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现代汽车传感器的应用与发展
武汉工业学院
毕业论文
论文题目:
现代汽车传感器的应用与发展
姓名戈伟伟
学号071203120
院系数理科学系
专业电子信息科学与技术
指导老师李丹
2011年5月28日
目录
摘要I
AbstractII
1.绪论1
1.1汽车传感器的作用2
1.2现代汽车传感器的发展状况2
1.3国内汽车传感器发展状况3
1.4现代车用传感器的应用4
1.4.1发动机控制传感器4
1.4.2底盘和主轴上的传感器6
1.4.3车身用传感器7
1.4.4胎压监测传感器8
1.5汽车传感器的发展趋势9
2.发动机传感器10
2.1空气流量传感器10
2.1.1卡门旋涡式空气流量计11
2.1.2热线式空气流量计12
2.1.3热膜式空气流量计13
2.2压力传感器14
2.2.1电容式压力传感器14
2.2.2差动变压器进气压力传感器15
2.2.3半导体应变式进气压力传感器15
2.3气门位置传感器16
2.3.1开关式节气门位置传感器16
2.3.2线性节气门位置传感器17
2.4氧传感器17
2.5温度传感器18
2.6爆震传感器19
2.7曲轴位置传感器20
2.8转速传感器21
3ABS防抱死制动系统的传感器23
3.1转速传感器23
3.2横向加速度传感器24
3.3减速度传感器24
4车身系统常用传感器25
4.1碰撞传感器25
4.2雨水传感器25
4.3湿度传感器26
4.4红外线传感器26
4.5电动座椅用传感器26
5.结论与展望27
谢辞28
参考文献29
摘要
车用传感器是汽车电子技术领域研究的核心内容之一，本文介绍了车用传感器在汽车发动机控制系统、底盘控制系统和车控制系统中的种类及应用状况。
详细讨论了发动机传感器和车身常用传感器中所包含的各种主要传感器的工作原理。
汽车上常用的传感器类型包括轮速传感器、曲轴位置／凸轮轴位置传感器、温度传感器、压力传感器、爆震传感器等。
阐述了国内外汽车传感器的发展状况及趋势，即汽车传感器向着微型化、智能化、多功能化和集成化发展，并分布予以介绍。
同时，分析了我国汽车传感器技术水平。
关键词：
汽车；传感器；发展趋势
Abstract
Thevehicleseniorareautomotiveelectronictechnologyinthefieldofthecore.contentofthemotorintroductionseniorintheautomotiveenginecontrolsystems,chassiscontrolsystemandvehiclecontrolsystemofthetypeandapplication.discussedtheworkprincipleoftheseniorwhichmainlycontainedbyengineseniorandbodysenior.theautomobilesensormainlydividesintotypesandsoondriving-type/passiveform,temperature,pressure.elaboratedthedomesticandforeignvehiclesenor’sdevelopmentconditionandtendency,namelythevehicleseniorwillturntowardthemicrominiaturization、theintellectualized、multi-purposeandtheintegrationdevelopment，atthesametime，ithasanalyzedourcountryautomobilevehicleseniortechnicallevel.
