【導讀】電子技術已經成為新一代汽車發展方向的主導因素，而傳感器是電子技術的核心元件，現代汽車越來越多地應用了傳感器，以提高汽車發動機的經濟、動力和排放性能,改善底盤的制動操縱性能、轉向性能和汽車行駛的安全性能。要實現這些目標的關鍵在于汽車的電子化和智能化，先決條件則是各種信息的及時獲取，這勢必要求在汽車中大量采用各種傳感器。
汽車傳感器概述
汽車傳感器是汽車計算機系統的輸入裝置，它把汽車運行中各種工況信息，如車速、各種介質的溫度、發動機運轉工況等，并按一定規律轉換成可用輸入信號的器件或裝置。簡單地說，傳感器是把非電量轉換成電信號傳遞給ECU，以便汽車處于最佳工作狀態。
現代汽車電子控制中，傳感器廣泛應用在發動機、底盤、和車身各個系統中。汽車傳感器在這些系統中擔負著信息的采集和傳輸功用，它采集的信息由電腦（電子控制單元）進行處理后，形成向執行器發出的指令，完成電子控制。傳感器在電子控制和自診斷系統中是非常重要的裝置，它能及時識別外界的變化和系統本身的變化，再根據變化的信息去控制系統本身的工作。各個系統控制過程正是依靠傳感器，進行信息的反饋，實現自動控制工作的。
汽車傳感器通常由敏感元件、轉換元件和測量電路三部分組成。
1、敏感元件是指能直接感受（或響應）被測量的部分，即將被測量通過傳感器的敏感元件轉換成與被測量有確定關系的非電量或其它量。
2、轉換元件則將上述非電量轉換成電參量。
3、測量電路的作用是將轉換元件輸入的電參量經過處理轉換成電壓、電流或頻率等可測電量，以便進行顯示、記錄、控制和處理的部分。
傳感器處于研究對象與測試系統的接口位置，即檢測與控制之首。傳感器是感知、獲取與檢測信息的窗口，一切科學研究與自動化生產過程要獲取的信息都要通過傳感器獲取并通過它轉換成容易傳輸與處理的電信號，其作用與地位特別重要。
下圖形象的將人體與機器的對應關系列出，有助于進一步的對其作用進行認識。
現代汽車電子控制中，傳感器廣泛應用在發動機、底盤和車身各個系統中。汽車傳感器在這些系統中擔負著信息的采集和傳輸，由電腦（電子控制單元ECU）對信號急進行處理后向執行器發出指令，實行電子控制。傳感器在電子控制和自我診斷系統中是非常重要的裝置，它能及時識別外界的變化和系統本身的變化，再根據變化的信息去控制本身系統的工作。各個系統控制過程正是依靠傳感器，進行信息的反饋，實現自動控制工作的。
汽車傳感器的發展史
在20世紀60年代，汽車上僅有機油壓力傳感器、油量傳感器和水溫傳感器，它們與儀表或指示燈連接。
進入70年代后，為了治理排放，又增加了一些傳感器來幫助控制汽車的動力系統，因為同期出現的催化轉換器、電子點火和燃油噴射裝置需要這些傳感器來維持一定的空燃比以控制排放。
80年代，防抱死制動裝置和氣囊提高了汽車安全性。
今天，傳感器有用來測定各種流體溫度和壓力（如進氣溫度、氣道壓力、冷卻水溫和燃油噴射壓力等）的傳感器；有用來確定各部分速度和位置的傳感器（如車速、節氣門開度、凸輪軸、曲軸、變速器的角度和速度、排氣再循環閥（EGR）的位置等）；還有用于測量發動機負荷、爆震、斷火及廢氣中含氧量的傳感器；確定座椅位置的傳感器；在防抱死制動系統和懸架控制裝置中測定車輪轉速、路面高差和輪胎氣壓的傳感器；保護前排乘員的氣囊，不僅需要較多的碰撞傳感器和加速度傳感器。研究人員還用防撞傳感器（測距雷達或其他測距傳感器）來判斷和控制汽車的側向加速度、每個車輪的瞬時速度及所需的轉矩，使制動系統成為汽車穩定性控制系統的一個組成部分。
