王昊杰
(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 211189)
隨著電子科技的快速發(fā)展,電子技術(shù)在各行業(yè)得到應(yīng)用和推廣,而在汽車(chē)行業(yè)電子技術(shù)已成為主導(dǎo)發(fā)展因素,傳感器的應(yīng)用進(jìn)一步提升了汽車(chē)的操作性能、安全性能和動(dòng)力性能。傳感器是一種檢測(cè)裝置,不僅能對(duì)信息進(jìn)行測(cè)量,還能將檢測(cè)到的信息依據(jù)一定規(guī)律變換為電信號(hào)傳導(dǎo)給系統(tǒng),進(jìn)而滿(mǎn)足信息傳輸、處理和存儲(chǔ)等要求。傳感器是實(shí)現(xiàn)智能汽車(chē)自動(dòng)控制、檢測(cè)的關(guān)鍵部件,一輛普通轎車(chē)約安裝有上百只傳感器,而豪華轎車(chē)所安裝的傳感器數(shù)量可能高達(dá)200余只。車(chē)用傳感器具有多種類(lèi)型,對(duì)其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性進(jìn)行研究,對(duì)汽車(chē)行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,具有現(xiàn)實(shí)意義。
智能傳感器是一項(xiàng)綜合技術(shù),它不僅是傳感器設(shè)備,而且是傳感器與模擬轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器、CPU和智能儀表的結(jié)合體。電子信息技術(shù)是在集成的基礎(chǔ)上增加的。同時(shí),增加了接口電路,擴(kuò)展了通信接口的方式,采用各種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,促使多個(gè)設(shè)備組能更好地與其他電子設(shè)備工作,從而實(shí)現(xiàn)各部件之間的互聯(lián),保證了傳感器對(duì)信息的智能有效檢測(cè)。從功能角度來(lái)說(shuō),通過(guò)對(duì)先進(jìn)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),可有效實(shí)現(xiàn)智能傳感器的通信功能,同時(shí),還涵蓋了邏輯思維、信息判斷、信息處理和信息檢測(cè)等功能,為后期的人工智能提供了技術(shù)保障。智能傳感器裝載了微處理器,可對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和判斷,同時(shí)還具有自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)診斷和自動(dòng)校準(zhǔn)等功能。智能傳感器在對(duì)信息進(jìn)行處理的過(guò)程中,可對(duì)所測(cè)得數(shù)值及誤差進(jìn)行補(bǔ)償,并借助軟件線性化處理非線性信號(hào)。智能傳感器在智能汽車(chē)中的應(yīng)用,主要是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)所發(fā)出的信息進(jìn)行檢測(cè)、收集和處理,并測(cè)量汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中各系統(tǒng)的參數(shù)值,便于駕駛員能夠隨時(shí)掌握汽車(chē)的運(yùn)行情況[1]。對(duì)于智能汽車(chē)來(lái)說(shuō),其多數(shù)電子器件均處于較為惡劣的運(yùn)行環(huán)境當(dāng)中,且各元件之間存在著較大差異,如停車(chē)等待時(shí)的低溫狀態(tài)、運(yùn)行過(guò)程中的高溫狀態(tài)、電磁干擾和高強(qiáng)度沖擊等,要求電子元器件具有較高的穩(wěn)定性,且需對(duì)外界環(huán)境具有較高的自適應(yīng)能力。應(yīng)用智能傳感器可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)傳感器在智能汽車(chē)中的不足,提高傳感器檢測(cè)、記憶信息的準(zhǔn)確度,同時(shí)還能提高汽車(chē)的運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性。智能傳感器的最大優(yōu)勢(shì)就在于,可充分感知乘客情況、周邊環(huán)境和交通設(shè)施等信息,進(jìn)而判斷乘客是否處于最佳狀態(tài)、車(chē)輛是否會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)等,并及時(shí)采取相應(yīng)措施。
