深度解析汽車傳感器核心知識點

作者?| 北灣南巷

01

傳感器的定義

所謂傳感器是來自“感覺”一詞，根據(jù)GB7665-2005，傳感器（Transducer／Sensor）的定義為：

能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。

傳感器組成框圖

敏感元件指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分，是傳感器的核心，它的作用是直接感受被測物理量，并將信號進行必要的轉(zhuǎn)換輸出。

轉(zhuǎn)換元件指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。

基本轉(zhuǎn)換電路是一些能把敏感器件或轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄和處理等有用的電信號的裝置。

被測量傳感器輸入量，是傳感器命名和分類的重要依據(jù)。如非電物理量：溫度、濕度、壓力、位移、流量、加速度、光等。

輸出量含有原始信號，且為便于接收與處理的信號形式。當(dāng)輸出為規(guī)定的標準信號時，則稱為變送器（transmitter）。

02

傳感器的圖形符號

及命名法/代碼

國標GB/T 14479-93規(guī)定傳感器圖用圖形符號表示方法：

正方形表示轉(zhuǎn)換元件,三角形表示敏感元件；X 表示被測量符號；* 表示轉(zhuǎn)換原理。

如：電容式壓力傳感器

國標GB/T 7666-2005規(guī)定了傳感器的命名方法：一種傳感器產(chǎn)品的名稱，應(yīng)由主題詞加四級修飾語構(gòu)成。

主題詞-傳感器；

第一級修飾語-被測量，包括修飾被測量的定語；

第二級修飾語-轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”字；

第三級修飾語-特征描述，指必須強調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元件以及其他必要的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字。

第四級修飾語-主要技術(shù)指標（量程、測量范圍、精度等）。

例：傳感器，壓力，壓阻式，[單晶]硅，600kPa。

注：當(dāng)對傳感器的產(chǎn)品名稱命名時，除第一級修飾語外，其他各級可視產(chǎn)品的具體情況任選或省略。

同時，國標GB/T 7666-2005規(guī)定了傳感器代號標記方法：規(guī)定用大寫漢語拼音字母（或國際通用標志）和阿拉伯?dāng)?shù)字構(gòu)成傳感器完整的代號。

傳感器的完整代碼應(yīng)包括以下四部分：

主稱（傳感器）：用漢語拼音字母“C”標記。

被測量：用其一個或兩個漢字漢語拼音的第一個大寫字母標記，具體參考GB/T 7666-2005中的規(guī)定。

轉(zhuǎn)換原理：用其一個或兩個漢字漢語拼音的第一個大寫字母標記，具體參考GB/T 7666-2005中的規(guī)定。

序號：用阿拉伯?dāng)?shù)字標記，序號可表征產(chǎn)品設(shè)計特征、性能參數(shù)、產(chǎn)品系列等。序號及其內(nèi)涵可由傳感器生產(chǎn)廠家自行決定。

例：霍爾式電流傳感器

03

傳感器的特性與指標

3.1? 傳感器的靜態(tài)特性

參考GB/T18459-2001，靜態(tài)特性表示被測量處于不變或緩慢情況下，輸出與輸入之間的關(guān)系。也就是當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時，這一關(guān)系被稱作靜態(tài)特性。

靜態(tài)特性曲線可通過實際測試獲得，為了標定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)系，可采用硬件和軟件的補償進行線性化處理，當(dāng)非線性誤差不太大的情況下，通常采用直線擬合的方法線性化。

通常評價靜態(tài)特性的指標如下：

1、線性度：在規(guī)定條件下，傳感器測量曲線（校準曲線）與擬合直線間最大偏差與滿量程（Full Scale）輸出值的百分比稱為線性度。

傳感器線性度

注：線性度與擬合直線為基準，擬合直線不同，線性度不同。

2、靈敏度：傳感器的靈敏度是指到達穩(wěn)定工作狀態(tài)時，輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比。

注：非線性傳感器的靈敏度用dy/dx表示，其數(shù)值等于所對應(yīng)的最小二乘法擬合直線的斜率。

3、分辨力：傳感器在規(guī)定的測量范圍內(nèi)所能檢測出的被測輸入量的最小變化值。有些時候，也會用該值相對滿量程的百分數(shù)表示，此時則稱為分辨率。（滿量程=最大量程-最小量程）

4、遲滯（回差）：在相同工作條件和量程范圍內(nèi)，同一次測量中對應(yīng)同一輸入量的正行程和反行程其輸出值間的最大偏差。

5、重復(fù)性：在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測量范圍內(nèi)連續(xù)變動多次所得特性曲線的不一致性。數(shù)值上用各測量值正、反行程標準差的兩倍或三倍與滿量程的百分比。 ?

