传统上,压力传感器一直用于工业自动化,但目前在汽车电子领域找到了更广泛的应用。多数厂商预测,汽车电子对压力传感器的使用量将以每年30%的速度增长。为此,多数厂商正在加大研发力度。
中国大陆的压力传感器约占总体传感器产量的25到30%,共有大约300家厂商生产压力传感器,其中多数大型压力传感器生产商都靠近科研院所和大学,主要生产基地是陕西的西安和宝鸡,以及长江三角洲的南京、昆山和上海,仅在宝鸡就有30家左右压力传感器生产商。
往日一些曾经作为豪华车高端配置的术语名词已经逐渐普及到中级车市场,如电子稳定控制(ESC)、电子助力转向系统(EPS)、刹车防抱死系统 (ABS)、加速防滑控制系统(ASR)、轮胎压力监视系统(TPMS)、雷达测距等等,而在这些术语的背后,则隐藏着花样繁多的传感器技术。
传感器的作用就是根据规定的被测量的大小,把光、时间、电、温度、压力及气体等的物理、化学量转换成信号。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。
一、发动机运行管理系统中的传感器应用和需求
发动机控制系统用传感器是整个汽车传感器的核心,种类很多,包括温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体浓度传感器和爆震传感器等。这些传感器向发动机的电子控制单元(ECU)提供发动机的工作状况信息,供ECU对发动机工作状况进行精确控制,以提高发动机的动力性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测。
由于发动机工作在高温(发动机表面温度可达150℃、排气歧管可达650℃)、振动(加速度30g)、冲击(加速度50g)、潮湿 (100RH,-40℃-120℃)以及蒸汽、盐雾、腐蚀和油泥污染的恶劣环境中,因此发动机控制系统用传感器耐恶劣环境的技术指标要比一般工业用传感器高1-2个数量级,其中最关键的是测量精度和可靠性。否则,由传感器带来的测量误差将最终导致发动机控制系统难以正常工作或产生故障。
1、温度传感器
温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。温度用传感器有线绕电阻式、热敏电阻式和热偶电阻式三种主要类型。三种类型传感器各有特点,其应用场合也略有区别。线绕电阻式温度传感器的精度高,但响应特性差;热敏电阻式温度传感器灵敏度高,响应特性较好,但线性差,适应温度较低;热偶电阻式温度传感器的精度高,测量温度范围宽,但需要配合放大器和冷端处理一起使用。
已实用化的产品有热敏电阻式温度传感器(通用型-50℃~130℃,精度1.5,响应时间10ms;高温型600℃~1000℃,精度5,响应时间 10ms)、铁氧体式温度传感器(ON/OFF型,-40℃~120℃,精度2.0)、金属或半导体膜空气温度传感器(-40℃~150℃,精度2.0、 5,响应时间20ms)等。
2、压力传感器
压力传感器主要用于检测气缸负压、大气压、涡轮发动机的升压比、气缸内压、油压等。吸气负压式传感器主要用于吸气压、负压、油压检测。汽车用压力传感器应用较多的有电容式、压阻式、差动变压器式(LVDT)、表面弹性波式(SAW)。
电容式压力传感器主要用于检测负压、液压、气压,测量范围20~100kPa,具有输入能量高,动态响应特性好、环境适应性好等特点;压阻式压力传感器受温度影响较大,需要另设温度补偿电路,但适应于大量生产;LVDT式压力传感器有较大的输出,易于数字输出,但抗干扰性差;SAW式压力传感器具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、分辨率高、数字输出等特点,用于汽车吸气阀压力检测,能在高温下稳定地工作,是一种较为理想的传感器。
3、流量传感器
流量传感器主要用于发动机空气流量和燃料流量的测量。空气流量的测量用于发动机控制系统确定燃烧条件、控制空燃比、起动、点火等。空气流量传感器有旋转翼片式(叶片式)、卡门涡旋式、热线式、热膜式等四种类型。旋转翼片式(叶片式)空气流量计结构简单,测量精度较低,测得的空气流量需要进行温度补偿;卡门涡旋式空气流量计无可动部件,反映灵敏,精度较高,也需要进行温度补偿;热线式空气流量计测量精度高,无需温度补偿,但易受气体脉动的影响,易断丝;热膜式空气流量计和热线式空气流量计测量原理一样,但体积少,适合大批量生产,成本低。空气流量传感器的主要技术指标为:工作范围0.11~103立方米 /min,工作温度-40℃~120℃,精度≤1。
燃料流量传感器用于检测燃料流量,主要有水轮式和循环球式,其动态范围0~60kg/h,工作温度-40℃~120℃,精度±1,响应时间小于10ms。
4、位置和转速传感器
位置和转速传感器主要用于检测曲轴转角、发动机转速、节气门的开度、车速等。目前汽车使用的位置和转速传感器主要有交流发电机式、磁阻式、霍尔效应式、簧片开关式、光学式、半导体磁性晶体管式等,其测量范围0°~360°,精度±0.5°以下,测弯曲角达±0.1。