汽車傳感器的分類
按能量關系分類
傳感器按能量關系分類可分為主動型和被動型兩種。汽車上使用的傳感器大多數屬于被動型傳感器，這種被動型傳感器需要外加輸入電源才能產生電信號，所以這種傳感器實際上是一個能量控制器。
按信號轉換分類
按信號轉換關系分類，可分為由一種非電量轉換成另一種非電量，如彈性敏感元件和氣動傳感器；另一種是由非電量轉換成電量的傳感器，如熱電偶溫度傳感器、壓電式加速度傳感器等。
按輸入量分類
按輸入量分類即按被測量分類，可分為位移、速度、加速度、角位移、角速度、力、力矩、壓力、真空度、溫度、電流、氣體成分、濃度傳感器等。如下圖空氣流量傳感器：
按工作原理分類
按傳感器的工作原理分類，有電阻式、電容式、應變式、電感式、光電式、光敏式、壓電式、熱電式傳感器等。
按輸出信號分類
按傳感器輸出信號分類有模擬式和數字式傳感器。
細數汽車發動機用傳感器
發動機的電子控制一直被認為是汽車主要技術領域之一。發動機控制系統用傳感器是整個汽車傳感器的核心，種類很多，包括溫度傳感器、壓力傳感器、位置和轉速傳感器、流量傳感器、氣體濃度傳感器和爆震傳感器等。這些傳感器向發動機的電子控制單元提供發動機的工作狀況信息，供電子控制單元對發動機工作狀況執行精確控制，以提高發動機的動力性、降低油耗、減少廢氣排放和執行故障檢測。
溫度傳感器
汽車用溫度傳感器主要用于檢測發動機溫度、吸人氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度以及催化溫度等。
溫度傳感器有熱敏電阻式、線繞電阻式和熱偶電阻式三種主要類型。這三種類型傳感器各有特性，其運用場合也略有區別。熱敏電阻式溫度傳感器靈敏度高、響應特征較好，但線性差、適應溫度較低。其中，通用型的測溫范圍為-50℃～30℃，精度為1.5%，響應時間為10ms；高溫型為600℃～1000℃，精度為5%，響應時間為10ms；線繞電阻式溫度傳感器的精度高，但響應特征差；熱偶電阻式溫度傳感器的精度高，測量溫度范圍寬，但須要配合放大器和冷端處理一起運用。
其他已實用化的產品有鐵氧體式溫度傳感器（測溫范圍為-40℃～120℃，精度為2.0%）、金屬或半導體膜空氣溫度傳感器（測溫范圍為-40℃～150℃，精度為2.0%，5%，響應時間約20ms）等。
壓力傳感器
壓力傳感器是汽車中用得最多的傳感器，主要用于檢測氣囊貯氣壓力、傳動系統流體壓力、注入燃料壓力、發動機機油壓力、進氣管道壓力、空氣過濾系統的流體壓力等。
目前，比較常用的汽車壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動變壓器式、聲表面波式。電容式壓力傳感器主要用于檢測負壓、液壓、氣壓，測量范圍為20kPa～100kPa，其特性是輸入能量高，動態響應特征好、環境適應性好；壓阻式壓力傳感器的性能則受溫度影響較大，須要另設溫度補償電路，但適應于大批量生產；差動變壓器式壓力傳感器有較大的輸出，易于數字輸出，但抗干擾性差；聲表面波式壓力傳感器具有體積小、質量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、分辨力高、數字輸出等特性，用于汽車吸氣閥壓力檢測，能在高溫下穩定地工作。
流量傳感器
