智能网联汽车传感器技术基础课件：汽车状态传感器

汽车状态传感器教学目标1熟悉转速传感器的结构、工作原理、信号分析及处理2熟悉温度传感器的结构、工作原理、信号分析及处理3熟悉压力传感器的结构、工作原理、信号分析及处理4熟悉气体传感器的结构、工作原理汽车状态传感器概述汽车状态传感器是汽车中非常重要的传感器，它们负责监测汽车的各种状态，并通过获取汽车在运行中的各种工况信息，如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等，将这些信息转化成电信号传输给计算机，计算机会根据这些信号来判断汽车是否正常工作，并通过相应的调整来优化汽车的性能。转速传感器2.1车轮转速传感器用于测量汽车车轮的转速，转速信号借助于电缆传送给汽车上的ABS、ASR、ESP等控制单元，调节每个车轮的制动力，保证汽车行驶稳定性和操纵性。另外，智能网联汽车的导航系统、车道偏离报警系统等，也需要将采集到的车轮转速信号根据预设的车速计算公式换算成车速信号发送到CAN总线，通过CAN总线获取车速信号。转速传感器概述电感式转速传感器结构电感式转速传感器属于无源传感器。主要结构是齿圈和由永磁体、感应线圈、极轴组成的传感头，其中极轴头部结构有凿式和柱式两种。电感式转速传感器车上安装位置齿圈是运动的，一般安装在随车轮一起转动的部件上。传感头是静止的，安装在车轮附近，一般前轮传感头固定在车轮转向架上，后轮传感头固定在后车轴支架上。电感式转速传感器原理汽车在行驶过程中，齿圈上的齿顶和齿隙交替通过永久磁铁的磁场，整个回路中的磁通量随之发生变化，在线圈中产生感应电动势。回路磁通量变化产生感应电动势：N匝线圈对应的感应电动势：磁通量的变化决定感应电动势的输出；磁通量的变化频率决定感应电动势的输出频率。电感式转速传感器原理通过检测感应电动势的波形信号可以计算出感应电动势，通过检测感应电动势的频率来检测车轮转速。感应电动势的频率：

霍尔式转速传感器结构霍尔式转速传感器属于有源传感器。由传感头和齿圈组成。传感头由永磁体、霍尔元件和电子电路等组成，永磁体的磁力线穿过霍尔元件通向齿圈。霍尔式转速传感器原理齿圈转动时，传感头在齿圈齿顶和齿隙之间交替变化，使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化，引起霍尔电压的变化。霍尔电场作用下形成霍尔电势差：

