Автомобилни сензори: Виды, принципи на работа, приложения, тестване и отстраняване на повреди

Автомобилните сензори откриват условия като температура, налягане, позиция, скорост, ток, движение и разстояние и ги преобразуват в сигнали, които ECU може да обработи. Тази статия обхваща начина, по който работят автомобилните сензори, основните типове сензори, методи за сигнализация на ECU, ключови спецификации, често срещани приложения за превозни средства, избор на сензор以及 практически тестове и отстраняване на повреди.

Каталог

Фигура 1: Автомобилен сензор

Какво е автомобилен сензор?

В автомобилните системи, сензорният елемент е частта, която директно реагира на физично условие, като температура, налягане, магнитно поле или ускорение. Преобразувателят преобразува тази физична реакция в електрическо количество. Завършеният сензор комбинира сензорния елемент или преобразувател с необходимата електронна схема, за да предостави използваем изход. Умният сензорен модул добавя функции като обработка на сигнали, диагностика, калибриране и цифрова комуникация с ECU или мрежа на превозни средства.

Как работят автомобилните сензори?

Фигура 2: Принцип на работа на автомобилен сензор

Автомобилните сензори измерват физично условие като температура, налягане, позиция, скорост, ток, движение или разстояние. Сензорният елемент реагира на това условие, а схемата за обработка на сигнали преобразува или обработва реакцията в използваем електрически сигнал. ECU получава сензорния вход, интерпретира измерената стойност и след това я използва, за да извърши контролна, мониторингова, диагностична или свързана с безопасността действие.

Какви са основните типове автомобилни сензори?

Съвременните превозни средства използват сензорни технологии, вариращи от прости термистори и магнитни сензори за скорост до камери, радар, LiDAR, сензори за отработили газове и мрежови умни сензорни модули.

Тип на автомобилен сензор	Какво измерва	Принцип на сензиране	Типичен изход	Често срещано приложение в превозно средство
Температурен сензор	Температура	NTC/PTC съпротивление или полупроводниково измерване на температура	Съпротивление, аналогово напрежение, цифрово	Охлаждаща течност, въздух за всмукване, трансмисия, батерия
Сензор за налягане	Налягане на газ или течност	MEMS пиорезистивно или капацитивно сензиране	Радиометрично аналогово напрежение, SENT, PSI5	Налягане на колектор, гориво, масло, спирачна течност, хладилен агент
Позиционен сензор	Линейна или ъглова позиция	Hall ефект, магниторезистивно, индуктивно или потенциометрично	Аналогово напрежение, PWM, SENT, цифрово	Дросел, педал, актуатор, позиция на волана
Сензор за скорост	Въртяща или линейна скорост	Променлива релуктация, Hall ефект или магниторезистивно сензиране	AC вълна, пулс, честота, сигнал с модулиран ток	Колело, колянов вал, разпределителен вал, трансмисия
Сензор за ток	Елeктрически ток	Халев ефект, магнитно усетяване или шунтова измерване	Аналогово напрежение, цифрови данни	Наблюдение на батерията, инвертор, задвижваща система
Сензор за кислород	Концентрация на кислород в отработилите газове	Циркониева електрохимична сензорика	Напрежение или сигнал за контрол на ток на помпата	Съотношение въздух-гориво и контрол на емисиите
Сензор за NOx	Азотни оксиди в отработилите газове	Електрохимична сензорика с керамика и електронен контрол	Цифрови данни от електрониката за контрол на сензорите	Системи за емисии на дизелови и бедни горивни смеси
Сензор за частици	Частици в отработилите газове или сажди	Резистивно откритие на сажди или други методи за усетяване на частици	Цифрово изходно ниво на сензорния модул	Наблюдение на дизеловия филтър за частици и емисии
Инерциален сензор	Ускорение и ъглова скорост	MEMS капацитивно или свързано инерциално усетяване	Аналогови или цифрови данни	Въздушни възглавници, ESC, обръщане и динамика на превозното средство
Сензор за въртящ момент	Приложен въртящ момент	Стрейн-гидж, магнитно или магнитноеластично усетяване	Аналогово напрежение, PWM, SENT, цифрово	Електрическо серво управление на кормилната система и задвижващи системи
Сензор за налягане на гумите	Налягане на гумите и често температура	MEMS измерване на налягане	RF цифрово съобщение	TPMS
Сензор за камера/изображение	Информация за видимо или инфрачервено изображение	CMOS сензор за изображение	Високоскоростни цифрови изображения	Засичане на ленти, разпознаване на обекти, панорамен изглед
Радарен сензор	Разстояние, относителна скорост, ъгъл	RF/mmWave отразяване и обработка на сигнал	Цифрови данни за обекти	Адаптивен круиз контрол, откритие на мъртва точка
Ултразвуков сензор	Кратко разстояние	Пиезоелектричен ултразвуков метод на измерване на времето на полет	Пулс/ехо вътрешен или обработен цифров изход	Асистенция при паркиране
LiDAR сензор	Разстояние и информация за 3D сцена	Оптичен метод на времето на полет или свързана техника за измерване на разстояние	Цифрово измерване на разстояние или данни за облак от точки	ADAS и възприятие за автоматично шофиране
Сензор за дъжд/светлина	Дъжд и околна светлина	Оптично отразяване и фотодетекция	Аналогова или цифрова/модулна комуникация	Автоматични чистачки и фарове
Сензор за влажност	Относителна влажност	Капацитивно усетяване на влажност	Аналогово или цифрово	HVAC, откритие на конденз в предното стъкло

