電子控制技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎管理系統(tǒng)、駕駛輔助系統(tǒng)、巡航控制系統(tǒng)及導(dǎo)航系統(tǒng)等各類電子控制系統(tǒng)中，而傳感器是其工作的基礎(chǔ)配套零部件。介紹了汽車電子控制系統(tǒng)對(duì)傳感器的功能及性能要求，分析了汽車電子控制系統(tǒng)中各類傳感器，特別是壓阻式微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）壓力傳感器的應(yīng)用情況。
0 前言
傳感器是一種將各種信息轉(zhuǎn)換成特定可用信息的裝置，其種類眾多，功能各異。汽車電子控制系統(tǒng)中常用的傳感器主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、電流傳感器等，其性能對(duì)于汽車的安全性、可靠性及動(dòng)力性等有重要影響。
1 汽車電子技術(shù)對(duì)傳感器的要求
由于汽車的電子化程度越來(lái)越高，因此對(duì)傳感器的要求也越來(lái)越高。根據(jù)汽車電子控制系統(tǒng)的要求，傳感器應(yīng)具備以下性能特點(diǎn)：
（1） 檢測(cè)精度高。傳感器本身的檢測(cè)精度直接影響被測(cè)對(duì)象的測(cè)量精度，尤其是現(xiàn)代汽車電子控制系統(tǒng)所要求的控制精度越來(lái)越高，僅憑傳感器本身無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確控制，必須加入其他裝置才能保證控制系統(tǒng)的性能達(dá)到一定的水平，進(jìn)而獲得較好的控制效果。
（2） 可靠性高。現(xiàn)代汽車電子控制系統(tǒng)對(duì)傳感器的工作穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求，因此提高傳感器的可靠性顯得尤為重要。
（3） 體積小、質(zhì)量輕。汽車設(shè)計(jì)中，傳感器的體積和質(zhì)量是重要的因素。因此，傳感器的微型化和輕量化是汽車電子控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)之一。
2 汽車電子控制系統(tǒng)中傳感器的應(yīng)用
2.1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用
汽車電子控制系統(tǒng)中所用的傳感器包括模擬型、數(shù)字型及混合型傳感器。模擬型傳感器是將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況輸出為與之對(duì)應(yīng)的電壓或電流信號(hào)，如曲軸位置傳感器、燃油壓力傳感器（也稱“油壓傳感器”）等；數(shù)字型傳感器是將傳統(tǒng)的模擬式傳感器經(jīng)過(guò)加裝或改造模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換模塊，使之輸出信號(hào)為數(shù)字量（或數(shù)字編碼）的傳感器，如電子油門、怠速控制裝置等；混合型傳感器是將輸入信號(hào)與輸出信號(hào)混合，將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為與輸入信號(hào)成比例相關(guān)、正交或反向的輸出信號(hào)。
隨著汽車電子技術(shù)和新型材料技術(shù)的發(fā)展，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制系統(tǒng)正朝著數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展。目前，數(shù)字化控制已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一，也是發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)中技術(shù)含量最高、最復(fù)雜、難度最大和最難實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用的一種新技術(shù)。
2.2 汽車底盤控制中的應(yīng)用
汽車底盤控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動(dòng)力總成、懸架和車身，通常還包括車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）。傳感器是汽車底盤控制系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一，其作用是感知汽車在行駛過(guò)程中的各種狀態(tài)，如路面坡度、車速和車身傾斜程度等，并將這些信息傳遞給電子控制單元，再由電子控制單元進(jìn)行分析處理并發(fā)出相應(yīng)的指令。
