传感器和仪表元器件的现状与发展分析
传感器和仪表元器件是仪器仪表与自动化系统最基础元器件之一。传感器和仪表元器件具有服务面广、品种繁多、需求量大等特点，其技术水平和产品质量的提高，将为我国制造业信息化奠定基础。　
现状与问题
我国传感器和仪器仪表的技术和产品，经过发展，有了较大的提高。全国已经有1600多家企事业单位从事传感器和仪表元器件的研制、开发、生产。但与国外相比，我国传感器和仪表元器件的产品品种和质量水平，尚不能满足国内市场的需求，总体水平还处于国外上世纪90年代初期的水平。
存在的主要问题有：
（1）科技创新差，核心制造技术严重滞后于国外，拥有自主知识产权的产品少，品种不全，产品技术水平与国外相差15年左右。
（2）投资强度偏低，科研设备和生产工艺装备落后，成果水平低，产品质量。
（3）科技与生产脱节，影响科研成果的转化，综合实力较低，产业发展后劲不足。
战略目标，到2020年，传感器及仪表元件领域应争取实现三大战略目标：
以工业控制、汽车、通讯、环保为重点服务领域，以传感器、弹性元件、光学元件、专用电路为重点对象，发展具有自主知识产权的原创性技术和产品；
以mems工艺为基础，以集成化、智能化和网络化技术为依托，加强制造工艺和新型传感器和仪表元器件的开发，使主导产品达到和接近国外同类产品的先进水平；
以增加品种、提高质量和经济效益为主要目标，加速产业化，使国产传感器和仪表元器件的品种占有率达到70%-80%，高档产品达60%以上。
发展重点
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传感器技术
（1）mems工艺和新一代固态传感器微结构制造工艺：深反应离子刻蚀（drie）工艺或igp工艺；封装工艺：如常温键合倒装焊接、无应力微薄结构封装、多芯片组装工艺；新型传感器：如用微硅电容传感器、微硅质量流量传感器、航空航天用动态传感器、微传感器，汽车专用压力、加速度传感器，环保用微化学传感器等。
（2）集成工艺和多变量复合传感器微结构集成制造工艺；工业控制用多变量复合传感器，如：压力、静压、温度三变量传感器，气压、风力、温度、湿度四变量传感器，微硅复合应变压力传感器，陈列传感器。
（3）智能化技术与智能传感器信号有线或无线探测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通讯、自诊断等智能化技术；智能多变量传感器，智能电量传感器和各种智能传感器、变送器。
（4）网络化技术和网络化传感器，使传感器具有工业化标准接口和协议功能。
仪表元器件
（1）弹性元件开发和完善新型成型工艺：电沉积成型工艺，焊接成型工艺；重点开发航空、航天用的低刚度、大位移、长寿命的微小型精密波纹管，高温高压阀用波纹管；研制波纹管高效成型工艺设备和性能检测仪器。
（2）光学元件开发先进工艺：非球面光学元件设计、制造技术、光学多层测射镀膜技术和新型离子辅助镀膜技术。开发光纤通讯和数字成像用新型光学元件，如：微型变密度滤光片、超窄带滤光片，微透镜阵列、大面积偏振元件、非球面玻-塑混合透镜。
（3）专用电路提高专用电路集成度和个性化服务的设计技术和制造工艺；应用软件固化技术，开发适合智能化、网络化传感器和仪表的信号变换、补偿、线性化、通讯、网络接口等专用电路。
汽车发动机在运行中，各系统会处于不同的工作状态，比如水温、油温、进气压力、节气门位置、等等，这些信息汽车的电脑是无法直接读取的，必须转化为电脑能够识别的电信号。汽车传感器就是执行这样任务的，它把汽车运行中的光、电、温度、压力、时间等信息转化成电信号，然后输入车载电脑系统，然后由电脑中内部预先存储的程序进行计算分析，从而判断汽车的运行状态。
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发动机传感器控制系统是整个汽车传感器的核心，它有包含的种类很多、温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、氧传感器和爆震传感器等。这些传感器向发动机的电子控制单元（ecu）提供发动机工作状况的信息，供ecu对发动机工作状况进行精确计算控制，以提高发动机的动力性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测。
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由于发动机是在高温下工作(发动机表面温度可达150℃、排气歧管可达650℃)、振动(加速度30g)、冲击(加速度50g)、潮湿(100％rh，-40℃-
