傳感器在現(xiàn)代乘用車中的應(yīng)用

辛航，劉偉宏

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

乘用車的安全性、舒適性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操控性等特性已經(jīng)成為衡量一輛整車性能的重要指標(biāo)，而為了達(dá)到不同的目的，整車中加配了多種多樣的電子設(shè)備，用于主動(dòng)或者輔助幫助整車完成某一指標(biāo)的提升，例如為了改善車輛夜間照明的不足，AFS（自適應(yīng)前大燈）系統(tǒng)被應(yīng)用于目前很多車型中，而在一個(gè)高級(jí)的AFS控制中需要有車速信號(hào)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)、橫擺角速度，懸架高度、縱向加速度、加速踏板、制動(dòng)踏板，環(huán)境光照強(qiáng)度、雨量傳感器等等作為最終判斷如何控制大燈的信號(hào)輸入，那么大量的傳感器是必不可少的；為了增加舒適性，智能空調(diào)也已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于整車設(shè)計(jì)中，為了完成智能控制的目的，需要加裝溫度傳感器、濕度傳感器、特殊氣體傳感器（CO，NOx，揮發(fā)性氣體等）等與空調(diào)控制相關(guān)的傳感器；另外目前自動(dòng)變速箱在整車市場(chǎng)中所占的份額越來(lái)越多，自動(dòng)變速箱的應(yīng)用也變得更加廣泛，以最近比較熱門(mén)的DCT（Dual Clutch transmission雙離合器自動(dòng)變速箱）為例，為了完成雙離合器及其中檔位、潤(rùn)滑冷卻等控制需要安裝壓力傳感器、位置傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器等，一般一個(gè)濕式雙離合器需要應(yīng)用的傳感器數(shù)量在10～12個(gè)左右。

由此可以看出，傳感器在整車中的應(yīng)用是非常非常的廣泛，而且隨著更多的電子控制單元的應(yīng)用，更多的傳感器將會(huì)被應(yīng)用到整車中去。

1 常見(jiàn)傳感器的應(yīng)用及工作原理

1.1 轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)速傳感器在整車中應(yīng)用比較多，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、ABS控制系統(tǒng)中的車輪轉(zhuǎn)速、變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速（或者差速器轉(zhuǎn)速）等，轉(zhuǎn)速傳感器從工作的原理大概可以分為兩類，一類是主動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器，另一類是被動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器，所謂主動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器，是指?jìng)鞲衅鞅旧砭哂泄╇姟⑿盘?hào)采集和數(shù)據(jù)處理的能力，可以通過(guò)信號(hào)采集芯片主動(dòng)讀取被測(cè)目標(biāo)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的是Hall（霍爾）效應(yīng)的轉(zhuǎn)速傳感器芯片；所謂的被動(dòng)是指?jìng)鞲衅鞅旧聿粫?huì)主動(dòng)的去檢測(cè)被測(cè)目標(biāo)的轉(zhuǎn)速，而是通過(guò)被測(cè)目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或者其他的可以被控制單元采集的信號(hào)，從而完成轉(zhuǎn)速信號(hào)采集的工作。

由于現(xiàn)代乘用車對(duì)于精確控制的需求，現(xiàn)在更多的Hall效應(yīng)原理芯片被應(yīng)用于轉(zhuǎn)速傳感器中，通過(guò)齒形結(jié)構(gòu)的目標(biāo)信號(hào)輪對(duì)傳感器中磁鐵的磁感應(yīng)線聚攏和發(fā)散的現(xiàn)象，通過(guò)Hall芯片的Hall效應(yīng)原理輸出與目標(biāo)信號(hào)輪齒數(shù)相同的脈沖信號(hào)，控制單元通過(guò)對(duì)與脈沖信號(hào)數(shù)量和時(shí)間的采集與目標(biāo)信號(hào)輪之間的齒數(shù)進(jìn)行計(jì)算，最終得出被測(cè)目標(biāo)的轉(zhuǎn)速。

當(dāng)然控制單元對(duì)于轉(zhuǎn)速的計(jì)算方法也會(huì)從一定程度上影響轉(zhuǎn)速信號(hào)的精度，控制單元對(duì)于轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集會(huì)根據(jù)硬件的處理能力分為低頻段和高頻段，在低頻段時(shí)轉(zhuǎn)速的計(jì)算方法為：

