新型傳感器在汽車技術(shù)中的應(yīng)用研究

馬云貴（湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410000）

新型傳感器在汽車技術(shù)中的應(yīng)用研究

馬云貴
（湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410000）

隨著科技的高速發(fā)展，越來(lái)越多類型的傳感器技術(shù)被應(yīng)用到汽車工業(yè)中。汽車傳感器是將汽車的物理量、電量以及化學(xué)量轉(zhuǎn)變成電腦能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，將汽車各部分的狀態(tài)實(shí)時(shí)的反映出來(lái)，使駕駛者更加清晰的了解汽車狀態(tài)，是駕駛更加便捷、安全。處于這樣一個(gè)目的，更多的傳感器被發(fā)明、應(yīng)用，本文通過介紹新型傳感器的應(yīng)用，來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明傳感器的的作用及發(fā)展方向。

新型傳感器；傳感器應(yīng)用；發(fā)展方向

0 引言

隨著人民生活水平的不斷提高，汽車也逐漸的成為人們生活的必須品，汽車的智能化、電子信息化水平也在不斷的提升，駕駛的便捷性也在逐漸提高。人們?cè)谙硎苤噹?lái)樂趣的同時(shí)，也越來(lái)越多的依賴于汽車的各種各樣的傳感器。

1 傳感器作用

1.1 提高汽車操控穩(wěn)定性

在汽車操控方面，有越來(lái)越多的傳感器監(jiān)控著汽車的形式狀態(tài)，例如胎壓監(jiān)測(cè)、防滑監(jiān)測(cè)等，這些傳感器將各系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的收集起來(lái)，并傳輸給汽車計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的方案來(lái)提供相應(yīng)的控制，幫助駕駛者更加精準(zhǔn)的控制汽車，減少汽車故障的發(fā)生。

1.2 提升汽車駕駛舒適性

汽車在發(fā)展過程中，人們不僅越來(lái)越注重性能要求，同時(shí)也越來(lái)越注重汽車的舒適性，更多的考慮長(zhǎng)時(shí)間駕駛對(duì)身體的保護(hù)。而在舒適性方面，很多傳感器的使用使汽車更加智能、方便，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度，控制空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，使車內(nèi)更加舒適、穩(wěn)定。

1.3 提供各部位狀態(tài)信息

在汽車的各個(gè)系統(tǒng)中，為保證各個(gè)部位能夠正常運(yùn)行，就要實(shí)時(shí)了解各部位的運(yùn)行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)狀況需要立即顯示給駕駛者，從而使駕駛者能夠有足夠的時(shí)間做出處理。否則，對(duì)于汽車本身就會(huì)造成損害。例如，汽車的機(jī)油顯示狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)故障警示等。這些重要部位都設(shè)置了多個(gè)傳感器，針對(duì)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)問題，顯示不同的發(fā)動(dòng)機(jī)故障問題，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，可以第一時(shí)間讓駕駛者了解，采取措施，如果無(wú)法進(jìn)行解決，駕駛者可以第一時(shí)間進(jìn)行技術(shù)支持，由于大多數(shù)駕駛者不是專業(yè)汽車維修人員，無(wú)法了解汽車具體問題，狀態(tài)顯示也可以第一時(shí)間幫助技術(shù)支持者提供故障類型的可能性分析，為提供技術(shù)支持提供可靠依據(jù)。

2 傳感器的分類及綜合應(yīng)用

汽車的傳感器主要圍繞著汽車的運(yùn)行控制系統(tǒng)、車內(nèi)狀態(tài)來(lái)進(jìn)行設(shè)置的，這其中溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、位置和轉(zhuǎn)數(shù)傳感器等傳感器是核心。

