汽車傳感器知識全面概括

前言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，汽車電子化程度不斷提高，通常的機械系統(tǒng)已經(jīng)難以解決某些與汽車功能要求有關(guān)的問題，而被電子控制系統(tǒng)代替。

汽車傳感器

傳感器作為汽車電控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它直接影響汽車的技術(shù)性能的發(fā)揮?，F(xiàn)代汽車已將傳感器技術(shù)擴展到底盤、車身和燈光電氣系統(tǒng)上了。這些系統(tǒng)采用的傳感器有100多種。這些傳感器主要分布在發(fā)動機控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)和車身控制系統(tǒng)中。

傳感器的作用就是根據(jù)規(guī)定的被測量的大小，定量提供有用的電輸出信號的部件，亦即傳感器把光、時間、電、溫度、壓力及氣體等的物理、化學(xué)量轉(zhuǎn)換成信號的變換器。

汽車傳感器的種類

汽車傳感器的種類這么多，常見的有哪些呢？下面來介紹分布在不同車輛控制系統(tǒng)中的一些常用的汽車傳感器。

發(fā)動機控制用傳感器

發(fā)動機控制用傳感器有許多種，其中包括溫度傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)速和角度傳感器、流量傳感器、位置傳感器、氣體濃度傳感器、爆震傳感器等。這類傳感器是整 個發(fā)動機的核心，利用它們可提高發(fā)動機動力性、降低油耗、減少廢氣、反映故障等。

由于發(fā)動機用傳感器工作在發(fā)動機振動、汽油蒸氣、污泥和泥水等惡劣環(huán)境中，因此它們耐惡劣環(huán)境技術(shù)指標(biāo)要高于一般的傳感器。對于它們的性能指標(biāo)要求有很多種，其中最關(guān)鍵的是測量精度與可靠性，否則由傳感器檢測帶來的誤差最終將導(dǎo)致發(fā)動機控制系統(tǒng)失靈或故障。

1.溫度傳感器

溫度傳感器主要用于檢測發(fā)動機溫度、吸入氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度以及催化溫度等。溫度用傳感器有線繞電阻式、熱敏電阻式和熱偶電阻式三種主要類型。三種類型傳感器各有特點，其應(yīng)用場合也略有區(qū)別。

線繞電阻式溫度傳感器的精度高，但響應(yīng)特性差；

熱敏電阻式溫度傳感器靈敏度高，響應(yīng)特性較好，但線性差，適應(yīng)溫度較低；

熱偶電阻式溫度傳感器的精度高，測量溫度范圍寬，但需要配合放大器和冷端處理一起使用。

已實用化的產(chǎn)品有熱敏電阻式溫度傳感器(通用型-50℃～130℃，精度1.5%，響應(yīng)時間10ms；高溫型600℃～1000℃，精度5%，響應(yīng)時間10ms)、鐵氧體式溫度傳感器(ON/OFF型，-40℃～120℃，精度2.0%)、金屬或半導(dǎo)體膜空氣溫度傳感器(-40℃～150℃，精度2.0%、5%，響應(yīng)時間20ms)等。

2.壓力傳感器

壓力傳感器主要用于檢測氣缸負(fù)壓、大氣壓、渦輪發(fā)動機的升壓比、氣缸內(nèi)壓、油壓等。吸氣負(fù)壓式傳感器主要用于吸氣壓、負(fù)壓、油壓檢測。汽車用壓力傳感器應(yīng)用較多的有電容式、壓阻式、差動變壓器式（LVDT）、表面彈性波式（SAW）。

電容式壓力傳感器主要用于檢測負(fù)壓、液壓、氣壓，測量范圍20～100kPa，具有輸入能量高，動態(tài)響應(yīng)特性好、環(huán)境適應(yīng)性好等特點；

