《车用传感技术》论文.doc

车用传感技术课程论文学生姓名： 学 号： 学 院： 专业年级： 题 目： 2011.10智能传感器在现代汽车上的应用初探摘要 智能传感器是具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。与一般传感器相比，智能传感器具有以下三个优点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。现代汽车电子从所应用的电子元器件到车内电子系统的架构均已进入了一个有本质性提高的新阶段。其中最有代表性的核心器件之一就是智能传感器。关键词：智能传感器，信息处理，集成化，微处理，高精度，汽车，电子器件。1 汽车电子操控和安全系统1.1 概况近几年来我国汽车工业增长迅速，发展势头很猛。因此评论界出现了一些专家的预测：汽车工业有可能超过IT产业，成为中国国民经济最重要的支柱产业之一。其实，汽车工业的增长必将包含与汽车产业相关的IT产业的增长。例如，虽然目前在我国一汽的产品中电子产品和技术的价值含量只占10%15%左右，但国外汽车中电子产品和技术的价值含量平均约为22%，中、高档轿车中汽车电子已占30%以上，而且这个比例还在、不断地快速增长，预期很快将达到50%。电子信息技术已经成为新一代汽车发展方向的主导因素，汽车（机动车）的动力性能、操控性能、安全性能和舒适性能等各个方面的改进和提高，都将依赖于机械系统及结构和电子产品、信息技术间的完美结合。汽车工程界专家指出：电子技术的发展已使汽车产品的概念发生了深刻的变化。这也是最近电子信息产业界对汽车电子空前关注的原因之一。但是，必须指出的是，除了一些车内音响、视频装备，车用通信、导航系统，以及车载办公系统、网络系统等车内电子设备的本质改变较少外，现代汽车电子从所应用的电子元器件（包括传感器、执行器、微电路等）到车内电子系统的架构均已进入了一个有本质性提高的新阶段。其中最有代表性的核心器件之一就是智能传感器（智能执行器、智能变送器）。1.2 汽车电子操控和安全系统的发展汽车电子已经经历了几个发展阶段：从分立电子元器件搭建的电路监测控制，经过了电子元器件或组件加微处理器构筑的各自独立的、专用的、半自动和自动的操控系统，现在已经进入了采用高速总线（目前至少有5种以上总线已开发使用），统一交换汽车运行中的各种电子装备和系统的数据，实现综合、智能调控的新阶段。新的汽车电子系统由各个电子控制单元（ECU）组成，可以独立操控，同时又能协调到整体运行的最佳状态。例如为使发动机处于最佳工作状态，就需要从吸入汽缸的空气流量、进气压力的测定开始，再根据水温、空气温度等工作环境参数计算出基本喷油量，同时还要通过节气门位置传感器检测节气门的开度，确定发动机的工况，进而控制，调整最佳喷油量，最后还需要通过曲轴的角速度传感器监测曲轴转角和发动机转速，最终计算出并发出最佳点火时机的指令。这个发动机燃油喷射系统和点火综合控制系统还可以与废气排放的监控系统和起动系统等组合，构筑成可使汽车发动机功率和扭矩最大化，而同时燃油消耗和废气排放最低化的智能系统。还可以举一个安全驾驶方面的例子，出于平稳、安全驾驶的需要，仅只针对四个轮子的操控上，除了应用大量压力传感器并普遍安装了刹车防抱死装置（ABS）外，许多轿车，包括国产车，已增设了电子动力分配系统（EBD），ABS+EBD可以最大限度的保障雨雪天气驾驶时的稳定性。现在，国内外的一些汽车进一步加装了紧急刹车辅助系统（EBA），该系统在发生紧急情况时，自动检测驾驶者踩制动踏板时的速度和力度，并判断紧急制动的力度是否足够，如果需要，就会自动增大制动力。EBA的自控动作必须在极短时间（例如百万分之一秒级）内完成。这个系统能使200km/h高速行驶车辆的制动滑行距离缩短极其宝贵的20多米。针对车轮的还有分别监测各个车轮相对于车速的转速，进而为每个车轮平衡分配动力，保证在恶劣路面条件下各轮间具有良好的均衡抓地能力的“电子牵引力控制”（ETC）系统等。2 智能传感器2.1 简介智能传感器是近几年才开始迅速发展起来的新兴技术。传感器与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测与信息处理功能的传感器就是智能传感器；模糊传感器也是一种智能传感器，将传感器与微处理器集成在一块芯片上是构成智能传感器(系统)的一种方式。据Honeywell工业测量与控制部产品经理Tom Griffiths的定义：“一个良好的智能传感器是由微处理器驱动的传感器与仪表套装，并且具有通信与板载诊断等功能，为监控系统和/或操作员提供相关信息，以提高工作效率及减少维护成本。”2.2 智能传感器的功能及其特点智能传感器是微传感器与集成电路融合的新一代电子器件，具有一定的仿生能力，如模糊逻辑运算、主动鉴别环境，自动调整和补偿适应环境的能力，自诊断、自维护等。概括而言， 智能传感器的主要功能是： (1) 具有自校零、 自标定、 自校正功能； (2) 具有自动补偿功能； (3) 能够自动采集数据， 并对数据进行预处理； (4) 能够自动进行检验、 自选量程、 自寻故障； (5) 具有数据存储、记忆与信息处理功能； (6) 具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能； (7) 具有判断、决策处理功能。