對(duì)于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，傳感器主要負(fù)責(zé)感知車輛在行駛過(guò)程中的姿態(tài)，如方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)（以下簡(jiǎn)稱“轉(zhuǎn)角信號(hào)”）、方向盤轉(zhuǎn)角速度信號(hào)（簡(jiǎn)稱“速度信號(hào)”）等。轉(zhuǎn)角速度傳感器是測(cè)量轉(zhuǎn)角速度的傳感器之一。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，傳感器能夠感知轉(zhuǎn)向軸上各軸承所承受的載荷變化情況，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后將該信號(hào)傳至電子控制單元進(jìn)行分析處理。以汽車行駛道路路況的差異為依據(jù)，汽車電控懸掛系統(tǒng)利用車速傳感器、車身高度傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、節(jié)氣門位置傳感器等對(duì)汽車行駛速度、路面情況等汽車運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行采集，再由電子控制單元對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而對(duì)汽車車身高度、懸架傾斜剛度、減振器阻尼特性等進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)關(guān)閉命令，由執(zhí)行器依據(jù)實(shí)際狀況對(duì)車輛的工作狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化，以保證在平穩(wěn)行駛的同時(shí)，改善汽車的駕駛舒適度。
汽車制動(dòng)系統(tǒng)主要用于控制制動(dòng)器打開(kāi)、關(guān)閉，以及調(diào)節(jié)車輪抱死和松開(kāi)的時(shí)間，而傳感器則負(fù)責(zé)感知和獲取制動(dòng)踏板、制動(dòng)液壓油、輪胎壓力等信息；電子控制單元?jiǎng)t根據(jù)所獲得信息進(jìn)行分析處理，并根據(jù)輸出結(jié)果對(duì)相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行控制。
2.3 汽車行駛安全系統(tǒng)中的應(yīng)用
安全氣囊系統(tǒng)通過(guò)安裝在氣囊中的壓力傳感器、氣路開(kāi)關(guān)及壓力控制器來(lái)感知汽車在行駛過(guò)程中車輪對(duì)車軸和車身的側(cè)向作用力，然后將該信號(hào)送至電子控制單元進(jìn)行分析處理。
驅(qū)動(dòng)輪傳感器是對(duì)驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測(cè)的傳感器，其能夠感知與車輪滾動(dòng)有關(guān)的各種信息，如車輪轉(zhuǎn)速、滾動(dòng)阻力、路面狀況等，電子控制單元可以通過(guò)這些信息確定驅(qū)動(dòng)輪的磨損狀況及行駛里程。
胎壓傳感器是安裝在輪胎中用于測(cè)量胎壓變化情況的傳感器，其可以感知胎面與地面之間的接觸壓力，并將該信號(hào)傳至電子控制單元進(jìn)行分析處理，從而確定胎面磨損程度及行駛里程。
防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）是保證車輛行駛安全所必須采取的一種主動(dòng)安全措施，其目的是在汽車發(fā)生故障或遇到危險(xiǎn)情況時(shí)幫助駕駛員將車輛制動(dòng)住，使其不會(huì)繼續(xù)向某一方向移動(dòng)，從而避免發(fā)生碰撞事故。
2.4 電動(dòng)汽車電池控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
電動(dòng)汽車電池控制系統(tǒng)中使用了大量的電池傳感器，以監(jiān)測(cè)和控制電池中電流和電壓的變化。常見(jiàn)的電池傳感器包括溫度傳感器、化學(xué)氣體傳感器、電池電量監(jiān)測(cè)及控制傳感器、充放電電流或電壓傳感器等。其中，鋰離子電池管理系統(tǒng)是常用的電池電勢(shì)/電流測(cè)量器件。在鋰離子電池組進(jìn)行充電和放電時(shí)，需要測(cè)量其充放電電流。充放電電流是指電池組在一定時(shí)間內(nèi)所能容納的最大電流。鋰離子電池組中配置有大量的放電電流/電壓傳感器，用于測(cè)量充放電電流及測(cè)量放電時(shí)電池內(nèi)部各元件所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。當(dāng)車載鋰電池在充滿電的情況下，在車輛行駛過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電流和電壓信號(hào)。在車載鋰電池處于虧電狀態(tài)時(shí)，其所發(fā)出的電流、電壓信號(hào)就會(huì)變?nèi)酢Ｋ裕嚻髽I(yè)在設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車時(shí)，可以利用上述各種傳感器來(lái)采集電池信號(hào)，防止車載電池出現(xiàn)過(guò)度充放電，避免對(duì)電池的使用性能和使用壽命產(chǎn)生影響，從而有效地提高電池的利用率。
3 壓阻式微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器在汽車電子控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
3.1 壓阻式MEMS 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理
