一篇文章讀懂汽車發動機控制、底盤控制感測器

微型化、多功能化、集成化和智能化的感測器將逐步取代傳統的感測器，成為汽車感測器的主流。發動機控制系統用感測器是整個汽車感測器的核心，種類很多，包括溫度感測器、壓力感測器、位置和轉速感測器、流量感測器、氣體濃度感測器和爆震感測器等。這些感測器向發動機的電子控制單元（ECU）提供發動機的工作狀況信息，供ECU對發動機工作狀況進行精確控制，以提高發動機的動力性、降低油耗、減少廢氣排放和進行故障檢測。由於發動機工作在高溫（發動機表面溫度可達150℃、排氣歧管可達650℃）、振動（加速度30g）、衝擊（加速度50g）、潮濕（100%RH，-40℃-120℃）以及蒸汽、鹽霧、腐蝕和油泥污染的惡劣環境中，因此發動機控制系統用感測器耐惡劣環境的技術指標要比一般工業用感測器高1-2個數量級，其中最關鍵的是測量精度和可靠性。否則，由感測器帶來的測量誤差將最終導致發動機控制系統難以正常工作或產生故障。1溫度感測器溫度感測器主要用於檢測發動機溫度、吸入氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度以及催化溫度等。溫度用感測器有線繞電阻式、熱敏電阻式和熱偶電阻式三種主要類型。三種類型感測器各有特點，其應用場合也略有區別。線繞電阻式溫度感測器的精度高，但響應特性差；熱敏電阻式溫度感測器靈敏度高，響應特性較好，但線性差，適應溫度較低；熱偶電阻式溫度感測器的精度高，測量溫度範圍寬，但需要配合放大器和冷端處理一起使用。已實用化的產品有熱敏電阻式溫度感測器（通用型-50℃～130℃，精度1.5%，響應時間10ms；高溫型600℃～1000℃，精度5%，響應時間10ms）、鐵氧體式溫度感測器（ON/OFF型，-40℃～120℃，精度2.0%）、金屬或半導體膜空氣溫度感測器（-40℃～150℃，精度2.0%、5%，響應時間20ms）等。2壓力感測器壓力感測器主要用於檢測氣缸負壓、大氣壓、渦輪發動機的升壓比、氣缸內壓、油壓等。吸氣負壓式感測器主要用於吸氣壓、負壓、油壓檢測。汽車用壓力感測器應用較多的有電容式、壓阻式、差動變壓器式（LVDT）、表面彈性波式（SAW）。電容式壓力感測器主要用於檢測負壓、液壓、氣壓，測量範圍20～100kPa，具有輸入能量高，動態響應特性好、環境適應性好等特點；壓阻式壓力感測器受溫度影響較大，需要另設溫度補償電路，但適應於大量生產；LVDT式壓力感測器有較大的輸出，易於數字輸出，但抗干擾性差；SAW式壓力感測器具有體積小、質量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、解析度高、數字輸出等特點，用於汽車吸氣閥壓力檢測，能在高溫下穩定地工作，是一種較為理想的感測器。3流量感測器流量感測器主要用於發動機空氣流量和燃料流量的測量。空氣流量的測量用於發動機控制系統確定燃燒條件、控制空燃比、起動、點火等。空氣流量感測器有旋轉翼片式（葉片式）、卡門渦旋式、熱線式、熱膜式等四種類型。旋轉翼片式（葉片式）空氣流量計結構簡單，測量精度較低，測得的空氣流量需要進行溫度補償；卡門渦旋式空氣流量計無可動部件，反映靈敏，精度較高，也需要進行溫度補償；熱線式空氣流量計測量精度高，無需溫度補償，但易受氣體脈動的影響，易斷絲；熱膜式空氣流量計和熱線式空氣流量計測量原理一樣，但體積少，適合大批量生產，成本低。空氣流量感測器的主要技術指標為：工作範圍0.11～103立方米/min，工作溫度-40℃～120℃，精度≤1%。燃料流量感測器用於檢測燃料流量，主要有水輪式和循環球式，其動態範圍0～60kg/h，工作溫度-40℃～120℃，精度±1%，響應時間小於10ms。4位置和轉速感測器位置和轉速感測器主要用於檢測曲軸轉角、發動機轉速、節氣門的開度、車速等。目前汽車使用的位置和轉速感測器主要有交流發電機式、磁阻式、霍爾效應式、簧片開關式、光學式、半導體磁性晶體管式等，其測量範圍0°～360°，精度±0.5°以下，測彎曲角達±0.1 。車速感測器種類繁多，有敏感車輪旋轉的、也有敏感動力傳動軸轉動的，還有敏感差速從動軸轉動的。