壓阻式壓力傳感器受溫度影響較大，需要另設(shè)溫度補償電路，但適應(yīng)于大量生產(chǎn)；

LVDT式壓力傳感器有較大的輸出，易于數(shù)字輸出，但抗干擾性差；

SAW式壓力傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、分辨率高、數(shù)字輸出等特點，用于汽車吸氣閥壓力檢測，能在高溫下穩(wěn)定地工作，是一種較為理想的傳感器。

3.流量傳感器

流量傳感器主要用于發(fā)動機空氣流量和燃料流量的測量?？諝饬髁康臏y量用于發(fā)動機控制系統(tǒng)確定燃燒條件、控制空燃比、起動、點火等?？諝饬髁總鞲衅饔行D(zhuǎn)翼片式（葉片式）、卡門渦旋式、熱線式、熱膜式等四種類型。

旋轉(zhuǎn)翼片式（葉片式）空氣流量計結(jié)構(gòu)簡單，測量精度較低，測得的空氣流量需要進行溫度補償；

卡門渦旋式空氣流量計無可動部件，反映靈敏，精度較高，也需要進行溫度補償；

熱線式空氣流量計測量精度高，無需溫度補償，但易受氣體脈動的影響，易斷絲；

熱膜式空氣流量計和熱線式空氣流量計測量原理一樣，但體積少，適合大批量生產(chǎn)，成本低。

空氣流量傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)為：工作范圍0.11～103立方米/min，工作溫度-40℃～120℃，精度≤1%。

燃料流量傳感器用于檢測燃料流量，主要有水輪式和循環(huán)球式，其動態(tài)范圍0～60kg/h，工作溫度-40℃～120℃，精度±1%，響應(yīng)時間小于10ms。

4.位置和轉(zhuǎn)速傳感器

位置和轉(zhuǎn)速傳感器主要用于檢測曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門的開度、車速等。目前汽車使用的位置和轉(zhuǎn)速傳感器主要有交流發(fā)電機式、磁阻式、霍爾效應(yīng)式、簧片開關(guān)式、光學(xué)式、半導(dǎo)體磁性晶體管式等，其測量范圍0°～360°，精度±0.5°以下，測彎曲角達±0.1 。

車速傳感器種類繁多，有敏感車輪旋轉(zhuǎn)的、也有敏感動力傳動軸轉(zhuǎn)動的，還有敏感差速從動軸轉(zhuǎn)動的。當(dāng)車速高于100km/h時，一般測量方法誤差較大，需采用非接觸式光電速度傳感器，測速范圍0.5～250km/h，重復(fù)精度0.1%，距離測量誤差優(yōu)于0.3%。

5.氣體濃度傳感器

氣體濃度傳感器主要用于檢測車體內(nèi)氣體和廢氣排放。其中，最主要的是氧傳感器，實用化的有氧化鋯傳感器(使用溫度-40℃～900℃，精度1%)、氧化鋯濃差電池型氣體傳感器(使用溫度300℃～800℃)、固體電解質(zhì)式氧化鋯氣體傳感器(使用溫度0℃～400℃，精度0.5%)。

另外還有二氧化鈦氧傳感器。和氧化鋯傳感器相比，二氧化鈦氧傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、便宜，且抗鉛污染能力強的特點。

6.爆震傳感器

爆震傳感器用于檢測發(fā)動機的振動，通過調(diào)整點火提前角控制和避免發(fā)動機發(fā)生爆震?？梢酝ㄟ^檢測氣缸壓力、發(fā)動機機體振動和燃燒噪聲等三種方法來檢測爆震。

爆震傳感器有磁致伸縮式和壓電式。磁致伸縮式爆震傳感器的使用溫度為-40℃～125℃，頻率范圍為5～10kHz；壓電式爆震傳感器在中心頻率5.417kHz處，其靈敏度可達200mV/g，在振幅為0.1g～10g范圍內(nèi)具有良好線性度。

底盤控制用傳感器

底盤控制用傳感器是指分布在變速器控制系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、防抱制動系統(tǒng)中的傳感器，在不同系統(tǒng)中作用不同，但工作原理與發(fā)動機中傳感器是相同的，主要有以下幾種形式傳感器：

