当代传感器作用

zuiqinghuan1969

电子技术已经成为新一代汽车发展方向的主导因素,而传感器是电子技术的核心元件,现代汽车越来越多地应用了传感器,以提高汽车发动机的经济、动力和排放性能,改善底盘的制动操纵性能、转向性能和汽车行驶的安全性能。要实现这些目标的关键在于汽车的电子化和智能化，先决条件则是各种信息的及时获取，这势必要求在汽车中大量采用各种传感器。传统的传感器往往体积和重量大、成本高，它们在汽车的运用 受到很大的限定。近几年来，从半导体集成电路（IC）技能发展而来的微机电系统技能日渐成熟。微型传感器是目前最为成功并最具实用性的微型机电器件，主要包括运用 微型膜片的机械形变产生电信号输出的微型压力传感器和微型加快度传感器；此外，还有微型温度传感器、磁场传感器、气体传感器等，这些微型传感器的面积大多在1mm-2mm下。随着微电子加工技能，特别是纳米加工技能的进一步发展，传感器技能还将从微型传感器进化到纳米传感器。这些微型传感器体积小，可实现许多全新的功能，便于大批量和高精度生产，单件成本低，易构成大规模和多功能阵列，这些特性使得它们非常适合于汽车方面的运用 。
传感器技术在当代科技领域中占有十分重要的地位，是21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，在国外各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高打捞技术之首，美国等西方国家也将传感器的基本知识列为国家科技和国防技术发展的重点内容。当前，世界上正面临着一场新的技术革命，这场革命的主要基础就是信息技术。信息技术的发展给人类社会和国民经济的各个部门及各个领域都带来了巨大的、广泛的、深刻的变化，是当今人类社会发展的强大动力。并且正在改变着传统工业的生产方式，带动着传统工业和其他新兴产业的更新和变革。在军事国防、航空航天、海洋开发、生物工程、医疗保健、商检质检、环境保护、安全范围、家用电器等方面，几乎每一个现代化项目也都离不开传感器技 。  信息的采集是指从自然界中、以及生产过程中或科学实验中获取人们需要的信息。信息的采集是通过传感器技术实现的，因此传感器检测技术实质上也就是信息采集技术。显而易见，在现代信息技术的三大环节中，“采集”是首要的基础的一环，没有“采集”到的信息，通信“传输”就是“无源之水”，计算机“处理”更是“无米之炊”。
传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。如果说计算机是人类大脑的扩展,那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置——传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”。  
     传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一。传感器已广泛应用于航天、航空、国防科研、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林、渔业生产、食品、烟酒制造、机器人、家电等诸多领域,可以说几乎渗透到每个领域
然而随着计算机技术的飞速发展，信息处理技术也在不断更新完善。但作为提供信息的元件传感器，它的发展相对于计算机的信息处理功能来说就落后了。这使得自动检测技术受到影响，也直接影响到多种技术的进一步发展。基于上述因素，越来越多的科技工作者对传感器技术予以了高度的重视，促使传感器技术加速发展，以适应信息处理技术的需要。
传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
传感器的基本原理是光学三角法： 半导体激光器——>被镜片——>聚焦到被测物体——>反射光被镜片——>收集，投射到CMOS阵列上；信号处理器通过三角函数计算阵列④上的光点位置得到距物体的距离。
一、传感器的静态特性
传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。
1、线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。
2、灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用S表示灵敏度。
3、迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。
4、重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。
5、漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。
6、分辨力：当传感器的输入从非零值缓慢增加时，在超过某一增量后输出发生可观测的变化，这个输入增量称传感器的分辨力，即最小输入增量。
7、阈值：当传感器的输入从零值开始缓慢增加时，在达到某一值后输出发生可观测的变化，这个输入值称传感器的阈值电压。
二、传感器动态特性
所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
三、传感器的线性度
通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。
拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