Keyword：
automotive；motorsenior；developmenttrends
1.绪论
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[1]。
今天，传感器已是无处不在。
在动力系统中，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，还需要乘员位置、体重等传感器来保证其及时和准确的工作。
面对制造商提供的侧量、顶置式气囊以及更精巧的侧置头部气囊，还要增加传感器。
随着研究人员用防撞传感器（测距雷达或其她测距传感器）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。
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。
汽车电子化和自动化程度越高对传感器的依赖越大。
目前一辆普通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多达两百余只。
近年来,世界各国对车用传感器的研究及开发都非常重视,车用传感器发展的总趋势是多功能化、集成化和智能化。
多功能化是指一个传感器能检测两个或两个以上参数;集成化是指直接利用半导体特性制成单片集成电路传感器,或将分立的小型传感器制作在硅片上,例如集成化温度、压力传感器及霍尔电路等;智能化是指传感器与大规模集成电路结合,成为带有专用微型计算机的传感器。
1.1汽车传感器的作用
传感器是能感受规定的被测量、并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。
它是一种检测装信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。
它是一种检测装置,是实现自动检测和自动控制的首要环节。
汽车传感器是安装于汽车上,用来感测行车过程中外在变化的传感器。
汽车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的信息,如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等,转化成电信号输给计算机,使汽车处于最佳工作状态。
汽车传感器可对温度、压力、位置、转速、加速度、流量、湿度、电磁、光电、气体、振动等各种信息进行实时、准确的测量和控制。
汽车传感器须能经受住-40℃～+150℃的温度变化,而且要求精度高,响应快,可靠性好,抗干扰和抗震能力强[2]。
1.2现代汽车传感器的发展状况
随着汽车行业的快速发展，传感器在汽车上的应用也随之不断扩大，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。
由于人们对于安全性、环保性、舒适性、通讯和娱乐的需求日益增长，预计2012年全球汽车传感器市场将从2007年的80亿美元上升到135亿美元，复合年增长率为10.8%。
中国市场是车用传感器发展的沃土，最新调查数据显示，2006年中国汽车传感器的市场销售额达到3.9亿美元，同比增长率为42.8%，2007年-2010年期间中国汽车传感器市场销售额的年度复合增长率将超过35%。
预计2007年市场销售额将达到5.4亿美元，其同比增长率为36.3%;预计2009年市场销售额将接近10.5亿美元，其同比增长率为40.5%;预计2010年市场销售额将超过13.2亿美元，其同比增长率为35.2%[3]。
表1汽车传感器的主要增长领域
传感器的类型
用途
偏航速率传感器
车辆动态控制、翻车报警、GPS系统
压力传感器
传动、刹车、冷却、轮胎、燃油等方面
加速度传感器
车辆动力学控制、安全气囊
测距传感器
近距离障碍物检测、避撞
位置传感器
轮速以及凸轮轴、机轴、踏板位置检测
日光、雨水和湿度传感器
日光强度、雨水量、湿度大小检测
1.3国内汽车传感器发展状况
我国的汽车传感器由于起步较晚，还没有形成系列化、配套化。
只有零散的产品为化油器配套使用，如曲轴位置、车速传感器采用的是电磁式或霍尔式，存在着准确度、分解能力、信号精度、匹配性、抗干扰性、低速检测、耐环境能力差等问题，而国外同类产品采用的是光电式，不存在上述问题。
总体上讲，国内汽车传感器行业现阶段存在品种少、不配套、性能较落后、抗干扰性差等问题。
许多传感器厂为了增强产品的竞争力，采用与国外同行业进行合资经营的方式，消化吸收国外先进的传感器技术，使产品升级换代，从而逐步发展壮大。
