汽車電子技術(shù)中傳感器的應(yīng)用探究

郭增波 李春紅 馬 罡

（克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 克拉瑪依834000）

當(dāng)前，隨著汽車制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，很多電子信息技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到汽車領(lǐng)域，直接關(guān)系到汽車的動力性、操控性、安全性等方面，傳感器是汽車電子技術(shù)中的重要部分，可以實(shí)現(xiàn)對汽車運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測。由于汽車不斷向著智能化發(fā)展，汽車內(nèi)部會集成大量的高精度的傳感器，可以采集到汽車每個(gè)運(yùn)行部件的狀態(tài)信息，將數(shù)據(jù)傳輸給汽車控制單元，從而實(shí)現(xiàn)對汽車的智能控制，深入研究汽車電子技術(shù)傳感器的應(yīng)用，可以更好地推動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 智能傳感器簡介

智能型傳感器，不是傳統(tǒng)意義上的采集模擬信號，它集成了傳感元件、微處理器、電路板，智能性傳感器的性能更為穩(wěn)定，可以適應(yīng)更為復(fù)雜的使用環(huán)境。傳感器中具備通信接口，可以利用多種通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，可以實(shí)現(xiàn)與控制器等元件的協(xié)同工作，數(shù)據(jù)交互和邏輯判斷變得更為便利。從智能傳感器的使用功能來講，智能傳感器內(nèi)嵌入式程序，可以為傳感器具備邏輯判斷、信息處理功能，將傳感元件物理量變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，形成?shù)字信號后從通信接口發(fā)送出去。還具有故障檢測功能，上電后可以對傳感器進(jìn)行檢測，提供工作人員進(jìn)行處理。還可以對傳感器采集的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和記憶，對監(jiān)測元件進(jìn)行邏輯判斷，從而把故障信息發(fā)送給控制器，可以為人機(jī)交互、智能控制提供良好的硬件支持。

2 汽車智能電子傳感器必要性

傳統(tǒng)的傳感器功能較少，只能將采集到的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鳌㈦妷耗M量，采集精度也無法達(dá)到智能傳感器的要求，傳感器的穩(wěn)定性、靈敏度、抗干擾能力等方面也存在著一些問題。隨著汽車不斷向著智能化、無人駕駛方向發(fā)展，傳統(tǒng)的傳感器已經(jīng)無法滿足汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，智能傳感器可以達(dá)到汽車對傳感器性能的要求，具有更多的功能和特點(diǎn)，還具有自動調(diào)節(jié)、邏輯判斷功能，智能傳感器是汽車電子技術(shù)的發(fā)展方向，會不斷向著更高穩(wěn)定性、高精度方面發(fā)展。

3 汽車電子技術(shù)對智能傳感器的要求

當(dāng)前，很多性能先進(jìn)的汽車內(nèi)部都安裝有多個(gè)獨(dú)立的智能控制單元，每個(gè)控制單元間保持相互獨(dú)立狀態(tài)，但每個(gè)單元間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和協(xié)調(diào)工作，可以讓汽車整體處于最合理的運(yùn)行狀態(tài)，這就對汽車電子技術(shù)提出了更高的要求：a.汽車要求電子操控系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、穩(wěn)定輸出控制指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以快速進(jìn)行反應(yīng)。早期的汽車電子技術(shù)設(shè)計(jì)采用的傳統(tǒng)傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)無法滿足汽車發(fā)展的要求，這就要求開發(fā)出具有軟件控制功能、高穩(wěn)定性的硬件來提高汽車內(nèi)部電子元件的智能化程度，可以使數(shù)據(jù)采集傳感器、控制單元更加穩(wěn)定地進(jìn)行工作，可以滿足汽車運(yùn)行工況的要求，從而推動汽車工作不斷向前發(fā)展。b.集成化是汽車電子技術(shù)的重要發(fā)展方向，受到汽車空間的制約，要求電子器件尺寸不可以太大，還需要滿足穩(wěn)定性、精度的要求，這就要求汽車內(nèi)的電子元件進(jìn)行高度集成，可以更為方便地對汽車機(jī)械元件進(jìn)行控制，使電子控制元件可以與機(jī)械元件實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合，預(yù)留出更多的空間給駕乘人員，需要電子元件向著集成化、微型化方向發(fā)展。c.隨著汽車功能的不斷完善，需要電子控制元件向著智能化方向發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)自我診斷和維護(hù)，并對汽車使用情況進(jìn)行自檢。比如，汽車的安全氣囊，為了保證氣囊的安全需要配制專用于氣囊控制的單元，但安全氣囊在很長時(shí)間內(nèi)都處于停用狀態(tài)，只有汽車受到外力撞擊而達(dá)到設(shè)定的數(shù)值時(shí)方可以開啟，這就要求控制單元可以及時(shí)、準(zhǔn)確地將氣囊打開。但是，出現(xiàn)撞擊的可能性較小，這就要求氣囊配套的控制單元具有自檢功能，對氣囊系統(tǒng)進(jìn)行自我維護(hù)，保證發(fā)生意外情況下可以準(zhǔn)確啟動。同時(shí)，氣囊多位于汽車的隱性部位，需要配套的控制單元和傳感器進(jìn)行高度集成。d.汽車功能部件的可靠性。汽車駕駛過程中需要保證運(yùn)動部件有著很好的操控性，由于汽車會長時(shí)間處于駕駛過程中，很多部件都處于惡劣的運(yùn)行條件下，比如，較高的工作溫度、靜止條件下承受外界低溫、高速運(yùn)動和沖擊等，這就要求汽車電子元件和傳感器有著很高的溫度范圍，具有承受振動和電磁干擾的性能，需要在惡劣環(huán)境下具備較高的穩(wěn)定性，可以根據(jù)外界環(huán)境自我適應(yīng)和調(diào)整。e.電子元件的成本控制。為使汽車配套的傳感器可以得到廣泛應(yīng)用，推動汽車工業(yè)向著智能化、電子化方向發(fā)展，需要在保證傳感器性能的前提下降低生產(chǎn)成本，可以使更多的傳感器應(yīng)用到汽車行業(yè)。

