新型車(chē)用傳感器及發(fā)展趨勢解析

一、前言

汽車(chē)傳感器作為汽車(chē)電子控制系統的重要信息源，對溫度、壓力、位置、轉速、加速度和振動(dòng)等各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、準確的測量和控制。衡量現代高級轎車(chē)控制系統水平的關(guān)鍵就在于其傳感器的數量和水平。當前，一輛國內普通家用轎車(chē)上大約安裝了近百個(gè)傳感器，而豪華轎車(chē)上的傳感器數量多達200只。未來(lái)汽車(chē)傳感器技術(shù)總的發(fā)展趨勢是微型化、多功能化和智能化。

微型傳感器利用微機械加工技術(shù)，將微米級的敏感元件、信號處理器、數據處理裝置封裝在一塊芯片上，由于具有體積小、價(jià)格便宜、便于集成等特點(diǎn)，可以明顯提高系統測試精度。當前，該技術(shù)逐步成熟，可以制作檢測力學(xué)量、磁學(xué)量、熱學(xué)量等各種微型傳感器。多功能化是指一個(gè)傳感器能檢測兩個(gè)或兩個(gè)以上的特征參數或者化學(xué)參數，從而減少汽車(chē)傳感器的數量，提高系統的可靠性。智能化是將傳感器與大規模集成電路相結合，具有智能作用。

由于汽車(chē)傳感器在汽車(chē)電子控制系統中的重要作用和快速增長(cháng)的市場(chǎng)需求，世界各國對其理論研究、新材料應用和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)都非常重視。下面介紹一些這方面的新產(chǎn)品。

二、離子檢測系統

三菱（Mitsubishi電子公司）正在開(kāi)發(fā)一種車(chē)用離子檢測系統。這個(gè)系統能夠通過(guò)檢測離子來(lái)監控發(fā)動(dòng)機每個(gè)氣缸的燃燒情況。當可燃混合氣持續燃燒時(shí)，在燃燒峰面附近就會(huì )發(fā)生電離現象。把一個(gè)帶偏壓的測頭放入氣缸，就可以測出與電離狀況相關(guān)的離子流。

這個(gè)能反映發(fā)動(dòng)機各種燃燒狀況的信息控制系統由帶測頭的火花塞、裝有測試附件的點(diǎn)火線(xiàn)圈及一套處理離子流信號的電子模塊構成，它可以判別每個(gè)缸的點(diǎn)火、燃燒及爆震情況。進(jìn)一步的功能將是對發(fā)動(dòng)機的混合氣狀況加以監控，即根據離子流所顯示的燃燒情況來(lái)控制每個(gè)缸的空燃比。

三、快速起動(dòng)的氧傳感器

冷車(chē)運轉時(shí)的發(fā)動(dòng)機所排放的CO和HC是最多的，這就要求氧傳感器盡快起動(dòng)進(jìn)入閉環(huán)控制狀態(tài)。NGK火花塞有限公司研制出一種新型氧傳感器，它能在15s內達到閉環(huán)控制。通過(guò)縮小加熱區和降低阻抗，改進(jìn)了傳感器的加熱裝置。由于采用新材料和新的溫控系統，使加熱器的壽命與現有類(lèi)型相近，改善了低溫特性。

四、側滑傳感器

博世公司開(kāi)發(fā)一種雙向傳感器，它是由采用壓電晶體的線(xiàn)性加速度計組合而成。這樣的組合更有利于傳感器的設置、信號處理和封裝。這種傳感器有兩個(gè)經(jīng)過(guò)顯微加工的信號發(fā)生器并各自對應著(zhù)所測加速度方向的基準面，對應于某個(gè)基準面的獨立信號就能測出相應的作用力。而很高的品質(zhì)因數Q值使傳感器的封裝可以在常壓下進(jìn)行。

五、壓電諧振式角速度傳感器

三菱電子公司開(kāi)發(fā)的這種傳感器為玻璃一硅一玻璃結構，其諧振部分是一個(gè)用浸蝕法制成的硅梁。通過(guò)外置振蕩器激發(fā)，其諧振頻率約為4KHz。梁的厚度與硅片相同，它的寬度和長(cháng)度通過(guò)浸蝕加工來(lái)決定。硅梁和玻璃支架的連接采用了真空下的陽(yáng)極焊接工藝，以確保其固有頻率變化很小。

