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现代汽车传感器技术的发展趋势与动向浅析

2013-12-15 sensor 1145

汽车传感器作为汽车电子控制系统的重要信息源,对温度、压力、位置、转速、加速度和振动等各种信息进行实时、准确的测量和控制。衡量现代轿车控制系统水平的关键就在于其传感器的数量和水平。传感器又叫转换器。它把非电量变为电量,经放大整形处理后变成计算机等自动控制系统所能接受的电信号,以模拟量、数字量或开关量的形式输出,作为汽车各种自动控制系统或驾驶员信息系统必不可少的信息。传感器是检测各种状态的物理量,并把物理量转变为电量并进行输出的元件。传感器犹如人的感觉器官,对汽车所有条件下的物理量进行正确的实时检测,并输入控制计算电路,传感器是决定控制系统好坏的关键。在汽车的控制过程中,作为必要的物理量有:温度、压力、位移、角速度、转速、加速度、流量等。传感器从其使用来看,必须具有在汽车的温度、振动、冲击、污染、浸水、油脂、噪声等极其严酷条件下保持长时间工作的性能。

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。

在动力系统中,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)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,还需要乘员位置、体重等传感器来保证其及时和准确的工作。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。

空气流量传感器 空气流量传感器AFS,又称为空气流量计AFM,是进气歧管空气流量传感器MAFS的简称,其功用是检测发动机进气量大小,并将进气量信息转换成电信号输入电控单元(ECU),以供ECU计算确定喷油时间(即喷油量)和点火时间。空气流量传感器信号是电控单元计算喷油时间和点火时间的主要依据。根据检测进气量的方式不同,空气流量传感器分为“D” 型(即压力型)和“L”型(即流量型)两种类型。字母“D”来源于德文“Druck(压力) ”的第一个字母;字母“L”来源于德文“Luftmen-gen(空气流量) ”的第一个字母。“L”型流量传感器又分为体积流量型和质量流量型两类。汽车发动机燃油喷射系统采用的体积流量型传感器有翼片式、量芯式、涡流式流量传感器三种,质量流量型传感器有热丝式和热膜式流量传感器两种。

“D”型流量传感器是利用压力传感器检测进气歧管内的绝对压力,测量进气量的方法属于间接测量方法。“D”型流量传感器可以安装在汽车上的任何部位,只需用导压管将节气门至进气歧管之间的进气压力引入传感器即可。装备“D”型流量传感器的喷射系统称为“D”型燃油喷射系统,电控单元利用该绝对压力和发动机转速来计算吸入气缸的空气量,故又称为速度-密度型燃油喷射控制系统。由于空气在进气歧管内流动时会产生压力波动,发动机怠速(节气门关闭)时的进气量与汽车加速(节气门全开)时的进气量之差可达40倍以上,进气气流的最大流速可达80m/s,因此“D”型燃油喷射系统的测量精度不高,但控制系统成本较低。

“L”型流量传感器是利用流量传感器直接测量吸入进气管的空气流量,因为采用直接测量方法,所以进气量的测量精度较高,控制效果优于“D”型燃油喷射系统。“L”型流量传感器安装在空气滤清器至节气门之间的进气通道上。在“L”型流量传感器中,由于质量流量型传感器内部没有移动部件,且气流流动阻力很小,因此具有工作性能稳定、测量精度高的优点,但其制作成本较高。因为热膜式流量传感器的使用寿命远远长于热丝式流量传感器,所以愈来愈多的汽车采用,国产桑塔纳20OOGSi和捷达AT、GTX型轿车就采用了热膜式空气流量传感器。