其中nlow為計(jì)算后的轉(zhuǎn)速，t為控制單元計(jì)算的轉(zhuǎn)速傳感器輸入信號(hào)的兩個(gè)脈沖間隔的時(shí)間，m為目標(biāo)信號(hào)輪的齒數(shù)。

在高頻時(shí)段的轉(zhuǎn)速計(jì)算方法與低頻轉(zhuǎn)速計(jì)算的唯一不同是t的計(jì)算方法，控制單元會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的數(shù)量去計(jì)算幾個(gè)脈沖的平均間隔時(shí)間，比如每4個(gè)脈沖計(jì)算一次，那么控制單元就會(huì)每采集4個(gè)脈沖計(jì)算一次間隔時(shí)間，那么時(shí)間除以4就得到了這4個(gè)脈沖的平均間隔時(shí)間，同樣也可以得出轉(zhuǎn)速值。計(jì)算轉(zhuǎn)速在某種意義上是會(huì)存在一定程度的誤差的，當(dāng)然這是受限于控制單元的硬件處理能力的，目前為了達(dá)到更好的性價(jià)比，一般把怠速和低于怠速的轉(zhuǎn)速設(shè)定低頻段，其他轉(zhuǎn)速設(shè)定為高頻段，采用計(jì)算的方式得到的平均轉(zhuǎn)速同樣也可以滿足轉(zhuǎn)速采集精度的要求，一般也可以控制在+/-5rpm之內(nèi)。

圖1 Hall轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)處理方式簡(jiǎn)述

下面以電壓接口的Hall芯片為例簡(jiǎn)單介紹差分Hall芯片對(duì)于轉(zhuǎn)速信號(hào)的處理過(guò)程，如圖1所示。所謂差分信號(hào)，是指在轉(zhuǎn)速傳感器芯片中采用了兩個(gè) Hall感應(yīng)元件，這兩個(gè)Hall元件采用作差的形式輸出信號(hào)，這樣的好處是當(dāng)出現(xiàn)雜波的情況下，通過(guò)作差的方式可以將其濾掉，從而提高了轉(zhuǎn)速信號(hào)檢測(cè)的精度，提高了傳感器本身的抗干擾能力，該類型的傳感器也被稱為只能傳感器，以減少控制單元后期處理的繁瑣。

圖 1中的傳感器具有三個(gè)輸出端子，S是供電接口，O是信號(hào)輸出接口，G是接地。

1.2 位移、行程、轉(zhuǎn)角傳感器

之所以把這三類傳感器歸為一類，是因?yàn)槟壳斑@類傳感器的相同應(yīng)用比較多，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)將這幾類傳感器的檢測(cè)方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，例如可以通過(guò)搖臂將直線位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為角度信號(hào)。這類傳感器在整車中的應(yīng)用非常的廣泛，踏板行程傳感器、換擋桿位置傳感器、懸架位置傳感器，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器等等。對(duì)于提高舒適性和安全性都有很大的幫助。

此類傳感器也多采用Hall效應(yīng)原理，采用檢測(cè)被測(cè)目標(biāo)上移動(dòng)的磁場(chǎng)，輸出對(duì)應(yīng)的位置信息。圖2中表示了Hall芯片檢測(cè)轉(zhuǎn)角信號(hào)和線性信號(hào)的兩種方式。

圖2 轉(zhuǎn)角和行程傳感器工作方式

通過(guò)后期的產(chǎn)品標(biāo)定，該類傳感器的精度可以控制在1%之內(nèi)。

1.3 壓力傳感器

壓力傳感器已經(jīng)越來(lái)越多的被應(yīng)用于乘用車中，胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、安全氣囊、座椅壓力、空調(diào)壓力、ABS/ESP等等，壓力傳感器已經(jīng)和安全性和舒適性密不可分。

