智能传感器：汽车应用的关键

随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如0～10mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是数字传感器。

智能化是指传感器与大规模集成电路相结合，带有CPU，具有智能作用，以减少ECU的复杂程度，减少其体积，并降低成本。智能化是指传感器与大规模集成电路结合，成为带有专用微型计算机的传感器。

智能传感器是一种以微处理器为核心单元，兼有检测、判断和信息处理等功能的传感器。智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息功能有机地融合在一起。

例如，智能压力传感器（如图1-2所示）。具有测量、转换、运算、处理和程控等功能，可进行温度补偿和非线性误差修正，能稳定地工作在环境温度变化较大的场合。

图1-2 智能压力传感器原理

随着汽车智能化的发展，对传感器提出了更高的要求，汽车传感器将进一步实现微型化、多功能化、无线传感器网络化和智能化。智能传感器的智能化与集成化分不开，集成程度越高，则智能化功能越强。现在各国都在研究智能汽车，具有分析、判断、自适应、自学习功能的汽车智能传感器是必然的发展趋势，新的多功能智能传感器的出现将会使汽车系统性能上升一个新的台阶。

（1）智能传感器在汽车安全系统中的应用

1）电子式自动照明系统。电子式感应前照灯可通过车外的光线明暗感应器监测到外界光线，在天色变暗或进入山洞时，电子式感应器自动地将前照灯打开，从而减少驾驶人的操作，增加行车安全性。在白天光照强烈时，感应器会在确保足够明亮度的情况下自动关闭前照灯，从而节省能耗。

2）胎压监测系统。汽车高速行驶时，轮胎故障是所有驾驶人最为担心和最难预防的，也是突发性事故的重要原因之一。保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。一种能实时检测监控轮胎气压、气温的安全预警系统——汽车轮胎胎压监测系统（TPMS）能实时监测胎压变化，有效防止爆胎，把爆胎事故消除在萌芽状态。

TPMS的工作原理是，在汽车四个轮胎上安装高灵敏的传感器，在汽车行驶状态下实时、动态地检测轮胎压力和温度，并将数据通过无线电信号发射到接收器，接收器以数字形式反映气压值，驾驶人能随时掌握漏气与温度升高时的轮胎状况。系统对任何原因（如铁钉扎入轮胎等）导致的轮胎漏气都能自动报警，从而使驾驶人及时发现问题，有效预防事故的发生。

目前，应用于TPMS的胎压监测传感器比较有代表性的是德国英飞凌科技公司开发的SP12系列传感器，主要包括SP12、SP12T、SP30。SP12和SP12T的结构和功能类似，只是压力测量范围不同，SP12的测量范围为100～450kPa，适用轿车使用；SP12T的测量范围为500～1400kPa，适于大型车辆。SP30是SP12和微处理器的集成，属于智能传感器，这样可以减少系统组件，提高稳定性，降低功耗。

3）安全气囊触发系统。一个集成式安全气囊触发系统包括加速度探测部分、电压调节部分、单片机和有线通信协议。加速度传感器类型众多，可覆盖X、XY、XYZ和Z轴方向。这些卫星式加速度传感器可扩展到整个汽车周围以探测碰撞。电子控制单元用于探测碰撞和触发汽车正面、侧面的安全气囊，它必须具有足够的智能化程度，在关键时刻必须能及时、正确地瞬时打开。在绝大多数时间内气囊处在待命状态，因此安全气囊的电子控制单元必须具有自检、自维护能力，不断确认气囊系统的可靠性，确保动作的“万无一失”。(https://www.xing528.com)

为提高下一代汽车安全气囊系统的性能、灵敏度和可靠性，飞思卡尔半导体公司推出了新的惯性传感器。飞思卡尔的MMA6222EG、MMA6255EG和MMA621010EG惯性传感器基于下一代高深宽比微机电系统（HARMEMS）技术，是一种经过验证的安全气囊传感应用技术。

4）酒精检测系统（MEMS）。酒精检测系统由酒精传感器与相应的信号调理电路集成。酒精传感器可吸附氧气，当环境中的氧气浓度改变时，其电阻值相应改变。正常状况下，元件在吸附空气中的氧气后会保持某个电阻值不变，一旦空气中含有酒精，元件表面的氧元素便会与酒精发生反应，使电阻值下降。因此，通过测定电阻值可检测出呼气中含有的酒精浓度。酒精检测传感器可以植入在密封外壳内、连同信号调理电路等一起嵌入转向盘内，一旦检测出驾驶人呼出的气体含有酒精，便发出安全警报，切断发动机点火系统，防止驾驶人酒后驾驶。

