第3章汽车传感器 作为汽车“感觉器官”的传感器将各种输入参量转换为电信号,这些电信号是调节和控 制发动机管理系统、底盘控制系统、车身各电子控制系统、信息通信系统等所必需的。 3.汽车传感器的类型与要求 1 3.1 传感器的基本功能 1. 传感器是能感受规定的被测量(物理或化学等量,一般为非电量), 并按照一定规律转换 成可用输出信号(电量)的器件或装置。或者可以说:传 感器就是将光、时间、电、温度、压力和气体等的物理化学 量转换成电信号的变送器。在考虑到干扰输入Di 后,传 感器将物理或化学参量 X (大多为非电量)转换为电量 Y。这一转换过程如图3-1所示。图3-1 传感器基本功能图 传感器的特性可以用下列方程式表示: X =f(Y,D1,D2,…) 如果已知函数f,则该方程式即为传感器的数学模型。利用该方程式,就可以从输出信 号 Y 和干扰输入Di 准确地计算出所求的测量参量。 3.2 汽车传感器的分类 1. 1. 按能量关系分类 传感器按能量关系分类,可分为主动型和被动型传感器。汽车上使用的传感器大多数 属于被动型传感器,这种被动型传感器需要外加输入电源(一般为+5V), 才能输出电子信 号。例如温度传感器,它以改变电阻值的方式向外输出电信号,但信号的输出需要测试回路 提供电源。电源的输出能量要受测试对象输出信号所控制。采用电阻、电感、电容及应变效 应、磁阻效应、热阻效应制成的传感器都属于被动型传感器。 主动型传感器是指传感器本身在吸收了能量(光能和热能)经变换后再输出电能。例 如,太阳能电池和热电偶输出的电能分别来源于传感器吸收的光能和热能。因此主动型传 感器不需要外加电源,它本身是一个能量变换器。例如,用压电效应、磁致伸缩效应、热电效 应、光电效应等制成的传感器都属于主动型传感器。 2. 按信号转换分类 按信号转换关系分类,可分为:由一种非电量转换成另一种非电量的传感器,如弹性敏 感传感器;由非电量转换成电量的传感器,如热电偶温度传感器、压电式加速度传感器等。 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 第 3 章　汽车传感器61 力、真空度、温度、电流、气体成分、浓度传感器等。 4. 按传感器的工作原理分类 按传感器的工作原理分类,有电阻式、电容式、应变式、电感式、光电式、光敏式、压电式、 热电式传感器等。 5. 按输出信号分类 按传感器输出信号分类,有模拟式和数字式传感器两种。一般来说,电压、电流、阻抗等 都是模拟信号。例如,用直流电压信号来传递一个“量”时,只要把“量”的值变化成直流电压 就可以了。电压低时传递的“量”比较小,电压高时传递的“量”比较大,即用电信号的变化来 传递“量”的变化情况。所谓“数字信号”,就是表示量的符号,汽车电子控制系统中一般用二 进制数表示数字信号。与连续的模拟量不同,数字式传感器的输出是离散的数值或符号,与 此对应的有通、断(ON/OFF)型传感器。图3-2所示为电压型、频率型和脉冲宽度型信号输 出形式的示意图。 图3-2 传感器输出形式示例 (a)电压U、频率f;(b)电压U、脉宽Tp 6. 按使用功能分类 汽车各种传感器按其使用功能又可分为两类,一类是使驾驶员了解汽车各部分状态的 传感器,另一类是用于控制汽车运行的传感器,汽车传感器的种类如表3-1和图3-3所示。 表3- 1 汽车传感器的种类 种类 温度传感器 压力传感器 转速传感器 加速度传感器 流量传感器 检测量或检测对象 冷却液温度、排出气体(催化剂)温度、进气温度、机油温度、自动变速器油温、车 内外空气温度、燃油温度、蓄电池温度、蒸发器出口温度 进气歧管压力、大气压力、燃烧压力、发动机机油压力、自动变速器油压、制动油 压、轮胎气压、制冷剂压力 曲轴转速、车轮轮速、凸轮轴转速、变速器输入轴转速、变速器输出轴转速、压缩 机转速 横向加速度、纵向加速度、爆燃、碰撞 吸入空气量、燃料流量、废气再循环量、二次空气量、制冷剂流量、雨量 62 汽车电子控制基础(第3版) 续表 种类 液量传感器 位移与方位传感器 气体浓度传感器 其他传感器 检测量或检测对象 燃油、冷却液、电解液、洗窗液、机油、制动液 节气门开度、废气再循环阀开度、车身高度(悬架、位移)、转向盘转角、加速踏板 开度、行驶距离、行驶方位 氧气、二氧化碳、NOx 、HC 、柴油温度 转矩、燃料成分、温度、玻璃结露、鉴别饮酒、睡眠状态、电池电压、蓄电池容量、灯 泡断线、荷重、风量、日照、光照、视觉等 图3-3 汽车上的各种传感器 3.3 汽车传感器的性能要求 1. 