流量傳感器主要用于發動機空氣流量和燃料流量的測量。進氣量是燃油噴射量計算的基本參數之一。
空氣流量傳感器的功能：感知空氣流量的大小，并轉換成電信號傳輸給發動機的電子控制單元。空氣流量的測量用于發動機控制系統確定燃燒條件、控制空燃比、起動、點火等。
空氣流量傳感器有旋轉翼片式、卡門渦旋式、熱線式、熱膜式等4種類型。空氣流量傳感器的主要技能指標：
工作范圍為0.11m3/min～103m3/min，工作溫度為-40℃～120℃，精度＞1%。燃料流量傳感器用于檢測燃料流量，主要有水輪式和循環球式，其動態范圍為0～60kg/h，工作溫度為-40℃～120℃，精度為±1%，響應時間＜10ms。
位置和轉速傳感器
曲軸位置與轉速傳感器主要用于檢測發動機曲軸轉角、發動機轉速、節氣門的開度、車速等，為點火時刻和噴油時刻提供參考點信號，同時，提供發動機轉速信號。
目前，汽車運用的位置和轉速傳感器主要有交流發電機式、磁阻式、霍爾效應式、簧片開關式、光學式、半導體磁性晶體管式等，其測量范圍為0°～360°，精度優于±0.5°，測彎曲角達±0.1°。
車速傳感器種類繁多，有敏感車輪旋轉的、也有敏感動力傳動軸轉動的，還有敏感差速從動軸轉動的。當車速高于100km/h時，一般測量要領誤差較大，需采用非接觸式光電速度傳感器，測速范圍為0.5km/h～250km/h，重復精度為0.1%，距離測量誤差優于為0.3%。
氣體濃度傳感器
氣體濃度傳感器主要用于檢測車體內氣體和廢氣排放。其中，最主要的是氧傳感器，它檢測汽車尾氣中的氧含量，根據排氣中的氧濃度測定空燃比，向微機控制裝置發出反饋信號，以控制空燃比收斂于理論值。
常用的有氧化鍺傳感器（運用溫度為-40℃～900℃，精度為1%）、氧化鉻濃差電池型氣體傳感器（運用溫度為300℃～800℃）、固體電解質式氧化鉻氣體傳感器（運用溫度為0～400℃，精度為0.5%），另外，還有二氧化欽氧傳感器以及二氧化錯氧傳感器。
和氧化鍺傳感器相比，二氧化鈦氧傳感器具有結構基本、輕巧、便宜，且抗鉛污染能力強的特性。二氧化鋯微離子傳感器由氧化鈣穩定氧化錯離子體、多孔鉑厚膜工作電極、鈀/氧化把厚膜參數電極、不透水層、電極接觸和保衛層構成。
其中，氧化鈣穩定氧化錯由反應濺射法積淀。工作電極和參考電極都由厚膜工藝打造。在理想的A/F點附近的輸出電壓發生驟變，當空燃比變高，廢氣中的氧濃度添加時，氧傳感器的輸出電壓減小；當空燃比變低，廢氣中的氧濃度降低時，氧傳感器的輸出電壓增大。電子控制單元識別這一突變信號，對噴油量執行修正，從而相應地調節空燃比，使其在理想空燃比附近變動。
NOx傳感器
目前全球對于氮氧化物（NOx）、粒子狀物質（PM）等柴油車尾氣的限制越來越嚴格。要想應對這種限制，只改進柴油引擎的燃燒方式顯然不夠，因此后處理技術越來越受重視。選擇還原催化劑（SCR)法是NOx凈化技術之一，可以選擇性地將尾氣中的NOx吸附于催化劑，通過向催化劑噴射尿素，以還原反應將NOx分解成氮和水并排放。尿素SCR中的傳感器，可檢測SCR所需的尿素水的劑量是否合適。這種傳感器對于還原劑使用尿素水的氮氧化物（NOx）凈化裝置必不可少。
爆震傳感器
爆震傳感器用于檢測發動機的振動，通過調整點火提前角控制和避免發動機發生爆震。可以通過檢測氣缸壓力、發動機機體振動和燃燒噪聲等三種方法來檢測爆震。爆震傳感器有磁致伸縮式和壓電式。磁致伸縮式爆震傳感器的使用溫度為-40℃~125℃，頻率范圍為5~10kHz；壓電式爆震傳感器在中心頻率5.417kHz處，其靈敏度可達200mV/g，在振幅為0.1g~10g范圍內具有良好線性度。