Как автомобилните сензори изпращат сигнали до ECU

Изходите от автомобилните сензори варират от директни електрически количества, произведени от сензорен елемент до пълни цифрови съобщения, генерирани от интелигентен сензорен модул. Входът на ECU трябва да съвпада както с електрическия интерфейс, така и с начина на кодиране на измерената стойност.

Изход на сензора	Как работи	ECU интерфейс	Обичайна употреба
Съпротивление	Пасивен сензорен елемент променя съпротивлението в зависимост от измереното състояние	Мрежа за повдигане/базиране на ECU и АЦП	NTC сензори за температура
Ратиометрично аналогово напрежение	Изходното напрежение се променя в съотношение спрямо захранващото напрежение на сензора или референтното напрежение	АЦП, посочено към съответното захранване/референтно напрежение	Сензори за налягане и положение
Честота / пулс	Честота, период на пулса или времеви ръб представляват скорост или положение	Таймер, обхващане или вход за честота	Усетяване на колянов вал, разпределителен вал, скорост на колелото
PWM	Работно цикло или времеви пулс представлява измереното количество	Вход за таймер/обхващане	Позиция, налягане и други кодирани сензори
SENT	Дигиталният интерфейс точка-точка изпраща кодирани данни от сензора до ECU	SENT приемник/декодер	Сензори за налягане, положение, температура и други автомобилни сензори
PSI5	Автомобилен сензорен интерфейс, използващ обичайно комуникация с два проводника с захранване/модулиран ток	PSI5-совместим ECU интерфейс	Свързани с безопасността и разпределени сензори
LIN / CAN комуникация на интелигентен модул	Сензорен модул обработва измервания и предава форматирани мрежови съобщения	LIN или CAN трансивър/контролер	Интелигентни сензорни модули и разпределена автомобилна електроника

Суровият сензорен сигнал е директното или обработено електрическо представяне на измерваната величина, като съпротивление, аналогово напрежение, честота или PWM. За разлика от това, интелигентен сензорен модул може да обработва измерването вътрешно и да предава форматирано съобщение LIN или CAN, съдържащо информация за измерванията, статус и диагностични данни. Съобщението в мрежата следователно не е същото като суровия сигнал на сензорния елемент.

Ключови спецификации на автомобилните сензори, които да проверите

Сензорът трябва да бъде избран както за производителност на измерването, така и за автомобилната обстановка.

Спецификация	Какво да проверите	Защо е важно
Обхват на измерване	Минимална и максимална измерима стойност	Сензорът трябва да покрива целия работен диапазон
Точност	Максимална грешка на измерването	Влияе на точността на управлението и диагностиката
Резолюция	Най-малката откриваема промяна	Важно за прецизни измервания
Линейност	Отклонение на изхода в целия диапазон на измерване	Влияе на точността на преобразуването
Време за реакция	Време, необходимо за реагиране на промяна	Важно за бързи контролни системи
Захранващо напрежение	Необходимо работно напрежение и толеранс	Трябва да съвпада с електрониката на автомобила
Тип на изхода	Аналогов, съпротивление, импулс, PWM, SENT или друг цифров интерфейс	Трябва да съвпада с входа на ECU
Работна температура	Минимална и максимална температура	Автомобилните среди могат да имат широки температурни диапазони
Защита от околната среда	Влажност, прах, течности, химикали, вибрации	Влияе на дългосрочната надеждност
EMC производителност	Устойчивост на електромагнитни смущения	Препятства неправилни показания в електрически шумни среди
Диагностични функции	Отворен веригата, късо съединение, правдоподобност или вътрешна диагностика	Помага за откриване на неизправности в сензора и окабеляването
Квалификация	Приложима автомобилна квалификация на компонентите	Помага за потвърждаване на пригодността за автомобилни среди
Поддръжка на функционална безопасност	Документация за безопасност и диагностична способност, когато е необходимо	Важно за функции, свързани с безопасността

