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1、浅谈传感器技术在汽车领域的应用院 系 信息工程系 专 业 年 级 学生姓名 陈浩然 指导教师 张晓冬 2015年 4 月 7 日 目录1 摘要 1.1 汽车传感器举足轻重 1.2 国内传感器生产水平低 1.3 汽车上的主要传感器 1.4 汽车传感器的发展趋势 2 传感器类型 2.1里程表传感器 2.2安全气囊传感器 2.3 速度传感器3 基本原理和发展 致谢 参考文献 1 摘要 汽车传感器发展综述 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

2、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。今天，传感器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。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

3、气囊，还要增加传感器。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。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。 传感器在汽车上的应用不断扩大，它们在汽车电子稳定性控制系统（包括轮速传感器、陀螺仪以及刹车处理器）、车道偏离警告系统和盲点探测系统（包括雷达、红外线或者光学传感器）各个方面都得到了使用。2005年，美国ABI研究公司公布了一份专

4、门针对传感器市场的研究报告。这份名为汽车传感器：加速计、陀螺仪、霍耳效应、光学、压力、雷达以及超音速传感器的报告，对2012年前主要传感器的地区性使用前景作了预测。报告讨论了使用传感技术的许多先进安全系统，并提供了主要40家生产厂家的详细资料，以及100多家生产厂家名录。这家调查公司的一位资深分析师认为，是主动式安全系统推动了传感器被越来越多地使用。在汽车业，安全系统成为传感器的最大市场。根据“全球信息公司”的调查报告，全球轻型汽车传感器OEM市场年均增长率7.4%，到2010年将达到140亿美元的规模，其增长幅度远远超出汽车本身的年均增长率。在发达国家，随着汽车电子系统日益完善，电子传感新技

5、术快速发展，但已经成熟的传感器产品的增长将趋缓甚至可能下降；在发展中国家，基本的汽车传感器主要用于汽车发动机、安全、防盗、排放控制系统，增长量十分可观。用于发展中国家汽车幕?敬?衅鞑?分饕?齇EM生产，以减少成本。汽车传感器供应商面临严峻挑战：一方面要扩大产能产量，另一方面要不断减低成本，这种发展趋势未来将不可能改变。汽车发动和驱动系统仍是传感器的最大和最成熟的市场，然而与其它应用相比，增速将放缓；随着全球燃油价格的提高，“改进燃烧效率”将是汽车传感器的新的应用“亮点”领域；在汽车安全和防盗系统中的应用将是最快的增长的市场；尾气排放控制系统市场的发展则十分稳定，前景良好。按区域划分的几大应用市

6、场是，在美国，主要用于胎压检测；在欧洲，用于汽车行人警告系统；在新兴产业国家，主要用于安全气囊和自动安全带系统。以每辆车来衡量，氧传感器用量最多，技术上不断进步。1.1 汽车传感器举足轻重 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。汽车传感器对温度、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。衡量现代高级轿车控制系统水平的关键就在于其传感器的数量和水平。当前，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。 近年来从半导体集成电路技术发展而来的微电子机械系统（MEMS

7、）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，非常适合在汽车上应用。 微型传感器的大规模应用将不仅限于发动机燃烧控制和安全气囊，在未来57年内，包括发动机运行管理、废气与空气质量控制、ABS、车辆动力的控制、自适应导航、车辆行驶安 全系统在内的应用，将为MEMS技术提供广阔的市场。 1.2 国内汽车传感器生产水平低 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

8、平车型的配套需求。由于起步较晚，还没有形成系列化、配套化，尚未形成独立的产业，仍然依附于汽车仪表企业。 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。 许多传感器厂家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，有的已成为几大“电喷”系统厂家的下游供应商。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。 伴随着国内汽车产量的迅速增长，今

9、后几年国内汽车工业对传感器及其配套变速器和仪表的需求亦将大大增加，实现汽车传感器国产化势在必行。为适应这一形势，应重点开发新型压力、温度、流量、位移等传感器，尽快为汽车工业解决电喷系统、空调排污系统和自动驾驶系统所需的传感器是十分迫切的任务。汽车传感器对整车厂而言，是二级配套产品，必须以系统形式进入整车厂配套。一级系统配套商的实力关系到主机厂的品牌，所以必须建立系统平台，以系统带动传感器的发展。 1.3 汽车上的主要传感器 这里介绍汽车传感器的经典例子里程表传感器、安全气囊传感器、速度传感器等三种传感器产品。 1.3.1里程表传感器 在差速器或者半轴上面的传感器，来感觉转动的圈数，里程表传感器

