1、安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）論文題目： 光電傳感器在汽車中的應(yīng)用 姓 名： 專 業(yè)： 應(yīng)用電子技術(shù) 指導(dǎo)教師： 提交日期： 2013.3. 摘 要光電傳感器是把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后，借助光電元件把光信號轉(zhuǎn)換成電信號來實現(xiàn)控制。如光電開關(guān)、光感電阻、光感二極管、光電池、光纖等。光電式傳感器在檢測和控制領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛，它是采用光電元件作為檢測元件的傳感器，具有反應(yīng)快、精度高、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣。本文列舉了光電傳感器技術(shù)在一些領(lǐng)域里的應(yīng)用。并闡述了當(dāng)前傳感器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)； 光電器件； 常見故障； 檢

2、測控制； 發(fā)展趨勢目 錄目 錄3緒 論4第一章 傳感器的工作原理5第二章 光電傳感器6第三章 光電傳感器在汽車控制技術(shù)中的應(yīng)用9第四章 汽車傳感器未來的發(fā)展方向13第五章 結(jié)論15參考文獻16致 謝17緒 論汽車作為現(xiàn)代人類社會的交通工具，汽車在人類社會的政治、經(jīng)濟、社會生活各個領(lǐng)域已占據(jù)相當(dāng)重要的地位，為人類經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步做出了巨大的貢獻，汽車已成為人類文明與進步的象征和標志之一。而汽車的安全、環(huán)保與節(jié)能現(xiàn)已成為人們最為關(guān)心的問題，汽車上的各種傳感器為此做出了重大的貢獻。傳感器位于動力總成系統(tǒng)的前端。傳感器用來測量物理參數(shù)，如水溫、空氣壓力以及發(fā)動機曲軸的轉(zhuǎn)動速度。這些數(shù)據(jù)非常關(guān)鍵，

3、它們?yōu)殚]環(huán)控制系統(tǒng)提供了關(guān)鍵信息。除了溫度傳感、壓力傳感和霍爾傳感器以外，微機械技術(shù)還帶來了嶄新的加速和偏向角速度傳感器，同時還允許利用標準晶圓制造工藝集成信號處理電路和數(shù)字化電路。這樣就能更有效保證汽車的安全性。第一章 傳感器的工作原理傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號。化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。向傳感器提供±15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生400Hz的方波，經(jīng)過TDA2030功率放大器

4、即產(chǎn)生交流激磁功率電源，通過能源環(huán)形變壓器T1從靜止的初級線圈傳遞至旋轉(zhuǎn)的次級線圈，得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到±5V的直流電源，該電源做運算放大器AD822的工作電源；由基準電源AD589與雙運放AD822組成的高精度穩(wěn)壓電源產(chǎn)生±4.5V的精密直流電源，該電源既作為電橋電源，又作為放大器及V/F轉(zhuǎn)換器的工作電源。當(dāng)彈性軸受扭時，應(yīng)變橋檢測得到的mV級的應(yīng)變信號通過儀表放大器AD620放大成1.5v±1v的強信號，再通過V/F轉(zhuǎn)換器LM131變換成頻率信號，通過信號環(huán)形變壓器T2從旋轉(zhuǎn)的初級線圈傳遞至靜止次級線圈，再經(jīng)過外殼上的信號處理電路濾波、整形

5、即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號，該信號為TTL電平,既可提供給專用二次儀表或頻率計顯示也可直接送計算機處理。由于該旋轉(zhuǎn)變壓器動-靜環(huán)之間只有零點幾毫米的間隙，加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內(nèi)，形成有效的屏蔽，因此具有很強的抗干擾能力。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運作的?；瘜W(xué)傳感器技術(shù)問題較多，例如可靠性問題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會有巨大增長。第二章 光電傳感器2.1光電傳感器的概念光電式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，再通過光電器件把光信號的變化轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。