目前常用的壓力傳感器按照壓力敏感元件主要有兩類，分別是壓電陶瓷和硅應(yīng)變片。所謂壓電陶瓷，是指一種可以將機(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，當(dāng)壓力作用于壓電陶瓷時(shí)，其會(huì)產(chǎn)生一定程度的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷后面連接成一個(gè)惠斯通電橋，由于當(dāng)被測(cè)壓力使壓電陶瓷產(chǎn)生形變時(shí)會(huì)使介質(zhì)帶電，從而輸出一種與壓力成線性比例的電信號(hào)。另外一種就是硅應(yīng)變片，與壓電陶瓷基本相同的應(yīng)用，硅應(yīng)變片會(huì)被貼在耐機(jī)械沖擊的基板后面，當(dāng)壓力使得基板產(chǎn)生形變后，連接惠斯通電橋的硅應(yīng)變片的阻值發(fā)生相應(yīng)的變化使得輸出與壓力成線性比例的電壓信號(hào)。

通過(guò)圖3中可以看出，通過(guò)對(duì)惠斯通電橋輸出的信號(hào)處理，通過(guò)和標(biāo)準(zhǔn)的壓力信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，輸出的信號(hào)被標(biāo)定為線性度較好的曲線。壓力傳感器的精度也可以控制在 2%之內(nèi)。

圖3 帶有惠斯通電橋的壓力傳感器示意圖

1.4 溫度傳感器

溫度傳感器也被廣泛的應(yīng)用于汽車空調(diào)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、自動(dòng)變速箱控制系統(tǒng)。溫度傳感器目前應(yīng)用的主要有熱電偶和熱敏電阻。熱電偶溫度傳感器的工作原理是，如果兩個(gè)不同成分的均勻?qū)w形成回路，直接測(cè)溫端叫測(cè)量端，接線端子端叫參比端，當(dāng)兩端存在溫差時(shí)，就會(huì)在回路中產(chǎn)生電流，那么兩端之間就會(huì)存在熱電勢(shì)，即塞貝克效應(yīng)（塞貝克Seeback效應(yīng)又稱作第一熱電效應(yīng)，它是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起的兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。它的實(shí)質(zhì)在于兩種金屬接觸的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)差，該電勢(shì)差取決于金屬的電子逸出功和有效電子密度這兩個(gè)因素）。

熱敏電阻是一種高溫度系數(shù)的電阻體，熱敏電阻是開(kāi)發(fā)早、種類多、發(fā)展較為成熟的敏感元器件，熱敏電阻由半導(dǎo)體材料組成，利用的原理就是溫度會(huì)引起電阻值發(fā)生變化，若電子和空穴的密度分別為 n、p，遷移率分別為μn、μp,半導(dǎo)體的電導(dǎo)為：σ = q（nμn+pμp），因?yàn)閚，p, μn, μ p都是以來(lái)溫度T的函數(shù)，所以電導(dǎo)也是溫度T的函數(shù)，因此測(cè)量電導(dǎo)的大小便可算出溫度的高低，并可以做出電阻-溫度曲線。

1.5 其他傳感器

當(dāng)然正常中應(yīng)用到的不僅僅是上面提到的四種傳感器，還有光照傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、氧傳感器、流量傳感器、加速度傳感器、陀螺儀等等許多不同種類的傳感器，被應(yīng)用于不同的功能模塊，同樣起著至關(guān)重要的信號(hào)采集作用。

2 電子控制單元對(duì)于信號(hào)的處理

2.1 接口電路

控制單元在接受來(lái)自傳感器的信號(hào)的時(shí)候，并不能直接的讀取來(lái)自傳感器信號(hào)輸出端的信號(hào)，都要通過(guò)一定的接口電路去完成信號(hào)的采集。

接口電路的作用在于為電子控制單元提供了可以采集到的信號(hào)（數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)或者頻率信號(hào)等等）；同時(shí)也可以提供一些用于電磁兼容性設(shè)計(jì)，以及濾波電路設(shè)計(jì)，增強(qiáng)信號(hào)的精確度，同時(shí)減少信號(hào)的波動(dòng)。圖4為一種常見(jiàn)的接口電路，以一個(gè)三線的傳感器為例，Vcc是傳感器的供電端，傳感器常用的供電為 5V；R1是作為下拉電阻，起到了參考電壓采集的作用，R2和C2組成了時(shí)間常數(shù)為t=R*C的RC濾波電路，C1是起到了對(duì)電磁干擾起到了一定的作用。

