浅析汽车传感器的发展现状和趋势

李碧巧

广州瑞立科密汽车电子股份有限公司 广东省广州市 510663

当今汽车发展核心有二：一是基于能源和环保问题的新能源汽车动力问题，据相关资料报道，氢燃料电池汽车作为未来新能源汽车动力的主要发展方向。二是基于安全性、舒适性、智能化等问题的汽车电子系统发展。传感器是汽车电子技术的核心、前置部件，是信息的来源，汽车电子技术的发展越来越多的应用了传感器，以提高汽车发动机的动力、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、舒适性能。汽车电子系统的运行以传感器探测的信号为基础，因此汽车传感器的准确性、一致性、稳定性对汽车电子系统的发展起着决定性的作用。没有传感器技术的发展，就没有现代科技的发展。本文主要探讨汽车传感器的发展情况。

传感器的定义：传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入量转换成可供测量的信号。传感器采用各种不同的科学原理，具有边缘性、综合性和技艺性，需要多种学科、多种高新技术的配合。

传感器的组成部分和工作原理：传感器由感应元件、转换部分、和测量电路三部分组成。感应元件直接感受被测量的部分，将被测量转换成与被测量有确定关系的电量或者非电量。转换元件将非电量转换成电量。测量电路将转换电路输入的电参量经过滤波、放大等处理转换成电压、电流等便于显示和记录及后续处理的组成部分。

传感器按能量转换方式分为有源传感器和无源传感器：有源传感器是把其它形式的非电量转换为电量，相当于一个微型发电机；无源传感器需要外接电源，被测非电量对传感器的能量起控制或调节作用，它需要外接电源。比如磁电式传感器、压电式传感器、光电式传感器、热电式传感器属于有源传感器；而电阻式传感器、电容式传感器、爆震传感器等属于无源传感器。

1 汽车传感器的发展现状

随着汽车技术的快速发展，传感器在汽车上的应用越来越广泛，已由过去单纯用在发动机控制系统上，扩展到汽车底盘控制系统、车身控制系统、辅助驾驶控制系统等方面。每个传感器分别属于各个不同的系统，某些传感器可能被两个或者多个控制系统同时使用。

（1）发动机控制系统中传感器的应用有：空气流量传感器、进气压力传感器、节气门位置传感器、曲轴角度传感器、氧传感器、进气温度传感器、水温传感器、机油压力传感器、爆燃传感器等。

（2）车身电器控制系统用的传感器有用于自动空调系统中的多种温度传感器、日照传感器、风量传感器、安全气囊中的加速度传感器、门锁中的车速传感器、亮度控制用的光传感器等。

（3）底盘控制系统中传感器的应用有：底盘控制系统包括传动系控制系统、行驶系控制系统、悬架控制系统、转向控制系统、制动控制系统各种不同系统中传感器的使用。

（4）辅助驾驶控制系统用的轮速传感器、转向角传感器（方向盘转角测量）、横摆传感器（汽车行驶中三轴转角和三轴加速度测量）、雷达传感器（行驶或倒车中车辆到障碍物距离测量）……随着汽车电子技术的蓬勃发展，对传感器的测量稳定性、适用环境的严酷度、功能和使用范围的要求越来越多。另基于半导体、微机电、计算机、网络化、信息化技术的发展，为传感器在新形势下的发展奠定了基础。

2 汽车传感器的发展方向

（1）开发新功能、新原理传感器：现代科学技术的不断发展，促进了计算机技术的进步，现代计算机在很多方面的能力已经远远超越了人类（除了人类大脑的思维能力）；而传感器技术是电子控制系统的先导部件，因此对传感器技术提出了更多、更高的要求。随着人类越来越多的涉足未知地域、海域、空域及工程科技方向，对现有传感器的抗高温、抗冲击、抗腐蚀、抗灰尘、抗污染、抗电磁干扰能力、寿命周期等均提出了苛刻的要求。

我们可以从新的科学发现（比如光纤传感器和生物传感器等）；新型材料（半导体、纳米材料等）；新的加工技术（微机械加工技术、化学加工、光学加工等等）三个方面来开发新功能、新原理传感器。

（2）微型化：微型化传感器也称为微传感器。随着半导体、微机电（MEM）技术、特别是纳米技术的发展，传感器不断的向微型化方向发展；这些传感器体积微小、重量轻（微传感器的敏感元件尺寸集中在微米级，即使封装后的尺寸也集中在毫米级，重量多在100克以下）、功耗低、功能全新、能够保证高精度、批量化生产。