Квалификацията AEC трябва да съответства на действителната категория на компонента. AEC-Q100 обхваща интегрални схеми, докато Автомобилният електронен съвет публикува отделни документи за квалификация за други категории, включително AEC-Q101 за дискретни полупроводници, AEC-Q102 за дискретни оптоелектронни полупроводници, AEC-Q103 за сензорни устройства, AEC-Q104 за модули с множество чипове и AEC-Q200 за пасивни компоненти. Пълен автомобилен сензор или сензорен модул следователно може да съдържа компоненти, покрити от различни изисквания за квалификация.

Квалификацията AEC адресира надеждността на компонента за автомобилната среда; тя не дава автоматично на сензора рейтинг ASIL съгласно ISO 26262. Способността за функционална безопасност, диагностиките, документацията за безопасност и пригодността за концепцията за безопасност на ниво автомобил трябва да бъдат оценявани отделно.

Обcommonни приложения и местоположения на автомобилните сензори

Автомобилните сензори са разположени по целия автомобил в зависимост от системата, която се наблюдава или контролира.

Автомобилна система	Обcommonни сензори	Какво наблюдават
Двигател и задвижваща линия	Температура, налягане, кислород, колянов вал, разпределителен вал	Горене, синхронизация, температура, емисии
Предаване	Скорост, позиция, температура, налягане	Скорост на вал, позиция на предавка, условия на течността
Спиране и шаси	Скорост на колелото, налягане, ускорение, сензори за накланяне	ABS, контрол на стабилността, движение на автомобила
Управление	Сензори за ъгъл на управление, въртящ момент, позиция	Управление и асистиране
EV батерийна система	Напрежение, ток, температура на сензорите	Състояние на батерията, зареждане, защита
Електрически мотор и инвертор	Ток, позиция, температура на сензорите	Управление на мотора и електроника за захранване
ADAS	Радари, камери и изображения, ултразвукови сензори	Обекти, разстояние, скорост, паркиране
Кузов и комфорт	Позиция, температура, дъжд, светлина, заетост на сензорите	Седалки, врати, климатична техника, осветление, функции за комфорт

Автомобилните сензори следователно не са ограничени до двигателя. Електрифицираните превозни средства и системите ADAS използват обширни сензори за измерване на тока, мониторинг на батерии, откриване на позиция, радар и управление, свързано с безопасността.

Как да изберем правилния автомобилен сензор

Започнете с количеството, което трябва да бъде измерено, след това проверете дали изходът на сензора и екологичните рейтинги съвпадат с ECU и системата на автомобила.

Фактор за селекция	Какво да проверите	Примерно решение
Измерено количество	Температура, налягане, позиция, скорост, ток, движение или разстояние	Изберете правилната сензорна технология
Обхват на измерване	Минимална и максимална очаквана стойност	Обхватът на сензора трябва да покрива нормални и проблемни условия
Точност	Максимално допустима грешка в измерването	Прецизното управление изисква по-строга точност
Време за отговор	Как бързо се изменя измерването	Бързите системи се нуждаят от по-бързи сензори
Сензорна технология	Hall, MEMS, резистивни, индуктивни, радарни или друг метод	Изберете в зависимост от приложението
Изходен сигнал	Аналогов, съпротивление, импулс, PWM, SENT, PSI5 или друг интерфейс	Трябва да съвпада с входа на ECU
Захранващо напрежение	Работно напрежение на сензора	Трябва да съвпада с електрическата система
Съвместимост с ECU	Входен обхват, интерфейс, диагностика, мащабиране	Превенция на електрически и софтуерни несъответствия
Работна температура	Очаквана температура на местоположението на сензора	Зоните на двигателя и мощната електроника може да изискват по-широки рейтинги
Среда	Вода, прах, вибрации, масло, гориво, химикали	Опаковката трябва да оцелее в мястото на инсталация
Изискване за EMC	Електрически шум и променлива среда	Важно е близо до двигатели, запалителни системи и мощна електроника
Изискване за безопасност	Необходими диагностики и поддръжка на функционалната безопасност	Важно за спиране, управление и други функции за безопасност
Квалификация	Приложима квалификация с автомобилно качество	Проверете действителната квалификация на частта
Разходи и наличност	Сензор плюс конектор, кабелна инсталация, калибриране и изисквания на ECU	Обмислете общата цена на системата

Пример за селекция на автомобилни сензори на базата на спецификации

Обмислете ECU или автомобилен електронен модул, който се нуждае от аналогово измерване на температурата. Един реален пример е TI TMP235-Q1, AEC-Q100-квалифициран автомобилен аналогов температурен сензор IC.