曲轴与凸轮轴位置传感器 曲轴位置传感器CPS又称为发动机转速与曲轴位置传感器,其功用是采集曲轴转动角度和发动机转速信号,并输入控制单元(ECU),以便确定点火时刻和喷油时刻。凸轮轴位置传感器又称为气缸识别传感器CIS,其功用是采集配气凸轮轴的位置信号并输入ECU,以便ECU识别第一缸活塞处于压缩上止点的位置,从而进行顺序喷油控制、点火时刻控制和爆震控制。发动机燃油喷射系统常用曲轴位置传感器分为光电式、磁感应式、霍尔式和差动霍尔式传感器四种类型。其中差动霍尔式传感器又称为双霍尔式传感器。常用凸轮轴位置传感器分为光电式、磁感应式和霍尔式传感器三种类型。日产公爵王轿车、三菱与猎豹吉普车采用光电式曲轴与凸轮轴位置传感器;丰田系列轿车采用磁感应式曲轴位置与凸轮轴位置传感器;捷达AT、GTX型、桑塔纳20OOGSi型、奥迪200轿车采用磁感应式曲轴位置传感器和霍尔式凸轮轴位置传感器;红旗CA7220E型轿车、切诺基吉普车采用了差动霍尔式曲轴位置传感器和霍尔式凸轮轴位置传感器。大多数汽车将曲轴与凸轮轴两种位置传感器制作成一体,且相同类型传感器的工作原理完全相同。

 

 

压力传感器 压力传感器的功用是将气体或液体的压力转换为电信号。按传感器结构不同,现代汽车常用压力传感器可分为半导体压阻效应式和电阻应变计式两种,前者是利用硅半导体的压阻效应和微电子技术制成的传感器,后者是利用弹性敏感元件和电阻应变片制成的传感器(弹性敏感元件将被测压力转换为弹性体的应变值,电阻应变片将应变转换为电阻值的变化)。压力传感器大多数都是测定压差,检测原理都是将压力的变化转换为电阻值的变化。在汽车电子控制系统中,检测压力较低的进气歧管压力和大气压力时,一般采用半导体压阻效应式传感器;检测压力较高的制动油液或变速传动油液时,一般采用电阻应变计式传感器。桑塔纳GLi、20OOGLi、夏利2000、丰田佳美、本田雅阁轿车以及切诺基吉普车等燃油喷射系统都采用了压阻效应式压力传感器来间接测量发动机的进气量,又称为进气歧管绝对压力传感器MAP,简称歧管压力传感器,是通过检测节气门至进气歧管之间的进气压力来反映发动机的负荷大小,并将压力信号转变为电信号输入发动机控制单元ECU。

随着近年来半导体、金属薄膜技术、半导体扩散技术、陶瓷烧结技术等领域生产技术的发展,各种性能优异的传感器也不断实用化,特别是微机的应用更促使传感器技术有了很大发展。

热敏温度传感器:在汽车控制系统中,检测温度通常是重要项目。按照用途有各种型式的温度传感器,其中热敏温度感器具有小型、高灵敏度、安装简便等特点,而且价格便宜,是一种使用广泛的温度传感器。热敏温度传感器,是根据温度变化而使电阻发生变化的元件。分为具有负温度系数(温度上升则电下降)和正温度系数(温度上升则电阻上升)两种。一般来讲,前者称为NTC热敏温度传感器,后者称PTC热敏温度传感器。

NTC热敏温度传感器,以NiO CoO,MnO等迁移金属的氧化物为主要成分,把2种以上氧化混合成形,进行烧结制成。温度特性是一种指数函数的特性,在发动机冷却水温度、发动机吸入空气温度、各种油温度、空调装置的空气温度控制等领域,具有广泛的用途。

PTC热敏温度传感器,以BaTiO3为主要成分,与金属氧化物混和,烧结成型。在特定温度领域,电阻以3位数急速增加。作为PTC热敏电阻的应用实例,有液面水平面传感器。这种传感器,通过下述的作用进行工作。把PTC元件放置在机油等液体中,当接通电流,电流能量转化为热能并在液体中扩散,随着液面的变化,当元件一露出液面,元件通过自身电流而发热,使温度上升,电阻也随之上升,于是电流急剧减少。观察电流值的变化就可以知道液面的变化状况。

