汽車微型傳感器機(jī)電一體化畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 出信號(hào)(包括直接和間接轉(zhuǎn)換)。膺數(shù)字傳感器——將被測量的信號(hào)量轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)或短周期信號(hào)的輸出(包括直接或間接轉(zhuǎn)換)。開關(guān)傳感器——當(dāng)一個(gè)被測量的信號(hào)達(dá)到某個(gè)特定的閾值時(shí)，傳感器相應(yīng)地輸出一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號(hào)。 在外界因素的作用下，所有材料都會(huì)作出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。它們中的那些對(duì)外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來制作傳感器的敏感元件。根據(jù)應(yīng)用的材料觀點(diǎn)出發(fā)可將傳感器分成下列幾類：按材料的類別分：金屬，聚合物，陶瓷，混合物。按材料的物理性質(zhì)分：導(dǎo)體，絕緣體，半導(dǎo)體，磁性材料。按材料的晶體結(jié)構(gòu)分：單晶，多晶，非晶材料。 高精度為了提高測控精度，必須使傳感器的精度盡可能高，例如對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的壓力測量，%，對(duì)超精加工“在線”，因此需要研制出高精度的傳感器，以滿足測量的需要。%的傳感器。 小型化 很多測控場合要求傳感器具有盡可能小的尺寸。例如生物醫(yī)學(xué)工程中顱壓的測量，風(fēng)洞中壓力場分布的測量等。壓阻傳感器的出現(xiàn)，使壓力傳感器在小型化方面取得重大進(jìn)展。 集成化 集成化傳感器有兩種類型：一種是將傳感器與放大器、溫度補(bǔ)償電路等集成在同一芯片上，既減小體積，又增加抗干擾能力；另一種是將同一類的傳感器集成在同一芯片上，構(gòu)成二維陣列式傳感器，或稱盾型固態(tài)圖像傳感器，它可以測量物體的表面狀況。 數(shù)字化 為了實(shí)現(xiàn)傳感器與計(jì)算機(jī)直接聯(lián)機(jī)，致力于數(shù)字式傳感器研究是很重要的。 智能化 智能傳感器是傳感器與微型計(jì)算機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，它兼有檢測與信息處理功能，與傳統(tǒng)傳感器相比它有很多特點(diǎn)，它的出現(xiàn)是傳感器技術(shù)發(fā)展中的一次飛躍。第二章 微型傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)中的運(yùn)用 　　汽車用溫度傳感器主要用于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)用 場合也略有區(qū)別。熱敏電阻式溫度傳感器靈敏度高、響應(yīng)特征較好，但線性差、適應(yīng)溫度較低。其中，通用型的測溫范圍為50℃～30℃，%，響應(yīng)時(shí)間為10ms；高溫型為600℃～1000℃，精度為5%，響應(yīng)時(shí)間為10ms；線繞電阻式溫度傳感器的精度高，但響應(yīng)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(yùn)用。其他已實(shí)用化的產(chǎn)品有鐵氧體式溫度傳感器（測溫范圍為40℃～120℃，%）、金屬或半導(dǎo)體膜空氣溫度傳感器（測溫范圍為40℃～150℃，%，5%，響應(yīng)時(shí)間約20ms）等。 　　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(dòng)系統(tǒng)流體壓力、注入燃料壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力、進(jìn)氣管道壓力、空氣過濾系統(tǒng)的流體壓力等。目前，致力于汽車用壓力傳感器開發(fā)和生產(chǎn)的主要公司有摩托羅拉，德科電子儀器，LUCasNovasensor，HiStat，NipponDenzo，西門子，德州儀器等。比較常用的汽車壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動(dòng)變壓器式、聲表面波式。電容式壓力傳感器主要用于檢測負(fù)壓、液壓、氣壓，測量范圍為 20kPa～100kPa，其特性是輸入能量高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征好、環(huán)境適應(yīng)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(shè)溫度補(bǔ)償電路，但適應(yīng)于大批量生產(chǎn)；差動(dòng)變壓器式壓力傳感器有較大的輸出，易于數(shù)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(zhì)量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、分辨力高、數(shù)字輸出等特性，用于汽車吸氣閥壓力檢測，能在高溫下穩(wěn)定地工作。 　　德國Infineon公司研制的智能輪胎壓力傳感器KP500內(nèi)部集成了壓力和溫度傳感模塊，它不須要在傳感器模塊中添加加快度傳感器，可以在汽車啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)開機(jī)進(jìn)人自檢，能測量壓力、溫度和電壓等。所有的功能都是運(yùn)用 （BiCMOS）上。每個(gè)傳感器模塊中的電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)著惟一的32位芯片識(shí)別碼。