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汽车传感器论文

绪论

　现代汽车技术发展特征之一就是越来越多的部件采用电子控制。

根据传感器的作用，可以分类为测量温度、压力、流量、位置、气体浓度、速度、光亮度、干湿度、距离等功能的传感器，它们各司其职，一旦某个传感器失灵，对应的装置工作就会不正常甚至不工作。

因此，传感器在汽车上的作用是很重要的。

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。

据有关统计,在汽车上的电子元件的相关价值已经从20世纪70年代的零增长到2000年的中级汽车的20%左右。

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。

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。

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。

1传感器的历史及发展

1.1传感器的历史

　　在20世纪60年代，汽车上仅有机油压力传感器、油量传感器和水温传感器，它们与仪表或指示灯连接。

　　进入70年代后，为了治理排放，又增加了一些传感器来帮助控制汽车的动力系统，因为同期出现的催化转换器、电子点火和燃油喷射装置需要这些传感器来维持一定的空燃比以控制排放。

80年代，防抱死制动装置和气囊提高了汽车安全性。

　　今天，传感器有用来测定各种流体温度和压力（如进气温度、气道压力、冷却水温和燃油喷射压力等）的传感器；有用来确定各部分速度和位置的传感器（如车速、节气门开度、凸轮轴、曲轴、变速器的角度和速度、排气再循环阀（EGR）的位置等）；还有用于测量发动机负荷、爆震、断火及废气中含氧量的传感器；确定座椅位置的传感器；在防抱死制动系统和悬架控制装置中测定车轮转速、路面高差和轮胎气压的传感器；保护前排乘员的气囊，不仅需要较多的碰撞传感器和加速度传感器。

随着研究人员用防撞传感器（测距雷达或其他测距传感器）来判断和控制汽车的侧向加速度、每个车轮的瞬时速度及所需的转矩，使制动系统成为汽车稳定性控制系统的一个组成部分。

　　老式的油压传感器和水温传感器是彼此独立的，由于有着明确的最大值或最小值的限定，其中一些传感器的实际作用就相当于开关。

随着传感器向电子化和数字化方向发展，它们的输出值将得到更多的相关利用。

　　传感器在汽车上的应用不断扩大，它们在汽车电子稳定性控制系统（包括轮速传感器、陀螺仪以及刹车处理器）、车道偏离警告系统和盲点探测系统（包括雷达、红外线或者光学传感器）各个方面都得到了使用。

1.2传感器的发展情况

　　2005年，美国ABI研究公司公布了一份专门针对传感器市场的研究报告。

这份名为《汽车传感器：

加速计、陀螺仪、霍耳效应、光学、压力、雷达以及超音速传感器》的报告，对2012年前主要传感器的地区性使用前景作了预测。

报告讨论了使用传感技术的许多先进安全系统，并提供了主要40家生产厂家的详细资料，以及100多家生产厂家名录。

这家调查公司的一位资深分析师认为，是主动式安全系统推动了传感器被越来越多地使用。

在汽车业，安全系统成为传感器的最大市场。

　　根据“全球信息公司”的调查报告，全球轻型汽车传感器OEM市场年均增长率7.4%，到2010年将达到140亿美元的规模，其增长幅度远远超出汽车本身的年均增长率。

在发达国家，随着汽车电子系统日益完善，电子传感新技术快速发展，但已经成熟的传感器产品的增长将趋缓甚至可能下降；在发展中国家，基本的汽车传感器主要用于汽车发动机、安全、防盗、排放控制系统，增长量十分可观。

用于发展中国家汽车幕敬衅鞑分饕ü齇EM生产，以减少成本。

汽车传感器供应商面临严峻挑战：

一方面要扩大产能产量，另一方面要不断减低成本，这种发展趋势未来将不可能改变。

汽车发动和驱动系统仍是传感器的最大和最成熟的市场，然而与其它应用相比，增速将放缓；随着全球燃油价格的提高，“改进燃烧效率”将是汽车传感器的新的应用“亮点”领域；在汽车安全和防盗系统中的应用将是最快的增长的市场；尾气排放控制系统市场的发展则十分稳定，前景良好。

按区域划分的几大应用市场是，在美国，主要用于胎压检测；在欧洲，用于汽车行人警告系统；在新兴产业国家，主要用于安全气囊和自动安全带系统。

以每辆车来衡量，氧传感器用量最多，技术上不断进步。

2.传感器的概述

2.1传感器的作用

　　现代汽车技术发展特征之一就是越来越多的部件采用电子控制。

根据传感器的作用，可以分类为测量温度、压力、流量、位置、气体浓度、速度、光亮度、干湿度、距离等功能的

图1—1图1—2

传感器，它们各司其职，一旦某个传感器失灵，对应的装置工作就会不正常甚至不工作。

因此，传感器在汽车上的作用是很重要的。

汽车传感器过去单纯用于发动机上，现在巳扩展到底盘、车身和灯光电气系统上了。

这些系统采用的传感器有100多种。

2.2传感器的种类

2.2.1进压力传感器：

反映进气歧管内的绝对压力大小的变化，是向ECU（发动机电控单元）提供计算喷油持续时间的基准信号，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。

