汽车传感器的分类

2020 4 21 汽车传感器的分类 焦建刚 2020 4 21 传感器及其特征 基本概念 一个传感器大部分情况下是把一个非电的被测量值转换成一个电量值 常常也会把传感器称为 转换器 它能把一个测量获得的能量形式转换成另一种能量形式 2020 4 21 这样的转换实现通常不会是无错的 因为它除了接收到被测量值外 它还会接收到干扰量 典型的干扰量 例如传感器的温度漂移 或传感器的供电电压漂移 它们会影响输出的电信号 传感器 输入量 输出信号 干扰量 2020 4 21 传感器静态特性与动态特性 一个传感器的静态特性的可视描述是它的特性曲线 它描述的传感器的行为是不包括动态效应的 例如不涉及输入信号和输出信号之间的延滞时间 2020 4 21 线性特性曲线 2020 4 21 有门限的输出信号 2020 4 21 带磁滞的非线性特性曲线 X递增时走曲线下边 X递减时走曲线上边 2020 4 21 阶跃式特性曲线 2020 4 21 为了正确达到传感器的指标 除了一个基本的特性曲线的描述外 还要确定它的允许输入值和允许输出值的范围 当测量信号处于允许值范围以外时 传感器的行为也必须被确定 这是为了保证有一个稳定的汽车功能 2020 4 21 传感器的需求 小尺寸结构和高灵活性 安装与密封问题外部安装的传感器对通常的汽车外部环境 热的和化学的特性 从化学上 能防水 抗盐水 抗清洁剂 同时对于石块的撞击不至于受损伤 2020 4 21 传感器应具备的特性 持久的稳定性 repeatability 精确性 accuracy 特定的工作范围 operatingrange 具有线形特性 linearity 2020 4 21 传感器接口 感应式传感器电压接口模拟量比例放大接口双线接口三线接口传感器在总线系统上的挂接 2020 4 21 2020 4 21 感应式传感器电压接口 这个传感器本身仅是一个转换器 它的信号调理要在控制单元里完成 这类传感器的难点在于输出电压在极大范围内摆动 在行车过程中 低转速时输出仅几毫伏 至高转速时达十几伏 2020 4 21 模拟量比例放大接口 一个具有比例放大接口的传感器 它产生的测量信号电压与传感器供电电压成比例变化 传感器供电电压是由控制单元提供的 这个电压也同时用作为控制单元的A D转换器的参考电压 如果这个电压有所波动 则传感器的输出信号电压也随之波动 同时A D转换的数字化的基准电压也随之波动 2020 4 21 带比例放大接口的传感器原理图 2020 4 21 具有比例放大电压接口的压力传感器的特性曲线 左图所示是一个压力传感器的特性曲线 传感器具有比例放大电压接口 图上部和下部是两个故障带 这个压力传感器的信号调理把信号限制在供电电压的10 和90 之间 2020 4 21 双线接口 具有双线接口的传感器的输出信号是电流编码 电流数字信号 4 8所示的是一个双线接口的读取原理图 这样的接口出现在 例如 车轮转蓥传感器上 参看4 6 4 信号齿轮 它的齿起磁极作用 译者注 提供的信号习期 通过传感器的电流从I 变换到I 然后再回到I 这里I 表示低电流水平 为高电流水平 参看图4 9 a 除了电流水平的信息计数外 电流信号边沿内位置还有可能通过脉宽调制的方法继续用于产生附加信息 参看图4 9 b 4 I 附加信息可以是车轮旋转方向 或者是传感器的一个解调信息 2020 4 21 2020 4 21 2020 4 21 可以对产生的离散信号进行编码 计算脉冲数 这个脉冲是借助于车轮转速传感器产生的 除了这种测量方法外 连续量还可以通过固定频率在脉冲 脉宽 Duty Cycle 也称有荷区 上进行计数 脉宽比 占空比 译者注 D由下式计算出来 双线接口的优点是导线传输损耗很小 控制单元内布线又十分简单 通过双绞电缆接驳的双线接口使传感器对抗电磁场的干扰十分强壮 2020 4 21 三线接口 三线接口根据输出三极管的线路常常被称为 开路集电极接口 Open Collector Interface 或 开路漏极接口 Open Drain Interface 图4 10所示的是这种接口的线路图 当输出三极管截止时 控制单元内的上拉电阻把电压US拉升到线路电压Up 如果输出三极管导通 三极管内阻相对于上拉电阻小很多 它把输出电压拉到地线上 与双线接口类似 同样可以在脉宽上 进行离散信息编码 连续量信息编码 或是频率信号编码 2020 4 21 Us为传感器信息 UP是加在上拉电阻RP上的线路电压 UV是传感器供电电压 输出三极管也可以用场效应管 2020 4 21 三线接口的优点特别体现在 通过外部上拉电阻的调整 可以调整信号边沿的陡峭度 基于这个本质 系统可优化地调节电磁感应关系曲线 使它的斜度达到要求的精度 与双线接口相反 其缺点是接插件和电缆的成本提高了 2020 4 21 发动机转速 变速箱转速 曲轴位置 加速踏板位置和制动踏板位置中采用三线接口 