传感器在汽车自动控制系统中的应用毕业论文.docx

1、传感器在汽车自动控制系统中的应用毕业论文（论文封面）中文题目：传感器在汽车自动控制系统中的应用英文题目：Sensor Application in the Automobile Automatic Control System摘 要随着电子技术的发展，现代汽车正朝着高档智能化、电子信息化的方向发展。由于传感器体积小、价格便宜、便于集成等特点，同时可以提高系统测试精度，因此汽车传感器在汽车自动控制系统中就得到了普遍的应用。近年来汽车传感器已作为汽车电子控制系统的关键部件，在整个汽车系统中扮演着举足轻重的作用，因此对汽车传感器在汽车自动控制系统中的应用的研究也就有着重要的实际和科研意义。汽车传感器

2、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。汽车传感器在汽车上主要用于发动机控制系统、底盘控制系统和导航系统中。本文将从主流的汽车传感器应用控制系统出发，对汽车传感器的应用作出分析。关键词：传感器，汽车自动控制系统，关键部件AbstractWith the development of electronic technology, the development direction of modern automobile is high-end intelligent and electronic information technol

3、ogy. Due to sensor characteristics such as small volume, price cheap, easy to integration, at the same time it can improve precision of the system test, so automotive sensor in automatic control system has been widely used. In recent years, automotive sensors have play an important role in the whole

4、 car system, as the key part of automotive electronic control system components. Thus the research of automotive sensors in the application of automatic control system also has important practical and research significance.As the information source of automotive electronic control system, Automobile

5、 sensors are key components in automotive electronic control system. It is also one of the core content of automotive electronic technology research. Automobile sensors are always adopted in engine control system, dynamic chassis control and guided system. This paper will analyses the application of

6、 automobile sensors in the ways of mentioned above.Keyword: Automobile sensors, automobile automatic control system, critical components一 绪论1.1课题研究背景与目的当今，传感器已广泛用于工业、农业、交通、环境监测、医疗诊断、军事科研、航空航天、现代办公设备、智能建筑和家用电器等领域，是构建现代信息系统的重要组成部分。在我们日常生活中使用着各种各样的传感器，例如电冰箱、电饭煲中的温度传感器；空调中的温度和湿度传感器；煤气灶中的煤气泄漏传感器；电视机和影碟机中

7、的红外遥控器；照相机中的光传感器；汽车中的燃料计和速度计等。传感器已经给我们的生活带来了很多便利和帮助。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器有更突出的地位，传感器的发展往往是一些边缘学科开发的先驱。如宏观上的茫茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、短时间的瞬间反应，超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、弱磁场等极限技术研究。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、

8、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。虽然汽车传感器在汽车自动控制系统中有大量的应用，但是由于传感器在测试方面的特点，即：被测对象的多样性及快速变化性；测试内容的近似性；高效、灵活的测试设备，以及其他的要求，使得传感器的使用有一定的难度，同时由于一些汽车传感器的测量精度还有待于提高，鉴

9、于此，对传感器在汽车自动控制中的应用的研究就显得格外的重要了。1.2国内外发展现状在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

10、）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。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

11、数字化方向发展，它们的输出值将得到更多的相关利用。二 传感器概述构成现代信息技术的三大支柱主要包括传感器技术、通信技术与计算机技术，它们在信息系统中分别完成信息的采集、信息的传输与信息的处理。人们在利用信息的过程中，首先要获取信息，而传感器则是获取信息的重要手段和途径。将这些信息经过分析处理，可以描述出自然界的面貌，所以传感器是认识、掌握、利用客观世界的重要工具。传感器是获取被研究信息的一种器件或装置，借助这一器件或装置我们可以定量地认识自然现象。2.1 传感器的定义最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC: International

12、Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件，而传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(

13、数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。各种物理效应和工作机理被用于制作不同功能的传感器。传感器可以直接接触被测量对象，也可以不接触。用于传感器的工作机制和效应类型不断增加，其包含的处理过程日益完善。常将传感器的功能与

14、人类5大感觉器官相比拟：光敏传感器视觉 声敏传感器听觉气敏传感器嗅觉 化学传感器味觉压敏、温敏、流体传感器触觉与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多，但也有一些传感器比人的感觉功能优越，例如人类没有能力感知紫外或红外线辐射，感觉不到电磁场、无色无味的气体等。2.2 传感器的分类按不同观点对传感器进行分类：它们的工作原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器两大类。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

15、。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。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题、规模生产的可能性、价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。根据其用途，传感器可分为：压力敏和力敏传感器，位置传感器，液面传感器，能耗传感器，速度传感器，热敏传感器，加速度传感器，射线辐射传感器，振动传感器，光敏传感器，磁敏传感器，气敏传感器等。根据其输出信号为标准可将传感器分为：模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号。数字传感器将被测量的