汽车传感器的性能指标包括精度指标、响应性、可靠性、耐久性、结构紧凑性、适应性、输 出电平和制造成本等。汽车传感器性能要求如下: (1)有较好的环境适应性。汽车工作环境温度为-40~80℃,在各种道路条件下运行, 特别是发动机承受着巨大的热负荷、热冲击、振动等,因此要求传感器能适应温度、湿度、冲 击、振动、腐蚀及油液污染等恶劣工作环境。 (2)有较高的工作稳定性及可靠性。 (3)再现性好。即使传感器线性特性不良,通过ECU 也应可以进行修正。 第 3 章　汽车传感器63 (4)具有批量生产和通用性。由于汽车工业的发展,要求传感器应具有批量生产的可 能性。一种传感器可用于多种控制,如把速度信号微分,可得到加速度信号等,所以传感器 应具有通用性。 (5)要求小型化,便于安装使用,检测识别方便。 (6)应符合有关标准要求。 (7)传感器数量不受限制。 在现代汽车电子控制系统中,传感器可把被测参数转变成电信号,无论参数数量怎样 多,只要把传感器信号输入ECU,就可以进行处理,实现高精度控制。表3-2中给出了一些 汽车传感器的检测项目和精度要求。 表3- 2 部分汽车传感器的检测项目和精度要求 传感器类型检测范围精度要求分辨能力响应时间 进气歧管压力 空气流量 冷却液温度 曲轴转角 节气门开度 排气中氧浓度 10~100kPa 6~600kg/h -50~150℃ 10°~360° 0°~90° 0.4~1.4 ±2% ±1% ±0.2% ±0.5° ±1% ±1% 0.1% 0.1% 1℃ 1° 0.2° 1% 2.5ms 2.5ms 10s 20μs 10ms 10ms 3.4 汽车传感器的选用原则 1. 1. 量程的选择 量程是传感器测量上限和下限的代数差。例如检测车高用的位移传感器,要求测量上 限为40mm,测量下限为-40mm,则选择车身位移传感器的量程应为80mm 。 2. 灵敏度的选择 传感器输出变化值与被测量的变化值之比称为灵敏度。例如,测量发动机冷却液温度 的传感器,它的测量变化值为170℃(-50~120℃), 而它的输出电压值要求为0~5V,所以 选择其灵敏度为5V/170℃ 。 3. 分辨率的选择 分辨率表示传感器可能检测出的被测信号的最小增量。例如,发动机曲轴的位置传感 器,要求分辨率为1°,也就是表示设计或选择数字传感器时,它的脉冲当量选择为1°。 4. 误差的选择 误差是指测量值与真实值之间的差。有的用绝对值表示,例如冷却液温度传感器的绝 对误差为±0.2℃,有的用相对于满量程之比来表示。例如,空气流量传感器的相对误差为 ±1% 。传感器误差是系统总体误差所要求的,应当得到满足。 5. 重复性的选择 重复性是指传感器在工作条件下,被测量的同一数值,在一个方向上进行重复测量时, 测量结果的一致性。例如,检测发动机在转速上升时期对某一个速度重复测量时,数值的一 致性或误差值,应满足规定要求。 64 汽车电子控制基础(第3版) 6. 线性度的选择 汽车传感器的线性度是指它的输入输出关系曲线与其理论拟合直线之间的偏差。这种 偏差要选择大小一定、重复性好,而且有一定的规律,这样在ECU 处理数据时可以用硬件 或软件进行补偿。 7. 过载的选择 过载表示传感器允许承受的最大输入量(被测量)。在这个输入量作用下传感器的 各项指标应保证不超过其规定的公差范围。一般用允许超过测量上限(或下限)的被 测量值与量程的百分比表示。选择时只要实际工况超载量不大于传感器说明书上的 规定值即可。 8. 可靠度的选择 可靠度是在规定条件(规定的时期,产品所处的环境条件、维护条件和使用条件等)下, 传感器正常工作的可能性。例如进气歧管压力传感器的可靠度为0.它是指进气 997(2000h), 它的可靠性( 为0. 歧管压力传感器符合上述条件时,工作在2000h 内, 概率) 997(99.7% )。在 选择时,要求传感器的工作时间长短及概率两指标都要符合要求,才能保证整个系统的可靠 性指标。 9. 响应时间的选择 传感器的响应时间(或称建立时间)是指阶跃信号激励后,传感器输出值达到稳定值的 最小规定百分数(如5%)时所需的时间。例如压力传感器响应时间要求是10ms,也就是要 求该传感器在工作条件下,从输入信号加入后,要经10ms 后,它的输出值才达到所要求的 数值。该参数大小直接影响汽车工况变换的时间,例如汽车起动时间的长短。 3.5 传感器的配置方式 1. 传感器与控制单元的配置方案有多种,主要配置方案如表3-3所示。 