热铁素体温度传感器:金属氧化物强磁性铁素体,当超过某一温度,具有从强磁性体向常磁性体(弱磁性)急速转变的性质。这种急变温度称为居里温度。

微型传感器利用微机械加工技术,将微米级的敏感元件、信号处理器、数据处理装置封装在一块芯片上,由于具有体积小、价格便宜、便于集成等特点,可以明显提高系统测试精度。当前,该技术逐步成熟,可以制作检测力学量、磁学量、热学量等各种微型传感器。多功能化是指一个传感器能检测两个或两个以上的特征参数或者化学参数,从而减少汽车传感器的数量,提高系统的可靠性。智能化是将传感器与大规模集成电路相结合,具有智能作用。

近年来,汽车用传感器技术发展迅速,趋势是实现多功能化、集成化和智能化。多功能是指一个传感器能检测两个或两个以上参数;集成化是直接利用半导体特性制成单片集成电路传感器,或是将分立的小型传感器制作在硅片上,例如集成化温度、压力传感器及霍尔电路等;智能化是指传感器与大规模集成电路结合,成为带有专用微型计算机的传感器。敏感元件的种类也越来越多,按敏感元件工作原理的不同,传感器大致可分为四大类:电阻型,电磁感应型和霍尔效应型, 光敏晶体型等。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。总之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数字化方向发展,它们的输出值将得到更多的相关利用。为此,制造商们正在开发和生产更好的传感器。

离子检测系统:三菱(Mitsubishi电子公司)正在开发一种汽车离子检测系统。这个系统能够通过检测离子来监控发动机每个气缸的燃烧情况。当可燃混合气持续燃烧时,在燃烧峰面附近就会发生电离现象。把一个带偏压的测头放入气缸,就可以测出与电离状况相关的离子流。这个能反映发动机各种燃烧状况的信息控制系统由带测头的火花塞、装有测试附件的点火线圈及一套处理离子流信号的电子模块构成,它可以判别每个缸的点火、燃烧及爆震情况。进一步的功能将是对发动机的混合气状况加以监控,即根据离子流所显示的燃烧情况来控制每个缸的空燃比。

快速起动的氧传感器:冷车运转时的发动机所排放的CO和HC是最多的,这就要求氧传感器尽快起动进入闭环控制状态。NGK火花塞有限公司研制出一种新型氧传感器,它能在15s内达到闭环控制。通过缩小加热区和降低阻抗,改进了传感器的加热装置。由于采用新材料和新的温控系统,使加热器的寿命与现有类型相近,改善了低温特性。

侧滑传感器:博世公司开发一种双向传感器,它是由采用压电晶体的线性加速度计组合而成。这样的组合更有利于传感器的设置、信号处理和封装。这种传感器有两个经过显微加工的信号发生器并各自对应着所测加速度方向的基准面,对应于某个基准面的独立信号就能测出相应的作用力。而很高的品质因数Q值使传感器的封装可以在常压下进行。

压电谐振式角速度传感器:三菱电子公司开发的这种传感器为玻璃一硅一玻璃结构,其谐振部分是一个用浸蚀法制成的硅梁。通过外置振荡器激发,其谐振频率约为4KHz。梁的厚度与硅片相同,它的宽度和长度通过浸蚀加工来决定。硅梁和玻璃支架的连接采用了真空下的阳极焊接工艺,以确保其固有频率变化很小。角速度的变化可根据硅梁振动频率变化引起的梁两侧玻璃支架上金属电极间的电容变化值测出。传感器电路由电容电压(C—V)转换器和同步解调器构成。C—V转换器是一个转换电容的比较器(ASIC)。当测量范围在±200°/s时,非线性为±1%。