汽車傳感器在汽車底盤電子控制系統的中的應用
底盤用傳感器是指分布在變速器控制系統、懸架控制系統、動力轉向系統、制動系統中的傳感器，它們在不同系統中作用不同，但工作原理與發動機中傳感器是相同的，主要應用于以下幾個總成中。
懸架用傳感器
通過對汽車懸掛元件特性進行干預和調節來實現的汽車動力學控制。連續性阻尼控制系統ADC由4個控制單元、CAN、4個車輪垂直加速度傳感器、4個車身垂直加速度傳感器和4個阻尼器比例閥組成。系統根據汽車運動狀況和這些傳感器檢測到的信息計算出每個車輪懸掛阻尼器的最優阻尼系數,自動調整車高，抑制車輛姿勢的變化等，實現對車輛舒適性、操縱穩定性和行車穩定性的控制。
系統用傳感器
系統是通過對車輪轉向角的電子控制來實現的，常見的系統有主動前輪助力轉向系統ESP，主動前輪疊加轉向系統AFS和主動后輪轉向系統RWS。用到的傳感器主要有車速傳感器、發動機轉速傳感器、轉矩傳感器等，利用這些傳感器使動力轉向電控系統實現轉向操縱輕便、提高響應特性、減少發動機損耗、增大輸出功率、節省燃油等。
無論是ESP、AFS還是RWS,其原理都是由駕駛員操縱指令,由傳感器感知路面的狀況，以電信號的形式由網絡傳遞給電子控制器及執行器。
1、ABS系統
防抱制動傳感器主要是利用車輪角速度傳感器,檢測車輪轉速,在各車輪的滑移率為20% 時控制制動油壓、改善制動性能,確保車輛操縱性和穩定性。在該系統里輪速傳感器是ABS十分重要的部件。它要向ECU及時地提供可靠精確的車輪轉速。傳感器有電磁式、霍爾式、磁阻式。
2、TCS系統
當汽車驅動輪的驅動力矩過大時,驅動輪會相對地面作滑轉運動。一般希望驅動輪的滑轉率不要超過20%。這種對驅動輪滑轉進行控制的系統稱為TCS系統。它是在ABS的基礎上發展起來的。在絕大多數汽車里, TCS和ABS共用一個ECU,它們根據傳感器輸入的信號,來識別和判斷汽車的行駛狀況。
3、ESP電子穩定系統
ESP是通過調節車輪縱向力大小及匹配來控制汽車的橫擺運動，使汽車具有良好的操縱性和方向的穩定性的主動安全系統。ESP的基本原理是通過傳感器和運算邏輯來識別駕駛員對汽車的期望運動狀態。為了識別駕駛員對汽車的期望和得知汽車的實際運動狀態，ESP系統需要比ABS和TCS更多的傳感器。它們是轉向盤傳感器、汽車橫擺角速度傳感器、橫向加速度傳感器和制動主缸的液壓傳感器。
汽車安全系統方面的傳感器應用
安全是汽車考慮的首要因素，用于安全方面的傳感器也很多，如有用于汽車安全氣囊的微型加速度計，測角速率的表面微機械陀螺等。
微加速度計
微加速度計通常由一個平行的懸臂梁構成，梁的一端固定在邊框架上，另一端懸掛一個小質量物體塊（約10mg），無加速度時質量塊不運動，而當有垂直方向加速度時，質量塊運動，對加速度敏感，并轉換為電信號，經C/V轉變、放大相敏解調輸出。按檢測方式，微加速度計有壓阻式、電容式、隧道式、共振式、熱形式等幾種。