但绝大多数企业还只是配套生产其它车用传感器，处于利润少、产品单一、产品质量和技术水平低下的状况。
中国汽车传感器随着汽车大力发展而呈现强劲的增长势头，国内汽车传感器迅速增长起来。
但中国汽车传感器大多被世界跨国公司瓜分，加快汽车电子国产化是汽车电子行业的首要任务。
为了帮助中国汽车传感器行业早日实现多功能化、集成化和智能化，盖世汽车网将于2010年10月举办“2010国际汽车电子应用技术研讨会”，邀请来自国内外的行业专家分享汽车传感器的最新应用技术，预测汽车电子的技术发展动向。
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，通过新的结构设计和新的原理，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。
1.4现代车用传感器的应用
在汽车工业高度发达的今天，传感器已经在汽车的各个部件中都得到了广泛应用，见图l。
图1某豪华车型中一些传感器的功能和位置
1.4.1发动机控制传感器
图2发动机管理系统
图3桑塔纳2000轿车发动机汽油喷射系统
发动机管理系统（简称EMS）其采用各种传感器，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。
这些传感器将发动机吸入空气量、冷却水温度、发动机转速与加减速等状况转换成电信号送入控制器，控制器将这些信息与储存信息比较、精确计算后输出控制信号。
EMS不仅可以精确控制燃油供给量，以取代传统的化油器，而且可以控制点火提前角和带速空气流量等，极大地提高了发动机的性能。
见图2
1.4.2底盘和主轴上的传感器
底盘、悬架和主轴上的传感器主要包括：
转向传感器、车轮角速度传感器、侧滑传感器、横向加速度传感器。
这里及往后将重点介绍ABS（Anti-lockedBrakingSystem）防抱死制动系统的传感器。
见图4。
ABS的主要作用是改善整车的制动性能，提高行车安全性，防止在制动过程中车轮抱死（即停止滚动），从而保证驾驶员在制动时还能控制方向，并防止后轴侧滑。
其工作原理为：
紧急制动时，依靠装在各车轮上高灵敏度的车轮转速传感器，一旦发现某个车轮抱死，计算机立即控制压力调节器使该轮的制动分泵泄压，使车轮恢复转动，达到防止车轮抱死的目的。
ABS的工作过程实际上是“抱死—松开—抱死—松开”的循环工作过程，使车辆始终处于临界抱死的间隙滚动状态，有效克服紧急制动时由车轮抱死产生的车辆跑偏现象，防止车身失控等情况的发生。
ABS的种类可分机械式和电子式两种。
机械式ABS结构简单，主要利用其自身内部结构达到简单调节制动力的效果。
该装置工作原理简单，没有传感器来反馈路面摩擦力和轮速等信号，完全依靠预先设定的数据来工作，不管是积水路面、结冰路面或是泥泞路面和良好的水泥沥青路面，它的工作方式都是一样的。
严格地说，这种ABS只能叫做“高级制动系统（AdvancedBrakeSystem）”。
目前，国内只有一些低端的皮卡等车型仍在使用机械式ABS。
机械式ABS只是用部件的物理特性去机械的动作，而电子式ABS是运用电脑对各种数据进行分析运算从而得出结果的。
电子式ABS由轮速传感器、线束、电脑、ABS液压泵、指示灯等部件构成。
能根据每个车轮的轮速传感器的信号，电脑对每个车轮分别施加不同的制动力，从而达到科学合理分配制动力的效果。
最早的ABS系统为二轮系统。
所谓二轮系统就是将ABS装在汽车的两个后轮上。
由于两后轮公用一条制动液压管路和一个控制阀，所以又称做“单通道控制系统”。
这种系统是根据两个后车轮中附着力较小的车轮状态来选定制动压力，这被称为“低选原则”。
也就是说，采用低选原则的ABS车辆的一个后轮有抱死趋势时，系统只能给两个后轮同时泄压。
又由于前轮没有防抱死功能，因而，二轮系统难以达到最佳制动效果。
随着相关技术的发展，后来出现了“三通道控制系统”，该系统是在二轮系统基础上，将两前轮由两条单独的管路独立控制。
虽然后轮还是采用“低选原则”，但由于实现了紧急制动时的转向功能及防止后轴侧滑的功能，所以这种系统具备了现代ABS的主要特点。
至今，市面上还有车辆采用这种三通道控制的ABS系统。
目前，装备在车辆上最常见的是四传感器四通道ABS系统，每个车轮都由独立的液压管路和电磁阀控制，可以对单个车轮实现独立控制。
这种结构能实现良好的防抱死功能[4]。
图4防抱死制动系统（ABS）
1.4.3车身用传感器
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。
由于其工作条件不像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。