芯片識(shí)別碼可以由同步串行接口讀出，而且，可以用于辨識(shí)各個(gè)輪胎壓力傳感器的位置。在接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，首先，要檢查芯片識(shí)別碼，如果發(fā)覺芯片識(shí)別碼不符，就放棄收到的數(shù)據(jù)幀。 　　流量傳感器主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量和燃料流量的測量。進(jìn)氣量是燃油噴射量計(jì)算的基本參數(shù)之一。空氣流量傳感器的功能：感知空氣流量的大小，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸給發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制單元。空氣流量的測量用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)確定燃燒條件、控制空燃比、起動(dòng)、點(diǎn)火等。空氣流量傳感器有旋轉(zhuǎn)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(biāo)：～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(huán)球式，其動(dòng)態(tài)范圍為0～60kg/h，工作溫度為40℃～120℃，精度為177。1%，響應(yīng)時(shí)間＜10ms。Honeywell的下屬微開關(guān)（microswitch）公司用熱微細(xì)加工技能打造出了微橋式空氣流量傳感器芯片，它用微細(xì)加工技能在硅圓片上加工出空腔，鉑電阻懸掛在空腔之上。當(dāng)空氣流過器件時(shí)，發(fā)生了從空氣流動(dòng)方向下方到上方的熱傳輸，因而，下方電阻被冷卻，上方電阻被加熱，由電橋電阻變化可測量出空氣流量。 　　曲軸位置與轉(zhuǎn)速傳感器主要用于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門的開度、車速等，為點(diǎn)火時(shí)刻和噴油時(shí)刻提供參考點(diǎn)信號(hào)，同時(shí)，提供發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)。 目前，汽車運(yùn)用的位置和轉(zhuǎn)速傳感器主要有交流發(fā)電機(jī)式、磁阻式、霍爾效應(yīng)式、簧片開關(guān)式、光學(xué)式、半導(dǎo)體磁性晶體管式等，其測量范圍為0176。～ 360176。，精度優(yōu)于177。176。，測彎曲角達(dá)177。176。 　　車速傳感器種類繁多，有敏感車輪旋轉(zhuǎn)的、也有敏感動(dòng)力傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的，還有敏感差速從動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的。當(dāng)車速高于100km/h時(shí)，一般測量要領(lǐng)誤差較大，需采用非接觸式光電速度傳感器，～250km/h，%，%。 　　氣體濃度傳感器主要用于檢測車體內(nèi)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(jù)排氣中的氧濃度測定空燃比，向微機(jī)控制裝置發(fā)出反饋信號(hào)，以控制空燃比收斂于理論值。常用的有氧化鍺傳感器（運(yùn)用溫度為40℃～900℃，精度為1%）、氧化鉻濃差電池型氣體傳感器（運(yùn)用溫度為 300℃～800℃）、固體電解質(zhì)式氧化鉻氣體傳感器（運(yùn)用溫度為0～400℃，%），另外，還有二氧化欽氧傳感器以及二氧化錯(cuò)氧傳感器。和氧化鍺傳感器相比，二氧化鈦氧傳感器具有結(jié)構(gòu)基本、輕巧、便宜，且抗鉛污染能力強(qiáng)的特性。二氧化鋯微離子傳感器由氧化鈣穩(wěn)定氧化錯(cuò)離子體、多孔鉑厚膜工作電極、鈀/氧化把厚膜參數(shù)電極、不透水層、電極接觸和保衛(wèi)層構(gòu)成。其中，氧化鈣穩(wěn)定氧化錯(cuò)由反應(yīng)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(diǎn)附近的輸出電壓發(fā)生驟變，當(dāng)空燃比變高，廢氣中的氧濃度添加時(shí)，氧傳感器的輸出電壓減小；當(dāng)空燃比變低，廢氣中的氧濃度降低時(shí)，氧傳感器的輸出電壓增大。電子控制單元識(shí)別這一突變信號(hào)，對(duì)噴油量執(zhí)行 修正，從而相應(yīng)地調(diào)節(jié)空燃比，使其在理想空燃比附近變動(dòng)。Honeywell的下屬微開關(guān)（microswitch）公司用熱微細(xì)加工技能打造出了微橋式空氣流量傳感器芯片，它用微細(xì)加工技能在硅圓片上加工出空腔，鉑電阻懸掛在空腔之上。當(dāng)空氣流過器件時(shí)，發(fā)生了從空氣流動(dòng)方向下方到上方的熱傳輸，因而，下方電阻被冷卻，上方電阻被加熱，由電橋電阻變化可測量出空氣流量。 爆震傳感器用于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，通過調(diào)整點(diǎn)火提前角控制和避免發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震。可以通過檢測氣缸壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體振動(dòng)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；，其靈敏度可達(dá)200mV/g，~10g范圍內(nèi)具有良好線性度。 