线绕电阻式温度传感器的精度高，但响应特性差；热敏电阻式温度传感器灵敏度高，响应特性较好，但线性差，适应温度较低；热偶电阻式温度传感器的精度高，测量温度范围宽，但需要配合放大器和冷端处理一起使用。
已实用化的产品有热敏电阻式温度传感器(通用型-50℃~130℃，精度1.5％，响应时间10ms；高温型600℃~1000℃，精度5％，响应时间10ms)、铁氧体式温度传感器(on/off型，-40℃~
进气歧管压力传感器（map）的作用是检测进气歧管的真空度，并将压力信号转变成电子信号输送给发动机控制电脑，是控制喷油脉冲宽度和点火正时的主要参考信号分为半导体压敏电阻式和电容式进气歧管压力传感器两种。
进气歧管压力传感器发生故障，发动机会启动困难，性能失常，加速性变差，怠速不稳，油耗大、加速不稳，加速时回火、放炮，油耗大，爆燃等故障现象。
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机油压力传感器用来检测发动机机油压力，在压力不够的情况下发出报警信号。机油压力不够的时候仪表盘上的机油灯会亮。一般有两个，在主油道上一个，在缸盖上一个。
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流量传感器
流量传感器主要用于发动机空气流量和燃料流量的测量。空气流量传感器的作用是将单位时间内吸入发动机气缸的空气量转换成电信号送至发动机控制模块（ecu），是决定喷油量和点火正时的基本信号之一，用于发动机控制系统确定燃烧条件、控制空燃比、启动、点火等。
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空气流量传感器有旋转翼片式（叶片式）、卡门涡旋式、热线式、热膜式等四种类型。
旋转翼片式（叶片式）空气流量计结构简单，测量精度较低，测得的空气流量需要进行温度补偿；
卡门涡旋式空气流量计无可动部件，反映灵敏，精度较高，也需要进行温度补偿；
热线式空气流量计测量精度高，无需温度补偿，但易受气体脉动的影响，易断丝；
热膜式空气流量计和热线式空气流量计测量原理一样，但体积少，适合大批量生产，成本低。
空气流量传感器的主要技术指标为：工作范围0.11~103立方米/min，工作温度-40℃
位置和转速传感器
位置和转速传感器主要用于检测曲轴转角、发动机转速、节气门的开度、车速等。目前汽车上使用的位置和转速传感器主要有交流发电机式、磁阻式、霍尔效应式、簧片开关式、光学式、半导体磁性晶体管式等，其测量范围0 ~360，精度0．5以下，测弯曲角达0．1。
曲轴位置传感器是发动机集中控制系统中最主要的传感器之一，是确认曲轴转角位置和发动机转速不可或缺的信号源，发动机控制模块（ecu）用此信号控制燃油喷射量、喷油正时、点火时刻(点火提前角)、点火线圈充电闭合角、怠速转速和电动汽油泵的运行。
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根据信号形成的原理分类，曲轴位置传感器（ckp）又可分为电磁式、光电式和霍尔效应式三大类。
当曲轴位置传感器发生故障后，会出现发动机不能启动，加速不良，怠速不稳，间歇性熄火等故障现象。
凸轮轴位置传感器用来检测凸轮轴的转角位置，发动机控制模块（ecu）用此信号确定发动机的缸序，用以控制喷油顺序、点火顺序当凸轮轴位置传感器发生故障后，发动机的输出功率会降低。
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节气门开度传感器用来检测节气门的开度和开关的速率，并把该信号转变为电压信号送给发动机的控制电脑，作为控制喷油脉冲宽度、点火正时、怠速转速、尾气排放的主要修正信号，同时也是空气流量传感器或进气歧管压力传感器的辅助信号。
节气门位置传感器是一个可变电阻，大多数节气门位置传感器包含与节气门轴相联的滑动触点臂，该触点臂绕在可动触点的轴所设置的电阻材料上滑动。
模拟式节气门位置传感器是一个三线传感器。其中一线从电脑电源引来的5v电压对传感器电阻材料供电，另一线连接电阻材料的另一端为传感器提供（负极）接地。第三根线连至传感器的可动触点上，提供信号输出至（ecu）电脑，电阻材料上每点的电压，由可动触点来探测，并与节气门角度成正比。
开关式节气门位置传感器是由两个开关触点构成一个旋转开关，一个常闭触点构成怠速开关，节气门处在怠速位置时，它位于闭合状态，将发动机控制电脑的怠速输入信号端子接地搭铁，发动机控制电脑接到这个信号后，即可使发动机进入怠速闭环控制，或者控制发动机在（倒拖）状态时停止喷射燃油，另一个常开触点节气门开度达到全负荷状态时，将发动机控制电脑的全负荷输入信号端接地搭铁。发动机控制电脑接到这个信号后，即可使发动机进入全负荷加浓控制状态。