高压传感器:Denso公司开发一种浸入式高压传感器。这些传感器可用来检测机油、液压系统、汽油以及空调制冷剂的压力,如制动器的液压控制系统、怠速下的空调机压缩器和动力转向泵、燃油控制系统、悬架控制系统以及自动变速器中的液压换挡系统。这些系统的压力变化在2~20MPa,而传感器可耐压38MPa。这种传感器使用一种树脂胶而不是通常使用的金属和玻璃来封装,以形成足够大的油分子通道,实现了外型和元件间封尺寸的优化设计。包括压力感应元件和放大电路在内的所有元件都集中在一块芯片上。

 

 

机油粘度传感器:何时更换机油一般是根据厂家规定的时间或里程来进行。少数厂家采用了更先进的方式,通过记录发动机转速和温度来计算换油间隔。Lucas Varity公司正在研制一种压电振动式粘度传感器,其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(准确地说应是粘度和密度的综合值)。可见,振动式粘度计是通过测量液体所传递的切变波形来确定粘度的一种装置。然而,由于传感元件与液体的接触处切变波形会产生畸变而导致测试值与液体的对应关系较差。

粘度传感器设置了一种界面来改善传感元件与液体之间的接触关系,传感器的核心是一个压电转换器,在它两侧施加电压时,就会产生切向运动。电极是用金属蒸发沉积法布置在压电晶体表面,然后整体涂上一层绝缘层。一台扫频仪通过振荡器所产生的交变电压来确定传感元件的谐振频率。因为在谐振时,传感元件的电阻达到最大值,随着液体粘度的变化,这个蜂值也相应变化,并通过峰值检测电路转化为电压信号。绝缘层的厚度根据所测粘度的范围来确定,因为从液体界面处反射回来的切变波必须被绝缘层全部吸收,所以绝缘层的厚度大约是四分之一个波长。

磁敏式速度传感器:SST技术有限公司开发了一种一体化的传感器,它是把高磁阻(GMR)材料与半导体装置合为一体的磁敏式速度传感器。高磁阻材料的特点是随磁场的变化其电阻值也发生变化。半导体装置是由制作在同一块BICMOS电路板上的信号处理器和电压调节器所构成。先将高磁阻材料喷镀在BICMOS板基上,采用光刻腐蚀工艺将其制成电阻,通过铝箔把其连入BICMOS电路,再周边镀上一层合金以聚集磁力线。这种传感器是双极型结构,通过电平转换输出一个方波脉冲信号,其输出频率与软磁信号轮齿的回转频率是相同的,而励磁机构是一块永久磁铁。由于传感器的信号处理电路是直流耦合式,所以可处理零速状态。而其具有高灵敏度使之在较大气隙下也能工作。采用上述技术的ABS传感器具有零速处理、输出信号在两电平之间变化的双极型结构,脉冲频率与信号轮齿或磁极的回转频率相同的特点。在允许温度和工作频率范围内,其频宽比为(50±10)%,轮齿模数2.5时,气隙特性可达3mm。

据数据显示,2002年全球汽车传感器的市场规模为70.1亿美元,预计到2005年将达到85.2亿美元,年平均增长率为6.7%;全球2002年汽车传感器的市场需求量为10.38亿只,预计到2005年将达到12.83亿只,年平均增长率为7.3%。和全球范围传感器产业相比,国内汽车传感器尚未形成独立的产业,仍然依附于汽车仪表企业。自20世纪80年代以来,国内汽车仪表行业引进国外的先进技术及与之相配套的传感器生产技术,基本满足了国内小批量、低水平车型的配套需求。众多轿车、轻型车及部分载货车中采用新的电子产品,需要大批量、高水平的汽车传感器,但国内现有最高水平的汽车传感器产品比国外同类产品落后10多年,每年要进口50万套以上的高性能汽车传感器。而伴随着国内汽车产量的迅速增长,今后几年国内汽车工业对传感器及其配套变送器和仪表的需求亦将大大增加。实现汽车传感器的国产化势在必行。

今天的汽车,传感器已是无处不在。一辆国内普通家用轿车上大约安装了近百个传感器,而豪华轿车上的传感器数量多达200只。未来汽车传感器技术总的发展趋势是微型化、多功能化和智能化。

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