徽州骆驼 · 3月25日

汽车传感器知识点梳理

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01 传感器的定义

所谓传感器是来自“感觉”一词,根据GB7665-2005,传感器(Transducer/Sensor)的定义为:

能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。

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传感器组成框图

  • 敏感元件指传感器中能直接感受或响应被测量的部分,是传感器的核心,它的作用是直接感受被测物理量,并将信号进行必要的转换输出。
  • 转换元件指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。
  • 基本转换电路是一些能把敏感器件或转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录和处理等有用的电信号的装置。
  • 被测量传感器输入量,是传感器命名和分类的重要依据。如非电物理量:温度、湿度、压力、位移、流量、加速度、光等。
  • 输出量含有原始信号,且为便于接收与处理的信号形式。当输出为规定的标准信号时,则称为变送器(transmitter)。

02 传感器的图形符号及命名法/代码

国标GB/T 14479-93规定传感器图用图形符号表示方法:

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正方形表示转换元件,三角形表示敏感元件;X 表示被测量符号;* 表示转换原理。

如:电容式压力传感器

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国标GB/T 7666-2005规定了传感器的命名方法:一种传感器产品的名称,应由主题词加四级修饰语构成。

  • 主题词-传感器;
  • 第一级修饰语-被测量,包括修饰被测量的定语;
  • 第二级修饰语-转换原理,一般可后续以“式”字;
  • 第三级修饰语-特征描述,指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件以及其他必要的性能特征,一般可后续以“型”字。
  • 第四级修饰语-主要技术指标(量程、测量范围、精度等)。

例:传感器,压力,压阻式,[单晶]硅,600kPa。

注:当对传感器的产品名称命名时,除第一级修饰语外,其他各级可视产品的具体情况任选或省略。

同时,国标GB/T 7666-2005规定了传感器代号标记方法:规定用大写汉语拼音字母(或国际通用标志)和阿拉伯数字构成传感器完整的代号。

传感器的完整代码应包括以下四部分:

  • 主称(传感器):用汉语拼音字母“C”标记。
  • 被测量:用其一个或两个汉字汉语拼音的第一个大写字母标记,具体参考GB/T 7666-2005中的规定。
  • 转换原理:用其一个或两个汉字汉语拼音的第一个大写字母标记,具体参考GB/T 7666-2005中的规定。
  • 序号:用阿拉伯数字标记,序号可表征产品设计特征、性能参数、产品系列等。序号及其内涵可由传感器生产厂家自行决定。

例:霍尔式电流传感器

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03 传感器的特性与指标

3.1  传感器的静态特性

参考GB/T18459-2001,静态特性表示被测量处于不变或缓慢情况下,输出与输入之间的关系。也就是当输入量为常量,或变化极慢时,这一关系被称作静态特性。

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静态特性曲线可通过实际测试获得,为了标定和数据处理的方便,希望得到线性关系,可采用硬件和软件的补偿进行线性化处理,当非线性误差不太大的情况下,通常采用直线拟合的方法线性化。

通常评价静态特性的指标如下:

1、线性度:在规定条件下,传感器测量曲线(校准曲线)与拟合直线间最大偏差与满量程(Full Scale)输出值的百分比称为线性度。

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传感器线性度
注:线性度与拟合直线为基准,拟合直线不同,线性度不同。

2、灵敏度:传感器的灵敏度是指到达稳定工作状态时,输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。

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注:非线性传感器的灵敏度用dy/dx表示,其数值等于所对应的最小二乘法拟合直线的斜率。

3、分辨力:传感器在规定的测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化值。有些时候,也会用该值相对满量程的百分数表示,此时则称为分辨率。(满量程=最大量程-最小量程)

4、迟滞(回差):在相同工作条件和量程范围内,同一次测量中对应同一输入量的正行程和反行程其输出值间的最大偏差。

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5、重复性:在同一工作条件下,输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。数值上用各测量值正、反行程标准差的两倍或三倍与满量程的百分比。

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注:迟滞和重复性的差异:

  • 迟滞反映传感器机械结构和制造工艺上的缺陷,如轴承摩擦、间隙、螺丝松动。元件腐蚀或碎裂及积尘等。
  • 重复性反映测量结果偶然误差的大小,而不表示与真值之间的差别。有时重复性很好,但可能远离真值。

6、精度(静态准确度)

精度的指标:精密度、准确度、精确度

  • 精密度:说明测量结果的分散性(随机误差)
  • 准确度:说明测量结果偏离真值大小的程度(系统误差)
  • 精确度:精密度和准确度的综合(极限误差)