圖4 電子控制單元接口舉例示意

2.2 電子控制單元的信號(hào)處理

電子控制單元對(duì)信號(hào)的處理也大概分為幾種，也是由于輸入信號(hào)的類別決定的，目前的傳感器的信號(hào)類型主要有三種，數(shù)字量信號(hào)、模擬量信號(hào)和頻率量信號(hào)，數(shù)字信號(hào)指的是狀態(tài)只有0和1的信號(hào)；模擬信號(hào)一般指電壓信號(hào)，或者電流信號(hào)（當(dāng)然信號(hào)的讀取最終都是體現(xiàn)為電壓）；頻率信號(hào)就是指的PWM信號(hào)，占空比的大小代表了輸出的大小。

PWM 信號(hào)被越來(lái)越多的應(yīng)用于連續(xù)信號(hào)的采集，模擬信號(hào)的輸出模式也完全可以被 PWM 信號(hào)取代，并且 PWM信號(hào)是更接近數(shù)字信號(hào)類型的信號(hào)，對(duì)于來(lái)自信號(hào)傳導(dǎo)所帶來(lái)的影響可以有一定的規(guī)避作用，尤其是對(duì)于來(lái)自導(dǎo)線的EMC干擾問(wèn)題也有一定程度的改善，因?yàn)橐话銈鞲衅魍ㄟ^(guò)模擬信號(hào)輸出的電壓范圍在 0.5V～4.5V，這樣來(lái)自導(dǎo)線的電阻和 EMC的干擾就要被考慮的比較全面，否則傳感器無(wú)法達(dá)到精度的應(yīng)用要求。

圖1中表示的是智能傳感器芯片內(nèi)部，也就是傳感器內(nèi)部對(duì)于信號(hào)的處理，而電子控制單元ECU中同樣需要有一定的處理電路或者集成電路芯片，簡(jiǎn)單的可以歸納為將非計(jì)算機(jī)信號(hào)轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)可讀信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理和計(jì)算之后，得出傳感器實(shí)際輸出的信號(hào)值，然后再將計(jì)算機(jī)可讀信號(hào)轉(zhuǎn)化為顯示信號(hào)讓軟件讀取或者讓操作員讀取。

當(dāng)然電子控制單元對(duì)于信號(hào)處理的復(fù)雜程度也取決于采用的什么類型的芯片，現(xiàn)在的智能芯片已經(jīng)把信號(hào)處理的非常好了，控制單元中就無(wú)需再針對(duì)于信號(hào)的精度判斷等等，直接就可以講信號(hào)計(jì)算后輸出測(cè)量值即可，但是有些無(wú)源傳感器或者需要控制單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的傳感器，就需要傳感器在設(shè)計(jì)的時(shí)候就考慮到與控制單元之間的信號(hào)處理關(guān)系。

3 傳感器在整車中的安全作用

傳感器作為所有電控系統(tǒng)中的信號(hào)收集端，對(duì)電控系統(tǒng)的性能乃至安全都有著重要的影響，一旦采集的信號(hào)出現(xiàn)了問(wèn)題，電控系統(tǒng)根據(jù)采集信號(hào)后做出的判斷就會(huì)產(chǎn)生不準(zhǔn)確的命令，那么就有可能會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)，特別是越來(lái)越多的主動(dòng)安全設(shè)備被應(yīng)用于整車中，如果由于信號(hào)有誤產(chǎn)生了誤判，那么這些主動(dòng)設(shè)備就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作措施，比如轉(zhuǎn)向、剎車等等，這都是不允許的。

作為可能影響到安全的部件，符合安全法規(guī)就是必不可少的，于2011年11月14日正式頒布的ISO26262就是針對(duì)于電子電氣設(shè)備和可編程的電子設(shè)備的安全性的規(guī)范要求，雖然還沒(méi)有在國(guó)內(nèi)強(qiáng)制執(zhí)行，但是已經(jīng)得到汽車標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)等國(guó)內(nèi)相關(guān)組織機(jī)構(gòu)的重視。目前越來(lái)越多的傳感器本身也具有可編程的特性，可以自動(dòng)的修正采集的信號(hào)，甚至對(duì)錯(cuò)誤信號(hào)進(jìn)行判斷，所以帶有可編程的傳感器更需要對(duì)安全進(jìn)行控制，那么符合標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的要求是整車應(yīng)用必不可少的。