在智能汽車(chē)中,發(fā)動(dòng)機(jī)是傳感器最多的核心部件。傳感器種類(lèi)繁多,不僅有氣體密度傳感器、位置傳感器、壓力傳感器,還包括溫度傳感器、振動(dòng)傳感器和流量傳感器等。這些傳感器可以為發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)提供工作信息,使控制器能夠?qū)崟r(shí)了解和控制發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)工作,進(jìn)而獲得最佳的動(dòng)力性能,減少汽車(chē)的廢氣排放,同時(shí)獲得最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性。在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、高壓、高溫及污泥等惡劣環(huán)境當(dāng)中,智能傳感器的耐受度要高于傳統(tǒng)傳感器,發(fā)動(dòng)機(jī)用傳感器的性能要求較多,主要包括可靠性、精度、耐用性和響應(yīng)特性等,其中最為主要的就是可靠性,若無(wú)法保障傳感器的穩(wěn)定性和可靠性,就可能導(dǎo)致系統(tǒng)誤差,進(jìn)而使得發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)失靈或發(fā)生故障。
在智能汽車(chē)的底盤(pán)控制系統(tǒng)當(dāng)中,傳感器類(lèi)型較多,其所應(yīng)用的主要系統(tǒng)包括制動(dòng)防抱死系統(tǒng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架控制系統(tǒng)等。盡管傳感器分布于底盤(pán)控制系統(tǒng)的不同部位,但其與發(fā)動(dòng)機(jī)用傳感器的工作原理一致。在汽車(chē)底盤(pán)控制系統(tǒng)中,最為重要的就是防抱死系統(tǒng),其運(yùn)用了制動(dòng)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置,以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)制動(dòng)處理。其次,防抱死制動(dòng)系統(tǒng)無(wú)須依靠其他系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,這些功能的實(shí)現(xiàn)均是由于其應(yīng)用了大量的傳感器,進(jìn)而最大限度發(fā)揮出電子控制系統(tǒng)的性能。隨著電子控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展,智能汽車(chē)的電子系統(tǒng)集成化程度逐漸得到提升,在這樣的現(xiàn)實(shí)情況下,統(tǒng)一傳感器出現(xiàn)并得到了廣泛應(yīng)用,該種傳感器不僅能向發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)提供信號(hào),還能向底盤(pán)控制系統(tǒng)提供信號(hào),進(jìn)而提高汽車(chē)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
隨著GIS和GPS應(yīng)用越來(lái)越廣,在汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用的傳感器也越來(lái)越多,如羅盤(pán)傳感器、方向盤(pán)傳感器、車(chē)速傳感器等。這類(lèi)傳感器可以收集汽車(chē)行駛過(guò)程中的信息并將信息傳輸給汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng),汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)信息實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航,從而保證汽車(chē)能依照導(dǎo)航正常行駛。
以往,汽車(chē)電子技術(shù)所采用的傳感器,雖然可實(shí)現(xiàn)一定功能,但穩(wěn)定性欠佳、敏感度不高,無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的實(shí)際需求。電子信息的創(chuàng)新技術(shù)逐漸被應(yīng)用于汽車(chē)制造業(yè)中,這標(biāo)志著汽車(chē)電子技術(shù)已從部件和微處理器系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)代進(jìn)入智能電子設(shè)備新階段?,F(xiàn)代智能車(chē)輛的電子系統(tǒng)有許多獨(dú)立的控制單元,這些單位是獨(dú)立的關(guān)系,同時(shí)它們需要獨(dú)立運(yùn)行,但它們可以相互協(xié)調(diào),通過(guò)各自的作用來(lái)確保車(chē)輛運(yùn)行的最佳狀態(tài)。智能車(chē)輛的電子技術(shù)需要智能傳感器。首先,電子控制系統(tǒng)需要快速、準(zhǔn)確和穩(wěn)定。傳統(tǒng)的傳感器控制系統(tǒng)由傳感器、執(zhí)行器和微處理器組成,這種系統(tǒng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代智能車(chē)輛的需要,需要采取軟件操作和硬件開(kāi)發(fā)等措施,才能進(jìn)一步提高智能化進(jìn)程,滿(mǎn)足智能汽車(chē)對(duì)社會(huì)的高度要求,為現(xiàn)代智能化的進(jìn)一步發(fā)展打下基礎(chǔ)。