汽车传感器的发展现状与新趋势

2018-11-29苟明宇

中国科技纵横 2018年2期

苟明宇

(北京师范大学附属实验中学,北京 100032)

传感器是汽车电子控制系统中的关键部件,它充当了控制系统“五官”的作用,对汽车行驶过程中各个组件的关键物理量,如温度、压力、气体浓度、加速度、转速等各种信息进行实时测量,并将结果反馈给控制系统,使汽车保持最优的行驶状态。随着用户对行车的安全、舒适性要求不断提高,以及政府对尾气排放标准的不断严格,各种新技术、新材料和新工艺已经被广泛地应用于汽车硬件和软件之中,推动着汽车产业发生革命性变化,而汽车传感器也必将在这场变革中得到不断发展。

1 汽车传感器的发展现状

1.1 温度传感器

温度传感器用于测量汽车中处于高温工作环境下的组件温度,如发动机进气口和排气口、冷却液系统等。按照原理分类,常见的温度传感器包括：线绕电阻式、热电敏式和热偶电阻式[1]。其中线绕电阻式温度传感器具有最高的精度,但其响应特性差,不能及时反馈温度信息;热电敏式传感器响应速度好,但是测量范围较窄,不能在极热或极寒条件下使用;热偶电阻式本身特性良好,但是需要和放大器和冷端处理器共同使用,占用体积大。

1.2 压力传感器

压力传感器在汽车中分布较为广泛,它主要用于测量功能组件内气体或者液体的压强并反馈给控制系统。按照原理分类,压力传感器可分为电容式、半导体式和表面弹性波式(SAW)[2]。电容式传感器具有适应性强、响应特性好和输入能量高等优点,但缺点是抗干扰性差;半导体式传感器具有应用范围广、数量大的特点,但其性能受温度影响较大,因此需要设计温度补偿电路进行修正;S A W传感器不仅满足上述优点,并且抗干扰能力强,能在高温环境下稳定工作,易于集成化、智能化。

1.3 气体浓度传感器

气体浓度传感器通过检测发动机排放气体的氧含量来间接计算发动机内部实际空燃比与理论值的偏差。经控制系统调节可燃混和气浓度后,可以使空燃比接近于理论值,从而提高能量利用率,减少有毒有害气体排放[3]。在众多浓度传感器中,二氧化钛传感器是最常用的一种类型。

1.4 爆震传感器

爆震传感器用于防止发动机因点火提前角、负荷、温度及燃料质量等因素产生爆震。磁电压式主要利用电磁感应原理测量数据,但数据准确性受周围环境以及电路影响。压电式传感器主要利用抖动力挤压元件,在元件表面产生游离电荷,通过检测电荷数量测定压力大小,数据受环境影响小,且输出入数据成正比,易于控制。

1.5 加速度传感器

加速度传感器用于测量汽车行驶过程中的加速度,在自适应悬挂系统、车辆稳定性系统和防抱死制动系统中都有应用。汽车在加速或减速过程中,通过敏感元件测量传感器内部质量块所受到的惯性力,再根据牛顿第二定律获得质量块在非惯性系中的加速度,从而得到汽车行驶的加速度。

1.6 陀螺仪传感器

陀螺仪传感器用于测量汽车的行车方向,并为导航系统提供信息。陀螺仪传感器的原理是角动量守恒定律,即当一个旋转中的物体沿着其转轴没有受到外力矩作用时,该转轴方向始终保持不变。光纤陀螺仪是最常用的陀螺仪传感器之一,它具有结构紧凑、灵敏度高和可靠性强等优点。

2 未来汽车发展对传感器的要求

放眼未来,人们对汽车节能环保、安全性、舒适度和智能化的需求会越来越高,汽车也将不被视为是简单的交通工具。这将使汽车成为不同行业、不同学科交叉融合的新技术前沿,而传感器作为汽车与环境交互的枢纽也一定会在这个浪潮中被重新定义,提出新的、更高的要求。

2.1 精度和响应速度要求

汽车行驶往往面临极为复杂的环境,如拥挤的交通、复杂的地面、突然冒出的行人车辆等等。这一方面要求传感器对物理量的变化极度敏感,能够第一时间将信号传递给控制系统;另一方面,控制系统算法也需要迅速处理传感器反馈的信号并做出最合适的调整。

2.2 稳定性要求

稳定性要求是指传感器应该具有极好的适应性、抗干扰性和耐用性的特点。其中适应性指传感器能很好地适应汽车所处的差异极大的各种环境;抗干扰性指传感器能够有效地抵抗由于外部环境或其他传感器引起的电磁干扰;耐用性指传感器能承受热负荷、热冲击、振动等极端工况,例如在高频震荡环境中连续运行,或是在强冲击载荷下依然能正常工作。

2.3 集成化要求

20世纪70年代末,随着微机电系统(MEMS)的发展,汽车传感器由传统的独立器件演化成了集微传感器、微处理器、微运算器、微电源和微机械结构为一体的高性能电子集成器件,因而大幅提高了传感器的精度、响应速度和稳定性等特征。未来的汽车传感器必然会对集成化提出更高的要求,以满足多功能和高智能的需求。

3 汽车传感器的未来展望

当前,互联网技术、物联网技术和人工智能以及新材料新工艺正快速发展,为未来汽车传感器的发展与不断提高的需求相结合创造了技术条件。

3.1 不同传感器控制系统的一体化

未来传感器集成化可能会着眼于研究使不同控制系统协同工作的方法。以汽车安全为例,我们可以开发一套总控程序,将电子车身稳定系统(ESP)与约束控制系统相结合,以进一步提升行车安全。首先,如果E S P检测到了不稳定的行车工况,如轮胎打滑、爆胎等危险情形,此时E S P通过控制程序将危险信号发送给整个约束控制系统,使安全气囊处于待命状态、安全带直接锁紧、座椅调整至最佳位置等。

3.2 软件开发的比重越来越大

在过去几十年中,传感器的研发主要集中在硬件和原理方面,随着ME MS技术的不断发展,传感器在硬件方面已经日趋完善。在硬件技术没有重大突破的时期,未来传感器系统将会更加着眼于对采集数据进行准确、快速分析的软件开发。

以电动汽车充放电控制系统为例,与传统内燃机不同,电动汽车的总电源由多个电池通过电路组合而成,所以每个电池都配置有传感器以监控电池的运行转态。在实际充放电过程中,各个电池的状态经常不一致,需要精细控制每个电池以防止发生过充电或过放电事故。该过程中,电压传感器收集各个电池的电压信息,控制系统则需要接收来自多个传感器的信息,快速分析并优化电池的连接电路。硬件方面,电压传感器技术已经相当成熟,因此核心技术便是高效充放电控制系统的电路设计和软件开发。