傳感器在智能汽車中的應(yīng)用

王昊杰

（東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 211189）

隨著電子科技的快速發(fā)展，電子技術(shù)在各行業(yè)得到應(yīng)用和推廣，而在汽車行業(yè)電子技術(shù)已成為主導(dǎo)發(fā)展因素，傳感器的應(yīng)用進(jìn)一步提升了汽車的操作性能、安全性能和動(dòng)力性能。傳感器是一種檢測裝置，不僅能對信息進(jìn)行測量，還能將檢測到的信息依據(jù)一定規(guī)律變換為電信號(hào)傳導(dǎo)給系統(tǒng)，進(jìn)而滿足信息傳輸、處理和存儲(chǔ)等要求。傳感器是實(shí)現(xiàn)智能汽車自動(dòng)控制、檢測的關(guān)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(shù)量可能高達(dá)200余只。車用傳感器具有多種類型，對其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性進(jìn)行研究，對汽車行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 智能傳感器的概念

智能傳感器是一項(xiàng)綜合技術(shù)，它不僅是傳感器設(shè)備，而且是傳感器與模擬轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器、CPU和智能儀表的結(jié)合體。電子信息技術(shù)是在集成的基礎(chǔ)上增加的。同時(shí)，增加了接口電路，擴(kuò)展了通信接口的方式，采用各種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，促使多個(gè)設(shè)備組能更好地與其他電子設(shè)備工作，從而實(shí)現(xiàn)各部件之間的互聯(lián)，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(jìn)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，可有效實(shí)現(xiàn)智能傳感器的通信功能，同時(shí)，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(shù)保障。智能傳感器裝載了微處理器，可對信息進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和判斷，同時(shí)還具有自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)診斷和自動(dòng)校準(zhǔn)等功能。智能傳感器在對信息進(jìn)行處理的過程中，可對所測得數(shù)值及誤差進(jìn)行補(bǔ)償，并借助軟件線性化處理非線性信號(hào)。智能傳感器在智能汽車中的應(yīng)用，主要是對發(fā)動(dòng)機(jī)所發(fā)出的信息進(jìn)行檢測、收集和處理，并測量汽車運(yùn)行過程中各系統(tǒng)的參數(shù)值，便于駕駛員能夠隨時(shí)掌握汽車的運(yùn)行情況[1]。對于智能汽車來說，其多數(shù)電子器件均處于較為惡劣的運(yùn)行環(huán)境當(dāng)中，且各元件之間存在著較大差異，如停車等待時(shí)的低溫狀態(tài)、運(yùn)行過程中的高溫狀態(tài)、電磁干擾和高強(qiáng)度沖擊等，要求電子元器件具有較高的穩(wěn)定性，且需對外界環(huán)境具有較高的自適應(yīng)能力。應(yīng)用智能傳感器可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)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(zhǔn)確度，同時(shí)還能提高汽車的運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性。智能傳感器的最大優(yōu)勢就在于，可充分感知乘客情況、周邊環(huán)境和交通設(shè)施等信息，進(jìn)而判斷乘客是否處于最佳狀態(tài)、車輛是否會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)等，并及時(shí)采取相應(yīng)措施。

2 汽車傳感器的應(yīng)用分類

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器

在智能汽車中，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)傳感器和流量傳感器等。這些傳感器可以為發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)提供工作信息，使控制器能夠?qū)崟r(shí)了解和控制發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)工作，進(jìn)而獲得最佳的動(dòng)力性能，減少汽車的廢氣排放，同時(shí)獲得最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、高壓、高溫及污泥等惡劣環(huán)境當(dāng)中，智能傳感器的耐受度要高于傳統(tǒng)傳感器，發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)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(wěn)定性和可靠性，就可能導(dǎo)致系統(tǒng)誤差，進(jìn)而使得發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)失靈或發(fā)生故障。

