课程设计（论文）-传感器技术在汽车制造业中的应用.doc

郑州工业应用技术学院 课程设计说明书题目： 传感器技术在汽车制造业中的应用 姓 名： 院 （系）： 信息工程学院 专业班级： 1 2级通信工程班 学 号： 1201120148 指导教师： 成 绩： 时间：2015年 6 月 10 日至 2015 年6 月 20 日目录论文题目：传感器技术在汽车制造业中的应用1传感器技术在汽车制造业中的应用2摘 要2关键词3引言3一、传感器特性4二、发动机常用传感器工作机理51）磁电效应52）霍耳式传感器53）压电式传感器51压电效应52压电元件54）光电式传感器51光电效应62光敏电阻63光敏管64电致发光65）热电式传感器61热电效应62热电阻传感器63热敏电阻传感器6三、汽车用传感器分类7四、微型传感器在汽车中的应用7（一）汽车发动机控制用传感器71.温度传感器72.压力传感器73.流量传感器84.位置和转速传感器85.气体浓度传感器86.爆震传感器87.节气门位置传感器9（二）安全系统方面用传感器9、 1.微加速度传感器92.表面微机械陀螺9（三）车辆监控和自诊断用传感器10（四）高温微电子在汽车中的应用10五、结束语10参考文献10 传感器技术在汽车制造业中的应用（郑州华信学院信息工程学院，河南，新郑451100）摘 要： 汽车作为一个单纯交通工具朝着能满足人类需求和安全、舒适、方便及无污染的方向发展。要实现这些目标的关键在于汽车的电子化和智能化，先决条件则是各种信息的及时获取，这势必要求在汽车中大量采用各种传感器。车用传感器是汽车计算机系统的输入装置，它把汽车运行中各种工况信息，如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等，转化成电讯号输给计算机，以便发动机处于最佳工作状态。车用传感器很多，判断传感器出现的故障时，不应只考虑传感器本身，而应考虑出现故障的整个电路这些微型传感器体积小，可实现许多全新的功能，便于大批量和高精度生产，单件成本低，易构成大规模和多功能阵列，这些特点使得它们非常适合于汽车方面的应用。关键词：现代汽车 ；电子化 ；传感器 引言现代汽车技术发展特征之一就是越来越多的部件采用电子控制。根据传感器的作用，可以分类为测量温度、压力、流量、位置、气体浓度、速度、光亮度、干湿度、距离等功能的传感器，它们各司其职，一旦某个传感器失灵，对应的装置工作就会不正常甚至不工作。因此，传感器在汽车上的作用是很重要的。近几年来，从半导体集成电路(IC)技术发展而来的微机电系统技术日渐成熟。微型传感器是目前最为成功并最具实用性的微型机电器件，主要包括利用微型膜片的机械形变产生电信号输出的微型压力传感器和微型加速度传感器;此外，还有微型温度传感器、磁场传感器、气体传感器等，这些微型传感器的面积大多在1 mm2以下。随着微电子加工技术，特别是纳米加工技术的进一步发展，传感器技术还将从微型传感器进化到纳米传感器。这些微型传感器体积小，可实现许多全新的功能，便于大批量和高精度生产，单件成本低，易构成大规模和多功能阵列，这些特点使得它们非常适合于汽车方面的应用。一、传感器特性传感器是指能感受规定的物理量，并按一定规律转换成可用输入信号的器件或装置。简单地说，传感器是把非电量转换成电量的装置。 传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。 1)、敏感元件是指能直接感受（或响应）被测量的部分，即将被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其它量。 2）、转换元件则将上述非电量转换成电参量。 二、发动机常用传感器工作机理1）磁电效应 根据法拉第电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动，切割磁力线（或线圈所在磁场的磁通变化）时，线圈中所产生的感应电动势的大小取决于穿过线圈的磁通的变化率， 直线移动式磁电传感器 直线移动式磁电传感器由永久磁铁、线圈和传感器壳体等组成 当壳体随被测振动体一起振动且在振动频率远大于传感器的固有频率时，由于弹簧较软，运动件质量相对较大，运动件来不及随振动体一起振动（静止不动）。此时，磁铁与线圈之间的相对运动速度接近振动体的振动速度。 