转速信号类型被动式转速传感器PWM协议智能式转速传感器主动式非智能转速传感器AK协议智能式转速传感器转速信号类型

信号分析及处理转速传感器对输入信号进行波形调制、稳压、滤波以及智能式的补偿调节限幅处理主要相对于输出波形微类正弦的信号，一般采用稳压管，将输出信号的输出幅值限制在目标值。滤波电路要将信号中的噪声干扰信号滤除和衰减。采用放大器芯片组合放大，从而得到有效的转速信号。应用案例1—右前轮转速传感器;2—电动机械式驻车制动器;3—右后轮转速传感器;4—右后制动摩擦片磨损传感器;5—左后轮转速传感器及插接器;6—左后轮制动器制动盘;7—左后轮制动器制动钳;8—自动驻车按钮;14—动态稳定控制系统DSC;15—左前轮制动钳;16—左前轮制动盘;17—左前轮转速传感器;18—左前轮制动摩擦片磨损传感器防抱死系统(ABS)示意图应用案例当车轮抱死滑移，车轮与路面间的侧向附着力将完全消失，汽车运动将难以控制：前轮抱死情况下汽车失去转向能力；后轮抱死情况下汽车发生侧滑甩尾；当车轮全部抱死情况下，汽车发生水滑现象。防抱死系统(ABS)示意图应用案例ABS通过转速传感器获取速度信号，汽车ECU判断是否有车轮即将抱死，从而对轮缸压力进行调节，使刹车效率达到90%以上。防抱死系统(ABS)示意图温度传感器2.2温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器，是温度测量仪表的核心部分。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。温度传感器概述热电偶传感器工作原理：当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，回路中就有电流产生，即回路中存在热电动势。测温原理：直接测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）。冷端与显示仪表连接，显示出热电偶所产生的热电动势，通过查询热电偶分度表，即可得到被测介质温度。普通热电偶铠装热电偶薄膜热电偶热电偶传感器一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。优点是测量范围宽、结构简单、响应速度快、成本相对较低。广泛应用于工业过程控制、实验室温度测量、食品加工和家用电器等领域。由热电极、绝缘材料和金属套管经过拉伸后牢固结合。优点是测温端热惯性小、动态响应快、机械强度高、寿命长。可安装在结构复杂的设备上，广泛应用于各种工业生产中。采用真空蒸发和化学镀膜等工艺，将热电偶材料沉积在绝缘基板上，形成金属薄膜。优点是测温端热惯性小，反应速度快。常用于测量瞬时表面温度和小面积温度变化。热电偶传感器的分类热电阻传感器工作原理：基于其材料电阻随温度变化的特性。对于金属热电阻，温度升高导致电阻值增加。对于半导体热敏电阻，电阻与温度的关系可以是负温度系数或正温度系数。通过测量电阻值的变化，可以精确地计算出温度。测温原理：基于电阻的热效应进行温度测量，即通过测量电阻值的变化，可以精确地计算出温度。金属热电阻半导体热敏电阻热电阻传感器使用纯金属或金属合金作为传感元件，其电阻随温度的变化较为线性。铂和镍是制造金属热电阻的常用材料，其中铂金属热电阻因其高稳定性、良好的线性和广泛的温度范围（大约-200℃到+850℃）而被广泛应用。通常由半导体材料（如氧化物）制成，其电阻与温度的关系非线性。热敏电阻分为负温度系数（NTC）热敏电阻和正温度系数（PTC）热敏电阻两种。热敏电阻主要用于一些需要快速响应温度变化的场合。热电阻传感器的分类信号分析及处理温度传感器的模拟信号处理信号处理电路将与温度有关的电阻变化信号转换为统一的电压信号。模拟信号的放大过程采用集成放大电路实现，以增强转换后的电压信号。滤波过程基于温度信号变化过程慢且有滞后性的特点，一般选用简单实用的RC高通滤波电路来实现，去除干扰噪声。信号分析及处理温度传感器的数字信号处理信号调理：模拟信号首先经过信号调理，包括放大、滤波和线性化处理，以适应模数转换器（ADC）的输入要求，并改善信号的质量。模数转换：信号调理后的模拟信号通过ADC转换为数字信号。ADC的分辨率（例如12位、16位、24位等）决定了测量的精度和分辨率。数字信号处理：数字信号经过处理，包括数字滤波去除噪声、数字线性化以及任何必要的算法处理，如温度补偿和校准。这一步骤是用来确保温度读数的准确性和可靠性。数据转换：处理后的数字信号可以转换为温度值，通常使用特定的温度-电阻或温度-电压关系，这些关系是根据传感器的类型预先定义的。应用案例一进气温度传感器是现代汽车发动机管理系统中的一个重要组件，用于测量进入发动机的空气温度。通常位于进气歧管或空气流量计附近，主要作用是向发动机控制单元（ECU）提供空气温度数据，以便进行空气密度的估算和燃油喷射量的精确调整。应用案例二变速器油温传感器装在控制阀上，主要对变速器进行高温控制。变速器油温高于150℃时变矩器立即进入锁止工况，30s后如果变速器油温仍不下降，变矩器解除锁止工况，变速器退出超速挡。油温传感器自身或线束短路，数据流会显示变速器油温高于150℃，变矩器不进入锁止工况，变速器没有超速挡，汽车没有高速。压力传感器2.3压力传感器始于1979年用于引擎燃烧控制。随后，被广泛用于高压场合，如悬挂压力探测和空调制冷压力探测。在引入车载自动诊断系统(OBD）后，压力传感器也扩展到了低压场合，如挥发的汽油泄漏探测。现在，压力传感器更进一步扩展到高压场合，如汽油燃烧喷射系统和柴油共轨燃烧喷射系统。压力传感器概述压阻式压力传感器工作原理：基于压阻效应工作，当受外力作用时，其阻值随电阻率的变化而改变。测压原理：四个扩散电阻组成一个全桥测量电路，两片位于受压应力区，另外两片位于受拉应力区。高压腔和被测压力相连接，低压腔和参考压力相连接。当存在压差时，膜片产生变形，使两对电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，其输出电压反映膜片两边承受的压差大小。MEMS智能化硅压阻传感器结构原理基于应变原理，将惠斯顿检测电桥通过MEMS技术制作在单晶硅片上，使单晶硅片成为一个集应力敏感与力电转换为一体的敏感元件。惠斯顿电桥检测模式下的输出电压：电阻的变化与应力P相关：

