汽車領(lǐng)域中MEMS傳感器的十大應(yīng)用知識(shí)盤點(diǎn)

現(xiàn)在汽車的預(yù)防安全越來(lái)越受到人們重視，MEMS傳感器應(yīng)用于汽車安全技術(shù)許多領(lǐng)域，以下是對(duì)汽車領(lǐng)域中MEMS傳感器的十大應(yīng)用知識(shí)盤點(diǎn)：

一、電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng) (ESC)

電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng) (ESC、Electric Stability Control) 是用于防止車輛在雨后濕滑的道路或彎曲路段處發(fā)生側(cè)滑的裝置。該裝置使用了Murata Electronics Oy (以下簡(jiǎn)稱為MFI) 的加速度傳感器。

通常，僅靠ABS和牽引控制系統(tǒng)無(wú)法滿足車輛在彎曲路段上的行車安全要求。該場(chǎng)合下電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng) (ESC) 就能夠通過(guò)修正駕駛員操作中的轉(zhuǎn)向不足或過(guò)度轉(zhuǎn)向，來(lái)控制車輛使其不偏離道路。該系統(tǒng)通過(guò)使用一個(gè)陀螺儀來(lái)測(cè)量車輛的偏航角，同時(shí)用一個(gè)低重力加速度傳感器來(lái)測(cè)量橫向加速度。將所得測(cè)量數(shù)據(jù)與通過(guò)行駛速度和車輪傾斜角兩項(xiàng)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，從而調(diào)整車輛轉(zhuǎn)向以防止發(fā)生側(cè)滑。

加速度傳感器通常會(huì)被獨(dú)立安裝在車輛重心附近，或作為傳感器組的一部分以貼裝組件的形式被安裝在印制電路板上。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量范圍為±1.5～2.0g; 偏移量與溫度或使用時(shí)間無(wú)關(guān)，穩(wěn)定在100mg以下; 頻帶在0～50Hz范圍內(nèi)。

電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng) (ESC) 通常需要以車輛的橫向?yàn)闄z測(cè)軸，以確保在受到縱向加速度或車輛減速時(shí)，將影響控制在最小限度。將MFI的加速度傳感器安裝在印制電路板上時(shí)，可選擇兩種安裝方向，即檢測(cè)軸是與安裝面平行還是垂直。若使用的是獨(dú)立型加速度傳感器時(shí)，則需要根據(jù)安裝位置選用相應(yīng)的托架。

在全球范圍內(nèi)，有關(guān) ESC的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)制定工作正在積極推進(jìn)中。在聯(lián)合國(guó)“世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇”“1998年協(xié)定書(shū)”的框架下，有關(guān)“輕型汽車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)”全球技術(shù)法規(guī) (GTR) 于2008年制定完成并獲得WP29批準(zhǔn) (即GTR8) 。美國(guó)、歐美、日本、澳大利亞、韓國(guó)等在內(nèi)的國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)或正在將ESC作為強(qiáng)制安裝的安全裝置。作為“1998年協(xié)定書(shū)”簽署國(guó)，中國(guó)從2007年開(kāi)始全面參與ESC全球技術(shù)法規(guī)的協(xié)調(diào)進(jìn)程，結(jié)合國(guó)內(nèi)ESC產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、應(yīng)用和試驗(yàn)?zāi)芰μ岢隽巳舾商岚?，并正在制定相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

二、電子駐車制動(dòng)系統(tǒng) (EPB)

EPB (電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)，Electronic Parking Brake) 取代了傳統(tǒng)的基于機(jī)械杠桿和鏈條的駐車制動(dòng)裝置，為駕駛員提供了更有效的停車輔助。并且由于取消了主副駕駛位之間的駐車制動(dòng)桿，駕駛席周圍的空間便能得到更有效的利用。EPB系統(tǒng)可根據(jù)車體縱向的傾斜度不斷調(diào)整剎車力度。僅需按下儀表盤上相應(yīng)的按鈕，剎車就會(huì)被鎖定; 在車輛啟動(dòng)和加速時(shí)，剎車將自動(dòng)解鎖。

