传感器在现代乘用车中的应用

辛航，刘伟宏

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

乘用车的安全性、舒适性、动力性、经济性、操控性等特性已经成为衡量一辆整车性能的重要指标，而为了达到不同的目的，整车中加配了多种多样的电子设备，用于主动或者辅助帮助整车完成某一指标的提升，例如为了改善车辆夜间照明的不足，AFS（自适应前大灯）系统被应用于目前很多车型中，而在一个高级的AFS控制中需要有车速信号、方向盘转角信号、横摆角速度，悬架高度、纵向加速度、加速踏板、制动踏板，环境光照强度、雨量传感器等等作为最终判断如何控制大灯的信号输入，那么大量的传感器是必不可少的；为了增加舒适性，智能空调也已经被广泛的应用于整车设计中，为了完成智能控制的目的，需要加装温度传感器、湿度传感器、特殊气体传感器（CO，NOx，挥发性气体等）等与空调控制相关的传感器；另外目前自动变速箱在整车市场中所占的份额越来越多，自动变速箱的应用也变得更加广泛，以最近比较热门的DCT（Dual Clutch transmission双离合器自动变速箱）为例，为了完成双离合器及其中档位、润滑冷却等控制需要安装压力传感器、位置传感器、转速传感器、温度传感器等，一般一个湿式双离合器需要应用的传感器数量在10～12个左右。

由此可以看出，传感器在整车中的应用是非常非常的广泛，而且随着更多的电子控制单元的应用，更多的传感器将会被应用到整车中去。

1 常见传感器的应用及工作原理

1.1 转速传感器

转速传感器在整车中应用比较多，发动机转速、ABS控制系统中的车轮转速、变速箱输出轴转速（或者差速器转速）等，转速传感器从工作的原理大概可以分为两类，一类是主动转速传感器，另一类是被动转速传感器，所谓主动转速传感器，是指传感器本身具有供电、信号采集和数据处理的能力，可以通过信号采集芯片主动读取被测目标的转速，当前应用最为广泛的是Hall（霍尔）效应的转速传感器芯片；所谓的被动是指传感器本身不会主动的去检测被测目标的转速，而是通过被测目标的旋转，产生感应电动势或者其他的可以被控制单元采集的信号，从而完成转速信号采集的工作。

由于现代乘用车对于精确控制的需求，现在更多的Hall效应原理芯片被应用于转速传感器中，通过齿形结构的目标信号轮对传感器中磁铁的磁感应线聚拢和发散的现象，通过Hall芯片的Hall效应原理输出与目标信号轮齿数相同的脉冲信号，控制单元通过对与脉冲信号数量和时间的采集与目标信号轮之间的齿数进行计算，最终得出被测目标的转速。

当然控制单元对于转速的计算方法也会从一定程度上影响转速信号的精度，控制单元对于转速信号的采集会根据硬件的处理能力分为低频段和高频段，在低频段时转速的计算方法为：

其中nlow为计算后的转速，t为控制单元计算的转速传感器输入信号的两个脉冲间隔的时间，m为目标信号轮的齿数。

在高频时段的转速计算方法与低频转速计算的唯一不同是t的计算方法，控制单元会根据预先设定好的数量去计算几个脉冲的平均间隔时间，比如每4个脉冲计算一次，那么控制单元就会每采集4个脉冲计算一次间隔时间，那么时间除以4就得到了这4个脉冲的平均间隔时间，同样也可以得出转速值。计算转速在某种意义上是会存在一定程度的误差的，当然这是受限于控制单元的硬件处理能力的，目前为了达到更好的性价比，一般把怠速和低于怠速的转速设定低频段，其他转速设定为高频段，采用计算的方式得到的平均转速同样也可以满足转速采集精度的要求，一般也可以控制在+/-5rpm之内。

图1 Hall转速传感器信号处理方式简述

下面以电压接口的Hall芯片为例简单介绍差分Hall芯片对于转速信号的处理过程，如图1所示。所谓差分信号，是指在转速传感器芯片中采用了两个 Hall感应元件，这两个Hall元件采用作差的形式输出信号，这样的好处是当出现杂波的情况下，通过作差的方式可以将其滤掉，从而提高了转速信号检测的精度，提高了传感器本身的抗干扰能力，该类型的传感器也被称为只能传感器，以减少控制单元后期处理的繁琐。

图 1中的传感器具有三个输出端子，S是供电接口，O是信号输出接口，G是接地。

1.2 位移、行程、转角传感器

之所以把这三类传感器归为一类，是因为目前这类传感器的相同应用比较多，因为可以通过机械结构将这几类传感器的检测方式进行转换，例如可以通过摇臂将直线位移信号转换为角度信号。这类传感器在整车中的应用非常的广泛，踏板行程传感器、换挡杆位置传感器、悬架位置传感器，方向盘转角传感器等等。对于提高舒适性和安全性都有很大的帮助。

