汽車(chē)領(lǐng)域中MEMS傳感器的十大應用知識盤(pán)點(diǎn)

現在汽車(chē)的預防安全越來(lái)越受到人們重視，MEMS傳感器應用于汽車(chē)安全技術(shù)許多領(lǐng)域，以下是對汽車(chē)領(lǐng)域中MEMS傳感器的十大應用知識盤(pán)點(diǎn)：

一、電子穩定性控制系統 (ESC)

電子穩定性控制系統 (ESC、Electric Stability Control) 是用于防止車(chē)輛在雨后濕滑的道路或彎曲路段處發(fā)生側滑的裝置。該裝置使用了Murata Electronics Oy (以下簡(jiǎn)稱(chēng)為MFI) 的加速度傳感器。

通常，僅靠ABS和牽引控制系統無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)輛在彎曲路段上的行車(chē)安全要求。該場(chǎng)合下電子穩定性控制系統 (ESC) 就能夠通過(guò)修正駕駛員操作中的轉向不足或過(guò)度轉向，來(lái)控制車(chē)輛使其不偏離道路。該系統通過(guò)使用一個(gè)陀螺儀來(lái)測量車(chē)輛的偏航角，同時(shí)用一個(gè)低重力加速度傳感器來(lái)測量橫向加速度。將所得測量數據與通過(guò)行駛速度和車(chē)輪傾斜角兩項數據計算得到的結果進(jìn)行比對，從而調整車(chē)輛轉向以防止發(fā)生側滑。

加速度傳感器通常會(huì )被獨立安裝在車(chē)輛重心附近，或作為傳感器組的一部分以貼裝組件的形式被安裝在印制電路板上。標準測量范圍為±1.5～2.0g; 偏移量與溫度或使用時(shí)間無(wú)關(guān)，穩定在100mg以下; 頻帶在0～50Hz范圍內。

電子穩定性控制系統 (ESC) 通常需要以車(chē)輛的橫向為檢測軸，以確保在受到縱向加速度或車(chē)輛減速時(shí)，將影響控制在最小限度。將MFI的加速度傳感器安裝在印制電路板上時(shí)，可選擇兩種安裝方向，即檢測軸是與安裝面平行還是垂直。若使用的是獨立型加速度傳感器時(shí)，則需要根據安裝位置選用相應的托架。

在全球范圍內，有關(guān) ESC的標準法規制定工作正在積極推進(jìn)中。在聯(lián)合國“世界車(chē)輛法規協(xié)調論壇”“1998年協(xié)定書(shū)”的框架下，有關(guān)“輕型汽車(chē)電子穩定性控制系統”全球技術(shù)法規 (GTR) 于2008年制定完成并獲得WP29批準 (即GTR8) 。美國、歐美、日本、澳大利亞、韓國等在內的國家和地區已經(jīng)或正在將ESC作為強制安裝的安全裝置。作為“1998年協(xié)定書(shū)”簽署國，中國從2007年開(kāi)始全面參與ESC全球技術(shù)法規的協(xié)調進(jìn)程，結合國內ESC產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、應用和試驗能力提出了若干提案，并正在制定相關(guān)的國家標準。

二、電子駐車(chē)制動(dòng)系統 (EPB)

EPB (電子駐車(chē)制動(dòng)系統，Electronic Parking Brake) 取代了傳統的基于機械杠桿和鏈條的駐車(chē)制動(dòng)裝置，為駕駛員提供了更有效的停車(chē)輔助。并且由于取消了主副駕駛位之間的駐車(chē)制動(dòng)桿，駕駛席周?chē)目臻g便能得到更有效的利用。EPB系統可根據車(chē)體縱向的傾斜度不斷調整剎車(chē)力度。僅需按下儀表盤(pán)上相應的按鈕，剎車(chē)就會(huì )被鎖定; 在車(chē)輛啟動(dòng)和加速時(shí)，剎車(chē)將自動(dòng)解鎖。

該系統還能夠對低速牽引狀態(tài)下的車(chē)輛進(jìn)行輔助控制，防止車(chē)輛在坡上自然下滑。該系統與距離傳感器系統信號對接后，甚至可以在狹窄區域內完成平行停車(chē)。如果與發(fā)動(dòng)機防盜系統整合，便可形成一套最為可靠的防盜機制。

該系統內的傳感器實(shí)際測量起點(diǎn)通常是在±3°以?xún)? 對應的重力加速度值大約為50mg。這剛好與車(chē)輛在整個(gè)使用壽命和溫度范圍內的偏移穩定性要求相吻合。系統內部傳感器的頻率范圍按要求盡量保持最低，上限不超過(guò)10-50Hz。

三、防抱死制動(dòng)系統 (ABS)

