汽车压力传感器

汽车压力传感器 汽车压力传感器及其发展趋势 于新龙 摘要:详细介绍了汽车上所使用的传感器种类，特别是所用到的压力传感器及其用途。 介绍了几个广泛使用的汽车压力传感器和几个新型压力传感器。最后预测汽车传感器 的发展方向。 关键词:汽车;压力传感器;发展方向。 Abstract:This paper introduced some types of sensors used on vehicles, especially the pressure sensors and their application on vehicles. Then a brief introduction of some widely used and new types of pressure sensors are given. In the end, the future development trends are predicted. Key words:vehicle; pressure sensor; development trends. 1. 汽车传感器概述 现代汽车技术发展特征之一就是越来越多的部件采用电子控制。随着汽车电子技术设备的不断更新，各种用途的传感器越来越多地出现在汽车上，特别是计算机在汽车上的应用，更加确定了传感器在汽车电子设备中的重要地位。车用传感器是促进汽车高档化、电子化、自动化发展的关键技术之一，目前一般普通汽车装有几十个到近百个传感器，高级豪华汽车大约使用200,300 个传感器。电子技术的发展和进步促进了汽车工业的发展，利用先进的车用传感器技术充当汽车电子及自动控制技术的“眼睛”，是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。 在种类繁多的传感器中，常见的有: 进气压力传感器:反映进气歧管内的绝对压力大小的变化，是向ECU(发动机电控单元)提供计算喷油持续时间的基准信号; 空气流量计:测量发动机吸入的空气量，提供给ECU作为喷油时间的基准信号; 节气门位置传感器:测量节气门打开的角度，提供给ECU作为断油、控制燃油/空气比、点火提前角修正的基准信号; 曲轴位置传感器:检测曲轴及发动机转速，提供给ECU作为确定点火正时及工作顺序的基准信号; 氧传感器:检测排气中的氧浓度，提供给ECU作为控制燃油/空气比在最佳值附近的的基准信号; 进气温度传感器:检测进气温度，提供给ECU作为计算空气密度的依据; 冷却液温度传感器:检测冷却液的温度，向ECU提供发动机温度信息; 爆震传感器:安装在缸体上专门检测发动机的爆燃状况，提供给ECU根据信号调整点火提前角。 这些传感器主要应用在变速器、方向器、悬架和ABS上。 汽车传感器中使用量较多、发展得最快的是压力传感器。汽车中使用压力传感器主要在以下几个方面: 1. 涡轮发动机的压力升压比监控传感器; 2. 燃料喷射压力的监控传感器; 3. 油压监视传感器; 4. 变速器油压控制传感器; 5. 制动系统防止车轮抱死的制动压力传感器; 6. 用于海拔高度测量,以使实施最佳燃料喷射点火控制的大气压力传感器; 7. 悬架装置的控制用油压传感器(汽车高度、减震力弹性系数的测控) ; 8. 动力转向装置的油压控制; 9. 发动机液压传感器; 10. 轮胎欠压报警; 11. 发动机控制系统中直接测量燃烧压力的微压力传感器; 12. 旅客人身安全保护气囊用压力传感器; 13. 汽缸内压力检测的动态压力传感器。 各种传感器虽然作用不尽相同，但有共同的工作特性: 1. 特性稳定、可靠性高; 2. 适宜批量生产、成本低; 3. 体积小、重量轻、安装和更换方便; 4. 耐高温和低温特性佳; 5. 抗振动、冲击和加速度能力强; 6. 耐尘埃、冲洗和潮湿能力强; 7. 即使有(6,16) V 的电压变化,也能正常工作; 8. 具有强抗腐蚀、耐老化能力、抗电磁干扰能力。 2. 几种类型的压力传感器 2.1应变式压力传感器 应变式传感器的工作原理基于电阻应变效应，即导体在外界作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化。通过电阻值的变化与输出电信号变化的关系计算出应变的大小，进而计算出所求压力。 应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力，如动力管道设备的进出口气体或液体压力、发动机内部的压力、内燃机管道的压力等。 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。 图2.1所示为膜片式压力传感器, 应变片贴在膜片内壁, 在压力p作用下, 膜片产生径向应变ε和切向应变ε, 表达式分别为: rt 2223P(1)(R3x),,, ,,r28hE 2223P(1)(Rx),,, ,,t28hE 图2.1 膜片式压力传感器 (a)应变变化图 (b)应变片粘贴 式中: p——膜片上均匀分布的压力; R, h——膜片的半径和厚度; x——离圆心的径向距离。 由应力分布图可知, 膜片弹性元件承受压力p时, 其应变变化曲线的特点为: 当x=0时, ε=ε;当x = R时, ε= 0, ε=-2ε。 rmaxtmaxtrrmax 根据以上特点, 一般在平膜片圆心处切向粘贴R、R两个应变片, 在边缘处沿径14 向粘贴R、R两个应变片, 然后接成全桥测量电路。 