车速传感器种类繁多,有敏感车轮旋转的、也有敏感动力传动轴转动的,还有敏感差速从动轴转动的。当车速高于100km/h时,一般测量方法误差较大,需采用非接触式光电速度传感器,测速范围0.5~250km/h,重复精度0.1,距离测量误差优于0.3。
5、气体浓度传感器
气体浓度传感器主要用于检测车体内气体和废气排放。其中,最主要的是氧传感器,实用化的有氧化锆传感器(使用温度-40℃~900℃,精度1)、氧化锆浓差电池型气体传感器(使用温度300℃~800℃)、固体电解质式氧化锆气体传感器(使用温度0℃~400℃,精度0.5),另外还有二氧化钛氧传感器。和氧化锆传感器相比,二氧化钛氧传感器具有结构简单、轻巧、便宜,且抗铅污染能力强的特点。
6、爆震传感器
爆震传感器用于检测发动机的振动,通过调整点火提前角控制和避免发动机发生爆震。可以通过检测气缸压力、发动机机体振动和燃烧噪声等三种方法来检测爆震。爆震传感器有磁致伸缩式和压电式。磁致伸缩式爆震传感器的使用温度为-40℃~125℃,频率范围为5~10kHz;压电式爆震传感器在中心频率 5.417kHz处,其灵敏度可达200mV/g,在振幅为0.1g~10g范围内具有良好线性度。
二、底盘系统中的传感器应用和需求
底盘控制用传感器是指分布在变速器控制系统、悬架控制系统、动力转向系统、防抱制动系统中的传感器,在不同系统中作用不同,但工作原理与发动机中传感器是相同的,主要有以下几种形式传感器:
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、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。
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。
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。
三、汽车定位系统中的传感器应用和需求
随着基于GPS/GIS(全球定位系统和地理信息系统)的导航系统在汽车上的应用,导航用传感器这几年得到迅速发展。
导航系统用传感器主要有:确定汽车行驶方向的罗盘传感器、陀螺仪和车速传感器、方向盘转角传感器等。
四、汽车其他系统中的传感器应用和需求
采用这类传感器的主要目的是提高汽车安全性以及舒适性等。
1、自动空调系统中的多种温度传感器、风量传感器、日照传感器等;
2、安全气囊系统中的加速度传感器;
3、亮度自控中的光传感器;
4、死角报警系统中的超声波传感器;
5、汽车轮胎中的微型压力传感器,可以保持适当充气,避免充气过量或不足。
五、车用传感器研发趋势
随着电子技术的发展和汽车电子控制系统应用的日益广泛,未来的汽车用传感器技术,总的发展趋势将是微型化、多功能化、集成化和智能化。这些传感器将逐步取代传统的传感器,最终将成为汽车传感器的主流。
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(微电子机械系统),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快芯片上,由于具有体积小、价格便宜、便于集成等特点,可以明显提高系统测试精度。
目前该技术日渐成熟,可以制作各种能敏感和检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的微型传感器。由于基于MEMS技术的微型传感器在降低汽车电子系统成本及提高其性能方面的优势,它们已开始逐步取代基于传统机电技术的传感器。
2、多功能化
多功能化一个传感器能检测2个或者两个以上的特性参数或者化学参数,从而减少汽车传感器数量,提高系统可靠性。
3、集成化
集成化是指利用IC制造技术和精细加工技术制作IC式传感器。
4、智能化
智能化是指传感器与大规模集成电路相结合,带有CPU,具有智能作用,以减少ECU的复杂程度,减少其体积,并降低成本。
六、车用传感器的市场前景
随着电子技术的发展,汽车电子化程度不断提高,通常的机械系统已渐渐被电子控制系统代替。目前,普通汽车上大约装有10-20只传感器,高级豪华轿车则可以多达200只。
车用传感器可细分为三类:动力总成,底盘与车身。在这些应用中,动力总成传感器所市场比例最大,2007年全球规模达47亿美元,底盘传感器为21亿美元,车身传感器占13亿美元。预计2012年动力总成传感器市场将达到77亿美元,复合年增长率为10.5%。
底盘传感器市场将增长到35亿美元,复合年增长率为11%。2012年车身传感器市场将达到22亿美元,复合年增长率为11.7%。预计2012年全球汽车传感器市场将从2007年的80亿美元上升到135亿美元,复合年增长率为10.8%。
最新调查数据显示,2006年中国汽车传感器的市场销售额达到3.9亿美元,同比增长率为42.8%,2007年-2010年期间中国汽车传感器市场销售额的年度复合增长率将超过35%。预计2007年市场销售额将达到5.4亿美元,其同比增长率为36.3%;预计2009年市场销售额将接近10.5亿美元,其同比增长率为40.5%;预计2010年市场销售额将超过13.2亿美元,其同比增长率为35.2%。