10、一般用霍尔，光电两个方式来检测信号，其目的利用里程表记数可有效的分析判断汽车的行驶速度和里程，因为半轴和车轮的角速度相等，已知轮胎的半径，直接通过里程参数来计算。在传动轴上设计两个轴承，大大减轻了运行中的力距，减少了摩擦力，增强了使用寿命；由原来的动态检测信号改为齿轮运转式检测信号；由原来直插式垂直变速箱改为倒角式接口变速箱。里程表传感器插头一般是在变速箱上，有的打开发动机盖可以看到，有的要在地沟操作。1.3. 2安全气囊传感器 安全气囊在车辆发生碰撞时能够起到缓冲作用，从而降低撞击对车内乘客造成的伤害。很多人将安全气囊等同于SRS，这是不准确的，其实安全气囊只是SRS的一种。SRS是英文SU

11、P综述 图片 论坛plemental Restraint System的缩写，中文含义是辅助防护系统，常见的辅助防护系统有安全气囊和安全带。在很多汽车的转向盘上和仪表板右侧杂物箱上方都标有SRS或AIR BAG，这表示有安全气囊安装在此处。安全气囊系统的组成安全气囊系统主要包括碰撞传感器、气囊电脑、系统指示灯、气囊组件以及连接线路，气囊组件主要包括气囊、气体发生器以及点火器等。(1)碰撞传感器对于各汽车制造厂生产的车辆，碰撞传感器的安装位置不尽相同，而且碰撞传感器的名称也不统一，例如有些碰撞传感器按照工作原理也称为加速度传感器。按照用途的不同，碰撞传感器分为触发碰撞传感器和防护碰撞传感器。触发

12、碰撞传感器也称为碰撞强度传感器，用于检测碰撞时的减速度或惯性，并将碰撞信号传给气囊电脑，作为气囊电脑的触发信号；防护碰撞传感器也称为安全碰撞传感器，它与触发碰撞传感器串联，用于防止气囊误爆。按照结构的不同，碰撞传感器分为机电式碰撞传感器、电子式碰撞传感器以及机械式碰撞传感器。防护碰撞传感器一般采用电子式结构，触发碰撞传感器一般采用机电结合式结构或机械式结构。机电结合式碰撞传感器是利用机械的运动(滚动或转动)来控制电气触点动作，再由触点断开和闭合来控制气囊电路的接通和切断，常见的有滚球式和偏心锤式碰撞传感器。电子式碰撞传感器没有电气触点，目前常用的有电阻应变式和压电效应式2种。机械式碰撞传感器常

13、见的有水银开关式，它是利用水银导电的特性来控制气囊电路的接通和切断。对于早期的汽车，一般设有多个触发碰撞传感器，安装位置一般在车身的前部和中部，例如车身两侧的翼子板内侧、前照灯支架下面以及发动机散热器支架两侧等部位。随着碰撞传感器制造技术的发展，有些汽车将触发碰撞传感器安装在气囊电脑内。防护碰撞传感器一般都与气囊电脑组装在一起(图1)，多数安装在驾驶舱内中央控制台下面1.3.3 速度传感器 速度传感器是电动汽车较为重要的传感器，也是应用较多的传感器。就其定义而言，速度传感器主要是用来测量速度的传感器，分为转速传感器、车速传感器、车轮转速传感器等。速度传感器转速传感器主要用于电动汽车电动机旋转速

14、度的检测。常用的转速传感器有三种，分别为电磁感应式转速传感器、光电感应式转速传感器、霍尔效应式转速传感器，均采用非接触式测量原理，以增强检测的安全性、提高检测精度。车速传感器用来测量电动汽车行驶速度。车速传感器信号主要用于仪表板的车速表显示及发动机怠速、电动汽车加速其间的控制等。目前我国绝大部分电动汽车上的速度表都是以汽车论坛的选择转速变换成汽车速度进行测速的。这在汽车制动、打滑的情况下，以及论坛因新旧、摩擦、路面、胎压高低等造成其外圆周长的变化都会造成误差过大，甚至无法工作，车速传感器主要有电磁感应式、光电式、可变磁阻式和霍尔式集中。电动汽车上普遍采用电磁感应式和霍尔式速度传感器。我们知道汽

