汽车传感器的种类、应用、现状与发展趋势分析

摘要:关于《汽车传感器的种类、应用、现状与发展趋势分析》的汽车制造论文发表：介绍了汽车传感器的种类和检测对象,以及传感器在汽车电子控制系统中的应用概况,阐述了汽车传感器的现状,给出了汽车传感器的市场与预测,叙述了汽车传感器向着微型化、集成化和智能化的发展趋势,并认为,MEMS传感器将成为汽车传感器的发展主流。

关键词:传感器;信息;汽车;系统

0　引　言

汽车工业是国民经济发展的支柱产业之一。现代汽车正由一个单纯交通工具朝着能满足人类需求和安全、舒适、方便及无污染的方向发展。当前,汽车电子已成为汽车工业发展的核心技术,据预测[1,2],未来汽车电子产品的费用将占整车费用的30%,并认为汽车上70%的革新将来源于汽车电子。近20年来,世界汽车电子产品的开发和应用已广泛用于汽车的各个独立的电子控制系统,并正向着可完成汽车各种功能的综合电子控制系统发展。同时,汽车电子产品也向完成单个汽车控制扩展到“汽车-人-公路-环境”的系统信息交流和控制的方向发展。在汽车电子产品中,传感器已成为关键的基础配套产品。20世纪末期,为了实现可持续发展战略,发达国家对汽车工业提出的新要求,促进了传感器应用和技术的快速发展。传感器的研发和生产单位采用新材料和新的加工技术开发和生产新一代的传感器及系统,满足汽车工业的需求。

1　汽车传感器的种类及其在电子控制系统中的应用

20世纪80年代以来,汽车上应用的传感器越来越多,表1列出了汽车传感器的种类和检测对象。　　

各类传感器主要应用 在发动机电子控制系统、底盘电子控制系统和车身电子控制系统,见表2。

2　汽车传感器的现状[1~3]

2.1　温度传感器温度传感器有线绕电阻式、热敏电阻式和热偶电阻式三种主要类型。线绕电阻式温度传感器的准确度高,但响应特性差;热敏电阻式温度传感器灵敏度高,响应特性好,但线性差,适应温度较低;热偶电阻式温度传感器的准确度高,测量温度范围宽,但需要配合放大器和冷端处理一起使用。

2.2　压力传感器压力传感器检测的量程为10 kPa真空(车载诊断OBD蒸发漏油检测)到18 mPa(柴油通用轨道common rail油压系统)。满量程压力测量变化的要求是18000∶1。压力传感器主要用于检测气缸负压、大气压、涡轮发动机的升压比、气缸内压、油压等。吸气负压式传感器主要用于吸气压、负压、油压检测。压力传感器应用较多的有电容式、压阻式、差动变压器式(LVDT)、表面弹性波式(SAW)。LADT式压力传感器有较大的输出,易于数字输出,但抗干扰性差;SAW式压力传感器具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、分辨率高、数字输出等特点,用于汽车吸气阀压力检测,能在高温下稳定地工作,是一种较为理想的传感器。

2.3　角度和线性位置传感器位置传感器测量线性位移的量程是小于1μm(典型的例子是在MEMS传感器内满量程敏感元件移动)到200mm(在主动悬挂系统支架震动和传输)满量程的位移量变化为2000000∶1。传感器的主要类型有:(1)电位计式角度和线性位置传感器;(2)霍尔传感器;(3)各向异性磁阻式角度和线性位置传感器;(4)光学编码。

2.4　流量传感器空气流量传感器的主要技术指标为:工作范围为0.11~103 m3/min,工作温度为-40~120℃,准确度≤1%。燃料流量传感器用于检测燃料流量,主要有水轮式和循环式,其动态范围为0~60 kg/h,工作温度为-40~120℃,准确度±1%,响应时间小于10ms。

2.5　气体浓度传感器气体浓度传感器主要用于检测车体内气体和废气排放。其中,最主要的是氧传感器,http://www.51lunwen.com/Automanufacturing/实用化的有氧化锆传感器(使用温度-40~900℃,准确度1%)、氧化锆浓差电池型气体传感器(使用温度30~800℃)、固体电解质式氧化锆气体传感器(使用温度0~400℃,准确度0.5%),另外还有二氧化钛氧传感器。和氧化锆传感器相比,二氧化钛氧传感器具有结构简单、轻巧、便宜,且抗铅污染能力强等特点。

2.6　爆震传感器爆震传感器有磁致伸缩式和压电式。磁致伸缩式爆震传感器的使用温度为-40~125℃,频率范围为5~10kHz;压电式爆震传感器在中心频率5.417 kHz处,其灵敏度可达200mV/gn,在振幅为0.1~10gn范围内具有良好线性度。

