傳感器在汽車車身電子控制系統中的應用研究

許 凌 王源紹 遲英姿

（南京工業大學浦江學院 江蘇南京 211134）

隨著汽車產業的飛速發展，汽車已從最初的生產運輸交通工具，逐漸普及為人們日常生活出行的代步工具。汽車為我們帶來高速、安全、舒適的駕駛體驗，很大程度上得益于汽車電子技術的迅猛發展。目前，先進的電子控制技術被廣泛應用于汽車中，使得汽車操作更為簡單便捷、經濟環保。其中，傳感器作為汽車電子控制系統中不可或缺的信息源，自然不容忽視。

一、汽車車身電子控制系統

汽車電子控制系統是以信息技術和電子技術為基礎，以提高汽車整車性能為目的，對汽車各機械總成、零部件進行工況信號數據采集、分析運算，最終按其控制要求進行調控處理的系統。根據汽車的總體結構，汽車電子控制系統可分為發動機、變速器、底盤和車身電子控制系統四大類。

汽車車身電子控制系統，主要用于改善汽車行駛的安全性、方便性以及乘坐的舒適性、娛樂性等性能。它主要包括安全氣囊系統（SRS）、安全帶張緊控制系統（STTS）、中央門鎖控制系統（CLCS）、車輛保安系統（VESS）、前照燈控制與清洗系統（HAW）、刮水器與清洗器控制系統（WWCS）和座椅位置調節系統（SAMS）、自動空調系統（ACS）、車載電話（CPH）、主動避撞系統和倒車防撞報警系統（PWS）等。隨著信息網絡技術和5G 技術的發展，汽車車身電子控制系統還可用于和社會資源聯結，將大量計算機、傳感器與交通管理服務系統聯結在一起。

二、傳感器

汽車電子控制系統主要由傳感器、控制單元和執行器三部分組成。傳感器是汽車電控系統的信號采集輸入和部分轉化裝置，安裝在要監控的汽車零部件上。傳感器（英文Sensor），按照中國國家標準（GB/T 7665-2005）定義為能夠感受規定的被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件和裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。

傳感器起源于仿生研究，其結構類型眾多，工作原理五花八門。它可以感知到物質的物理、化學和生物特性，可將諸如位移、力、溫度、濕度、速度等非電量信號轉換成電壓、電流、頻率、電荷、電容、電阻等電量，便于傳輸處理。現代車用傳感器有開關脈沖量和連續模擬量兩種，應用時可根據監控參數及要求選用。一般來說，汽車裝備的傳感器越多，則車輛的控制內容越多，車輛的檔次也就越高。目前，一輛簡單基本配置的普通家用轎車至少擁有幾十個傳感器，而高檔豪華配置的轎車所使用的傳感器數量可多達數百個，遍及汽車發動機、底盤、變速箱、車身等各個部件。

三、傳感器在汽車車身電子控制技術中的應用

（一）安全氣囊系統（Supplemental Inflatable Restraint System,SRS）

當汽車遭受碰撞導致車速急劇變化時，安全氣囊系統能根據傳感器采集的信號迅速觸發安全氣囊膨脹，避免車內乘員直接碰撞到車內構件而造成嚴重傷害。安全氣囊系統有多個傳感器，如碰撞傳感器、保險傳感器等，主要分布在汽車前半部。

碰撞傳感器可以感知車輛發生高速碰撞時突然減速的信號，將其檢測出的碰撞減速度送入ECU，用以判定是否發生碰撞。碰撞傳感器根據安裝位置的不同可分為前碰撞傳感器和中央碰撞傳感器。前碰撞傳感器常用的是機電式傳感器，類型有滾軸式、滾球式和偏心錘式（偏心錘式碰撞傳感器工作原理見圖1）。中央碰撞傳感器主要是壓電式、壓阻式等電子式傳感器，分別利用半導體的壓電效應和壓阻效應制成。中央碰撞傳感器與前碰撞傳感器的區別在于，中央碰撞傳感器沒有電器觸點，傳送給ECU 的信號是模擬信號，而非開關信號。

保險傳感器則主要是體積較小的水銀開關式傳感器（見圖2），一般安裝在SRS ECU 內部，利用水銀導電良好的特性來控制氣囊點火器電路的接通與斷開。SRS ECU 只有同時接收到碰撞傳感器與保險傳感器信號時，才會觸發安全氣囊，以免發生因傳感器短路而造成的誤觸發。

圖2 水銀開關式碰撞傳感器工作原理

近年來，為發揮安全氣囊的最佳作用，提高車輛人員的安全保護作用，一些高端汽車廠家在現有的安全氣囊系統中繼續增加傳感器數量。譬如可以適當增加一些紅外線傳感器、重量傳感器、超聲波傳感器等，用以探測座椅上是否有乘員以及其重量、位置、高度等信息。ECU 通過采集這些數據，從而更為精準地分析計算并控制安全氣囊的起爆和膨脹，避免不必要的引爆。