1.變速器控制傳感器

多用于電控自動變速器的控制。它是根據(jù)車速傳感器、加速度傳感器、發(fā)動機負(fù)荷傳感器、發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、水溫傳感器、油溫傳感器檢測所獲得的信息經(jīng)處理使電控裝置控制換檔點和液力變矩器鎖止，實現(xiàn)最大動力和最大燃油經(jīng)濟性。

2.懸架系統(tǒng)控制傳感器

主要有車速傳感器、節(jié)氣門開度傳感器、加速度傳感器、車身高度傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器等。根據(jù)檢測到的信息自動調(diào)整車高，抑制車輛姿勢的變化等，實現(xiàn)對車輛舒適性、操縱穩(wěn)定性和行車穩(wěn)定性的控制。

3.動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳感器

它是根據(jù)車速傳感器、發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器等使動力轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向操縱輕便，提高響應(yīng)特性，減少發(fā)動機損耗，增大輸出功率，節(jié)省燃油等。

4.防抱制動傳感器

它是根據(jù)車輪角速度傳感器，檢測車輪轉(zhuǎn)速，在各車輪的滑移率為20%時，控制制動油壓、改善制動性能，確保車輛的操縱性和穩(wěn)定性。

車身控制用傳感器

采用這類傳感器的主要目的是提高汽車安全性、可靠性、舒適性等。

應(yīng)用于自動空調(diào)系統(tǒng)中的多種溫度傳感器、風(fēng)量傳感器、日照傳感器等；

安全氣囊系統(tǒng)中加速度傳感器；亮度自控中光傳感器；

用于門鎖控制中的車速傳感器；

用于亮度自動控制中的光傳感器；

用于倒車控制中的超聲波傳感器或激光傳感器；

用于保持車距的距離感器；

用于消除駕駛員盲區(qū)的圖象傳感器等。

死角報警系統(tǒng)中超聲波傳感器；圖像傳感器等。

導(dǎo)航系統(tǒng)用傳感器

隨著基于GPS/GIS（全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)）的導(dǎo)航系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用，導(dǎo)航用傳感器這幾年得到迅速發(fā)展。導(dǎo)航系統(tǒng)用傳感器主要有：確定汽車行駛方向的羅盤傳感器、陀螺儀和車速傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器等。

無人駕駛技術(shù)的汽車傳感器

無人駕駛技術(shù)現(xiàn)如今其實非常成熟了，汽車如何能對現(xiàn)實中復(fù)雜的交通狀況了如指掌，如何可以像人的眼睛和大腦一樣靈活應(yīng)變。關(guān)鍵就在需要各種各樣的傳感器合作來解決，它們最終將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳給高精密的處理器，識別道路、標(biāo)示和行人，做出加速、轉(zhuǎn)向、制動等決策。

在智能感知識別的部分，車載光學(xué)系統(tǒng)和車載雷達系統(tǒng)是保證行車安全最為重要的系統(tǒng)，目前，主流的用于周圍環(huán)境感測的傳感器有激光雷達（LiDAR）、毫米波雷達（millimeter wave）、視覺傳感器三種。

激光雷達（LiDAR）

通過掃描從一個物體上反射回來的激光來確定物體的距離，可以形成精度高達厘米級的3D環(huán)境地圖，因此它在ADAS（先進駕駛輔助系統(tǒng)）及無人駕駛系統(tǒng)中起重要作用。從當(dāng)前車載激光雷達來看，機械式的多線束激光雷達是主流方案，但受制于價格高昂的因素尚未普及開來。