在四輪驅動(dòng)的車(chē)輛中，由于每個(gè)車(chē)輪都可能會(huì )打滑，所以ABS系統所需的車(chē)身速度和車(chē)輪速度參數無(wú)法通過(guò)傳感器來(lái)測量。因此車(chē)輛的加/減速度信息只能通過(guò)對前后方向加速度的測量來(lái)獲得。ABS系統的加速度傳感器除了能夠以獨立元件或集成在印制電路板上的形式裝入ABS控制器外，還能安裝在其他的傳感器類(lèi)中。

ABS系統使用的加速度傳感器的測量范圍通常在1～2G (G為重力加速度) 。在檢測溫度范圍和車(chē)輛使用壽命內誤差偏移能夠始終低于100mg的狀態(tài)。該傳感器的檢測軸的方向必須為車(chē)輛的前后方向。Murata Electronics Oy的加速度傳感器可以滿(mǎn)足各種傳感器單元和印制電路板貼裝情況下的應用。

四、電子控制式懸架系統 (ECS)

電子控制式懸架系統 (ECS) 的主要用途是根據行駛速度、路面狀況、轉向情況、變速狀態(tài)等信息以及不同的駕駛條件調節懸掛系統，為駕駛者提供良好的操作穩定性和乘坐舒適度。ECS系統為用戶(hù)呈現從平穩舒緩到高速暢快的多種駕駛體驗。駕駛者僅需按下選擇按鈕就能在運動(dòng)型、普通型和舒適型駕駛模式間自由切換。

ECS系統內部的加速度傳感器可用于檢測車(chē)體的運動(dòng)狀態(tài)，有時(shí)還用于檢測前輪垂直方向的運動(dòng)狀態(tài)。用于檢測車(chē)體的運動(dòng)狀態(tài)的兩個(gè)加速度傳感器被安裝在前減震器與彈簧頂部固定點(diǎn)附近。而靠近輪轂的加速度傳感器則是被裝在減震器和車(chē)輪彈簧附近區域。這樣一來(lái)，就能夠通過(guò)兩組傳感器的測量數據計算出車(chē)體與車(chē)輪的垂直距離差。在更先進(jìn)的輪轂傳感器系統中，加速度傳感器則被距離傳感器替代，用于直接測量車(chē)輪與車(chē)體之間的距離。

另外，在許多ECS系統中，車(chē)輛的中部或后部還額外裝有一個(gè)用于檢測車(chē)輛顛簸的加速度傳感器。能夠略微消除車(chē)體在加速或減速時(shí)的傾斜。

空氣懸架系統如今被應用于包括運動(dòng)型多功能車(chē) (SUV) 在內的大多數中高檔、豪華型車(chē)輛?？赏ㄟ^(guò)調節車(chē)體邊角處氣罐內的空氣體積來(lái)修正懸架設置。該系統通常包括1個(gè)特殊的氣體壓縮機，1到2個(gè)氣體儲備罐，4個(gè)由空氣彈簧和傳統減震器構成的減震單元，2到5個(gè)獨立的加速度傳感器，以及電子控制單元 (ECU) 。

由于空氣懸架系統對中小型車(chē)輛來(lái)說(shuō)較為昂貴，通常會(huì )使用以油取代空氣的懸架系統。盡管調節油量的系統價(jià)格較低，但是無(wú)法達到空氣式懸架系統的高效性和舒適度。油量的調節由特殊的電子閥門(mén)來(lái)實(shí)現，該系統中會(huì )使用3到5個(gè)獨立的加速度傳感器。

五、防翻滾穩定性控制系統 (ARC)

作為車(chē)輛穩定性控制的一部分，車(chē)輛防翻滾穩定性控制系統 (ARC) 通常被整合進(jìn)電子穩定控制系統 (ESC) 或懸架系統。防翻滾控制能夠在啟動(dòng)剎車(chē)裝置或平衡桿的異常動(dòng)作時(shí)，防止車(chē)體發(fā)生大幅度的搖晃。在將ARC系統整合到ESC系統中時(shí)，需要額外使用一個(gè)用于檢測車(chē)輛前后方向加速度的加速度傳感器 (測量范圍為1～2g) 。

當該系統被用于SUV或越野車(chē)等車(chē)身整體較高或懸架位置較高的車(chē)輛時(shí)，有時(shí)也會(huì )被設計成一個(gè)獨立的系統。此時(shí)，需將一個(gè)獨立型傳感器安裝在車(chē)的頂部，另一個(gè)則裝在下方地板處相應的位置。

六、引擎防震系統

引擎和變速箱的防震控制如今正吸引業(yè)內人士越來(lái)越多的關(guān)注。其中一個(gè)重要的原因是新一代的引擎能夠在無(wú)需滿(mǎn)負荷運作時(shí)，通過(guò)關(guān)閉部分氣缸來(lái)節省燃料。