2.1 溫度傳感器

溫度傳感器在汽車上有很多，例如監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度、冷卻水溫度、車內(nèi)溫度等。發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制系統(tǒng)可以根據(jù)進(jìn)氣溫度的高低來(lái)控制噴油嘴閥開啟時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間，保證發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣體的燃燒效率和動(dòng)力輸出。溫度傳感器一般有熱敏電阻式、熱電偶式、線繞電阻式三類，其特點(diǎn)分別是熱敏電阻靈敏性較高，響應(yīng)時(shí)間短，但線性變溫能力差，適合較低溫度的溫度檢測(cè)環(huán)境，熱電偶式的精度較高，測(cè)溫范圍較寬，但是由于其反應(yīng)變化電流很小，需要進(jìn)行放大器的放大處理。而線繞電阻式則需要相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的反應(yīng)，反應(yīng)的靈敏性較差，在監(jiān)視變化率較小的環(huán)境下使用比較合適。

2.2 壓力傳感器

壓力傳感器有很多種，例如：電容式、壓阻式、表面彈性波式（SAW）等，電容式壓力傳感器主要檢測(cè)負(fù)壓、氣壓、液壓等輸入能量高的環(huán)境，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)性較好，適應(yīng)性也很強(qiáng)。例如很多高級(jí)改裝車需要監(jiān)控油壓機(jī)吸氣負(fù)壓狀態(tài)就需要采用吸氣負(fù)壓傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)胎壓狀態(tài)。表面彈性波式（SAW）其體積小、質(zhì)量輕、能耗小、靈敏性高、易于數(shù)字量化輸出、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)集一身，其往往用在高端的狀態(tài)監(jiān)控上。

胎壓監(jiān)控示意圖

2.3 流量傳感器

流量傳感器在汽車上的使用主要就是用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量以及燃料流量監(jiān)測(cè)上。在空氣監(jiān)測(cè)方面為計(jì)算機(jī)提供了一個(gè)數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)根據(jù)車輛運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)及空氣流量來(lái)計(jì)算最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，例如在汽車啟動(dòng)時(shí)、勻速行駛時(shí)、制動(dòng)時(shí)空氣流量不同以及燃油供給量不同，需要進(jìn)行不同的點(diǎn)火程序，另外對(duì)于部分發(fā)動(dòng)機(jī)采用渦輪增加進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，也需要對(duì)于氣體流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。空氣流量傳感器主要有葉片式、熱線式、卡爾曼旋渦式。燃油流量傳感器主要監(jiān)控燃油的流量，通過計(jì)算機(jī)計(jì)算出瞬時(shí)油耗以及平均油耗等參數(shù)，反映給駕駛者。燃油流量傳感器主要有水車式和循環(huán)球式，反映時(shí)間較短。

2.4 位置和轉(zhuǎn)速傳感器

位置和轉(zhuǎn)數(shù)傳感器主要適用于監(jiān)測(cè)曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速等參數(shù)值，目前最常用的傳感器有霍爾效應(yīng)式、交流發(fā)電機(jī)式、磁阻式、光學(xué)式、半導(dǎo)體磁性晶體管式等，其測(cè)量范圍為0°～360°，精度為小于±0.15°。目前轉(zhuǎn)速傳感器有很多種，且針對(duì)的對(duì)象也有區(qū)別，現(xiàn)在較為先進(jìn)的為半導(dǎo)體磁性晶體管傳感器，其比霍爾效應(yīng)式傳感器靈敏度高100倍，且成本較低。對(duì)于車速的測(cè)量，較為先進(jìn)的傳感器為非接觸式光電速度傳感器，其范圍達(dá)到0～250km/h，重復(fù)精度為0.1%。

2.5 氣體濃度傳感器

氣體濃度傳感器是目前比較高端的車型上所采用的技術(shù)，通過氣體濃度傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放氣體成分的判斷，來(lái)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的性能，并向供油系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的反饋信號(hào)已修正噴油嘴的工作頻率，使空氣和燃料比達(dá)到最理想的狀態(tài)。目前，常用的氣體傳感器有氧化鋯傳感器、氧化鋯濃差電池氣體傳感器、固體電解質(zhì)式氧化鋯傳感器，此外還有二氧化鈦氧傳感器。相比前者，二氧化鈦氧床干起結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、方便抗污染能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.6 爆震傳感器