2.7　位置和转速传感器目前,汽车使用的位置和转速传感器主要有交流发电机式、磁阻式、霍尔效应式、簧片开关式、光学式、半导体磁性晶体管式等,其测量范围为0~360°,准确度为±0.5°以下,测弯曲角达±0.1°。车速传感器种类繁多,有敏感车轮旋转的、也有敏感动力传动轴转动的,还有敏感差速从动轴转动的。当车速高于100 km/h时,一般测量方法误差较大,需采用非接触式光电速度传感器,其测速范围为0.5~250km/h,重复性优于0.1%,距离测量误差优于0.3%。

2.8　其它类型传感器(1)空气质量流量传感器传感器采用热耗散原理,由一个热线式敏感元件(加上一个辅助的补偿热线元件)安放在空气入口的旁路中监测发动机空气质量流量。这种类型的传感器可测量真实的质量,不能测量空气流量的回流波动。(2)线性加速度惯性传感器这种传感器用在底盘的入口;自适应悬挂系统/车辆稳定性系统和ABS防爆死系统;车身系统的前端、侧端碰撞敏感。目前采用MEMS技术制作的线性加速度惯性传感器的有压阻式MEMS加速度传感器;电容式MEMS加速度传感器和谐振梁MEMS传感器。(3)角速率传感器这种传感器用于底盘悬架系统(车轮和间距)和车辆稳定性,车轮碰撞敏感和车辆导航。角速率传感器也应用了MEMS技术,其工作原理是检测施加在不同类型结构如环形、薄型、盘式和片式的Corio-lis力的效应。(4)日照、微光和闪光检测器有两种类型的光检测器:光热量检测光电二极管对近红外波长敏感;微光检测二极管对可见光波长敏感。应用另外的一种光检测器是微型光敏芯片,检测可见光和微光。(5)湿度/雨量传感器典型的湿度检测传感器是向车窗的挡风玻璃发射红外光束,当雨滴滴在挡风玻璃外面时,雨滴和湿度层产生较大的折射率。(6)近距离障碍物检测传感器目前,传感器类型有噪声传感器、微波雷达传感器、RF电容式传感器和红外传感器。(7)远距离障碍物检测传感器这类传感器主要有毫米波雷达、激光雷达、红外热成像和机器视觉。

2.9　目前正在研制的汽车传感器目前正在研制的汽车传感器将对汽车工业的发展起到重要的影响,其中主要项目是:
2.9.1　汽车发动机燃烧传感器(1)火花塞离子电流传感器(采用直流或交流施加间隙电压)。检测发动机熄火和爆震,而且指示气缸的峰压和空燃比。(2)光纤膜片反射传感器:检测汽缸内的压力波形。(3)压阻式碳化硅绝缘体压力传感器:检测汽缸内的压力波形。
2.9.2　检测燃油质量传感器(1)应力预测方法:根据发动机转动的组合系数和油温计算油的累加应力。(2)多功能传感器:检测油的电解质常数,油的液面和温度。
2.9.3　发动机传动和方向盘力矩传感器(1)扭曲角度和扭力杆:采用电位计的方法检测由于力矩产生的扭曲角,也可以采用可变光圈的光学方法、位移杆编码的光学方法、位移空气间隙的磁学方法,以及涡流可变电极的电器方法。(2)非扭转轴磁弹性检测:一种传感器是利用交流电激励的方法检测转动轴导磁率的变化;另外一种传感器是带有磁性的转动轴产生直流磁通量信号,这两种传感器都是属于转动轴的非接触式检测方式。(3)由于气缸点火发动机轴速产生变化的检测。采用数学运算的方法根据由于每个气缸点火情况调节发动机调速轮,计算发动机的力距,一般应用高分辩力的旋转位移传感器。
2.9.4　多轴向微机械加工惯向传感器(1)双轴向加速度传感器:采用双功能的加速度传感器检测车辆的安全系统。(2)角速度加速度传感器:在一块芯片上生产多功能的传感器。应用在底盘系统测量侧加速度和车轮的角速度。

3　汽车传感器市场和预 测[3,4]