方案1中的传感器只有转换器,信号调理和A/D转换器都在控制单元里执行,输出模 拟信号。这种配置的缺点是只能传输短距离信号,不能无干扰地长距离传输,如冷却液温度 传感器、节气门位置传感器、磁感应式转速传感器等。 方案2所示是信号调理集成在传感器内部,信号调理直接在传感器内部完成,输出标准 的模拟信号,例如燃油压力传感器、进气歧管压力传感器等。 方案3所示是信号调理、A/D转换器均与传感器集成在一起。这种配置方案的优点在 于,可能受外部干扰的模拟信号在传感器内部高度集成了,外界的干扰不受影响,直接输出 数字信号至控制单元,如AMR 转角传感器、GMR 转角传感器等。 方案4所示配置方案集成度更高,信号调理、A/D转换器、微控制器、转换器四者集于 一体,传感器通过总线系统(例如CAN 总线、Flexray总线)与其他控制单元连接,输出数字 信号,在局域网内以多路传输方式传输传感器信息,例如,转向盘转角传感器、毫米波雷达、 激光雷达等。 第 3 章　汽车传感器65 表3- 3 传感器与控制单元的配置方案 方案类型 方案1 方案2 方案3 方案4 具体配置 1.传感器标定 3.6 1. 传感器的参数标定 传感器标定是确定传感器输入量与输出量之间的关系,包括内参标定与外参标定。 (1)传感器内参标定,一般指将传感器读数校正至实际数值处,通过修正变换进行,更 关注准确度。不同的传感器有不同的标定内容,例如,视觉传感器内参标定主要关注像素、 色温、畸变等,距离传感器内参标定主要关注距离检测值与实际值是否在误差范围内。通常 内参标定在工厂进行。 (2)传感器外参标定,一般指传感器与外界工作环境进行参数融合的标定。例如定位 传感器通常自身有一个坐标系,在不同传感器数据融合的过程中,数据在不同坐标系下的转 换需要使用2个坐标系的外参,通常为旋转矩阵和平移矩阵。例如,把激光雷达安装到车体 以后,需要把激光雷达的坐标系转化到统一的车体坐标系。 2. 传感器的特性标定 (1)传感器静态特性标定。传感器的静态特性是指在静态信号作用下,传感器输出量 与输入量之间的一种函数关系。传感器静态特性标定过程主要方法如下: 步骤1:将传感器全量程标准输入量分成若干个间断点,取各点的值作为标准输入值。 步骤2:由小到大一点一点地输入标准值,待输出稳定后记录与各输入值相对应的输 出值。步 骤3:由大到小一点一点地输入标准值,待输出稳定后记录与各输入值相对应的输 66 汽车电子控制基础(第3版) 出值。步 骤4:按步骤2和3所述过程,对传感器进行正、反行程往复循环多次测试,将所得输 入和输出数据用表格列出或画出曲线。 步骤5:对测试数据进行必要的分析和处理,以确定该传感器的静态特性指标。 (2)传感器动态特性标定。传感器的动态特性是指传感器在测量快速变化的输入信号 情况下,输出量对输入量的响应特性。传感器动态特性标定是指确定传感器的动态特性参 数对输出量的影响,如时间常数、上升时间或工作频率、通频带等。 传感器标定应该使静态特性和动态特性都符合要求。以激光雷达标定为例,首先进行 激光雷达外部安装参数的标定,然后通过激光雷达返回的极坐标数据实现单个激光雷达的 数据转换,最后实现多个激光雷达数据转换。 标定传感器时必须要遵守的一个原则是:用精度高的测量规范对精度低的测量规范进 行校正。例如量块可以标定千分尺,量块测得值被认为是实际值,而千分尺测得值称为读 数。测量时还需要考虑测不准原理,随机误差的存在使得每次测量都无法得到精确的值,但 多次测量的读数一般呈正态分布,可用多次测量取平均值的方法消除随机误差的影响。 3.汽车温度传感器 2 3.1 温度传感器在汽车上的应用 2. 汽车上的热源较多,对这些热源介质的测量,将有效地监测各部件的运转状况,对汽车 控制参数进行控制。汽车上各测温介质及其温度变化范围见表3-4。 表3- 4 汽车上各测温介质及其温度变化范围 测温介质温度范围/℃ 测温介质温度范围/℃ 进气或增压空气 外部空气 车内空气 暖气通风空气 空调蒸发器介质 冷却液 -40~170 -40~60 -20~80 -20~60 -10~50 -40~130 发动机机油 蓄电池电解液 燃油 轮胎内空气 废气 制动钳(刹车钳) -40~170 -40~100 -40~120 -40~120 100~1000 -40~2000 对不同测温介质需要安装相应的温度传感器,汽车上主要温度传感器的类型及功能见 表3-5。 