（二）汽車燈光智能調節系統

為了保證汽車行駛的安全性，減少交通事故的發生，汽車上都裝有多種照明和信號裝置。這些燈光系統包括：近光燈、遠光燈、轉向燈、霧燈、倒車燈、制動燈、車內照明與指示燈等，均需要電子控制單元對其進行開關控制。

最新的技術報告顯示，越來越多的汽車廠商在不影響汽車原有功能的基礎上，通過在車身上增加角度傳感器、光敏傳感器等檢測設備，采用軟硬件結合技術實現汽車照明系統的最優化使用。具體實現如下：（1）通過在車輪轉軸處增加角度傳感器實現車輪轉角的跟蹤，將車輪的轉動角度轉化為電壓值傳送給主控芯片，經過處理后控制步進電機轉動，從而帶動近光燈的轉動；（2）在車身正前方中間位置增加一個光敏傳感器，用來接收正面會車的光強，將接收到的信號傳送到主控芯片以判斷是否達到遠光燈的光強，如果是，則自動關閉遠光燈同時開啟近光燈。（3）在車頭位置增加溫濕度傳感器，用來檢測是否有霧，從而決定是否自動開啟霧燈和車距燈。

（三）胎壓監測系統

一般來說，輪胎故障是最難預防的一項故障，在車輛高速行駛的過程中，一旦輪胎發生意外，很容易引起突發性事故，對司機與乘客造成巨大危害，因而如何預防爆胎成為降低車輛事故的一個關鍵性問題。

在車輛防止爆胎方面需要注重兩個細節：其一要實時保持標準的車胎氣壓；其二要對車胎漏氣的情況進行監測。然而一般司機都沒有觀察輪胎胎壓的習慣，甚至大多數情況下通過眼睛觀察也很難發現具體的安全隱患，所以如何采取有效的手段對輪胎胎壓進行實時監測，是避免汽車發生爆胎事故的關鍵。傳感器的應用解決了這一難題，通過警報系統與傳感器等組成的胎壓監測系統，就能夠達到實時監測胎壓的效果。一旦壓力發生變化，超出安全數值范圍，警報就會觸發，提醒駕駛員立即停車檢查。

（四）防抱死制動系統

防抱死制動系統在汽車的整體控制系統中有著重要的作用，一方面通過該系統能夠對車輛在制動過程中的車胎滑動率進行判定；另一方面還可以調節車輪上的制動力矩，從而有效控制車輪的滑動率，使其保持在標準范圍內，從而可以保障輪胎與路面之間的附著力在最合適的范圍，既可以保證車輛制動時的穩定性，增強駕駛員的可操作性，同時還能縮短制動距離，從而避免車輪抱死所引起的安全隱患，保障了駕駛員及乘客的安全。

（五）主動避撞系統

主動避撞系統是汽車智能控制系統中的重要組成部分，其可以確保車輛在可能發生追尾事故時，輔助駕駛員執行車輛制動，以確保行車安全。該系統主要運用了接近車速傳感器，在車輛行駛過程中，該傳感器可以感應前方一定范圍內的物體，并且能夠測算出相對速度以及二者之間的距離，如果計算發現在該速度下會發生碰撞，輔助制動系統就會觸發機制進入緊急模式，一方面制動油壓大幅度提高；另一方面駕駛員踩踏剎車時能夠快速反應，甚至其還會與安全氣囊進行數據鏈接，一旦發生碰撞，就會根據評估結果選擇性觸發安全氣囊的保護裝置。

四、傳感器在汽車車身電子控制技術中的應用發展趨勢

由于人們對汽車的安全性、舒適性、穩定性等要求越來越高，促使傳感器技術在汽車車身上的應用越來越多，推動著傳感器技術不斷向前發展。總體來說，傳感器技術的發展趨勢表現為以下幾方面：一是通過不斷開發新材料、采用新工藝提高與改進傳感器的技術性能；二是開展基礎理論研究，尋找新原理開發新型傳感器；三是傳感器的體積逐漸減小，功能趨于全面，集成度越來越高，信號的傳輸與采集可以輕易轉化為數據。傳感器將向著微型化、集成化、無線化、智能化、網絡化、標準化等方向發展。

五、結束語

汽車電子控制技術已成為當今汽車技術快速發展的一種不可阻擋的趨勢，且技術日益成熟完善。傳感器作為其中必不可少的重要組成部分，為提高汽車的動力性、經濟性，改善其排放性，以及增強汽車的控制性、安全性和舒適性，做出了不可磨滅的貢獻。