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GB7665-2005，傳感器（Transducer／Sensor）的定義為：

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

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換輸出。

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

基本轉換電路是一些能把敏感器件或轉換元件輸出的電信號轉換為便于顯示、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。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。當輸出為規定的標準信號時，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規定傳感器圖用圖形符號表示方法：

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

如：電容式壓力傳感器

國標GB/T 7666-2005規定了傳感器的命名方法：一種傳感器產品的名稱，應由主題詞加四級修飾語構成。

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-轉換原理，一般可后續以“式”字；

第三級修飾語-特征描述，指必須強調的傳感器結構、性能、材料特征、敏感元件以及其他必要的性能特征，一般可后續以“型”字。

第四級修飾語-主要技術指標（量程、測量范圍、精度等）。

例：傳感器，壓力，壓阻式，[單晶]硅，600kPa。

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

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

傳感器的完整代碼應包括以下四部分：

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中的規定。

轉換原理：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中的規定。

序號：用阿拉伯數字標記，序號可表征產品設計特征、性能參數、產品系列等。序號及其內涵可由傳感器生產廠家自行決定。

例：霍爾式電流傳感器

03

傳感器的特性與指標

3.1? 傳感器的靜態特性

參考GB/T18459-2001，靜態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系。也就是當輸入量為常量，或變化極慢時，這一關系被稱作靜態特性。

靜態特性曲線可通過實際測試獲得，為了標定和數據處理的方便，希望得到線性關系，可采用硬件和軟件的補償進行線性化處理，當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。

通常評價靜態特性的指標如下：

1、線性度：在規定條件下，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定工作狀態時，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，其數值等于所對應的最小二乘法擬合直線的斜率。

3、分辨力：傳感器在規定的測量范圍內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，同一次測量中對應同一輸入量的正行程和反行程其輸出值間的最大偏差。

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

注：遲滯和重復性的差異：

遲滯反映傳感器機械結構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。

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

6、精度（靜態準確度）

精度的指標：精密度、準確度、精確度

精密度：說明測量結果的分散性（隨機誤差）

準確度：說明測量結果偏離真值大小的程度（系統誤差）

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。

穩定性和溫度穩定性：穩定性表示傳感器在較長時間內保持其性能參數的能力，穩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象。

??傳感器不因輸入的原因而發生的變化

??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? 傳感器的動態特性

當輸入量隨時間變化時，輸入與輸出間的關系（動態量指周期信號、瞬變信號或隨機信號）。

動態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。

對數幅頻特性：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系

小 結：

GB/T 7665-2005規定了傳感器的產品名稱和性能特性術語。

GB/T 7666-2005規定了傳感器的命名方法、代號標記方法、代號。

GB/T 14479-1993規定了傳感器的圖用圖形符號和表示規則。

GB/T 18459-2001 規定了一般傳感器主要靜態指標的定義和計算方法。

04

傳感器相關通訊協議

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議中常用的幾種技術，它們各自有不同的應用場景和特點：

1、CAN (Controller Area Network)：

應用：CAN 是汽車網絡中最常用的通訊協議之一，適用于各種類型的傳感器，包括速度、溫度、壓力和轉向角度傳感器。

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用。

2、LIN (Local Interconnect Network)：

應用：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、座椅調節和簡單照明控制。

特點：LIN 協議簡單、成本低，適合于較低速度和較低復雜度的應用。

3、FlexRay：

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

特點：FlexRay 支持高速；據傳輸，具有高可靠性和確定性，適用于要求嚴格的實時應用。

4、MOST (Media Oriented Systems Transport)：

應用：MOST 主要用于車載娛樂和信息系統，如音頻、視頻和數據流的傳輸。

特點：MOST 支持高速數據傳輸，具有時間同步功能，適合于多媒體和信息系統。

5、Ethernet：

應用：隨著車輛系統變得越來越復雜，以太網開始被用于需要處理大量數據的系統，如高級駕駛輔助系統（ADAS）和自動駕駛技術。

特點：以太網支持高速數據傳輸，具有高帶寬和網絡擴展性，適用于大數據量和高速通訊需求。

6、PWM (Pulse Width Modulation)：

應用：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據，且數據傳輸速率相對較低。

7、PSI5 (Precision Sensor Interface 5)：

應用：PSI5 是一種用于汽車傳感器的通訊協議，主要用于速度、位置和角度傳感器的數據傳輸。

特點：PSI5 支持高速數據傳輸，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用。

8、SPI (Serial Peripheral Interface)：

應用：SPI 通常用于數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，可以同時發送和接收數據。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)：

應用：SENT 用于需要高精度和高可靠性數據傳輸的汽車傳感器，如輪速傳感器、位置傳感器和壓力傳感器。

特點： SENT 使用單線進行數據傳輸，支持高分辨率，具有強大的錯誤檢測和校驗機制，適合于安全關鍵系統。

小 結：

這些通訊協議在汽車傳感器中的應用取決于傳感器的類型、所需的通訊速度、數據完整性要求以及系統的復雜性。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、高精度數據傳輸的高級應用。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、高精度數據傳輸的數字傳感器。

05

汽車傳感器

汽車傳感器是把非電信號轉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（如溫度、壓力、位置、轉速等）和環境信息，并將采集到的信息轉換為電信號傳輸至汽車的相關控制單元。

汽車傳感器作為信息采集源，根據信息采集內容的不同可分為車身感知傳感器和環境感知傳感器。

車身感知傳感器指分布于汽車的動力系統、傳動系統、底盤及安全系統及車身舒適性系統等子系統中，用于獲取汽車車身信息的基礎傳感器。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。

