光电传感器在汽车工程中的应用及发展趋势

引言

在汽车产业向 “新四化” 加速迈进的背景下，车辆对环境感知、精准控制的需求呈指数级增长。光电传感器凭借非接触测量、高灵敏度等特性，成为实现汽车智能化、安全化的核心元件。从自动驾驶的环境感知到新能源汽车的电池管理，光电传感器贯穿汽车工程全链条。

一、光电传感器概述

1.1 工作原理与分类

光电传感器基于光电效应实现信号转换，当光照射到特定半导体材料时，子吸收光子能量产生电子 - 空穴对，进而转化为电信号，实现光信号到电信号的转换。基于此原理，光电传感器可分为红外传感器、激光传感器和光纤传感器等类型。红外传感器通过发射与接收红外光，检测物体的存在、距离和温度，因其成本低、抗干扰能力强，常用于车内手势识别、自动门感应等场景。激光传感器利用激光束反射原理，能够精确测量目标物体的距离和位置，在自动驾驶的环境感知系统中，激光雷达通过发射激光并接收反射信号，构建高精度的三维环境地图。

1.2 技术特性与优势

光电传感器具备非接触测量、高灵敏度和快速响应等显著特性。非接触测量避免了传感器与被测对象的直接接触，有效减少磨损，延长使用寿命，同时降低了对被测物体的干扰，适用于汽车发动机转速检测等动态测量场景；高灵敏度使其能够捕捉微小的光信号变化，在雨量感应雨刷系统中，光电雨量传感器可精确感知雨滴大小与密度，自动调节雨刷速度；快速响应特性则确保传感器在瞬间变化的环境中及时输出信号，如在汽车防碰撞系统中，激光传感器能在毫秒级时间内检测到前方障碍物，为车辆制动争取宝贵时间。

二、光电传感器在汽车工程中的应用场景

2.1 安全系统应用

在汽车安全系统中，光电传感器是保障行车安全的核心部件。激光雷达作为自动驾驶的 “眼睛”，通过发射激光束并接收反射信号，可实时构建高精度三维环境地图，精确识别前方车辆、行人、障碍物的位置、距离与速度，为自动紧急制动（AEB）和自适应巡航（ACC）系统提供关键数据支持。当检测到潜在碰撞风险时，系统能迅速计算制动距离与力度，及时触发制动装置，避免或减轻事故伤害。红外传感器常用于车内驾驶员状态监测，通过捕捉驾驶员的面部特征、眼部活动及肢体动作，判断其是否处于疲劳或分心状态，一旦检测到异常，系统立即发出警报，预防因人为因素导致的交通事故。

2.2 舒适与便捷系统应用

光电传感器为汽车打造舒适便捷的驾乘体验提供了技术支持。光线传感器是车内智能照明系统的核心元件，它能够实时感知外界光线强度，自动调节车内仪表盘、氛围灯以及前照灯的亮度。在白天光线充足时，自动降低灯光亮度以节省能源；进入隧道或夜间行驶时，迅速增强照明，确保驾驶员视野清晰，同时营造舒适的车内环境。光电雨量传感器则安装于挡风玻璃内侧，通过发射红外光并检测反射光强度，精准判断雨滴大小和雨量密度，自动控制雨刷的刮刷频率，使驾驶员无需手动调节，专注于驾驶。

2.3 动力与传动系统应用

在汽车动力与传动系统中，光电传感器助力实现精准控制与高效运行。光电编码器作为发动机转速检测的关键部件，通过光电转换原理将发动机曲轴或凸轮轴的机械转动转化为电脉冲信号，为发动机管理系统（EMS）提供精确的转速数据，帮助系统优化燃油喷射和点火 timing，提升发动机动力性能与燃油经济性。在变速器中，光电传感器用于监测齿轮位置和转速，确保换挡过程的平顺性和准确性。当车辆换挡时，传感器实时反馈齿轮状态，减少换挡冲击，延长变速器使用寿命。

三、光电传感器在汽车工程中的发展趋势

3.1 技术创新趋势

微型化、集成化和智能化是光电传感器的未来发展趋势。微型化是采用光刻、蚀刻等半导体微纳制造工艺缩小光电传感器尺寸，可以使其适合于安放在汽车空间狭小的位置，例如可以利用激光测距的光电传感器技术，将其集成安装于汽车车门把手、后视镜、车窗控制等装置内部，可实现无人驾驶和无钥匙进入的创新应用。集成化是将多种不同类型的功能集成于一个光电传感器芯片，减小尺寸和成本的同时可以增加数据的集成与计算能力。智能化是光电传感器进步的重要技术发展应用方向，利用人工智能的算法进行自我学习与自我调整，例如自动驾驶的激光雷达结合人工智能进行算法深度学习，可自动识别复杂的道路交通状况，包括对复杂交通标识标牌、异形障碍物的识别。

3.2 应用拓展趋势

随着汽车向着电气化、网联化、智能化转型，光电传感器的使用场景范围在不断扩大。在自动驾驶上，具有高空间分辨率、长探测距离等优点的激光雷达是L3 级以上自动驾驶不可或缺的感知元件，后期固态激光雷达因缺少机械旋转部件，更小的体积，更低的成本，必将快速普及，促进自动驾驶的商业化应用落地。多传感器融合的趋势加强，激光雷达将与摄像头和毫米波雷达互相配合使用，以弥补单一传感器的感知漏洞，提升环境感知精度和可靠性。在新能源汽车上，新型光电传感器将会在电池的安全以及电池热管理等方面有更进一步的发展。光纤传感器不仅可以感知电池的温度情况，还可以通过光谱分析实时获得电池内部化学反应的变化情况，实时监控电池的热失控风险。柔性光电传感器可以粘贴于电池表面，并且可以感知电池的变形状态，并能够高精度地判断和报告电池组在极端情况下被扭曲的危险。在智能座舱上，光电传感器将进一步延伸出对驾驶员健康管理的方向，可通过对驾驶员手部等部位发射红外光，实时获取驾驶员的心率、血氧等健康状况，实现主动健康关怀的驾舱场景。

3.3 产业协同趋势

传感器的光电技术应用需要实现产、学、研的深度融合和产业链的上、下游协同合作。高等院校和科研院所的研究重心在于新兴材料、关键算法等尖端领域的研究，为光电技术产业创新提供强有力的技术支撑，人工智能算法在传感中进行数据分析，取得更高级的智能化程度。企业扮演者科研成果转化和技术生产的角色，同时与科研院所开展合作，加快从科研到产品的转化速度。产业链上下游之间需要芯片设计、传感器研发厂商加强合作，做到从芯片的构架到封装技术等各个方面的设计优化，有效降低传感器的功耗水平，给产品降低成本。汽车行业和零部件供应商签订长期的商业合作关系，制定有关传感器的技术方案、测试规范等标准，提升产品与整车系统的匹配性。

结语

光电传感器已深度融入汽车工程各环节，在保障行车安全、提升驾乘体验、优化动力性能等方面发挥关键作用。尽管当前面临技术瓶颈、成本压力与产业协同难题，但随着技术创新加速、应用场景拓展及产业链完善，其将朝着更智能、高效、国产化方向发展，持续赋能汽车产业新四化转型，成为推动行业变革的核心力量。

参考文献

[1] 祁 建 忠 . 光 电 传 感 器 在 汽 车 工 程 中 的 应 用 及 发 展 趋 势 [J]. 汽 车 画刊,2024,(01):42-44.

[2] 余晶 . 光电 传感 器在 汽车 工程 中的 应用 及发 展趋 势[J]. 汽车 测试 报告,2023,(16):149-151.