此类传感器也多采用Hall效应原理，采用检测被测目标上移动的磁场，输出对应的位置信息。图2中表示了Hall芯片检测转角信号和线性信号的两种方式。

图2 转角和行程传感器工作方式

通过后期的产品标定，该类传感器的精度可以控制在1%之内。

1.3 压力传感器

压力传感器已经越来越多的被应用于乘用车中，胎压监测系统、发动机控制系统、安全气囊、座椅压力、空调压力、ABS/ESP等等，压力传感器已经和安全性和舒适性密不可分。

目前常用的压力传感器按照压力敏感元件主要有两类，分别是压电陶瓷和硅应变片。所谓压电陶瓷，是指一种可以将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料，当压力作用于压电陶瓷时，其会产生一定程度的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷后面连接成一个惠斯通电桥，由于当被测压力使压电陶瓷产生形变时会使介质带电，从而输出一种与压力成线性比例的电信号。另外一种就是硅应变片，与压电陶瓷基本相同的应用，硅应变片会被贴在耐机械冲击的基板后面，当压力使得基板产生形变后，连接惠斯通电桥的硅应变片的阻值发生相应的变化使得输出与压力成线性比例的电压信号。

通过图3中可以看出，通过对惠斯通电桥输出的信号处理，通过和标准的压力信号进行比对，输出的信号被标定为线性度较好的曲线。压力传感器的精度也可以控制在 2%之内。

图3 带有惠斯通电桥的压力传感器示意图

1.4 温度传感器

温度传感器也被广泛的应用于汽车空调、发动机控制系统、自动变速箱控制系统。温度传感器目前应用的主要有热电偶和热敏电阻。热电偶温度传感器的工作原理是，如果两个不同成分的均匀导体形成回路，直接测温端叫测量端，接线端子端叫参比端，当两端存在温差时，就会在回路中产生电流，那么两端之间就会存在热电势，即塞贝克效应（塞贝克Seeback效应又称作第一热电效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起的两种物质间的电压差的热电现象。它的实质在于两种金属接触的时候会产生接触电势差，该电势差取决于金属的电子逸出功和有效电子密度这两个因素）。

热敏电阻是一种高温度系数的电阻体，热敏电阻是开发早、种类多、发展较为成熟的敏感元器件，热敏电阻由半导体材料组成，利用的原理就是温度会引起电阻值发生变化，若电子和空穴的密度分别为 n、p，迁移率分别为μn、μp,半导体的电导为：σ = q（nμn+pμp），因为n，p, μn, μ p都是以来温度T的函数，所以电导也是温度T的函数，因此测量电导的大小便可算出温度的高低，并可以做出电阻-温度曲线。

1.5 其他传感器

当然正常中应用到的不仅仅是上面提到的四种传感器，还有光照传感器、空气质量传感器、氧传感器、流量传感器、加速度传感器、陀螺仪等等许多不同种类的传感器，被应用于不同的功能模块，同样起着至关重要的信号采集作用。

2 电子控制单元对于信号的处理

2.1 接口电路

控制单元在接受来自传感器的信号的时候，并不能直接的读取来自传感器信号输出端的信号，都要通过一定的接口电路去完成信号的采集。

接口电路的作用在于为电子控制单元提供了可以采集到的信号（数字信号、模拟信号或者频率信号等等）；同时也可以提供一些用于电磁兼容性设计，以及滤波电路设计，增强信号的精确度，同时减少信号的波动。图4为一种常见的接口电路，以一个三线的传感器为例，Vcc是传感器的供电端，传感器常用的供电为 5V；R1是作为下拉电阻，起到了参考电压采集的作用，R2和C2组成了时间常数为t=R*C的RC滤波电路，C1是起到了对电磁干扰起到了一定的作用。

图4 电子控制单元接口举例示意

2.2 电子控制单元的信号处理

电子控制单元对信号的处理也大概分为几种，也是由于输入信号的类别决定的，目前的传感器的信号类型主要有三种，数字量信号、模拟量信号和频率量信号，数字信号指的是状态只有0和1的信号；模拟信号一般指电压信号，或者电流信号（当然信号的读取最终都是体现为电压）；频率信号就是指的PWM信号，占空比的大小代表了输出的大小。

