1、 合肥工業大學技術文件寫作 與交流課程作業文獻綜述題 目：傳感器在汽車安全中的應用研究綜述學 院：機械與汽車工程學院專業班級：機械設計制造及其自動化13-1班成 員： 完成時間：2015年3月25日星期三傳感器在汽車安全中的應用研究綜述 （合肥工業大學 機械與汽車工程學院，合肥 230601）摘要：隨著社會生產力的發展和人民生活水平的提高，國民汽車保有量持續增加，隨之而來的汽車安全問題越來越受到廣泛重視，人們也從被動安全向主動安全轉變。同時在汽車安全技術發展中，傳感器的作用不可小覷，也是目前推動汽車安全發展的重要環節。在信息處理技術的推動和微處理器的廣泛應用中，傳感器逐漸成為汽車安全控制系統中

2、的重要部件，有著深遠影響。論文從時間的維度分析了傳感器在汽車安全技術方面的應用和發展，也對國內外相關技術進行橫向比較，深刻剖析汽車安全中傳感器的發展脈絡，把握未來傳感器技術在汽車安全方面的發展趨勢，為汽車安全技術發展提供有效參考。關鍵詞：汽車 安全技術 傳感器 研究現狀 發展趨勢Introduction of sensor application in automotive safety(Hefei University of Technology School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei 230601)Abstract: Wi

3、th the development of social productivity and the improvement of peoples living standards, the national automobile ownership continues to increase, with more and more widely attention to security issues following by and people also focus more on from passive safety to the active safety.Besides, in t

4、he development of automotive safety technology, the role of the sensor is greatly reckoned, and its also the important link to promote the development of automotive safety. And in the impact of information processing technology and the wide application of microprocessor, the sensor has gradually bec

5、ome an important part in automotive safety control system, having its far-reaching influence. This article through analyzing the sensors application and development in automotive safety technology from the dimension of time and reviewing the related technologies at home and abroad in transverse comp

6、arison, deeply analyzed the development of sensors in automotive safety, to grasp the future development trend of sensor technology in automotive safety, and provide effective reference for it.Keywords: automotive; security technology; sensor; current research status; development trend傳感器技術是現代科技的前沿技

7、術，許多國家已經將傳感器技術、通信技術和計算機技術列為同等重要的位置，稱為信息技術的三大支柱之一。傳感技術是自動檢測和自動控制技術的重要組成部分。同時在自汽車誕生至今的百余年間，汽車產業取得了長足的發展，隨著居民生活水平的提高，全國乃至全球的汽車保有量逐年攀升，在滿足人們基本的交通需求外，汽車的安全也越來越受到重視。汽車技術發展最大的特征就是科學技術含量不斷提高，越來越多的部件采用電子協助控制，而傳感器作為汽車電子控制系統的主要信息源，是汽車電子控制系統的關鍵部件，對汽車安全技術的發展起著尤為重要的作用。所以分析研究傳感器在汽車安全方面應用的發展對該領域的發展具有理論指導意義，并且對把握科研趨

8、勢有相應的價值。1 傳感器簡介及其發展梗概傳感器是能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用的輸出信號的器件或裝置，是實現傳感功能的基本部件。最初的傳感器起源于仿生研究。每一種生物由于自身的要求,要完成自己的生命周期,需要經常與周圍環境交換信息,因此都有自己的感知周圍環境的自身的器官和組織,如人有眼、耳口、鼻、皮膚等,能夠分別獲取視覺、聽覺、味道、嗅覺、觸覺等方面信息。人們往往把傳感器比作為人的感官,如圖1所示。圖1 傳感器與人的感官之間的關系人類必須通過五官才能取得外界的信息,同樣,一個操作系統則需要通過傳感器對某一特定對象進行測量才能得到信息,獲得的信息必須通過電子信號轉換后才能輸出。1.1傳