15、车传感器的作用就是将一些我们需要检测的信号转换成电信号并输出，让我们可以通过反馈回来的信号来判定系统现在的状态。汽车速度传感器就是这样一种设备，它通过检测电控汽车的车速并将具体的车速信号转换成电信号传输给汽车的核心控制电脑，控制电脑用这个输入信号来进行判定运行的状态，并发出指令来控制发动机怠速，它还可以实现自动变速器的变扭器锁止，自动变速器换档及发动机冷却风扇的开闭和巡航定速等功能。总的来说，汽车要安全有效的行驶，出来需要一些传动机构、发电机、点火装置等这些大的机械设备之外，还需要通过速度检测来实时的检测我们的车速，无论是汽车的发动还是加速减速，或者我们需要将汽车停止运行，它都发挥着重要的作用

16、。它的功能我们具体可以这样来理解：(1)检测汽车行驶速度，并把检测结果输入给汽车仪表系统，用于显示车速;(2)将检测结的车速信号输入到需要车速信号的汽车控制系统的ECU;(3)用于自动变速器系统、巡航定速系统;各种汽车速度传感器的工作原理及应用(1)磁电式车速传感器-模拟交流信号发生器，产生交变电流信号，通常由带两个接线柱的磁芯及线圈组成。磁组轮上的逐个齿轮将产生一一对应的系列脉冲，其形状是一样的。输出信号的振幅与磁组轮的转速成正比(车速)，信号的频率大小表现于磁组轮的转速大小。发动机控制电脑或点火模块正是靠这个同步脉冲信号来确定触发电火时间或燃油喷射时刻的。(2)霍尔式车速传感器-它们主要应

17、用在曲轴转角和凸轮轴位置上，用于开关点火和燃油喷射电路触发，它还应用在其它需要控制转动部件的位置和速度控制电脑电路中。由一个几乎完全闭合的包含永久磁铁和磁极部分的磁路组成，一个软磁铁叶片转子穿过磁铁和磁极间的气隙，在叶片转子上的窗口允许磁场不受影响的穿过并到达霍尔效应传感器，而没有窗口的部分则中断磁场。(3)光电式车速传感器-由带孔的转盘两个光导体纤维，一个发光二极管，一个作为光传感器的光电三极管组成。 一个以光电三极管为基础的放大器为发动机控制电脑或点火模块提供足够功率的信号，光电三极管和放大器产生数字输出信号(开关脉冲)。发光二极管透过转盘上的孔照到光电二极管上实现光的传递与接收。(4)发

18、动机转速传感器-检测发动机的转速，通常利用曲轴位置传感器来检测发动机的转速并输出来实现的。用于燃油喷射量、点火提前角、动力传动控制等;(5)车速传感器-通常是直接或者间接检测汽车轮胎的转速来来获得的，主要是体现在我们可以在汽车行驶的时候可以知道自己的形式的车速。(6)车轮转速传感器检测车轮转速并将检测结果输出ECU，主要是的作用是在汽车制动的控制和驱动控制这两方面;(7)减速传感器-其主要的是要检测汽车在减速的时候的减速速度，也是将这个信号回传到ECU，汽车制动的控制和驱动控制这两方面。1.加速度传感器在汽车ECS中的应用它是在单一芯片上集成两个相互独立、测量方向相互垂直的敏感元的测量模块，是

19、由多晶硅微加工表面工艺制成的电容式加速度传感器;由硅片表面的弹性结构支撑起的质量块下面贴附电容的一个极板，电容的另一极扳固定。当加速度引起质量块的相对位置变化时，电容值也发生变化;两个敏感元的信号处理电路将各自的电容变化转换成幅值与加速度成正比的方波信号，经工作周期调制(DCM)后，就能将模拟信号转换为数字信号，通过引脚XOUTYOUT进行输出。另外，ADXL202还可以通过XFILT、YFILT引脚输出模拟信号。2.汽车悬挂系统应该能够在高速转向时、在凹凸不平的路面上行驶时以及突然加速和刹车时让车辆仍具有较好的驾驶性能。许多系统采用的是总体式闭环控制。安装在汽车拐角处的垂直加速度计测量车身的

