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检测传感技术在汽车上的应用--大学毕业设计论文.doc
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1、概述0 课程简介1 发展历史汽车传感器最早使用是在20世纪60年代,那个时候汽车上仅有机油1压力传感器、油量传感器和冷却液温度传感器,他们是直接与仪表或指示灯连接的。进入20世纪70年代后,人们环保意识增强,为了减少污染、治理排放,就增加了一些传感器来协助控制汽车的动力系统,因为同期出现的催化转化器2、电子点火和燃油燃油喷射装置需要一些传感器来维持一定的空燃比以控制排放。20世纪80年代,依靠传感器工作的防抱死制动装置和安全气囊提高了汽车安全性。今天,汽车传感器已经发展到了有用来专门检测各种流体温度、压力的传感器(如进气温度、进气压力、冷却液温度、机油温度和燃油喷射压力等);有用来检测速度和位
2、置的传感器(如车速传感器、节气门开度、凸轮轴或曲轴的转角和速度传感器、废弃再循环阀(EGR)的闻之传感器等);还有用于检测汽车发动机负荷大小、爆燃、断火情况及废气中含氧量的传感器;有专门检测座椅位置的传感器;在防抱死制动系统和悬架3控制装置中检测车轮转速、路面高度和轮胎气压的传感器;为保护成员有安全气囊系统,该系统也需要较多的碰撞传感器和加速度传感器。进入21世纪后,汽车传感器应用将继续保持高速增长,以Mems技术为基础的微型化、多功能化、集成化和智能化的传感器将逐步取代传统的传感器,成为汽车传感器的主流。敏感元件和触感器的发展的总趋势是小型化、集成化、多功能化、智能化、系统化。2 传感器定义
3、汽车传感器是一种能检测物理量、电量和化学量等信息,并能把所检测到的信息转换成电子控制单元(ECU)能接收的电信号,也就是对信息进行采集和传输的器件。在国标GB7655-1987传感器通用术语中,将传感器定义为:“能够感觉规定的被测量,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化元件组成”。敏感元件指传感器中能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传唤成适合于传输的电信号部分。国际电工委员会的定义为:“传感器是测量系统中的一种前置装置,它将输入量转化成可供测量的信号”。3 传感器组成传感器一般由敏感元件、转换元件和其他辅助元件组成。有
4、时也将信号调节与转换电路及辅助电源作为传感器的一部分,如图1-1所示。 敏感元件指直接感受被测量(一般为非电量),并输出与被测量成确定关系的其他量的元件。如应变式压力传感器的弹性膜片就是敏感元件,它的作用是将压力转化为膜片的变形。转化元件指的是传感器中能将敏感元件感受(或响应)的被测量转化成适合于传输和测量的电信号部分。当输出信号为规定的标准信号时,则一般称为变送器,又称转化器,一般不直接接受被测量,而是将敏感元件输出的量转化为电量输出的元件。如应变式压力传感器的应变片,它的作用是将弹性膜片的变形转化为电阻值的变化。信号调节与转换电路一般是指能把转化元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和
5、控制的有用电信号的电路,信号调节与转换电路的选择要视传感元件的类型而定,常用电路有信号放大器电桥、振荡器、阻抗变换器等。4 传感器的分类与基本特征4.1 分类传感器的分类方法有很多,常见的分类方法可按能量关系、信号转换、输入量、工作原理、输出信号和制造工艺进行分类。1. 按能量关系分类可分为主动型和被动型两类。汽车上使用的传感器大多数属于被动型传感器,这种被动传感器需要外加输入电源才能产生电信号,所以这类传感器实际上是一个能量控制器。采用电阻、电容、电感,利用应变效应、磁阻效应4、热阻效应制成的传感器都属于被动型传感器。主动型传感器的工作不需要外界提供电源,由自身吸收其他能量(光能和热能),经
6、变换后再输出电能,它是一个能量变换装置。采用压电效应5、磁致伸缩效应6、热电效应7、光电效应等原理制成的传感器都属于主动型传感器。2. 按信号转换分类可分为由一种非电量信号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化为电量的传感器,如热电偶温度传感器、压电式加速度传感器。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。4. 按工作原理分类有电阻式、电容式、应变式、电感式、光电式、光敏式8、压电式、热电式传感器等。5. 按输出信号分类有模拟式和数字式传感器两种。汽车上,大多
