光电式传感器在汽车上的应用及发展趋势摘要:传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础,传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节, 而测试技术与自动控制水平的高低, 是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。

本文介绍了光电传感器的原理, 列举了光电传感器在汽车一些方面的应用。

关键词:光电传感器;汽车传感器;应用;发展趋势The Adhibition and Development Tendency of Photo-sensor of the Motor Vehicle Abstract:Sensor is the important technological foundation of the new technology revolution and the information society.The sensor techniques is a important part to realize the test and automatic control.The level of the testing technology ang automatic control is th e important symbol to measure the modernization of a country’ s science and technology.This paper introduces the principle of photo-sensor and enumerates some photo-sensors applied on the motor vehicles.Keywords:photo-sensor;automotive sensors;adhibition;development tendency0 引言随着汽车电子技术的迅速发展及电控单元运用的普及, 新型汽车为了提高动力性、经济性、安全性、舒适性以及减少排气污染,已广泛应用电子控制技术。

从发动机的燃油喷射系统、点火装置、进气装置、废气排放、故障自诊断到底盘的传动系统、行驶系统、转向制动系统以及车身和辅助设备等普遍采用了电子控制技术。

在汽车电子控制系统中, 传感器担负着采集和传输功能, 它是电子控制中非常重要的部件,其技术性能的好坏,直接影响汽车电子控制系统的工作情况。

汽车传感器主要有温度传感器、压力传感器、空气流量传感器、位置与角度传感器、气体浓度传感器、速度与加速度传感器、爆燃与碰撞传感器等几十种。

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器, 通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在汽车上的检测和控制中应用非常广泛。

1. 光电式传感器的概念、工作原理及其分类1.1光电传感器的概念光电式传感器是将被测量的变化转换成光信号的变化,再通过光电器件把光信号的变化转换成电信号的一种传感器。

1.2光电式传感器的工作原理光电式传感器的工作原理是:首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后通过光电转换元件变换成电信号。

光电式传感器的工作基础是光电效应, 原理框图见图 1。

图 1 光电式传感器的原理框图1.3光电式传感器的分类光电元件有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、发光二极管(LED 、光电倍增管、光电池、光电耦合器件等。

由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统输出量性质,光电式传感器可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关式光电传感器;模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体方法又可分为透射(吸收式、漫反射式、遮光式(光束阻挡三大类。

2. 光电式传感器在汽车上的应用2.1 光电式车高传感器主动悬架系统能够根据车身高度、车速、转向角度及速率、制动等信号,由电控单元 ECU 控制悬架的执行机构,使悬架的刚度、减振器的阻尼力及车身高度等参数改变, 使汽车具有良好的乘坐舒适性和操作稳定性。

在主动悬架系统中车高和转向传感器是两个重要部件, 目前现代轿车上应用最多的是光电式车高和转向传感器。

图 2 车高自动调整控制系统组成图 2为车高自动调整控制系统的构成图。

车高传感器可根据乘员和货物的增减,把车高变化(悬架形变量的变化转换成传感器轴的旋转,并检测出旋转角度,将其转换为电信号输入电控单元 ECU , ECU 通过有关执行元件,根据汽车载荷的大小, 来自动调整车身的高度。

车高传感器可作为车高控制系统的车高检出器,也可作为电子控制的恶劣道路检出器使用。

图 3 车高传感器的结构车高传感器的结构如图 3所示, 它有一靠连杆带动旋转的轴, 在轴上装有一个开有许多槽的盘形遮光板, 在遮光板的两侧装有 4组光电元件 (由发光二极管和光敏晶体管组成 ,当连杆带动轴旋转时,光电元件之间时而透光,时而被遮光板遮上,使电路接通(ON 或断开(OFF 。

在主动悬架系统中,一般安装使用三个车高传感器, 左、右前轮各安装一个, 后桥中部安装一个, 也有的左、右、前、后轮各安装一个。

图 4为车身高度传感器的安装位置及工作状态。

拉紧螺栓的上端与传感器的连杆铰链, 下端与后悬架臂相连。

当车身上下振动时, 拉紧螺栓带动连杆使传感器的轴左右旋转,光电耦合件把旋转信号转换成车高信号输出。

图 4 车高传感器的安装位置及工作状态拆下拉紧螺栓, 拧松拉紧螺栓的锁紧螺母, 旋转拉紧螺栓的螺旋插头, 可以改变拉紧螺栓的长度,从而可以调整车身高度的设定值。

图 5 车高调整装置的控制原理图 5所示为车高调整装置的控制原理, 利用光电元件接通或断开的组合, 就可把车高的变化范围分为多个区域进行检测。

2.2 光电式转向传感器电子控制悬架系统的构成如图 6所示。

光电式转向传感器安装在转向轴管上,它用于检测转向盘的中间位置、转动方向、转动角度和转动速度。

在电子控制悬架中, 电子控制装置根据车速传感器信号和转向传感器信号,判断汽车转向时侧向力的大小,以控制车身的侧倾。

图 6 电子控制悬架系统构成图 7 转向盘转向传感器结构1—转向传感器 2—遮光盘 3—光电耦合元件 4—槽 5—轴转向盘转向传感器用于检测汽车转向轮的偏转角度及偏转方向。