角速度的變化可根據硅梁振動(dòng)頻率變化引起的梁兩側玻璃支架上金屬電極間的電容變化值測出。傳感器電路由電容電壓（C—V）轉換器和同步解調器構成。C—V轉換器是一個(gè)轉換電容的比較器（ASIC）。當測量范圍在±200°/s時(shí)，非線(xiàn)性為±1%。

六、高壓傳感器

Denso公司開(kāi)發(fā)一種浸入式高壓傳感器。這些傳感器可用來(lái)檢測機油、液壓系統、汽油以及空調制冷劑的壓力，如制動(dòng)器的液壓控制系統、怠速下的空調機壓縮器和動(dòng)力轉向泵、燃油控制系統、懸架控制系統以及自動(dòng)變速器中的液壓換擋系統。這些系統的壓力變化在2～20MPa，而傳感器可耐壓38MPa。

這種傳感器使用一種樹(shù)脂膠而不是通常使用的金屬和玻璃來(lái)封裝，以形成足夠大的油分子通道，實(shí)現了外型和元件間封尺寸的優(yōu)化設計。包括壓力感應元件和放大電路在內的所有元件都集中在一塊芯片上。

七、直熱式檢測傳感器

GM研發(fā)中心正在試驗使用一種直熱式檢測系統來(lái)抑制后排末成年人座椅（RFIS）處的側量氣囊展開(kāi)。將乘員席表面的溫度與駕駛員座椅表現溫度加以對比，若兩者不同且與預定值差異較大，則氣囊的展開(kāi)就會(huì )受到抑制。乘員席的溫度由安置在座椅表面的熱敏電阻來(lái)測定，可采用直熱式或非直熱式熱敏電阻。

實(shí)際上這種抑制系統可采用多種檢測方式，當直熱式探測器的工作不夠可靠時(shí)，可采用其他方式來(lái)提高該系統的可靠性。曾有人建議配置別的傳感器，如測量體重、電容、振動(dòng)，使用超聲波、微波、光學(xué)及紅外線(xiàn)等。還有人建議為一個(gè)抑制系統配置多種檢測裝置，使其工作更加可靠。

八、機油粘度傳感器

何時(shí)更換機油一般是根據廠(chǎng)家規定的時(shí)間或里程來(lái)進(jìn)行。少數廠(chǎng)家采用了更先進(jìn)的方式，通過(guò)記錄發(fā)動(dòng)機轉速和溫度來(lái)計算換油間隔。Lucas Varity公司正在研制一種壓電振動(dòng)式粘度傳感器，其工作原理與振動(dòng)式粘度計相近——振子（球型、片狀或棒式）在受到粘滯阻尼時(shí)其振頻會(huì )發(fā)生衰變。因此，依靠不同形狀的振子，就可以測出粘度和密度的一些參數。有一種振動(dòng)式粘度計的振子是石英棒，它能被激發(fā)扭振，通過(guò)測量與液體粘度相對應的振幅和諧振頻寬，就可以確定粘度（準確地說(shuō)應是粘度和密度的綜合值）?？梢?jiàn)，振動(dòng)式粘度計是通過(guò)測量液體所傳遞的切變波形來(lái)確定粘度的一種裝置。然而，由于傳感元件與液體的接觸處切變波形會(huì )產(chǎn)生畸變而導致測試值與液體的對應關(guān)系較差。

粘度傳感器設置了一種界面來(lái)改善傳感元件與液體之間的接觸關(guān)系，其原理與我們熟知的應用于生物醫學(xué)和海洋船舶上的超聲波換能器相似。

傳感器的核心是一個(gè)壓電轉換器，在它兩側施加電壓時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生切向運動(dòng)。電極是用金屬蒸發(fā)沉積法布置在壓電晶體表面，然后整體涂上一層絕緣層。

