(浅谈传感器在汽车控制中应用)

1、I毕毕 业业 论论 文文浅谈汽车传感器在汽车控制应用Introduction to automobile sensor in automotive control applications 所在系院： 机械工程系 专业班级： 2011 汽车检测与维修技术 1 学生学号： 2011XXXXXX 学生姓名： X X X 指导教师： X X X 2014 年 4 月 8 日 IXXXXXXXXXXXXXXXX 学院学院毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书系（院）系（院）机械工程系 专业专业汽车检测与维修技术班级班级 11 汽检 1 班学生姓学生姓名 XXX 学号学号 2011XXXXXXX

2、一、题一、题 目：目： 浅谈传感器在汽车控制中应用浅谈传感器在汽车控制中应用 二、内容与要求：二、内容与要求：要求：立论有据，观点鲜明，文章结构完整，语言顺畅，层次分明。内容：发动机控制用传感器，底盘控制用传感器，传感器检测方法，车用传感器研究开发趋势。三、设计（论文）起止日期：三、设计（论文）起止日期：任务下达日期： 2013 年 4 月 1 日完 成 日 期： 2014 年 3 月 20 日 指导教师签名： 年 月 日四、教研室审查意见：四、教研室审查意见：教研室负责人签名： 安徽工贸职业技术学院毕业论文（设计）I浅谈传感器在汽车控制应用摘要随着电子技术的发展，现代汽车正朝着高档智能化、电

3、子化的方向发展，汽车传感器做为汽车电子控制系统的关键部件，是现代汽车发展的主导与核心，汽车电子干扰工程化程度不断提高，通常的机械器系统已经难以解决某些与汽车功能要求有关的解码问题，而被电子控制系统代替。传感器的作用就是根据规定的被测量的大小，定量提供有用的电输出信号的部件，亦即传感器把光、时间、电、温度、压力及气体等的物理、化学量转换成信号的变换器。传感器作为汽车电控系统的关键部件，它直接影响汽车的技术性能的发挥。目前，普通汽车上大约装有 10-20 只传感器，高级豪华轿车则更多，这些传感器主要分布在发动机控制系统、底盘控制系统和车身控制系统中。随之对汽车的各种性能的要求也越来越高。于是,汽车

4、传感器技术已经广泛地应用于汽车中各个机构和总成当中并加以明确的分类，提高了驾驶者的安全性和舒适度。可以说，现代的汽车如果没有传感器，可能都无法上路了。关键词：汽车；传感器；控制；发展 安徽工贸职业技术学院毕业论文（设计）IIAbstract: With the development of electronic technology, the modern automobile is moving, high-grade intelligent direction, automobile sensor as the key parts of automobile electronic cont

5、rol system, is the dominant and core of modern automobile development, automobile electronic jamming engineering degree enhances unceasingly, the mechanical system is usually difficult t toward electronic o resolve some of the functional requirements and the car decoding problems, and replaced by th

6、e electronic control system. Sensor function is based on the size of the measured provisions, provide useful quantitative electrical output signal components, i.e. the optical sensor, time, electricity, temperature, pressure and gas and other physical, chemical conversion of the signal converter. Th

7、e sensor is a key part of automobile electronic control system, play it directly affects the performance of automotive technology. At present, about ordinary car with only 10-20 sensors, luxury cars are more advanced, these sensors are mainly located in the engine control systems, chassis control sy

8、stems and body control system. Then on a variety of vehicle performance requirements are also getting higher and higher. So, automotive sensor technology has been widely applied in various institutions and the car assembly and to clear classification, improve the driving safety and comfort. Can say,

9、 the modern vehicle without sensor, may not hit the road.Keywords: problems cars；enhances unceasingly；car performance 安徽工贸职业技术学院毕业论文（设计）III目目 录录摘要.IAbstract.II引 言.1第一章 发动机控制用传感器.21.1 汽车传感器的概述.21.2 汽车传感器的分类 .21.2.1 按能量关系分类.21.2.2 按信号转换分类.31.2.3 按输入量分类.31.2.4 按工作原理分类.41.2.5 按输出信号分类.41.3 温度传感器.41.4 压力传