2.2 底盤控制傳感器

在智能汽車的底盤控制系統(tǒng)當(dāng)中，傳感器類型較多，其所應(yīng)用的主要系統(tǒng)包括制動(dòng)防抱死系統(tǒng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架控制系統(tǒng)等。盡管傳感器分布于底盤控制系統(tǒng)的不同部位，但其與發(fā)動(dòng)機(jī)用傳感器的工作原理一致。在汽車底盤控制系統(tǒng)中，最為重要的就是防抱死系統(tǒng)，其運(yùn)用了制動(dòng)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，以實(shí)現(xiàn)汽車制動(dòng)處理。其次，防抱死制動(dòng)系統(tǒng)無須依靠其他系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，這些功能的實(shí)現(xiàn)均是由于其應(yīng)用了大量的傳感器，進(jìn)而最大限度發(fā)揮出電子控制系統(tǒng)的性能。隨著電子控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，智能汽車的電子系統(tǒng)集成化程度逐漸得到提升，在這樣的現(xiàn)實(shí)情況下，統(tǒng)一傳感器出現(xiàn)并得到了廣泛應(yīng)用，該種傳感器不僅能向發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)提供信號(hào)，還能向底盤控制系統(tǒng)提供信號(hào)，進(jìn)而提高汽車運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.3 導(dǎo)航控制系統(tǒng)傳感器

隨著GIS和GPS應(yīng)用越來越廣，在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)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(dǎo)航系統(tǒng)，汽車導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)信息實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，從而保證汽車能依照導(dǎo)航正常行駛。

3 汽車電子技術(shù)對智能傳感器的要求

以往，汽車電子技術(shù)所采用的傳感器，雖然可實(shí)現(xiàn)一定功能，但穩(wěn)定性欠佳、敏感度不高，無法滿足現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的實(shí)際需求。電子信息的創(chuàng)新技術(shù)逐漸被應(yīng)用于汽車制造業(yè)中，這標(biāo)志著汽車電子技術(shù)已從部件和微處理器系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)代進(jìn)入智能電子設(shè)備新階段。現(xiàn)代智能車輛的電子系統(tǒng)有許多獨(dú)立的控制單元，這些單位是獨(dú)立的關(guān)系，同時(shí)它們需要獨(dú)立運(yùn)行，但它們可以相互協(xié)調(diào)，通過各自的作用來確保車輛運(yùn)行的最佳狀態(tài)。智能車輛的電子技術(shù)需要智能傳感器。首先，電子控制系統(tǒng)需要快速、準(zhǔn)確和穩(wěn)定。傳統(tǒng)的傳感器控制系統(tǒng)由傳感器、執(zhí)行器和微處理器組成，這種系統(tǒng)不能滿足現(xiàn)代智能車輛的需要，需要采取軟件操作和硬件開發(fā)等措施，才能進(jìn)一步提高智能化進(jìn)程，滿足智能汽車對社會(huì)的高度要求，為現(xiàn)代智能化的進(jìn)一步發(fā)展打下基礎(chǔ)。其次，集成化是汽車電子發(fā)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(shè)備控制機(jī)械結(jié)構(gòu)，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(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)能夠形成一個(gè)整體，而要想達(dá)到這一目的，就需要實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備的微型化、集成化，以便其更好地結(jié)合。同時(shí)，汽車電子技術(shù)對控制單元的智能化也提出更高要求，當(dāng)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(dá)到一定智能化程度，完善自我檢查、維護(hù)等工作流程。例如汽車的安全氣囊，其在汽車運(yùn)行過程中，95 %的時(shí)間均是處于關(guān)閉狀態(tài)，僅當(dāng)汽車受到較大的沖擊力時(shí)才會(huì)自動(dòng)打開，要求其能夠及時(shí)、快速地啟動(dòng)，但部分汽車的安全氣囊基本不會(huì)使用，這樣就需要汽車具備自我檢查、自我維護(hù)的能力，通過智能化的電子系統(tǒng)確保氣囊系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。此外，必須確保每個(gè)功能部件的可靠性。由于每個(gè)部件都有其自身的運(yùn)動(dòng)和可控性，不同功能部件的機(jī)動(dòng)性不同，其工作環(huán)境也不同。但它們大多處于相對惡劣的工作環(huán)境中，如高溫環(huán)境、靜態(tài)低溫環(huán)境和高強(qiáng)度沖擊等，這些環(huán)境條件對車輛的各個(gè)部件和電路提出了很高的要求，需要保證各部件的穩(wěn)定性，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)和自補(bǔ)償能力，能正確應(yīng)對不同的運(yùn)行環(huán)境[2]。