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节气门是一个很重要的传感器，因为电脑用它的信号来计算发动机负荷、点火时间、排气再循环控制、怠速控制。一个坏的节气门体位置传感器会引起加速滞后和怠速不稳等问题，以及驾驶性能问题及排放试验失败等。
如果节气门传感器发生故障；发动机启动困难，怠速不稳，发动机性能不良，易熄火，减速时负载变化时会有颠簸。
氧传感器
传感器的结构和原理发动机的空燃比一旦偏离理论空燃比，三元催化剂对co、hc和nox的净化能力将急剧下降。所以为了使装有三元催化转换装置的发动机达到最佳的排气净化性能，必须把混合气的空燃比控制在理论空燃比附近很窄的范围内。
氧传感器用于检测进入三元催化转换装置的排气气体状态，是使用三元催化转换装置发动机上必不可少的传感器。目前已在汽车上使用的氧传感器有氧化锆式和氧化钛式两种。
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氧化锆式氧传感器的基本元件是专用陶瓷体，即氧化锆固体电解质，陶瓷体制成管状(锆管)，固定在带有安装螺纹的固定套中。锆管表面装有透气铂电极，配有护管及电线接头，其内表面与大气相通，外表面与废气相通，外表面还加装了一个防护套管，套管上开有通气槽。锆管的陶瓷体是多孔的，允许氧渗入该固体电解质内，温度较高时(高于300℃)，氧气发生电离，如果在陶瓷体内(大气)外(废气)测的氧气浓度不同时，就会在2个铂电极表面产生电压降，含氧量高的一侧为高电位。当混合气稀时，排气中含氧多，两侧浓度差小，只产生小的电压；反之，混合气浓时，产生高电压。根据所测电压值就可测量氧传感器外表面氧气含量，而发动机废气排放中的氧含量主要取决于混合气的空燃比，因此，ecu根据氧传感器输入的电信号分析汽油的燃烧状况，以便及时修正喷油量，使空燃比处于理想状况，即λ=1，所以这种传感器又称为λ传感器。
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氧传感器一般有单线、双线、三线、四线4种引线形式。单线为氧化锆式氧传感器；双线为氧化钛式氧传感器；三线和四线为氧化锆式氧传感器。
三线和四线的区别：三线氧传感器的加热器负极和信号输出负极共用一根线，四线氧传感器的加热器负极和信号负极分别各用一根线。
爆震传感器
爆震传感器是指燃烧室内的终然混合气所产生自燃的不正常现象,由于爆震会产生高强度的压力波冲击燃烧室,所以不仅能听到尖锐的金属声。还会对发动机的部件产生较大的影响。点火时间过早是产生爆震的的主要原因。为了使发动机以最大功率运行。最好能把点火时间提前到发动机刚好不至于发生爆震的极限范围,所以必须在点火系统中增设爆震传感器。
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爆震传感器用来检测发动机的燃烧过程中是否发生爆震，并把爆震信号输送给发动机控制电脑作为修正点火提前角的重要参考信号
常见的爆震传感器有两种，一种是磁致伸缩式爆震传感器，另一种是压电式爆震传感器。
常见的爆震传感器主要是压电式,它安装在发动机的缸体上,这种传感器利用结晶体或者陶瓷多晶体的压电效应。也可利用掺杂硅的压电电阻效应等。传感器的外壳内装有压电元件/配重块及导线等。其原理是：当发动机的气缸体出现振动传递到传感器外壳时，外壳与配重块之间产生相对运动。使夹在中间的压电元件及配重块产生挤压发生变化，使其输出的电压信号发生变化，而控制组件仅能检测出7khz振动而形成的电压。根据此电压的大小来判断爆震强度。进而相应地把点火时间推迟，以避免爆震。
磁致伸缩式爆震传感器的外形与结构，其内部有永久磁铁、靠永久磁铁激磁的强磁性铁心以及铁心周围的线圈。其工作原理是：当发动机的气缸体出现振动时，该传感器在7khz左右处与发动机产生共振，强磁性材料铁心的导磁率发生变化，致使永久磁铁穿过铁心的磁通密度也变化，从而在铁心周围的绕组中产生感应电动势，并将这一电信号输入ecu。
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爆震传感器有非共振型和共振型压两种，一般安装在2缸和3缸之间，或者1，2缸中间一个，3，4缸中间一个。一般的爆震传感器的连接线上都用屏蔽线包裹的。
当爆震传感器发生故障时，发动机会爆燃，点火正时失准，高油耗，功率降低，发动机工作粗暴
当然，发动机上的传感器还有很多，它就像我们的眼睛、耳朵、鼻子、皮肤，把看到的、听到的、闻到的、感觉到的信息，统统转化成电信号，传递给汽车的计算机系统，让发动机做出正确的判断，辅助驾驶员更好的驾驶车辆。随着技术的进步与发展，发动机上的传感器必将越来越多，也越来越智能化。