10、感器.41.5 转速、角度和车速传感器.51.6 氧传感器.51.7 流量传感器.51.8 爆震传感器.5第二章 底盘控制用传感器.62.1 变速器控制传感器.62.2 悬架系统控制传感器.62.3 动力转向系统传感器.62.4 防抱制动传感器.6第三章 传感器检测方法.73.1 检测方法.73.2 空气流量计的检测.73.3 爆震传感器的检测.8第四章 车用传感器研究开发趋势.9结 论.12致 谢.13参考文献.14 安徽工贸职业技术学院毕业论文（设计）1引引 言言传感器是检测与自动控制应用中的首要环节，汽车电子干扰工程化程度不断提高，通常的机械器系统已经难以解决某些与汽车功能要求有关的解码

11、问题，而被电子控制系统代替。传感器的作用就是根据规定的被测量的大小，定量提供有用的电输出信号的部件，亦即传感器把光、时间、电、温度、压力及气体等的物理、化学量转换成信号的变换器,传感器作为汽车电控系统的关键部件，它直接影响汽车的技术性能的发挥, 随着轿车进入家庭，主要城市及近郊的交通拥挤状况会进一步加剧，从而使汽车废气排放问题更加严重。在城市环境污染物中，汽车排气中的污染物，主要有一氧化碳（CO） 、碳氢化合物(CH)、二氧化硫(SO2)、铅(Pb)和其他有害物质。据 20 世纪有关资料介绍，一辆汽车在行驶过程中平均每天约排出 CO 为 3kg,HC 为 0.20.4kg，NOx为 0.050

12、.15kg。因此，中国城市居民所吸入的劣质空气主要是由汽车所排放的废气造成的。 安徽工贸职业技术学院毕业论文（设计）2第一章 发动机控制用传感器 1.1 汽车传感器的概述1.在介绍汽车传感器之前先介绍一下什么是传感器。简单的说，传感器就是一种能测量各种机械运动状态的物理量并把它们转变成电量的装置。在国标 GB7665-1987传感器通用术语中，将传感器定义为：“能够感受规定的被测量，并按一定的规律将其转换成输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”敏感元件指传感器中能够直接感受或响应被测量的部分；转换元件指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被测量转换成适合于传输的电信号的部分。2.

13、现代汽车电子控制中，传感器广泛应用在发动机、底盘、和车身各个系统中。汽车传感器在这些系统中担负着信息的采集和传输功用，它采集的信息由电脑（电子控制单元）进行处理后，形成向执行器发出的指令，完成电子控制。传感器在电子控制和自诊断系统中是非常重要的装置，它能及时识别外界的变化和系统本身的变化，再根据变化的信息去控制系统本身的工作。各个系统控制过程正是依靠传感器，进行信息的反馈，实现自动控制工作的。3.传感器的输出的信号有模拟信号和数字信号两种，其中数字信号直接输入电子控制单元，而模拟信号则要通过 A/D 转换器转换成数字信号后再输入电子控制单元。电子控制单元不断地检测到各个传感器的信号，一旦检测出

14、某个输入信号不正常，就可以将错误的信号存入存储器内，需要时可以通过专用诊断仪或人工方法读取故障信息，再根据故障信息内容进行维修。4.电子控制单元有效地控制着系统工作，需要具备完整的条件，而传感器的精度、相应性、可靠性、耐久性及输出的电压信号等，对系统的控制稳定性起着至关重要的作用。5.传感器按能量关系分为主动型和被动型两大类。汽车上使用的传感器大多是被动型的这种被动型传感器需要外加电源才能产生电信号。汽车发动机、底盘和车身系统应用着很多种传感器，例如温度传感器、压力传感器、位置传感器、氧传感器、转速传感器等。 1.2 汽车传感器的分类1.2.1 按能量关系分类 安徽工贸职业技术学院毕业论文（设

15、计）3传感器按能量关系分类可分为主动型和被动型两种。汽车上使用的传感器大多数属于被动型传感器，这种被动型传感器需要外加输入电源才能产生电信号，所以这种传感器实际上是一个能量控制器。1.2.2 按信号转换分类按信号转换关系分类，可分为由一种非电量转换成另一种非电量，如弹性敏感元件和气动传感器；另一种是由非电量转换成电量的传感器，如热电偶温度传感器、压电式加速度传感器等。1.2.3 按输入量分类按输入量分类即按被测量分类，可分为位移、速度、加速度、角位移、角速度、力、力矩、压力、真空度、温度、电流、气体成分、浓度传感器等。如下图空气流量传感器： 1.2.4 按工作原理分类按传感器的工作原理分类，有