与传统传感器相比， 智能传感器的特点是：(1)精度高；(2)高可靠性与高稳定性；(3)高信噪比与高的分辨力；(4)强的自适应性；(5)低的价格性能比。2.3 智能传感器在汽车上的应用2.3.1 智能传感器的技术要求汽车应用通常被视为最困难领域之一 ,它具有极端工作 温度范围和强烈机械振动。汽车电子操控系统动作必须快速、正确、可靠 ,传统分立电子元器件搭建电路监测控制系统已经不能满足现代汽车要求,需要硬件集成、直接交换数据 和简化电路，并提高智能化程度来确保控制单元动作正确性、可靠性和适时性。现几乎所有汽车机械结构部件都已受电子装置控制,但汽车车体内空间有限,构件系统空间更是极其有限。理想情况是电子感应、控制单元应与受控制部件紧密结合形成一个整体，这就要求新一代传感器件和控制电路尽可能微型化、集成化。2.3.2 汽车传感器的应用与市场趋势汽车应用相关传感器除光照度、图像传感器和主动探测超声波、微波、毫米波雷达外,还包括压力、液位、流量、位置、高度、距离、速度、转速、转矩、加速度、温度、湿度、气体浓度等传感器,以及适合汽车总线 CAN 总线式智能传感器 。各种各样产品已经深刻融入到汽车各个功能系统，包括发动机管理系统、底盘与传动系统、安全系统、车身电子系统、空调环境系统等等。从汽车传感器发展趋势来看,它将仅局限发动机管理系统,越来越多与环境保护、安全和智能化联系一起。未来几年,汽车引擎和驱动部分应用仍然是智能传感器最大应用领域 ,其增长趋势将没有其它应用那么明显；尾气排放控制传感器需求增长前景仍然被看好，世界各国有关汽车尾气排放限制法规逐渐严格，这将大力推动排放控制传感器市场增长。中国政府目前也考虑强制重型车辆配备 ABS 系统,以改善道路安全状况。目前中国没有要求采用胎压监测系统(TPMS)相关规定,但这种应用也出现了增长趋势。对此，飞思卡尔半导体公司亚太区汽车电子总监杨飞评论说:“轮胎压力传感器其中一个例子。我们将看到安全和保安领域将有越来越多应用,能够使汽车自行变更加安全、更加舒适和更有效率。英飞凌科技亚太(私人)有限公司汽车与工业电子市场部高级经理蔡志雄也强调,现代汽车必须采用更多传感器以提高智能化程度。2.3.3 层出不穷的新型智能安全方案(1)酒精检测MEMS系统 如意法半导体新型信号处理电路集成酒精传感器 ,该酒 精传感器采用二氧化锡 MEMS元件可环境中氧气浓度吸附氧气并使电阻值改变特性。正常状况下,元件吸附空气中氧气后会保持某个电阻值不发生变化,而一旦空气中含有酒精,元件表面氧元素便会与酒精发生反应,使电阻值下降。测定电阻值便可检测出呼气中含有酒精浓度。酒精检测MEMS传感器将可以植入直径 8mm密封外壳内、连同信号处理电路等一起嵌入方向盘内,一旦检测出驾驶员呼出气体含有酒精,便发出安全警报。 (2)自动雨刷系统以发光二极管对前挡风玻璃发出光束,当雨滴打感应区玻璃上时,光束所反射光线强度,会因玻璃上雨量或湿气含量而有所变化,改变雨刷刷动频率；或透过红外线电子雨量传感器感应雨量多少，并随车速变化自动调整雨刷速度,增进驾驶人驾驶方便性,让驾驶更有安全性。(3)电子式自动照明系统 电子式感应头灯可透过车外光线明暗感应器自动监测外界光线,天色有变化或是进入山洞时,电子式感应器将头灯自动打开,减少驾驶人操作时间,增加行车安全性。(4)胎压监测系统 每个轮胎上安装高灵敏度传感器,于行车状态下随时监测轮胎状况，并透过传感器以无线方式发射到接收器,让驾驶人能随时掌握漏气与温度升高等轮胎状况,以确保汽车行驶中安全,并延长轮胎使用寿命与降低燃油消耗。最先进直接轮胎压力监测解决方案特点包括高级预警系统和压力、温度、电压和动作探测等。 (5)安全气囊触发系统如飞思卡尔推出卫星加速度传感器,可扩展到整个汽车周围以探测碰撞。加速度传感器与 Smart MOS技术集成,专门用于探测碰撞和触发汽车正面和侧面安全气囊。一个集成式器件提供加速度探测、电压调节、MCU 功能和有线通讯协议。飞思卡尔提供种类众多加速度传感器,从1.5g到250g,覆盖X、XY、XYZ和 Z轴方向。目前还正出现一种趋势,预计它将未来几年扩散,有关机构将要求采用汽车动态控制(VDC)系统,也被称作“电子稳定控制(ESC)系统” 。目前这种系统是高档汽车一个标准配置,但将继续向更多车款扩散。稳定控制系统尤其令SUV “运动休闲车受益,这种车重心较高,更容易发生侧翻。此外,图像传感和处理技术发展,还有更多用于道路分离报警和引导、司机睡意探测、道路障碍传感、智能气囊部署、盲点探测等基于传感器智能系统将逐渐进入新一代汽车应用中。3 结束语汽车传感器有着巨大的市场与应用场合，它执行了无数的监控和控制单元。但低成本、高质量的工艺制造过程是成功地把传感器引入到汽车领域的先决条件。开发出质量高、成本低的汽车智能传感器势在必行。随着智能传感器技术的不断成熟和成本的不断降低，将会有更多的新型汽车智能传感器的应用。新的多功能智能传感器的出现将会使汽车系统性能上升一个新的台阶。参考文献1智能传感器系统，刘君华，西安电子科技大学出版社,19