注：遲滯和重復(fù)性的差異：

遲滯反映傳感器機械結(jié)構(gòu)和制造工藝上的缺陷，如軸承摩擦、間隙、螺絲松動。元件腐蝕或碎裂及積塵等。

重復(fù)性反映測量結(jié)果偶然誤差的大小，而不表示與真值之間的差別。有時重復(fù)性很好，但可能遠離真值。

6、精度（靜態(tài)準確度）

精度的指標：精密度、準確度、精確度

精密度：說明測量結(jié)果的分散性（隨機誤差）

準確度：說明測量結(jié)果偏離真值大小的程度（系統(tǒng)誤差）

精確度：精密度和準確度的綜合（極限誤差）

工程中，為了表示測量結(jié)果的可靠程度，引入精確度等級概念，用A表示。

7、其他特性

閾值：從輸出看能測出的輸入量最小變化值，實際上是零位附近的靈敏度。

穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性：穩(wěn)定性表示傳感器在較長時間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力，穩(wěn)定性可用相對誤差或絕對誤差表示，表示方式如：XX個月不超過 %滿量程輸出。

漂移：傳感器在輸入量不變的情況下，輸出量隨時間變化的現(xiàn)象。

??傳感器不因輸入的原因而發(fā)生的變化

??零點漂移和靈敏度漂移

??時漂、溫漂

時間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化。

溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點或靈敏度漂移。

3.2? 傳感器的動態(tài)特性

當(dāng)輸入量隨時間變化時，輸入與輸出間的關(guān)系（動態(tài)量指周期信號、瞬變信號或隨機信號）。

動態(tài)特性取決于傳感器本身，另一方面也與被測參量的變化形式有關(guān)。

對數(shù)幅頻特性：將各種頻率不同而幅值相等的正弦信號輸入傳感器，其它輸出正弦信號的幅值、相位與輸入信號頻率之間的關(guān)系

小 結(jié)：

GB/T 7665-2005規(guī)定了傳感器的產(chǎn)品名稱和性能特性術(shù)語。

GB/T 7666-2005規(guī)定了傳感器的命名方法、代號標記方法、代號。

GB/T 14479-1993規(guī)定了傳感器的圖用圖形符號和表示規(guī)則。

GB/T 18459-2001 規(guī)定了一般傳感器主要靜態(tài)指標的定義和計算方法。

04

傳感器相關(guān)通訊協(xié)議

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 是在汽車傳感器通訊協(xié)議中常用的幾種技術(shù)，它們各自有不同的應(yīng)用場景和特點：

1、CAN (Controller Area Network)：

應(yīng)用：CAN 是汽車網(wǎng)絡(luò)中最常用的通訊協(xié)議之一，適用于各種類型的傳感器，包括速度、溫度、壓力和轉(zhuǎn)向角度傳感器。

特點：它支持多主控通訊，具有錯誤檢測和校正功能，適合于實時性和可靠性要求較高的應(yīng)用。

2、LIN (Local Interconnect Network)：

應(yīng)用：LIN 通常用于成本敏感和速度要求較低的傳感器和控制單元，如車窗、座椅調(diào)節(jié)和簡單照明控制。

特點：LIN 協(xié)議簡單、成本低，適合于較低速度和較低復(fù)雜度的應(yīng)用。

3、FlexRay：

應(yīng)用：FlexRay 用于需要高可靠性和實時性的安全關(guān)鍵系統(tǒng)，如電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）和自動駕駛系統(tǒng)。

特點：FlexRay 支持高速；據(jù)傳輸，具有高可靠性和確定性，適用于要求嚴格的實時應(yīng)用。

4、MOST (Media Oriented Systems Transport)：

應(yīng)用：MOST 主要用于車載娛樂和信息系統(tǒng)，如音頻、視頻和數(shù)據(jù)流的傳輸。

特點：MOST 支持高速數(shù)據(jù)傳輸，具有時間同步功能，適合于多媒體和信息系統(tǒng)。

5、Ethernet：

應(yīng)用：隨著車輛系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，以太網(wǎng)開始被用于需要處理大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，如高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動駕駛技術(shù)。