7、数传感器以产生模拟电压信号为主。6. 按制造工艺分类分为集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器等7. 按使用功能分类一类是使驾驶、维修人员了解汽车各部分状态的传感器,如温度、车速、发动机转速、液体压力传感器等;另一类是用于控制汽车运行状态的传感器,如节气门位置传感器、轮速传感器、减速度传感器、偏航率传感器等。4.2 汽车传感器的基本特征汽车传感器的基本特征有静态特性和动态特性两种。静态特性:是指被测量的值处于稳定状态的输入、输出关系。只考虑传感器的静态特征时,输入量和输出量之间的关系中就不含时间的变量。衡量静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。理想的传感器线性度好,灵敏度
8、高,迟滞不明显,重复性好。动态特性:是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。当输入量随时间变化时(属于时间函数),则传感器的输出量也是时间函数,其时间关系用动态特性来表示。一个理想的传感器其输出信号与输入信号具有相同形态的时间函数。4.3 汽车用传感器的要求1 有较好的环境适应性。因为汽车是在环境温度变化范围较宽(-4080)道路表面优劣程度相差较大,烈日、暴雨或冰雪天气造成温度悬殊,有时甚至在强大的电磁场的情况下工作的,因此要求耐振,耐水,耐温,耐冲击,抗电磁干扰等。2 批量生产。3 可靠性。同一般的传感器一样,汽车传感器的可靠性应是最重要的,并且稳定性要好。4 尽可能小型、质量轻,便于安
9、装。5 符合有关法规的要求。5 汽车传感器的应用现代汽车电子控制中,传感器广泛应用在发动机、底盘9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,它采集的信息由电子控制单元(ECU)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,它能及时的识别外界和系统本身的变化,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。ECU不断检测各个传感器的信号,一旦检测出某个输入信号不正常,就可将错误的信号存入存储器中,需要时可以通过专用诊断仪或采取人工方法读取故障信息,再根据故障信息内
10、容进行维修。车用传感器所检测的信息包括车辆运动状态以及驾驶操纵、车辆控制、运动环境、异常状态监控等所需信息。汽车电子控制系统上应用了多种传感器,在这些传感器的共同作用下,汽车电子控制系统对发动机、底盘、行驶安全、信息等进行集中控制。5.1 汽车发动机控制1 电控燃油喷射 (EFI, Electronic Fuel Injection)电控燃油喷射系统根据空气流量传感器或进气压力传感器、发动机转速传感器、节气门位置传感器、凸轮轴位置传感器、进气温度传感器、冷却液温度传感器、氧传感器等信号计算喷油量。该系统能使发动机在各种工况下实现空气与燃油匹配最佳、提高功率、降低油耗、减少排气污染等功效。1)
11、喷油量控制电子控制单元(ECU)根据空气流量传感器或进气压力传感器、发动机转速传感器、进气温度传感器、冷却液温度传感器等所提供的信号,计算喷油脉冲宽度即喷油量。发动机各种工况下的最佳喷油量存储在ECU的存储器中。2) 喷油正时控制13在发动机采用多点顺序燃油喷射系统10时,ECU除了控制喷油量以外,还要根据发动机的各缸点火顺序,将喷油时间控制在最佳时刻,以使燃油充分燃烧。3) 进气增压控制11进气增压控制时ECU根据发动机转速传感器检测到的发动机转速信号,控制增压控制阀的开闭,改变进气管的有效长度,实现中低转速区和高转速区的进气增压,提高发动机充气效率。当前发动机的增压方式主要有4种:1.废气
12、涡轮增压;2.机械增压;3谐振增压系统4气波增压。不管那一种方式,它们最终目的都是增加发动机的进气量,使汽油燃烧更加充分,从而增加发动机的输出功率。目前,应用最为广泛的是废气涡轮增压器。4) 发电机14输出电压的控制ECU根据发动机转速传感器输入的转速、蓄电池温度等信息,控制励磁电流实现对发电机输出电压的控制。当发电机输出电压超过额定值时,ECU是励磁电路接通时间变短,减弱励磁电流,降低发电机电压;相反,当输出电压低于额定值时,ECU使励磁电路接通时间变长,增强励磁电流,提高发电机电压。5) 电子节气门控制15在电控加速踏板16中安装有一个电位器作为传感器,它可把加速踏板的位置信息输入ECU,