9、感技術的發展歷程基于仿生研究的傳感技術,自古以來就滲透到人類的生產活動、科學實驗、日常生活的各個方面,如計時、產品交換、氣候和季節的變化規律等;由于各學科之間的相互融合和各行各業的需求,傳感技術應運而生并快速發展,其大體經歷了3代歷程。1.1.1第1代結構型傳感器它利用結構參量變化來感受和轉化信號。例如:電阻應變式傳感器,它是利用金屬材料發生彈性形變時電阻的變化來轉化電信號的。1.1.2 第2代固體傳感器這種傳感器是20世紀70年代開始發展起來的,由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成,是利用材料的某些特性制成的,比如利用熱電效應、霍爾效應、光敏效應,分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳

10、感器等。70年代后期,隨著集成技術、分子合成技術、微電子技術及計算機技術的發展,出現集成傳感器。集成傳感器包括2種類型:傳感器本身的集成化和傳感器與后續電路的集成化,例如:電荷耦合器件()、集成溫度傳感器(590)、集成霍爾傳感器(3501)等。1.1.3第3代智能傳感器智能傳感器是20世紀80年代剛剛發展起來的,其對外界信息具有一定檢測、自診斷、數據處理以及自適應能力,是微型計算機技術與檢測技術相結合的產物。20世紀80年代智能化測量主要以微處理器為核心,把傳感器信號調節電路、微計算機、存貯器及接口集成到一塊芯片上,使傳感器具有一定的人工智能;20世紀90年代智能化測量技術有了進一步的提高,

11、在傳感器一級水平實現智能化,使其具有自診斷功能、記憶功能、多參量測量功能以及聯網通信功能等。當今世界傳感器市場正在以持續穩定的增長之勢向前發展。2 國內外發展概況2.1 國外汽車傳感器現狀目前,全世界約有40個國家從事傳感器的研制、生產和應用開發,研發機構達6 000余家,其中以美、日、俄等國實力較強,他們建立了包括物理量、化學量、生物量三大門類的傳感器產業,研發生產單位有4000余家、產品有20000多種,對應用范圍廣的產品已實現規模化生產,大企業的年生產能力達到幾千萬支到幾億支。比較著名的傳感器廠商有美國霍尼韋爾（Honeywell)公司、福克斯波羅(Foxboro)公司、英國BellHo

12、well公司、荷蘭飛利浦、俄羅斯熱工儀表所等。世界各國對汽車傳感器的理論研究、新材料應用和新產品開發都相當重視，技術進步非常迅速。一些發達國家不斷研發新型傳感器并且提高其精度，使汽車性能大大提高。2010年前后，國外敏感元件與傳感器發展的總趨勢是小型化、集成化、陣列化、多功能化、智能化、系統化和網絡化。傳感器領域的主要技術將在現有基礎上予以延伸和提高，各國競爭將加速新一代傳感器的開發和產業化。2.2國內汽車傳感器現狀汽車傳感器市場增長主要來自于工業電子設備和汽車電子、通信電子等，其中前兩者是電子信息產業中增長最快，也是傳感器應用最多的行業。隨著國家汽車安全法規的實施，ABS、安全氣囊的傳感器將

13、成為增長率最快的電子產品。但由于中國產品技術水平偏低，產品質量無法達到汽車市場的要求，因此汽車傳感器中的高端產品依然無法自給，每年高性能汽車傳感器的進口量就在50萬套以上。國內汽車傳感器由于起步晚，還沒形成系列化、配套化，尚未形成獨立的產業，仍依附于汽車儀表行業，無自主知識產權，技術水平較低。如車速傳感器采用的是電磁式或霍爾式，存在著信號精度、分解能力、匹配性、抗干擾性、耐環境能力差等問題，而國外同類產品采用的是光電式，不存在上述問題。我國核心總成控制系統所需要的傳感器在應對惡劣環境的技術指標上還相差12個數量級，還難以完成惡劣環境的檢測。國內現有最高水的汽車傳感器產品比國外同類產品落后10多

