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      傳感器在汽車中的應用現狀及發展趨勢


        隨著電子技術的發展,汽車電子化程度不斷提高,傳統的機械系統已經難以解決某些與汽車功能要求有關的問題,因而將逐步被電子控制系統代替。傳感器作為汽車電控系統的關鍵部件,其優劣直接影響到系統的性能。目前,普通汽車上大約裝有幾十到近百只傳感器,豪華轎車上則更多,這些傳感器主要分布在發動機控制系統、底盤控制系統和車身控制系統中。
        1 發動機控制用傳感器
        發動機用傳感器有很多種,其中包括溫度傳感器、壓力傳感器、旋轉傳感器、流量傳感器、位置傳感器、濃度傳感器、爆震傳感器等。這類傳感器是整個車用傳感器的核心,利用它們可提高發動機動力性、降低油耗、減少廢氣、反映故障等,由于其工作在發動機振動、汽油蒸汽、污泥、水花等惡劣環境中,因此它們的耐惡劣環境技術指標要高于一般的傳感器。它們的性能指標要求有很多種,其中最關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致發動機控制系統失靈或產生故障。
        (1)溫度傳感器:主要檢測發動機溫度,吸入氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度、催化溫度等,將它們轉變成電信號,從而控制噴油嘴針閥開啟時刻和持續時間,以保證供給發動機最佳混合氣并達到排氣凈化效果等。實際應用的溫度傳感器主要有線繞電阻式、熱敏電阻式和熱電偶式。線繞電阻式溫度傳感器的精度較高,但響應特性差;熱敏式傳感器靈敏度高,響應特性較好,但線性差,適用溫度較低;熱電偶式傳感器的精度高,測溫范圍寬,但需考慮放大器和冷端處理問題。
        (2)壓力傳感器:主要檢測氣缸負壓,從而控制點火和燃料噴射;檢測大氣壓,從而控制爬坡時空燃比;檢測氣缸內壓,從而控制點火提前角;檢測廢氣再循環流量、發動機油壓、制動器油壓、輪胎空氣壓力等等,并對相關量作出反應。車用壓力傳感器目前已有若干種,應用較多的有電容器式、壓阻式、差動變壓器式(LVDT)、表面彈性波式(SAW)。電容器式傳感器具有輸入能量高,動態響應好、環境適應性好等特點;壓阻式受溫度影響大,需另設溫度補償電路,但適用于大量生產;LVDT 式有較大輸出,易于數字輸出,但抗振性較差;SAW式具有體積小、質量輕、功耗低、可靠性強、靈敏度高、分辨率高、數字量輸出等特點,是一種較為理想的傳感器。
        (3) 旋轉傳感器:主要用于檢測曲軸轉角、發動機轉數、風門開度、車速等,從而控制點火提前角、燃油配量和噴射時間等,產品主要有發電機式、磁阻式、霍爾效應式、光學式、振動式等。
        (4) 氧傳感器:檢測排氣中空燃比,向供油系統發出負反饋信號,以修正噴油脈沖,使空燃比調整到理論值,以達到理想的排氣凈化效果,常用的是氧化鋯和氧化鈦傳感器。   (5)流量傳感器:測定進氣量和燃油流量以控制空燃比。主要有空氣流量傳感器和燃料流量傳感器。空氣流量傳感器檢測進入的空氣量從而控制電子噴油器噴油量,以得到較準確的空燃比,實際應用的產品主要有卡爾曼旋渦式、葉片式、熱線式。卡爾曼式無可動部件,反應靈敏,精度較高;熱線式易受吸入氣體脈動影響,且易斷絲;燃料流量傳感器用于檢測燃料流速,以計算汽車燃油消耗量,產品主要有水車式、球循環式。
        (6) 爆震傳感器:檢測發動機的振動,并根據檢測到的爆震信號適當調整點火時刻,主要產品有磁致伸縮式和壓電式。
        2 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、懸架控制系統、動力轉向系統、防抱制動系統中的傳感器,它們在不同系統中作用不同,但工作原理與發動機中傳感器是相同的,主要有以下幾種形式傳感器。