13、ECU再根据发动机的工况,计算节气门位置的理论值,该理论值与发动机运行参数、加速踏板位置有关。控制单元可把节气门位置调整在理论值范围,这样就可以避免在加速踏板传动机构中由于间隙、磨损产生的误差,可在燃油消耗优化的前提下,发挥较好的加速性。6) 冷启动喷油器控制。为了提高发动机低温时冷机启动性能,在进气总管上安装了一个冷启动喷油器,其喷油时间由定时开关控制,或由控制单元和启动喷油器定时开关同时控制。有些电控发动机已经取消了冷启动喷油器,在低温启动过程中,ECU根据发动机冷却液温度信息,在冷机启动时加浓混合气,以使启动顺利。7) 燃油泵17控制与燃油泵泵油量控制。在电控燃油喷射系统中,燃油泵的控制
14、方式有两种:一种是当点火开关打开后,ECU使燃油泵运转2-3s,产生必要的油压,若发动机没有启动,就没有信号输入ECU,ECU会立即切断燃油泵继电器控制电路,使燃油泵停止工作;另一种控制方式是只有发动机运转时,燃油泵才投入使用。有的燃油泵控制系统是使泵油量随发动机的负荷而变化,即当发动机高转速、大负荷工作时,燃油泵高斯运转以使增加供油量;当发动机低转速、小负荷时,燃油泵低速运转,以减少供油量。8) 断油控制发动机的断油控制分为减速断油控制和超速断油控制。减速断油控制是汽车在正常行驶中,驾驶员突然松开加速踏板,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(碳
15、氢化合物)和CO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,当转速超过安全转速或汽车车速超过设定的最高车速时,ECU将会在临界转速时切断燃油喷射电路,停止喷油,防止超速。9) 停车起动控制在汽车停车数秒后,停车起动系统会发出控制信号将燃油切断。具体工作过程是当离合器松开,汽车停车或车速为2km/h时,发动机熄火。若要是发动机起动,可将离合器踩到底,在踏下加速踏板,当加速踏板踩到总行程的1/3时,发动机将再次启动。10) 控制排放当发动机的废气排放温度达到一定值时,ECU根据发动机的转速和负荷信号,控制废气再循环(EGR)阀的开启,使一定量的废气进行再
16、循环燃烧,以降低排气中的氮氧化物(NOx)的排放量。11) 自诊断与报警。当电子控制系统出现出现故障时,ECU会点亮仪表板上的“发动机检查”指示灯,提醒驾驶员发动机已经出现故障,应立即停车检修。同时,ECU将故障以故障码的形式存储在ECU的存储器中,维修人员通过诊断插座,使用专用的诊断仪或采取人工方法读取故障信息。安全保险与备用功能当ECU检测到电控系统出现的故障时,会自动按照ECU预先设置的数据,使发动机保持运转,以便尽快送到维修站维修。但此时发动机的性能有所下降。当ECU本身出现故障时,会启动备用系统,使发动机进入跛行18状态,以便将车开到维修站。2 电控点火装置发动机运转时,控制单元根据
17、空气流量传感器或进气压力传感器、发动机转速传感器、节气门位置传感器、凸轮轴位置传感器、温度传感器等信号,使发动机在最佳点火提前角19工况下工作,输出最大功率和转矩,将油耗和排放降到最低程度。该系统可以通过爆燃传感器进行反馈控制,其点火时刻的精确控制比无反馈控制时高,但排气净化差。1) 点火提前角控制在ECU的存储器中存储着发动机在各种工况下的最佳点火提前角。发动机运转时,ECU根据发动机的转速和负荷信号确定基本提前角,并再根据其他信号进行修正,最后确定最佳点火提前角。然后向电子点火控制器输出点火信号,以控制点火系统工作。2) 通电时间为防止点火线圈通电时间过长导致过热而损坏,ECU根据蓄电池电
18、压及发动机转速信号等,控制点火线圈初级电路的通电时间。3) 爆燃控制当ECU接受到爆燃传感器输入的电信号后,对该信号进行处理并判断是否即将产生爆燃。当检测到爆燃信号后,ECU立即推迟发动机点火提前角,采用反馈控制避免爆燃产生。5.2 底盘控制1 电控自动变速器(ECT)电控自动变速器能根据节气门位置传感器和车速传感器的信号计算换挡时刻,使换挡阀动作,使汽车处于相应的最佳档位,改善换挡质量,提高汽车行驶的平稳性。在控制过程中,电控自动变速器使用多个传感器,例如,超速档和直接挡离合器转速传感器、1号和2号车速传感器用于换挡时间控制;自动变速器油温传感器用于检测自动变速器的温度信号,用作换挡、油压控