16、非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。膺数字传感器将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。根据应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：按材料的类别分：金属，聚合物，陶瓷，混合物。按材料的物理性质分：导体，绝缘体，半导体，磁性材料。按材料的晶体结构分：单晶，多晶，非晶材料。2.3 传感器的特性在生产过程和科

17、学实验中, 要对各种各样的参数进行检测和控制, 就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量, 这取决于传感器的基本特性, 即输出输入特性。如果把传感器看作二端口网络, 即有两个输入端和两个输出端, 那么传感器的输出-输入特性是与其内部结构参数有关的外部特性。传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。2.3.1 传感器的静态特性(1)线性度线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。 输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。 从传感器的性能看, 希望具有线性关系, 即具有理想的输出输入关系。但实际遇到的传感器大多为非线性,如果不考虑迟滞和蠕变等因素, 传感器的

18、输出与输入关系可用一个多项式表示：其中：为输入量为零时的输出量; 为非线性项系数。各项系数不同, 决定了特性曲线的具体形式各不相同。静特性曲线可通过实际测试获得。在实际使用中, 为了标定和数据处理的方便, 希望得到线性关系, 因此引入各种非线性补偿环节。如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理, 从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。 但如果传感器非线性的方次不高,输入量变化范围较小时, 可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段, 如图1.1 所示, 使传感器输出输入特性线性化。所采用的直线称为拟合直线。 实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差（或线性度

19、）, 通常用相对误差表示, 即 其中: 最大非线性绝对误差; 满量程输出。(a) 理论拟合；(b) 过零旋转拟合；(c) 端点连线拟合；(d) 端点平移拟合图 1.1 几种直线拟合方法 对于线性传感器, 它的灵敏度就是它的静态特性的斜率, 即为常数, 而非线性传感器的灵敏度为一变量, 用表示。(2)灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。灵敏度是指传感器的输出量增量与引起输出量增量的输入量增量的比值, 即由此可见，线性传感器其特性的斜率处处相同，灵敏度是一常数。以拟合直线作为其特性的传感器，也认为其灵敏度为一常数，与输入量的大小无关。(3)迟滞传感器在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程

20、中输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞。 也就是说, 对于同一大小的输入信号, 传感器的正反行程输出信号大小不相等。产生这种现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的, 例如弹性敏感元件的弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。 迟滞大小通常由实验确定。迟滞误差H可由下式计算: 其中: 正反行程输出值间的最大差值。(4)重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。 重复性误差属于随机误差, 常用标准偏差表示, 也可用正反行程中的最大偏差表示, 即 (5)漂移传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输

21、出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。(6)分辨力当传感器的输入从非零值缓慢增加时，在超过某一增量后输出发生可观测的变化，这个输入增量称传感器的分辨力，即最小输入增量。(7)阈值当传感器的输入从零值开始缓慢增加时，在达到某一值后输出发生可观测的变化，这个输入值称传感器的阈值电压。2.3.2 传感器的动态特性传感器的动态特性是指传感器处理动态信号是，输出对输入的响应特性。传感器处理静态信号时，由于被处理量不随时间变化，测量和记录的过程不受时间的限制。但是，实际检测中的大多数被测量都是随时间变化的的动态信号，传感器的输出

22、不仅需要能精确地显示被测量的大小，而且还需要显示被测量随时间变化的规律，即被测量的波形。传感器的测量动态信号的能力用动态特性来表示。动态特性与静态特性的主要区别是：动态特性中输出量与输入量的关系不是一个定值，而是时间的函数，他是随时间输入信号的频率而变化的。动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律将在现输入量随时间的变化规律，即他们是具有同一个时间函数。但是，除了理想情况外，实际传感器的输出型号与输入信号不会具有相同的时间函数，由此将引入动态误差。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响

23、应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。(1)瞬态响应特性传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时, 有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析。这种分析方法是时域分析法, 传感器对所加激励信号响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。(2)频率响应特性传感器对正弦输入信号的响应特性, 称为频率响应特性。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。三 汽车传感器在汽车自动控制系统中的具体应用汽车传感器作为汽车电子控

24、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。目前，一辆普通家用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可多达二百余只。据报道，2000年汽车传感器的市场为61.7亿美元(9.04亿件产品)，到2005年将达到84.5亿美元(12.68亿件)，增长率为6.5%(按美元计)和7.0%(按产品件数计)。汽车传感器在汽车上主要用于发动机控制系统、底盘控制系统、车身控制系统和导航系统中。 3.1 在发动机控制系统中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