在百度無人駕駛汽車車身上，除了部署了毫米波雷達、視頻等感應(yīng)器，其車頂就安置了一個體積較大、價值70萬余人民幣的64位激光雷達，谷歌同樣也是采用的相同高端配置激光雷達。車載激光雷達系統(tǒng)的優(yōu)劣主要取決于2D激光掃描儀的性能。激光發(fā)射器線束的越多，每秒采集的云點就越多。然而線束越多也就代表著激光雷達的造價就更加昂貴。激光雷達除了成本高昂，遇到煙霧介質(zhì)以及雨雪天氣中表現(xiàn)一般，將掣肘它的發(fā)揮。

與雷達原理相似，激光雷達使用的技術(shù)是飛行時間（TOF，Time of Flight）。 具體而言，就是根據(jù)激光遇到障礙物后的折返時間，計算目標(biāo)與自己的相對距離。激光光束可以準(zhǔn)確測量視場中物體輪廓邊沿與設(shè)備間的相對距離，這些輪廓信息組成所謂的點云并繪制出3D環(huán)境地圖，精度可達到厘米級別，從而提高測量精度。

激光雷達作為“機械之眼”，也大量應(yīng)用在無人機、機器人等等方向上 。相比于攝像頭，激光雷達的最大優(yōu)勢在于使用環(huán)境限制較小，即不管在白天或是夜晚都能正常使用。

毫米波雷達（millimeter wave）

毫米波是指30～300GHz頻域（波長為1～10mm）的電磁波，毫米波的波長介于厘米波和光波之間，因此毫米波兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點。同厘米波導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭具有體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點。

與紅外、激光、電磁等光學(xué)導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強，具有全天候（大雨天除外）全天時的特點，這能與激光雷達的作用產(chǎn)生互補。另外，毫米波導(dǎo)引頭的抗干擾、反隱身能力也優(yōu)于其他微波導(dǎo)引頭 。

缺點是毫米波雷達由于波長原因，探測距離非常有限，也無法感知行人，而激光雷達可以對周邊所有障礙物進行精準(zhǔn)的建模。為了克服不同缺點，因此勢必要將這些傳感器組合在一起。

目前看毫米波雷達也是智能汽車ADAS 系統(tǒng)的標(biāo)配傳感器，按照目前主流分類，毫米波雷達可分為24GHz雷達和77GHz雷達。參照其特性，通常車輛周圍的車輛檢測使用24Ghz，前方車輛檢測使用77GHz。

以中國的實際國情以及芯片研發(fā)進度等行業(yè)特點來看，未來三年內(nèi)24GHz毫米波雷達在國內(nèi)仍有市場空間。望眼全球，我國77GHz毫米波雷達的大規(guī)模應(yīng)用將稍微推后。

視覺傳感器

ADAS應(yīng)用攝像頭作為主要傳感器是因為攝像頭分辨率高于其他傳感器，可以獲取足夠多的環(huán)境細(xì)節(jié)，幫助車輛進行環(huán)境認(rèn)知，車載攝像頭可以描繪物體的外觀和形狀、讀取標(biāo)志等，這些功能其他傳感器無法做到。

但是攝像頭受環(huán)境因素以及外部因素影響較大，比如隧道中光線不足，天氣因素導(dǎo)致的視線縮小等。

目前攝像頭的應(yīng)用主要有：單目攝像頭、后視攝像頭、立體攝像頭或稱雙目攝像頭、環(huán)視攝像頭。

當(dāng)然為了提高環(huán)境感知的準(zhǔn)確度，通常需要多種傳感器的組合，最終提供一個穩(wěn)定耐用的解決方案。

當(dāng)下比較典型的就是毫米波雷達、激光雷達和車載攝像頭，其他的超聲波技術(shù)和紅外線技術(shù)以及這些技術(shù)的算法融合都將讓傳感器產(chǎn)業(yè)帶來巨大的市場。不過毋庸置疑，在汽車實現(xiàn)完全智能化的這幾年中，傳感器產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)該是最先獲得收益的。

未來的汽車傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢是微型化、多功能化、集成化和智能化。 Mems汽車傳感器已開始逐步取代基于傳統(tǒng)機電技術(shù)的傳感器，將成為世界汽車電子的重要構(gòu)成部分。