比如，智能电容压力传感器MPXY8300，07年飞思卡尔公司推出的采用MEMS技术制作精确感应的（TPMS）胎压检测系统电容压力传感器。20针脚，包括Z轴加速度传感器、电容压力传感器、电容X轴、512bRAM、16KB闪存的8位微控制器（MCU）、温度传感器、RF发射器等电路。一节锂电池可以使MPXY8300使用10年。

（3）多功能化、集成化、系统化、网络化：随着微传感器的发展，使多功能化、集成化、系统化、网络化的集成传感器成为未来传感器的方向发展；单一传感器只能检测一个物理量，而现在计算机技术的发展迫使传感器需要同时测量多种物理量。因此希望将多个功能不同的感应元件集成在一起，或者将多个功能相同的感应元件集成在一起。使一个传感器能同时进行多种功能相同或者功能不同的物理量的测量。传感器网络最先使用在战争中，用于战场军事检测。现代传感器网络越来越多使用在民用领域，比如环境检测、家居自动化、汽车、交通管制等。传感器网络由传感器节点、基站节点、网关、公用网络组成系统。传感器节点由传感器单元、处理单元、电源部分、通信单元四个基本部分组成；此外，也可以同定位系统、发电系统、运动系统等装置组合使用。

（4）智能化传感器：随着计算机、微型化、网络化、信息化的发展，智能化传感器正在形成热点。智能传感器是传感器技术和计算机技术结合发展的新方向，是当今世界发展的高科技技术、是一门综合技术、还没有形成标准定义。传感器敏感元件与微处理器相结合，有信息检测、信息处理、自学习能力等功能。

传感器智能化发展的过程中存在信息融合的问题。信息融合就像人类把眼睛、耳朵、鼻子、舌头、手等感官的感受到的信息进行分析、判断，后综合使用，并用大脑内存储的经验数据进一步分析、判断，从而识别、理解相应的事物和环境。

传感器融合是指将安装在各位置的多个相同种类或者不同种类的传感器所提供的阶段性数据进行综合，采用程序软件对其进行分析、判断、过滤、修整，去除多个传感器信息之间存在的冗余、矛盾，并进行互补、修正，降低其不确定性，获得被测对象确定的描述，最大限度提高系统的决策、规划、反应的快速性和正确性，使系统获得更充分的信息。

数据融合的重要性：增强了系统的稳定性、精确性和健壮性，延展了搜索范围，提高了实时性或空间的分辨率，扩大目标特征的维度，加强了信息的全面性、准确性，改善了信息的可信度，增强了系统的防错能力和自学习能力，同时也能够解决信息泛滥的问题，从而提高整个系统的性能。

3 传感器数据融合存在的问题

（1）目前的数据融合大部分都是针对特定的问题形成解决当前问题的最佳方案。是一种简单的方法合成信息，得出融合结果，并没有充分有效的利用多传感器所提供的冗余信息，实现多传感器信息的高智能化处理，融合方法的研究也还多处于初步阶段。至今并未形成适合大多数问题完整的理论体系。

（2）关联的二义性是数据融合的主要难题之一。系统进行数据融合处理前，需要对来自各个传感器的测量结果进行比较、判断，确保融合数据来自同一观测物体或事件，最终保证融合信息的同一性。如果对不同目标或事件的信息进行融合，将难以使系统得出正确的结论，这就是所谓的关联二义性问题[1]。

(3)标准化技术：随着半导体技术、纳米材料、微机电（MEM）加工等技术的发展，传感器敏感元件的体积越来越小，重量越来越轻，可靠性越来越高、稳定性越来越好，能够保证高精度、批量化生产。微体积、微重量、高精度、高可靠性的传感器敏感元件发展，为传感器结构标准化设计奠定了基础，使传感器结构标准化设计难度大幅度降低。传感器的标准化模块设计可以大量节省产品设计、制造、维修过程中的浪费，成为传感器发展的趋势。汽车传感器的标准化设计使汽车结构上安装传感器的预留位置设计方案、配合尺寸统一，减少汽车结构设计人员的工作量和传感器设计人员的工作量；同时使国内外不同类型车辆的传感器互换成为可能；而且也使敏感元件电路设计标准化、模块化成为可能性，能够大量节省设计费用和制作费用。随着现代科技的发展，传感器标准化设计将成为一个新的发展方向。

综上，随着现代汽车工业的快速发展，汽车传感器向微型化、多功能化、集成化、系统化、网络化、智能化方向发展；同时需要开发新领域和新原理的传感器，且投入工业化、批量生产。传感器智能化发展的过程中存在着信息融合的问题，目前的信息融合虽已得到广泛应用，但并未形成完整的理论体系，需要进一步研究。