4 汽車智能化傳感器的有效應(yīng)用

4.1 在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)上的應(yīng)用

在智能汽車的整個(gè)電子控制系統(tǒng)當(dāng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)屬于核心內(nèi)容，這一控制系統(tǒng)中傳感器的應(yīng)用在整個(gè)汽車傳感器應(yīng)用中也就成為關(guān)鍵部分。這些傳感器的作用就是實(shí)時(shí)收集發(fā)動(dòng)機(jī)的工作信息，并將信息提供給電子控制單元，實(shí)現(xiàn)對智能汽車的精確控制，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，同時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)在其運(yùn)動(dòng)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(fā)動(dòng)機(jī)是否存在故障，并將檢查情況反饋給發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。智能汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)對傳感器有著較高的技術(shù)要求，其最為關(guān)鍵的就是測量精度，一旦產(chǎn)生誤差，就可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)故障。以下對應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的三種傳感器進(jìn)行詳細(xì)闡述：

（1）溫度傳感器

該種傳感器主要用于判斷汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，并對空氣的質(zhì)量、流量等進(jìn)行計(jì)算，要求能夠連續(xù)地、精確地對發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、冷卻水溫度、機(jī)油溫度、吸入氣體溫度和燃油溫度等進(jìn)行檢測。在其實(shí)際應(yīng)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(diǎn)，應(yīng)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(qiáng)的響應(yīng)特性。熱敏電阻式的靈敏度較高，響應(yīng)特性較好，但線性較差，適用溫度在300 ℃之內(nèi)，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(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，主要檢測氣缸壓力、機(jī)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(jù)信號(hào)產(chǎn)生的原理，可分為電容型、膜片盒驅(qū)動(dòng)型、半導(dǎo)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(huán)境適應(yīng)能力，同時(shí)輸入能量較高，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力較強(qiáng)。壓敏電阻式具有響應(yīng)快、尺寸小等優(yōu)勢，同時(shí)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(shè)置溫度以補(bǔ)償電路；膜盒傳動(dòng)的可變電感式傳感器易于數(shù)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(qiáng)、功耗低和數(shù)字量輸出等優(yōu)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(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要包括兩種類型，即曲軸位置、節(jié)氣門位置。其中曲軸位置傳感器是發(fā)動(dòng)機(jī)集中控制系統(tǒng)中最為主要的一種傳感器類型，是控制點(diǎn)火時(shí)刻確認(rèn)曲軸位置的重要信號(hào)源，同時(shí)也可對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的信號(hào)源進(jìn)行測量，進(jìn)而確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和曲軸轉(zhuǎn)角等。該類傳感器包括光電式、霍爾效應(yīng)式和磁脈沖式等。節(jié)氣門位置傳感器主要安裝于汽車的節(jié)氣門體上，可對節(jié)氣門開度進(jìn)行檢測，進(jìn)而滿足節(jié)氣門于不同開度狀態(tài)下對噴油量的有效控制，包括開關(guān)式、線性式兩種類型[3]。

4.2 在汽車底盤控制系統(tǒng)的應(yīng)用

汽車底盤控制系統(tǒng)主要指動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、變速器控制系統(tǒng)和防抱死制動(dòng)系統(tǒng)等，其主要通過傳輸信號(hào)來保障汽車運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。傳感器在底盤控制系統(tǒng)中的應(yīng)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(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，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(jī)系統(tǒng)技術(shù)，進(jìn)而對不同類型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)數(shù)效率進(jìn)行檢測，通常安裝于穩(wěn)定系統(tǒng)。

（3）變速控制傳感器

該種傳感器主要應(yīng)用于自動(dòng)變速器控制功能，通過傳感系統(tǒng)來最大限度提高動(dòng)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(tǒng)的應(yīng)用

車身操控系統(tǒng)包含了汽車裝置的多個(gè)方面，通過在電子系統(tǒng)中應(yīng)用智能傳感器，可對汽車的車身操控裝置進(jìn)行優(yōu)化。在汽車的空調(diào)裝置中也安裝有部分智能傳感器，進(jìn)而對空氣溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)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(yīng)用智能傳感器[5]。

在智能汽車的機(jī)件構(gòu)成中，電子控制系統(tǒng)是重要組成部分，在確保汽車穩(wěn)定、可靠運(yùn)行方面發(fā)揮著重要作用。在汽車電子控制系統(tǒng)中，傳感器的應(yīng)用具有重要意義，要求工作人員準(zhǔn)確把握各種傳感器的實(shí)際應(yīng)用，促使傳感器在汽車控制系統(tǒng)中更好地發(fā)揮作用，進(jìn)而保障汽車控制系統(tǒng)具有更完善的功能。