25、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。(1)温度传感器：主要检测发

26、动机温度，吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度、催化温度等，将它们转变成电信号，从而控制喷油嘴针阀开启时刻和持续时间，以保证供给发动机最佳混合气并达到排气净化效果等。实际应用的温度传感器主要有线绕电阻式、热敏电阻式和热电偶式。线绕电阻式温度传感器的精度较高，但响应特性差;热敏式传感器灵敏度高，响应特性较好，但线性差，适用温度较低;热电偶式传感器的精度高，测温范围宽，但需考虑放大器和冷端处理问题。(2)压力传感器：主要检测气缸负压，从而控制点火和燃料喷射;检测大气压，从而控制爬坡时空燃比;检测气缸内压，从而控制点火提前角;检测废气再循环流量、发动机油压、制动器油压、轮胎空气压力等等，并对相关量作出

27、反应。车用压力传感器目前已有若干种，应用较多的有电容器式、压阻式、差动变压器式(LVDT)、表面弹性波式(SAW)。电容器式传感器具有输入能量高，动态响应好、环境适应性好等特点;压阻式受温度影响大，需另设温度补偿电路，但适用于大量生产;LVDT式有较大输出，易于数字输出，但抗振性较差;SAW式具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性强、灵敏度高、分辨率高、数字量输出等特点，是一种较为理想的传感器。(3)旋转传感器：主要用于检测曲轴转角、发动机转数、风门开度、车速等，从而控制点火提前角、燃油配量和喷射时间等，产品主要有发电机式、磁阻式、霍尔效应式、光学式、振动式等。(4)氧传感器：检测排气中空燃比，向

28、供油系统发出负反馈信号，以修正喷油脉冲，使空燃比调整到理论值，以达到理想的排气净化效果，常用的是氧化锆和氧化钛传感器。(5)流量传感器：测定进气量和燃油流量以控制空燃比。主要有空气流量传感器和燃料流量传感器。空气流量传感器检测进入的空气量从而控制电子喷油器喷油量，以得到较准确的空燃比，实际应用的产品主要有卡尔曼旋涡式、叶片式、热线式。卡尔曼式无可动部件，反应灵敏，精度较高;热线式易受吸入气体脉动影响，且易断丝;燃料流量传感器用于检测燃料流速，以计算汽车燃油消耗量，产品主要有水车式、球循环式。(6)爆震传感器：检测发动机的振动，并根据检测到的爆震信号适当调整点火时刻，主要产品有磁致伸缩式和压电式

29、。(7)空气质量流量计：测量空气质量流量，提供发动机负荷信息。传感器内有加热的传感元件，此传感元件同时构成电桥的一个臂。流过传感器的空气从传感元件表面带走热量，同时改变传感元件电阻，电桥电路与混膜电路配合，对信号进行处理，以提供控制器反映空气质量流量的电压信号。传感元件的独特设计使空气流量的测量不受进气回流的影响。(8)机油粘度传感器：通过测量液体所传递的切变波形来确定粘度。压电振动式粘度传感器的工作原理与振动式粘度计相近振子(球型、片状或棒式)在受到粘滞阻尼时其振频会发生衰变。因此，依靠不同形状的振子，就可以测出粘度和密度的一些参数。有一种振动式粘度计的振子是石英棒，它能被激发扭振，通过测量

30、与液体粘度相对应的振幅和谐振频宽，就可以确定粘度（准确地说是粘度和密度的综合值）。3.2在底盘控制系统中的应用良好的底盘电子控制系统能改善车轮和地面之间的附着状况，进而改善汽车的安全性、动力性和舒适性。电子控制系统在汽车底盘技术中的应用很好地改善了汽车的主动安全性。汽车底盘的主要功能是让汽车能根据驾驶员的意愿作相应的运动，像加速、减速和转向运动等。驾驶员是通过操纵汽车里的转向盘、油门和制动踏板等元件来表达自己意愿的,相应于这些操纵的执行量是前轮的转向角以及车轮上的驱动力矩或制动力矩,而真正起作用的是轮胎的纵向力和侧向力。影响汽车轮胎力的主要因素有路面的附着系数、车轮的法向力、车轮滑动率和车轮侧

31、偏角。汽车底盘控制设计的基本原理就是在给定了路面附着系数和车轮法向力的前提下，对车轮滑动率和车轮侧偏角进行适当的调整和控制,从而达到间接调控轮胎的纵向力和侧向力的目的,最大限度地利用轮胎和路面之间的附着力,达到提高汽车的主动安全性、机动性和舒适性的目的。汽车底盘的电子控制是一个多系统相互影响,相互作用的复杂系统工程,具体表现如下：(1)同一个控制系统可能会拥有多个执行机构、并对多个变量同时进行 控制。(2)同一个控制目标可以由不同的控制系统单独控制或者多个系统共同控制。(3)同一个控制目标同时被不同的控制系统所控制。(4)不同的控制系统可能共用同一传感器或者控制单元。底盘控制用传感器是指分布在

32、变速器控制系统、悬架控制系统、动力转向系统、防抱制动系统中的传感器，它们在不同系统中作用不同，但工作原理与发动机中传感器是相同的，主要有以下几种形式传感器。(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。(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)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