2.2.2空气流量计

测量发动机吸入的空气量，提供给ECU作为喷油时间的基准信号；

图1—3图1—4

2.2.3节气门位置传感器

测量节气门打开的角度，提供给ECU作为断油、控制燃油/空气比、点火提前角修正的基准信号；

2.2.4曲轴位置传感器

检测曲轴及发动机转速，提供给ECU作为确定点火正时及工作顺序的基准信号；

图1—5

2.2.5氧传感器

检测排气中的氧浓度，提供给ECU作为控制燃油/空气比在最佳值（理论值）附近的的基准信号；

图1—6

2.2.6进气温度传感器

检测进气温度，提供给ECU作为计算空气密度的依据。

图1—7

2.2.7、冷却液温度传感器

检测冷却液的温度，向ECU提供发动机温度信息；

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准确度高,但响应特性差;热敏电阻式温度传感器灵敏度高,响应特性好,但线性差,适应温度较低;热偶电阻式温度传感器的准确度高,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。

2.2.8爆震传感器

安装在缸体上专门检测发动机的爆燃状况，提供给ECU根据信号调整点火提前角。

图1—8

3常用传感器工作原理

3.1磁电效应

　　根据法拉第电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动，切割磁力线（或线圈所在磁场的磁通变化）时，线圈中所产生的感应电动势的大小取决于穿过线圈的磁通的变化率，

　　直线移动式磁电传感器

　　直线移动式磁电传感器由永久磁铁、线圈和传感器壳体等组成

当壳体随被测振动体一起振动且在振动频率远大于传感器的固有频率时，由于弹簧较软，运动件质量相对较大，运动件来不及随振动体一起振动（静止不动）。

此时，磁铁与线圈之间的相对运动速度接近振动体的振动速度。

3.2转动式磁电传感器

　　软铁、线圈和永久磁铁固定不动。

由导磁材料制成的测量齿轮安装在被测旋转体上，每转过一个齿，测量齿轮与软铁之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也变化一次。

线圈中感应电动势的变化频率（脉冲数）等于测量齿轮上的齿数和转速的乘积。

3.3霍耳式传感器

3.3.1霍耳效应

　　半导体或金属薄片置于磁场中，当有电流（与磁场垂直的薄片平面方向）流过时，在垂直于磁场和电流的方向上产生电动势，这种现象称为霍耳效应。

3.3.2霍耳元件

　　目前常用的霍耳材料锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等。

N型锗容易加工制造，霍耳系数、温度性能、线性度较好；P型硅的线性度最好，霍耳系数、温度性能同N型锗，但电子迁移率较低，带负载能力较差，通常不作单个霍耳元件。

3.4压电式传感器

3.4.1压电效应

　　对某些电介质沿着一定方向加力而使其变形时，在一定表面上产生电荷，当外力撤除后，又恢复到不带电状态，这种现象称为正压电效应。

在电介质的极化方向施加电场，电介质会在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外电场去除后，变形或应力随之消失，此现象称为逆压电效应。

3.4.2压电元件

　　压电式传感器是物性型的、发电式传感器。

常用的压电材料有石英晶体（SiO2）和人工合成的压电陶瓷。

压电陶瓷的压电常数是石英晶体的几倍，灵敏度较高。

3.5光电式传感器

3.5.1光电效应

当光线照射物体时，可看作一串具有能量E的光子轰击物体，如果光子的能量足够大，物质内部电子吸收光子能量后，摆脱内部力的约束，发生相应电效应的物理现象，称为光电效应。

在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象，称为光生伏特现象，如光电池（属于对感光面入射光点位置敏感的器件）等。

3.5.2光敏电阻

　　光敏电阻受到光线照射时，电子迁移，产生电子—空穴对，使电阻率变小。

光照越强，阻值越低。

入射光线消失，电子—空穴对恢复，电阻值逐渐恢复原值。

　4传感器在汽车上的应用

　　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。

4.1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。

4.2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。

4.3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。

4.4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％。

4.5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。

4.6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。

结论

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。

汽车传感器对温度、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。

衡量现代高级轿车控制系统水平的关键就在于其传感器的数量和水平。

当前，一辆国内普通家用轿车上大约安装了近百个传感器，而豪华轿车上的传感器数量多达200只。

　　近年来从半导体集成电路技术发展而来的微电子机械系统（MEMS）技术日渐成熟，利用这一技术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，这些传感器的体积和能耗小，可实现许多全新的功能，便于大批量和高精度生产，单件成本低，易构成大规模和多功能阵列，非常适合在汽车上应用。

　　微型传感器的大规模应用将不仅限于发动机燃烧控制和安全气囊，在未来5～7年内，包括发动机运行管理、废气与空气质量控制、ABS、车辆动力的控制、自适应导航、车辆行驶安全系统在内的应用，将为MEMS技术提供广阔的市场。

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。

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增加,多功能化、集成化和智能化的传感器将逐步取代传统传感器,成为汽车传感器的主流。

致谢

在本次毕业论文的写作过程中，马明金老师对我的论文从选题、构思、资料收集到最后定稿的各个环节与细心指导与教导，使我得以最终完成毕业论文，在此表示衷心感谢。

王老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度。

积极进取的科研精神以及诲人不倦的师者作风是我终生学习的楷模。

在三年的大学生涯里，还得到众多老师的关心支持和帮助，在此，老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！

谢谢！

参考文献

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太原理工大学，2010.10

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西安电子科技大学，2010.07

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