汽车传感器技术的发展及应用现状

摘要：  介绍了汽车传感器发展历程，国内外发展现状，未来的发展趋势，以及各种传传感器目前在汽车上各部分的具体应用情况。

关键词:  传感器；汽车；发展；应用

Abstract：introduce the process of development of automotive sensor , the development status of dometic and international,the trend of sensor’s development in the future and a variety of sensors present in the car on the specific application of each part.

Keyword：sensor;vehicle;development;application

随着电子技术的发展，汽车电子化程度不断提高，传统的机械系统已经难以解决某些与汽车功能要求有关的问题，因而将逐步被电子控制系统代替。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。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两百余只。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％。

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。它的应用大大提高了汽车电子化程度，增加了汽车驾驶的安全系数。

一、汽车传感器的发展情况

1汽车传感器的发展历程

传感器在汽车上的应用与电子产品在汽车上的应用基本是同步的， 最先在汽车上得到应用的电子系统是发动机管理系统"，在20世纪60年代电子点火装置被广泛采用"随后就是电子喷射。这一过程把温度、流量、氧传感器等引入了汽车。 到20 世纪80年代安全气囊、ABS 的广泛应用则推动了轮速、加速度等传感器在汽车上的应用。1995 年，随着ESP(电子稳定程序)的批量生产,角速度传感器的应用也有了长足的发展。表1列举了汽车传感器发展的几个重要里程碑。

表1 汽车传感器发展的重要历程

车用传感器和传感器技术正迅速发展、日趋成熟。08年全球传感器市场容量为506亿美元，预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本仍是传感器市场分布最大的地区。就世界范围，传感器市场增长最快的依旧是汽车市场。现可制作检测力学量、磁学量、热学量等各种微型传感器。敏感器件的种类越来越多，捕捉信息的范围也越来越宽。精度小断提高，寿命也逐渐增加;非接触传感器也有较快发展，如汽车速度传感器已被非接触式的雷达和光电传感器所林代;还有美国生产的曲轴扭矩非接触式传感器也已定型生产。对汽车已山控制发动机扩大到控制全车，实现了自动变速换挡，防滑制动。

世界各国对汽车传感器的理论研究、新材料应用和新产品开发都相当重视，技术进步非常迅速。一些发达国家不断研发新型传感器并且提高其精度，使汽车性能大大提高。2010年前后，国外敏感元件与传感器发展的总趋势是小型化、集成化、阵列化、智能化、系统化和网络化。传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国竞争将加速新一代传感器的开发和产业化。

3国内发展现状

 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%。 

    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。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。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。 

    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。

4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非常重视。未来的汽车用传感器技术，功能化、模块化、智能化、微型化将是车用传感器发展新途径。

物性型传感器（即固态传感器）包括半导体、电介质、强磁体三种类型。 在固态传感器中，半导体传感器的发展最引人注目。这是因为半导体传感器不仅灵敏度高、响应速度快、体积小、质量轻而且便于实现集成化和多功能化。例如，目前最先进的固态传感器在一块芯片上可以同时集成差压、静压、温度3个传感器， 是差压传感器同时具有温度和压力补偿

功能。汽车上采用的压阻等效应式压力传感器也同时集成有静压、温度两传感器，使压力传感器具有温度补偿功能。

随着传感器应用领域的不断扩大，并借助半导体的蒸镀技术、扩散技术和光刻技术，传感器开始从单个元件、单一功能向集成化和多功能化发展。所谓集成化就是利用半导体加工技术。将敏感元件、信息处理或转换元件以及电源电路等元件制作在同一块芯片上。 如集成压力传感器、集成温度传感器、集成磁敏传感器等。多功能化是指一个传感器具有多种参数检测功能。 如半导体温湿敏传感器，以及多功能气体传感器等。 汽车发动机控制系统采用的热膜式空气流量传感器就是一种集成化多功能化的传感器，它不仅具有测量空气流量的功能而且具有温度补偿的功能。智能传感器是指带有微型计算机，并具有信息检测与处理功能的传感器。智能传感器通常将信号检测。处理和驱动回路等外围电路全部集成到一块基片上。使传感器具有自诊断、远距离通信、自动进行零点及量程调整等功能。

汽车传感器的具体发展方向可以主要概括为以下几个方面：

（1）研究新材料、发展新原理、开发高性能价格比的新型传感器。

（2）开发复合型（多功能化）的传感器和将放大、整形、补偿等外围电路一体化的集成化传感器和智能型传感器（带微机）。

（3）开发易于微机接口，数字输出型传感器。

（4）实现传感器控制信号的直接显示。将来有可能占有巨大市场份额的新型传感器主要有以下几种：用于舒适性和安全性的环境传感器、用于实现夜视功能的传感器、 用于实现汽车主动安全的传感器、用于实现线控转向与制动的传感器、用于驾驶员身份识别的生物统计传感器以及遥感勘测传感器等。

二、汽车传感器的应用现状

1 汽车发动机控制系统用传感器

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、气体浓度传感器和爆震传感器等。这类传感器是整个车用传感器的核心。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E C U 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。

