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车辆行驶状态传感器是用来感知车辆速度、转向、加速、减速等运动状态的传感器，如加速度传感器、车轮转速传感器等。
1.定义及分类
传感器是能感受被测量，并按一定的规律将被测量转换成输出信号的器件或装置。它通常由敏感元件和转换元件组成。有时也将信号调节与信号处理电路及信号处理软件系统作为传感器的组成部分。
传感器的分类方式汇总见表3-1。
2.传感器测量的基本原理
以下按传感器的工作原理分类介绍其基本原理。
（1）变阻器式传感器
变阻器式传感器利用金属导线电阻或薄膜电阻的长度与电阻值的正比对应关系实现对位置的测量，这是典型的结构型传感器，主要用于测量位移，在汽车上常见的应用为加速踏板和制动踏板电位计、节气门位置传感器等。变阻器式传感器示意图如图3-1所示。位移计算公式为
图3-1 变阻器式传感器示意图 [1]
式中 E ——电路总电压；
L ——电路中电阻的总长度；
E 1 ——测量电路中的电压；
x ——接入测量电路的电阻长度，即测量位移。
表3-1 传感器的分类方式汇总 [1]
（2）电容式传感器
电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化，主要用于位移的测量。电容式传感器原理示意图如图3-2所示。电容量计算公式为
式中 C ——测量传感器电容量；
A ——电容极板正对面积；
δ ——电容极板之间的间距；
ε 0 ——真空的介电常数；
ε ——极板间介质的介电常数。
（3）电磁感应式传感器
电磁感应式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。它所利用的就是法拉第电磁感应现象，即变化磁通量产生感应电动势的现象。
电磁感应式传感器的结构分类如图3-3所示。
（4）光电式传感器
光电式传感器通常是指能感应到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转换成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。
1）外光电效应：在电磁波的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发向外发射而形成电流。光电池原理示意图如图3-4所示。
图3-2 电容式传感器原理示意图 [1]
图3-3 电磁感应式传感器的结构分类 [1]
2）内光电效应：半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对，使其导电性能增强，光线越强，阻值越低，这种光照后电阻率发生变化的现象称为内光电效应，如光敏电阻。光敏电阻原理示意图如图3-5所示。
图3-4 光电池原理示意图 [1]
图3-5 光敏电阻原理示意图 [1]
（5）霍尔传感器
霍尔传感器是利用霍尔效应原理制成的一种传感器。如图3-6所示，当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象称为霍尔效应，这个电势差称为霍尔电压。其计算公式为
图3-6 霍尔效应原理 [1]
式中 U H ——霍尔电压；
K H ——霍尔系数；
I ——流入霍尔元件的电流；
B ——穿过霍尔元件的磁感应强度；
α ——电流和磁感应强度之间的夹角。
（6）热式空气流量计
热式空气流量计的主要元件是热线电阻，可分为热线式和热膜式两种类型。空气质量流量传感器是一种采用合金薄膜和绝热微桥结构的桥式结构传感器，它可对膜片上方的空气或其他气流的流速变化做出灵敏快速的反应。
热线风速仪的基本原理是将一根细的金属丝放在流体中，通电流加热金属丝，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝称为“热线”。当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。
