汽车的传感器.docx

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汽车的传感器

   汽车传感器将有关汽车运行的变化量传递到有关的仪表或者控制器，在汽车上起到了“耳目”的作用。

   1970年以前，一般汽车上只有油压，水温，油量等三种传感器，分别监测发动机的润滑压力，冷却水温度和燃油箱的储量。

从70年代开始，伴随着汽车电子化的发展，汽车性能的提高和人们对环境保护意识的加强，传感器在现代汽车上的应用范围和使用数目也不断增加，目前轿车上的传感器已经广布全车，从发动机到变速器，从转向到安全气囊，从制动到悬架,从照明到空调都已经有了传感器的踪影。

据统计，现在中级的轿车已有传感器20个左右，高级的轿车已达80个以上，而且趋势还在不断增加。

   目前汽车传感器有两大类，一类是使驾驶者直接了解汽车各部分状态的仪表传感器，另一类是用于控制汽车运行状态的控制传感器。

前一种早就有了，后一种是现代汽车电子技术的发展产物。

   控制传感器也是一种转换器，它将物理量，电量或者化学量等信号转换成一种计算机能够理解的电信号，传感器是控制系统的关键部件，如果没有各种传感器，计算机根本无法工作，汽车电子化也就无从谈起。

   例如现代轿车的电子燃油喷射发动机上，都安装有进气温度传感器，真空传感器等多种传感器，它们各得其位，分别安置在进气管道，节流阀，分电器轴等位置上，监测进气温度，压力，流量以及发动机转速，将这些信号变成电信号传递给计算机，又称中央控制器（ECU），它根据信号和储存在固定存储器中的信号进行比较，计算出当前工况下最佳的点火时刻及最佳的喷油量，从而输出脉冲电流去控制操纵有关元件。

   汽车的工作环境是十分恶劣的，因此对传感器的要求也十分严格。

这些传感器必须要经受住从－40c°到＋150c°的温度变化，而且要求精度高，可*性好，反应快，抗干扰和抗震能力强，才能准确地将汽车运行上的有关量值进行实时检测，将它们转换成电信号供给中央控制器。

   世界上一些著名的汽车电器制造商十分重视传感器的研究和开发工作。

例如德国西门子公司和波许公司都设有汽车传感器的研究与开发中心，研制经费占年利润的10%以上。

目前汽车传感器已从一般的电磁式发展成为用磁敏，气敏，力敏，热敏，光电，激光等多种形式的传感器，传感器的材料也从金属发展成为用半导体，陶瓷，光学纤维等材料。

尤其是以光学纤维做成的光纤传感器，由于具有容量大，体积小，绝缘好，稳定性高，不怕电磁干扰等优点，已在一些轿车上应用。

   目前轿车上的传感器所监测信号的范围越来越大，已从过去单纯监测车内物理变化到现在监测车内外的物理变化和化学变化，包括环境温度的变化，驾驶者的身体及精神变化，车辆的位置变化等等。

传感器是电子控制系统的“探头”，传感器用得越多，车上的电子化越全面，轿车的自动控制程度也就越高。

   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。

例如电控喷油喷射、废气排放、刹车防抱死系统、自动空调、大灯亮度控制、驾驶座位自动调整、转向控制、电控悬挂，等等。

电子自动控制的工作要依赖传感器的信息反缋。

据统计，目前一般轿车上大约有几十只传感器，高级轿车有100多个传感器，预计到2005年，全球的车用传感器需求量将达到12.7亿只。

   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。

二．传感器的种类

   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。

在种类繁多的传感器中，常见的有∶

1、用在电控喷油喷射发动机上的传感器

进气压力传感器：

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；

空气流量传感器：

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；

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；

曲轴角度传感器：

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；

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；

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；

水温传感器：

检测冷却液的温度，向ECU提供发动机温度信息；

爆燃传感器：

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。

2、用在底盘控制方面的传感器

这些传感器主要应用在变速器、方向器、悬架和ABS上。

变速器：

有车速传感器、温度传感器、轴转速传感器、压力传感器等，方向器有转角传感器、转矩传感器、液压传感器；

悬架：

有车速传感器、加速度传感器、车身高度传感器、侧倾角传感器、转角传感器等；

ABS：

有车轮速度传感器。

3、车身的传感器与安全性能息息相关，主要有安全气囊传感器、侧面防碰传感器、测距传感器等。

4、灯光及电气系统的传感器主要有光亮检测传感器、雨滴量传感器、空调温度传感器、座椅位置传感器等。

   微电子技术的发展促进传感器技术发展。

传感器巳经利用到Mems技术，一种利用硅单晶受力后其电阻率会发生很大变化的“压阻效应”原理通过机械或化学加工成园平膜片，利用微电子技术将极小（微米级）的敏感元件、信号处理器、数据处理装置封闭在同一个芯片上，可显著提高测试精确度，同时又具有体积小，重量轻，可靠性和耐用性高，价格便宜的优点。

