汽車傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀與新趨勢

茍明宇

(北京師范大學附屬實驗中學,北京 100032)

傳感器是汽車電子控制系統(tǒng)中的關鍵部件,它充當了控制系統(tǒng)“五官”的作用,對汽車行駛過程中各個組件的關鍵物理量,如溫度、壓力、氣體濃度、加速度、轉(zhuǎn)速等各種信息進行實時測量,并將結(jié)果反饋給控制系統(tǒng),使汽車保持最優(yōu)的行駛狀態(tài)。隨著用戶對行車的安全、舒適性要求不斷提高,以及政府對尾氣排放標準的不斷嚴格,各種新技術、新材料和新工藝已經(jīng)被廣泛地應用于汽車硬件和軟件之中,推動著汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)生革命性變化,而汽車傳感器也必將在這場變革中得到不斷發(fā)展。

1 汽車傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 溫度傳感器

溫度傳感器用于測量汽車中處于高溫工作環(huán)境下的組件溫度,如發(fā)動機進氣口和排氣口、冷卻液系統(tǒng)等。按照原理分類,常見的溫度傳感器包括：線繞電阻式、熱電敏式和熱偶電阻式[1]。其中線繞電阻式溫度傳感器具有最高的精度,但其響應特性差,不能及時反饋溫度信息;熱電敏式傳感器響應速度好,但是測量范圍較窄,不能在極熱或極寒條件下使用;熱偶電阻式本身特性良好,但是需要和放大器和冷端處理器共同使用,占用體積大。

1.2 壓力傳感器

壓力傳感器在汽車中分布較為廣泛,它主要用于測量功能組件內(nèi)氣體或者液體的壓強并反饋給控制系統(tǒng)。按照原理分類,壓力傳感器可分為電容式、半導體式和表面彈性波式(SAW)[2]。電容式傳感器具有適應性強、響應特性好和輸入能量高等優(yōu)點,但缺點是抗干擾性差;半導體式傳感器具有應用范圍廣、數(shù)量大的特點,但其性能受溫度影響較大,因此需要設計溫度補償電路進行修正;S A W傳感器不僅滿足上述優(yōu)點,并且抗干擾能力強,能在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作,易于集成化、智能化。

1.3 氣體濃度傳感器

氣體濃度傳感器通過檢測發(fā)動機排放氣體的氧含量來間接計算發(fā)動機內(nèi)部實際空燃比與理論值的偏差。經(jīng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)可燃混和氣濃度后,可以使空燃比接近于理論值,從而提高能量利用率,減少有毒有害氣體排放[3]。在眾多濃度傳感器中,二氧化鈦傳感器是最常用的一種類型。

1.4 爆震傳感器

爆震傳感器用于防止發(fā)動機因點火提前角、負荷、溫度及燃料質(zhì)量等因素產(chǎn)生爆震。磁電壓式主要利用電磁感應原理測量數(shù)據(jù),但數(shù)據(jù)準確性受周圍環(huán)境以及電路影響。壓電式傳感器主要利用抖動力擠壓元件,在元件表面產(chǎn)生游離電荷,通過檢測電荷數(shù)量測定壓力大小,數(shù)據(jù)受環(huán)境影響小,且輸出入數(shù)據(jù)成正比,易于控制。

1.5 加速度傳感器

加速度傳感器用于測量汽車行駛過程中的加速度,在自適應懸掛系統(tǒng)、車輛穩(wěn)定性系統(tǒng)和防抱死制動系統(tǒng)中都有應用。汽車在加速或減速過程中,通過敏感元件測量傳感器內(nèi)部質(zhì)量塊所受到的慣性力,再根據(jù)牛頓第二定律獲得質(zhì)量塊在非慣性系中的加速度,從而得到汽車行駛的加速度。

1.6 陀螺儀傳感器

陀螺儀傳感器用于測量汽車的行車方向,并為導航系統(tǒng)提供信息。陀螺儀傳感器的原理是角動量守恒定律,即當一個旋轉(zhuǎn)中的物體沿著其轉(zhuǎn)軸沒有受到外力矩作用時,該轉(zhuǎn)軸方向始終保持不變。光纖陀螺儀是最常用的陀螺儀傳感器之一,它具有結(jié)構緊湊、靈敏度高和可靠性強等優(yōu)點。

2 未來汽車發(fā)展對傳感器的要求

放眼未來,人們對汽車節(jié)能環(huán)保、安全性、舒適度和智能化的需求會越來越高,汽車也將不被視為是簡單的交通工具。這將使汽車成為不同行業(yè)、不同學科交叉融合的新技術前沿,而傳感器作為汽車與環(huán)境交互的樞紐也一定會在這個浪潮中被重新定義,提出新的、更高的要求。

