传感器在汽车中的应用

刘昌慧

（福建农林大学，福建 福州3116206053）

摘要：在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。 由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。

关键词：电子控制器(ECU)；abs防抱死系统;tcs;A/D转换；智能避障；红外测距传感器；语音识别；mems传感器

1传感器简介

    传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，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。

1.1传感器定义及分类

信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。  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 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”。按照Gopel等的说法是：“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。  

1.2传感器的作用

    人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

新技术的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

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，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到fm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

    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、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。

2微型传感器在汽车中的应用

    安全、舒适、无污染、经济性一直是汽车工业和用户追求的目标。实现这些目标的关键在于汽车的电子化和智能化，先决条件则是各种信息的及时获取，这势必要求在汽车中大量采用各种传感器。传统的传感器往往体积和重量大，成本高，它们在汽车的应用受到很大的。

    近年来从半导体集成电路(IC)技术发展而来的MEMS (Microelectromechnical System, 微电子机械系统)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，这些特点使得它们非常适合于汽车方面的应用。

2.1传感器在汽车底盘电子控制中的应用

2.1.1悬架用传感器

 电子悬架系统可以根据悬架位移(车身高度)、车速、转向和制动等传感器信号，由电子控制器(ECU)控制电磁式或步进电动机式执行元件，改变悬架的特性，以适应各种复杂的行驶工况对悬架特性的不同要求。

 车高传感器信号可使ECU根据汽车载荷的大小，通过有关执行元件，随时对车身高度进行调节，以维持车身高度基本不随载荷的变化而变化;还可以在汽车起步、转向、制动以及前、后、左、右车轮载荷相应发生变化时，随时调整有关车轮悬架的刚度，以提高汽车抗俯仰、抗侧倾的能力，从而保证良好的操纵稳定性;也可以在汽车各轮载荷不同时，分别对各轮悬架的高度进行调节，以维持车身姿式基本不变。车高传感器用来把车身高度的变化(悬架变形量的变化)转变为电信号，并输入ECU。车高传感器仅用于主动悬架系统。

汽车行驶中，因车身的振动，随时判定车高所属的区间较困难， ECU可根据一定的时间间隔(10ms)来判定车高在某区间的百分比频度，据此来决定是否需要进行车高调整，即频度一旦超过规定值，则开始进行调整。

 汽车转向速率、转角大小及转向方向信息，由ECU确定需调哪些车轮的悬架及调节量需要多大。该传感器主要用于对汽车悬架系统的侧倾刚度进行调节。它既适用于主动悬架系统，又适用于半主动悬架系统。工作中主要与车速传感器信号相配合。

 加速度传感器是直接检测车身横向加速度和纵向加速度，以控制车身姿势。主要采用差动变压器式加速度传感器一次线圈（励磁线圈）通交流电，汽车加、减速或转向时，心杆产生位移，二次线圈（检测线圈）输出电压发生变化，电压与汽车纵向力或横向力一一对应。   

 通过端子VL输送给传感器约5V的恒定电限，当节气门开度发生变化时，节气门轴使带动电位计上的滑动触点在电阻片上滑动，由端子将该电1副言号输送给ECU。ECU通过节气门位置传感器可以获得表示节气门由全闭到全开的听有开启角度的连续变化的模拟信号(即电压信号)以及节气门开度的变化速率从而更精确地判断发动机的工况，提高控制精度和效果。该传感器在其中设有一个怠速开关，只有节气门在全闭时才会被接通，产生怠速信号，并由端子IDL输送给ECU，以使ECU对发动机进行怠速控制。

 车速传感器安装在汽车传动箱内速度表软轴上的端头，或仪表匣内速度表软轴的末端。它能在高、低不同的行车速度时发出高、低不同频率的电信号。电子计算机则按此信号控制变速箱的排档位置，点火定时、燃油喷射、排汽控制等均处于最恰当的状态。

常用的车速传感器有：舌簧开关式、磁阻元件式、磁脉冲式、光电式。

 随着电子技术的发展，出现了可变特性悬架控制系统。它可根据运行条件与路面状况，以手动控制悬架特性变化。现时引人注意的是奔驰公司发展的ABC(Active Body Control)系统，可算是相对先进的主动悬架系统代表。

 系统的控制感应装置由两个微型处理器及13个传感器组成，每10μs对悬架系统作一次扫描和调整。各传感器分别向微处理器传送车速、车轮制动压力、踏动油门踏板的速度、车身垂直方向的振幅及频率、转向盘角度及转向速度等数据。电脑不断接收这些数据并与预先设定的临界值进行比较。同时，ABC系统使汽车对侧倾、俯仰、横摆、跳动和车身高度的控制都能更加迅速、精确，即使在路况较差的路面上，汽车的跳动也很小。而且汽车高速行驶和转弯的稳定性大大提高。该系统能够很好地适应各种路面情况，即使在异常崎岖不平的地方，轿车也能保持优越的操纵性、舒适性及方向稳定性。