特點：以太網(wǎng)支持高速數(shù)據(jù)傳輸，具有高帶寬和網(wǎng)絡(luò)擴展性，適用于大數(shù)據(jù)量和高速通訊需求。

6、PWM (Pulse Width Modulation)：

應(yīng)用：PWM 通常用于模擬傳感器的輸出，如位置或速度傳感器。它通過改變脈沖的寬度來表示模擬信號的不同值。

特點：PWM 信號簡單，抗干擾能力強，適合于長距離傳輸。但它只能單向傳輸數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低。

7、PSI5 (Precision Sensor Interface 5)：

應(yīng)用：PSI5 是一種用于汽車傳感器的通訊協(xié)議，主要用于速度、位置和角度傳感器的數(shù)據(jù)傳輸。

特點：PSI5 支持高速數(shù)據(jù)傳輸，具有錯誤檢測和校正功能，適用于實時性和精確性要求較高的應(yīng)用。

8、SPI (Serial Peripheral Interface)：

應(yīng)用：SPI 通常用于數(shù)字傳感器和微控制器之間的通訊。它可以用于各種類型的傳感器，包括溫度、壓力和加速度傳感器。

特點：SPI 支持高速全雙工通訊，可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。它需要較少的引腳，但在某些情況下可能需要更多的硬件支持。

9、SENT (Single Edge Nibble Transmission)：

應(yīng)用：SENT 用于需要高精度和高可靠性數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠噦鞲衅?，如輪速傳感器、位置傳感器和壓力傳感器?/p>

特點： SENT 使用單線進行數(shù)據(jù)傳輸，支持高分辨率，具有強大的錯誤檢測和校驗機制，適合于安全關(guān)鍵系統(tǒng)。

小 結(jié)：

這些通訊協(xié)議在汽車傳感器中的應(yīng)用取決于傳感器的類型、所需的通訊速度、數(shù)據(jù)完整性要求以及系統(tǒng)的復(fù)雜性。例如，CAN 和 LIN 適用于一般的汽車傳感器通訊，而 FlexRay 和 Ethernet 更適合于需要高速、高精度數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呒墤?yīng)用。PWM 適合于簡單的模擬傳感器，而 PSI5、SPI 和 SENT 更適合于需要高速、高精度數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字傳感器。

05

汽車傳感器

汽車傳感器是把非電信號轉(zhuǎn)換成電信號并向汽車傳遞各種工況信息的裝置。在汽車運行中，汽車傳感器能采集車身狀態(tài)（如溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速等）和環(huán)境信息，并將采集到的信息轉(zhuǎn)換為電信號傳輸至汽車的相關(guān)控制單元。

汽車傳感器作為信息采集源，根據(jù)信息采集內(nèi)容的不同可分為車身感知傳感器和環(huán)境感知傳感器。

車身感知傳感器指分布于汽車的動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、底盤及安全系統(tǒng)及車身舒適性系統(tǒng)等子系統(tǒng)中，用于獲取汽車車身信息的基礎(chǔ)傳感器。車身感知傳感器提高了單車自身的信息化水平，使車輛具備感知自身的能力；按照輸入的被測量不同主要分為壓力傳感器、位置傳感器、溫度傳感器、(線)加速度傳感器、角(加)速度傳感器、空氣流量傳感器、氣體傳感器，從工作原理上看這些傳感器大都采用MEMS方案。

環(huán)境感知傳感器指通過采集、輸出汽車周圍環(huán)境信息以協(xié)助汽車實現(xiàn)智能駕駛的汽車傳感器。環(huán)境感知傳感器實現(xiàn)了單車對外界環(huán)境的感知能力，幫助汽車計算機獲得環(huán)境信息并做出規(guī)劃決策，為車輛智能化駕駛提供支持；環(huán)境感知傳感器主要分為車載攝像頭、超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達。

注：MEMS傳感器指將微型機械結(jié)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路以及接口、通信和電源模塊都集成于芯片上的微機電系統(tǒng)。

汽車傳感器產(chǎn)業(yè)鏈簡圖

可以看出，當(dāng)前傳感器技術(shù)我國仍處于技術(shù)追趕階段，諸如：納芯微、琻捷電子、保隆、安培龍、華為、森思泰克等芯片、傳感器企業(yè)打破國外壟斷技術(shù)，逐步縮短和國外廠商的差距。

注：上圖及表格僅為個人觀點，如有錯誤，煩請批評指正

博世依托其半導(dǎo)體芯片技術(shù)、博世制動、智能駕駛及座艙、無錫車聯(lián)天下、聯(lián)合汽車電子UAES（電驅(qū)動）、博世華域轉(zhuǎn)向等關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)布局，產(chǎn)品范圍廣，供應(yīng)鏈齊全，在行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。

