降低柴油發(fā)動機排放的傳感器技術

降低柴油發(fā)動機排放的傳感器技術

　減少二氧化碳排放是當今汽車領域最熱門的話題。歐盟委員會最近宣布到2012年獲得更安全更環(huán)保汽車的路線圖。汽車消費者購買方式中的明顯變化也證實，消費者想要能滿足自己個人與專業(yè)需求的有最高燃料效能汽車。通過混合燃料技術等進展，汽車制造商正在推出降低二氧化碳排放的新款汽車。另外還有一些技術也致力于這一目標，如Blue Motion、Econetic和Efficient Dynamics。

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

　　為使這些排放更清潔，汽車制造商建立了柴油微粒過濾器（diesel particulate filters，DPF）。自1980年以來，這些過濾器已用于越野車，從1996年起用于某些普通汽車?，F(xiàn)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，最終會飽和，需要清洗和再生。作這種維護時需要將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）會暫時延緩噴油，并限制吸氣。這時傳感器就成為關鍵的控制元件：通過用壓力傳感器測量過濾器上的壓降，就可以確定開始再生過程的最有效時點。

　　接口實現(xiàn)

　　以柴油過濾模塊為例，我們在 DPF中安裝了一個采用傳統(tǒng)壓敏電阻元件的壓差傳感器。這個傳感器檢查一個較小的壓力范圍，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，構成一個阻性Wheatstone橋式電路。這個接口可將電阻的小變化電壓（通常是數(shù)毫伏）轉換為相當大的輸出電壓變動。采用這種結構，電路就能夠比較過濾器前、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，接口會探測到在過濾器前、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。這個過程可以使傳感器接口控制檢測元件與ECU之間的通信，保證過濾器的連續(xù)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(shù)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(shù)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(jié)，我們增加了一個粗略的補償校正，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。在考慮溫度問題時，傳感器接口也可以連接到內(nèi)部或外部溫度傳感器。

　　不過，如果應用中傳感器周圍溫度與接口周圍溫度不同，則最好只用一個外接溫度傳感器。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獨有性質是它能夠在低輸出電平和高輸出電平時實現(xiàn)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可接受范圍內(nèi)。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應用。當它檢測到內(nèi)、外故障時，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。這款專用接口IC能夠通過實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外殼內(nèi)，只有應用管腳連接到模塊的外面。沒必要增加其它的通信線，因為輸出腳既可以作模擬輸出腳，也可以作通信腳。通過短路檢測，IC就知道用戶正在請求管腳用于通信。為確保在短路時內(nèi)存參數(shù)不會發(fā)生變化，這個檢測基于一種特定的時序動作。此外，接口芯片包含一個鎖定EEPROM的選項，以避免意外地改變已校準的器件。實際上，通過采用接口的輸出，我們可以與芯片通信，用用戶定義的特性校正EEPROM中的參數(shù)。

　　現(xiàn)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(shù)百件樣品。

　　結束語

　　傳感器接口在汽車中無處不在。它們將傳感器信號轉換為可讀的格式，并同時過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(tǒng)（commonrail）、懸掛和變速系統(tǒng)以及HVAC應用、噴油噴汽系統(tǒng)、發(fā)動機控制、剎車防抱死系統(tǒng)，以及汽車的很多其它地方發(fā)現(xiàn)各種類型的傳感器。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，能夠促進將這些不可替代的產(chǎn)品用于越來越多應用中。