凸轮轴位置传感器（CamshaftPositionSensor，CPS）又称为气缸识别传感器（CylinderIdentificationSensor，CIS），凸轮轴位置传感器一般都用CIS表示。

凸轮轴位置传感器的功用是采集配气凸轮轴的位置信号，并输入ECU，以便ECU识别气缸1压缩上止点，从而进行顺序喷油控制、点火时刻控制和爆燃控制。

此外，凸轮轴位置信号还用于发动机起动时识

huo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。

1.2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。

1.3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*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传感器；用于消除驾驶员盲区的图象传感器等。

1.4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。

2.汽车传感器的发展趋势

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。

　　故障现象：

一辆2009年款北京现代伊兰特1.6L轿车，行驶里程1.4万km。

据用户反映，该车起动正常，行驶中偶尔熄火，低速加速迟缓，当车速达到50km/h以上时行驶和加速都正常，发动机故障灯没有点亮。

　　检查分析：

首先使用故障诊断仪进行检测，发动机系统没有故障码存储。

路试情况和用户描述的一致，只是确认了熄火一般是在加速结束后松开加速踏板时发生，而且熄火之前发动机转速会上下波动几次。

维修人员在没有测量燃油系统压力的情况下，根据经验判断是燃油泵故障，于是更换了燃油泵芯，简单试车后感觉故障排除，于是交车给用户使用观察。

第二天车辆再次进厂，故障依旧。

　　笔者接车后，首先使用故障诊断仪对发动机系统进行检查，这次检测出了1个故障码P0068（MAFS/MAPS相互关系错误）。

发动机控制单元ECU通过节气门位置传感器TPS确定怠速（节气门关闭）、部分负荷、加速/减速以及节气门全开的工况，根据空气流量计MAFS或进气歧管压力传感器MAPS的信号和TPS信号调整燃油喷射持续时间和点火时刻。

如果TPS的输入值低于或高于MAFS/MAPS的输入值界限300s以上，ECU将记录故障码P0068，但不会点亮故障警告灯，可能的故障原因有TPS、MAFS/MAPS以及ECU故障或相关线路连接不良。

　　图1

　　对于该车，进气系统采用的是MAPS，没有使用MAFS。

连接故障诊断仪进入数据流检查，轻踩油门踏板时观察节气门位置传感器开度和电压变化情况，没有发现异常。

起动发动机，怠速状态下并无抖动，只是在急加速后发动机转速波动得比较厉害，而且尾气比较熏人。

在怠速状态下，观察发动机的几组比较重要的数据流（图1），由数据流分析可以发现疑点：

氧传感器的B1/SI反馈的电压过高，几乎在0.8V左右不动，属于可燃混合气极浓状态；燃油修正值为-26.3％，严重超过了标准值（±10％），属于减少喷油；MAP传感器电压为2.2V，正常怠速状态下的电压应为1.2V左右，而此时的节气门位置传感器开度是0.0％，电压为0.3V，为正常值，发动机转速是648r/min，处于怠速状态下。

由此可以得出初步的结论，MAPS在发动机怠速状态下给发动机控制单元的信号超出了标准值很多，之后发动机的喷油脉宽也相应地增加了，但此刻节气门是关闭的，空气得不到相应的增加，混合气过浓，所以氧传感器给发动机控制单元的反馈电压显示在极浓的状态，ECU就通过减少燃油量来修正，于是就出现了-26.3％的修正喷油量。

因此故障现象的发生也就在情理之中了，低速状态下加速无力，是由于MAPS给ECU的电压信号不准，混合气过浓所致。

当车速升高到一定程度时，随着节气门开度的增大，进入发动机的空气满足了故障状态下的MAPS提供的错误信号，即使有轻微的出入，也因为处于大负荷或高车速状况而可以忽略不计了。

当松开加速踏板后，节气门关闭，发动机进入怠速工况，而MAPS此时给ECU的反馈信号却不是怠速状态下的信号，所以就出现了发动机转速波动甚至熄火的现象。

混合气过浓，燃烧不完全，尾气超标就肯定会熏人了。

　　经过上面的分析判断，基本可以认定是MAPS的故障了。

　　图2

　　故障排除：

更换MAPS后，再次观察发动机MAPS数据流（图2），都恢复到怠速状态下的标准值，路试发动机一切正常。

　　案例2

　　故障现象：

一辆2009年款北京现代悦动1.6L轿车，行驶里程3万km。

据用户反映，车辆冷起动时有时候发动机转速降不下来，制动时发动机转速上下波动，有时可以上升到1500r/min以上，如果立即熄火后再次起动，则发动机转速可以恢复正常。