16、电阻式、电容式、应变式、电感式、光电式、光敏式、压电式、热电式传感器等。1.2.5 按输出信号分类 安徽工贸职业技术学院毕业论文（设计）4按传感器输出信号分类有模拟式和数字式传。1.3 温度传感器主要检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、 燃油温度、机油温度、催化温度等。实际应用的温度传感器主要有线绕电阻式、热敏电阻式和热电偶式。线绕电阻式温度传感器精度较高，但响应特性差；热敏电阻式传感器灵敏度高，响应特性较好，但线性差，适用温度较低；热电偶式精度高，测温范围宽，但需考虑放大器和冷端处理问题，ECU 根据转速信号将自动切断燃油喷射控制电路，使燃油喷射中断，目的是降低减速时 HC 和 CO

17、的排放量，而当发动机转速下降到临界转速时，又能自动恢复供油。超速断油控制是发动机加速时。1.4 压力传感器主要检测进气歧管绝对压力、真空度、大气压力、发动机油压、制动器油压、轮胎压力等。车用压力传感器目前已有若干种，应用较多的有电容式、压敏电阻式、膜盒传动的可变电感式(LVDT)、表面弹性波式(SAW)。电容式传感器具有输入能量高，动态响应好、环境适应性好等特点；压敏电阻式受温度影响大，需另设温度补偿电路，但适用于大量生产；LVDT 式有较大输出，易于数字输出，但抗振性较差；SAW 式具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性强、灵敏度高、分辨率高、数字量输出等特点，是一种较为理想的传感器。1.5 转

18、速、角度和车速传感器主要用于检测曲轴转角、发动机转速、车速等。主要有发电机式、磁阻式、霍尔效应式、光学式、振动式等。1.6 氧传感器氧传感器安装在排气管内，测量排气管中的含氧量，确定发动机的实际空燃比与理论值的偏差，控制系统根据反馈信号，调节可燃混合气的浓度，使空燃比接近于理论值，从而提高经济性，降低排气污染。实际应用的是氧化锆和氧化钛传感器。1.7 流量传感器测定进气量和燃油流量以控制空燃比，主要有空气流量传感器和燃料流量传感器。空气流量传感器检测进入发动机的空气量从而控制喷油器的喷油量，以得到较准确的空 安徽工贸职业技术学院毕业论文（设计）5燃比，实际应用的有卡门旋涡式、叶片式、热线式。卡

19、门式无可动部件、反应灵敏、精度较高；热线式易受吸入气体脉动影响，且易断丝；燃料流量传感器用于判定燃油消耗量。主要有水车式、球循环式。1.8 爆震传感器它能把爆震信号传给控制系统，抑制爆震的发生。主要有磁致伸缩式和非共振型压电式。第二章 底盘控制用传感器2.1 变速器控制传感器多用于电控自动变速器的控制。它是根据车速传感器、加速度传感器、发动机负荷传感器、发动机转速传感器、水温传感器、油温传感器检测所获得的信息经处理使电控装置控制换档点和液力变矩器锁止，实现最大动力和最大燃油经济性。2.2 悬架系统控制传感器主要有车速传感器、节气门开度传感器、加速度传感器、车身高度传感器、转向盘转角传感器等。根

20、据检测到的信息自动调整车高，抑制车辆姿势的变化等，实现对车辆舒适性、操纵稳定性和行车稳定性的控制。 安徽工贸职业技术学院毕业论文（设计）62.3 动力转向系统传感器它是根据车速传感器、发动机转速传感器、转矩传感器等使动力转向电控系统实现转向操纵轻便，提高响应特性，减少发动机损耗，增大输出功率，节省燃油等。2.4 防抱制动传感器它是根据车轮角速度传感器，检测车轮转速，在各车轮的滑移率为 20%时，控制制动油压、改善制动性能，确保车辆的操纵性和稳定性。第三章传感器检测方法3.1 检测方法 这种技术按照一个完全不同的、略微更复杂一些的方式来工作。另一方面，它可以用于测量复阻抗，包括电感、阻抗/电容或

21、者阻抗/电感传感器等。在这种情况下，传感器由一个已知的非常精确的频率来激发。在此，直接数字式频率合成技术的检测。 安徽工贸职业技术学院毕业论文（设计）7图 6 用 DDS 方法计算阻抗的实部和虚部 这里，传感器的反应通过快速的模数转换器和快速的傅立叶分析记录下来。采用DDS 方法，初始的相位在任何时候都可精确地获知。用同样的方法，对其他频率的反应也可以测量出来。阻抗的实部和虚部可以据此计算出，并且通过数字总线输出。完全扫描仅需要几百毫秒。此图对该方法进行了说明。该网络分析仪电路可以用于电容和电感传感器，同样也可用于记录运动或测量液体黏度的传感器，例如引擎或润滑油。3.2 空气流量计的检测（以日