5）自动雨刷系统。光电式自动雨刷系统在汽车上的应用比较广泛。发光二极管对前风窗玻璃发出光束，当雨滴打在感应区的玻璃上时，光束所反射的光线强度会因玻璃上的雨量或湿气含量而有所变化，因此可根据光束所反射的光线强度改变雨刷的刷动频率。

6）汽车防抱死制动系统（ABS）。汽车防抱死制动系统（ABS）能实时判定汽车在制动过程中车轮的滑动率并自动调节作用在车轮上的制动转矩，防止车轮抱死。它能把车轮的滑动率控制在一定的范围之内，充分地利用轮胎与路面之间的附着力，有效地缩短制动距离，显著地提高车辆制动时的可操纵性和稳定性。

（2）智能传感器在辅助系统及节省能耗方面的应用

1）主动避撞系统。主动避撞系统用于辅助驾驶人在可能发生追尾事故的情况下进行车辆制动，主要由接近速度传感器（CV）和制动辅助系统组成。接近速度传感器系统可以在一定范围内对车辆前方进行扫描。如果探测到有物体存在，其“发送—接收”单元会根据传感器信号计算物体距车体的距离和与车体的相对速度。如果车体间距离减小得过快以至于会发生追尾事故，则制动系统会被置于紧急模式，制动油压会被提高。驾驶人一踩下制动踏板，制动系统就会迅速予以反应；如果驾驶人松开加速踏板，则主动避撞系统会自动施加一个制动力。因此，即便仅是轻微的连续踩踏，由于制动辅助系统的介入，也能保证提供给车辆最大的制动力。接近速度传感器提供的数据可以让安全气囊控制单元更好地评估碰撞发生的可能性。这样，安全气囊只有在真正需要的情况下才会开启，从而显著降低了由轻微事故带来的维修费用。

2）其他辅助系统。在高端汽车中，常常会使用智能图像传感器来辅助驾驶。而且随着技术的进步，辅助驾驶系统的成本进一步降低，其应用前景将十分广阔，例如，电子稳定控制系统（也称为汽车动态控制系统）以及可用于道路分离报警和引导、驾驶人睡意探测、道路障碍传感、智能气囊部署、盲点探测等传感器的智能系统。

3）蓄电池IVT传感器。由于车载电子设备越来越多，使为其提供电力的蓄电池工作负荷不断增大，因此对蓄电池充电状态（SOC）进行准确计算以确保蓄电池发挥最佳性能的重要性也日益突出。而德尔福的蓄电池IVT传感器可以提升蓄电池的使用效率，帮助蓄电池达到最佳性能。

德尔福的蓄电池IVT传感器可精确测量作为确定蓄电池工作状态三大关键参数的电流（I）、电压（U）和温度（T）。在蓄电池处于满充状态时，蓄电池IVT传感器可减少交流发电机所需输出的电力，从而降低发动机的机械载荷并达到提高燃料效率的目的。

当用电量超过车载发电机发电能力时，蓄电池会提供电力以满足使用需求。如果在这些时间里，蓄电池充电和放电未得到有效监控和管理，蓄电池蓄电量将被耗尽，一旦发动机关闭后，蓄电池内电力不足，则无法重新起动发动机。IVT传感器减少了存储过多能源的需要，使车辆可使用更小型的蓄电池和交流发电机。传感器还会使与安全相关的重要功能获得不间断的电力供应，为发动机起动保留可接受的最低电量，并允许白炽灯在车辆使用寿命内以最低平均电压工作。

4）高温微电子在汽车中的应用。高温微电子在汽车发动机控制、气缸和排气管、电子悬架和制动、动力管理及分配等方面的监控中都起着非常重要的作用。例如，用于发动机控制的高温微电子传感器和控制器将有助于对燃烧进行更好的监测和控制，使燃烧更加彻底，提高燃烧效率。用传统的硅半导体技术制作的微电子器件由于不能在很高的温度下工作，为了解决在高温环境下的温度测量问题，必须研制一种新的材料来取代传统的半导体材料。第三代宽能带半导体材料SiC具有高击穿电场、高饱和电子漂移速率、高热导率及抗辐照能力强等一系列优点，特别适合制作高温、高压、高功率、耐辐照等半导体器件。集成的SiC传感器可以直接与高温油箱和排气管接触，这样能进一步获得有关燃料燃烧效率和废气排放的更多信息。研究表明，一旦SiC半导体技术能解决好材料、封装等技术而得到进一步的发展，SiC功率器件的工作范围将超过传统的硅功率器件，而且其体积比硅功率器件还要小。