表3- 5 汽车上主要温度传感器的类型及功能 名称外形或安装位置测温原理功能 冷却液温度 传感器 热敏电阻 俗称水温传感器,一般安装在缸体 水道上、缸盖水道上、上出水管等 处,与冷却液接触,用来检测发动机 的冷却液温度 第 3 章　汽车传感器67 续表 名称外形或安装位置测温原理功能 进气温度传 感器 热敏电阻 检测进入进气管道中的空气温度, 向ECU 输入进气温度信号,作为燃 油喷射和点火正时的修正信号。一 般安装在空气滤清器之后的进气软 管上,或安装在空气流量传感器上, 或安装在进气压力传感器内 自动变速器 油温传感器 热敏电阻 安装在自动变速器油底壳内的阀板 上,用于检测自动变速器液压油的 温度,以作为电控单元进行换挡控 制、油压控制和锁止离合器控制的 依据 发动机油温 传感器 热敏电阻 检测发动机机油温度,用于机油温 度过高报警 燃油温度传 感器 热敏电阻 产生的信号用来监测燃油温度。发 动机控制单元需要这个信号来计算 喷油始点和喷油量。温度不同,燃 油密度也不相同。另外,此信号也 用来控制燃油冷却泵开关接合。不 同的燃油控制系统,其燃油温度传 感器的安装位置是不同的,但均安 装在进油油路上 排气温度传 感器 热敏电阻热 电偶 又称催化剂温度传感器,其作用是: 在催化转化器异常发热时,能够快 速地发出报警信号,以便保护催化 转化器并防止高温引发故障。排气 温度传感器安装在催化剂变换器的 后面,它不仅总是处于高温、具有腐 蚀性的排放气体中,而且还要反复 承受从低温区怠速起动至满负荷高 温条件下的温度急剧变化,承受发 动机与车身的振动;还要具有防水 性;防路面的飞石等 68 汽车电子控制基础(第3版) 续表 名称外形或安装位置测温原理功能 车内温度传 感器 热敏电阻 用于测量车内温度,把信号传送给 自动空调的电子控制单元。车内温 度传感器安装于汽车车厢内的风道 中,一般有1~2个 车外温度传 感器 热敏电阻 用于检测车辆外部的空气温度,向 自动空调ECU 输入车外温度信号。 一般安装在前保险杠的后面 蒸发出口温 度传感器 热敏电阻 用于检测蒸发器表面的温度变化情 况,以控制压缩机的工作状况。一 般安装在空调出风口处蒸发器的壳 体或蒸发器片上 水温表传 感器 热敏电阻 用于检测发动机冷却液温度,以驱 动水温表的指针摆动 散热器水温 开关 双金属片热 敏铁氧体 用于检测发动机冷却水温、通断电 信号,由此控制散热器冷却风扇工 作状态 EGR 温度 传感器 热敏电阻 用于检测EGR 阀内再循环气体的 温度变化情况和EGR 阀的工作是 否正常以提醒驾驶员。一般安装于 EGR 阀的进气道上 第 3 章　汽车传感器69 续表 名称外形或安装位置测温原理功能 燃烧温度传 感器 热电偶 用于检测燃烧室燃烧时的温度,以 检测发动机燃烧状态 3.2 热敏电阻式温度传感器 2. 1. 热敏电阻的特点 1)优点 (1)灵敏度较高,其电阻温度系数要比金属大10~100 倍以上,能检测出10-6℃的温度 变化; (2)工作温度范围宽,常温器件适用于-55~315℃,高温器件适用温度高于315℃(目 前最高可达到2000℃), 低温器件适用于-273~-55℃; (3)体积小,能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度; (4)使用方便, 1100kΩ 间任意选择; 电阻值可在0.~ (5)易加工成复杂的形状,可大批量生产; (6)稳定性好、过载能力强 。 2)缺 点 (1)因电阻与温度间的非线性程度较严重,需要作线性处理; (2)热敏电阻一致性差,互换性差; (3)振动严重的场合可能会造成破损。 2. 热敏电阻的结构形式 热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感元 件,是由一金属氧化物,如钴、锰、镍等的氧化物, 采用不同比例的配方,经高温烧结而成。然后采 用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状、垫圈状 等各种形状,其结构形式如图3-4所示。它主要由 热敏元件、引线和壳体组成。 3. 热敏电阻的特性 热敏电阻按半导体电阻随温度变化的典型特 性分为三种类型:负电阻温度系数热敏电阻 (NTC )、正电阻温度系数热敏电阻(PTC)和在某 一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻 图3-4 热敏电阻的结构形式 (a)珠状;(b)片状;(c)杆状;(d)垫圈状