电子控制技术目前已广泛应用于汽车的发动机管理系统、电动转向系统、轮胎管理系统、驾驶辅助系统、巡航控制系统及导航系统等各类电子控制系统中，而传感器是其工作的基础配套零部件。介绍了汽车电子控制系统对传感器的功能及性能要求，分析了汽车电子控制系统中各类传感器，特别是压阻式微机电系统（MEMS）压力传感器的应用情况。
0 前言
【资料图】
传感器是一种将各种信息转换成特定可用信息的装置，其种类众多，功能各异。汽车电子控制系统中常用的传感器主要包括温度传感器、湿度传感器、电流传感器等，其性能对于汽车的安全性、可靠性及动力性等有重要影响。
1 汽车电子技术对传感器的要求
由于汽车的电子化程度越来越高，因此对传感器的要求也越来越高。根据汽车电子控制系统的要求，传感器应具备以下性能特点：
（1） 检测精度高。传感器本身的检测精度直接影响被测对象的测量精度，尤其是现代汽车电子控制系统所要求的控制精度越来越高，仅凭传感器本身无法实现精确控制，必须加入其他装置才能保证控制系统的性能达到一定的水平，进而获得较好的控制效果。
（2） 可靠性高。现代汽车电子控制系统对传感器的工作稳定性和可靠性提出了更高的要求，因此提高传感器的可靠性显得尤为重要。
（3） 体积小、质量轻。汽车设计中，传感器的体积和质量是重要的因素。因此，传感器的微型化和轻量化是汽车电子控制系统的发展趋势之一。
2 汽车电子控制系统中传感器的应用
2.1 汽车发动机中的应用
汽车电子控制系统中所用的传感器包括模拟型、数字型及混合型传感器。模拟型传感器是将发动机运行状况输出为与之对应的电压或电流信号，如曲轴位置传感器、燃油压力传感器（也称“油压传感器”）等；数字型传感器是将传统的模拟式传感器经过加装或改造模拟/数字（A/D）转换模块，使之输出信号为数字量（或数字编码）的传感器，如电子油门、怠速控制装置等；混合型传感器是将输入信号与输出信号混合，将输出信号转换为与输入信号成比例相关、正交或反向的输出信号。
随着汽车电子技术和新型材料技术的发展，汽车发动机的电子控制系统正朝着数字化和智能化的方向发展。目前，数字化控制已经成为发动机电子控制系统的重要发展趋势之一，也是发动机电子控制系统中技术含量最高、最复杂、难度最大和最难实现规模化应用的一种新技术。
2.2 汽车底盘控制中的应用
汽车底盘控制系统包括转向系统、动力总成、悬架和车身，通常还包括车身稳定控制系统（ESC）。传感器是汽车底盘控制系统的关键器件之一，其作用是感知汽车在行驶过程中的各种状态，如路面坡度、车速和车身倾斜程度等，并将这些信息传递给电子控制单元，再由电子控制单元进行分析处理并发出相应的指令。
对于汽车转向系统而言，传感器主要负责感知车辆在行驶过程中的姿态，如方向盘转角、转向盘转角信号（以下简称“转角信号”）、方向盘转角速度信号（简称“速度信号”）等。转角速度传感器是测量转角速度的传感器之一。当车辆转向时，传感器能够感知转向轴上各轴承所承受的载荷变化情况，并将其转化为电信号，然后将该信号传至电子控制单元进行分析处理。以汽车行驶道路路况的差异为依据，汽车电控悬挂系统利用车速传感器、车身高度传感器、转向盘转角传感器、节气门位置传感器等对汽车行驶速度、路面情况等汽车运行状态信息进行采集，再由电子控制单元对相关数据进行处理，从而对汽车车身高度、悬架倾斜刚度、减振器阻尼特性等进行调整。通过关闭命令，由执行器依据实际状况对车辆的工作状况进行调节和优化，以保证在平稳行驶的同时，改善汽车的驾驶舒适度。
汽车制动系统主要用于控制制动器打开、关闭，以及调节车轮抱死和松开的时间，而传感器则负责感知和获取制动踏板、制动液压油、轮胎压力等信息；电子控制单元则根据所获得信息进行分析处理，并根据输出结果对相关系统进行控制。
2.3 汽车行驶安全系统中的应用
安全气囊系统通过安装在气囊中的压力传感器、气路开关及压力控制器来感知汽车在行驶过程中车轮对车轴和车身的侧向作用力，然后将该信号送至电子控制单元进行分析处理。
驱动轮传感器是对驱动车轮运行状况进行检测的传感器，其能够感知与车轮滚动有关的各种信息，如车轮转速、滚动阻力、路面状况等，电子控制单元可以通过这些信息确定驱动轮的磨损状况及行驶里程。
胎压传感器是安装在轮胎中用于测量胎压变化情况的传感器，其可以感知胎面与地面之间的接触压力，并将该信号传至电子控制单元进行分析处理，从而确定胎面磨损程度及行驶里程。
防抱死制动系统（ABS）是保证车辆行驶安全所必须采取的一种主动安全措施，其目的是在汽车发生故障或遇到危险情况时帮助驾驶员将车辆制动住，使其不会继续向某一方向移动，从而避免发生碰撞事故。
2.4 电动汽车电池控制系统中的应用