在機(jī)載MEMS 壓力傳感器中，壓阻式MEMS壓力傳感器的使用最為廣泛。壓阻式MEMS 壓力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為3 層，中間層是一種常見(jiàn)的用來(lái)測(cè)量壓力類傳感器的硅晶應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)的上、下2 層均為高強(qiáng)度、抗壓的玻璃體，其厚度是固定值，再在其中間打開(kāi)1 條拉力槽，以保證壓力槽能夠承受一定的壓力。使用壓阻式MEMS 壓力傳感器時(shí)無(wú)需消耗額外的能量，在保證測(cè)量精度的前提下降低了測(cè)量過(guò)程中的能量消耗，且成本很低。惠斯通測(cè)量電橋適用于壓阻式MEMS 壓力傳感器，其由4 個(gè)高精度的半導(dǎo)體電阻和應(yīng)變片組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)外界壓強(qiáng)的探測(cè)，并對(duì)輸出電信號(hào)進(jìn)行變換。壓阻式MEMS 壓力傳感器的惠斯通電橋在高強(qiáng)度的應(yīng)力場(chǎng)中，用4 個(gè)高精度的電阻-應(yīng)變儀刻制在其表面應(yīng)力最大處，通過(guò)精確的控制，惠斯通電橋的精度可達(dá)到0.01%～0.03%。
壓阻式MEMS 壓力傳感器的工作原理如下：當(dāng)外界壓力對(duì)壓阻式MEMS 壓力傳感器的應(yīng)力凹陷產(chǎn)生影響時(shí)，硅晶應(yīng)變計(jì)將會(huì)產(chǎn)生彈性變形，從而導(dǎo)致其自身的電阻發(fā)生變化，這就是“電阻-應(yīng)變”效應(yīng)。當(dāng)惠斯通電橋上的4 個(gè)電阻-應(yīng)變片因受到壓力發(fā)生電阻變化時(shí)，惠斯通電橋兩端的電勢(shì)不平衡，惠斯通電橋?qū)⑤敵雠c壓力成比例的電壓。
3.2 壓阻式MEMS 壓力傳感器的應(yīng)用
在AJR 型發(fā)動(dòng)機(jī)汽車電子控制系統(tǒng)中，常規(guī)的壓力傳感器存在體積大、性能不高、功耗大和響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)。在AJR 型發(fā)動(dòng)機(jī)汽車電子控制系統(tǒng)中使用壓阻式MEMS 壓力傳感器可以很大程度上節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間，提升整車系統(tǒng)性能，并可在保持低功率消耗的前提下快速完成監(jiān)控。該壓阻式MEMS 壓力傳感器可以用來(lái)測(cè)量AJR 型發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)中的各種壓力，包括進(jìn)氣管氣壓、真空管氣壓、輪胎氣壓、大氣氣壓、機(jī)油壓力及燃油壓力，以及瞬時(shí)撞擊固態(tài)壓力等。通常將測(cè)量固態(tài)氣壓的車用氣壓傳感器稱為“撞擊感應(yīng)器”。AJR 型發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)中常規(guī)壓力傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域見(jiàn)表1。
表1 汽車壓力傳感器主要應(yīng)用領(lǐng)域
以胎壓傳感器為例，在很多情況下爆胎是導(dǎo)致車內(nèi)人員死亡的主要因素，因此目前大多數(shù)汽車都配備有胎壓傳感器。由于輪胎氣壓一般與溫度有關(guān)，因此在胎壓傳感器中整合了一種小型的有助于輪胎氣壓測(cè)量的溫度傳感器。
與傳統(tǒng)的微型機(jī)電壓傳感器相比，壓阻式MEMS 壓力傳感器檢測(cè)靈敏度較高。壓阻式MEMS 壓力傳感器所測(cè)壓力范圍與力敏膜片的厚度有關(guān)，但外界溫度等因素也會(huì)對(duì)輸出信號(hào)的精度產(chǎn)生影響。為此，需要在電路中加入一種調(diào)節(jié)電路，使傳感器不受溫度的影響，以達(dá)到對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)哪康摹鹤枋組EMS 壓力傳感器除了用于吸入岐管壓力檢測(cè)、胎壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，也可以應(yīng)用在AJR 型發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)中的排氣系統(tǒng)上。壓阻式MEMS 壓力傳感器具有很好的適應(yīng)性，能夠快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)到任何一種輪胎的內(nèi)部壓力。此外，由于壓阻式MEMS 壓力傳感器的內(nèi)部還裝有溫敏元件，因此還可以用其監(jiān)測(cè)輪胎內(nèi)部溫度，該次要測(cè)試信號(hào)最終會(huì)被傳送至AJR 型發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)。目前，世界各地的汽車業(yè)都十分關(guān)注輪胎氣壓的檢測(cè)，因此壓阻式MEMS 傳感器的應(yīng)用前景廣闊。
4 結(jié)語(yǔ)
隨著汽車電子控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其對(duì)傳感器的要求也越來(lái)越高。溫度、速度、位置及電流等參數(shù)的精確檢測(cè)對(duì)于提高汽車的可靠性和安全性有重大意義。現(xiàn)代汽車電子控制系統(tǒng)通過(guò)裝置溫度、速度和位置等物理量的采集器，并經(jīng)信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)將物理量傳輸?shù)诫娮涌刂茊卧M(jìn)行處理分析，從而達(dá)到精確控制汽車各部件工作狀態(tài)的目的。
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轉(zhuǎn)自智能汽車設(shè)計(jì)
