汽车用传感器技术是促进汽车电子化发展的关键技术之一。目前,一般普通汽车大约装有几十只到近百只传感器,而高级豪华汽车大约使用200—300只传感器。汽车用传感器主要应用在汽车发动机控制系统和汽车状态控制系统中。
1 汽车发动机控制系统用传感器
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30g)、冲击(加速度50g)、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 压力传感器
压力传感器主要用于检测气缸负压、大气压、涡轮发动机的升压比、气缸内压、油压等。吸气负压式传感器主要用于吸气压、负压、油压检测,吸气压13kPa—100kPa,精度1%,大气压65kPa? 2;100kPa,精度5%;膜片式压力传感器主要用于发动机电子喷射装置,工作范围20kPa—800kPa,精度1.5%;电容式压力传感器主要用于检测泊压、液压、气压,测量范围20kPa-100kPa;半导体压力传感器用来检测各种压力,应用量最大,工作范围20MPa,精度0.6%(非线性) 59400226;SAW(表面波式)压力传感器具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、数字量输出等特点,用于汽车吸气阀压力检测,能在高温下稳定地工作。
采用非晶态磁性合金开发的高压用油压传感器能承受600个大气压的高压,在220个大气压下能使用3000万次。具有温度、线性补偿以及信号预处理的集成化半导体压力传感器也在研制开发中。
1.2温度传感器
温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。已实用化的产品有热敏电阻式温度传感器(通用型-50℃—130℃,精度1.5%,响应时间10ms;高温型600℃—1000℃,精度5%,响应时间10ms)、铁氧体式温度传感器(ON/OFF型,-40℃—120℃,精度2.0%)、金属或半导体膜空气温度传感器(-40℃—150℃,精度2.0%、5%,响应时间20ms)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。
1.3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。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0.5%)。二氧化钛氧传感器、NOx型气体传感器也趋向实用化。
1.4流量传感器
流量传感器主要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。空气流量传感器有卡门涡旋式、热膜式、热线式、旋转翼片式等,其主要技术指标为:工作范围0.1立方米/min—103立方米/min,工作温度-40℃-120℃,精度≤1%。
燃料流量传感器有水轮式和循环球式,其动态范围0kg/h—60kg/h,工作温度-40℃-120℃,精度±1%,响应时间<10ms。
1.5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。已实用化的有交流发电机式、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±0.5°以下,测弯曲角达±0.1°。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,为此而开发的非接触式光电速度传感器,测速范围0.5km/h—250km/h,重复精度0.1%,距离测量误差优于0.3%。
1.6爆震传感器
汽油在即将燃烧而没有发生明显爆燃时,燃烧速度最快、动力性能最好。爆燃检测方法有:气缸压力、发动机机体振动和燃烧噪声等。爆震传感器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5kHz—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。
2 汽车状态控制系统用传感器
汽车状态控制系统用传感器的使用环境条件不大苛刻,许多在工业控制系统中使用的传感器可以直接或者稍加改进后使用在汽车状态控制系统中。不同的控制系统要求配置不同的传感器。例如:在防打滑的制动器中使用对地速度传感器、车轮速度传感器;在SPA(单点式传感气袋系统)中使用悬 臂压电陶瓷式、圆板型压电陶瓷式、悬臂压电电阻式、4点支持压电电阻式、3层或5层结构静电电容器式等气袋用加速度传感器;在液压转向装置中使用车速传感器、油压传感器;在速度自动控制系统中使用车速传感器、加速踏板位置传感器;在亮度控制系统中使用光传感器;在电子驾驶系统中使用磁传感器、气流速度传感器;在自动空调系统中使用室内温度传感器、吸气温度传感器、风量传感器、日照传感器、湿度传感器;在导向行驶系统中使用方位传感器、车速传感器;在惯性行驶系统中使用转向传感器、行驶距离传感器;在测量燃油、冷却液、制动液、电解液、清洗液、发动机油位等液位时,使用热敏电阻式、压电谐振式、静电电容器式等液位传感器。
在ABS系统中各厂家正在致力开发轮毂内装式ABS传感器,预计将向轮毂内装式半导体传感器方面发展。霍尔器件及MR器件等可以检测出零车速,但目前的问题是如何降低成本。
3 汽车用传感器技术的发展趋势
未来的汽车用传感器技术,总的发展趋势是多功能化、集成化、智能化。多功能化是指一个传感器能检测2个或者2个以上的特性参数或者化学参数。集成化是指利用IC制造技术和精细加工技术制作IC式传感器。智能化是指传感器与大规模集成电路相结合,带有MPU,具有智能作用。新近研发的汽车用传感器具有如下特点:数字化信号输出、线性化微处理器补偿、传感器信号共用和加工、传感器间接测量、复合传感器信号处理、IC化和精细加工等。
光纤传感器现已开发出温度、压力、位置、转速、液位、流量、振动、陀螺等上百种类型。由于光纤传感器具有灵敏度高、体积小、质量轻、可弯曲、绝缘性好、无电磁干扰、宽频带、低损耗等特点,今后将会广泛应用到汽车上。
为提高汽车安全性和舒适性,生物体测量等方面的传感器也在研究中。例如,驾驶员视野盲区障碍物测量、保持2车前后车距、碰撞自动保护等装置中用传感器。
传感器信号输出与控制系统的计算机接口也是一个重要的研究课题。内含有A/D、D/A、I/O驱动、缓冲RAM、程序ROM、MPU,并具有线性、温度补偿以及相应控制程序的灵巧型汽车用传感器引人注目,将使得汽车各系统的元器件数量大大减少,从而降低系统成本,减小体积和减轻质量,并使整个系统更加简单可靠。
总之,汽车用传感器技术的发展,不仅仅是传感器自身的开发,而且更注重于对传感器的互换性、耐久性、可靠性的开发。