傳感器在智能汽車中的應用

王昊杰

（東南大學機械工程學院,江蘇 南京 211189）

隨著電子科技的快速發展，電子技術在各行業得到應用和推廣，而在汽車行業電子技術已成為主導發展因素，傳感器的應用進一步提升了汽車的操作性能、安全性能和動力性能。傳感器是一種檢測裝置，不僅能對信息進行測量，還能將檢測到的信息依據一定規律變換為電信號傳導給系統，進而滿足信息傳輸、處理和存儲等要求。傳感器是實現智能汽車自動控制、檢測的關鍵部件，一輛普通轎車約安裝有上百只傳感器，而豪華轎車所安裝的傳感器數量可能高達200余只。車用傳感器具有多種類型，對其穩定性、準確性進行研究，對汽車行業的進一步發展，具有現實意義。

1 智能傳感器的概念

智能傳感器是一項綜合技術，它不僅是傳感器設備，而且是傳感器與模擬轉換器、信號處理器、CPU和智能儀表的結合體。電子信息技術是在集成的基礎上增加的。同時，增加了接口電路，擴展了通信接口的方式，采用各種網絡通信協議，促使多個設備組能更好地與其他電子設備工作，從而實現各部件之間的互聯，保證了傳感器對信息的智能有效檢測。從功能角度來說，通過對先進軟件進行設計，可有效實現智能傳感器的通信功能，同時，還涵蓋了邏輯思維、信息判斷、信息處理和信息檢測等功能，為后期的人工智能提供了技術保障。智能傳感器裝載了微處理器，可對信息進行存儲、處理和判斷，同時還具有自動補償、自動診斷和自動校準等功能。智能傳感器在對信息進行處理的過程中，可對所測得數值及誤差進行補償，并借助軟件線性化處理非線性信號。智能傳感器在智能汽車中的應用，主要是對發動機所發出的信息進行檢測、收集和處理，并測量汽車運行過程中各系統的參數值，便于駕駛員能夠隨時掌握汽車的運行情況[1]。對于智能汽車來說，其多數電子器件均處于較為惡劣的運行環境當中，且各元件之間存在著較大差異，如停車等待時的低溫狀態、運行過程中的高溫狀態、電磁干擾和高強度沖擊等，要求電子元器件具有較高的穩定性，且需對外界環境具有較高的自適應能力。應用智能傳感器可有效彌補傳統傳感器在智能汽車中的不足，提高傳感器檢測、記憶信息的準確度，同時還能提高汽車的運行穩定性、安全性。智能傳感器的最大優勢就在于，可充分感知乘客情況、周邊環境和交通設施等信息，進而判斷乘客是否處于最佳狀態、車輛是否會發生危險等，并及時采取相應措施。

2 汽車傳感器的應用分類

2.1 發動機傳感器

在智能汽車中，發動機是傳感器最多的核心部件。傳感器種類繁多，不僅有氣體密度傳感器、位置傳感器、壓力傳感器，還包括溫度傳感器、振動傳感器和流量傳感器等。這些傳感器可以為發動機系統提供工作信息，使控制器能夠實時了解和控制發動機的實時工作，進而獲得最佳的動力性能，減少汽車的廢氣排放，同時獲得最佳的燃油經濟性。在汽車發動機振動、高壓、高溫及污泥等惡劣環境當中，智能傳感器的耐受度要高于傳統傳感器，發動機用傳感器的性能要求較多，主要包括可靠性、精度、耐用性和響應特性等，其中最為主要的就是可靠性，若無法保障傳感器的穩定性和可靠性，就可能導致系統誤差，進而使得發動機系統失靈或發生故障。