4 汽車智能化傳感器的有效應(yīng)用

4.1 發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)上的應(yīng)用

發(fā)動機(jī)是汽車的心臟，可以為運(yùn)動部件提供動力，驅(qū)動發(fā)電機(jī)給控制系統(tǒng)供電，而控制系統(tǒng)是汽車的大腦，智能傳感器是汽車的神經(jīng)中樞。汽車發(fā)動機(jī)中安裝有智能傳感器和執(zhí)行組件，控制系統(tǒng)從發(fā)動機(jī)中的傳感器來接收信號，可以了解到發(fā)動機(jī)的運(yùn)行情況。并根據(jù)駕乘需要發(fā)送控制指令給發(fā)動機(jī)執(zhí)行組件，發(fā)動機(jī)則會根據(jù)指令做出不同的反應(yīng)。發(fā)動機(jī)內(nèi)智能傳感器可以監(jiān)測到發(fā)動機(jī)冷卻液溫度、運(yùn)行速度和機(jī)油壓力等，是保證駕乘安全的重要輔助工具，可以為駕乘人員帶來更好的體驗(yàn)，在汽車中主要應(yīng)用如下多個(gè)方面：a.壓力傳感器，當(dāng)前，壓力傳感器多用于對汽車制動液壓系統(tǒng)、胎壓系統(tǒng)的監(jiān)測，比如，氣壓、歧管壓力等，多采用電容式、壓阻式、差動式和表面彈性波等傳感器，可以根據(jù)監(jiān)測需要確定不同功能的傳感器。電容式的傳感器有著很好的適應(yīng)能力，信號的動態(tài)響應(yīng)比較理想，可以達(dá)到較大的輸入能量。電阻式傳感器在使用過程中需要加入溫度補(bǔ)償裝置，避免溫度變化過大對采集精度造成影響。差動式傳感器有著較好的數(shù)字信號輸出能力，但不具備很好的電磁干擾能力。表面彈性波傳感器集成度很高，不會占用太大的空間，質(zhì)量和功耗都不高，有著很高的穩(wěn)定性和靈敏度，可以在很寬的溫度區(qū)間中運(yùn)行，是汽車行業(yè)最為理想的傳感器。b.轉(zhuǎn)速器、車速等傳感器，該種類型的傳感器可以用于對汽車發(fā)動機(jī)運(yùn)行速度、角度等進(jìn)行監(jiān)測和控制，多應(yīng)用振動式、霍爾效應(yīng)式、磁阻式等傳感器。c.氣體濃度和流量傳感器，該類傳感器主要用于對汽車排氣氣體、進(jìn)氣氣體進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)氣傳感器用于監(jiān)測空氣含氧量，根據(jù)燃燒比來對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量進(jìn)行智能調(diào)整，可以使可燃?xì)怏w濃度達(dá)到最理想效果，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的，對尾氣監(jiān)測還可以降低對空氣的污染。d.爆振傳感器，該種類型的傳感器可以對氣缸壓力、機(jī)械振動和發(fā)機(jī)動燃燒室噪音等進(jìn)行監(jiān)測，主要有磁致伸縮和壓電兩種類型。e.流量傳感器，該種類型的傳感器可以用于對吸入空氣流量和燃油流量進(jìn)行采集，控制系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)定的燃燒比對流量進(jìn)行控制，控制好燃油的噴放量。