PWM 信号被越来越多的应用于连续信号的采集，模拟信号的输出模式也完全可以被 PWM 信号取代，并且 PWM信号是更接近数字信号类型的信号，对于来自信号传导所带来的影响可以有一定的规避作用，尤其是对于来自导线的EMC干扰问题也有一定程度的改善，因为一般传感器通过模拟信号输出的电压范围在 0.5V～4.5V，这样来自导线的电阻和 EMC的干扰就要被考虑的比较全面，否则传感器无法达到精度的应用要求。

图1中表示的是智能传感器芯片内部，也就是传感器内部对于信号的处理，而电子控制单元ECU中同样需要有一定的处理电路或者集成电路芯片，简单的可以归纳为将非计算机信号转换计算机可读信号，经过处理和计算之后，得出传感器实际输出的信号值，然后再将计算机可读信号转化为显示信号让软件读取或者让操作员读取。

当然电子控制单元对于信号处理的复杂程度也取决于采用的什么类型的芯片，现在的智能芯片已经把信号处理的非常好了，控制单元中就无需再针对于信号的精度判断等等，直接就可以讲信号计算后输出测量值即可，但是有些无源传感器或者需要控制单元对信号进行处理的传感器，就需要传感器在设计的时候就考虑到与控制单元之间的信号处理关系。

3 传感器在整车中的安全作用

传感器作为所有电控系统中的信号收集端，对电控系统的性能乃至安全都有着重要的影响，一旦采集的信号出现了问题，电控系统根据采集信号后做出的判断就会产生不准确的命令，那么就有可能会产生危险，特别是越来越多的主动安全设备被应用于整车中，如果由于信号有误产生了误判，那么这些主动设备就会产生相应的动作措施，比如转向、刹车等等，这都是不允许的。

作为可能影响到安全的部件，符合安全法规就是必不可少的，于2011年11月14日正式颁布的ISO26262就是针对于电子电气设备和可编程的电子设备的安全性的规范要求，虽然还没有在国内强制执行，但是已经得到汽车标准化委员会等国内相关组织机构的重视。目前越来越多的传感器本身也具有可编程的特性，可以自动的修正采集的信号，甚至对错误信号进行判断，所以带有可编程的传感器更需要对安全进行控制，那么符合标准法规的要求是整车应用必不可少的。

当然传感器的信号准确性还可以通过控制器中的信号检测单元进行诊断，也可以通过控制单元底层软件或者上层控制软件的诊断策略去对传感器的信号进行判断，一旦检测出错误，就会有相应的安全动作，以免产生危险造成损失。

4 传感器在乘用车应用中的前景

据不完全统计，2004年时美国车子电子占整车成本的25%，高档轿车可以达到40%，而我国只有4%左右，当然随着这几年的发展，我国本土汽车工业高速发展，更多的主机厂已经把眼光放在了电子设备上，许多的电子设备也已经成为了标配，这使得传感器的应用得到了更大幅度的提高。

但是由于不同电子控制设备中可能都会采集同一个信号，如果采用一个传感器进行检测，那么两个控制单元去采集信号，那么信号的精度和准确性一定会受到影响，采用了两个相同的传感器去采集信号又是浪费了成本。针对于这个问题，主机厂的解决方案是将整车中需要的信号都采用统一的控制器去采集，然后通过 CAN通讯，把从传感器采集到的信号放到 CAN上，然后每个控制器根据自己的需要，读取自己想要的信号信息，这样有几个好处：第一，不同的控制器不必再设置那么多的信号采集端口，减少了控制单元的成本，也减少了插件和端子的成本；第二，不必重复使用传感器，同一传感器采集的信号可以传递给不同的电子设备，只要各取所需即可；当然也存在着一定的弊端，比如可能会加长信号传递的路线，这样来自电磁兼容性等问题就会产生，同时通过 CAN进行读取信号的话会有一定时间的延迟，那么对于需要高速判断信号状态的电子单元来讲，是需要有更高的速度去解决的，针对于这些弊端的补救方式还是多种多样的，EMC的问题可以通过设计线束的走向，采用屏蔽线等方法进行规避，CAN通讯速率的问题现在已经有了更加高速的通讯协议比如FlexRay等，传输的速度更快，效率更高，已经可以满足整车信号采集的应用，而且已经被大量的应用在了BMW、Audi等高端车型中。

5 结论

综上，传感器在乘用车中的应用非常广泛，也有着非常好的前景，尤其是在国内汽车工业高速发展的前提下，汽车电子的需求更是与日俱增，在乘用车销售的时候，消费者的眼观也不再仅仅局限在发动机和变速箱，也在更多的关注整车电子设备的配置，这些电子设备已经成为了衡量一台乘用车价值的重要指标。虽然传感器只作为这些电子设备的信号采集单元，但是却为了完成整体的控制做出了不可或缺的贡献。

参考文献

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