該系統(tǒng)還能夠?qū)Φ退贍恳隣顟B(tài)下的車輛進(jìn)行輔助控制，防止車輛在坡上自然下滑。該系統(tǒng)與距離傳感器系統(tǒng)信號(hào)對(duì)接后，甚至可以在狹窄區(qū)域內(nèi)完成平行停車。如果與發(fā)動(dòng)機(jī)防盜系統(tǒng)整合，便可形成一套最為可靠的防盜機(jī)制。

該系統(tǒng)內(nèi)的傳感器實(shí)際測(cè)量起點(diǎn)通常是在±3°以內(nèi); 對(duì)應(yīng)的重力加速度值大約為50mg。這剛好與車輛在整個(gè)使用壽命和溫度范圍內(nèi)的偏移穩(wěn)定性要求相吻合。系統(tǒng)內(nèi)部傳感器的頻率范圍按要求盡量保持最低，上限不超過(guò)10-50Hz。

三、防抱死制動(dòng)系統(tǒng) (ABS)

在四輪驅(qū)動(dòng)的車輛中，由于每個(gè)車輪都可能會(huì)打滑，所以ABS系統(tǒng)所需的車身速度和車輪速度參數(shù)無(wú)法通過(guò)傳感器來(lái)測(cè)量。因此車輛的加/減速度信息只能通過(guò)對(duì)前后方向加速度的測(cè)量來(lái)獲得。ABS系統(tǒng)的加速度傳感器除了能夠以獨(dú)立元件或集成在印制電路板上的形式裝入ABS控制器外，還能安裝在其他的傳感器類中。

ABS系統(tǒng)使用的加速度傳感器的測(cè)量范圍通常在1～2G (G為重力加速度) 。在檢測(cè)溫度范圍和車輛使用壽命內(nèi)誤差偏移能夠始終低于100mg的狀態(tài)。該傳感器的檢測(cè)軸的方向必須為車輛的前后方向。Murata Electronics Oy的加速度傳感器可以滿足各種傳感器單元和印制電路板貼裝情況下的應(yīng)用。

四、電子控制式懸架系統(tǒng) (ECS)

電子控制式懸架系統(tǒng) (ECS) 的主要用途是根據(jù)行駛速度、路面狀況、轉(zhuǎn)向情況、變速狀態(tài)等信息以及不同的駕駛條件調(diào)節(jié)懸掛系統(tǒng)，為駕駛者提供良好的操作穩(wěn)定性和乘坐舒適度。ECS系統(tǒng)為用戶呈現(xiàn)從平穩(wěn)舒緩到高速暢快的多種駕駛體驗(yàn)。駕駛者僅需按下選擇按鈕就能在運(yùn)動(dòng)型、普通型和舒適型駕駛模式間自由切換。

ECS系統(tǒng)內(nèi)部的加速度傳感器可用于檢測(cè)車體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有時(shí)還用于檢測(cè)前輪垂直方向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。用于檢測(cè)車體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的兩個(gè)加速度傳感器被安裝在前減震器與彈簧頂部固定點(diǎn)附近。而靠近輪轂的加速度傳感器則是被裝在減震器和車輪彈簧附近區(qū)域。這樣一來(lái)，就能夠通過(guò)兩組傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出車體與車輪的垂直距離差。在更先進(jìn)的輪轂傳感器系統(tǒng)中，加速度傳感器則被距離傳感器替代，用于直接測(cè)量車輪與車體之間的距離。

另外，在許多ECS系統(tǒng)中，車輛的中部或后部還額外裝有一個(gè)用于檢測(cè)車輛顛簸的加速度傳感器。能夠略微消除車體在加速或減速時(shí)的傾斜。