當(dāng)然傳感器的信號(hào)準(zhǔn)確性還可以通過(guò)控制器中的信號(hào)檢測(cè)單元進(jìn)行診斷，也可以通過(guò)控制單元底層軟件或者上層控制軟件的診斷策略去對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行判斷，一旦檢測(cè)出錯(cuò)誤，就會(huì)有相應(yīng)的安全動(dòng)作，以免產(chǎn)生危險(xiǎn)造成損失。

4 傳感器在乘用車應(yīng)用中的前景

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2004年時(shí)美國(guó)車子電子占整車成本的25%，高檔轎車可以達(dá)到40%，而我國(guó)只有4%左右，當(dāng)然隨著這幾年的發(fā)展，我國(guó)本土汽車工業(yè)高速發(fā)展，更多的主機(jī)廠已經(jīng)把眼光放在了電子設(shè)備上，許多的電子設(shè)備也已經(jīng)成為了標(biāo)配，這使得傳感器的應(yīng)用得到了更大幅度的提高。

但是由于不同電子控制設(shè)備中可能都會(huì)采集同一個(gè)信號(hào)，如果采用一個(gè)傳感器進(jìn)行檢測(cè)，那么兩個(gè)控制單元去采集信號(hào)，那么信號(hào)的精度和準(zhǔn)確性一定會(huì)受到影響，采用了兩個(gè)相同的傳感器去采集信號(hào)又是浪費(fèi)了成本。針對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，主機(jī)廠的解決方案是將整車中需要的信號(hào)都采用統(tǒng)一的控制器去采集，然后通過(guò) CAN通訊，把從傳感器采集到的信號(hào)放到 CAN上，然后每個(gè)控制器根據(jù)自己的需要，讀取自己想要的信號(hào)信息，這樣有幾個(gè)好處：第一，不同的控制器不必再設(shè)置那么多的信號(hào)采集端口，減少了控制單元的成本，也減少了插件和端子的成本；第二，不必重復(fù)使用傳感器，同一傳感器采集的信號(hào)可以傳遞給不同的電子設(shè)備，只要各取所需即可；當(dāng)然也存在著一定的弊端，比如可能會(huì)加長(zhǎng)信號(hào)傳遞的路線，這樣來(lái)自電磁兼容性等問(wèn)題就會(huì)產(chǎn)生，同時(shí)通過(guò) CAN進(jìn)行讀取信號(hào)的話會(huì)有一定時(shí)間的延遲，那么對(duì)于需要高速判斷信號(hào)狀態(tài)的電子單元來(lái)講，是需要有更高的速度去解決的，針對(duì)于這些弊端的補(bǔ)救方式還是多種多樣的，EMC的問(wèn)題可以通過(guò)設(shè)計(jì)線束的走向，采用屏蔽線等方法進(jìn)行規(guī)避，CAN通訊速率的問(wèn)題現(xiàn)在已經(jīng)有了更加高速的通訊協(xié)議比如FlexRay等，傳輸?shù)乃俣雀欤矢撸呀?jīng)可以滿足整車信號(hào)采集的應(yīng)用，而且已經(jīng)被大量的應(yīng)用在了BMW、Audi等高端車型中。

5 結(jié)論

綜上，傳感器在乘用車中的應(yīng)用非常廣泛，也有著非常好的前景，尤其是在國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)高速發(fā)展的前提下，汽車電子的需求更是與日俱增，在乘用車銷售的時(shí)候，消費(fèi)者的眼觀也不再僅僅局限在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱，也在更多的關(guān)注整車電子設(shè)備的配置，這些電子設(shè)備已經(jīng)成為了衡量一臺(tái)乘用車價(jià)值的重要指標(biāo)。雖然傳感器只作為這些電子設(shè)備的信號(hào)采集單元，但是卻為了完成整體的控制做出了不可或缺的貢獻(xiàn)。

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