 目前，这种主动式车身控制系统已经应用在奔驰最新的C系列轿车上，虽然价格不菲，但也赢得极佳的口碑，被誉为是动力性能和乘坐舒适性改进的一个里程碑。

2.1.2系统用传感器

 《汽车ABS系统维修问答》[1]以问答的形式，介绍了包括国产大众系列轿车、一汽集团轿车、上海通用轿车、东风集团轿车、北京现代轿车、奇瑞轿车及广州本田雅阁轿车等国产轿车ABs防抱死制动系统的结构、原理、检修及常见故障的检测诊断方法，重点介绍了自诊断系统、电控元件的检修、维修数据及常用的故障检修方法。《汽车ABS系统维修问答》资料详尽可靠、内容实用、通俗易懂，主要供汽车维修技术人员、管理人员使用，也可供大专院校汽车运用、汽车检测与维修专业的师生学习参考。

2.1.3系统ABS

 传感器是应用在机动车的ABS（Anti-lock Braking System防抱死刹车系统），ABS系统中大多由电感传感器来监控车速，abs传感器通过与随车轮同步转动的齿圈作用， 输出一组准正弦交流电信号，其频率和振幅与轮速有关．该输出信号传往ABS电控单元（ECU）, 实现对轮速的实时监控。

2.2.传感器在汽车发动机电子控制中的应用

2.2.1温度传感器

 温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。

温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为人们的生活提供了无数的便利和功能。

 温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。

2.2.2压力传感器 

 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。一般普通压力传感器的输出为模拟信号，模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。 或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。

 压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量轻，不能提供电学输出。随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高

2.2.3流量传感器 

 空气流量传感器是测定吸入发动机的空气流量的传感器。电子控制汽油喷射发动机为了在各种运转工况下都能获得最佳浓度的混合气，必须正确地测定每一瞬间吸入发动机的空气量，以此作为ECU计算(控制)喷油量的主要依据。如果空气流量传感器或线路出现故障，ECU得不到正确的进气量信号，就不能正常地进行喷油量的控制，将造成混合气过浓或过稀，使发动机运转不正常。

 检定规程和流量仪表标准是流量传感器可以准确进行测量的保障。在很多领域里，流量的准确测量都非常的重要，在经济领域内被广泛应用，例如：环境监测、医疗卫生、安全防护以及贸易结算等等。

2.2.4雷达传感器

 相比传统的24Ghz雷达传感器，77Ghz雷达传感器功能更加强劲，其目标识别率是24Ghz雷达传感器的三倍，测速和测距的精准率提高了三至五倍。新型传感器设计更为紧凑，采用在全球范围内永久分配给汽车雷达装配的77Ghz频段。“新型中距离雷达传感器特别适用于面向全球汽车市场的车型平台。”Steiger介绍道。此外，由传感器返回的测量数据可以帮助驾驶员了解与前车的距离。[2]

2.3传感器在汽车安全系统电子控制中的应用

随着电子技术的发展，汽车的电子化程度也越来越高。汽车底盘控制系统的装置与执行器之间的连接，也由简单的机械连接阶段进入了电信号联系阶段。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。常见的底盘控制系统有以下几种：牵引控制、制动控制、悬挂控制和转向控制。传感器是电子技术中的核心器件，是一种进行信号变换的装置，它的作用是把被测的非电量信号转变成为电量信号，是促进汽车技术全面发展的关键器件。在汽车底盘电子控制系统中，是离不开传感器的。用于底盘控制的传感器指的是分布在变速器控制系统、

动力转向系统、悬架控制系统、制动系统等中的传感器,在不同系统中他们的作用不同,但工作原理是相同的。

2.4传感器在车辆监控和自行诊断中的应用

    提到赛车总会强调其强大的能力。它并非没有原因，最前沿的技术通常会先在赛车测试后才找到进入大规模生产。勒芒24小时耐力赛对赛车手和赛车材料提出了很高的要求，同时，离合器也是一个受到很大压力的组件。

 奥迪车队因此决定采用一个比较方便的方法来监测离合器在比赛过程中的磨损程度。

采用真尚有的位移传感器，测量离合器的分离轴承，并记录离合器的正常振动和磨损程度，同时可以连接外部报警装置，当磨损或者振动达到一定程度时，发出警报，避免事故的发生。

ZLDS100的高分辨率和高线性度可以保证该测量系统的准确和稳定。

2.5传感器在汽车其它地方中的应用

2.5.1酒精检测MEMS系统

微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanic System）是一种先进的制造技术平台。[3]它是以半导造技术为基础发展起来的。MEMS技术采用了半导体技术中的光刻、腐蚀、薄膜等一系列的现有技术和材料，因此从制造技术本身来讲，MEMS中基本的制造技术是成熟的。但MEMS更侧重于超精密机械加工，并要涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。它的学科面也扩大到微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理学的各分支。

微机电系统是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米级，自八十年代中后期崛起以来发展极其迅速，被认为是继微电子之后又一个对国民经济和军事具有重大影响的技术领域，将成为21世纪新的国民经济增长点和提高军事能力的重要技术途径。