四、传感器的灵敏度
灵敏度是指传感器在稳态工作情况，下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。
它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。
灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。
当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。
提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。
五、传感器的分辨率
分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨率时，其输出才会发生变化。
通常传感器在满量程范围内各点的分辨率并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨率的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。分辨率与传感器的稳定性有负相相关性。
不同用途的传感器装置在汽车的相关部位上，可有效监测车辆各个部位的工作状况。它们能够发现车辆的异常情况，以电信号方式向计算机报告，以便及时排除车辆故障，确保行车安全。目前传感器在汽车上的应用主要在以下几个方面。

一、空气温度传感器（ACT）
    空气温度传感器感测进入发动机进气歧管的空气温度。这种装置有一个热感电阻的触头，装置在空气滤清器或汽缸进气歧管的进气口。其电阻值随周围空气温度的变化而变化，从而发出不同电流值信号。如果进入发动机的空气温度低（或高）时，空气密度，即重量，会相应变大（或变小），传感器的这个信号将帮助电子计算机控制燃油喷射量，把空气-燃油混合的混合比调控到理想值，从而提高气缸的燃烧效率，降低油耗。
二、氧气量传感器（EGO）
    氧气量传感器能感测发动机排气中的氧气含量，又称为排气传感器。它能够指示发动机空气-燃料混合气是否过浓或过稀，是一个很重要的传感器。它牢固地拧装在排气总管或排气管上，触头伸入发动机排气管中。它的触头护套内部有一个二氧化锌陶瓷制作的特制芯套体，芯体表面镀上白金。这种芯体在一定的高温时，若内、外两表面分别与含氧量不同的气体接触，会产生微小的电压差，构成电压信号源。芯体装在一个金属壳套内，引出两个接线端头与电子计算机电路连接。传感器触头芯体的内外表面分别与气缸排气和外界大气接触，在温度不高时它是不起作用的。但当达到150℃（300°F）时，它就发出微弱的电压信号。若发动机的空气-燃料混合气过浓，将使排气中含有较少的氧气。这时因芯体两侧表面感触的氧气量差别增大，负氧离子（电子）在芯体内流动形成为微弱电流。发出不大于1V的电压。电压信号传送到电子计算机后，计算机就控制燃油喷射器减少喷油量，从而把空气-燃料混合气调整为恰当的混合比。
  三、空气量传感器
    空气量传感器能感测进入发动机气缸内的空气量，它是一种较为精确的、按空气重量（不是体积）计量的传感器。它由一个经常保持约25℃（75°F）的感触电阻丝或箔片配合一个电流加热片组成。当空气流流经电阻丝或箔片时，将使其温度下降，但加热片却向其通入适量的电流使其恢复到25℃的温度。空气流愈大时，通入的电流也愈大。通过传感器本身的微型电脑集成线路片使电阻丝一直保持25℃，并把通入电流的大小折算成空气量大小的电信号发送到电子计算机。由于它监测空气流的重量，已经包含了空气温度、大气压力及湿度等因素的影响，使用这种传感器时可以省去空气温度及大气压力传感器。
四、进气歧管压力（真空吸力）传感器（MAP）
    进气歧管压力是表征发动机负荷的很好标识。引擎重负荷及输出较高功率时的进气歧管压力较高（真空吸力较小），这时需要较浓的空气-燃料混合比及较少的点火提前量；反之则反。由此，电子计算机可以根据MAP监测进气歧管压力的电信号较为准确地把燃油喷射量及点火定时控制到最适合发动机负荷程度的值。在进气歧管的适当位置引出一根小吸力管与MAP连通，MAP即能监测出其内的真空压力。目前主要有硅片式传感器、膜片囊式压力传感器、容囊式传感器。
五、敲缸传感器
    敲缸传感器能感测发动机气缸爆燃、早燃或敲缸现象，这是一种装置在气缸体上的听觉传感器。它能感受到发动机爆燃时产生的“砰砰”敲缸声响，向电子计算机发出电压不足1V、频率为5-6千周的波纹电信号。计算机根据此信号及曲轴的曲拐角度位置信号与其内存数据相比较，适当地减退点火提前角度或减低增压器的压力，纠正气缸内的早燃、爆燃等不正常燃烧，消除敲缸。
六、曲轴及出轮轴传感器
    曲轴及出轮轴传感器，能感测曲拐、凸轮轴凸拐的角度（即活塞位置）。曲轴传感器在曲轴的前、后或侧部，有时装在点火系统分电器内，视发动机的设计而定。它能监测曲轴的转速或其曲拐角度位置。当固定装在曲轴（或分电器轴）上的触发轴随着曲轴转动并扫过（但未接触）激励线圈时，它发出微弱的交流电压，再通过放大器的放大及转换后构成脉冲电压信号。脉冲愈密则表示转速愈高。凸轮传感器构造与曲轴传感器相近。它装在凸轮轴上，常用以判定第一气缸的活塞在其压缩冲程上死点（即曲轴的曲拐垂直向上）位置的角度时刻。
七、低机油位传感器
    安装在发动机油底壳内一定高度位置的低机油位传感器在机油量充足时是被机油浸泡的，此时它不起作用。若机油量不足、油位过低，使其不被机油浸泡时，将因其散热条件不良而升温，其热敏电阻开关接通。这时电路上机油警示红灯亮，甚至自动迫使发动机熄火。