热式空气流量计的结构与原理如图3-7所示。热线电阻 R H 以铂丝制成， R H 和冷线电阻 R K 均置于空气通道中的取气管内，与 R A 、 R B 共同构成桥式电路。 R H 、 R K 阻值均随温度变化。当空气流经 R H 时，使热线温度发生变化，电阻减小或增大，电桥将失去平衡。若要保持电桥平衡，就必须使流经热线电阻的电流改变，以恢复其温度与阻值，精密电阻 R C 两端的电压也相应变化，并且该电压信号作为热式空气流量计输出的电压信号送往ECU。
图3-7 热式空气流量计的结构与原理 [1]
（7）光纤式陀螺仪
现代光纤式陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体方位的仪器，是现代航空、航海、航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器。光纤式陀螺仪原理图如图3-8所示。
图3-8 光纤式陀螺仪原理图 [1]
光纤式陀螺仪的实现主要基于塞格尼克理论：当光束在一个环形的通道中行进时，若环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动方向行进所需要的时间要比沿着与该通道转动相反的方向行进所需要的时间多。也就是说，当光学环路转动时，在不同的行进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用光程这种变化，检测出两条光路的相位差或干涉条纹的变化，就可以测出光路旋转角速度，这便是光纤式陀螺仪的工作原理。
3.MEMS传感器
MEMS即微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems），是在微电子技术基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA（光刻、电铸和注射）、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。
MEMS传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器，是MEMS器件的一个重要分支。依赖于MEMS技术的传感器主要有以下技术特点：
（1）微型化
体积微小是MEMS器件最为明显的特征，其芯片的尺度基本为纳米或微米级别，而微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。
（2）多样化
MEMS的多样化主要表现在其工艺、应用领域及材料等方面。
（3）集成化
通过MEMS工艺，可以实现对不同功能或感应方向的多个传感器的集成，形成微传感器阵列或微系统。
（4）尺度相应现象
因MEMS芯片尺度的缩小，给原有理论基础带来了较大影响，如力的尺寸效应、微摩擦学、微构造学、微热力学等，都需要更深入的研究。
（5）批量化
MEMS器件与微电子芯片相似，可进行大批量生产且生产成本不高，有利于MEMS产品工业化规模经济的实现。
常见MEMS传感器包括MEMS加速度传感器、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器以及它们的集成产品。MEMS传感器系列产品如图3-9所示。
图3-9 MEMS传感器系列产品 [2]
由于MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗小、成本低、可靠性高、性能优异、功能强大、可以大批量生产等传统传感器无法比拟的优点，因此在航空、航天、汽车、生物医学、环境监测、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS传感器的典型应用见表3-2。
表3-2 MEMS传感器的典型应用 [2]