環境感知傳感器指通過采集、輸出汽車周圍環境信息以協助汽車實現智能駕駛的汽車傳感器。環境感知傳感器實現了單車對外界環境的感知能力，幫助汽車計算機獲得環境信息并做出規劃決策，為車輛智能化駕駛提供支持；環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構、微型傳感器、微型執行器、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。

汽車傳感器產業鏈簡圖

可以看出，當前傳感器技術我國仍處于技術追趕階段，諸如：納芯微、琻捷電子、保隆、安培龍、華為、森思泰克等芯片、傳感器企業打破國外壟斷技術，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

博世依托其半導體芯片技術、博世制動、智能駕駛及座艙、無錫車聯天下、聯合汽車電子UAES（電驅動）、博世華域轉向等關鍵零部件產業布局，產品范圍廣，供應鏈齊全，在行業內處于領先地位。

博世傳感器布局

Conti大陸集團依托其全球化的產業布局，在原有燃油車傳感器產業上，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，在新能源汽車領域，布局電驅動的轉子位置傳感器和動力電池的電流傳感器模塊，與電驅動相關的電機變速器速度傳感器、電機轉子速度傳感器、電機轉子位置傳感器。同時，立足于長春研發中心和配套工廠設施，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芯片企業納芯微雙方就乘用車關鍵零部件輪速傳感器本土化項目簽署產品合作協議，開拓在技術與安全領域的深度合作，旨在共同推進我國汽車芯片的國產化進程，保障供應鏈穩健安全。

Conti?高壓電流傳感器模塊

Conti?電機轉子位置傳感器

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

小 結：

汽車傳感器頭部企業仍以外資企業為主，如博世立足于博世芯片、全方位、一體化的產業布局，建立起了成熟的研發方案和完善的供應鏈體系，Continental（大陸）立足于其自身的全球化布局，服務本土客戶，并積極和本土相關企業建立合作關系，打造適應國內的產品和供應鏈體系。

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

06

系統級傳感器的作用介紹

汽車主要傳感器構成

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小 結：

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

下面是對這些傳感器類型的總結：

1、底盤系統傳感器：

功能：底盤傳感器主要用于監測和控制車輛的動態行為，如速度、轉向、制動和穩定性。

關鍵傳感器：包括速度傳感器、轉向角度傳感器、制動壓力傳感器、橫向加速度傳感器等。

應用：用于防抱死制動系統（ABS）、電子穩定控制系統（ESC）、牽引力控制系統（TCS）等。

2、熱管理系統傳感器：

功能：熱管理傳感器用于監測和控制車輛的溫度相關參數，確保發動機和其他關鍵部件在適宜的溫度范圍內運行。

關鍵傳感器：包括發動機冷卻液溫度傳感器、進氣溫度傳感器、油溫傳感器、空調溫度傳感器等。

應用：用于發動機冷卻系統、車內溫度控制、電池熱管理等。

3、懸架系統傳感器：

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

關鍵傳感器：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。

應用：用于自適應懸掛系統、空氣懸掛系統、車輛穩定性控制等。

4、電驅動系統傳感器：

功能：電驅動系統傳感器用于監測和控制電動車的電動機、電池和其他關鍵電驅動組件的性能。

關鍵傳感器：包括電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、電機轉速傳感器、電池狀態傳感器等。

應用：用于電池管理系統（BMS）、電動機控制、能量回收系統、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境，輔助或實現自動駕駛功能。

關鍵傳感器：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。

應用：用于車道保持輔助、自適應巡航控制、自動泊車、自動駕駛導航等。

6、智能座艙傳感器：

功能：智能座艙傳感器用于監測和提升車內乘客的舒適性和便利性。

關鍵傳感器：包括車內攝像頭、生物識別傳感器、環境傳感器、觸摸屏和觸控傳感器、語音識別傳感器等。

應用：用于個性化設置、情緒識別、疲勞監測、手勢控制、座椅和氣候控制系統等。

這些傳感器類型在汽車中的應用不斷發展和擴展，隨著汽車技術的進步，它們在提高車輛性能、安全性和舒適性方面發揮著越來越重要的作用。隨著傳感器技術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用，為汽車行業的發展做出更大的貢獻。

07

未來發展趨勢

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

1、集成化和智能化：隨著汽車電子架構的演變，傳感器將更加集成化，通過車載計算平臺實現更高級的數據處理和分析。同時，傳感器將變得更加智能化，能夠自主學習和適應不同的駕駛環境和用戶需求。

2、多傳感器融合：為了實現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，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的發展，傳感器需要能夠在極端條件下長期穩定工作，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：為了適應汽車輕量化趨勢，傳感器將向小型化和輕量化發展，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計，以延長續航里程。

6、無線傳感技術：無線傳感器技術的發展將減少車輛的布線復雜性，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用將進一步提升傳感器的性能和成本效益。

8、數據安全和隱私保護：隨著車聯網技術的發展，傳感器數據的安全性和用戶隱私保護將成為重要的研究方向。

9、人工智能和機器學習：人工智能和機器學習技術將被廣泛應用于傳感器數據的分析和處理，以實現更智能的駕駛決策和車輛管理。

10、法規和標準：隨著新技術的應用，相關的法規和標準也將不斷完善，以保障傳感器系統的安全性和可靠性。

這些趨勢預示著汽車傳感器技術的未來發展方向，也將推動汽車行業的整體技術進步和產業升級。

審核編輯：黃飛