空氣懸架系統(tǒng)如今被應(yīng)用于包括運(yùn)動(dòng)型多功能車 (SUV) 在內(nèi)的大多數(shù)中高檔、豪華型車輛?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)車體邊角處氣罐內(nèi)的空氣體積來(lái)修正懸架設(shè)置。該系統(tǒng)通常包括1個(gè)特殊的氣體壓縮機(jī)，1到2個(gè)氣體儲(chǔ)備罐，4個(gè)由空氣彈簧和傳統(tǒng)減震器構(gòu)成的減震單元，2到5個(gè)獨(dú)立的加速度傳感器，以及電子控制單元 (ECU) 。

由于空氣懸架系統(tǒng)對(duì)中小型車輛來(lái)說(shuō)較為昂貴，通常會(huì)使用以油取代空氣的懸架系統(tǒng)。盡管調(diào)節(jié)油量的系統(tǒng)價(jià)格較低，但是無(wú)法達(dá)到空氣式懸架系統(tǒng)的高效性和舒適度。油量的調(diào)節(jié)由特殊的電子閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)中會(huì)使用3到5個(gè)獨(dú)立的加速度傳感器。

五、防翻滾穩(wěn)定性控制系統(tǒng) (ARC)

作為車輛穩(wěn)定性控制的一部分，車輛防翻滾穩(wěn)定性控制系統(tǒng) (ARC) 通常被整合進(jìn)電子穩(wěn)定控制系統(tǒng) (ESC) 或懸架系統(tǒng)。防翻滾控制能夠在啟動(dòng)剎車裝置或平衡桿的異常動(dòng)作時(shí)，防止車體發(fā)生大幅度的搖晃。在將ARC系統(tǒng)整合到ESC系統(tǒng)中時(shí)，需要額外使用一個(gè)用于檢測(cè)車輛前后方向加速度的加速度傳感器 (測(cè)量范圍為1～2g) 。

當(dāng)該系統(tǒng)被用于SUV或越野車等車身整體較高或懸架位置較高的車輛時(shí)，有時(shí)也會(huì)被設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。此時(shí)，需將一個(gè)獨(dú)立型傳感器安裝在車的頂部，另一個(gè)則裝在下方地板處相應(yīng)的位置。

六、引擎防震系統(tǒng)

引擎和變速箱的防震控制如今正吸引業(yè)內(nèi)人士越來(lái)越多的關(guān)注。其中一個(gè)重要的原因是新一代的引擎能夠在無(wú)需滿負(fù)荷運(yùn)作時(shí)，通過(guò)關(guān)閉部分氣缸來(lái)節(jié)省燃料。

引擎中個(gè)別氣缸的關(guān)閉會(huì)導(dǎo)致車體的震動(dòng)。并且相對(duì)引擎重量而言，車體重量正在變得越來(lái)越輕。特別對(duì)于柴油動(dòng)力的6氣缸或8氣缸引擎來(lái)說(shuō)，引擎的震動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致車輛整體隨之震動(dòng)。而對(duì)于混合動(dòng)力汽車，汽油和電力引擎間的頻繁切換也會(huì)導(dǎo)致車體震動(dòng)，該情況在小型柴油混合動(dòng)力車中尤為突出。

應(yīng)對(duì)車體震動(dòng)的最新解決方案是主動(dòng)電子控制減震裝置。這些裝置在閉環(huán)控制系統(tǒng) (反饋控制系統(tǒng)) 中使用了加速度傳感器，并被裝在車體的各個(gè)重要部位。

七、上坡起步輔助系統(tǒng) (HSA)

HAS (Hill Start Assist) 是一個(gè)直接連接主剎車裝置和ESC系統(tǒng)的電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)車輛在坡上發(fā)動(dòng)時(shí)，它可以自動(dòng)控制制動(dòng)壓力以防止車輛向后自然下滑。