4.2 在汽車底盤控制系統(tǒng)的應(yīng)用

該類傳感主要用于監(jiān)測變速器、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和防抱死系統(tǒng)等，可保證汽車行駛過程中的安全，主要有：a.線性加速慣性傳感器，應(yīng)用微電子技術(shù)研制成壓阻式、電容式傳感器，主要對汽車加速度、自由度等進(jìn)行監(jiān)測，是智能汽車的重要控制部件。b.角度傳感器，主要用于對懸架及穩(wěn)定系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，內(nèi)部集成芯片來對汽車元件的轉(zhuǎn)數(shù)效率進(jìn)行監(jiān)測。c.變速控制傳感器，對自動檔變速箱進(jìn)行監(jiān)測，依賴具備較高精度的智能傳感元件對油溫、發(fā)動機(jī)負(fù)荷等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以使車輛在節(jié)能降耗效果下取獲取到更多的動力。d.動力傳向傳感器、防抱死感器等其它類型傳感器，可以更好地保證汽車駕駛過程中的穩(wěn)定性。

4.3 車身控制系統(tǒng)傳感器

車身控制系統(tǒng)具有自動空調(diào)系統(tǒng)、車速監(jiān)測鎖門系統(tǒng)等。自動空調(diào)系統(tǒng)中利用溫度傳感器來對駕駛室內(nèi)的溫度進(jìn)行采集，當(dāng)超過設(shè)定溫度上限值，則自動開啟制冷系統(tǒng)，如果溫度低于下限值，則為駕駛室的提供暖風(fēng)，提供給駕乘人員舒適的體驗(yàn)。車速監(jiān)測系統(tǒng)是指當(dāng)汽車運(yùn)行速度超過每小時(shí)30 公里，自動給車門上鎖，可以更好地保證車內(nèi)人員的安全。汽車遙感測距技術(shù)在無人駕駛汽車中得到了應(yīng)用，測距傳感器可以監(jiān)測到車輛與不同物體距離，將距離參數(shù)傳送給控制器，可以控制汽車進(jìn)行加速或減速，是無人駕駛汽車重要的部件。遙感測距是根據(jù)雷達(dá)探測技術(shù)，傳感器本體發(fā)出超聲波信號，當(dāng)超聲波信號碰到障礙物以后會被反射到接收裝置，可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取到汽車與障礙物的距離。

4.4 導(dǎo)航控制傳感器

導(dǎo)航傳感器主要有車速傳感器、陀螺傳感器兩種類型，汽車中配置的導(dǎo)航控制傳感器需要與GPS、北斗系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，可以給汽車控制系統(tǒng)和駕乘人員更為全面、準(zhǔn)確的交通信息，是無人駕駛汽車必須配置的功能，可以根據(jù)道路其它車輛信息進(jìn)行路線和速度調(diào)整，也可以將汽車信息發(fā)送到導(dǎo)航系統(tǒng)中，可以讓其它無人駕駛汽車感知車輛速度和位置，從而更好地保證車輛的安全性。

5 汽車智能傳感器發(fā)展方向

5.1 與信息技術(shù)進(jìn)行融合

前視紅外傳感器、距離傳感器已經(jīng)在美國空軍得到了應(yīng)用，可以對近幅前視紅外圖像、距離圖像進(jìn)行對比分析，將獲取到的圖像信息進(jìn)行結(jié)合處理，應(yīng)用特征級融合分析等技術(shù)對圖像進(jìn)行歸類處理，可以得到理想的目標(biāo)檢測效果。

5.2 納米技術(shù)

智能傳感器技術(shù)將與納米技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，納米材料是對納米級的物質(zhì)顆粒經(jīng)過燒結(jié)制成，具有很好的抗電磁干擾性能，納米技術(shù)的進(jìn)步會促進(jìn)傳感器的進(jìn)一步發(fā)展，使得傳感器性能得到很大提升，傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)玫酵卣埂?/p>

5.3 化學(xué)傳感器新技術(shù)和微電子機(jī)械技術(shù)

將有機(jī)和無機(jī)生物化學(xué)相關(guān)理論應(yīng)用于傳感器中來，提高化學(xué)材料的適用范圍，把生物工程技術(shù)、微電子技術(shù)等進(jìn)行結(jié)合，可以使傳感器的性能得到優(yōu)化和改進(jìn)。隨著加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，微型電子機(jī)械可以使傳感器的體積變得更小，重量和功耗也會減少，而數(shù)據(jù)采集精度、可靠性和響應(yīng)速度等性能會得到提升。

5.4 仿生傳感器技術(shù)

生物傳感器需要將生物醫(yī)學(xué)、工程學(xué)等學(xué)科知識結(jié)合起來，利用生物酶、活性物質(zhì)等建立起新型的傳感器，有著很長的使用壽命。利用生物感應(yīng)膜來識別對象的信息，離子通道可以獲取到生物膜的信號，并進(jìn)行放大和傳輸，是一種生物體模擬傳感器。

隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)步，更多的智能傳感器被應(yīng)用到汽車領(lǐng)域，新型的傳感器將會不斷向著實(shí)用性方面不斷發(fā)展。同時(shí)，汽車行業(yè)的發(fā)展也會促進(jìn)智能傳感器性能的提升，可以更好地保證駕乘人員的生命安全，提供更好的駕駛體驗(yàn)。