爆震傳感器主要檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體振動(dòng)情況，并根據(jù)振動(dòng)情況適當(dāng)調(diào)整點(diǎn)火時(shí)刻，避免發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震。通過檢測(cè)氣缸壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和燃燒噪聲三種主要方法來(lái)檢測(cè)汽車的爆震情況。傳感器類型主要有磁致伸縮式和壓電式。磁致伸縮式爆震傳感器的適用范圍為-40℃～125℃，頻率范圍為5～10kΗz；壓電式的爆震傳感器當(dāng)頻率為5.417kΗz處，靈敏度可達(dá)到200mV/g，并且具有良好的線性度。爆震傳感器可以反映出發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，例如扭矩的輸出大小。爆震傳感器與氣體傳感器的有效結(jié)合就可以輔助形成汽車的燃油輔助工具，幫助汽車更好的調(diào)節(jié)供油工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率逐步提升，同時(shí)也減少了廢棄排放。

3 傳感器的綜合應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

汽車技術(shù)的智能化、舒適化是汽車的發(fā)展方向，隨著汽車發(fā)展，傳感器在汽車的探測(cè)、控制系統(tǒng)中的作用也越來(lái)越明顯。如今的汽車，各種先進(jìn)的技術(shù)與系統(tǒng)逐漸應(yīng)用到汽車上，輔助系統(tǒng)的應(yīng)用更是使駕駛者更加安全、簡(jiǎn)單地駕駛汽車，例如，停車輔助系統(tǒng)、車道偏離矯正系統(tǒng)、注意力分散監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、酒精監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)等等。

3.1 電子化

電子化是傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向，現(xiàn)代傳感器多是從半導(dǎo)體集成電路技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，目前隨著電子技術(shù)的日漸成熟，可以制作各種敏感和檢測(cè)力學(xué)量、磁學(xué)量、熱學(xué)量、化學(xué)量和生物量的傳感器。由于基于電子技術(shù)的傳感器在降低汽車電子系統(tǒng)成本及提高其性能方面的優(yōu)勢(shì)，它們已開始逐步取代基于傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)的傳感器

3.2 小型化

傳感器的小型化利用計(jì)算機(jī)控制微機(jī)械加工技術(shù)將微米級(jí)的敏感元件、信號(hào)處理器、數(shù)據(jù)處理裝置封裝在一塊芯片上，由于具有體積小、價(jià)格便宜、便于集成等特點(diǎn)，可以明顯提高系統(tǒng)測(cè)試精度。汽車在逐漸的發(fā)展，人們對(duì)汽車各個(gè)部位性能的提升以及監(jiān)測(cè)都需要傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而愈加細(xì)致的控制需要越來(lái)越小的傳感器深入到汽車精細(xì)部位中去，且不干擾汽車的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣也促使傳感器逐漸小型化，只有小型化才能在汽車科技競(jìng)爭(zhēng)中逐漸贏得機(jī)遇和發(fā)展。

3.3 類型多樣化

以往的傳感器多以機(jī)械式的為主，然而，隨著電子傳感器的發(fā)展，越來(lái)越多的電子技術(shù)被應(yīng)用到傳感器中去，逐漸形成了不同原理、不同功能的傳感器，而即使與以往傳感器原理、功能近似的傳感器，在材料使用上、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性上都有質(zhì)的提升。而探測(cè)同樣一個(gè)數(shù)據(jù)，因?yàn)槠囋O(shè)計(jì)定位的不同以及結(jié)構(gòu)形式、部位、空間的不同，所使用的傳感器也不盡相同，也促使了傳感器向多樣化發(fā)展。

