降低柴油发动机排放的传感器技术

降低柴油发动机排放的传感器技术

　减少二氧化碳排放是当今汽车领域最热门的话题。欧盟委员会最近宣布到2012年获得更安全更环保汽车的路线图。汽车消费者购买方式中的明显变化也证实，消费者想要能满足自己个人与专业需求的有最高燃料效能汽车。通过混合燃料技术等进展，汽车制造商正在推出降低二氧化碳排放的新款汽车。另外还有一些技术也致力于这一目标，如Blue Motion、Econetic和Efficient Dynamics。

　　柴油发动机的污染率高于汽油动力汽车，这也是一个事实。尤其是，柴油微粒对人体有伤害，会造成肺部不适、癌症和心脏疾病。老式柴油发动机会排放出较大可见微粒，像黑烟一样，而新型发动机排放的微粒一般很小，无法用肉眼看到。

　　为使这些排放更清洁，汽车制造商建立了柴油微粒过滤器（diesel particulate filters，DPF）。自1980年以来，这些过滤器已用于越野车，从1996年起用于某些普通汽车。现在DPF可以捕获低至2.5微米的柴油煤烟微粒，因此将微粒排放从60%降低到7%。DPF采用多孔陶瓷材料，最终会饱和，需要清洗和再生。作这种维护时需要将DPF加热到+600℃以上的排气温度。为了达到这种高于正常的温度，ECU（电控单元）会暂时延缓喷油，并限制吸气。这时传感器就成为关键的控制元件：通过用压力传感器测量过滤器上的压降，就可以确定开始再生过程的最有效时点。

　　接口实现

　　以柴油过滤模块为例，我们在 DPF中安装了一个采用传统压敏电阻元件的压差传感器。这个传感器检查一个较小的压力范围，一般为0至15psi。一只传感器接口IC（如Melexis 公司的MLC90320 CMOS模拟传感器接口）连接在传感器的输出端，构成一个阻性Wheatstone桥式电路。这个接口可将电阻的小变化电压（通常是数毫伏）转换为相当大的输出电压变动。采用这种结构，电路就能够比较过滤器前、后的压力信号（图1）。接口芯片对传感器的信号作放大和校正，将其变换为ECU能够识别的值。当 DPF饱和时，接口会探测到在过滤器前、后的信号之间有一较大的压力差。接口IC对这一差值作放大和补偿，传给ECU。这个过程可以使传感器接口控制检测元件与ECU之间的通信，保证过滤器的连续正常工作。

　　传感器接口

　　在上述例子中，压敏电阻检测元件连接到传感器接口的输入端，它对信号作增益与偏移的补偿，以确定有经过良好校准的输出信号。此外，在不同的粗调阶段采用3位和10位数模转换器（DAC），这种特殊接口的输出架构中采用了另外一片10位DAC，能够对输出变化范围作精确的校准（图2）。

　　设备的架构可以容易地检测出数毫伏的传感器输出，并获得4V的精准输出范围。为确保接口芯片的顺利补偿调节，我们增加了一个粗略的补偿校正，用于补偿检测元件的大偏移变化，并使用了可调的10位补偿。在考虑温度问题时，传感器接口也可以连接到内部或外部温度传感器。

　　不过，如果应用中传感器周围温度与接口周围温度不同，则最好只用一个外接温度传感器。将外接电阻连接到用于调整偏置和增益的温度链上，接口就可以在必要时完成精确的10位温度测量（图3）。这样可以将外接温度传感器尽量靠近压力传感器安装。

可编程箝位

　　传感器接口的另一个独有性质是它能够在低输出电平和高输出电平时实现可编程箝位。箝位可确保传感器探测最低和最高输出电平的能力，并且ECU能够检查出传感器的输出是否在一个可接受范围内。此外，我们例子中的传感器接口还集成了故障检测，因此适用于一系列汽车应用。当它检测到内、外故障时，用此器件就能够探测出检测元件的不良连接。

 　　如果芯片从传感器收到一个不正确的输入电平，如低于1.5V或高于3.5V，则可能有对地或电源的短路，IC将产生一个超出箝位电平范围的输出电平。ECU从而检测出了该事件。这款专用接口IC能够通过实际连接器对传感器接口作编程。包含检测元件和接口的模块被装在一个外壳内，只有应用管脚连接到模块的外面。没必要增加其它的通信线，因为输出脚既可以作模拟输出脚，也可以作通信脚。通过短路检测，IC就知道用户正在请求管脚用于通信。为确保在短路时内存参数不会发生变化，这个检测基于一种特定的时序动作。此外，接口芯片包含一个锁定EEPROM的选项，以避免意外地改变已校准的器件。实际上，通过采用接口的输出，我们可以与芯片通信，用用户定义的特性校正EEPROM中的参数。

　　现有用于校准接口的评估板。这些板包括了与接口通信所需全部硬件、伴随软件，以及生产软件。生产软件可以控制所有必需的生产设备，并与设备通信，以快速校准数百件样品。

　　结束语

　　传感器接口在汽车中无处不在。它们将传感器信号转换为可读的格式，并同时过滤掉干扰性外部成份，以确保发送准确的信息。我们可在共轨系统（commonrail）、悬挂和变速系统以及HVAC应用、喷油喷汽系统、发动机控制、刹车防抱死系统，以及汽车的很多其它地方发现各种类型的传感器。它们应用如此广泛，人们几乎可以它们忘掉。了解它们的性能，能够促进将这些不可替代的产品用于越来越多应用中。