汽车电子产业被认为是MEMS传感器的第一波低价格大规模量产应用高潮的推动者，其应用方向和市场需求包括车辆的防抱死制动系统（ABS）、电子稳定程序（ESP）、电控悬架（ECS）、电子驻车制动（EPB）、上坡辅助（HAC）、胎压监测系统（TPMS）、发动机防抖和车辆倾角检测等。
过去几年，智能手机的快速增长极大地带动了MEMS市场进一步向低价格化与微型化发展，但随着智能手机市场走向饱和，下一波MEMS产业浪潮将会在智能工业、自动驾驶以及物联网领域展开。
1.应用
加速度传感器在车辆上的应用主要有以下几点：
1）点燃式发动机的爆燃控制。
2）触发乘员保护系统（安全气囊与安全拉紧器）。
3）为ABS或ESP等系统检测汽车加速度。
4）为汽车底盘闭环控制系统测定汽车车身的加速度。
2.结构和工作原理
加速度传感器通过测量施加在惯性质量 m 上的力 F ，从而确定加速度 a 。它们之间的关系为
根据力的测量方式，可以分为位移测量式加速度传感器和压电式（机械应力式）加速度传感器两种。
（1）位移测量式加速度传感器
在偏转式测量系统（图3-10）中，惯性质量 m 与支承体弹性连接，在传感器进行加减速运动时，加速力与系统的弹簧恢复力相平衡。
以 x 表示系统偏转量， c 表示弹性系数，则
通过测量与偏转量 x 相关联的电量 U A ，计算出施加在惯性质量 m 上的力 F M ，便可确定加速度信息。
位置闭环控制测量系统（图3-11）采用补偿原理，与加速度有关的系统偏转可通过等效的恢复力控制。传感器元件是闭环控制回路中的一个组件，恢复力或产生恢复力的参量可作为衡量加速度的一个尺度。通过闭环控制，系统可以非常接近偏转的零点（相当于电流输出量 I A =0），并获得比较高的线性度。
图3-10 偏转式测量系统 [2]
图3-11 位置闭环控制测量系统 [2]
加速度传感器是最早广泛应用的MEMS传感器之一。它通过设计使一个质量块（proof mass）的部件（橙色部件）相对底座（substrate）产生位移。质量块通过锚（anchor）、铰链（hinge）或弹簧（spring）与底座连接。MEMS加速度传感器示意图如图3-12所示。
图3-12 MEMS加速度传感器示意图 [2]
固定板（绿色部分）固定在底座上。当感应到加速度时，质量块相对底座产生位移。通过一些换能技术可以将位移能转换为电能。若采用电容式传感结构，电容大小的变化可以产生电流信号供其信号处理单元采样。通过梳齿结构可以极大地扩大传感面积，提高测量精度，降低信号处理难度。MEMS加速度传感器实物图如图3-13所示。
图3-13 MEMS加速度传感器实物图 [2] （比例尺为1:50000）
（2）压电式加速度传感器
压电式加速度传感器利用压电效应原理，在力 F 的作用下，在装有电极的压电材料表面产生电荷 Q ，其大小与作用力产生的机械应力成正比。横向和切向压电效应是伴随着纵向压电效应出现的。作用在压电材料上的机械应力和产生的电荷间的相互关系可以用张量方程式表示。
如图3-14所示，由两个相反极化的压电陶瓷组成的双压电晶片就是利用横向压电效应测量弯曲量的。在弯曲时，两层复合的压电陶瓷片一片拉伸、一片挤压。两者的分电压 U 1 和 U 2 相加，合成总电压为 U 。
图3-14 压电材料 [2]
a）零加速度状态 b）非零加速度状态
1.应用
横摆角速度传感器在车辆上的应用范围主要有以下三点：
1）用于测量装备有电子稳定程序（ESP）系统的汽车在弯道行驶时或是加速时绕其垂直轴的转动，以对其行驶动态进行调节。
2）用于车辆导航部件中，检测弯道行驶时汽车绕垂直轴的转动，并确定行驶方向，用于推算出车辆当前的位置。
3）用于安全气囊电控单元中的汽车翻滚识别。
2.结构和工作原理
横摆角速度传感器一般选用振动式陀螺测速仪，这种陀螺仪利用弹性振动来达到测量的目的，即利用物体在旋转运动和振动时出现的科氏加速度来测量其转动角速度。科氏加速度示意图如图3-15所示。
图3-15 科氏（Coriolis）加速度示意图 [2]