电动汽车电池控制系统中使用了大量的电池传感器，以监测和控制电池中电流和电压的变化。常见的电池传感器包括温度传感器、化学气体传感器、电池电量监测及控制传感器、充放电电流或电压传感器等。其中，锂离子电池管理系统是常用的电池电势/电流测量器件。在锂离子电池组进行充电和放电时，需要测量其充放电电流。充放电电流是指电池组在一定时间内所能容纳的最大电流。锂离子电池组中配置有大量的放电电流/电压传感器，用于测量充放电电流及测量放电时电池内部各元件所产生的感应电压。当车载锂电池在充满电的情况下，在车辆行驶过程中，会产生较强的电流和电压信号。在车载锂电池处于亏电状态时，其所发出的电流、电压信号就会变弱。所以，汽车企业在设计电动汽车时，可以利用上述各种传感器来采集电池信号，防止车载电池出现过度充放电，避免对电池的使用性能和使用寿命产生影响，从而有效地提高电池的利用率。
3 压阻式微机电系统（MEMS）传感器在汽车电子控制系统中的应用
3.1 压阻式MEMS 传感器内部结构及原理
在机载MEMS 压力传感器中，压阻式MEMS压力传感器的使用最为广泛。压阻式MEMS 压力传感器内部结构分为3 层，中间层是一种常见的用来测量压力类传感器的硅晶应变计，应变计的上、下2 层均为高强度、抗压的玻璃体，其厚度是固定值，再在其中间打开1 条拉力槽，以保证压力槽能够承受一定的压力。使用压阻式MEMS 压力传感器时无需消耗额外的能量，在保证测量精度的前提下降低了测量过程中的能量消耗，且成本很低。惠斯通测量电桥适用于压阻式MEMS 压力传感器，其由4 个高精度的半导体电阻和应变片组成，可实现对外界压强的探测，并对输出电信号进行变换。压阻式MEMS 压力传感器的惠斯通电桥在高强度的应力场中，用4 个高精度的电阻-应变仪刻制在其表面应力最大处，通过精确的控制，惠斯通电桥的精度可达到0.01%～0.03%。
压阻式MEMS 压力传感器的工作原理如下：当外界压力对压阻式MEMS 压力传感器的应力凹陷产生影响时，硅晶应变计将会产生弹性变形，从而导致其自身的电阻发生变化，这就是“电阻-应变”效应。当惠斯通电桥上的4 个电阻-应变片因受到压力发生电阻变化时，惠斯通电桥两端的电势不平衡，惠斯通电桥将输出与压力成比例的电压。
3.2 压阻式MEMS 压力传感器的应用
在AJR 型发动机汽车电子控制系统中，常规的压力传感器存在体积大、性能不高、功耗大和响应速度慢等缺点。在AJR 型发动机汽车电子控制系统中使用压阻式MEMS 压力传感器可以很大程度上节省发动机舱空间，提升整车系统性能，并可在保持低功率消耗的前提下快速完成监控。该压阻式MEMS 压力传感器可以用来测量AJR 型发动机电子控制系统中的各种压力，包括进气管气压、真空管气压、轮胎气压、大气气压、机油压力及燃油压力，以及瞬时撞击固态压力等。通常将测量固态气压的车用气压传感器称为“撞击感应器”。AJR 型发动机电子控制系统中常规压力传感器的主要应用领域见表1。
表1 汽车压力传感器主要应用领域
以胎压传感器为例，在很多情况下爆胎是导致车内人员死亡的主要因素，因此目前大多数汽车都配备有胎压传感器。由于轮胎气压一般与温度有关，因此在胎压传感器中整合了一种小型的有助于轮胎气压测量的温度传感器。
与传统的微型机电压传感器相比，压阻式MEMS 压力传感器检测灵敏度较高。压阻式MEMS 压力传感器所测压力范围与力敏膜片的厚度有关，但外界温度等因素也会对输出信号的精度产生影响。为此，需要在电路中加入一种调节电路，使传感器不受温度的影响，以达到对测量精度进行补偿的目的。压阻式MEMS 压力传感器除了用于吸入岐管压力检测、胎压自动监测系统，也可以应用在AJR 型发动机电子控制系统中的排气系统上。压阻式MEMS 压力传感器具有很好的适应性，能够快速、准确、实时地检测到任何一种轮胎的内部压力。此外，由于压阻式MEMS 压力传感器的内部还装有温敏元件，因此还可以用其监测轮胎内部温度，该次要测试信号最终会被传送至AJR 型发动机电子控制系统。目前，世界各地的汽车业都十分关注轮胎气压的检测，因此压阻式MEMS 传感器的应用前景广阔。
4 结语
随着汽车电子控制系统的不断发展，其对传感器的要求也越来越高。温度、速度、位置及电流等参数的精确检测对于提高汽车的可靠性和安全性有重大意义。现代汽车电子控制系统通过装置温度、速度和位置等物理量的采集器，并经信号传输网络将物理量传输到电子控制单元进行处理分析，从而达到精确控制汽车各部件工作状态的目的。
参考文献
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