2.1 精度和響應速度要求

汽車行駛往往面臨極為復雜的環(huán)境,如擁擠的交通、復雜的地面、突然冒出的行人車輛等等。這一方面要求傳感器對物理量的變化極度敏感,能夠第一時間將信號傳遞給控制系統(tǒng);另一方面,控制系統(tǒng)算法也需要迅速處理傳感器反饋的信號并做出最合適的調(diào)整。

2.2 穩(wěn)定性要求

穩(wěn)定性要求是指傳感器應該具有極好的適應性、抗干擾性和耐用性的特點。其中適應性指傳感器能很好地適應汽車所處的差異極大的各種環(huán)境;抗干擾性指傳感器能夠有效地抵抗由于外部環(huán)境或其他傳感器引起的電磁干擾;耐用性指傳感器能承受熱負荷、熱沖擊、振動等極端工況,例如在高頻震蕩環(huán)境中連續(xù)運行,或是在強沖擊載荷下依然能正常工作。

2.3 集成化要求

20世紀70年代末,隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展,汽車傳感器由傳統(tǒng)的獨立器件演化成了集微傳感器、微處理器、微運算器、微電源和微機械結(jié)構為一體的高性能電子集成器件,因而大幅提高了傳感器的精度、響應速度和穩(wěn)定性等特征。未來的汽車傳感器必然會對集成化提出更高的要求,以滿足多功能和高智能的需求。

3 汽車傳感器的未來展望

當前,互聯(lián)網(wǎng)技術、物聯(lián)網(wǎng)技術和人工智能以及新材料新工藝正快速發(fā)展,為未來汽車傳感器的發(fā)展與不斷提高的需求相結(jié)合創(chuàng)造了技術條件。

3.1 不同傳感器控制系統(tǒng)的一體化

未來傳感器集成化可能會著眼于研究使不同控制系統(tǒng)協(xié)同工作的方法。以汽車安全為例,我們可以開發(fā)一套總控程序,將電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP)與約束控制系統(tǒng)相結(jié)合,以進一步提升行車安全。首先,如果E S P檢測到了不穩(wěn)定的行車工況,如輪胎打滑、爆胎等危險情形,此時E S P通過控制程序?qū)⑽ｋU信號發(fā)送給整個約束控制系統(tǒng),使安全氣囊處于待命狀態(tài)、安全帶直接鎖緊、座椅調(diào)整至最佳位置等。

3.2 軟件開發(fā)的比重越來越大

在過去幾十年中,傳感器的研發(fā)主要集中在硬件和原理方面,隨著ME MS技術的不斷發(fā)展,傳感器在硬件方面已經(jīng)日趨完善。在硬件技術沒有重大突破的時期,未來傳感器系統(tǒng)將會更加著眼于對采集數(shù)據(jù)進行準確、快速分析的軟件開發(fā)。

以電動汽車充放電控制系統(tǒng)為例,與傳統(tǒng)內(nèi)燃機不同,電動汽車的總電源由多個電池通過電路組合而成,所以每個電池都配置有傳感器以監(jiān)控電池的運行轉(zhuǎn)態(tài)。在實際充放電過程中,各個電池的狀態(tài)經(jīng)常不一致,需要精細控制每個電池以防止發(fā)生過充電或過放電事故。該過程中,電壓傳感器收集各個電池的電壓信息,控制系統(tǒng)則需要接收來自多個傳感器的信息,快速分析并優(yōu)化電池的連接電路。硬件方面,電壓傳感器技術已經(jīng)相當成熟,因此核心技術便是高效充放電控制系統(tǒng)的電路設計和軟件開發(fā)。

3.3 多學科技術的交叉應用

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、人工智能技術和網(wǎng)絡通訊技術的成熟,近年來汽車行業(yè)正向著智能化的方向發(fā)展,其代表便是自動駕駛技術。汽車傳感器充當了自動駕駛“眼睛”的角色,然而實現(xiàn)這一復雜功能,傳感器技術必須與其他跨學科、跨產(chǎn)業(yè)的各種技術進行深度融合。

未來對汽車的功能需求將會越來越復雜,靠單一領域的技術力量已經(jīng)很難滿足這些需求。因此,汽車傳感器的發(fā)展同樣不可避免地需要吸納各個領域的最新成果,成為多學科交叉應用的技術前沿。

4 結(jié)語

目前,隨著傳感器硬件技術的日趨完善,短時間內(nèi)很難有重大的技術突破,因此未來傳感器的發(fā)展方向?qū)觽?cè)重于相互融合。一方面,現(xiàn)存?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)的協(xié)同工作,可以以最低成本實現(xiàn)新的功能;另一方面,傳感器技術與其他學科的最新技術相互融合,可以進一步實現(xiàn)復雜功能的綜合應用,從而推動汽車智能化的發(fā)展。

[1] 羅騰科.現(xiàn)代汽車傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電子制作,2013,(08)：122.

[2] 潘張忠.傳感器在汽車上的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].職業(yè),2012,(02)：181-182.

[3] 小林哲二,徐云,徐仲倫.汽車用各種傳感器[J].國外汽車,1984,(05)：25-31.