如图3-15所示，在绕固定轴旋转的非惯性系中，运动的物体存在科氏加速度。参考系相对于惯性系的旋转速度为 Ω z ，物体在该旋转参考系中的速度为 v ，则科氏加速度 a Coriolis 为
振动式陀螺仪通过激振可以周期性地改变振动质量块的振动速度 v ，并使其按照正弦的规律变化：
当旋转速度 Ω z 不变时，可以得到相同频率的科氏加速度。
横摆角速度传感器根据具体结构主要分为微机械转动角速度传感器和压电式音叉转动角速度传感器两种。
（1）微机械转动角速度传感器
微机械转动角速度传感器由激振系统和信号处理系统组成。一个在中心放置的扭振器被梳状结构件静电驱动而产生扭振，利用均匀的电容抽头，可以调节电容使得扭振振幅不变。当传感器芯片绕着汽车垂直轴转动时，产生的科氏加速度会迫使扭振器俯仰，其幅值与转动角速度成正比，放置在扭振器下方的电极就可以检测出俯仰运动时的电容变化，并将其以电信号的形式输出。
在信号处理系统中，由于科氏加速度具有和激振函数相同的频率，因此可以将激振信号与科氏加速度信号相乘，随后再取其均值得到转动角速度这一有用信号。根据锁定放大原理滤除其他频率的干扰信号，同时对有用信号取均值可以消除激振频率对该信号的影响，最终可以得到一个与转动角速度成正比的输出电压：
微机械转动角速度传感器结构示意图如图3-16所示。
（2）压电式音叉转动角速度传感器
如图3-17所示，压电式音叉转动角速度传感器由带4个压电元件（上下各两个）的音叉状钢体和传感器电路组成。音叉长约15mm。在接通电路时，音叉的下部两个压电元件开始振动，并激励音叉上部范围，包括上部的两个压电元件反向振动，振动频率约为2kHz。
图3-16 微机械转动角速度传感器结构示意图 [2]
图3-17 压电式音叉转动角速度传感器 [2]
1—振动体 2—加速度传感器 3—激振用的压电元件 4—等振幅激振控制器 5—电荷放大器 6—倍频器 7—低频滤波器
汽车直线行驶时，在音叉上没有科氏加速度，因为音叉上的压电元件是反向振动，且只与振动方向垂直，所以上部压电元件不产生电压。
弯道行驶时，汽车绕垂直轴的转动引起音叉上部范围偏离振动平面，由此在音叉上部的压电元件产生一个交变电压，并通过传感器外体中的电路到达导航计算机。交变电压幅值不但与转动速度有关，而且与振动速度有关；交变电压的符号与弯道方向有关。
1.应用
车轮转速传感器用于测定汽车车轮转速。通过线束将车轮转速信号传输至汽车上的ABS电控单元、ASR电控单元或ESP电控单元。电控单元分别控制车轮制动压力。控制回路可防止车轮抱死（配备ABS）或防止车轮空转（配备ASR或ESP），并保证汽车的行驶稳定性和可操控性。导航系统同样需要车轮转速信号，以计算汽车行驶路程（如在隧道中或没有卫星信号时）。
2.结构与工作原理
车轮转速传感器利用固定在轮毂上的钢质脉冲轮（用于无源转速传感器）或多极磁环（用于有源转速传感器）产生转速信号。脉冲轮或多极磁环的转速与车轮转速一致，并在车轮转速传感器头部的灵敏部位无接触地转动。根据测量原理，可以分为无源车轮转速传感器和有源车轮转速传感器两类。典型的车轮转速传感器的实物图如图3-18所示。
（1）无源（感应式）车轮转速传感器
如图3-19所示，无源（感应式）车轮转速传感器由永久磁铁1、与永久磁铁相耦合的软磁极柱3和有几千线匝的绕组2组成。软磁极柱3插在绕组2中，从而在传感器周围形成一个均匀的磁场。
图3-18 典型的车轮转速传感器实物图 [2]
图3-19 无源车轮转速传感器原理
1—永久磁铁 2—绕组 3—软磁极柱 4—钢质脉冲轮 5—磁力线
软磁极柱直接位于固定在轮毂上的钢质脉冲轮4对面。当钢质脉冲轮（即车轮）转动时，传感器周围的均匀磁场不断受到钢质脉冲轮的齿和齿隙交替更迭的“干扰”，改变了通过极柱的磁通密度，从而也改变了绕组的磁通密度。磁通密度的变化在绕组中感应出一个交变电压，并从绕组两端输出。无论是交变电压的频率，还是交变电压的幅值，都与车轮转速成正比。车轮在静止状态时，感应电压为零。无源车轮转速传感器输出信号电压如图3-20所示。