需要解释的是车身上使用的传感器大多都是外置设备，可以由车主喜好自由选择进行组装。
因此，车身使用的传感器种类繁多且差异性较大，在此简介一些车身上普遍使用的传感器，见表2。
表2车身用传感器
传感器名称
作用
温度传感器、湿度传感器、风量传感器、日照传感器
用于自动空调系统
加速度传感器
用于安全气囊系统中
车速传感器
用于门锁控制
光传感器
用于亮度自动控制
超声波传感器激光传感器
用于倒车控制
距离传感器
用于保持车距
图像传感器
用于消除驾驶员盲区
罗盘传感器陀螺仪和车速传感器
用于导航系统的传感器
1.4.4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。
轮胎智能监测系统的特色在于每个轮胎上均装有车压传感器及无线发射系统，它们能够精确地测量轮胎的气压和温度并将这些信息通过无线信号传输到安装在车内的接收器上。
该系统让您领略轮胎智能监测的卓越品质。
本系统胎压压力传感器采用压电原理，并在传感器的控制上采用加密技术，从而也可提高汽车的安全附加值。
根据美国汽车工程师学会统计，美国每年约有26万起交通事故是由于轮胎气压偏低或漏气造成的；而每年75%的轮胎故障是由于轮胎漏气或充气不足所引起的。
由于上述的原因，美国立法规定新车必须安装轮胎压力监测系统。
1.5汽车传感器的发展趋势
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。
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块芯片上，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。
当前，该技术逐步成熟，可以制作检测力学量、磁学量、热学量等各种微型传感器。
多功能化是指一个传感器能检测两个或两个以上的特征参数或者化学参数，从而减少汽车传感器的数量，提高系统的可靠性。
智能传感器是一种带微型计算机兼有检测、判断、信息处理等功能的传感器。
与传统传感器相比，她具有很多特点。
例如，她可以确定传感器工作状态，对测量资料进行修正，以便减少环境因素如温度引起的误差；用软件解决硬件难以解决的问题；完成资料计算与处理工作等等。
世界各国都在车用传感器硬件的基础上，努力用软件来解决汽车电气干扰大、环境差（温度高、温度梯度大、污染厉害等）等问题造成的对汽车参数测量的影响。
而且智能式传感器精度高、量程覆盖范围大、输出信号大、信噪比高、抗干扰性能好，有的还带有自检功能。
不少汽车大公司在该方面进行研制与开发，并取得了成就并加以应用。
其技术的发展方向是开展基础研究，发现新现象，采用新原理，开发新材料，采用新工艺；扩大传感器的功能与应用范围。
开发新材料是发展汽车传感器技术的一个重要方向。
由于材料科学的进步，在制造各种材料时，人们可以任意控制其成分，从而可以设计与制造出各种用于传感器的功能材料，例如控制半导体氧化物的成分，可以制造出各种气体传感器；光导纤维用于传感器是传感器功能材料的一个重大发现；引起专家关注[5]。
2.发动机传感器
作为汽车核心部件，发动机的高效率和环保性无疑是各生产厂商不断追求的目标，因此，出色的控制型传感器具有举足轻重的地位[6]。
发动机总成上的传感器主要包括：
发动机——爆震传感器、曲轴位置和转速传感器；
电喷——压力传感器、空气流量传感器、氧传感器、节气门位置传感器、气体浓度传感器；
冷却循环系统——温度传感器；
图5丰田汽车发动机控制系统（TCCS系统）
2.1空气流量传感器
为了形成符合要求的混合气，使空燃比达到最佳值，我们就必须对发动机进气空气流量进行精确控制。
下面我们来介绍一下几种常用的空气流量传感器。
2.1.1卡门旋涡式空气流量计
卡门旋涡式空气流量计的原理图如下：
涡流式空气流量传感器是利用超声波或光电信号，通过检测旋涡频率来测量空气流量的一种传感器。
众所周知，当野外架空的电线被风吹时，就会发出“嗡、嗡”的声音，且风速越高声音频率越高，这是气体流过电线后形成旋涡（即涡流）所致。
液体、气体等流体均会产生这种现象。
同样，如果我们在进气道中放置一个涡流发生器，比如说一个柱状物，在空气流过时，在涡流发生器后部将会不断产生如图所示的两列旋转方向相反，并交替出现的旋涡。
这个旋涡就称为卡门旋涡。
卡门旋涡式空气流量计就是利用这种这种旋涡形成的原理，测量气体流速，并通过流速的测量直接反映空气流量。
对于一台具体的卡门旋涡式空气流量计，有如下关系式：
qv=kf,qv为体积流量，f为单列旋涡产生的频率，k为比例常数，它与管道直径，柱状物直径等有关。