HAS系統(tǒng)需要使用高性能的傳感器來(lái)感應(yīng)車輛前后方向細(xì)微的傾斜，也就是道路的斜率。該系統(tǒng)對(duì)傳感器穩(wěn)定性的要求為在使用壽命和溫度范圍內(nèi)測(cè)量出的傾角誤差小于3° (換算為傳感器輸出值相當(dāng)于50mg) 。在汽車裝配時(shí)產(chǎn)生的所有“偏移誤差”，都可以在生產(chǎn)線最后的“偏移校準(zhǔn)”步驟中消除; 此外，還可通過(guò)電子穩(wěn)定性控制 (ESC) 系統(tǒng)內(nèi)的電子控制單元 (EUC) 所裝的軟件來(lái)對(duì)完成后的偏移信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)。

八、心跳探測(cè)和先進(jìn)防盜系統(tǒng)

所謂心跳探測(cè)，是通過(guò)高靈敏度傳感器和精密的電腦軟件相互配合，從而在車輛已被上鎖等應(yīng)為空車狀態(tài)的情況下，探測(cè)車內(nèi)是否有人的新型系統(tǒng)。該系統(tǒng)可被用于檢測(cè)由于父母疏忽而被留在車內(nèi)的兒童或藏匿于車內(nèi)的非法進(jìn)入者。

車輛防盜裝置和引擎鎖定防盜裝置的原理是使用較為廉價(jià)的2軸加速度傳感器來(lái)檢測(cè)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果與高精度的心跳探測(cè)傳感器相結(jié)合，就能構(gòu)成安全系數(shù)更高的先進(jìn)防盜系統(tǒng)。

九、翻滾傳感器 (ROV)

翻滾傳感器即側(cè)翻檢測(cè)傳感器，作為乘客保護(hù)系統(tǒng)的一部分被整合在安全氣囊控制系統(tǒng)中。所謂翻滾傳感器，具體來(lái)說(shuō)，是由1軸或2軸 (翻轉(zhuǎn)角和俯仰角) 角速度傳感器和加速度傳感器構(gòu)成的，用于檢測(cè)車輛Z軸方向也就是上下方向的角速度和加速度的傳感器。該系統(tǒng)中加速度傳感器的測(cè)量范圍基本上為3～5g，頻帶最大不超過(guò)400Hz，穩(wěn)定偏移約為300mg。

十、車胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (TPMS)

將壓力傳感器應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的車胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正在迅速推進(jìn)中。雖然該系統(tǒng)基本上是通過(guò)對(duì)胎內(nèi)氣壓的監(jiān)控點(diǎn)亮警告指示燈，但若能與各類車輛安全系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，就可以實(shí)現(xiàn)爆胎預(yù)警之外的許多極具吸引力的功能。當(dāng)車胎壓力不正常時(shí)，將有可能發(fā)生以下幾種問(wèn)題：

前胎氣壓過(guò)低將導(dǎo)致轉(zhuǎn)向不足，后胎氣壓過(guò)低將導(dǎo)致過(guò)度轉(zhuǎn)向。

不論胎壓是不足還是過(guò)高，都會(huì)顯著縮短輪胎的使用壽命。

當(dāng)輪胎壓力偏離最佳值0.4bar時(shí)，輪胎壽命將縮短30%; 胎壓不足的情況下，壓力每低0.6bar，就會(huì)額外增加4%的油耗。

當(dāng)以超過(guò)100km/h的速度高速行駛時(shí)，一旦發(fā)生輪胎打滑的現(xiàn)象，輪胎就會(huì)脫離路面，這是十分危險(xiǎn)的。

當(dāng)車胎壓力比正常值的50%還低時(shí)，即使使用了ABS系統(tǒng)，在濕滑路面以100km/h行駛的制動(dòng)距離也會(huì)增加10m。

當(dāng)車胎壓力低于一定值時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)。

不正常的車胎壓力將妨礙懸架系統(tǒng)的正常工作。