博世傳感器布局

Conti大陸集團依托其全球化的產(chǎn)業(yè)布局，在原有燃油車傳感器產(chǎn)業(yè)上，布局了諸如：輪速傳感器、曲軸位置傳感器、12V蓄電池管理傳感器、配合空簧使用的底盤位置傳感器和加速度傳感器，在新能源汽車領(lǐng)域，布局電驅(qū)動的轉(zhuǎn)子位置傳感器和動力電池的電流傳感器模塊，與電驅(qū)動相關(guān)的電機變速器速度傳感器、電機轉(zhuǎn)子速度傳感器、電機轉(zhuǎn)子位置傳感器。同時，立足于長春研發(fā)中心和配套工廠設(shè)施，與曲阜天博合資成立了陸博電子、在連云港建立了合資工廠，同時陸博電子和國內(nèi)芯片企業(yè)納芯微雙方就乘用車關(guān)鍵零部件輪速傳感器本土化項目簽署產(chǎn)品合作協(xié)議，開拓在技術(shù)與安全領(lǐng)域的深度合作，旨在共同推進我國汽車芯片的國產(chǎn)化進程，保障供應(yīng)鏈穩(wěn)健安全。

Conti?高壓電流傳感器模塊

Conti?電機轉(zhuǎn)子位置傳感器

保隆科技通過極強的研發(fā)能力，歷經(jīng)7次創(chuàng)業(yè)，基于其汽車輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）的研發(fā)成功與市場拓展，逐步打造出豐富的傳感器產(chǎn)品矩陣，核心產(chǎn)品有TPMS、車用傳感器（壓力、加速度和電流類等）以及智駕相關(guān)傳感器。

小 結(jié)：

汽車傳感器頭部企業(yè)仍以外資企業(yè)為主，如博世立足于博世芯片、全方位、一體化的產(chǎn)業(yè)布局，建立起了成熟的研發(fā)方案和完善的供應(yīng)鏈體系，Continental（大陸）立足于其自身的全球化布局，服務(wù)本土客戶，并積極和本土相關(guān)企業(yè)建立合作關(guān)系，打造適應(yīng)國內(nèi)的產(chǎn)品和供應(yīng)鏈體系。

傳感器技術(shù)國內(nèi)企業(yè)仍處于技術(shù)追趕階段，在部分領(lǐng)域得到突破，如保隆在胎壓監(jiān)測傳感器領(lǐng)域的建樹，打破了國外企業(yè)的壟斷，并且實現(xiàn)了在歐洲建立研發(fā)中心的重大里程碑目標，同時，諸如天博、安培龍等國內(nèi)溫度傳感器以及華為、森思泰克等智能駕駛相關(guān)企業(yè)也取得了傲人的成績。

06

系統(tǒng)級傳感器的作用介紹

汽車主要傳感器構(gòu)成

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小 結(jié)：

底盤和電驅(qū)動系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)、智能駕駛、智能座艙傳感器是汽車傳感器系統(tǒng)的重要組成部分，它們在確保車輛性能、安全性和舒適性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

下面是對這些傳感器類型的總結(jié)：

1、底盤系統(tǒng)傳感器：

功能：底盤傳感器主要用于監(jiān)測和控制車輛的動態(tài)行為，如速度、轉(zhuǎn)向、制動和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵傳感器：包括速度傳感器、轉(zhuǎn)向角度傳感器、制動壓力傳感器、橫向加速度傳感器等。

應(yīng)用：用于防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）、牽引力控制系統(tǒng)（TCS）等。

2、熱管理系統(tǒng)傳感器：

功能：熱管理傳感器用于監(jiān)測和控制車輛的溫度相關(guān)參數(shù)，確保發(fā)動機和其他關(guān)鍵部件在適宜的溫度范圍內(nèi)運行。

關(guān)鍵傳感器：包括發(fā)動機冷卻液溫度傳感器、進氣溫度傳感器、油溫傳感器、空調(diào)溫度傳感器等。

應(yīng)用：用于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)、車內(nèi)溫度控制、電池?zé)峁芾淼取?/p>