2020 4 21 传感器在总线系统上的挂接 随着汽车中网络联接的增加 以及传感器信号在不同系统里多重联网的情况的增加 现开发了很多新的传感器 其自身内部集成了总线接口 总线上通信方法的优点体现在大大降低了接插件和电缆的成本 2020 4 21 2020 4 21 由于加入到总线系统中 大大地提高了传感器的灵活性 使得各种型号汽车都能轻松地安装这同一个高配置的器件 因为作为一总线模块通常无需再进行特别的修改 无需特别订货 从另一角度看 接人总线系统一般而言会提高总系统的成本 最典型的原因是因为要求的微控制单元是具有总线系统逻辑的 它的成本高一些 另外 物理上的实现需要专门的 收发器 Transceiver 以及专门用于接收器和发送器的网络布线 同时还应注意到 接人总线系统通常会提高系统的复杂性 因为网络架构方案的可能性数量与简单的点对点联接相比要高得多 因而 潜在的 未被检测出的故障率会变大 现今汽车中采用的大多是CAN Bus总线 CAN Bus总线是一个 不确定 的总线系统 也就是说 它没有什么特别措施保证它的实时性 它依赖于总系统功能的检测 确保在各种总线负荷下其响应时间足够快 CAN Bus总线网络联接了转向盘转角传感器和转速传感器 用于行驶动态调节系统 2020 4 21 汽车用传感器的分类 速度传感器温度传感器流量传感器压力传感器位置传感器其他传感器 2020 4 21 2020 4 21 2020 4 21 电磁线圈式传感器 当曲轴旋转时 由低磁阻金属制成的圆盘转轮跟着一起转动 在转轮上的凸齿便会周期性的切割由永久磁铁形成的磁场 磁力线回路因此便会出现扩散或集中的变化 即磁阻的增减 此变化使绕于其上的线圈感应出不同方向的电压 电压信号会因转速的加快而增大并且频率加快 反之 则电压信号变慢且变小 2020 4 21 电磁线圈式传感器 当曲轴旋转时 由低磁阻金属制成的圆盘转轮跟着一起转动 在转轮上的凸齿便会周期性的切割由永久磁铁形成的磁场 磁力线回路因此便会出现扩散或集中的变化 即磁阻的增减 此变化使绕于其上的线圈感应出不同方向的电压 电压信号会因转速的加快而增大并且频率加快 反之 则电压信号变慢且变小 2020 4 21 电磁线圈式传感器的信号特点 输出的电压和频率随发动机转速的变化而改变 波形的上下波动应在0V电位的上下基本对称 每一个最大峰值电压应差不多 若某一峰值电压低于其他 则应检查触发轮是否有缺角或偏心 每一个最小峰值电压应差不多 若某一峰值电压高于其他 则应检查触发轮是否有缺角或偏心 2020 4 21 霍尔传感器 1879年 就读于美国霍普金斯大学研究所的霍尔从研究中发现 在导体上流过与磁场方向垂直的电流时 导体便会产生出一微小电压 霍尔电压 霍尔电压与磁场强度成正比 这便是著名的霍尔效应 2020 4 21 霍尔传感器 霍尔效应装置常使用在汽车点火系统中 霍尔效应装置可以为晶体管点火系统提供触发信号 通过转盘上的遮罩提供一低磁阻的磁路 可使磁力线不流过霍尔半导体元件 通过转盘不断地转动 霍尔元件可送出连续的方波信号 2020 4 21 光电式传感器 在回转传感器内有两个LED 发光二极管 及两个光电晶体管 传感器安装在分电器内 带长形孔的圆盘安装在分电器轴上 随分电器轴旋转 传感器里的两个LED将光从槽的一侧照向另一侧 而另一侧的光电晶体管则可检测到LED所射过来的光 随分电器轴一起转动的圆形盘上的长形孔可以让光通过 但孔与孔间的部分则会阻止光的通过 因此 当圆盘旋转时 LED的光便会产生出连续的交替信号 霍尔与光电式传感器的特点 在检测时 应注意其以下几个特点 输出电压的幅值不变 频率随发动机转速变化而改变 波形的水平上限应达到参考电压 水平下限应几乎达到地电位 若离地电位太高 说明电阻太大或接地不良 电压的峰 峰值应等于参考电压 电压的转变应是垂直的直线 2020 4 21 AMR传感器用作转速传感器 基于AMR的车轮转速传感器的作用过程 输入量是车轮转角 传感齿轮产生相应的转角变化 调制了传感器处的磁场 通常有4个AMR电阻组成一个电桥 电桥输出的电信号在下级电路里进行偏移校正和放大 一个比较器产生开关脉冲 使电流由I1 7mA到Ih 4mA来回跳变 形成输出电流信号 2020 4 21 基于AMR的车轮转速传感器的作用过程 2020 4 21 IO微机械传感器的制造 微机械传感器当前在汽车里被大量应用 它被称为MEMS技术 Mikro Elekt omechamischeSysem 全面翻译是 微型电子机械系统 它是由一个机械传感器和一个电气信号输出单元组成的 这个机械传感器小于几平方毫米 一个单件的传感器构件的典型尺寸仅为几微米或更小 2020 4 21 雨水传感器 一个红外发光二极管 LED 发射出红外光束 通过挡风玻璃上的棱镜后被接收 窗玻璃干燥时 光束在一个平面角度里 在窗玻璃平面上形成全反射 它的计算表达式为 其中 1是入射角 2是折射角 都是