在丰田轿车上装用的电子控制悬架系统上应用的光电式转向传感器, 其结构如图 7所示。

转向(控制圆盘安装在轴上,加在盘的两侧的是两组光电元件(发光二极管及光敏晶体管组成 ,光电元件套在转向柱管上。

盘的周围开有许多均匀的槽,随着转向主轴的旋转, 圆盘也随着旋转, 通过等间隔配列的开缝口, 使光电元件之间的光间断开闭,由此可检出旋转角度。

光电式转向传感器的电路如图 8所示,光敏晶体管在遮光盘的作用下,或者导通, 或者截止。

根据晶体管导通、截止的速度, 就可以检测出转向器的角速度。

此外, 晶体管 Tr1与 Tr2之间的导通与截止, 相位差 90°, 根据先导通的脉冲信号(波形下降 ,可检测出转向器的旋转方向,而且,图中的光敏晶体管在转向圆盘的作用下导通或截止, 根据其导通或截止的速度, 就可检测出转向器的速度。

图 8 光电式转向传感器电路2.3光电式光量传感器光电式光量传感器用硫化镉(CdS 作为半导体元件,当光线照射硫化镉 (CdS 时,电阻值随之变化(周围环境暗时电阻值大,亮时电阻值变小 ,能把周围光照的变化转换为电阻值的变化, 以电信号的形式输入控制器。

目前在汽车上用于各种灯具亮、熄的自动控制。

图 9 灯光控制器的应用 a 、光电式光量传感器 b 、安装位置光电式光量传感器在汽车灯控制上的应用如图 9所示。

灯光控制器安装在仪表板的上方,到傍晚时,它使尾灯点亮,当天色变得更暗时,前照灯被点亮。

当对方来车时,还具有变光功能,这些都是自动完成的。

2.4 光电式车速传感器图 10 数字式车速表的连接方框图光电式车速传感器用于数字式速度表，由发光二极管、光敏晶体管以及安装在速度表驱动轴上的遮光板构成。

光电式车速传感器在数字式车速报警系统中的应用如图 10 所示，数字式车速表主要由荧光管、电控单元、集成电路 IC 等构成。

车速传感器输出的脉冲信号传入到车速表，通过荧光显示屏显示车速，并把其信号输入到里程表、燃油表、温度表等。

图 11 数字车速表位置图形图 12 车速表电路框图数字式车速表的安装位置如图 11 所示，其电路如图 12 所示。

光电式车速传感器产生的脉冲信号经整形后输入到计数电路中，在记忆电路中被记忆下来。

定时电路输出信号决定着计数电路的计测时间和记忆时间，记忆电路中的输出信号加到显示电路上，荧光管根据光电式车速传感器输出的脉冲数显示车速。

车速表显示分辨率为 1km/h 时，当显示车速超过 101km/h 时，速度判断回路输出报警信号，点亮速度警告信号灯；当显示的车速超过 105km/h 时，蜂鸣器就会鸣叫。

3．光电式传感器的优势与发展动向．光电式传感器的优势与发展动向汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。

目前，一辆普通家用轿车上大约安装几十到近百只传感器，而豪华轿车上的传感器数量可多达二百余只。

汽车传感器在汽车上主要用于发动机控制系统、底盘控制系统、车身控制系统和导航系统中。

光电式传感器在汽车应用上更有优势，如曲轴位置、车速传感器采用电磁式或霍尔式，则存在着准确度、分解能力、信号精度、匹配性、抗干扰性、低速检测、耐环境能力差等问题，而采用的是光电式就不存在上述问题。

传感器的发展动向（1）开发新型传感器，包括采用新原理、填补传感器空白、仿生传感器等诸方面；（2）开发新材料，其主要趋势有以下几个方面：a.从单晶体到多晶体、非晶体；b.从单一型材料到复合材料；c.原子（分子）型材料的人工合成。

由复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后发展的方向之一，如半导体材料、陶瓷材料、磁性材料等；（3）智能材料，是指设计和控制材料的物理、化学、机械、电学等参数，研制出生物体材料所具有的特性或者优于生物体材料性能的人造材料。

（4）新工艺的采用。

新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的维系加工技术；（5）集成化、多功能化与智能化。

参考文献郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用.西安电子科技大学出版社， 2008；125—148 [2] 吴文琳，李美生.汽车传感器识别与检修精华.机械工业出版社，2005；54— 76 [3] 颜晓河，董玲娇，苏绍兴.光电传感器的发展及应用.电子工业专用设备， 2006 年 01 期 [4] 谢望.光电传感器技术的新发展及应用.仪器仪表用户，2005 年 05 期 [1]。