一臺掃頻儀通過(guò)振蕩器所產(chǎn)生的交變電壓來(lái)確定傳感元件的諧振頻率。因為在諧振時(shí)，傳感元件的電阻達到最大值，隨著(zhù)液體粘度的變化，這個(gè)蜂值也相應變化，并通過(guò)峰值檢測電路轉化為電壓信號。

絕緣層的厚度根據所測粘度的范圍來(lái)確定，因為從液體界面處反射回來(lái)的切變波必須被絕緣層全部吸收，所以絕緣層的厚度大約是四分之一個(gè)波長(cháng)。

九、磁敏式速度傳感器

SST技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)了一種一體化的傳感器，它是把高磁阻（GMR）材料與半導體裝置合為一體的磁敏式速度傳感器。高磁阻材料的特點(diǎn)是隨磁場(chǎng)的變化其電阻值也發(fā)生變化。半導體裝置是由制作在同一塊BICMOS電路板上的信號處理器和電壓調節器所構成。先將高磁阻材料噴鍍在BICMOS板基上，采用光刻腐蝕工藝將其制成電阻，通過(guò)鋁箔把其連入BICMOS電路，再周邊鍍上一層合金以聚集磁力線(xiàn)。

這種傳感器是雙極型結構，通過(guò)電平轉換輸出一個(gè)方波形脈沖信號，其輸出頻率與軟磁信號輪齒的回轉頻率是相同的，而勵磁機構是一塊永久磁鐵。由于傳感器的信號處理電路是直流耦合式，所以可處理零速狀態(tài)。而其具有高靈敏度使之在較大氣隙下也能工作。

采用上述技術(shù)的ABS傳感器具有零速處理、輸出信號在兩電平之間變化的雙極型結構，脈沖頻率與信號輪齒或磁極的回轉頻率相同的特點(diǎn)。在允許溫度和工作頻率范圍內，其頻寬比為（50±10）%，輪齒模數2.5時(shí)，氣隙特性可達3mm。

十、汽車(chē)用傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢

未來(lái)的汽車(chē)用傳感器技術(shù)，總的發(fā)展趨勢是多功能化、集成化、智能化。多功能化是指一個(gè)傳感器能檢測2個(gè)或者2個(gè)以上的特性參數或者化學(xué)參數。集成化是指利用IC制造技術(shù)和精細加工技術(shù)制作IC式傳感器。智能化是指傳感器與大規模集成電路相結合，帶有MPU，具有智能作用。新近研發(fā)的汽車(chē)用傳感器具有如下特點(diǎn)：數字化信號輸出、線(xiàn)性化微處理器補償、傳感器信號共用和加工、傳感器間接測量、復合傳感器信號處理、IC化和精細加工等。

纖傳感器現已開(kāi)發(fā)出溫度、壓力、位置、轉速、液位、流量、振動(dòng)、陀螺等上百種類(lèi)型。由于光纖傳感器具有靈敏度高、體積小、質(zhì)量輕、可彎曲、絕緣性好、無(wú)電磁干擾、寬頻帶、低損耗等特點(diǎn)，今后將會(huì )廣泛應用到汽車(chē)上。

為提高汽車(chē)安全性和舒適性，生物體測量等方面的傳感器也在研究中。例如，駕駛員視野盲區障礙物測量、保持2車(chē)前后車(chē)距、碰撞自動(dòng)保護等裝置中用傳感器。

傳感器信號輸出與控制系統的計算機接口也是一個(gè)重要的研究課題。內含有A／D、D／A、I／O驅動(dòng)、緩沖RAM、程序ROM、MPU，并具有線(xiàn)性、溫度補償以及相應控制程序的靈巧型汽車(chē)用傳感器引人注目，將使得汽車(chē)各系統的元器件數量大大減少，從而降低系統成本，減小體積和減輕質(zhì)量，并使整個(gè)系統更加簡(jiǎn)單可靠。

總之，汽車(chē)用傳感器技術(shù)的發(fā)展，不僅僅是傳感器自身的開(kāi)發(fā)，而且更注重于對傳感器的互換性、耐久性、可靠性的開(kāi)發(fā)。 加速度計相關(guān)文章:加速度計原理