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傳感器在汽車中的應用現狀及發展趨勢


  隨著電子技術的發展,汽車電子化程度不斷提高,傳統的機械系統已經難以解決某些與汽車功能要求有關的問題,因而將逐步被電子控制系統代替 。傳感器作爲汽車電控系統的關鍵部件,其優劣直接影響到系統的性能 。目前,普通汽車上大約裝有幾十到近百只傳感器,豪華轎車上則更多,這些傳感器主要分布在發動機控制系統、底盤控制系統和車身控制系統中 。
  1 发动机控制用传感器
  发动机用传感器有很多种,其中包括溫度傳感器、壓力傳感器、旋转传感器、流量傳感器、位置传感器、浓度传感器、爆震传感器等 。这类传感器是整个车用传感器的核心,利用它们可提高发动机动力性、降低油耗、减少废气、反映故障等,由于其工作在发动机振动、汽油蒸汽、污泥、水花等恶劣环境中,因此它们的耐恶劣环境技术指标要高于一般的传感器 。它们的性能指标要求有很多种,其中最关键的是测量精度与可靠性,否则由传感器检测带来的误差最终将导致发动机控制系统失灵或产生故障 。
  (1)溫度傳感器: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 。实际应用的溫度傳感器主要有线绕电阻式、热敏电阻式和热电偶式 。线绕电阻式溫度傳感器的精度较高,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)壓力傳感器: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 。车用壓力傳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)流量傳感器:测定进气量和燃油流量以控制空燃比 。主要有空气流量傳感器和燃料流量傳感器 ?掌髁總鞲衅骷觳饨氲目掌看佣刂频缱优缬推髋缬土,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 ?ǘ轿蘅啥考,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 ;燃料流量傳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 。
  2 底盘控制用传感器
  底盤控制用傳感器是指分布在變速器控制系統、懸架控制系統、動力轉向系統、防抱制動系統中的傳感器,它們在不同系統中作用不同,但工作原理與發動機中傳感器是相同的,主要有以下幾種形式傳感器 。
  (1)變速器控制用傳感器:主要有車速傳感器、加速度傳感器、發動機負荷傳感器、發動機轉速傳感器、離合器傳感器、水溫傳感器、油溫傳感器等 。這些傳感器檢測所獲得的信息經處理使電控裝置控制換檔點和變矩器鎖止,實現最大動力和最大燃油經濟性 。
  (2)懸架系統控制用傳感器:主要有車速傳感器、節流閥開度傳感器、加速度傳感器、車身高度傳感器、方向盤轉角傳感器等 。系統根據這些傳感器檢測到的信息自動調整車高,抑制車輛姿勢的變化等,實現對車輛舒適、操縱穩定性和行車穩定性的控制 。
  (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、减少发动机损耗、增大输出功率、节省燃油等 。
  (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溫度傳感器、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 车用传感器研究开发趋势
  由于传感器在电控系统中的重要性,所以从某种意义上说,先进汽车的竞争即是传感器的竞争,世界各国对其理论研究、新材料应用、产品开发都非常重视 。金刚石的耐热性好、热稳定高,在真空中1 200℃以上其表面才开始出现炭化,在大气中也要600℃以上才开始炭化,利用这一特性,制作适用于高温的热敏传感器,从常温到600℃范围内进行温度监测与控制,并且适用在高温且有腐蚀气体的恶劣环境下使用,性能稳定,使用寿命长,可用于发动机中的高温测量 。此外金刚石在高温下形变率很高,利用这一特性可制作高温环境下使用的振动传感器和加速度传感器 。与其它材料振动膜相结合可作为高温、耐腐蚀、灵敏度高的壓力傳感器,用于振动检测以及发动机、气缸压力等测量 。
  光導纖維型傳感器由于其抗幹擾性強、靈敏度高、重量輕、體積小、適于遙測等特點正受到人們的普遍重視 。目前已有不少成熟的産品問世,如光纖轉矩傳感器,以及溫度、振動、壓力、流量等傳感器 。
  在开发利用新材料同时,由于微电子技术和微机械加工技术的发展,传感器正朝着微型化、多功能化、智能化方向发展 。微型化传感器利用微机械加工技术将微米级的敏感元件、信号调理器、数据处理装置集成封装在一块芯片上 。由于其体积小、价格便宜、便于集成等特点,可以提高系统测试精度,例如把微型壓力傳感器和微型溫度傳感器集成在一起,同时测出压力和温度,便可通过芯片内运算消去压力测量中的温度影响 。目前已有不少微型传感器面世,如壓力傳感器、加速度计、用于防撞的硅加速度计等 。据说在汽车轮胎内嵌入微型壓力傳感器可以保持适当充气,避免充气过量或不足,从而可节约燃油10% 。多功能化的特性使得传感器能够同时检测2 个或2 个以上的特性参数 。而智能传感器由于带有专用计算机,因而具有智能特点 。
  此外,傳感器響應時間、輸出與計算機的接口等問題也是重要的研究課題 。隨著電子技術的發展,車用傳感器的技術必將趨于完善 。
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