全球汽车工业呈现持续增长态势,2002年生产5420万辆,2002~2007年的年增长率(CAGR)将达到1.6 %。2002年全球汽车传感器市场规模为70.1亿美元,预计到2005年将达到84.5亿美元,年平均增长率为6.7%。全球2002年的汽车传感器市场需求量为10.38亿只,预计到2005年将达到12.83亿只,年平均增长率为7.3 %。国外汽车传感器已实现规模生产,几种主要的汽车传感器均由Motorola、Bosch、SenoNor、Honeywell、Analog Device、Delphi、Delco、Lucas、Phlips和Simens等公司供应。汽车应用的MEMS传感器将成为世界汽车电子的重要构成部分。2002年汽车电子市场为227亿美元,2005年将增加到300亿美元。汽车传感器市场为84.5亿美元,汽车MEMS产品市场为22.7亿美元。MEMS传感器的年增长率为12%~14%。目前,中国的汽车传感器尚未形成独立的产业,仍然依附于汽车仪表企业。自20世纪80年代以来,中国汽车仪表行业引进国外的先进技术与之相配套的传感器生产技术,基本上满足了国内小批量、低水平车型的配套需求。随着众多轿车、轻型及部分轻型载货车中采用新的电子产品,需要大批量、高水平的汽车传感器。但由于中国现有最高水平的汽车传感器产品比国外同类产品落后10多年,所以,中国每年还要进口50万套以上的高性能汽车传感器。2002年中国的汽车产量为325万辆,超过韩国列第五(其中轿车产量首次突破100万辆)。2003年将达到380万辆,可望超过法国列第四;预计,2005年将达到440万辆。按每辆汽车平均需用20只传感器计算,2005年中国将需求8800万只传感器。

4　汽车传感器发展趋势[1,2,5]

未来的汽车用传感器技术,总的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。利用微电子机械加工技术将微米级的敏感元件、信号处理器、数据处理装置封装在一块芯片上,它具有体积小、价格便宜、可靠性高、工作寿命可达到106h等特点,并且可以明显提高系统测试准确度,已开始逐步取代传统传感器。Philips Electronics公司和ContinentalTreves公司在10年内已销售10亿只用于汽车ABS系统的传感器芯片。两个公司共同开发有源磁场传感器的前瞻性技术,产品已应用世界上最新的轿车上。Conginental Treves公司用这种磁阻式转速传感器制作了轮速传感器,用于ABS系统,防滑系统等。国外最早研制成功的MEMS传感器是绝压传感器(MAP)和气囊加速度传感器。目前,正在研发和小批量生产的MEMS产品有:轮速旋转传感器,胎压传感器,致冷压力传感器,发动机油压传感器,刹车压力传感器和偏离速率传感器等。在今后的5~7年MEMS传感器将大量应用到汽车电子控制系统中。多功能化是指利用一种材料或在同一个芯片上制作出能检测2个或者2个以上的特性参数的传感器,从而减少汽车传感器数量,提高系统可靠性。集成化是指利用IC制造技术和精细加工技术制作IC式传感器。智能化是指传感器与大规模集成电路相结合,带有微处理器、自检、自校和放大电路,具有智能作用。随着微电子技术的发展和电子控制系统在汽车上的应用迅速增加,汽车传感器市场需求将保持高速增长,以MEMS技术为基础的微型化、多功能化、集成化和智能化的传感器将逐步取代传统的传感器,成为汽车传感器的主流。

5　结束语

在今后的汽车业的竞争中,汽车电子的作用将是举足轻重的。而传感器在汽车电子中所占比重很大,给传感器营造了一个较大的市场,从国际统计资料可看出,汽车电子是传感器应用最集中、最具规模的一类,也是传感器创业发展最现实,最具经济效益的产品。为适应未来汽车智能化与数字化时代的发展需要。作为基础的传感器技术也朝着数字化、功能化和智能化的方向发展。车载多媒体系统、汽车智能安全系统、舒适性管理系统等都将在汽车上得到应用。传感器企业将采用新型的微纳米技术制作更加廉价、性能更高和可靠性更好的传感器,按汽车的结构将传感器模块化、满足汽车工业的需求。

参考文献
[1]　Krueger S, Grace R. New challenges for microsystems-technologyin automotive applications[J]. Mstnews,2001,(1):4~7.
[2]　Grace R. MEMS/MST provide updated solutions go many auto-motive application:the great migration from electromechanical anddiscrete approaches[J]. Mstnews, 2002,(10):12~14.
[3]　William. Verviews of automotive sensor[J]. IEEE Sensor Jour-nal, 2001,1(4):7~10.
[4]　Motorola Co. 2000~2006年汽车需求分析[R].摩托罗拉汽 无忧论文网 车电子研讨会,2003.1~16.
[5]　Gregory T, Kovacs. A.张文栋(译).微传感器与微执行器[M].北京:科学出版社,2003.627-673.