工程中,为了表示测量结果的可靠程度,引入精确度等级概念,用A表示。

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7、其他特性

  • 阈值:从输出看能测出的输入量最小变化值,实际上是零位附近的灵敏度。
  • 稳定性和温度稳定性:稳定性表示传感器在较长时间内保持其性能参数的能力,稳定性可用相对误差或绝对误差表示,表示方式如:XX个月不超过 %满量程输出。
  • 漂移:传感器在输入量不变的情况下,输出量随时间变化的现象。

    Ø 传感器不因输入的原因而发生的变化

    Ø 零点漂移和灵敏度漂移

    Ø 时漂、温漂

时间漂移是指在规定的条件下,零点或灵敏度随时间的缓慢变化。

温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度漂移。

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3.2  传感器的动态特性

  • 当输入量随时间变化时,输入与输出间的关系(动态量指周期信号、瞬变信号或随机信号)。
  • 动态特性取决于传感器本身,另一方面也与被测参量的变化形式有关。

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  • 对数幅频特性:将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入传感器,其它输出正弦信号的幅值、相位与输入信号频率之间的关系

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小 结:

  • GB/T 7665-2005规定了传感器的产品名称和性能特性术语。
  • GB/T 7666-2005规定了传感器的命名方法、代号标记方法、代号。
  • GB/T 14479-1993规定了传感器的图用图形符号和表示规则。
  • GB/T 18459-2001 规定了一般传感器主要静态指标的定义和计算方法。

04 传感器相关通讯协议

CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconnect Network), FlexRay, MOST (Media Oriented Systems Transport), PWM (Pulse Width Modulation), PSI5 (Precision Sensor Interface 5), 和 SPI (Serial Peripheral Interface) ,SENT (Single Edge Nibble Transmission)和 Ethernet 是在汽车传感器通讯协议中常用的几种技术,它们各自有不同的应用场景和特点:

1、CAN (Controller Area Network):

  • 应用:CAN 是汽车网络中最常用的通讯协议之一,适用于各种类型的传感器,包括速度、温度、压力和转向角度传感器。
  • 特点:它支持多主控通讯,具有错误检测和校正功能,适合于实时性和可靠性要求较高的应用。

2、LIN (Local Interconnect Network):

  • 应用:LIN 通常用于成本敏感和速度要求较低的传感器和控制单元,如车窗、座椅调节和简单照明控制。
  • 特点:LIN 协议简单、成本低,适合于较低速度和较低复杂度的应用。

3、FlexRay:

  • 应用:FlexRay 用于需要高可靠性和实时性的安全关键系统,如电子稳定控制系统(ESC)、防抱死制动系统(ABS)和自动驾驶系统。
  • 特点:FlexRay 支持高速数据传输,具有高可靠性和确定性,适用于要求严格的实时应用。

4、MOST (Media Oriented Systems Transport):

  • 应用:MOST 主要用于车载娱乐和信息系统,如音频、视频和数据流的传输。
  • 特点:MOST 支持高速数据传输,具有时间同步功能,适合于多媒体和信息系统。

5、Ethernet:

  • 应用:随着车辆系统变得越来越复杂,以太网开始被用于需要处理大量数据的系统,如高级驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶技术。
  • 特点:以太网支持高速数据传输,具有高带宽和网络扩展性,适用于大数据量和高速通讯需求。

6、PWM (Pulse Width Modulation):

  • 应用:PWM 通常用于模拟传感器的输出,如位置或速度传感器。它通过改变脉冲的宽度来表示模拟信号的不同值。
  • 特点:PWM 信号简单,抗干扰能力强,适合于长距离传输。但它只能单向传输数据,且数据传输速率相对较低。

7、PSI5 (Precision Sensor Interface 5):

  • 应用:PSI5 是一种用于汽车传感器的通讯协议,主要用于速度、位置和角度传感器的数据传输。
  • 特点:PSI5 支持高速数据传输,具有错误检测和校正功能,适用于实时性和精确性要求较高的应用。

8、SPI (Serial Peripheral Interface):

  • 应用:SPI 通常用于数字传感器和微控制器之间的通讯。它可以用于各种类型的传感器,包括温度、压力和加速度传感器。
  • 特点:SPI 支持高速全双工通讯,可以同时发送和接收数据。它需要较少的引脚,但在某些情况下可能需要更多的硬件支持。

9、SENT (Single Edge Nibble Transmission):

  • 应用:SENT 用于需要高精度和高可靠性数据传输的汽车传感器,如轮速传感器、位置传感器和压力传感器。
  • 特点: SENT 使用单线进行数据传输,支持高分辨率,具有强大的错误检测和校验机制,适合于安全关键系统。