（2）有源车轮转速传感器
有源车轮转速传感器的传感元件是霍尔芯片，脉冲轮是一个多极磁环，它是环形的放在非磁性金属支架上的磁极交替塑料元件，如图3-21所示，北极N和南极S充当脉冲轮的齿和齿隙。转速传感器芯片感受磁环上不断交替的磁场变化。在车轮转动，即多极磁环转动时，传感器芯片上的磁通密度不断变化。
也可用钢质脉冲轮替代多极磁环，此时产生均匀磁场的磁铁被放在霍尔芯片上。脉冲轮转动时，传感器周围的均匀磁场受到脉冲轮上齿和齿隙不断更迭的“干扰”。
有源车轮转速传感器的典型特征是将霍尔测量元件、信号放大器和信号处理电路集成在一个芯片上，如图3-21所示。转速信号是以矩形脉冲的形式记忆电流传输的，如图3-22所示。电流脉冲频率与车轮转速成正比，并可检测出几乎到静止状态的车轮转速（如0.1km/h）。
图3-20 无源车轮转速传感器输出信号电压 [2]
a）车轮转速不变时传感器信号 b）车轮转速增加时传感器信号
图3-21 有源车轮转速传感器剖视图 [2]
1—传感元件 2—南北磁极更迭的多极磁环
图3-22 霍尔芯片框图 [2]
有源车轮转速传感器以数字信号方式传输，与无源（感应式）车轮转速传感器的模拟信号传输相比，不受感应干扰电压的影响。霍尔芯片中的信号处理如图3-23所示。
图3-23 霍尔芯片中的信号处理 [2]
a）原始信号 b）输出信号
1.应用
转向盘转角传感器位于转向盘下面，主要用来检测转向盘的中间位置、转动方向、转动角度和转动速度等，并把信号输送给悬架ECU, ECU根据该信号和车速信号判断汽车转向时侧向力的大小和方向，从而控制车身的侧倾。
2.结构和工作原理
较为常见的转向盘转角传感器有光电式和磁阻式两类。
（1）光电式转角位置传感器
如图3-24所示，光电式转角位置传感器的核心是光电耦合器。当转向盘转动时，转向轴带动信号盘旋转，光电耦合器中的发光二极管和光电二极管之间的光束将产生通/断交替的变化，光电二极管进而进行ON/OFF转换，形成与转向轴的转角相对应的数字脉冲信号，ECU根据此信号的变化来判断转向盘的转角与转速。同时，传感器上采用了两组光电耦合器，可根据它们检测到的脉冲信号的相位差（判断哪个光电耦合器首先转变为“ON”状态）来判断转向盘的偏转方向。因为两个遮光器在安装上使它们的ON/OFF变换的相位错开90°，通过判断哪个遮光器首先变为“ON”状态，即可检测出转向轴的偏转方向。例如：转向盘向左转时，左侧光电耦合器总是先于右侧光电耦合器达到“ON”状态；转向盘向右转时，右侧光电耦合器总是先于左侧光电耦合器达到“ON”状态。
图3-24 光电式转角位置传感器安装位置及结构
1、3—转角位置传感器 2—光电耦合器 4—传感器圆盘 5—转向轴 6—光电元件
（2）磁阻式转向盘角度传感器
磁阻式转向盘角度传感器采用各向异性磁阻（Anisotropic Magnetic Resistance, AMR）传感器。例如，30～50nm的NiFe薄膜具有各向异性，即薄膜的电阻在磁场作用下会发生改变，这种形式的电阻结构被称为各向异性磁阻（AMR）元件，如图3-25所示。其电阻值随磁化矢量转角 θ 的变化近似呈余弦型，满足：
式中 β ——电阻的最大可能的变化，变化值约为3%。
磁阻式转向盘角度传感器的具体测量原理如图3-26所示，通过两个磁阻式传感器可以测量转动部分的多次旋转。传感器的转动部分通过大速比的齿轮变速器使两个相应的永久磁铁转动。两个齿轮是由转向轴上的一个齿轮驱动的，并且两个齿轮相差一个齿。由于两个偏置在齿轮周围的小齿轮不同，这样，从两个齿轮的一对角度值就可知道转向盘的每个可能的位置。系统的设计是在转向轴的整个4圈转动中，相位差不超过360°，从而可以保证测量的单值性。
图3-25 AMR基本原理 [2]
1—AMR元件 2—磁铁
图3-26 磁阻式转向盘角度传感器的具体测量原理 [2]
1—转向轴 2—有 n 个齿的齿轮 3—有 m 个齿的齿轮 4—有 m +1个齿的齿轮 5—磁铁 6—测量元件