6、2.2光電式傳感器的概念光電傳感器的概念是：首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號。光電傳感器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。由光通量對光電元件作用的不同原理所制成光學(xué)測控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件輸出量性質(zhì)可分為兩類，即模擬式光電傳感器和脈沖式光電傳感器，前者是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測量問呈單值關(guān)系。按被測量方法可分為透射式、漫反射式、遮光式三類：透射式。被測物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物，部分被吸收后，透射光投射到光電元件上；漫反射式。恒光源發(fā)出的光投射到被測物上，再從被測物體表面反射后投射到光電元件上；遮光式。當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測

7、物遮擋其中一部分，使投射到光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測物體在光路位置相關(guān)。光敏二極管是最常見的光傳感器，不同于一般二極管的是其管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，為增加射入光線的受光面積，PN結(jié)的面積做得較大。光敏二極管工作在反向偏置的狀態(tài)下，并與負載電阻相串聯(lián)。當(dāng)無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很小，稱為光敏二極管的暗電流；當(dāng)有光照時，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱為光電載流子。在外電場的作用下，光電載流子參于導(dǎo)電，形成的比暗電流大得多的反向電流，稱為光電流。光電流的大小與光照強度成正比，在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉(zhuǎn)

8、換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。光敏三級管的外型與一般三極管相差不大，通常只引出兩個極-發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。在無光照時管子流過的電流為暗電流，(很小)，比一般三極管的穿透電流還小；當(dāng)有光照時，激發(fā)大量的電子-空穴對，使得基極產(chǎn)生的電流增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流公式為，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。2.3光電式傳感器的分類光電元件有光敏電阻、光電二極管、光電三極管、發(fā)光二極管（LED）、光電倍增管、光電池、光電耦合器件

9、等。由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件（光學(xué)測控系統(tǒng)）輸出量性質(zhì)，光電式傳感器可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖（開關(guān)）式光電傳感器；模擬式光電傳感器按被測量（檢測目標物體）方法又可分為透射（吸收）式、漫反射式、遮光式（光束阻擋）三大類。第三章 光電傳感器在汽車控制技術(shù)中的應(yīng)用3.1 光電式車高傳感器主動懸架系統(tǒng)能夠根據(jù)車身高度、車速、轉(zhuǎn)向角度及速率、制動等信號，由電控單元ECU控制懸架的執(zhí)行機構(gòu)，使懸架的剛度、減振器的阻尼力及車身高度等參數(shù)改變，使汽車具有良好的乘坐舒適性和操作穩(wěn)定性。在主動懸架系統(tǒng)中車高和轉(zhuǎn)向傳感器是兩個重要部件，目前現(xiàn)代轎車上應(yīng)用

10、最多的是光電式車高和轉(zhuǎn)向傳感器。為車高自動調(diào)整控制系統(tǒng)。車高傳感器可根據(jù)乘員和貨物的增減，把車高變化（懸架形變量的變化）轉(zhuǎn)換成傳感器軸的旋轉(zhuǎn)，并檢測出旋轉(zhuǎn)角度，將其轉(zhuǎn)換為電信號輸入電控單元ECU，ECU通過有關(guān)執(zhí)行元件，根據(jù)汽車載荷的大小，來自動調(diào)整車身的高度。車高傳感器可作為車高控制系統(tǒng)的車高檢出器，也可作為電子控制的惡劣道路檢出器使用。車高傳感器的結(jié)構(gòu)有一靠連桿帶動旋轉(zhuǎn)的軸，在軸上裝有一個開有許多槽的盤形遮光板，在遮光板的兩側(cè)裝有4組光電元件（由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成），當(dāng)連桿帶動軸旋轉(zhuǎn)時，光電元件之間時而透光，時而被遮光板遮上，使電路接通（ON）或斷開（OFF）。在主動懸架系統(tǒng)中，一