引擎中個(gè)別氣缸的關(guān)閉會(huì )導致車(chē)體的震動(dòng)。并且相對引擎重量而言，車(chē)體重量正在變得越來(lái)越輕。特別對于柴油動(dòng)力的6氣缸或8氣缸引擎來(lái)說(shuō)，引擎的震動(dòng)將會(huì )導致車(chē)輛整體隨之震動(dòng)。而對于混合動(dòng)力汽車(chē)，汽油和電力引擎間的頻繁切換也會(huì )導致車(chē)體震動(dòng)，該情況在小型柴油混合動(dòng)力車(chē)中尤為突出。

應對車(chē)體震動(dòng)的最新解決方案是主動(dòng)電子控制減震裝置。這些裝置在閉環(huán)控制系統 (反饋控制系統) 中使用了加速度傳感器，并被裝在車(chē)體的各個(gè)重要部位。

七、上坡起步輔助系統 (HSA)

HAS (Hill Start Assist) 是一個(gè)直接連接主剎車(chē)裝置和ESC系統的電子駐車(chē)制動(dòng)系統。當車(chē)輛在坡上發(fā)動(dòng)時(shí)，它可以自動(dòng)控制制動(dòng)壓力以防止車(chē)輛向后自然下滑。

HAS系統需要使用高性能的傳感器來(lái)感應車(chē)輛前后方向細微的傾斜，也就是道路的斜率。該系統對傳感器穩定性的要求為在使用壽命和溫度范圍內測量出的傾角誤差小于3° (換算為傳感器輸出值相當于50mg) 。在汽車(chē)裝配時(shí)產(chǎn)生的所有“偏移誤差”，都可以在生產(chǎn)線(xiàn)最后的“偏移校準”步驟中消除; 此外，還可通過(guò)電子穩定性控制 (ESC) 系統內的電子控制單元 (EUC) 所裝的軟件來(lái)對完成后的偏移信號進(jìn)行校準。

八、心跳探測和先進(jìn)防盜系統

所謂心跳探測，是通過(guò)高靈敏度傳感器和精密的電腦軟件相互配合，從而在車(chē)輛已被上鎖等應為空車(chē)狀態(tài)的情況下，探測車(chē)內是否有人的新型系統。該系統可被用于檢測由于父母疏忽而被留在車(chē)內的兒童或藏匿于車(chē)內的非法進(jìn)入者。

車(chē)輛防盜裝置和引擎鎖定防盜裝置的原理是使用較為廉價(jià)的2軸加速度傳感器來(lái)檢測車(chē)輛的運動(dòng)狀態(tài)。如果與高精度的心跳探測傳感器相結合，就能構成安全系數更高的先進(jìn)防盜系統。

九、翻滾傳感器 (ROV)

翻滾傳感器即側翻檢測傳感器，作為乘客保護系統的一部分被整合在安全氣囊控制系統中。所謂翻滾傳感器，具體來(lái)說(shuō)，是由1軸或2軸 (翻轉角和俯仰角) 角速度傳感器和加速度傳感器構成的，用于檢測車(chē)輛Z軸方向也就是上下方向的角速度和加速度的傳感器。該系統中加速度傳感器的測量范圍基本上為3～5g，頻帶最大不超過(guò)400Hz，穩定偏移約為300mg。

十、車(chē)胎壓力監測系統 (TPMS)

將壓力傳感器應用于汽車(chē)領(lǐng)域的車(chē)胎壓力監測系統正在迅速推進(jìn)中。雖然該系統基本上是通過(guò)對胎內氣壓的監控點(diǎn)亮警告指示燈，但若能與各類(lèi)車(chē)輛安全系統進(jìn)行關(guān)聯(lián)，就可以實(shí)現爆胎預警之外的許多極具吸引力的功能。當車(chē)胎壓力不正常時(shí)，將有可能發(fā)生以下幾種問(wèn)題：

前胎氣壓過(guò)低將導致轉向不足，后胎氣壓過(guò)低將導致過(guò)度轉向。

不論胎壓是不足還是過(guò)高，都會(huì )顯著(zhù)縮短輪胎的使用壽命。

當輪胎壓力偏離最佳值0.4bar時(shí)，輪胎壽命將縮短30%; 胎壓不足的情況下，壓力每低0.6bar，就會(huì )額外增加4%的油耗。

當以超過(guò)100km/h的速度高速行駛時(shí)，一旦發(fā)生輪胎打滑的現象，輪胎就會(huì )脫離路面，這是十分危險的。

當車(chē)胎壓力比正常值的50%還低時(shí)，即使使用了ABS系統，在濕滑路面以100km/h行駛的制動(dòng)距離也會(huì )增加10m。

當車(chē)胎壓力低于一定值時(shí)，系統將發(fā)出警報。

不正常的車(chē)胎壓力將妨礙懸架系統的正常工作。