2.2 底盤控制傳感器

在智能汽車的底盤控制系統當中，傳感器類型較多，其所應用的主要系統包括制動防抱死系統、動力轉向系統和懸架控制系統等。盡管傳感器分布于底盤控制系統的不同部位，但其與發動機用傳感器的工作原理一致。在汽車底盤控制系統中，最為重要的就是防抱死系統，其運用了制動壓力自動調節裝置，以實現汽車制動處理。其次，防抱死制動系統無須依靠其他系統而實現自動控制，這些功能的實現均是由于其應用了大量的傳感器，進而最大限度發揮出電子控制系統的性能。隨著電子控制系統的不斷發展，智能汽車的電子系統集成化程度逐漸得到提升，在這樣的現實情況下，統一傳感器出現并得到了廣泛應用，該種傳感器不僅能向發動機系統提供信號，還能向底盤控制系統提供信號，進而提高汽車運行的穩定性。

2.3 導航控制系統傳感器

隨著GIS和GPS應用越來越廣，在汽車導航系統中應用的傳感器也越來越多，如羅盤傳感器、方向盤傳感器、車速傳感器等。這類傳感器可以收集汽車行駛過程中的信息并將信息傳輸給汽車導航系統，汽車導航系統根據信息實現導航，從而保證汽車能依照導航正常行駛。

3 汽車電子技術對智能傳感器的要求

以往，汽車電子技術所采用的傳感器，雖然可實現一定功能，但穩定性欠佳、敏感度不高，無法滿足現代汽車工業發展的實際需求。電子信息的創新技術逐漸被應用于汽車制造業中，這標志著汽車電子技術已從部件和微處理器系統運行時代進入智能電子設備新階段。現代智能車輛的電子系統有許多獨立的控制單元，這些單位是獨立的關系，同時它們需要獨立運行，但它們可以相互協調，通過各自的作用來確保車輛運行的最佳狀態。智能車輛的電子技術需要智能傳感器。首先，電子控制系統需要快速、準確和穩定。傳統的傳感器控制系統由傳感器、執行器和微處理器組成，這種系統不能滿足現代智能車輛的需要，需要采取軟件操作和硬件開發等措施，才能進一步提高智能化進程，滿足智能汽車對社會的高度要求，為現代智能化的進一步發展打下基礎。其次，集成化是汽車電子發展的極為重要的部分，無論是電路集成還是器件集成都非常重要。所有的智能汽車均具備電子設備控制機械結構，但由于汽車的體積存在一定限制，且車體空間也有限，這就需要實現器件與電路的集成，促使電子控制單元與其所控制的硬件結構能夠形成一個整體，而要想達到這一目的，就需要實現各種設備的微型化、集成化，以便其更好地結合。同時，汽車電子技術對控制單元的智能化也提出更高要求，當代智能汽車對于智能化需求越來越迫切，這就要求電子控制單元必須達到一定智能化程度，完善自我檢查、維護等工作流程。例如汽車的安全氣囊，其在汽車運行過程中，95 %的時間均是處于關閉狀態，僅當汽車受到較大的沖擊力時才會自動打開，要求其能夠及時、快速地啟動，但部分汽車的安全氣囊基本不會使用，這樣就需要汽車具備自我檢查、自我維護的能力，通過智能化的電子系統確保氣囊系統的安全、穩定運行。此外，必須確保每個功能部件的可靠性。由于每個部件都有其自身的運動和可控性，不同功能部件的機動性不同，其工作環境也不同。但它們大多處于相對惡劣的工作環境中，如高溫環境、靜態低溫環境和高強度沖擊等，這些環境條件對車輛的各個部件和電路提出了很高的要求，需要保證各部件的穩定性，具有較強的自適應和自補償能力，能正確應對不同的運行環境[2]。

4 汽車智能化傳感器的有效應用

4.1 在發動機控制系統上的應用

在智能汽車的整個電子控制系統當中，發動機控制系統屬于核心內容，這一控制系統中傳感器的應用在整個汽車傳感器應用中也就成為關鍵部分。這些傳感器的作用就是實時收集發動機的工作信息，并將信息提供給電子控制單元，實現對智能汽車的精確控制，以提高發動機的動力性能，同時降低發動機在其運動過程中的油耗，還可在一定程度上減少所排放的廢氣。此外，傳感器還可檢測發動機是否存在故障，并將檢查情況反饋給發動機系統。智能汽車的發動機對傳感器有著較高的技術要求，其最為關鍵的就是測量精度，一旦產生誤差，就可能導致發動機運行中出現故障。以下對應用在發動機控制系統中的三種傳感器進行詳細闡述：

