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了解应用于汽车感知的传感器类型


  来源: 传感器专家网 时间:2020-06-04 编辑:仪器仪表WXF
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汽车电子控制系统普遍遵循感知→控制→执行的工作流程。


传感器作为感知单元获取系统的工作状态,控制单元处理传感器信号并计算输出控制指令,最终由执行单元完成相应动作。


以电动助力转向系统(EPS)为例, 车辆运行过程中, 方向盘扭矩转角传感器监测方向盘转角及扭矩信息,轮速传感器监测车轮转速, 控制器(ECU)通过 CAN总线实时获取传感器信号, 并根据特定逻辑实时处理信号,计算得到一个理想的助力力矩, 最后通过 MOSFET 控制电机,实现助力效果。


汽车动力、底盘、车身、电气四大系统中,绝大部分的电子控制具备类似的工作原理,从感知、控制到执行环节,半导体器件无处不在,包括感知系统的传感器,控制环节的微控制器(MCU)、通信芯片(CAN/LIN等)、模数转换器(A/D),执行环节的功率器件(MOSFET、 IGBT、 DCDC)等。其中传感器更是汽车的机会所在。



汽车传感器可分为车辆感知、 环境感知两大类。动力、底盘、车身及电子电气系统中的传感器属于车辆感知范畴, ADAS以及无人驾驶系统中引入的车载摄像头、毫米波雷达、激光雷达等属于环境感知范畴。


本文重点讲解汽车感知传感器。


按照工作原理,汽车传感器主要可分为 MEMS、磁、化学、温度四大类,我们统计传统汽油车上 MEMS 传感器超 50 个, 磁传感器超过 30 个,合计占比约90%。


MEMS 传感器


MEMS 传感器(Micro-Electro-Mechanical System)是一个将微型机械结构、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,在汽车上广泛应用于压力类以及运动类传感器。


根据 Bosch 估计,目前一辆汽车上安装有超过 50 个 MEMS 传感器, 我们估计单车价值量 500-1000 元。应用较多的是压力传感器、加速度计、陀螺仪及磁力计等惯导系统传感器。这些产品虽都采用微机电系统封装,但对应原理各不相同。


压力 MEMS:大多基于硅的压阻效应,压力作用于硅薄膜引起 4个电阻应变片电阻的变化,惠斯顿电桥输出与压力成正比的电压信号,适用于中低压场景,如发动机进气歧管、胎压检测系统TPMS、真空度、油箱压力等。中、高压场合多采用陶瓷电容的技术路线。


图:硅压阻式压力 MEMS 工作原理


加速度 MEMS:基于牛顿第二定律,通过在加速过程中对质量块对应惯性力的测量来获得加速度值。采用电容式、压阻式或热对流原理,分为低 g (重力加速度)和高g 两大类,区别在于测量的加速度范围不同, ±2g~±24g 等低 / 中 g 传感器用于主动悬架、ESP、侧翻、导航等非安全类系统, ±200g 等高 g传感器用于气囊等安全系统。


图:电容式 MEMS 加速度计工作原理


角速度 MEMS/ 陀螺仪:基于 Coriolis 力原理:一个物体在坐标轴中直线移动时,假设坐标系旋转,物体会受到一个垂直的力和垂直方向的加速度。MEMS 陀螺仪通常安装两个方向的可移动电容板,径向电容板加振荡电压迫使物体作径向运动,而当旋转时,横向电容板能够测量由于横向 Coriolis运动带来的电容变化,从而计算出角速度。最多可测量 x/y/z 三轴角速度,用于侧翻、车身稳定控制系统、惯性导航 IMU 等。


图:MEMS 陀螺仪工作原理


磁力计:运动过程中地磁场改变磁力计主磁场方向,从而引起导电薄膜内磁场方向与电流夹角值变化,而夹角的变化与电阻值呈线性关系,通过换算可以确定与地磁场的相对位臵来进行定位。


磁力计主要与加速度计、陀螺仪一起,应用于惯性导航系统中(Dead Reckoning), 用于在 GPS信号缺失时,通过测量与地磁场的相对位臵来判断汽车的航向角及姿态。磁力计基于磁效应,采用 MEMS 工艺,由于霍尔效应灵敏度难以达到要求,普遍应用 AMR来感应地磁场。


图:MEMS AMR 磁力计工作原理


磁传感器


目前磁传感器有四代技术, 分别为霍尔效应、 AMR (Anisotropic magnetoresistance effect)、 GMR (Giant magnetoresistance effect)、 TMR (Tunnel magnetoresistance effect),主要用于测量运动量,具体产品形式为速度传感器、 线性及角度位臵传感器、电流传感器等。


关键词:汽车感知 传感器 类型    浏览量:372

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