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。

20世纪末期，设计技术、材料技术，特别是Meant (微电子机械系统)技术的发展使微型传感器提高到了一个新的水平，利用微电子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同一芯片上，它具有体积小、价格便宜、可靠性高等特点，并且可以明显提高系统测试精度。目前采用Memes技术可以制作检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的微型传感器。由于Memes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。Memes传感器将成为世界汽车电子的重要构成部分。

汽车传感器和电子系统向着采用Memes传感器的方向发展。Philips Electronics公司和Continental Treves公司10年销售1亿只用于汽车ABS系统的传感器芯片, 生产上达到了一个新的里程碑。两个公司共同开发有源磁场传感器的前瞻性技术,产品应用在汽车厂家生产的最新的轿车上。Continental Treves公司用这种磁阻式转速传感器制作了轮速传感器, 用于ABS系统,防滑系统等。

Memes传感器成本低、可靠性好、尺寸小，可以集成在新的系统中,工作时间达到几百万个小时。Memes器件最早的是绝压传感器（Map）和气囊加速度传感器。目前，正在研发和小批量生产的MEMS/MST产品有：轮速旋转传感器, 胎压传感器, 制冷压力传感器, 发动机油压传感器, 刹车压力传感器和偏离速率传感器等等。在今后的5-7年Memes器件将大量应用到汽车系统中。

随着微电子技术的发展和电子控制系统在汽车上的应用迅速增加，汽车传感器市场需求将保持高速增长，以Memes技术为基础的微型化、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。

21世纪初期（2010前后），敏感元件与传感器发展的总趋势是小型化、集成化、多功能化、智能化、系统化。传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，并加速新一代传感器的开发和产业化。

微机械加工技术（MEMT）和微米/纳米技术将得到高速发展，将成为21世纪传感器领域中带有革命变化的高新技术。采用MEMT制作的MEMS产品（微传感器和微系统），具有划时代的微小体积、低成本、高可靠等独特的优点，预计由微传感器、微执行器以及信号和数据处理装置总装集成的微系统将进入商业市场。随着新型敏感材料的加速开发，微电子、光电子、生物化学、信息处理等各学科、各种新技术的互相渗透和综合利用，可望研制出一批新颖、先进的传感器。如：新一代光纤传感器、超导传感器、焦平面阵列红列探测器、生物传感器、诊断传感器、智能传感器、基因传感器以及模糊传感器等。硅传感器的研究、生产和应用将成为主流，半导体工业将更加有力地带动传感器的设计手日工艺制造技术；而微处理器和计算机将进一步带动新一代智能传感器和网络传感器的数据管理和采集。

敏感元件与传感器的更新换代周期将越来越短，其应用领域将得到拓展，二次传感器和传感器系统的应用将大幅度增长，廉价传感器的比例将增大，必将促进世界传感器市场的迅速发展。高科技在传感技术中的应用比例更加增大。传感技术涉及多学科的交叉，它的设计需要多学科综合理论分析，常规方法已难于满足，CAD技术将得到广泛应用。如：国外在90年代初就研究出了用于硅压力传感器设计的MEMS CAD软件，大型有限元分析软件ANSYS，包含了力、热、声、流体、电、磁等分析模块，在MEMS器件的设计和模拟方面取得了成功。传感器产业将进一步向着生产规模化、专业化和自动化方向发展。工业化大生产的平面工艺技术将是促进传感器价格大幅度降低的主要动力。而传感器制造的后工序一一封装工艺和测试标定（两者的费用约占产品总成本的50%以上）的自动化，将成为关键生产工艺予以突破。传感器产业的企业结构仍将呈现“大、中、小并举”“集团化、专业化生产共存”的格局，集团化的大公司（含跨国集团公司〉将越来越显示出它的垄断作用，而专业化生产的中、小企业因其能适应市场小批量产品的需求，仍有其生存、发展的空间和机遇。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。

结论

本文主要讲述了传感器在汽车技术中的应用以及各种汽车传感器的工作原理和在汽车技术中的作用。其中转速传感器是检测发动机的转速、空气流量传感器检测发动机的进气量以更好的控制空燃比、节气门位置传感器是将节气门开度转换为电信号，通过ECU控制喷油量、进气温度传感器是检测发动机的进气温度，将进气温度转变为电压信号输入ECU作为喷油修正信号、氧传感器是根据化学平衡原理计算出对应的氧浓度，达到监测和控制炉内燃烧空然比，保证产品质量及尾气排放达标的测量元件。传感器技术的发展趋势是微型化、多功能。

参考文献

[1] 林平勇高嵩.电工电子技术(第二版).北京：高等教育出版社出版，2004

[2] 李春明.汽车电器与电路. 北京：高等教育出版社出版，2003-08

[3] 陈志恒胡宁.汽车电控技术. 北京：高等教育出版社出版，2003

[4] 张建俊.汽车检测技术. 北京：高等教育出版社出版，2003-12

[5] 郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用.西安电子科技大学出版社，2008；

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[6] 吴文琳，李美生.汽车传感器识别与检修精华.机械工业出版社，2005；54—76

[7] 颜晓河，董玲娇，苏绍兴.光电传感器的发展及应用.电子工业专用设备，2006年

01期

[8] 谢望.光电传感器技术的新发展及应用.仪器仪表用户，2005年05期