微机电系统的优点是：体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等优点。微机电系统的出现和发展是科学创新思维的结果，使微观尺度制造技术的演进与。微机电系统是当前交叉学科的重要研究领域，涉及电子工程、材料工程、机械工程、信息工程等多项科学技术工程，将是未来国民经济和军事科研领域的新增长点。

2.5.2自动雨刷系统

主要由雨量传感器、控制器、雨刷器电机、雨刷器机构、挡风玻璃、LIN总线接口等主要部件构成。其中,雨量传感器用来检测挡风玻璃上是否有雨水,根据雨量传感器的输出信号,控制器判断当前雨量大小,结合来自LIN总线的用户设定等信息,输出P W M（脉宽调制）信号控制雨刷器电机的摆动速度,驱动雨刷器机构快速扫除挡风玻璃上的雨水。

3传感器的发展趋势

在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中，传感器 发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力，而现代们学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。随着科技的发展，传感器也在不断的更新发展。  

    新型传感器，大致应包括：采用新原理、填补传感器空白、仿生传感器等诸方面。它们之间是互相联系的。传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料 ，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。其中利用量子力学诸效应研制的低灵敏阈传感器，用来检测微弱的信号，是发展新动向之一。  

    传感器集成化包括两种定义，一是同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，排成1维的为线性传感器，CCD图象传感器就属于这种情况。集成化的另一个定义是多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。  

　　随着集成化技术的发展，各类混合集成和单片集成式压力传感器相继出现，有的已经成为商品。集成化压力传感器有压阻式、电容式、等类型，其中压阻式集成化传感器发展快、应用广。  

　　传感器的多功能化也是其发展方向之一。所谓多功能化的典型实例，美国某大学传感器研究发展中心研制的单片硅力传感器可以同时测量3个线速度、3个离心加速度(角速度)和3个角加速度。主要元件是由4个正确设计安装在一个基板上的悬臂梁组成的单片硅结构，9个正确布置在各个悬臂梁上的压阻敏感元件。多功能化不仅可以降低生产成本，减小体积，而且可以有效的提高传感器的稳定性、可靠性等性能指标。  

　　把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。由上还可以看出，集成化对固态传感器带来了许多新的机会，同时它也是多功能化的基础。  

　　传感器与微处理机相结合，使之不仅具有检测功能，还具有信息处理、逻辑判断、自诊断、以及“思维”等人工智能，就称之为传感器的智能化。借助于半导体 集成化技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片 上，即成为大规模集成智能传感器。可以说智能传感器是传感器技术与大规模集成电路 技术相结合的产物，它的实现将取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，可以肯定地说，是传感器重要的方向之一。  

　　随着材料科学的进步,传感器技术日臻成熟,其种类越来越多,除了早期使用的半导体材料 、陶瓷材料以外,光导纤维以及超导材料的开发,为传感器的发展提供了物质基础。例如,根据以硅为基体的许多半导体材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化,以及半导体光热探测器具有灵敏度高、精度高、非接触性等特点,发展红外传感器、激光传感器、光纤传感器 等现代传感器;在敏感材料中,陶瓷材料、有机材料发展很快,可采用不同的配方混合原料,在精密调配化学成分的基础上,经过高精度成型烧结,得到对某一种或某几种气体具有识别功能的敏感材料,用于制成新型气体传感器 。此外,高分子有机敏感材料[4],是近几年人们极为关注的具有应用潜力的新型敏感材料,可制成热敏、光敏、气敏、湿敏、力敏、离子敏和生物敏等传感器。传感器技术的不断发展,也促进了更新型材料的开发,如纳米材料等。美国NRC公司已开发出纳米ZrO2气体传感器,控制机动车辆尾气的排放,对净化环境效果很好,应用前景比较广阔。由于采用纳米材料制作的传感器,具有庞大的界面,能提供大量的气体通道,而且导通电阻很小,有利于传感器向微型化发展，随着科学技术的不断进步将有更多的新型材料诞生。 

　　在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新兴传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域，例如溅射、蒸镀、等离子体刻蚀、化学气体淀积(CVD)、外延、扩散、腐蚀、光刻等，迄今已有大量采用上述工艺制成的传感器的国内外报道。 

　　智能材料是指设计和控制材料的物理、化学、机械、电学等参数，研制出生物体材料所具有的特性或者优于生物体材料性能的人造材料。有人认为，具有下述功能的材料可称之为智能材料：具备对环境的判断可自适应功能;具备自诊断功能;具备自修复功能;具备自增强功能(或称时基功能)。 

参 考 文 献：5号黑体

[1]王丽梅．《汽车ABS系统维修问答》．情报探索[J]，2009，(4)：16-18．

[2]《汽车周刊》.汽车雷达知识.

[3]2012 MEMS技术创新与应用大会.中国通信学会   Mobile Computing Promotion Consortium.

[4]双环戊二烯在有机高分子合成材料中的应用研究.天津化工.2012年第3期