3.4 系統(tǒng)集成化

汽車的發(fā)展不僅僅是以往的代步、運(yùn)輸，更是現(xiàn)代人們生活、休閑必不可少的工具，已然成為人們生活的一部分。隨著人們對(duì)生活追求的不斷提高，汽車功能也日漸完善，簡(jiǎn)單的傳感器設(shè)備便無(wú)法完成預(yù)定功能。因此，汽車傳感器就不得不將更多的傳感器聯(lián)合起來(lái)，使各個(gè)傳感器各司其職，共同來(lái)完成一個(gè)更加復(fù)雜的任務(wù)。例如，現(xiàn)在豪華汽車座椅系統(tǒng)，就不僅要有位置傳感器，同時(shí)又要有記憶傳感器的設(shè)置來(lái)完成設(shè)置的快捷性。

3.5 智能化

智能化是指?jìng)鞲衅髋c大規(guī)模集成電路相結(jié)合，帶有CPU，具有智能作用，以減少ECU的復(fù)雜程度，減小其體積，并降低成本。智能化的傳感器可以將電子傳感器的工作范圍擴(kuò)大，也將其傳感器精確度逐漸提高。因此智能化的傳感器也是傳感器發(fā)展的必然方向。

3.6 新型化

傳感器的原理是基于各種物理、化學(xué)、生物等效應(yīng)，對(duì)其進(jìn)行有效利用。隨著科技的不斷進(jìn)步，各種新型材料以及更加創(chuàng)新、有效的技術(shù)不斷被研發(fā)出來(lái)，傳感器的種類將更加多樣，傳統(tǒng)功能的傳感器也同樣基于技術(shù)與工藝的改變而進(jìn)行改變，采用新型的技術(shù)，將更能發(fā)揮傳感器的綜合效應(yīng)。

3.7 精準(zhǔn)化

傳感器從最初的模擬物理量，到如今的數(shù)字化，傳感器的觸控方式在不斷的改變，感知范圍不斷的在縮小，變得更加精細(xì)，同時(shí)由于更多的集成系統(tǒng)的運(yùn)用，控制中心的處理方式也在不斷的跟數(shù)字化接軌，這樣控制中心能夠更加容易的通過傳感器傳來(lái)的數(shù)字量的大小來(lái)精準(zhǔn)的控制動(dòng)作部分來(lái)進(jìn)行細(xì)小而精準(zhǔn)的控制，不再像以前一樣的模擬量誤差極大而無(wú)法做到精準(zhǔn)反饋。例如，汽車行進(jìn)車道轉(zhuǎn)彎輔助系統(tǒng)，在行進(jìn)過程中要利用前方攝像設(shè)備的高清晰影像，通過精細(xì)分辨才能做到輔助轉(zhuǎn)彎的精準(zhǔn)，否則，轉(zhuǎn)彎輔助反而會(huì)對(duì)駕駛者的操控產(chǎn)生不利影響。再比如，高性能車在激烈的駕駛狀態(tài)下對(duì)于油門的控制時(shí)間、力度要掌握的跟精細(xì)，如果稍有動(dòng)作延遲以及反饋不精準(zhǔn)都會(huì)造成汽車成績(jī)不理想。

隨著科技的不斷提高，汽車傳感器技術(shù)也在不斷的提高，汽車傳感器將會(huì)更加的智能化、微型化、穩(wěn)定化和多功能化。隨著傳感器的使用，汽車品質(zhì)與功能有了質(zhì)的飛躍，傳感器配合汽車電腦的使用，使汽車的操控更加的穩(wěn)定，在能耗控制與動(dòng)力輸出方面也有著良好的平衡，而在舒適度方面也更加的趨于人性化和簡(jiǎn)潔化。傳感器已經(jīng)成為了汽車獲取狀態(tài)參數(shù)的主要元件，是汽車中不可缺少的設(shè)備。在未來(lái)，會(huì)有更多的新型傳感器廣泛的應(yīng)用到汽車生產(chǎn)和使用中去。

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馬云貴（1964—），男，副教授，研究方向：汽車技術(shù)。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.243