其次,集成化是汽車(chē)電子發(fā)展的極為重要的部分,無(wú)論是電路集成還是器件集成都非常重要。所有的智能汽車(chē)均具備電子設(shè)備控制機(jī)械結(jié)構(gòu),但由于汽車(chē)的體積存在一定限制,且車(chē)體空間也有限,這就需要實(shí)現(xiàn)器件與電路的集成,促使電子控制單元與其所控制的硬件結(jié)構(gòu)能夠形成一個(gè)整體,而要想達(dá)到這一目的,就需要實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備的微型化、集成化,以便其更好地結(jié)合。同時(shí),汽車(chē)電子技術(shù)對(duì)控制單元的智能化也提出更高要求,當(dāng)代智能汽車(chē)對(duì)于智能化需求越來(lái)越迫切,這就要求電子控制單元必須達(dá)到一定智能化程度,完善自我檢查、維護(hù)等工作流程。例如汽車(chē)的安全氣囊,其在汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中,95 %的時(shí)間均是處于關(guān)閉狀態(tài),僅當(dāng)汽車(chē)受到較大的沖擊力時(shí)才會(huì)自動(dòng)打開(kāi),要求其能夠及時(shí)、快速地啟動(dòng),但部分汽車(chē)的安全氣囊基本不會(huì)使用,這樣就需要汽車(chē)具備自我檢查、自我維護(hù)的能力,通過(guò)智能化的電子系統(tǒng)確保氣囊系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。此外,必須確保每個(gè)功能部件的可靠性。由于每個(gè)部件都有其自身的運(yùn)動(dòng)和可控性,不同功能部件的機(jī)動(dòng)性不同,其工作環(huán)境也不同。但它們大多處于相對(duì)惡劣的工作環(huán)境中,如高溫環(huán)境、靜態(tài)低溫環(huán)境和高強(qiáng)度沖擊等,這些環(huán)境條件對(duì)車(chē)輛的各個(gè)部件和電路提出了很高的要求,需要保證各部件的穩(wěn)定性,具有較強(qiáng)的自適應(yīng)和自補(bǔ)償能力,能正確應(yīng)對(duì)不同的運(yùn)行環(huán)境[2]。
在智能汽車(chē)的整個(gè)電子控制系統(tǒng)當(dāng)中,發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)屬于核心內(nèi)容,這一控制系統(tǒng)中傳感器的應(yīng)用在整個(gè)汽車(chē)傳感器應(yīng)用中也就成為關(guān)鍵部分。這些傳感器的作用就是實(shí)時(shí)收集發(fā)動(dòng)機(jī)的工作信息,并將信息提供給電子控制單元,實(shí)現(xiàn)對(duì)智能汽車(chē)的精確控制,以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能,同時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的油耗,還可在一定程度上減少所排放的廢氣。此外,傳感器還可檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)是否存在故障,并將檢查情況反饋給發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。智能汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)傳感器有著較高的技術(shù)要求,其最為關(guān)鍵的就是測(cè)量精度,一旦產(chǎn)生誤差,就可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)故障。以下對(duì)應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的三種傳感器進(jìn)行詳細(xì)闡述:
(1)溫度傳感器
該種傳感器主要用于判斷汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài),并對(duì)空氣的質(zhì)量、流量等進(jìn)行計(jì)算,要求能夠連續(xù)地、精確地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、冷卻水溫度、機(jī)油溫度、吸入氣體溫度和燃油溫度等進(jìn)行檢測(cè)。在其實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,溫度傳感器的類(lèi)型較為多樣,包括熱敏電阻式、線繞電阻式和熱電耦式等,三種溫度傳感器具有不同特點(diǎn),應(yīng)用場(chǎng)合也有所不同。其中線繞電阻式的精度較高,但不具備較強(qiáng)的響應(yīng)特性。熱敏電阻式的靈敏度較高,響應(yīng)特性較好,但線性較差,適用溫度在300 ℃之內(nèi),具有一定局限性,且其采用的主要材料是MnONiO系列。