11、般安裝使用三個車高傳感器，左、右前輪各安裝一個，后橋中部安裝一個，也有的左、右、前、后輪各安裝一個。為車身高度傳感器的安裝位置及工作狀態(tài)。拉緊螺栓的上端與傳感器的連桿鉸鏈，下端與后懸架臂相連。當(dāng)車身上下振動時，拉緊螺栓帶動連桿使傳感器的軸左右旋轉(zhuǎn)，光電耦合件把旋轉(zhuǎn)信號轉(zhuǎn)換成車高信號輸出。拆下拉緊螺栓，擰松拉緊螺栓的鎖緊螺母，旋轉(zhuǎn)拉緊螺栓的螺旋插頭，可以改變拉緊螺栓的長度，從而可以調(diào)整車身高度的設(shè)定值。車高調(diào)整裝置的控制原理，利用光電元件接通或斷開的組合，就可把車高的變化范圍分為多個區(qū)域進行檢測。3.2 光電式轉(zhuǎn)向傳感器光電式轉(zhuǎn)向傳感器安裝在轉(zhuǎn)向軸管上，它用于檢測轉(zhuǎn)向盤的中間位置、轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動

12、角度和轉(zhuǎn)動速度。在電子控制懸架中，電子控制裝置根據(jù)車速傳感器信號和轉(zhuǎn)向傳感器信號，判斷汽車轉(zhuǎn)向時側(cè)向力的大小，以控制車身的側(cè)傾。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向傳感器用于檢測汽車轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角度及偏轉(zhuǎn)方向。在豐田轎車上裝用的電子控制懸架系統(tǒng)上應(yīng)用的光電式轉(zhuǎn)向傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。轉(zhuǎn)向（控制）圓盤安裝在軸上，加在盤的兩側(cè)的是兩組光電元件（發(fā)光二極管及光敏晶體管組成），光電元件套在轉(zhuǎn)向柱管上。盤的周圍開有許多均勻的槽，隨著轉(zhuǎn)向主軸的旋轉(zhuǎn)，圓盤也隨著旋轉(zhuǎn)，通過等間隔配列的開縫口，使光電元件之間的光間斷開閉，由此可檢出旋轉(zhuǎn)角度。光電式轉(zhuǎn)向傳感器的電路，光敏晶體管在遮光盤的作用下，或者導(dǎo)通，或者截止。根據(jù)晶體管導(dǎo)通、截止

13、的速度，就可以檢測出轉(zhuǎn)向器的角速度。此外，晶體管Tr1與Tr2之間的導(dǎo)通與截止，相位差90°，根據(jù)先導(dǎo)通的脈沖信號（波形下降），可檢測出轉(zhuǎn)向器的旋轉(zhuǎn)方向，而且，圖中的光敏晶體管在轉(zhuǎn)向圓盤的作用下導(dǎo)通或截止，根據(jù)其導(dǎo)通或截止的速度，就可檢測出轉(zhuǎn)向器的速度。3.3光電式光量傳感器光電式光量傳感器用硫化鎘（CdS）作為半導(dǎo)體元件，當(dāng)光線照射硫化鎘（CdS）時，電阻值隨之變化（周圍環(huán)境暗時電阻值大，亮?xí)r電阻值變?。馨阎車庹盏淖兓D(zhuǎn)換為電阻值的變化，以電信號的形式輸入控制器。目前在汽車上用于各種燈具亮、熄的自動控制。光電式光量傳感器在汽車燈控制上的應(yīng)用。燈光控制器安裝在儀表板的上方，到傍