2）霍耳式传感器 1霍耳效应 半导体或金属薄片置于磁场中，当有电流（与磁场垂直的薄片平面方向）流过时，在垂直于磁场和电流的方向上产生电动势，这种现象称为霍耳效应。 2霍耳元件 目前常用的霍耳材料锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等 。N型锗容易加工制造，霍耳系数、温度性能、线性度较好；P型硅的线性度最好，霍耳系数、温度性能同N型锗，但电子迁移率较低，带负载能力较差，通常不作单个霍耳元件。 3）压电式传感器 1压电效应 对某些电介质沿着一定方向加力而使其变形时，在一定表面上产生电荷，当外力撤除后，又恢复到不带电状态，这种现象称为正压电效应。在电介质的极化方向施加电场，电介质会在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外电场去除后，变形或应力随之消失，此现象称为逆压电效应。 2压电元件 压电式传感器是物性型的、发电式传感器。常用的压电材料有石英晶体（SiO2）和人工合成的压电陶瓷。 压电陶瓷的压电常数是石英晶体的几倍，灵敏度较高。 4）光电式传感器 1光电效应 当光线照射物体时，可看作一串具有能量E的光子轰击物体，如果光子的能量足够大，物质内部电子吸收光子能量后，摆脱内部力的约束，发生相应电效应的物理现象，称为光电效应。 1）在光线作用下，电子逸出物体表面的现象，称为外光电效应，如光电管、光电倍增管等。 2）在光线作用下，物体的电阻率改变的现象，称为内光电效应，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。 3）在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象，称为光生伏特现象，如光电池（属于对感光面入射光点位置敏感的器件）等。 2光敏电阻 光敏电阻受到光线照射时，电子迁移，产生电子空穴对，使电阻率变小。光照越强，阻值越低。入射光线消失，电子空穴对恢复，电阻值逐渐恢复原值。 3光敏管 光敏管（光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等）属于半导体器件。 4电致发光 固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光。电致发光是将电能直接转换成光能的过程。发光二极管(LED)是以特殊材料掺杂制成的半导体电致发光器件。当其PN结正向偏置时，由于电子空穴复合时产生过剩能量，该能量以光子形式放出而发光。 5）热电式传感器 1热电效应 将两种不同性质的金属导体A、B接成一个闭合回路，如果两接合点温度不相等（T0T），则在两导体间产生电动势，并且回路中有一定大小的电流存在，此现象称为热电效应。 2热电阻传感器 热电阻材料通常为纯金属，广泛使用的是铂、铜、镍、铁等 3热敏电阻传感器 热敏电阻用半导体制成，与金属热电阻相比有以下特点： 1）电阻温度系数大，灵敏度高； 2）结构简单，体积小，易于点测量； 3）电阻率高，且适合动态测量； 4）阻值与温度变化的关系是非线性的； 5）稳定性较差。三、汽车用传感器分类 汽车用传感器是用于汽车显示和电控系统的各种传感器的统称。它涉及到很多的物理量传感器和化学量传感器。这些传感器要么是使司机了解汽车各部分状态的;要么是用于控制汽车各部分状态的。按在汽车上的作用可分为控制发动机、控制底盘以及给驾驶员提供各种信息用传感器，构成这些传感器的材料有精细陶瓷、半导体材料、光导纤维及高分子薄膜等;按输出特性来分有模拟型传感器和数字型传感器;按构成原理来分，有结构型、韧性型和复合型。为方便起见，现按汽车传感器的控制对象来分类。四、微型传感器在汽车中的应用 汽车上用的传感器的种类很多，应用的方面很广。下面介绍传感器在汽车发动机控制、安全系统、车辆监控和自诊断等方面的应用。（一）汽车发动机控制用传感器 发动机的电子控制一直被认为是MEMS技术在汽车中的主要应用领域之一。发动机控制系统用传感器是整个汽车传感器的核心，种类很多，包括温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体浓度传感器和爆震传感器等。这些传感器向发动机的电子控制单元提供发动机的工作状况信息，供电子控制单元对发动机工作状况进行精确控制，以提高发动机的动力性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测。