八、车速传感器
    车速传感器安装在汽车传动箱内速度表软轴上的端头，或仪表匣内速度表软轴的末端。它能在高、低不同的行车速度时发出高、低不同频率的电信号。电子计算机则按此信号控制变速箱的排档位置、点火定时、燃油喷射、排汽控制等均处于最恰当的状态。
九、发动机温度传感器（ECT）
    发动机温度传感器能感测发动机气缸内冷却水的温度，装在发动机冷却水（或防冻液）通道内的温度传感器的工作原理也是用热感电阻器发出信号。在温度低时，它的较低电阻发出较大电流信号给电子计算机。计算机则控制燃油喷射器向气缸喷入较多燃油；反之则相反。由此维持恰当的空气-燃油混合比及良好的气缸燃烧效率。
  十、节气门阀开度传感器（TPS）
    节气门阀开度传感器能感测发动机节气门阀的开启程度。这种与节气门阀板轴连接的传感器随阀板轴的转动角度（即节气门阀开度）成比例地改变其内部电位差变阻器的电阻，从而发出相应的电流信号。如果当司机踩动油门踏板时改变了节气门阀板的开度，同时也相应地改变了传感器的电阻，使其发出信号给电子计算机。计算机则据此控制燃油喷射器的喷油量、点火提前量及排气控制系统的工作等。
车用传感器和传感器技术正迅速发展、日趋成熟。08年全球传感器市场容量为506亿美元，预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本仍是传感器市场分布最大的地区。就世界范围，传感器市场增长最快的依旧是汽车市场。现可制作检测力学量、磁学量、热学量等各种微型传感器。敏感器件的种类越来越多，捕捉信息的范围也越来越宽。精度不断提高，寿命也逐渐增加；非接触传感器也有较快发展，如汽车速度传感器已被非接触式的雷达和光电传感器所替代；还有美国生产的曲轴扭矩非接触式传感器也已定型生产。对汽车已由控制发动机扩大到控制全车，实现了自动变速换挡，防滑制动。近几年汽车传感器主要增长领域见表1。 表１汽车传感器的主要增长领域 世界各国对汽车传感器的理论研究、新材料应用和新产品开发都相当重视，技术进步非常迅速。一些发达国家不断研发新型传感器并且提高其精度，使汽车性能大大提高。2010年前后，国外敏感元件与传感器发展的总趋势是小型化、集成化、阵列化、多功能化、智能化、系统化和网络化。传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国竞争将加速新一代传感器的开发和产业化。
国内技术发展现状
汽车传感器市场增长主要来自于工业电子设备和汽车电子、通信电子等，其中前两者是电子信息产业中增长最快，也是传感器应用最多的行业。随着国家汽车安全法规的实施，ABS、安全气囊的传感器将成为增长率最快的电子产品。但由于中国产品技术水平偏低，产品质量无法达到汽车市场的要求，因此汽车传感器中的高端产品依然无法自给，每年高性能汽车传感器的进口量就在50万套以上。 国内汽车传感器由于起步晚，还没形成系列化、配套化，尚未形成独立的产业，仍依附于汽车仪表行业，无自主知识产权，技术水平较低。如车速传感器采用的是电磁式或霍尔式，存在着信号精度、分解能力、匹配性、抗干扰性、耐环境能力差等问题，而国外同类产品采用的是光电式，不存在上述问题。我国核心总成控制系统所需要的传感器在应对恶劣环境的技术指标上还相差1～2个数量级，还难以完成恶劣环境的检测。国内现有最高水平的汽车传感器产品比国外同类产品竟落后l0多年。
解决方案可从几方面进行改进：（1）汽车传感器的测试系统。随着器件不断的增多，线路更加复杂，利用汽车传感器测试系统能方便快捷的检测出哪个传感器出现故障。（2）研发各类新型传感器。颗粒浓度传感器可减少尾气排放，提高燃油的利用率。这一新型传感器已在BMW公司最新款X6中应用；惯性传感器可应用到安全气囊中，不同的碰撞方向启动不同位置、大小的气囊。加强保护效果，完成多方位、多角度的保护。（3）提高精度。车用传感器种类繁多，如何使众多发挥着巨大作用的传感器集成在一起且越来越小，精度越来越高，成为新的研究方向。飞思卡尔的MMA622EG、MMA6255EG和MMA621010EG惯性传感器基于下一代高深宽比微机电系统(HARMEMS)技术，是一种经过验证的安全气囊传感应用技术。该加速计的先进转换器设计改善了传感器的偏移和过阻尼响应，从而有助于提高系统的可靠性及对高频率、高振幅寄生共振的衰减。这些器件能帮助识别可能引发安全气囊系统误报的状况。（4）利用新技术发展新功能：开发多功能化的传感器和将整形、放大、补偿等外围电路一体化的集成化传感器和智能型传感器，用大规模集成电路将传感器、处理电路、计算机芯片 等集成在同一芯片上而制成。
当今，由于人们对汽车的依赖性越来越强，随之对汽车的各种性能的要求也越来越高。于是，汽车传感器技术已经广泛地应用于汽车中各个机构和总成当中并加以明确的分类，提高了驾驶者的安全性和舒适性。可以说，现代的汽车如果没有传感器，可能就无法上路了。
车用传感器技术的日新月异必将对科学技术的迅猛发展、汽车性能的拓展起到举足轻重的作用。未来汽车传感器除具有抗干扰性强、灵敏度高、安装使用方便、质量轻、体积小、性能稳定、可靠性好等特点外，还应兼有检测、判断、修正、信息处理等功能。随着微电集成技术、纳米技术、离子注入、薄膜技术的日渐成熟，将会有更多品质优良、性能良好的汽
车传感器问世。未来传感器可以遍布整个汽车结构，例如：当今的酒驾比较严重，可以利用传感技术控制酒驾，如果司机喝酒了，安装在汽车上的传感器可以检测出来，汽车就可以自动关闭点火线路，防止酒后驾车。未来的车辆在传感器的辅助下将更加可靠、舒适、便捷。