14、年。伴隨著國內汽車產量的迅速增長,今后幾年國內汽車工業對傳感器及其配套變速器和儀表的需求亦將大大增加,實現汽車傳感器國產化勢在必行。為適應這一形勢,應重點開發新型壓力、溫度、流量、位移等傳感器,盡快為汽車工業解決電噴系統、空調排污系統和自動駕駛系統所需的傳感器是十分迫切的任務。汽車傳感器對整車廠而言,是二級配套產品,必須以系統形式進入整車廠配套。一級系統配套商的實力關系到主機廠的品牌,所以必須建立系統平臺,以系統帶動傳感器的發展。3 傳感器應用于汽車安全的技術發展隨著傳感器及其控制技術的發展和人們對汽車性能要求的提高，各種安全技術廣泛地用于汽車上，汽車的安全性可以分為被動安全性和主動安全性兩大

15、類：被動安全性指是指在發生意外碰撞事故時，如何及時通過碰撞信息的判斷和傳遞對汽車司機和乘客進行保護，盡量減少其所受傷害，主動安全性指汽車避免發生意外事故的能力，主動安全技術是應用新技術來避免交通事故的發生，是以現代電子技術尤其是傳感器技術、計算機技術等為基礎的，已成為提高汽車安全性能的主要技術。此外，充分利用先進的信息與通信技術(ICT)，加快安全系統的研發與集成應用，為道路交通提供全面的安全解決方案。除了被動式和自主式的車載安全裝置外，還須考慮車路協調合作方式，即通過車車以及車路傳感和通信技術獲取道路環境信息，從而更有效地評估潛在危險并優化車載安全系統的功能。3.1基于傳感器的被動安全技術常

16、用和有效的被動安全技術大致可以概括為以下幾個方面 : 3.1.1碰撞傳感器車用碰撞傳感器早期使用機械觸發式，主要應用慣性原理，利用傳感器中元件的慣性力克服彈簧力實現信號的獲取和分析。機械式在加速度較低時不對安全裝置（當時主要是安全氣囊）進行機械觸發；但該傳感器只能單點傳感，對機械部件的品質、精度和耐磨性要求極高。后來的機電式傳感器采用機電結合的方式，將機械信號轉化為電子信號，再利用電子信號控制觸發相關安全控件。之后融合了機械式和機電式的壓電晶體式傳感器，既具有機械式的優點，又能克服機械式傳感器本身存在的缺陷，安裝在車身上任何位置，以便得到較好的減速信號，而且能夠在同一位置安裝多個傳感器，防止電

17、子信號的錯誤判斷，提高準確性和可靠性。基于以上傳感器的技術發展，碰撞傳感器在汽車安全方面開始得到較好的應用和效果。3.1.2安全帶系統從20世紀50年代開始為了保障駕駛和副駕駛成員在發生意外時的人身安全，防止因慣性因素造成更大的傷害，在車輛前排加裝安全帶，起到了較好的作用。隨著傳感器技術和電子控制技術的發展，安全帶也進行相應的改進，座椅位置配備三點式蜷縮安全帶和安全帶預張緊器，前座椅安全帶還配備張緊力限制器。這種安全帶的特點是與碰撞傳感器的控制裝置連接，當汽車發生碰撞事故的瞬間乘員尚未向前移動時通過傳感器的信號處理和控制，驅動拉緊織帶，立即將乘員緊緊地綁在座椅上，然后鎖止織帶防止乘員身體前傾，

18、整個過程控制在0.1秒之內，有效保護乘員的安全。3.1.3安全氣囊起始于20世紀70年代末的安全氣囊技術應用到汽車安全系統上來，在汽車行駛過程中，傳感器系統不斷向控制裝置發送速度和加速度變化等信息，由控制裝置（中央控制器）對這些 信息加以分析、計算和判斷，如果所測的加速度、速度變化量等相關指標超過預定值，則控制裝置向氣體發生器發出點火命令或傳感器直接控制點火，點火后發生爆炸反應，產生 N2 或將儲氣罐中壓縮氮氣釋放出來充滿內置于方向盤、副駕駛以及車體側面的碰撞氣袋。乘員與氣袋接觸時，通過氣袋上排氣孔的阻尼吸收碰撞能量，達到保護乘員的目的。3.1.4安全輔助裝置當預測車輛發生碰撞不可避免時, 傳