電容式微加速度計的靈敏度高、噪音低、漂移小、結構簡單，在汽車安全氣囊系統和防滑系統獲得廣泛應用，電容式微加速度計質量塊在有加速度時向下運動，與邊框上的另一個電極的距離發生變化，通過檢測電容的變化可獲得質量塊運動的位移，主要結構分為懸臂擺片式和梳齒狀的折疊梁式，并變異成其它類型。前者結構相對簡單些，制作上也多采用體硅加工方法，簡單的擺片式結構由上、下固定電極和可動敏感硅懸臂梁電極組成，用半導體平面工藝各向異性腐蝕，靜電封接技術封裝完成制作。后者可看作是懸臂梁的并、串組合，設計上要復雜得多，微加工方法則以表面犧牲層技術為主，多晶硅材料的各向同性性質可保證微機械性能的對稱性，批量加工精度高，采用這種結構的敏感部分尺寸做得很小，實現與外圍電路的單片集成。
微機械陀螺
微機械陀螺是一種振動式角速率傳感器，在汽車領域的應用開發倍受關注，主要用于汽車導航的GPS 信號補償和汽車底盤控制系統。
微機械陀螺中有兩個振動模式，一個是橫向振動模式，即驅動振動模式，通常稱為參考振動，在科氏力作用下會產生附加運動；另一個是法向振動模式，即敏感振動模式，對反映科氏力的附加運動的檢測，獲得包含在科氏力中的角速率信息。按所用材料，微機械陀螺分為石英和硅振動梁兩類，石英材料結構的品質因數Q值最高，陀螺特性最好，但石英加工難度大，成本很高。硅材料結構完整，彈性好，比較容易得到高Q值的微機械結構，成為當前低成本研發的主流。
從硅微機械陀螺的結構上，常采用振梁結構、雙框架結構、平面對稱結構、橫向音叉結構、梳狀音叉結構、梁島結構等，用來產生參考振動的驅動方式有靜電驅動、壓電驅動和電磁驅動等，而檢測由于科氏力帶來的附加振動的檢測方式有電容檢測、壓電檢測、壓阻檢測。靜電驅動、電容檢測的陀螺設計最為常見，已有部分產品研制成功。
車輛監控和自診斷用傳感器
在車輛監控和自診斷方面，汽車傳感器的主要應用將是輪胎壓力監測，其次是應用于冷卻、剎車等系統的傳感器。此外，還有如像在亮度控制系統中使用光傳感器；在電子駕駛系統中使用磁傳感器、氣流速度傳感器；在自動空調系統中使用室內溫度傳感器、吸氣溫度傳感器、風量傳感器、日照傳感器、濕度傳感器；在導向行駛系統中使用方位傳感器、車速傳感器等。
碰撞傳感器
碰撞傳感器是安全氣囊系統中比較主要的控制信號輸入裝置，其作用是當汽車在路上發生碰撞時，由碰撞傳感器檢測汽車碰撞的強度信號，并將信號輸入安全氣囊電腦，安全氣囊電腦根據碰撞傳感器的信號來判定是否引爆充氣元件使氣囊充氣。經過許多國家的改造，很多汽車中還裝有側向安全氣囊，當汽車發生側向碰撞時，安全氣囊也會充氣，因此裝有側向安全氣囊的系統，在汽車的左右側還裝有碰撞傳感器。這就比較人性化地保障用車人員的安全。
側向傾斜角度傳感器
汽車側向傾斜角度傳感器的應用是防止汽車在行駛中發生傾翻事故的一種有效方法，是提高汽車安全性的重要措施，特別是越野車、雙層客車等重心較高的汽車更有必要。
如圖所示，利用重力原理制造的角度傳感器。擺動部分的質量為m，重心距轉軸的距離為L，當汽車車體傾斜或做曲線運動時，均能使擺動部分偏轉。設圖1中的受力分析是無任何摩擦的理想狀態下，力F為下滑力F1和向心力F2共同作用的結果，力F與傾翻力成正比，所產β生的偏轉角度β也就與傾翻力成正比。擺動部分所受重力G與F的合力T是擺桿所受拉力，擺動角度β=tg-1(F/G)，與L 無關，當質量m一定時，β只與F有關，且成正比。實際上，由于存在轉軸等處的摩擦，則L越長，擺動轉矩越大，精度越高。
角度傳感器在控制系統中通常作為采樣元件，其性能的優劣對整個系統起著重要作用。電位器式角度傳感器已在各種控制系統中廣泛應用，但它的缺點是存在觸點的滑動磨損和電噪聲；磁敏電阻式角度傳感器是利用半導體技術制造的新型純電阻性元件，特點是無觸點，當擺動部分偏轉時，通過磁敏電阻的磁通量發生變化，使磁敏電阻的阻值發生數倍以上的變化，從根本上消除了電噪聲，并使精度得以提高。