小 结:

这些通讯协议在汽车传感器中的应用取决于传感器的类型、所需的通讯速度、数据完整性要求以及系统的复杂性。例如,CAN 和 LIN 适用于一般的汽车传感器通讯,而 FlexRay 和 Ethernet 更适合于需要高速、高精度数据传输的高级应用。PWM 适合于简单的模拟传感器,而 PSI5、SPI 和 SENT 更适合于需要高速、高精度数据传输的数字传感器。

05 汽车传感器

汽车传感器是把非电信号转换成电信号并向汽车传递各种工况信息的装置。在汽车运行中,汽车传感器能采集车身状态(如温度、压力、位置、转速等)和环境信息,并将采集到的信息转换为电信号传输至汽车的相关控制单元。

汽车传感器作为信息采集源,根据信息采集内容的不同可分为车身感知传感器和环境感知传感器。

  • 车身感知传感器指分布于汽车的动力系统、传动系统、底盘及安全系统及车身舒适性系统等子系统中,用于获取汽车车身信息的基础传感器。车身感知传感器提高了单车自身的信息化水平,使车辆具备感知自身的能力;按照输入的被测量不同主要分为压力传感器、位置传感器、温度传感器、(线)加速度传感器、角(加)速度传感器、空气流量传感器、气体传感器,从工作原理上看这些传感器大都采用MEMS方案。
  • 环境感知传感器指通过采集、输出汽车周围环境信息以协助汽车实现智能驾驶的汽车传感器。环境感知传感器实现了单车对外界环境的感知能力,帮助汽车计算机获得环境信息并做出规划决策,为车辆智能化驾驶提供支持;环境感知传感器主要分为车载摄像头、超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达。

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注:MEMS传感器指将微型机械结构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路以及接口、通信和电源模块都集成于芯片上的微机电系统。

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汽车传感器产业链简图

可以看出,当前传感器技术我国仍处于技术追赶阶段,诸如:纳芯微、琻捷电子、保隆、安培龙、华为、森思泰克等芯片、传感器企业打破国外垄断技术,逐步缩短和国外厂商的差距。

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注:上图及表格仅为个人观点,如有错误,烦请批评指正

  • 博世依托其半导体芯片技术、博世制动、智能驾驶及座舱、无锡车联天下、联合汽车电子UAES(电驱动)、博世华域转向等关键零部件产业布局,产品范围广,供应链齐全,在行业内处于领先地位。

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博世传感器布局

  • Conti大陆集团依托其全球化的产业布局,在原有燃油车传感器产业上,布局了诸如:轮速传感器、曲轴位置传感器、12V蓄电池管理传感器、配合空簧使用的底盘位置传感器和加速度传感器,在新能源汽车领域,布局电驱动的转子位置传感器和动力电池的电流传感器模块,与电驱动相关的电机变速器速度传感器、电机转子速度传感器、电机转子位置传感器。同时,立足于长春研发中心和配套工厂设施,与曲阜天博合资成立了陆博电子、在连云港建立了合资工厂,同时陆博电子和国内芯片企业纳芯微双方就乘用车关键零部件轮速传感器本土化项目签署产品合作协议,开拓在技术与安全领域的深度合作,旨在共同推进我国汽车芯片的国产化进程,保障供应链稳健安全。

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*Conti 高压电流传感器模块

Conti 电机转子位置传感器

  • 保隆科技通过极强的研发能力,历经7次创业,基于其汽车轮胎胎压监测系统(TPMS)的研发成功与市场拓展,逐步打造出丰富的传感器产品矩阵,核心产品有TPMS、车用传感器(压力、加速度和电流类等)以及智驾相关传感器。

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小 结:

  • 汽车传感器头部企业仍以外资企业为主,如博世立足于博世芯片、全方位、一体化的产业布局,建立起了成熟的研发方案和完善的供应链体系,Continental(大陆)立足于其自身的全球化布局,服务本土客户,并积极和本土相关企业建立合作关系,打造适应国内的产品和供应链体系。
  • 传感器技术国内企业仍处于技术追赶阶段,在部分领域得到突破,如保隆在胎压监测传感器领域的建树,打破了国外企业的垄断,并且实现了在欧洲建立研发中心的重大里程碑目标,同时,诸如天博、安培龙等国内温度传感器以及华为、森思泰克等智能驾驶相关企业也取得了傲人的成绩。

06 系统级传感器的作用介绍

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汽车主要传感器构成

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小 结:

底盘和电驱动系统、热管理系统和悬架系统、智能驾驶、智能座舱传感器是汽车传感器系统的重要组成部分,它们在确保车辆性能、安全性和舒适性方面发挥着关键作用。

下面是对这些传感器类型的总结:

1、底盘系统传感器:

功能:底盘传感器主要用于监测和控制车辆的动态行为,如速度、转向、制动和稳定性。

关键传感器:包括速度传感器、转向角度传感器、制动压力传感器、横向加速度传感器等。

应用:用于防抱死制动系统(ABS)、电子稳定控制系统(ESC)、牵引力控制系统(TCS)等。

2、热管理系统传感器:

功能:热管理传感器用于监测和控制车辆的温度相关参数,确保发动机和其他关键部件在适宜的温度范围内运行。

关键传感器:包括发动机冷却液温度传感器、进气温度传感器、油温传感器、空调温度传感器等。

应用:用于发动机冷却系统、车内温度控制、电池热管理等。

3、悬架系统传感器:

功能:悬架系统传感器用于监测车辆的高度、悬挂行程和路面状况,以优化车辆的性能和乘坐舒适性。

关键传感器:包括车身高度传感器、悬挂行程传感器、路面状况传感器(如颠簸传感器)等。

应用:用于自适应悬挂系统、空气悬挂系统、车辆稳定性控制等。

4、电驱动系统传感器:

功能:电驱动系统传感器用于监测和控制电动车的电动机、电池和其他关键电驱动组件的性能。

关键传感器:包括电流传感器、电压传感器、温度传感器、电机转速传感器、电池状态传感器等。

应用:用于电池管理系统(BMS)、电动机控制、能量回收系统、车辆动力输出控制等。

5、智能驾驶传感器:

功能:智能驾驶传感器用于感知车辆周围的环境,辅助或实现自动驾驶功能。

关键传感器:包括摄像头、雷达(RADAR)、激光雷达(LIDAR)、超声波传感器、惯性测量单元(IMU)等。

应用:用于车道保持辅助、自适应巡航控制、自动泊车、自动驾驶导航等。

6、智能座舱传感器:

功能:智能座舱传感器用于监测和提升车内乘客的舒适性和便利性。

关键传感器:包括车内摄像头、生物识别传感器、环境传感器、触摸屏和触控传感器、语音识别传感器等。

应用:用于个性化设置、情绪识别、疲劳监测、手势控制、座椅和气候控制系统等。

这些传感器类型在汽车中的应用不断发展和扩展,随着汽车技术的进步,它们在提高车辆性能、安全性和舒适性方面发挥着越来越重要的作用。随着传感器技术的不断进步和成本的降低,我们有理由相信这些传感器将在汽车中得到更广泛的应用,为汽车行业的发展做出更大的贡献。

07 未来发展趋势

汽车传感器的发展趋势受到汽车行业整体技术进步的推动,同时也响应了消费者对于更安全、高效、舒适驾驶体验的需求。以下是一些关键趋势:

1、集成化和智能化:随着汽车电子架构的演变,传感器将更加集成化,通过车载计算平台实现更高级的数据处理和分析。同时,传感器将变得更加智能化,能够自主学习和适应不同的驾驶环境和用户需求。

2、多传感器融合:为了实现更高级的自动驾驶功能,未来的汽车将越来越多地采用多传感器融合技术,包括摄像头、雷达、激光雷达和超声波传感器的组合,以提高感知能力和准确性。

3、长寿命和高可靠性:随着电动车和自动驾驶技术的发展,传感器需要能够在极端条件下长期稳定工作,因此对于传感器的耐用性和可靠性的要求将越来越高。

4、小型化和轻量化:为了适应汽车轻量化趋势,传感器将向小型化和轻量化发展,同时保持或提升性能。

5、低功耗和高能效:随着电动车对能源效率的重视,传感器将更加注重低功耗设计,以延长续航里程。

6、无线传感技术:无线传感器技术的发展将减少车辆的布线复杂性,提高安装和维护的便利性。

7、新材料和新工艺:新型材料和制造工艺的应用将进一步提升传感器的性能和成本效益。

8、数据安全和隐私保护:随着车联网技术的发展,传感器数据的安全性和用户隐私保护将成为重要的研究方向。

9、人工智能和机器学习:人工智能和机器学习技术将被广泛应用于传感器数据的分析和处理,以实现更智能的驾驶决策和车辆管理。

10、法规和标准:随着新技术的应用,相关的法规和标准也将不断完善,以保障传感器系统的安全性和可靠性。

这些趋势预示着汽车传感器技术的未来发展方向,也将推动汽车行业的整体技术进步和产业升级。

作者:北湾南巷
文章来源:汽车电子与软件

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