傳感器技術(shù)：讓柴油發(fā)動(dòng)機更環(huán)保的秘密

減少二氧化碳排放是當今汽車(chē)領(lǐng)域最熱門(mén)的話(huà)題。歐盟委員會(huì )最近宣布到2012年獲得更安全更環(huán)保汽車(chē)的路線(xiàn)圖。汽車(chē)消費者購買(mǎi)方式中的明顯變化也證實(shí)，消費者想要能滿(mǎn)足自己個(gè)人與專(zhuān)業(yè)需求的有最高燃料效能汽車(chē)。通過(guò)混合燃料技術(shù)等進(jìn)展，汽車(chē)制造商正在推出降低二氧化碳排放的新款汽車(chē)。另外還有一些技術(shù)也致力于這一目標，如Blue Motion、Econetic和Efficient Dynamics。

柴油發(fā)動(dòng)機的污染率高于汽油動(dòng)力汽車(chē)，這也是一個(gè)事實(shí)。尤其是，柴油微粒對人體有傷害，會(huì )造成肺部不適、癌癥和心臟疾病。老式柴油發(fā)動(dòng)機會(huì )排放出較大可見(jiàn)微粒，像黑煙一樣，而新型發(fā)動(dòng)機排放的微粒一般很小，無(wú)法用肉眼看到。

為使這些排放更清潔，汽車(chē)制造商建立了柴油微粒過(guò)濾器（diesel particulate filters，DPF）。自1980年以來(lái)，這些過(guò)濾器已用于越野車(chē)，從1996年起用于某些普通汽車(chē)?，F在DPF可以捕獲低至2.5微米的柴油煤煙微粒，因此將微粒排放從60%降低到7%。DPF采用多孔陶瓷材料，最終會(huì )飽和，需要清洗和再生。作這種維護時(shí)需要將DPF加熱到+600℃以上的排氣溫度。為了達到這種高于正常的溫度，ECU（電控單元）會(huì )暫時(shí)延緩噴油，并限制吸氣。這時(shí)傳感器就成為關(guān)鍵的控制元件：通過(guò)用壓力傳感器測量過(guò)濾器上的壓降，就可以確定開(kāi)始再生過(guò)程的最有效時(shí)點(diǎn)。

接口實(shí)現

以柴油過(guò)濾模塊為例，我們在DPF中安裝了一個(gè)采用傳統壓敏電阻元件的壓差傳感器。這個(gè)傳感器檢查一個(gè)較小的壓力范圍，一般為0至15psi。一只傳感器接口IC（如Melexis公司的MLC90320 CMOS模擬傳感器接口）連接在傳感器的輸出端，構成一個(gè)阻性Wheatstone橋式電路。這個(gè)接口可將電阻的小變化電壓（通常是數毫伏）轉換為相當大的輸出電壓變動(dòng)。采用這種結構，電路就能夠比較過(guò)濾器前、后的壓力信號（圖1）。接口芯片對傳感器的信號作放大和校正，將其變換為ECU能夠識別的值。當DPF飽和時(shí)，接口會(huì )探測到在過(guò)濾器前、后的信號之間有一較大的壓力差。接口IC對這一差值作放大和補償，傳給ECU。這個(gè)過(guò)程可以使傳感器接口控制檢測元件與ECU之間的通信，保證過(guò)濾器的連續正常工作。

傳感器接口

在上述例子中，壓敏電阻檢測元件連接到傳感器接口的輸入端，它對信號作增益與偏移的補償，以確定有經(jīng)過(guò)良好校準的輸出信號。此外，在不同的粗調階段采用3位和10位數模轉換器（DAC），這種特殊接口的輸出架構中采用了另外一片10位DAC，能夠對輸出變化范圍作精確的校準（圖2）。

設備的架構可以容易地檢測出數毫伏的傳感器輸出，并獲得4V的精準輸出范圍。為確保接口芯片的順利補償調節，我們增加了一個(gè)粗略的補償校正，用于補償檢測元件的大偏移變化，并使用了可調的10位補償。在考慮溫度問(wèn)題時(shí)，傳感器接口也可以連接到內部或外部溫度傳感器。

不過(guò)，如果應用中傳感器周?chē)鷾囟扰c接口周?chē)鷾囟炔煌?，則最好只用一個(gè)外接溫度傳感器。將外接電阻連接到用于調整偏置和增益的溫度鏈上，接口就可以在必要時(shí)完成精確的10位溫度測量（圖3）。這樣可以將外接溫度傳感器盡量靠近壓力傳感器安裝。

可編程箝位

傳感器接口的另一個(gè)獨有性質(zhì)是它能夠在低輸出電平和高輸出電平時(shí)實(shí)現可編程箝位。箝位可確保傳感器探測最低和最高輸出電平的能力，并且ECU能夠檢查出傳感器的輸出是否在一個(gè)可接受范圍內。此外，我們例子中的傳感器接口還集成了故障檢測，因此適用于一系列汽車(chē)應用。當它檢測到內、外故障時(shí)，用此器件就能夠探測出檢測元件的不良連接。

如果芯片從傳感器收到一個(gè)不正確的輸入電平，如低于1.5V或高于3.5V，則可能有對地或電源的短路，IC將產(chǎn)生一個(gè)超出箝位電平范圍的輸出電平。ECU從而檢測出了該事件。這款專(zhuān)用接口IC能夠通過(guò)實(shí)際連接器對傳感器接口作編程。包含檢測元件和接口的模塊被裝在一個(gè)外殼內，只有應用管腳連接到模塊的外面。沒(méi)必要增加其它的通信線(xiàn)，因為輸出腳既可以作模擬輸出腳，也可以作通信腳。通過(guò)短路檢測，IC就知道用戶(hù)正在請求管腳用于通信。為確保在短路時(shí)內存參數不會(huì )發(fā)生變化，這個(gè)檢測基于一種特定的時(shí)序動(dòng)作。此外，接口芯片包含一個(gè)鎖定EEPROM的選項，以避免意外地改變已校準的器件。實(shí)際上，通過(guò)采用接口的輸出，我們可以與芯片通信，用用戶(hù)定義的特性校正EEPROM中的參數。

現有用于校準接口的評估板。這些板包括了與接口通信所需全部硬件、伴隨軟件，以及生產(chǎn)軟件。生產(chǎn)軟件可以控制所有必需的生產(chǎn)設備，并與設備通信，以快速校準數百件樣品。

結束語(yǔ)

傳感器接口在汽車(chē)中無(wú)處不在。它們將傳感器信號轉換為可讀的格式，并同時(shí)過(guò)濾掉干擾性外部成份，以確保發(fā)送準確的信息。我們可在共軌系統（common rail）、懸掛和變速系統以及HVAC應用、噴油噴汽系統、發(fā)動(dòng)機控制、剎車(chē)防抱死系統，以及汽車(chē)的很多其它地方發(fā)現各種類(lèi)型的傳感器。它們應用如此廣泛，人們幾乎可以它們忘掉。了解它們的性能，能夠促進(jìn)將這些不可替代的產(chǎn)品用于越來(lái)越多應用中。