1.温度传感器 汽车用温度传感器主要用于检测发动机温度、吸人气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。温度传感器有热敏电阻式、线绕电阻式和热偶电阻式三种主要类型。2.压力传感器 压力传感器是汽车中用得最多的传感器，主要用于检测气囊贮气压力、传动系统流体压力、注入燃料压力、发动机机油压力、进气管道压力、空气过滤系统的流体压力等。目前，致力于汽车用压力传感器开发和生产的主要公司有摩托罗拉，德科电子仪器，Lucas Novasensor， Hi Stat，NipponDenzo，西门子，德州仪器等。 比较常用的汽车压力传感器有电容式、压阻式、差动变压器式、声表面波式。3.流量传感器 流量传感器主要用于发动机空气流量和燃料流量的测量。进气量是燃油喷射量计算的基本参数之一。空气流量传感器的功能：感知空气流量的大小，并转换成电信号传输给发动机的电子控制单元。4.位置和转速传感器 曲轴位置与转速传感器主要用于检测发动机曲轴转角、发动机转速、节气门的开度、车速等，为点火时刻和喷油时刻提供参考点信号，同时，提供发动机转速信号。目前，汽车使用的位置和转速传感器主要有交流发电机式、磁阻式、霍尔效应式、簧片开关式、光学式、半导体磁性晶体管式等，其测量范围为0360，精度优于0.5，测弯曲角达0.1。车速传感器种类繁多，有敏感车轮旋转的、也有敏感动力传动轴转动的，还有敏感差速从动轴转动的。5.气体浓度传感器 气体浓度传感器主要用于检测车体内气体和废气排 放。其中，最主要的是氧传感器，它检测汽车尾气中的氧含 量，根据排气中的氧浓度测定空燃比，向微机控制装置发出 反馈信号，以控制空燃比收敛于理论值。6.爆震传感器 爆震传感器用于检测发动机的振动，通过调整点火提前角控制和避免发动机发生爆震。为了最大限度地发挥发动机功率而不产生爆燃，点火提前角应控制在爆燃产生的临界值，当发动机产生爆燃时，传感器将爆燃引起的震动转变成电信号，并传给电子控制单元。检测爆震有检测气缸压力、发动机机体振动和燃烧噪声等三种方法。7.节气门位置传感器 节气门位置传感器安装在节气门上，其功能是将发动机节气门的开度信号转变成电信号，并传递给电子控制单元，用以感知发动机的负荷大小和加减速工况。最常用的是可变电阻式节气门位置传感器。（二）安全系统方面用传感器 安全是汽车考虑的首要因素，用于安全方面的传感器也很多，如有用于汽车安全气囊的微型加速度计，测角速率的表面微机械陀螺等。1.微加速度传感器 目前，安全气囊是而且将来也是MEMS技术的一个主要应用。所用的硅加速度计的量程一般为50gn。较早的如像摩托罗拉公司用体微细加工技术制作的硅加速度传感器。2.表面微机械陀螺 传统的陀螺仪是由高速旋转的转子、内环、外环和基座组成，这种陀螺仪的内外环通常是用滚珠轴承支撑，这些通常是用机械加工方法制成，需要加工精度高、难度大、而且，做成的陀螺仪体积大、质量重。微机械陀螺是具有复杂的检测与控制电路的MEMS装置。Said Emre A1 per等人报道了一种结构对称，并具有解耦特性的表面微机械陀螺。该敏感结构在其最外边的4个角都设置了支承“锚”，与传统的直接支承在“锚”上的实现方式不同，它利用一种对称结构敏感质量块支承在连接梁上，并通过梁将驱动电极和敏感电极有机地连接在一起。用微器件仿真软件包(MEMCAD)仿真分析后可知，两个方向上的振动相互不影响，所以，这样的连接方式不用考虑机械耦合。 该微机械陀螺的平面外轮廓的结构参数为1mm2，厚度仅为2m。其工作原理是：当在敏感质量块上施加一直流偏置电压，在活动叉指和固定叉指间施加适当的交流激励电压时，敏感质量块将在y轴方向上产生固有振动。当陀螺感受到绕z轴的角速度时，由于科氏效应，敏感质量块将产生沿x轴的附加振动。通过测量附加振动的振动幅值就可以得到被测的角速度。在常规的大气情况下，该敏感结构具有优于0.37/s的分辨力。（三）车辆监控和自诊断用传感器 在车辆监控和自诊断方面，MEMS技术的一个主要应用将是轮胎压力监测;其次是应用于冷却、刹车等系统的传感器。（四）高温微电子在汽车中的应用 高温微电子在汽车发动机控制、气缸和排气管、电子悬架和刹车、动力管理及分配等方面的监控中都起着非常重要的作用。五、结束语由于汽车传感器在汽车电子控制系统中的重要作用和快速增长的市场需求，世界各国对其理论研究、