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傳感器在汽車(chē)中的應用現狀及發(fā)展趨勢


  隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展,汽車(chē)電子化程度不斷提高,傳統的機械系統已經(jīng)難以解決某些與汽車(chē)功能要求有關(guān)的問(wèn)題,因而將逐步被電子控制系統代替。傳感器作為汽車(chē)電控系統的關(guān)鍵部件,其優(yōu)劣直接影響到系統的性能。目前,普通汽車(chē)上大約裝有幾十到近百只傳感器,豪華轎車(chē)上則更多,這些傳感器主要分布在發(fā)動(dòng)機控制系統、底盤(pán)控制系統和車(chē)身控制系統中。
  1 發(fā)動(dòng)機控制用傳感器
  發(fā)動(dòng)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(lèi)傳感器是整個(gè)車(chē)用傳感器的核心,利用它們可提高發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性、降低油耗、減少廢氣、反映故障等,由于其工作在發(fā)動(dòng)機振動(dòng)、汽油蒸汽、污泥、水花等惡劣環(huán)境中,因此它們的耐惡劣環(huán)境技術(shù)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(guān)鍵的是測量精度與可靠性,否則由傳感器檢測帶來(lái)的誤差最終將導致發(fā)動(dòng)機控制系統失靈或產(chǎn)生故障。
  (1)溫度傳感器:主要檢測發(fā)動(dòng)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(kāi)啟時(shí)刻和持續時(shí)間,以保證供給發(fā)動(dòng)機最佳混合氣并達到排氣凈化效果等。實(shí)際應用的溫度傳感器主要有線(xiàn)繞電阻式、熱敏電阻式和熱電偶式。線(xiàn)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(xiàn)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(wèn)題。
  (2)壓力傳感器:主要檢測氣缸負壓,從而控制點(diǎn)火和燃料噴射;檢測大氣壓,從而控制爬坡時(shí)空燃比;檢測氣缸內壓,從而控制點(diǎn)火提前角;檢測廢氣再循環(huán)流量、發(fā)動(dòng)機油壓、制動(dòng)器油壓、輪胎空氣壓力等等,并對相關(guān)量作出反應。車(chē)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(dòng)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(dòng)態(tài)響應好、環(huán)境適應性好等特點(diǎn);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(chǎn);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(zhì)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(diǎn),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(fā)動(dòng)機轉數、風(fēng)門(mén)開(kāi)度、車(chē)速等,從而控制點(diǎn)火提前角、燃油配量和噴射時(shí)間等,產(chǎn)品主要有發(fā)電機式、磁阻式、霍爾效應式、光學(xué)式、振動(dòng)式等。
  (4) 氧傳感器:檢測排氣中空燃比,向供油系統發(fā)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(jìn)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??諝饬髁總鞲衅鳈z測進(jìn)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(shí)際應用的產(chǎn)品主要有卡爾曼旋渦式、葉片式、熱線(xiàn)式??柭綗o(wú)可動(dòng)部件,反應靈敏,精度較高;熱線(xiàn)式易受吸入氣體脈動(dòng)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(chē)燃油消耗量,產(chǎn)品主要有水車(chē)式、球循環(huán)式。
  (6) 爆震傳感器:檢測發(fā)動(dòng)機的振動(dòng),并根據檢測到的爆震信號適當調整點(diǎn)火時(shí)刻,主要產(chǎn)品有磁致伸縮式和壓電式。
  2 底盤(pán)控制用傳感器
  底盤(pán)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(dòng)力轉向系統、防抱制動(dòng)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(fā)動(dòng)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(chē)速傳感器、加速度傳感器、發(fā)動(dòng)機負荷傳感器、發(fā)動(dòng)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(jīng)處理使電控裝置控制換檔點(diǎn)和變矩器鎖止,實(shí)現最大動(dòng)力和最大燃油經(jīng)濟性。
  (2)懸架系統控制用傳感器:主要有車(chē)速傳感器、節流閥開(kāi)度傳感器、加速度傳感器、車(chē)身高度傳感器、方向盤(pán)轉角傳感器等。系統根據這些傳感器檢測到的信息自動(dòng)調整車(chē)高,抑制車(chē)輛姿勢的變化等,實(shí)現對車(chē)輛舒適、操縱穩定性和行車(chē)穩定性的控制。
  (3) 動(dòng)力轉向系統用傳感器:主要有車(chē)速傳感器、發(fā)動(dòng)機轉速傳感器、轉矩傳感器等,利用這些傳感器使動(dòng)力轉向電控系統實(shí)現轉向操縱輕便、提高響應特性、減少發(fā)動(dòng)機損耗、增大輸出功率、節省燃油等。
  (4) 防抱制動(dòng)傳感器主要是利用車(chē)輪角速度傳感器,檢測車(chē)輪轉速,在各車(chē)輪的滑移率為20% 時(shí)控制制動(dòng)油壓、改善制動(dòng)性能,確保車(chē)輛操縱性和穩定性。
  3 車(chē)身控制用傳感器
  采用這類(lèi)傳感器的主要目的是提高汽車(chē)安全性、可靠性、舒適性等,其耐惡劣環(huán)境技術(shù)要求不如發(fā)動(dòng)機、底盤(pán)用傳感器那么嚴格,一般工業(yè)用傳感器稍加改進(jìn)即可應用。主要有應用于自動(dòng)空調系統中的多種溫度傳感器、風(fēng)量傳感器、日照傳感器等,制動(dòng)門(mén)鎖系統中的車(chē)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(chē)用傳感器研究開(kāi)發(fā)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(shuō),先進(jìn)汽車(chē)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(chǎn)品開(kāi)發(fā)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(kāi)始出現炭化,在大氣中也要600℃以上才開(kāi)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(jìn)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(huán)境下使用,性能穩定,使用壽命長(cháng),可用于發(fā)動(dòng)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(huán)境下使用的振動(dòng)傳感器和加速度傳感器。與其它材料振動(dòng)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(dòng)檢測以及發(fā)動(dòng)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(diǎn)正受到人們的普遍重視。目前已有不少成熟的產(chǎn)品問(wèn)世,如光纖轉矩傳感器,以及溫度、振動(dòng)、壓力、流量等傳感器。
  在開(kāi)發(fā)利用新材料同時(shí),由于微電子技術(shù)和微機械加工技術(shù)的發(fā)展,傳感器正朝著(zhù)微型化、多功能化、智能化方向發(fā)展。微型化傳感器利用微機械加工技術(shù)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(jià)格便宜、便于集成等特點(diǎn),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(shí)測出壓力和溫度,便可通過(guò)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(shuō)在汽車(chē)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(guò)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(shí)檢測2 個(gè)或2 個(gè)以上的特性參數。而智能傳感器由于帶有專(zhuān)用計算機,因而具有智能特點(diǎn)。
  此外,傳感器響應時(shí)間、輸出與計算機的接口等問(wèn)題也是重要的研究課題。隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展,車(chē)用傳感器的技術(shù)必將趨于完善。
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