3、懸架系統(tǒng)傳感器：

功能：懸架系統(tǒng)傳感器用于監(jiān)測車輛的高度、懸掛行程和路面狀況，以優(yōu)化車輛的性能和乘坐舒適性。

關(guān)鍵傳感器：包括車身高度傳感器、懸掛行程傳感器、路面狀況傳感器（如顛簸傳感器）等。

應(yīng)用：用于自適應(yīng)懸掛系統(tǒng)、空氣懸掛系統(tǒng)、車輛穩(wěn)定性控制等。

4、電驅(qū)動系統(tǒng)傳感器：

功能：電驅(qū)動系統(tǒng)傳感器用于監(jiān)測和控制電動車的電動機、電池和其他關(guān)鍵電驅(qū)動組件的性能。

關(guān)鍵傳感器：包括電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、電機轉(zhuǎn)速傳感器、電池狀態(tài)傳感器等。

應(yīng)用：用于電池管理系統(tǒng)（BMS）、電動機控制、能量回收系統(tǒng)、車輛動力輸出控制等。

5、智能駕駛傳感器：

功能：智能駕駛傳感器用于感知車輛周圍的環(huán)境，輔助或?qū)崿F(xiàn)自動駕駛功能。

關(guān)鍵傳感器：包括攝像頭、雷達（RADAR）、激光雷達（LIDAR）、超聲波傳感器、慣性測量單元（IMU）等。

應(yīng)用：用于車道保持輔助、自適應(yīng)巡航控制、自動泊車、自動駕駛導(dǎo)航等。

6、智能座艙傳感器：

功能：智能座艙傳感器用于監(jiān)測和提升車內(nèi)乘客的舒適性和便利性。

關(guān)鍵傳感器：包括車內(nèi)攝像頭、生物識別傳感器、環(huán)境傳感器、觸摸屏和觸控傳感器、語音識別傳感器等。

應(yīng)用：用于個性化設(shè)置、情緒識別、疲勞監(jiān)測、手勢控制、座椅和氣候控制系統(tǒng)等。

這些傳感器類型在汽車中的應(yīng)用不斷發(fā)展和擴展，隨著汽車技術(shù)的進步，它們在提高車輛性能、安全性和舒適性方面發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著傳感器技術(shù)的不斷進步和成本的降低，我們有理由相信這些傳感器將在汽車中得到更廣泛的應(yīng)用，為汽車行業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻。

07

未來發(fā)展趨勢

汽車傳感器的發(fā)展趨勢受到汽車行業(yè)整體技術(shù)進步的推動，同時也響應(yīng)了消費者對于更安全、高效、舒適駕駛體驗的需求。以下是一些關(guān)鍵趨勢：

1、集成化和智能化：隨著汽車電子架構(gòu)的演變，傳感器將更加集成化，通過車載計算平臺實現(xiàn)更高級的數(shù)據(jù)處理和分析。同時，傳感器將變得更加智能化，能夠自主學(xué)習(xí)和適應(yīng)不同的駕駛環(huán)境和用戶需求。

2、多傳感器融合：為了實現(xiàn)更高級的自動駕駛功能，未來的汽車將越來越多地采用多傳感器融合技術(shù)，包括攝像頭、雷達、激光雷達和超聲波傳感器的組合，以提高感知能力和準確性。

3、長壽命和高可靠性：隨著電動車和自動駕駛技術(shù)的發(fā)展，傳感器需要能夠在極端條件下長期穩(wěn)定工作，因此對于傳感器的耐用性和可靠性的要求將越來越高。

4、小型化和輕量化：為了適應(yīng)汽車輕量化趨勢，傳感器將向小型化和輕量化發(fā)展，同時保持或提升性能。

5、低功耗和高能效：隨著電動車對能源效率的重視，傳感器將更加注重低功耗設(shè)計，以延長續(xù)航里程。

6、無線傳感技術(shù)：無線傳感器技術(shù)的發(fā)展將減少車輛的布線復(fù)雜性，提高安裝和維護的便利性。

7、新材料和新工藝：新型材料和制造工藝的應(yīng)用將進一步提升傳感器的性能和成本效益。

8、數(shù)據(jù)安全和隱私保護：隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，傳感器數(shù)據(jù)的安全性和用戶隱私保護將成為重要的研究方向。

9、人工智能和機器學(xué)習(xí)：人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)將被廣泛應(yīng)用于傳感器數(shù)據(jù)的分析和處理，以實現(xiàn)更智能的駕駛決策和車輛管理。

10、法規(guī)和標準：隨著新技術(shù)的應(yīng)用，相關(guān)的法規(guī)和標準也將不斷完善，以保障傳感器系統(tǒng)的安全性和可靠性。

這些趨勢預(yù)示著汽車傳感器技術(shù)的未來發(fā)展方向，也將推動汽車行業(yè)的整體技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)升級。

審核編輯：黃飛