23 2.2 电容式压力传感器 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器, 如果不考虑边缘效应, A其电容量为: ,c , d 式中: ε——电容极板间介质的介电常数, ε =ε?ε, 其中ε为真空介0r0电常数, ε为极板间介质相对介电常数; r A——两平行板所覆盖的面积; d——两平行板之间的距离。 式中A，d或ε发生变化时, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输出。因此, 电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。 图2.2所示为差动电容式压力传感器的结构图。图中所示为一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器。 图2.2 差动电容式压力传感器 当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时, 形成的两个电容器的电容量,一个增大, 一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。计算后可得到相应的压力或压力差。 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。 2.3 压阻式压力传感器 压阻式压力传感器的压力敏感元件是压阻元件, 它是基于压阻效应工作的。 所谓压阻元件实际上就是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻, 当它受外力作用时, 其阻值由于电阻率的变化而改变。 图2.3是压阻式压力传感器的结构示意图。 在一块圆形的单晶硅膜片上, 布置四个扩散电阻, 组成一个全桥测量电路。膜片用一个圆形硅杯固定, 将两个气腔隔开。一端接被测压力, 另一端接参考压力。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承受的压差的大小。 图2.3 压阻式压力传感器 压阻式压力传感器的主要优点是体积小, 结构比较简单, 动态响应也好, 灵敏度高, 能测出十几帕斯卡的微压, 它是一种比较理想, 目前发展和应用较为迅速的一种压力传感器。这种传感器测量准确度受到非线性和温度的影响, 从而影响压阻系数的大小。 现在出现的智能压阻压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿,它利用大规模集成电路技术, 将传感器与计算机集成在同一块硅片上, 兼有信号检测、处理、记忆等功能, 从而大大提高传感器的稳定性和测量准确度。 压阻式压力传感器具有信号调制、自校、非线性和温漂、信号输出的功能，全温度范围内达到高精度，几乎达到了产品完全互换的程度，适应于大量生产。 压阻式压力传感器广范用于汽车中流体压力、差压、液位等的测量。 除此之外还有差动变压器式压力传感器(LVDT)、表面弹性波式压力传感器(SAW), 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. 未来汽车传感器发展趋势 未来的汽车传感器技术的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。 随着技术、材料技术，特别是Mems (微电子机械系统)技术的发展，微型传感器提高到了一个新的水平，利用微电子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同一芯片上，它具有体积小、价格便宜、可靠性高等特点，并且可以明显提高系统测试精度。 汽车传感器和电子系统向着采用Mems传感器的方向发展。Philips Electronics 公司和Continental Treves公司10年销售1亿只用于汽车ABS系统的传感器芯片, 生产上达到了一个新的里程碑。 两个公司共同开发有源磁场传感器的前瞻性技术,产品应用在汽车厂家生产的最新的轿车上。Continental Teves公司用这种磁阻式转速传感器制作了轮速传感器, 用于ABS系统,防滑系统等。 Mems传感器成本低、可靠性好、尺寸小，可以集成在新的系统中,工作时间达到几百万个小时。Mems器件最早的是绝压传感器(Map)和气囊加速度传感器。目前，正在研发和小批量生产的MEMS/MST产品有:轮速旋转传感器, 胎压传感器, 制冷压力传感器, 发动机油压传感器, 刹车压力传感器和偏离速率传感器等等。 在今后的5-7年Mems器件将大量应用到汽车系统中。 随着微电子技术的发展和电子控制系统在汽车上的应用迅速增加，汽车传感器市场需求将保持高速增长，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。 多功能化是指一个传感器能检测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。 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。 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。 参考文献 1. 陶宝祺.电阻应变式传感器. 北京:国防工业出版社，1993 2. 贾伯年.传感器技术.南京:东南大学出版社，1990 3. 魏文广.现代传感技术.沈阳:东北大学出版社，2001