20、加速度，来进行实时调节震动吸收器，以达到安全平稳驾车。在高级系统中，车轮力是用轮毂加速度计进行测量。在没有方向盘角度传感器的车辆中，横向加速度计用于测量离心力，其他加速度计进行转动测量。车身加速度计的测量范围通常是1g到3g，轮毂传感器的测量范围可以达到12g。这些传感器是带集成插头或引线的分立传感器。1.4 汽车传感器的发展趋势 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，汽车传感器市场需求将保持高速增长，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。 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，

21、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。 智能传感器是一种带微型计算机兼有检测、判断、信息处理等功能的传感器。与传统传感器相比，她具有很多特点。例如，她可以确定传感器工作状态，对测量资料进行修正，以便减少环境因素如温度引起的误差；用软件解决硬件难以解决的问题；完成资料计算与处理工作等等。世界各国都在车用传感器硬件的基础上，努力用软件来解决汽车电气干扰大、环境差（温度高、温度梯度大、污

22、染厉害等）等问题造成的对汽车参数测量的影响。而且智能式传感器精度高、量程覆盖范围大、输出信号大、信噪比高、抗干扰性能好，有的还带有自检功能。不少汽车大公司在该方面进行研制与开发，并取得了成就并加以应用。 其技术的发展方向是开展基础研究，发现新现象，采用新原理，开发新材料，采用新工艺；扩大传感器的功能与应用范围。开发新材料是发展汽车传感器技术的一个重要方向。由于材料科学的进步，在制造各种材料时，人们可以任意控制其成分，从而可以设计与制造出各种用于传感器的功能材料，例如控制半导体氧化物的成分，可以制造出各种气体传感器；光导纤维用于传感器是传感器功能材料的一个重大发现；引起专家关注。2 发动机传感器

23、 电控发动机控制系统传感器本身故障和线路故障是造成电控系统故障的主要原因之一，因此掌握各组成部分及线路故障的检修方法极为重要。传感器的检测方法:一般有在线检测和元件单独检测两种。 元件单独检测:传感器拆下或其连接器脱开的情况下，对传感器内部情况进行检测。一般检测有关端子之间的电阻值或通断情况，常用万用表进行检测；在线检测:传感器在工作状态时检测有关端子的电压(主要检查供电电压和输出信号电压)及传感器和发动机ECU之间连线情况的综合检测，常用的工具有万用表、诊断仪、示波器等。2.1发动机冷却液温度传感器 发动机冷却液温度传感器简称水温传感器，它是双线的传感器，一般安装在发动机水套中与冷却液直接接

24、触，用于检测发动机冷却液的温度。发动机ECU通过水温传感器信号修正喷油量和点火提前角。水温传感器内部是一个负温度系数的热敏电阻，温度低时电阻值大，而温度高时电阻值小。水温传感器和ECU的连接如图79所示。如果水温传感器本身或其线路故障，将导致发动机冷车或热车起动困难、怠速不稳、耗油量和废气排放量增加。水温传感器的检修方法有：万用表检测。2.2进气温度传感器进气温度传感器也是双线的传感器，通常安装在空气滤清器之后的进气管上或翼板式空气流量计内，有的安装在谐振腔上。进气温度传感器的作用是检测发动机的进气温度，送给ECU作为修正喷油量的参考。传感器内部也是一个负温度系数的热敏电阻，温度升高时阻值下降

25、，信号电压也下降。进气温度传感器和发动机ECU的连接如图7-11所示。如果进气温度传感器本身或其线路故障，将导致发动机起动困难、怠速不稳、废气污染物排放量增加，其检测方法同水温传感器。 2.3节气门位置传感器节气门位置传感器又称节气门开度传感器，它安装在节气门体旁，由节气门轴操作。有些发动机节气门位置传感器的安装位置可调整。当重新安装节气门位置传感器时，应检测节气门位置传感器的信号，以确定节气门位置传感器安装位置是否正确。 3 胎压监测传感器 TPMS （轮胎压力监测系统）的作用是在汽车行驶过程中对轮胎气压进行实时自动监测，并对轮胎漏气和低气压进行报警，以确保行车安全。 目前，轮胎压力监测系统