22、产热线式为例）如图是日产使用的热线式空气流量计和 ECCS（计算机控制系统）连接的电路原理图，其插头共有六个端子，其中 F 端是自净信号端。自净功能只在发动机转速超过 1500 转/分，冷却液温度低于 115时起作用。 当空气流量计电路故障时，其检测步骤如下：（1）点火开关置于 OFF，脱开空气流量计传感器电插头 安徽工贸职业技术学院毕业论文（设计）8（2）点火开关置于 ON，电压表负极搭铁，正极接线束电插头各极柱，应有一极柱电压为 12V。（3）检查搭铁。空气流量计电插头的 C、D 两极柱为搭铁，拆下空气流量计，以 12V的电压。（4）施加于空气流量计电插头的 D、E 两极柱，测量 B、D

23、两极柱间的电压，应符合规定。用吹风机送风通过空气流量计，测 B、D 两极柱的电压应该在 2-4V。（5）自净功能的检查。启动发动机使其转速升高至 3000r/min，再怠速运转一会后关闭点火开关，5s 后可以看到热丝发出红色辉光（需拆下空气滤清器）3.3 爆震传感器的检测（1）爆震传感器电阻的检测：点火开关置于 OFF，脱开传感器电插头，用爆震传感器的接线端子与外壳，应为无穷大（不导通），若为 0（导通）则需更换传感器。对于磁致伸缩式爆震传感器，还可用万用表电阻挡检测线圈的电阻，其阻值应符合规定值，否则应更换。（2）爆震传感器输出信号的检查：拔开爆震传感器爆震传感器的连接插头，在发动机怠速时用

24、万用表电压档检查爆震传感器的接线端子与搭铁间的电压，应有脉冲电压输出。否则，应更换传感器。第四章 车用传感器研究开发趋势由于传感器在电控系统中的重要作用，所以世界各国对其理论研究、新材料应用、产品开发都非常重视。金刚石的耐热性好、热稳定性高，在真空中 1200以上表面才开始出现炭化，在大气中也要在 600以上才开始炭化，利用这一特性，制作适用于高温的热敏传感器，从常温到 600范围内进行温度监测与控制，并且适用在高温且有腐蚀气体的恶劣环境下使用，性能稳定，使用寿命长，可用于发动机中高温测量。此外金刚石在高温下形变率很高，利用这一特性可制作高温环境下使用的振动传感器和加速度传感器。 安徽工贸职业

25、技术学院毕业论文（设计）9与其它材料振动膜相结合可作为高温、耐腐蚀、灵敏度高的压力传感器，用于振动检测以及发动机气缸压力等测量。光导纤维型传感器由于抗干扰性强、灵敏度高、重量轻、体积小，适于遥测等特点正受到人们的普遍重视。目前已有不少成熟的产品问世，如光纤转矩传感器，温度、振动、压力、流量等传感器。在开发利用新材料同时，由于微电子技术和微机械加工技术发展，传感器正向微型化、多功能化，智能化方向发展。微型化传感器利用微机械的加工技术将微米级的敏感元件、信号调理器、数据处理装置集成封装在一块芯片上。由于体积小、价格便宜、便于集成等特点，可以提高系统测试精度，例如把微型压力传感器和微型温度传感器集成

26、在一起，同时测出压力和温度，便可通过芯片内运算消去压力测量中的温度影响。目前已有不少微型传感器面世，如压力传感器、加速度传感器、用于防撞的硅加速度传感器等。在汽车轮胎内嵌入微型压力传感器可以保持适当充气，避免充气过量或不足，从而节约燃油 10%。多功能化使传感器能够同时检测 2 个或 2 个以上的特性参数。而智能传感器由于带有专用计算机，因而具有智能。全球传感器市场正呈现出快速增长态势。东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依然是传感器市场分布最大的国家。就世界范围而言，传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场。“没有传感器技术就没有现代汽车”已成为业内共识，这意味着

