现代汽车传感器的应用与发展趋势

“汽车电子控制技术”课程论文

现代汽车传感器的应用与发展趋势

（072200777 通信与信息系统胡世锋）

摘要：本文介绍了现代汽车传感器的种类和检测对象,以及传感器在汽车电子控制系统中的应用概况,阐述了汽车传感器的现状, 并对汽车传感器的发展趋势作了预测,即汽车传感器会向着微型化、集成化和智能化的方向发展。

关键词：传感器；汽车；控制系统

0 引言

汽车工业是我国国民经济发展的支柱产业之一。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 汽车传感器的种类及其在电子控制系统中的应用

20世纪80年代以来,汽车上应用的传感器越来越多,表1列出了汽车传感器的种类和检测对象。

表1 汽车传感器的种类和检测对象

各类传感器主要应用在发动机电子控制系统、底盘电子控制系统和车身电子控制系统,见表2 。

表2 汽车电子控制系统用传感器

2 汽车传感器的发展现状

2.1 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 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(LV DT )、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。

2.3 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，反应灵敏，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0.11～103m3 /min，工作温度为-40℃～120℃，精度为≤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，其动态范围是0～60kg/h，工作温度为-40℃～120℃，精度±1%，响应时间小于10ms。

2.4 线性位置和角度传感器

位置传感器测量线性位移的量程是小于1μm(典型的例子是在MEMS传感器内满量程敏感元件移动)到200mm(在主动悬挂系统支架震动和传输)满量程的位移量变化为2000000∶1。传感器的主要类型有:(1)电位计式角度和线性位置传感器；(2)霍尔传感器；

(3)各向异性磁阻式角度和线性位置传感器；(4) 光学编码。

2.5 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。与氧化锆传感器相比，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。

2.6 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。

2.7 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，测速范围为0.5～250km/h，重复精度为0.1%，距离测量误差优于0.3%。

2.8 其他类型的传感器

以上介绍的是现代汽车上运用最多、最常见和最传统的传感器，随着社会的不断发展，人们对汽车的性能要求也越来越精细。因此传感器种类的要求也逐渐增多，比如空气质量流量传感器、线性加速度惯性传感器、角速率传感器、日照、微光和闪光检测器、湿度/雨量传感器和近距离障碍物检测传感器等不同复杂种类的出现。

同时还有一些难度更大、更复杂的汽车传感器正在研制过程当中，比如汽车发动机燃烧传感器、检测燃油质量传感器、发动机传动和方向盘力矩传感器、多轴向微机械加工惯向传感器等。

3 汽车传感器的发展趋势

现代社会对汽车性能的要求越来越高, 促使汽车传感器技术不断发展, 今后汽车传感器的发展趋势是实现微型化、智能化和多功能化, 开发新材料、新工艺和新型传感器。

3.1 微型化

利用微电子机械系统(MEMS)技术和计算机辅助设计技术可以设计出低成本、高性能的微型传感器。MEMS的核心技术是研究微电子、微机械加工与封装技术的巧妙结合, 期望能够由此而制造出体积小巧但功能强大的新型系统。经过几十年的发展, 尤其最近10 多年的