19、感器會通過分析計算并把相關信號發送到機載微計算機,微計算機控制驅動系統進行安全輔助操作，如立即釋放門銷 ,避免因為碰撞造成的汽車門窗無法打開而影響及時逃生或救援；還可以連接警示光源信號和音頻信號，提醒乘員做出相應的自我保護準備。3.1.5多軸加速度傳感器常規碰撞感應加速計僅可從1個角度測量加速度數據，如正面碰撞時的縱向加速度（ X 軸）或側面碰撞時的橫向加速度（ Y 軸）。而多軸加速度傳感器技術既可以在同一殼體中增加多個單軸傳感器，也可以直接使用多軸傳感器，都能從多個方位同時測量加速度。還有在發生側翻時提供必要的技術保護。此外還有空氣流量傳感器、抽液壓力傳感器、發動機溫度傳感器、節氣門位置傳感

20、器、曲軸位置傳感器等，都是為了保障汽車出于最優的性能，在一定程度上保證駕駛的安全性。3.2基于傳感器的汽車主動安全由于傳統意義上的被動安全技術對駕駛員所提供的安全預警和輔助作用有限，更多的是在危險發生時降低傷害程度，而不能及時避免汽車行駛安全事故的發生。所以隨著汽車電子信息交互技術和傳感器技術的快速發展，作為智能汽車安全的重要應用技術之一，以事故預防為主要目的的主動安全技術應運而生。由此所形成的多種安全電子技術已不斷應用到市場上，成為相對更合理的汽車主動安全裝置。3.2.1防抱死制動系統（ABS）首先，通過速度傳感器檢測車輪轉速并由計算機計算出滑移率，這種檢測可以幫助車載微型電腦了解車輪是否抱

21、死；然后，按照檢測結果分析判斷并命令執行裝置調整制動壓力，從而使車輪處于一種臨界的理想制動狀態。裝有ABS 的汽車，當車輪即將到達下一個抱死點時，制動在1s 內可作用60120次，相當于不停地制動、放松，即類似于機械式“點剎”，大大增加制動效率。這種功能的正確使用，可以幫助我們在緊急剎車狀態下，是車輛維持轉向能力，在避開障礙物的前提下，而不至于因車輪抱死而失控，提高緊急情況下汽車的安全性能。3.2.2電子制動力分配系統（EBD）這是一個需要與ABS系統配合使用的系統，汽車制動的瞬間，傳感器分別對個輪胎所附著的不同地面情況及時作出感應和計算，從而得出摩擦力數值，然后迅速對各車輪合理分配相應的剎車

22、力，對平衡各車輪不同的摩擦力起到了作用，從而避免了車輛因各車輪因剎車力不同而造成的打滑、傾斜甚至側翻等危險情況發生，進一步保證乘員的安全。3.2.3牽引力控制系統（TCS）當汽車在冰雪、濕滑、泥濘等路面行駛時進行制動，會導致車輪打滑、方向失控乃至發生事故。這個系統依靠傳感器的檢測，如果從動輪速度低于驅動輪速度時，就會向控制系統傳遞信號，使系統及時調節點火時間、減小油門、減小氣門開度、降擋或者適當制動車輪，避免車輪過度打滑。這個系統可以提高行駛穩定性，降低或避免因加速過度和車輛甩尾失控的危險情況發生。3.2.4電子穩定程序（ESP）該系統也是一種牽引力控制系統。相比于其它牽引力控制系統，它既控制