14、晚時，它使尾燈點亮，當(dāng)天色變得更暗時，前照燈被點亮。當(dāng)對方來車時，還具有變光功能，這些都是自動完成的。3.4光電式車速傳感器光電式車速傳感器用于數(shù)字式速度表，由發(fā)光二極管、光敏晶體管以及安裝在速度表驅(qū)動軸上的遮光板構(gòu)成。光電式車速傳感器在數(shù)字式車速報警系統(tǒng)中的應(yīng)用，數(shù)字式車速表主要由熒光管、電控單元、集成電路IC等構(gòu)成。車速傳感器輸出的脈沖信號傳入到車速表，通過熒光顯屏顯示車速，并把其信號輸入到里程表、燃油表、溫度表等。數(shù)字式車速表的安裝位置。光電式車速傳感器產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)整形后輸入到計數(shù)電路中，在記憶電路中被記憶下來。定時電路輸出信號決定著計數(shù)電路的計測時間和記憶時間，記憶電路中的輸出信號

15、加到顯示電路上，熒光管根據(jù)光電式車速傳感器輸出的脈沖數(shù)顯示車速。車速表顯示分辨率為1km/h時，當(dāng)顯示車速超過101km/h時，速度判斷回路輸出報警信號，點亮速度警告信號燈；當(dāng)顯示的車速超過105km/h時，蜂鳴器就會鳴叫。第四章 汽車傳感器未來的發(fā)展方向未來的汽車傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢是微型化、多功能化、集成化和智能化。 20世紀末期，設(shè)計技術(shù)、材料技術(shù)，特別是Meant (微電子機械系統(tǒng))技術(shù)的發(fā)展使微型傳感器提高到了一個新的水平，利用微電子機械加工技術(shù)將微米級的敏感元件、信號處理器、數(shù)據(jù)處理裝置封裝在同一芯片上，它具有體積小、價格便宜、可靠性高等特點，并且可以明顯提高系統(tǒng)測試精度。目前采用

16、Memes技術(shù)可以制作檢測力學(xué)量、磁學(xué)量、熱學(xué)量、化學(xué)量和生物量的微型傳感器。由于Memes微型傳感器在降低汽車電子系統(tǒng)成本及提高其性能方面的優(yōu)勢，它們已開始逐步取代基于傳統(tǒng)機電技術(shù)的傳感器。Memes傳感器將成為世界汽車電子的重要構(gòu)成部分。 汽車傳感器和電子系統(tǒng)向著采用Memes傳感器的方向發(fā)展。Philips Electronics公司和Continental Treves公司10年銷售1億只用于汽車ABS系統(tǒng)的傳感器芯片, 生產(chǎn)上達到了一個新的里程碑。 兩個公司共同開發(fā)有源磁場傳感器的前瞻性技術(shù),產(chǎn)品應(yīng)用在汽車廠家生產(chǎn)的最新的轎車上。Continental Treves公司用這種磁阻式轉(zhuǎn)

17、速傳感器制作了輪速傳感器, 用于ABS系統(tǒng),防滑系統(tǒng)等。 Memes傳感器成本低、可靠性好、尺寸小，可以集成在新的系統(tǒng)中,工作時間達到幾百萬個小時。Memes器件最早的是絕壓傳感器（Map）和氣囊加速度傳感器。目前，正在研發(fā)和小批量生產(chǎn)的MEMS/MST產(chǎn)品有：輪速旋轉(zhuǎn)傳感器, 胎壓傳感器, 制冷壓力傳感器, 發(fā)動機油壓傳感器, 剎車壓力傳感器和偏離速率傳感器等等。 在今后的5-7年Memes器件將大量應(yīng)用到汽車系統(tǒng)中。 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和電子控制系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用迅速增加，汽車傳感器市場需求將保持高速增長，以Memes技術(shù)為基礎(chǔ)的微型化、多功能化、集成化和智能化的傳感器將逐步取代傳統(tǒng)的傳