   由于发动机控制系统中的压力、温度、气体浓度、流量、位置和转速、爆震等传感器, 使用于高温(发动机表面150 ℃、排气歧管650 ℃) 、振动(加速度30 g) 、冲击(加速度50 g) 、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, 因此汽车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。

1.1温度传感器

主要检测发动机温度，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三种类型。三种类型的应用及特点如下：绕线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。(通用型- 50 ℃～130 ℃, 精度115 % , 响应时间10 ms ; 高温型600 ℃～ 1 000 ℃, 精度5 % , 响应时间10ms) 、铁氧体式温度传感器(ON/ OFF 型, - 40 ℃～120 ℃, 精度210 %) 、金属或半导体膜空气温度传感器( - 40 ℃～150 ℃, 精度210 %、5 % , 响应时间20 ms) 等。

汽车用温度传感器的研究方向是开发响应时间更快的温度传感器。

1.2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VDT )、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。 

 1.3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。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，其主要技术指标为: 工作范围011 m3/ min～103 m3/ min ,工作温度- 40 ℃～120 ℃,精度≤1 %。; 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。其动态范围0 kg/ h～60 kg/ h , 工作温度- 40 ℃～120 ℃,精度±1 % , 响应时间< 10 ms。

1.4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、风门的开度、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、威耿特效应式、光学式、振动式、半导体磁性晶体管式等, 其测量范围0°～360°, 精度±015°以下,测弯曲角达±011°。集成化的霍尔效应式传感器正在迅速发展。半导体磁性晶体管具有比一般霍尔效应式传感器高100 倍的灵敏度, 而且成本低。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%。

1.5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。氧传感器检测排气中空燃比, 向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, 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。 在汽车燃料控制系统中, 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015 %) 。二氧化钛氧传感器、NOx 型气体传感器也趋向实用化。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。

1.6 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,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三种方法来检测爆震。 主要产品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。

    这个发动机燃油喷射系统和点火综合控制系统还可以结合气体浓度传感器来监控系统废气排放，并与起动系统等组合，构成可使汽车发动机马力和扭力最佳化，而同时燃油消耗和废气排放最低化的智能型系统，以促进燃料系统达到省油、低污染及高效能。

2底盘控制用传感器

底盘控制用传感器是指分布在变速器控制系统、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。 

2.1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。 

2.2 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。 

2.3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、减少发动机损耗、增大输出功率、节省燃油等。 

2.4防抱制动传感器

主要是利用车轮角速度传感器, 检测车轮转速, 在各车轮的滑移率为20% 时控制制动油压、改善制动性能, 确保车辆操纵性和稳定性。

3车身控制用传感器

 采用这类传感器的主要目的是提高汽车安全性、可靠性、舒适性等, 其耐恶劣环境技术要求不如发动机、底盘用传感器那么严格, 一般工业用传感器稍加改进即可应用。主要有应用于自动空调系统中的多种温度传感器、风量传感器、日照传感器等, 制动门锁系统中的车速传感器, 安全气囊系统中的加速度传感器, 亮度自控中光传感器, 死角报警系统中的超声波传感器, 图像传感器等。 

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。

 5车用雷达控制用传感器

所谓“车用雷达技术”，简单地说，就是将一种非常高频无线电波发送出去，再透过接收由前方车辆等反射回来的射出毫米波，来检测车间距离及车辆位置，再加上算法来提高了毫米波的接收灵敏度。一旦侦测范围内没有物体，自然也没什么反射讯号，如果侦测范围内有物体，反射讯号很强，雷达系统会量测其发送讯号到接收到反射讯号所需要的时间。物体越远的话，发射和接收差距时间越长，用这种方式来计算物体的距离。为解决夜间视线不佳问题，一般来说会以红外线作为辅助光源，不过，由于目前价格还比较高，使得目前的夜视系统多半只局限在某些高级车种上。汽车所使用的夜视系统，大多为近红外线和远红外线类型为主。使用远红外的特点是：当遇到对向车辆的前照灯、信号灯及道路标识发生反射等情况时也不会晃眼，及在对向车辆也配备有远红外线夜视系统时也不会相互干扰。而与远红外影像传感器相比，近红外线的夜视系统能够以较低成本完成。

6车载计算机系统中的职能监控用传感器

新的车载计算机系统能够对汽车实施监控，就像是飞机上的飞行记录器一样。在安装后，系统内配备的加速感应器和回转感应器，可以监控汽车的速度、安全带的使用状况及由于汽车急转弯、紧急刹车、行驶不稳定、异常减速和不安全倒车等原因造成的超重力行驶，只要汽车在不安全状态下行驶，例如：出现超速驾驶、超重力行驶、没扣安全带等状况，记录器便会向驾驶者发出警示声响，如果驾驶者对警示置之不理，则警报便会一直重复下去，直到进入安全行驶状态，可为驾驶者提供指导和预警等功能。

在今后的汽车竞争中，汽车电子产品的作用将是举足轻重的。而传感器在汽车电子产品中占有很大比重，所以汽车传感器市场将继续保持高速增长的态势。一微电子机械技术为基础的微型化、多功能化、集成化、智能化和低成本化的新型传感器将逐步取代传统的传感器成为汽车传感器的主流。

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