27、汽车电子化越发达，自动化程度越高，对传感器依赖性就越大。对此，业内专家认为，未来新型汽车应用系统将催生新的汽车传感器与之配套。传感器的最大特点是不断引入新技术发展新功能，未来汽车传感器技术总发展趋势是微型化、多功能化和智能化。资料显示，一辆普通家用轿车上大约安装几十只传感器，豪华轿车上的传感器数量可多达 200 余只。车用传感器大致分为 3 类：动力系统、安全管理系统和车身舒适系统传感器。其中动力系统传感器市场所占比例最大，体现了汽车传感器的最先进技术。例如，油门踏板位置传感器的角度误差必须在 0.4%以内;节气门位置传感器需要极高的可靠性，并要能够在-50 度到 150 度工作。在动力系统中

28、，有源传感器引领发展趋势。凸轮和曲轴传感器因为与汽车的“心脏”发动机密切相关，成为动力系统的关键。而有源的凸轮传感器和曲轴传感器能够为动力系统提供更多的保护，因此将引领未来发展趋势。预计在 2009 年，将有 5820 万个有源曲轴传感器投入使用，而无源传感器则将减少到 2150 万个。在安全管理系统中，压力传感器实现侧气囊控制。汽车安全管理系统也是广泛使用传感器的领域。汽车侧边气囊的控制有加速度传感器和压力传感器两种方案。权威数据表明，与加速度传感器相比，压力传感器在检测侧边撞击的速度方面，比加速度传感器快了将近 3 倍，而误动作的概率则更小。在车身舒适系统中，车门、变速箱、被动安全让汽车更

29、智能。车门模块中，车门把手、车窗控制上使用了直流马达位置传感 安徽工贸职业技术学院毕业论文（设计）10器，采用分布式门模块架构，并通过 LIN 总线相连接。变速箱通过使用 2 轴或 3 轴角度/线性传感器，能够满足不同的变速箱位置要求并节省成本，具体的传感器选择则要根据汽车变速箱的功能和设计需求来决定。被动安全装置包括座椅承重的检测、安全带打开/扣住的监测、座椅位置调节的检测(保证气囊系统的有效保护)等等，这些控制的细节对汽车传感器的需求也十分可观。加速度、振动、速度传感器是汽车运动测量中的三种主要传感器，一直保持稳定而强劲的增长势头。目前，世界生产这三种传感器的大型企业有 30 多家，其中前

30、 5 名公司占据了 31.3%的市场份额。例如 Endevco 占 13.6%，Wilcoxa Research 占 9.1%，摩托罗拉占 4.2%，IMI 占 3.0%，Analog Devices 占 1.4%。西方发达国家排放法规对尾气排放量日益严格的要求，推动了汽车用氧传感器的开发与生产。目前，已实用的汽车氧传感器有氧化锗氧传感器、二氧化钛氧传感器等几种。值得一提的是，微型化传感器利用微机械加工技术将微米级的敏感元件、信号调理器、数据处理装置集成封装在一块芯片上。由于其体积小、价格便宜、便于集成等特点，可以提高系统测试精度，例如把微型压力传感器和微型温度传感器集成在一起，同时测出压力和

31、温度，便可通过芯片内运算消去压力测量中的温度影响。目前已有不少微型传感器面世，如压力传感器、加速度计、用于防撞的硅加速度计等。在汽车轮胎内嵌入微型压力传感器可以保持适当充气，避免充气过量或不足，从而可节约燃油 10%。多功能化的特性使得传感器能够同时检测 2 个或 2 个以上的特性参数。智能传感器配有专用计算机，它的迅速发展将汽车的安全性能提高到一个前所未有的高度。随着微电子技术和微机械加工技术的发展，传感器正朝着微型化、多功能化、智能化方向发展。中国市场更是车用传感器发展的沃土。近几年来，中国传感器的市场一直持续增长。最新调查数据显示，2007年2010 年期间中国汽车传感器市场销售额的年度

32、复合增长率将超过 35%。预计 2009 年中国市场销售额将接近 10.5 亿美元，其同比增长率为 40.5%;预计中国 2010 年市场销售额将超过 13.2 亿美元，其同比增长率为 35.2%。业内专家由此看好汽车传感器在中国的发展前景。他们认为，汽车数量的增加以及每辆汽车上所采用传感器的增多，决定了中国汽车传感器市场容量必将不断增大，中国传感器市场正进入蓬勃发展期。但是中国汽车传感器产业整体水平较低，多种传感器尤其是高水平汽车传感器仍旧依赖进口。传感器市场被西门子、博世、霍尼韦尔等国际零部件巨头占据大半江山，而国内汽车传感器产业发展缓慢。目前，汽车技术升级换代，国内外企业都将车用传感器技术列为重点发展的高技术。微型化、智能化、非接触测量