（1）溫度傳感器

該種傳感器主要用于判斷汽車發動機的狀態，并對空氣的質量、流量等進行計算，要求能夠連續地、精確地對發動機溫度、冷卻水溫度、機油溫度、吸入氣體溫度和燃油溫度等進行檢測。在其實際應用過程中，溫度傳感器的類型較為多樣，包括熱敏電阻式、線繞電阻式和熱電耦式等，三種溫度傳感器具有不同特點，應用場合也有所不同。其中線繞電阻式的精度較高，但不具備較強的響應特性。熱敏電阻式的靈敏度較高，響應特性較好，但線性較差，適用溫度在300 ℃之內，具有一定局限性，且其采用的主要材料是MnONiO系列。

（2）壓力傳感器

該種傳感器應用于發動機控制系統中，主要檢測氣缸壓力、機油壓力和大氣壓力。目前，汽車上使用的壓力傳感器種類繁多。根據信號產生的原理，可分為電容型、膜片盒驅動型、半導體變阻器型和表面彈性波型四種類型。其中電容式傳感器具有較高的環境適應能力，同時輸入能量較高，且動態響應能力較強。壓敏電阻式具有響應快、尺寸小等優勢，同時具有較好的抗震性能，但其受到溫度因素的影響較大，需另外設置溫度以補償電路；膜盒傳動的可變電感式傳感器易于數字輸出，且具有較大輸出，但抗震性較差，而表面彈性波式具有體積小、靈敏度高、可靠性強、功耗低和數字量輸出等優勢，是較為理想的一種壓力傳感器。

（3）位置傳感器

位置傳感器在發動機控制系統中的應用，主要包括兩種類型，即曲軸位置、節氣門位置。其中曲軸位置傳感器是發動機集中控制系統中最為主要的一種傳感器類型，是控制點火時刻確認曲軸位置的重要信號源，同時也可對發動機轉速的信號源進行測量，進而確定發動機轉速和曲軸轉角等。該類傳感器包括光電式、霍爾效應式和磁脈沖式等。節氣門位置傳感器主要安裝于汽車的節氣門體上，可對節氣門開度進行檢測，進而滿足節氣門于不同開度狀態下對噴油量的有效控制，包括開關式、線性式兩種類型[3]。

4.2 在汽車底盤控制系統的應用

汽車底盤控制系統主要指動力轉向系統、變速器控制系統和防抱死制動系統等，其主要通過傳輸信號來保障汽車運行穩定性和安全性。傳感器在底盤控制系統中的應用主要包括：

（1）線性加速慣性傳感器

該種傳感器主要采取微機電系統技術，多分布于車輛的底盤入口，主要分為電容式和壓阻式兩種類型。

（2）車盤懸架的角速度傳感器

該種傳感器主要依賴于微機系統技術，進而對不同類型結構的轉數效率進行檢測，通常安裝于穩定系統。

（3）變速控制傳感器

該種傳感器主要應用于自動變速器控制功能，通過傳感系統來最大限度提高動力性能，可有效控制油體溫度和加速度等[4]。

4.3 在車身操控系統的應用

車身操控系統包含了汽車裝置的多個方面，通過在電子系統中應用智能傳感器，可對汽車的車身操控裝置進行優化。在汽車的空調裝置中也安裝有部分智能傳感器，進而對空氣溫度進行調節和控制。除此之外，汽車的倒車傳感器裝置、智能車鎖等均需要應用智能傳感器[5]。

在智能汽車的機件構成中，電子控制系統是重要組成部分，在確保汽車穩定、可靠運行方面發揮著重要作用。在汽車電子控制系統中，傳感器的應用具有重要意義，要求工作人員準確把握各種傳感器的實際應用，促使傳感器在汽車控制系統中更好地發揮作用，進而保障汽車控制系統具有更完善的功能。