Проверка на селекцията	TMP235-Q1 Стойност на техническия лист	Съвместимост Проверка
Обхват на измерване / работен обхват	−40°C до +150°C за TMP235-Q1 Клас 0	Трябва да покрива очакваната температура на местоположението на сензора
Преобразувателна функция	Приблизително VOUT = 500 mV + (10 mV/°C × T)	Софтуерът на ECU трябва да използва съвпадащото преобразуване на напрежение в температура
Мащабиране на изхода	10 mV/°C с приблизително 500 mV при 0°C	Около 0.1 V при −40°C и 2.0 V при +150°C
Точност / толеранс	Максимална температурна грешка, специфицирана като ±2.5°C в обхвата −40°C до +150°C	Трябва да задоволи бюджета за грешка в измерването на приложението
Захранващо напрежение	2.3 V до 5.5 V	Захранването на ECU трябва да остане в този обхват
Тип изход	Линеен аналогов напрежение	ECU изисква съвместим вход на ADC
Подредба на пиновете	SOT-23: Пин 1 = VDD, Пин 2 = VOUT, Пин 3 = GND	PCB маршрутизация трябва да съвпада с избраната опаковка
Конектор	Самият IC няма автомобилен конектор	Дистанционен сензорен модул трябва да предостави конектор, който правилно маршрутизира захранването, заземяването и изхода
Квалификация	Квалифициран по AEC-Q100; TMP235-Q1 е Клас 0	Потвърдва автомобилната квалификация на ниво IC за указаната температурна класа
Съвместимост на входа на ECU	Изходът е проектиран да взаимодейства с входовете за проба и задържане на ADC	Обхватът на ADC на ECU трябва да включва целия очакван диапазон на VOUT, с съвместимо заземяване и натоварване

TI специфицира печалба от 10 mV/°C, 500 mV типичен изход при 0°C, диапазон на захранване 2.3–5.5 V, диапазон от −40°C до +150°C Клас 0 и максимална точност ±2.5°C в този целия диапазон. Версията SOT-23 използва пинове VDD, VOUT и GND, а TI посочва, че изходният драйвер е предназначен за свързване на входове за проба и задържане на ADC.

Този пример показва защо селекцията на сензора не може да бъде основана само на обхвата на температурата или опаковката. Преобразувателната функция, мащабиране, точност, захранване, подредба на пиновете, квалификация и характеристики на ADC на ECU трябва всички да съвпадат.

Чести проблеми с автомобилни сензори, тестване и отстраняване на неизправности

DTC, свързан с сензор, не означава автоматично, че самият сензор е отказал. Окабеляване, конектори, захранване, заземяване, референтно напрежение на ECU, замърсяване, механична инсталация, калибриране или друга повреда на автомобила могат да предизвикат същите симптоми.

Проблем или Симптом	Възможна Причина	Препоръчана Проверка
Няма изход от сензор	Липса на захранване, отворена верига, повреден сензор	Проверете захранването, заземяването, окабеляването и изхода от сензора
Сигналът е блокиран на високо ниво	Отворено заземяване, късо съединение към захранване, повреда на сензора	Измерете напрежението на сигнала, референтното и заземителното напрежение
Сигналът е блокиран на ниско ниво	Късо съединение със заземяването, липсващо референтно напрежение	Проверете окабеляването и захранването на сензора
Неправилно измерване	Грешен сензор, грешка в калибрирането, лошо заземяване	Сравнете измерената стойност с действителното физическо състояние
Прекъсващо измерване	Неплътна връзка, счупен проводник, вибрация	Проведете контролирано движение на кабела и инспектирайте терминалите
Шумен сигнал	Лошо заземяване, електромагнитни смущения, повредено екраниране	Инспектирайте заземяването, маршрутизацията и формата на сигнала
Повреда извън диапазона	Сензорът или окабеляването са извън очакваните граници	Сравнете напрежението или цифровите данни с техническите спецификации
Работи на студено, но не успява на горещо	Вътрешна повреда на температурата на сензора или окабеляване	Тествайте, докато следите температурата на сензора
Липса на скоростен сигнал	Прекалено голямо въздушно разстояние, повреден целеви диск, повреда на сензора	Инспектирайте монтажа, разстоянието, целта и формата на сигнала
Неправилно измерване на позицията	Неправилно подравняване, грешно калибриране, повреден сензор	Проверете механичното подравняване и калибрирането на ECU
Неправилно измерване на налягането	Запушен порт, теч, повреден сензор	Проверете действителното налягане и прохода на сензора
Неправилно измерване на температурата	Отворена/късо съединение или неправилна съпротива на сензора	Измерете съпротивлението на сензора или изхода при известна температура
Повреда в цифровата комуникация	Повреда в окабеляването, несъвместим интерфейс, проблем с времето	Проверете захранването, комуникационната линия и конфигурацията на ECU

Основна последователност за тестване на автомобилни сензори

1. Прочетете диагностичните кодове за грешки и данните за живия сензор.