19、制和锁定离合器控制等。2 防抱死制动(ABS)在现代汽车上,ABS系统多采用双回路控制,即在车轮上安装使用两个、三个或四个车轮轮速传感器。当某一个车轮将被抱死时,ECU根据车速信号,将发出指令使控制电磁阀打开或关闭控制油路,实行防抱死控制制动。3 电控动力转向(EPS)在液压式动力转向系统中有车速传感器,它将车速信号不断输入ECU,由ECU控制液压油量实现助力作用。具体是ECU根据车速传感器和转矩传感器输入信号确定助力转矩的大小和方向,通过电磁离合器和减速机构,将转矩加到转向机构上,实现电子助力转向。4 电控悬架(TEMS)电控悬架系统根据不同的路面状况及车身状况(加速度、位移或其他目标参数)
20、传感器的信号控制车辆高度,调整悬架的阻尼特性及弹性刚度,改善车辆行驶的稳定性、操纵性和乘坐舒适性。5 巡航控制系统(CCS)汽车行驶中,可利用巡航控制装置对车速进行自动控制,即驾驶员的脚离开加速踏板后,汽车仍能按选定的速度稳定行驶,不需要反复调节节气门的大小,这样可以减少速度变化和长时间操作驾驶员的疲劳。而在需要结束定速控制时,按下OFF开关即可自动控制系统系统。5.3 汽车行驶安全系统1 安全气囊系统(SRS)属于被动式安全系统,由安全气囊和安全带组成。当车辆前方发生一定角度的高速碰撞时,汽车前端的碰撞传感器和安全传感器就会检测到汽车突然减速的信号,并将信号传送到SRS控制单元。SRS经过计
21、算和比较后,立即向气囊内部的电热引爆管发出点火指令,引爆电雷管,是点火药粉受热把爆炸,产生的气体充入气囊,在驾驶员与方向盘之间、副驾驶座位与仪表板之间形成一个缓冲,避免因硬性撞击而使人员受伤。2 雷达防撞系统为防止汽车追尾事故发生,安全车距自动控制装置中的雷达(多普勒雷达,用作测速和测距传感器)可以测出两车之间的距离、车速、相对车速等有关信息,输入控制单元后经过比较,若实测距离小于安全距离,控制单元发出报警信息,若驾驶员未采取措施,执行器就会对汽车的制动系统起作用,使汽车减速。汽车倒车安全装置用超声波及雷达做传感器。目前超声波倒车安全装置应用较多,由两对超声波传感器,安装在后保险杠上。后方有障
22、碍时发出报警信号。3 驱动防滑控制系统(ASR)是在制动防抱死系统的基础上开发的,两系统有许多共同的组件。ASR通过驱动轮上的转速传感器检测到驱动轮将要打滑时,控制发动机降低转速防止车轮打滑。该系统在雪地或湿地路面上能发挥其特性,以保证行驶安全。4 前照灯自动控制系统作用是当窗外日光暗到一定程度时,前照灯自动开启;而当日光增强到一定程度时,前照灯自动关闭。该控制系统中,安装在仪表板上的日照传感器在受到日光照射时会产生微弱电流,电流大小与受光量成正比。这个电流经放大后控制继电器,即控制前照灯的开启和关闭。在夜间,日照传感器还可根据窗外明暗情况,实现远近光自动调节。5.4 汽车信息系统1 信息显示
23、与报警系统2 语言信息系统3 车用定位和导航系统将全球定位系统(GPS)接收机安装在汽车上,利用各种传感器,如相对传感器、绝对传感器、转向角传感器、车轮传感器、罗盘等等精确测定汽车目前所在的位置,选择最佳行驶路线。5.5 驾驶舒适性控制1 自动空调控制利用温度传感器。2 自动座椅控制根据人体工程学和电子技术设计,是座椅能适合乘客不同体型、身材,满足乘客舒适性要求。5.6 安全防盗GPS机动车防盗系统是具有网络报警功能的汽车电子防盗系统。在汽车上安装GPS终端设备,卫星监控中心对车辆24小时不间断、高精度监控。6 未来汽车传感器的发展未来汽车的发展方向不仅要确保汽车功能的齐全,而且在可靠性、安全
24、性、舒适性等方面提出了更高、更精的要求,尤其在减少排气污染、降低油耗等方面需要做更多的开发,其主要特点是新结构、新材料和新工艺的广泛的应用。未来汽车传感器技术总的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。1 微型化微型传感器基于从半导体集成电路技术发展而来的MEMS。微型传感器利用微机械加工技术将微米级的敏感元件、信号处理器、数据处理装置封装在一块芯片上,具有体积小、价格便宜、便于集成的优点。目前,该技术日渐成熟。2 多功能化是指一个传感器能检测到两个或者两个以上的信号,从而减少汽车传感器的数量。例如,德国英飞凌公司开发了高集成度芯片SP35,它集成了压力传感器、加速度传感器、温度传感器、电
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