18、感器，成為汽車傳感器的主流。 21世紀初期（2010前后），敏感元件與傳感器發(fā)展的總趨勢是小型化、集成化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化。傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高，并加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。 微機械加工技術(shù)（MEMT）和微米/納米技術(shù)將得到高速發(fā)展，將成為21世紀傳感器領(lǐng)域中帶有革命變化的高新技術(shù)。采用MEMT制作的MEMS產(chǎn)品（微傳感器和微系統(tǒng)），具有劃時代的微小體積、低成本、高可靠等獨特的優(yōu)點，預(yù)計由微傳感器、微執(zhí)行器以及信號和數(shù)據(jù)處理裝置總裝集成的微系統(tǒng)將進入商業(yè)市場。 隨著新型敏感材料的加速開發(fā)，微電子、光電子、生物化學(xué)、信息處理等各學(xué)科、各種新技術(shù)的互相滲透

19、和綜合利用，可望研制出一批新穎、先進的傳感器。如：新一代光纖傳感器、超導(dǎo)傳感器、焦平面陣列紅列探測器、生物傳感器、診斷傳感器、智能傳感器、基因傳感器以及模糊傳感器等。 硅傳感器的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用將成為主流，半導(dǎo)體工業(yè)將更加有力地帶動傳感器的設(shè)計手日工藝制造技術(shù)；而微處理器和計算機將進一步帶動新一代智能傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器的數(shù)據(jù)管理和采集。 敏感元件與傳感器的更新?lián)Q代周期將越來越短，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒌玫酵卣?，二次傳感器和傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用將大幅度增長，廉價傳感器的比例將增大，必將促進世界傳感器市場的迅速發(fā)展。 高科技在傳感技術(shù)中的應(yīng)用比例更加增大。傳感技術(shù)涉及多學(xué)科的交叉，它的設(shè)計需要多學(xué)科綜合理論分析

20、，常規(guī)方法已難于滿足，CAD技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用。如：國外在90年代初就研究出了用于硅壓力傳感器設(shè)計的MEMS CAD軟件，大型有限元分析軟件ANSYS，包含了力、熱、聲、流體、電、磁等分析模塊，在MEMS器件的設(shè)計和模擬方面取得了成功。 傳感器產(chǎn)業(yè)將進一步向著生產(chǎn)規(guī)?；?、專業(yè)化和自動化方向發(fā)展。工業(yè)化大生產(chǎn)的平面工藝技術(shù)將是促進傳感器價格大幅度降低的主要動力。而傳感器制造的后工序一一封裝工藝和測試標定（兩者的費用約占產(chǎn)品總成本的50%以上）的自動化，將成為關(guān)鍵生產(chǎn)工藝予以突破。傳感器產(chǎn)業(yè)的企業(yè)結(jié)構(gòu)仍將呈現(xiàn)“大、中、小并舉”“集團化、專業(yè)化生產(chǎn)共存”的格局，集團化的大公司（含跨國集團公司將越來越

21、顯示出它的壟斷作用，而專業(yè)化生產(chǎn)的中、小企業(yè)因其能適應(yīng)市場小批量產(chǎn)品的需求，仍有其生存、發(fā)展的空間和機遇。 多功能化是指一個傳感器能檢測2個或者兩個以上的特性參數(shù)或者化學(xué)參數(shù)，從而減少汽車傳感器數(shù)量，提高系統(tǒng)可靠性。集成化是指利用IC制造技術(shù)和精細加工技術(shù)制作IC式傳感器。 智能化是指傳感器與大規(guī)模集成電路相結(jié)合，帶有CPU，具有智能作用，以減少ECU的復(fù)雜程度，減少其體積，并降低成本。第五章 結(jié)論 本文主要講述了傳感器在汽車技術(shù)中的應(yīng)用以及各種汽車傳感器的工作原理和在汽車技術(shù)中的作用。其中轉(zhuǎn)速傳感器是檢測發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、空氣流量傳感器檢測發(fā)動機的進氣量以更好的控制空燃比、節(jié)氣門位置傳感器是將節(jié)氣門開度轉(zhuǎn)換為電信號，通過ECU控制噴油量、進氣溫度傳感器是檢測發(fā)動