此现象不是每天都出现，但一周总会出现几次，与发动机的温度有关系，热车状态不会出现，车辆加速性能没有发现异常。

　　检查分析：

由于该车故障的出现具有一定偶然性，车辆初次来店时维修人员并不能捕捉到故障现象，于是按照一般问题的解决方案，先对车辆进行了基本检查。

各系统没有故障码存储，发动机系统的主要数据流均正常。

检查了真空助力泵和连接软管没有漏气的现象，检查了发动机和车身的主要部位以及发动机线束的主要插接件，没有发现问题。

　　几天后，用户再次因为相同的故障进厂。

笔者在早上起动发动机后反复踩制动踏板并观察发动机的转速，冷车时为1200r/min左右，热车后为800r/min左右，一切正常。

经过多次的冷车试验，故障现象出现了，只要踩下制动踏板，发动机转速便会上下波动一次，幅度大约为200r/min，然后回落到900～1200r/min，而此时发动机已经工作了一段时间，已经达到正常的工作温度，高怠速结束后应该回到正常的750～800r/min，但此时发动机转速为900～1200r/min。

使用故障诊断仪检测还是没有故障码存储，观察发动机系统的主要动态数据流：

怠速阀占空比30.5％；冷却液温度传感器87℃；节气门位置传感器开度0.0％，电压0.3V；发动机转速1237r/min；MAP电压1.4～1.9V，进气压力32～48kPa，随着踩制动踏板的节奏和发动机的转速上下波动而不断变化。

就此分析，是因为发动机转速的波动引起了MAPS的信号异常变化，所以就将分析重点放在了制动方面。

于是在怠速运转状态下快速拔下真空助力泵软管然后堵住，踩下制动踏板，观察到发动机转速表波动一次后停在1000r/min附近位置不动，还是回不到正常的怠速转速。

看来踩制动踏板可以提高故障发生的几率，但故障与制动并没有直接关系，肯定不是制动方面引起的。

　　再来看故障诊断仪中MAPS的数据，电压为1.46V，压力42kPa左右，笔者感觉这些数据有些问题，但因为进气歧管内的压力与发动机的转速及负荷有关系，车辆此种状态下（发动机转速800r/min，节气门位置传感器开度0.0％，电压0.3V）的数据无法通过其他正常车辆的数据来模拟比较，只有更换配件实验了。

　　图3

　　故障排除：

更换MAPS后（图3），可以看到发动机数据流恢复正常。

由于该故障在每次重新起动后都会消失，所以只能跟踪回访来确定故障是否排除。

一周后用户反馈过来消息，自从更换了MAPS，发动机转速波动的故障再没有出现过，而且感觉加油顺畅多了，至此确定故障彻底解决。

　　总结说明：

虽然故障已经解决，但案例2却值得我们深思。

虽然同为MAP的故障，但案例2的故障现象出现的偶然性和特殊性增加了分析判断的难度，再者没有故障码以及在特殊状态下无标准的数据流可以参考，也使诊断有些无从下手。

回顾维修过程，必须要从MAPS的结构和工作原理上来分析，才可以解释为什么MAPS的故障会引起上述的特殊故障现象。

　　进气歧管压力传感器MAPS是一种间接检测发动机进气的的方式，也称为D型或压力型，一般安装在进气歧管缓冲器上。

其结构在MAPS的参考压力腔中有一个硅膜片，用于检测缓冲器内部的绝对压力（负压）并向ECU发送与此压力成比例的电压模拟信号。

如果MAPS中的硅膜片由于质量问题造成车辆在冷车状态变形后回位不良，而踩制动踏板时会消耗进气歧管中的负压，影响压力变化，正常情况下压力的变化不足以影响到MAPS的压力变化，而此时的MAPS本身在冷车起动后变形回位不良，踩制动踏板导致进气压力传感器的硅膜片变形在原来的基础上进一步变大，电压上升，发动机的转速就会波动了。

而熄火后，由于进气歧管中负压彻底消除，进气压力传感器膜片回位变化的幅度比较大，可以克服硅膜片的轻微回位不良了。

再次起动发动机时，由于前次的硅膜片变形已基本恢复正常，也就可以如实反馈进气歧管内的压力了，车辆也就恢复到正常工作的状态。

只有这样分析才可以把故障现象从原理上解释清楚。