由这个关系式可知，体积流量与卡门涡流传感器的输出频率成正比。
利用这个原理，我们只要检测卡门旋涡的频率f，就可以求出空气流量。
根据旋涡频率的检测方式的不同，汽车用涡流式空气流量传感器分为超声波检测式和光学式检测式两种。
例如，中国大陆进口的丰田凌志LS400型轿车和台湾进口的皇冠3.0型轿车采用了光电检测涡流式空气流量器；日本三菱吉普车、中国长风猎豹吉普车和韩国现代轿车采用了超声波检测涡流式空气流量传感器[7]。
（1）光学式卡门旋涡空气流量计
现代物理学光的粒子说认为，光是一种具有能量的粒子流，当物体受到光照射时，由于吸收了光子能量而产生的效应，称为光电效应。
光敏晶体管是一种半导体器件，它的特点就是受到光的照射时，它们都会产生内光电效应的光生伏特现象，从而产生电流。
图7卡门涡流式MAF检测电路
工作原理：
在产生卡门旋涡的过程中，旋涡发生器两侧的空气压力会发
生变化通过导孔作用在金属箔上，从而使其振动，发光二极管的光照在振动的金属箔上时，光敏晶体管接收到的金属箔上的反射光是被旋涡调制的光，再由光敏晶体管输出调制过的频率信号，这种频率信号就代表了空气的流量信号。
（2）超声波式卡门旋涡式空气流量计
超声波是指频率高于20HZ，人耳听不到的机械波。
它的特性就是方向性好，穿透力强，遇到杂质或物体分界面会产生显著的反射，譬如自然界里的蝙蝠，鲸鱼等动物都是通过超声波来进行方位定向的。
利用这种物理特性，我们可以把一些非电量转换成声学参数，通过压电元件转换成电量。
超声波式卡门旋涡式空气流量计的工作原理与光学式卡门旋涡空气流量计的工作原理大致相同，只是光学元件换成了声学元件。
在日常生活中，常常会遇到这样的现象，即当顺着风向喊话人时，对方很容易听到；而逆着风向喊人时，对方就不容易听到。
这是因为前者的空气流动方向与声波的前进方向相同，声波被加速的结果，而后者是声波受阻而减速的结果。
在超声波式流量传感器中，同样存在着这种现象。
工作原理是：
在旋涡发生器下游管路两侧相对安装超声波发射探头和超
声波接收探头，超声波发射探头不断向超声波接收探头发出一定频率（一般为40KHZ）的超声波，当超声波通过进气气流到达超声波接收器时，由于受到气流移动速度及压力变化的影响，因此接收到的超声波信号的相位（时间间隔）以及相位差（时间间隔之差）就会发生变化，集成控制电路根据相位或相位差的变化情况计量出涡流的频率。
涡流频率信号输入ECU后，ECU就可以计算出进气量。
2.1.2热线式空气流量计
图8热线式空气流量计
构成：
我们来看结构图，它的基本构成包括感知空气流量的白金热线、根据进气温度进行修正的温度补偿电阻（冷线）、控制热线电流的控制电路以及壳体等。
根据白金热线在壳体内安装部位的不同，可分为安装在空气主通道内的主流测量方式和安装在空气旁通道内的旁通道测量方式。
热线式空气流量计是利用空气流过热金属线时的冷却效应工作的。
将一根铂丝热线置于进气空气流中，当恒定电流通过铂丝使其加热后，如果流过铂丝周围的空气增加，金属丝温度就会降低。
如果要使铂丝的温度保持恒定，就应根据空气量调节热线的电流，空气流量越大，需要的电流越大。
下面的图是主流测量方式的热线式空气流量计的工作原理图。
其中RH为是直径为0.03-0.05的细铂丝（热线），RK是作为温度补偿的冷线电阻。
RA和RA是精密线桥电阻。
四个电阻共同组成一个惠斯登电桥。
在实际工作中，代表空气流量的加热电流是通过电桥中的RA转换成电压输出的。
当空气以恒定流量流过时，电源电压使热线保持在一定温度，此时电桥保持平衡。
当有空气流动时，由于RH的热量被空气吸收而变冷，其电阻值发生变化，电桥失去平衡。
此时，放大器即增加通过铂丝的电流，直到恢复原来的温度和电阻值，使电桥重新平衡。
由于电量的增加，RA的电压增加，这样就在RA上得到了代表空气流量的新的电压输出。
进气温度的任何变化都会使电桥失去平衡。
为此，在靠近热线的空气流中，设有一个补偿电阻丝（冷线）。
冷线补偿电阻的温度起一个参照值的作用。
在工作中，放大器会使热线温度高出进气温度100度。
热线式空气流量计长期使用，会使热线上积累杂质。
为此，在热线式流量计上采用了烧尽措施解决这个难题。
每当发动机熄火时，ECU自动接通空气流量计壳体内的电子电路，热线被自动加热，使其温度在1S内升高了1000度。
由于烧尽温度必须是非常精确的，因此，在发动机熄火后4S后，该电路才被接通。
这种空气流量计由于没有运动部件，因此工作可靠，而且响
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