當車速高於100km/h時，一般測量方法誤差較大，需採用非接觸式光電速度感測器，測速範圍0.5～250km/h，重複精度0.1%，距離測量誤差優於0.3%。5氣體濃度感測器氣體濃度感測器主要用於檢測車體內氣體和廢氣排放。其中，最主要的是氧感測器，實用化的有氧化鋯感測器（使用溫度-40℃～900℃，精度1%）、氧化鋯濃差電池型氣體感測器（使用溫度300℃～800℃）、固體電解質式氧化鋯氣體感測器（使用溫度0℃～400℃，精度0.5%），另外還有二氧化鈦氧感測器。和氧化鋯感測器相比，二氧化鈦氧感測器具有結構簡單、輕巧、便宜，且抗鉛污染能力強的特點。6爆震感測器爆震感測器用於檢測發動機的振動，通過調整點火提前角控制和避免發動機發生爆震。可以通過檢測氣缸壓力、發動機機體振動和燃燒雜訊等三種方法來檢測爆震。爆震感測器有磁致伸縮式和壓電式。磁致伸縮式爆震感測器的使用溫度為-40℃～125℃，頻率範圍為5～10kHz；壓電式爆震感測器在中心頻率5.417kHz處，其靈敏度可達200mV/g，在振幅為0.1g～10g範圍內具有良好線性度。7其它感測器底盤控制用感測器底盤控制用感測器是指用於變速器控制系統、懸架控制系統、動力轉向系統、制動防抱死系統等底盤控制系統中的感測器。這些感測器儘管分布在不同的系統中，但工作原理與發動機中相應的感測器是相同的。而且，隨著汽車電子控制系統集成化程度的提高和CAN-BUS技術的廣泛應用，同一感測器不僅可以給發動機控制系統提供信號，也可為底盤控制系統提供信號。自動變速器系統用感測器主要有：車速感測器、加速踏板位置感測器、加速度感測器、節氣門位置感測器、發動機轉速感測器、水溫感測器、油溫感測器等。制動防抱死系統用感測器主要有：輪速感測器、車速感測器；懸架系統用感測器主要有：車速感測器、節氣門位置感測器、加速度感測器、車身高度感測器、方向盤轉角感測器等；動力轉向系統用感測器主要有：車速感測器、發動機轉速感測器、轉矩感測器、油壓感測器等。車身控制用感測器車身控制用感測器主要用於提高汽車的安全性、可靠性和舒適性等。由於其工作條件不象發動機和底盤那麼惡劣，一般工業用感測器稍加改進就可以應用。主要有用於自動空調系統的溫度感測器、濕度感測器、風量感測器、日照感測器等；用於安全氣囊系統中的加速度感測器；用於門鎖控制中的車速感測器；用於亮度自動控制中的光感測器；用於倒車控制中的超聲波感測器或激光感測器；用於保持車距的距離感器；用於消除駕駛員盲區的圖象感測器等。導航系統用感測器隨著基於GPS/GIS（全球定位系統和地理信息系統）的導航系統在汽車上的應用，導航用感測器這幾年得到迅速發展。導航系統用感測器主要有：確定汽車行駛方向的羅盤感測器、陀螺儀和車速感測器、方向盤轉角感測器等。汽車感測器發展趨勢由於汽車感測器在汽車電子控制系統中的重要作用和快速增長的市場需求，世界各國對其理論研究、新材料應用和新產品開發都都非常重視。未來的汽車用感測器技術，總的發展趨勢是微型化、多功能化、集成化和智能化。微型感測器基於從半導體集成電路技術發展而來的MEMS （微電子機械系統），微型感測器利用微機械加工技術將微米級的敏感元件、信號處理器、數據處理裝置封裝在一快晶元上，由於具有體積小、價格便宜、便於集成等特點，可以明顯提高系統測試精度。目前該技術日漸成熟，可以製作各種能敏感和檢測力學量、磁學量、熱學量、化學量和生物量的微型感測器。由於基於MEMS技術的微型感測器在降低汽車電子系統成本及提高其性能方面的優勢，它們已開始逐步取代基於傳統機電技術的感測器。多功能化是指一個感測器能檢測2個或者兩個以上的特性參數或者化學參數，從而減少汽車感測器數量，提高系統可靠性。集成化是指利用IC製造技術和精細加工技術製作IC式感測器。智能化是指感測器與大規模集成電路相結合，帶有CPU，具有智能作用，以減少ECU的複雜程度，減少其體積，並降低成本。總之，隨著電子技術的發展和汽車電子控制系統應用的日益廣泛，汽車感測器市場需求將保持高速增長，微型化、多功能化、集成化和智能化的感測器將逐步取代傳統的感測器，成為汽車感測器的主流。
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