MEMS智能化硅压阻传感器可以实现非常高的测量精度和长期稳定性。可以被制造成极其小的尺寸，可轻松集成到各种设备和系统中。在保持高性能的同时，也具有较低的功耗。不仅可以测量压力，还可以测量温度等其他参数，并通过内置的处理单元进行数据处理和分析。信号分析及处理传感器在环境温度变化时的信号输出呈现变化，影响读出精度。为提高读出精度，加入温度对电桥的影响：在温度传感器的辅助作用下，通过信号转换开关分别读取压力与温度的数值。通过可编程增益放大器将微弱信号放大。经过ADC量化传感器的信号进入数字处理器，计算当前温度和压力下的补偿后压力。输出给数模转换DAC进行处理，输出模拟信号。应用案例一主动式胎压测量系统采用的是在硅基上利用MEMS技术制作的电容式或者压阻式压力传感器。将压力传感器安装在每个轮圈上，通过无线射频的方式将信号传送出去，安装在驾驶室里的无线接收装置接收到该压力敏感信号，经过一定的信号处理，显示出当前的轮胎压力。主动式胎压测量系统应用案例二在汽车前保险杠上安装相对压力传感器，可以立即检测到保险杠的任何变形。如果发生这种情况，汽车的安全系统可以激活发动机舱内的压缩空气储备，从而将发动机盖向上推，并朝向汽车前部。升高的发动机盖在行人和发动机较硬部件之间形成一道屏障，从而降低潜在的冲击严重性。气体传感器2.4气体传感器是一种专门设计用于检测车辆内部或外部环境中特定气体浓度的设备，它们在汽车安全、排放控制和内部空气质量管理中起着关键作用。这些传感器能够检测一系列气体，包括但不限于一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氮氧化物(NOx)、挥发性有机化合物(VOCs)以及燃料蒸汽等。气体传感器概述排放控制传感器内部空气质量传感器安全监测传感器车用气体传感器主要用于监测和控制汽车排放，以满足日益严格的环境保护法规。氮氧化物和碳氢化合物传感器是此类别中最常见的。用于监测车内空气质量，并可控制空调系统以引入新鲜空气或循环内部空气，以保持车内空气质量。可检测到CO2、VOCs等气体的浓度。用于检测车内外可能危害乘客安全的有害气体，例如一氧化碳传感器可预防车内一氧化碳中毒。气体传感器的分类催化燃烧式气体传感器工作原理：当存在可燃气体时，在一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，载体温度升高，通过它内部的铂丝电阻也相应升高，使平衡电桥失去平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号。工作原理：利用材料对特定气体的敏感性来检测和量化气体的存在和浓度。通过改变电气性质（如电阻、电容或电压）来响应特定气体的吸附或反应，从而实现气体的检测。MEMS智能化微气体传感器利用硅微加工技术，实现传感器的小型化和高度集成化。通过表面修饰和使用特定的敏感材料，可针对特定气体显示出高灵敏度和良好的选择性。硅材料的物理和化学性质使得这些传感器在长期使用中具有较好的稳定性和可靠性。应用案例一氧传感器安装在发动机的排气管上，它的作用是通过检测排放气体中氧的含量来获得混合气空燃比的稀浓信号，并将检测结果变成电压信号输入ECU。ECU根据氧传感器的输入信号不断地对喷油脉宽进行修正，使混合气体始终在理想范围内。氧传感器应用案例二稀薄混合气传感器主要由氧化铝陶瓷元件和加热器构成，一般安置在排气歧管上，应用在发动机稀薄燃烧空燃比反馈控制系统中。与氧化传感器一样，使用二氧化锆元件测定排气中的氧浓度，从而测定空燃比。在超稀薄燃烧领域进行空燃比的反馈控制，与氧化催化剂结合，达到降低燃料消耗的目的。稀薄混合气传感器应用案例三全范围空燃比传感器组成结构：由一个氧气泵单元、普通窄范围浓度差电压型二氧化锆式氧传感器、加热器构成。工作原理：采用电化学原理，内含一个氧离子导电的陶瓷元件，通过测量排气中的氧含量与外部参比氧含量之间的差异来确定空燃比。应用案例三宽带式氧传感器的电源信号只能由ECU转化为电压值显示出来，只能通过读取数据块检测其信号电压。宽带式氧传感器的电压规定值为1.0~2