2. Инспектирайте сензора, конектора и окабеляването.

3. Проверете захранващото напрежение на сензора и заземяването.

4. Измерете изхода на сензора с правилния мултимер или осцилоскоп.

5. Сравнете измерването с техническата таблица на сензора или информацията за обслужване на автомобила.

6. Проверете физическото състояние, което се измерва.

7. Инспектирайте окабеляването на ECU и входните вериги, ако изходът на сензора е правилен.

8. Изчистете грешките и потвърдете работата след ремонта.

Не заменяйте сензор само защото идентифициран свързан сензор DTC указва тази верига или измерване. Повредено окабеляване, лоши връзки, неправилно захранване или референтно напрежение, механични проблеми, грешки в калибрирането или непоследователно състояние другаде в системата могат да предизвикат същия диагностичен резултат.

Процедури за тестване по тип сензор

Правилният тест зависи от електрическия дизайн на сензора. Определете типа на сензора и получите правилната схема на окабеляване или информация за обслужване преди да извършите измервания.

Тип сензор	Основна Процедура за Тестове	Какво да Търсите
Две-кабелна термистор	Изключете сензора с деенергизирана верига, измерете съпротивлението и го сравнете с указания график на съпротивление спрямо температурата. След това захранващата верига може да бъде проверена отделно за поведението на ECU по отношение на pull-up/референтното.	Съпротивлението трябва да се променя предсказуемо с температурата и да остава в рамките на спецификацията
Три-кабелни аналогови сензори	Идентифицирайте захранващия/референтния, заземяващия и сигнaлните пинове. С интензивно захранване, проверете първо захранването и заземяването, след това измерете сигнала, докато физическият вход се променя.	Сигналът трябва да следва графичната таблица или функцията на предаване на информация без да надвишава обхвата на входа на ECU
Пасивен скоростен сензор	Потвърдете, че устройството е действително пасивно. За сензор с променлива релуктация, инспектирайте сензора и целта, проверете непрекъснатостта на намотката с деенергизирана верига и наблюдавайте формата на променливия ток с осцилоскоп, докато целта се движи.	Адекватна амплитуда на формата на сигнала, правилно въздушно разстояние, неповредена цел и без отворена намотка
Активен скоростен сензор	Проверете захранването и заземяването, след това наблюдавайте Hall, магнеторезистивния, напреженовия импулс или изхода с модулиран ток, докато колелото или целта се върти.	Правилен шаблон на превключване и стабилна амплитуда/време на сигнала
Цифров сензор	Проверете захранването и земята, идентифицирайте интерфейса като SENT, PSI5, LIN или CAN, и инспектирайте комуникационната вълна и декодирани данни с подходяща диагностична апаратура.	Валидни рамки/съобщения, коректно време, правдоподобни измервания и без комуникационни грешки

Не извършвайте измервания на съпротивление в захранвана верига. Омметърът осигурява собствен тестов ток и може да дава неправилни показания или да повреди електроника, когато е налице външно напрежение.

Не разглеждайте небрежно вериги за въздушни възглавници, преднапрягачи или други пиротехнически вериги. Следвайте безопасността и диагностичните процедури на производителя на превозното средство и използвайте само одобрени тестови методи за вериги на системите за допълнително сдържане.

Не заменяйте или премествате сензори на ADAS без да проверите изискванията за калибриране. Камера, радар, LiDAR, управление, височина на возене и свързаните системи може да изискват статично или динамично калибриране, инициализация или повторно обучение след замяна или механична настройка.

Заключение

Автомобилните сензори предоставят на ECU данните, необходими за мониторинг и контрол на системите за задвижване, шаси, безопасност, акумулатор, ADAS и корпус. Изборът на подходящ сензор изисква съвпадение на диапазона на измерване, точността, времето за реакция, изходния сигнал, интерфейса с ECU, температурния диапазон, защитата от околната среда, квалификацията и изискванията за безопасност. Когато възникнат аварии, сензорът, окабеляването, съединителите, захранването, заземяването, изходният сигнал и действителното измерено състояние трябва всички да бъдат проверени преди замяна на сензора.