23、驅動輪，也協調從動輪。它能夠主動干預危險信號，從而實現車輛安全平穩行駛。譬如：后輪驅動的汽車通常可見轉向過 多、后輪失控甩尾的情況，而該系統的作用參與會使外側的前輪穩定汽車。而在轉向過少的時候，該系統可以及時矯正循跡方向，放慢內后輪。3.2.5緊急剎車輔助系統（EBA） 該系統可以促使剎車力的快速產生，從而縮短剎車 距離。傳感器根據從駕駛員作用于剎車踏板上的動作，檢測到其緊急剎車的意圖，便會及時對剎車系統發出指令，產生足夠高的油壓并使 ABS系統發揮作用。3.3傳感器技術應用于汽車安全的智能集成化的起步隨著信息技術、控制技術以及通訊技術的發展，智能化汽車主動安全系統正逐漸向集成化程度更高、安全

24、作用能力更強的方向發展。其環境信息不單單由傳感器、雷達或攝像機等獲取，也可通過 GPS、GIS 等手段獲取更多的信息，而控制目標也可設定為協調安全、節能、舒適等多目標的實現，應用環境也將會從目前的良好路況逐漸向更復雜的路況拓展。面對人們日益增長的安全需求，新型的汽車智能安全電子系統需著重解決的問題主要體現在: 基于多源信息提高復雜行車環境識別的準確度 ; 提高危險狀態實時辨識的準確性與安全決策的合理性；提高駕駛員對系統的可接受性；具備對系統性能科學高效的評價方法和措施。所以當前先進的汽車安全技術更多的。3.3.1車體自身安全技術集成化各種常規汽車主動安全系統都是對車輪及其周圍部件產生作用，從而

25、影響車輪和路面之間力的關系，所以它們之間不是彼此獨立的，而是互相影響、互相聯系和互相依賴的。在汽車主動安全系統日益增多的情況下，如果分別獨立地去考慮和設計各種主動安全系統，然后再將它們融合起來，難免會出現某些控制功能不兼容甚至是沖突的現象，這與汽車主動安全控制的目標是背道而馳的，而且造成了控制資源的浪費，系統可靠性降低。所以，將各種汽車主動安全系統綜合起來，實現多層面集成式的全局優化控制，是十分重要且十分必要的。然而目前的汽車安全技術集成還處于研究和部分嘗試階段，未來的協調化全方位汽車主動安全控制還將融合各種其它的主動安全控制子功能，如汽車主動懸架及車身控制、汽車自動避撞系統等。這需要建立一個

26、處于最高級別的控制層，它的主要功能是利用車載傳感器系統和車載高速網絡獲知駕駛員操縱指令和整車運動特征，自行判別駕駛員意圖和汽車行駛周圍環境，并實時檢測汽車運行狀態。未來的協調化全方位汽車主動安全控制更能夠實現汽車的全局協調集成控制。3.3.2車-路協同式汽車安全控制技術目前，國內外車載式駕駛安全輔助控制技術如主動避撞系統、ACC 等，都是通過車載傳感器（如攝像機、雷達等）感知行車環境信息，實現車輛的主動安全控制，保證行車安全。但這種自主式主動安全控制技術由于信息來源單一，探測行車環境方法局限，無法在較為復雜的交通環境中及時有效地探測各種與行車安全有關的信息，所以控制效果相對較差，不能適應現代交

27、通的發展要求。車-路協同式汽車安全控制技術是通過車路之間信息的交互與協同控制實現交通要素之間的一體化控制，擴大了車載安全控制系統的信息來源渠道，是解決事故頻發、道路擁堵以及由此帶來的污染加重等目前道路交通存在的嚴重問題的有效手段。3.3.3車-車協同式汽車主動安全控制技術在當前復雜多變的交通環境中，依靠單一車輛的信號采集系統，無法全面、有效、及時地探測各種道路狀況信息，從而容易引發交通安全事故和導致交通擁堵情況的發生。將行駛在一定區域內道路上的車輛連成 1 個局域網，使在這個局域網中的車輛進行信息共享，則能大大提高汽車安全控制系統獲取行車環境信息的能力，提高行車安全性。4 汽車安全技術發展的展