26、主要分为两种类型： 一种为间接式（Wheel-Speed Based TPMS，简称WSB），这种系统是通过汽车ABS 系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监测胎压的目的。ABS通过轮速传感器来确定车轮是否抱死，从而决定是否启动防抱死系统。当轮胎压力降低时，车辆的重量会使轮胎直径变小，这就会导致车速发生变化，这种变化即可用于触发警报系统来向司机发出警告。 另一种是直接式（Pressure-Sensor Based TPMS，简称PSB），这种系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，利用无线发射器将压力信息从轮胎内部发送到中央接收器模块上的系统，然后对各轮胎气压

27、数据进行显示。当轮胎气压太低或漏气时，系统会自动报警。 这两种系统各有优劣。直接系统可以提供更高级的功能，随时测定每个轮胎内部的实际瞬压，很容易确定故障轮胎。间接系统造价相对较低，已经装备了4轮ABS (每个轮胎装备1个轮速传感器)的汽车只需对软件进行升级。但是，间接系统没有直接系统准确率高，它根本不能确定故障轮胎，而且系统校准极其复杂，在某些情况下该系统会无法正常工作，例如同一车轴的2个轮胎气压都低时。 还有一种复合式TPMS，它兼有上述两个系统的优点，它在两个互相成对角的轮胎内装备直接传感器，并装备一个4轮间接系统。与全部使用直接系统相比，这种复合式系统可以降低成本，克服间接系统不能检测出

28、多个轮胎同时出现气压过低的缺点。但是，它仍然不能像直接系统那样提供所有4个轮胎内实际压力的实时数据。 现在的轮胎压力监测系统还是存在着不少需要完善改进的地方。对于间接系统来说，同轴或2个以上轮胎缺气的情况无法显示；车速100 km/h以上时监测失效。而对于直接系统，无线信号传输的稳定性和可靠性、传感器的使用寿命、报警提示的准确性（有无误报、错报）以及传感器的耐压性等都是亟待提高的。 目前已安装轮胎压力监测系统的有奥迪、宝马、奔驰、法拉利、保时捷和大众等的部分车型，可以说TPMS现在还属于比较高端的产品，离大众化和普及化还有很长的距离。据统计，在2004年的美国，登记在册的35的新车都安装了TP

29、MS，预计2005年将达到60%。在高度重视汽车安全性的未来，轮胎压力监测系统早晚会成为所有汽车上的标准配置，就像ABS从出现到普及一样，需要一个过程。 致 谢我要感谢的是我的导师张李晓冬老师。晓冬老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，都给予我悉心的指导和帮助。可以说，没有晓冬老师的悉心指导和帮助，我是不可能顺利完成我的毕业设计的。另外，她的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。再次，我要感谢的是我的同学和舍友们在这段时间，他们给了我不少的关心和帮助。最后我要感谢的是我亲爱的郑州成功财经学院的每一位老师和同学。 总之，感谢每一位关心过我，爱护过

30、我的人。参考文献1 曲国福，刘宏昭：基于MEMS技术的复合型只能传感器的设计J；传感器与微系统；2006年03期2 吕良，邓中亮，刘玉德，辛洪兵：基于MEMS技术的汽车传感器研究进展J；电工技术学报；2007年04期3 刘光辉，亢春梅：MEMS技术的现状和发展趋势J；传感器技术；2001年01期4 彭春华，刘建业，刘岳峰，晏磊，郑江华：车辆检测传感器综述J；传感器与微系统；2007年06期5 吴兴福，撒潮：基于磁阻传感器的无线车辆检测传感器设计J；北京汽车；2010年02期6 张子栋，吴雪冰，吴慎山：智能传感器原理及应用；河南科技学院学报（自然科学版）；2008.2（36）；116119.7 郭强，吕浩杰：胡国清新型接触式电容压力传感器仪表技术与传感器；2008-03