(2)壓力傳感器
該種傳感器應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中,主要檢測(cè)氣缸壓力、機(jī)油壓力和大氣壓力。目前,汽車(chē)上使用的壓力傳感器種類(lèi)繁多。根據(jù)信號(hào)產(chǎn)生的原理,可分為電容型、膜片盒驅(qū)動(dòng)型、半導(dǎo)體變阻器型和表面彈性波型四種類(lèi)型。其中電容式傳感器具有較高的環(huán)境適應(yīng)能力,同時(shí)輸入能量較高,且動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力較強(qiáng)。壓敏電阻式具有響應(yīng)快、尺寸小等優(yōu)勢(shì),同時(shí)具有較好的抗震性能,但其受到溫度因素的影響較大,需另外設(shè)置溫度以補(bǔ)償電路;膜盒傳動(dòng)的可變電感式傳感器易于數(shù)字輸出,且具有較大輸出,但抗震性較差,而表面彈性波式具有體積小、靈敏度高、可靠性強(qiáng)、功耗低和數(shù)字量輸出等優(yōu)勢(shì),是較為理想的一種壓力傳感器。
(3)位置傳感器
位置傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,主要包括兩種類(lèi)型,即曲軸位置、節(jié)氣門(mén)位置。其中曲軸位置傳感器是發(fā)動(dòng)機(jī)集中控制系統(tǒng)中最為主要的一種傳感器類(lèi)型,是控制點(diǎn)火時(shí)刻確認(rèn)曲軸位置的重要信號(hào)源,同時(shí)也可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的信號(hào)源進(jìn)行測(cè)量,進(jìn)而確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和曲軸轉(zhuǎn)角等。該類(lèi)傳感器包括光電式、霍爾效應(yīng)式和磁脈沖式等。節(jié)氣門(mén)位置傳感器主要安裝于汽車(chē)的節(jié)氣門(mén)體上,可對(duì)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度進(jìn)行檢測(cè),進(jìn)而滿(mǎn)足節(jié)氣門(mén)于不同開(kāi)度狀態(tài)下對(duì)噴油量的有效控制,包括開(kāi)關(guān)式、線性式兩種類(lèi)型[3]。
汽車(chē)底盤(pán)控制系統(tǒng)主要指動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、變速器控制系統(tǒng)和防抱死制動(dòng)系統(tǒng)等,其主要通過(guò)傳輸信號(hào)來(lái)保障汽車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。傳感器在底盤(pán)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用主要包括:
(1)線性加速慣性傳感器
該種傳感器主要采取微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù),多分布于車(chē)輛的底盤(pán)入口,主要分為電容式和壓阻式兩種類(lèi)型。
(2)車(chē)盤(pán)懸架的角速度傳感器
該種傳感器主要依賴(lài)于微機(jī)系統(tǒng)技術(shù),進(jìn)而對(duì)不同類(lèi)型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)數(shù)效率進(jìn)行檢測(cè),通常安裝于穩(wěn)定系統(tǒng)。
(3)變速控制傳感器
該種傳感器主要應(yīng)用于自動(dòng)變速器控制功能,通過(guò)傳感系統(tǒng)來(lái)最大限度提高動(dòng)力性能,可有效控制油體溫度和加速度等[4]。
車(chē)身操控系統(tǒng)包含了汽車(chē)裝置的多個(gè)方面,通過(guò)在電子系統(tǒng)中應(yīng)用智能傳感器,可對(duì)汽車(chē)的車(chē)身操控裝置進(jìn)行優(yōu)化。在汽車(chē)的空調(diào)裝置中也安裝有部分智能傳感器,進(jìn)而對(duì)空氣溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。除此之外,汽車(chē)的倒車(chē)傳感器裝置、智能車(chē)鎖等均需要應(yīng)用智能傳感器[5]。
在智能汽車(chē)的機(jī)件構(gòu)成中,電子控制系統(tǒng)是重要組成部分,在確保汽車(chē)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行方面發(fā)揮著重要作用。在汽車(chē)電子控制系統(tǒng)中,傳感器的應(yīng)用具有重要意義,要求工作人員準(zhǔn)確把握各種傳感器的實(shí)際應(yīng)用,促使傳感器在汽車(chē)控制系統(tǒng)中更好地發(fā)揮作用,進(jìn)而保障汽車(chē)控制系統(tǒng)具有更完善的功能。