        (1)變速器控制用傳感器:主要有車速傳感器、加速度傳感器、發動機負荷傳感器、發動機轉速傳感器、離合器傳感器、水溫傳感器、油溫傳感器等。這些傳感器檢測所獲得的信息經處理使電控裝置控制換檔點和變矩器鎖止,實現最大動力和最大燃油經濟性。
        (2)懸架系統控制用傳感器:主要有車速傳感器、節流閥開度傳感器、加速度傳感器、車身高度傳感器、方向盤轉角傳感器等。系統根據這些傳感器檢測到的信息自動調整車高,抑制車輛姿勢的變化等,實現對車輛舒適、操縱穩定性和行車穩定性的控制。
        (3) 動力轉向系統用傳感器:主要有車速傳感器、發動機轉速傳感器、轉矩傳感器等,利用這些傳感器使動力轉向電控系統實現轉向操縱輕便、提高響應特性、減少發動機損耗、增大輸出功率、節省燃油等。
        (4) 防抱制動傳感器主要是利用車輪角速度傳感器,檢測車輪轉速,在各車輪的滑移率為20% 時控制制動油壓、改善制動性能,確保車輛操縱性和穩定性。
        3 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,其耐惡劣環境技術要求不如發動機、底盤用傳感器那么嚴格,一般工業用傳感器稍加改進即可應用。主要有應用于自動空調系統中的多種溫度傳感器、風量傳感器、日照傳感器等,制動門鎖系統中的車速傳感器,安全氣囊系統中的加速度傳感器,亮度自控中光傳感器,死角報警系統中的超聲波傳感器,圖像傳感器等。
        4 車用傳感器研究開發趨勢
        由于傳感器在電控系統中的重要性,所以從某種意義上說,先進汽車的競爭即是傳感器的競爭,世界各國對其理論研究、新材料應用、產品開發都非常重視。金剛石的耐熱性好、熱穩定高,在真空中1 200℃以上其表面才開始出現炭化,在大氣中也要600℃以上才開始炭化,利用這一特性,制作適用于高溫的熱敏傳感器,從常溫到600℃范圍內進行溫度監測與控制,并且適用在高溫且有腐蝕氣體的惡劣環境下使用,性能穩定,使用壽命長,可用于發動機中的高溫測量。此外金剛石在高溫下形變率很高,利用這一特性可制作高溫環境下使用的振動傳感器和加速度傳感器。與其它材料振動膜相結合可作為高溫、耐腐蝕、靈敏度高的壓力傳感器,用于振動檢測以及發動機、氣缸壓力等測量。
        光導纖維型傳感器由于其抗干擾性強、靈敏度高、重量輕、體積小、適于遙測等特點正受到人們的普遍重視。目前已有不少成熟的產品問世,如光纖轉矩傳感器,以及溫度、振動、壓力、流量等傳感器。
        在開發利用新材料同時,由于微電子技術和微機械加工技術的發展,傳感器正朝著微型化、多功能化、智能化方向發展。微型化傳感器利用微機械加工技術將微米級的敏感元件、信號調理器、數據處理裝置集成封裝在一塊芯片上。由于其體積小、價格便宜、便于集成等特點,可以提高系統測試精度,例如把微型壓力傳感器和微型溫度傳感器集成在一起,同時測出壓力和溫度,便可通過芯片內運算消去壓力測量中的溫度影響。目前已有不少微型傳感器面世,如壓力傳感器、加速度計、用于防撞的硅加速度計等。據說在汽車輪胎內嵌入微型壓力傳感器可以保持適當充氣,避免充氣過量或不足,從而可節約燃油10%。多功能化的特性使得傳感器能夠同時檢測2 個或2 個以上的特性參數。而智能傳感器由于帶有專用計算機,因而具有智能特點。
        此外,傳感器響應時間、輸出與計算機的接口等問題也是重要的研究課題。隨著電子技術的發展,車用傳感器的技術必將趨于完善。
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