24GHz雷達(dá)傳感器24GHz雷達(dá)傳感器用于汽車防撞安裝系統(tǒng)，通過發(fā)射雷達(dá)波來判斷前方出現(xiàn)的物體大小，距離和移動(dòng)速度，進(jìn)而通過顯示器或與汽車制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行配合，避免汽車與前方物體相撞。，可以調(diào)節(jié)的頻率范圍在50KHz左右。精度在國外精度可以達(dá)到毫米級(jí)別 。 氧傳感器 功能：測定發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中氧氣含量，確定汽油與空氣是否完全燃燒。電子控制器根據(jù)這一信息實(shí)現(xiàn)以過量空氣系數(shù)λ=1為目標(biāo)的閉環(huán)控制，以確保三元催化轉(zhuǎn)化器對(duì)排氣中HC、CO和NOX三種污染物都有最大的轉(zhuǎn)化效率。 原理：氧傳感器傳感元件是一種陶瓷管，外側(cè)通排氣，內(nèi)側(cè)通大氣。陶瓷管是一種固態(tài)電解質(zhì)，加熱后依靠陶瓷管外壁的催化劑使排氣中的各種成份發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氧離子可通過陶瓷管擴(kuò)散，造成管壁內(nèi)、外側(cè)之間的電勢差，即信號(hào)電壓，該電壓與排氣中含氧量成正比。 特點(diǎn)：抗鉛；較少依賴于排氣溫度；起動(dòng)后迅速進(jìn)入閉環(huán)控制。冷車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)所排放的CO和HC是最多的，這就要求氧傳感器盡快起動(dòng)進(jìn)入閉環(huán)控制狀態(tài)。NGK火花塞有限公司研制出一種新型氧傳感器，它能在15s內(nèi)達(dá)到閉環(huán)控制。通過縮小加熱區(qū)和降低阻抗，改進(jìn)了傳感器的加熱裝置。由于采用新材料和新的溫控系統(tǒng)，使加熱器的壽命與現(xiàn)有類型相近，改善了低溫特性。第三章 汽車底盤電子控制系統(tǒng)的中的傳感器 懸架用傳感器是通過對(duì)汽車懸掛元件特性進(jìn)行干預(yù)和調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的汽車動(dòng)力學(xué)控制。連續(xù)性阻尼控制系統(tǒng)ADC由4個(gè)控制單元、CAN、4個(gè)車輪垂直加速度傳感器、4個(gè)車身垂直加速度傳感器和4個(gè)阻尼器比例閥組成。系統(tǒng)根據(jù)汽車運(yùn)動(dòng)狀況和這些傳感器檢測到的信息計(jì)算出每個(gè)車輪懸掛阻尼器的最優(yōu)阻尼系數(shù),自動(dòng)調(diào)整車高,抑制車輛姿勢的變化等,實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛舒適性、操縱穩(wěn)定性和行車穩(wěn)定性的控制。 系統(tǒng)用傳感器系統(tǒng)是通過對(duì)車輪轉(zhuǎn)向角的電子控制來實(shí)現(xiàn)的,常見的系統(tǒng)有主動(dòng)前輪助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ESP,主動(dòng)前輪疊加轉(zhuǎn)向系統(tǒng)AFS和主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)RWS。用到的傳感器主要有車速傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器等,利用這些傳感器使動(dòng)力轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向操縱輕便、提高響應(yīng)特性、減少發(fā)動(dòng)機(jī)損耗、增大輸出功率、節(jié)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(hào)的形式由網(wǎng)絡(luò)傳遞給電子控制器及執(zhí)行器。下面以EPS為例,說明傳感器的作用:傳統(tǒng)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向使駕駛員操縱輕便,減少路面對(duì)轉(zhuǎn)向盤的沖擊,同時(shí)轉(zhuǎn)向盤也具有回正作用。EPS可以更好地滿足要求。特別是在駕駛員操縱輕便方面能靈活地調(diào)節(jié)助力大小。主要組成有電子控制器、電動(dòng)機(jī)及運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器,轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器和轉(zhuǎn)向力矩傳感器。由于EPS可按需要給轉(zhuǎn)向盤施加一個(gè)額外力矩,這個(gè)力矩可以用于駕駛員的提示信號(hào),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向建議的功能。 防抱制動(dòng)傳感器主要是利用車輪角速度傳感器,檢測車輪轉(zhuǎn)速,在各車輪的滑移率為20% 時(shí)控制制動(dòng)油壓、改善制動(dòng)性能,確保車輛操縱性和穩(wěn)定性。在該系統(tǒng)里輪速傳感器是ABS十分重要的部件。它要向ECU及時(shí)地提供可靠精確的車輪轉(zhuǎn)速。傳感器有電磁式、霍爾式、磁阻式。 當(dāng)汽車驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩過大時(shí),驅(qū)動(dòng)輪會(huì)相對(duì)地面作滑轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一般希望驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率不要超過20%。這種對(duì)驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)進(jìn)行控制的系