28、望汽車安全技術涉及的范圍越來越廣越來越細,但任何單一技術都或多或少存在不盡人意之處，而且僅僅依靠某一項技術己很難使汽車整體安全性能得到很大提高。因此, 如何提高汽車安全性, 滿足人們對汽車安全性能越來越高的需求, 變得越來越急迫。為了進一步提高汽車安全性, 要做好兩個方面的工作: 一是不斷完善各項單一技術本身; 二是搞好各項單一技術之間的協同, 這一點更重要, 它直接影響到第一項工作的最終成敗, 即傳感器在汽車安全中的應用應朝著集成化、智能化、系統化方向發展。4. 1 集成化集成化是使傳感器和測控儀器具有多種敏感元件、數字信號輸出、信息儲存和記憶、邏輯判斷、雙向通信、決策、自檢、自校準、自補償

29、、數值處理等功能的集成。集成化的作用遠遠大于單項技術所有作用的簡單總和。縱觀汽車安全技術的發展, 在主動安全和被動安全方面均有體現集成化趨勢的實例。在主動安全方面, 車輛底盤綜合電子控制裝置綜合考慮汽車動力性、制動性、操縱性和穩定性, 將各系統集成在一起, 使汽車安全性得到極大提高。在被動安全方面,自適應乘員安全保護系統（M R I S ) 利用一系列傳感器來監測駕駛員座椅位置、安全帶使用情況、前排乘員乘座質量和位置及碰撞烈度和碰撞力的方向等信息,再根據具體的碰撞特點對每個前排乘員氣囊的展開進行調節。該系統可進一步減少由于氣囊展開不對乘員造成的傷害, 特別是對于身材較小的前排乘員, 它不僅緩解

30、了安全氣囊技術自身的問題, 還為依靠集成化提高汽車被動安全性樹立了典范。若將汽車主動安全技術與被動安全技術進行融合, 會得到更好的安全保護效果。4.2 智能化智能化是多傳感器系統能夠在復雜多變的環境中迅速、有效、準確地獲取、分析、處理和綜合傳感器信息，它們基于多傳感器信息融合模式來做出正確的描述和決策。隨著電子信息等技術的飛速發展, 形形色色的智能技術在汽車上得到廣泛應用, 安全技術逐步走向智能化，這些幾乎全部依賴于傳感器來實現其功能。如GPS ( 全球定位系統) 技術、智能避撞系統、智能駕駛系統、智能輪胎、智能懸架、智能安全氣囊等將在汽車上發揮越來越大的作用。隨著傳感器技術的發展和計算機運算

31、速度的加快及相關技術的進步, 也會有越來越多的新型智能化安全技術裝置將出現在現代車輛上, 這些智能裝置具有一定的識別、判斷能力, 在各種情況下都能自動協助或自行控制駕駛汽車, 確保行車安全。汽車智能化的前期工作是用汽車的駕駛輔助系統彌補人的感知、判斷甚至操縱方面的不足, 等到相關技術如智能汽車操縱性能設計和人機工程設計等技術進一步成熟后,可進一步推動汽車安全智能化。4 .3 系統化以整體的觀點, 將汽車、道路、人作為一個系統來分析研究, 讓三者相互協調, 達到各自性能的最佳匹配, 才能實現駕駛員行為特征、車輛機械特性及道路設施和交通法規之間的最優協調, 才能追求系統整體的最佳效益。傳感器技術結合現代通訊技術、電子控制技術與IST, 可將使汽車達到幾乎不出現交通事故的水平。5 結語汽車安全已經不僅是個技術問題, 在某種程度上也是一個重要的社會問題。它越來越受到汽車生產企業、政府管理部門和消費者的重視。汽車傳感器對汽車安全具有非常重要的作用，對汽車的安全行駛起到了保駕護航的作用。目前我國的汽車業迅猛崛起，必將導致傳感器及其配套設施的需求大大增加。但是，目前我國汽車傳感器產品和技術水平總體上與國外相比存在很大的差距,主要體現在產品的品種規格少、質量差、制造成本高;高新技術應用較少,工藝相對落后,整體水平較低;傳感器研究、開發和生產與