各種角度傳感器都具有阻尼功能，使得對所測得角度的響應有一個短暫的延時，對控制系統來講是有益處的。
其他主要的汽車傳感器
酒精檢測MEMS系統
這是一種新型的集成酒精傳感器，該酒精傳感器可根據環境中的氧氣濃度吸附氧氣并使得電阻值改變的特性。正常狀況下，元件在吸附空氣中的氧氣后會保持某個電阻值不發生變化，而一旦空氣中含有酒精,元件表面的氧元素便會與酒精發生反應,使電阻值下降。通過測定電阻值,便可檢測出呼氣中含有的酒精濃度。酒精檢測MEMS傳感器將可以植入在徑8mm的密封外殼內、連同信號處理電路等一起嵌入方向盤內,一旦檢測出駕駛員呼出的氣體含有酒精,便發出安全警報。
自動雨刷系統
以發光二極管對前擋風玻璃發出光束，當雨滴打在感應區的玻璃上時，光束所反射的光線強度,會因玻璃上的雨量或濕氣含量而有所變化，改變雨刷的刷動頻率。或透過紅外線電子雨量傳感器感應雨量的多寡，并隨車速的變化自動調整雨刷速度，增進駕駛人的駕駛方便性讓駕駛更有安全性。
胎壓監測系統
在每個輪胎上安裝高靈敏度的傳感器，用于行車狀態下隨時監測輪胎狀況,并透過傳感器以無線方式發射到接收器，讓駕駛人能隨時掌握漏氣與溫度升高等輪胎狀況，,以確保汽車行駛中的安全,并延長輪胎的使用壽命與降低燃油的消耗。最先進的直接輪胎壓力監測解決方案的特點包括高級預警系統和壓力、溫度、電壓和動作探測等。
機油粘度傳感器
何時更換機油一般是根據廠家規定的時間或里程來進行。少數廠家采用了更先進的方式，通過記錄發動機轉速和溫度來計算換油間隔。
汽車傳感器的發展趨勢
由于汽車傳感器在汽車電子控制系統中的重要作用和快速增長的市場需求，世界各國對其理論研究、新材料應用和新產品開發都非常重視。未來的汽車用傳感器技術，總的發展趨勢是微型化、多功能化、集成化和智能化。
利用微電子機械系統(MEMS)技術和計算機輔助設計技術可以設計出低成本、高性能的微型傳感器。在當前技術水平下,微切削加工技術已經可以生產出具有不同層次的3D微型結構, 繼而可以生產出體積非常微小的微型傳感器敏感元件。由于元器件比較微型，使用起來比較便捷和高效，使得經濟性有了很好的提高。
多功能化是指一個傳感器能檢測2個或者兩個以上的特性參數或者化學參數，從而減少汽車傳感器數量，提高系統可靠性。
集成化是指利用IC制造技術和精細加工技術制作IC式傳感器。
智能化是指傳感器與大規模集成電路相結合，帶有CPU，具有智能作用，以減少ECU的復雜程度，減少其體積，并降低成本。
此外，開發新材料是傳感器技術的重要基礎，現在光導纖維、納米材料、超導材料等新型材料的出現為傳感器的發展開辟了新天地，隨著研究的不斷深入，將會有更多更新的傳感器材料被開發出來。傳感器的功能不僅與其材料有關，還與其加工技術有關，微機械加工技術已越來越多地用于傳感器制造工藝。隨著現代制造技術的發展，將會有更多的先進制造技術應用到汽車傳感器的制作中。傳感器的工作原理是基于各種物理、化學、生物效應和定律，由此啟發人們進一步探索具有新效應的敏感功能材料，并以此研制具有新原理的新型傳感器。這是發展低成本、高性能、多功能和微型化傳感器的重要途徑。
本文轉載自傳感器技術。
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