沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司 劉 妍 彭春文 馬 超 董清波 蔣伯華 郭志勇 孫宇輝

基于MAX1452的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力傳感器的設(shè)計(jì)

沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司 劉 妍 彭春文 馬 超 董清波 蔣伯華 郭志勇 孫宇輝

根據(jù)當(dāng)前現(xiàn)代汽車電子技術(shù)ECU（電子控制單元——行車電腦）系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)了一種進(jìn)氣壓力傳感器，用于發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制，基于Maxim公司高度集成的傳感器調(diào)理芯片MAX1452，實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?，在高精度采集下?shí)現(xiàn)了其體積和功耗相當(dāng)微小的特點(diǎn)，該傳感器的實(shí)際應(yīng)用表明，實(shí)現(xiàn)了小型化，高低溫、強(qiáng)振動(dòng)、高溫沖擊和機(jī)械沖擊以及化學(xué)污染等惡劣環(huán)境中使用。

溫度補(bǔ)償；在線測(cè)試；MAX1452

引言

隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車電子控制技術(shù)更加成熟完善，在汽車上已廣泛應(yīng)用，許多傳感器測(cè)量裝置已經(jīng)成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)是核心控制其中之一，本文所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力傳感器對(duì)進(jìn)氣歧管的絕對(duì)壓力的測(cè)量，并將其送至電子控制器（ECU），控制基本噴油量和點(diǎn)火正時(shí)角度。

1 壓力傳感器

1.1 傳感器作用

進(jìn)氣壓力傳感器（Manifold Absolute Pressure Sensor），簡(jiǎn)稱MAP。它以真空管連接進(jìn)氣歧管，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的大小檢測(cè)出歧管內(nèi)絕對(duì)壓力的變化，將其轉(zhuǎn)換成0.5V至4.5V的電壓信號(hào)，供ECM電腦修正噴油量和點(diǎn)火正時(shí)角度。電壓型壓力傳感器控制原理見(jiàn)圖1。

ECM電腦輸出5V電壓給進(jìn)氣壓力感器，再由信號(hào)端檢測(cè)電壓值。當(dāng)引擎在怠速時(shí)，其電壓信號(hào)約1～1.5V，節(jié)氣門全開(kāi)時(shí)，則電壓信號(hào)約4.5V。

1.2 傳感器的類型選擇

在當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)中，應(yīng)用較為廣泛的壓力傳感器為壓阻式壓力傳感器。該傳感器具有響應(yīng)時(shí)間快、檢測(cè)精度高、尺寸小、安裝靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 電壓型壓力傳感器控制原理圖

1.3 壓阻式壓力傳感器的工作原理

壓阻式壓力傳感器的壓力敏感元件是經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體平面工藝，采用離子注入和擴(kuò)散技術(shù)在單晶硅的一定晶向的一定位置上形成惠斯頓電橋。硅片的一側(cè)是真空室，另一側(cè)感受被測(cè)壓力。硅片在被測(cè)的絕對(duì)壓力作用下產(chǎn)生變形，根據(jù)半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)，電橋失衡，產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓。被測(cè)的絕對(duì)壓力越高，硅片的變形越大，其變形量與壓力成正比，即把硅片機(jī)械式的變化轉(zhuǎn)變成了mV級(jí)電壓信號(hào)。

壓阻式進(jìn)氣壓力傳感器由壓力敏感元件（硅片）和把敏感元件輸出的mV級(jí)電壓信號(hào)進(jìn)行放大的混合集成電路組成。利用這種原理，可把進(jìn)氣歧管內(nèi)壓力的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。再由集成電路放大后輸出至ECU。

在電控多點(diǎn)燃油噴射系統(tǒng)中，精確測(cè)量進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)空氣量大小非常重要，該信號(hào)是電控單元精確計(jì)算噴油量的主要依據(jù)。

2 電路設(shè)計(jì)

壓阻式壓力傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)，但硅壓阻式傳感器普遍存在著一致性、溫度漂移和非線性等問(wèn)題。一致性是指不同的硅片在其制作工藝工程中，由于工藝上細(xì)微的不同導(dǎo)致其在相同的壓力下靈敏度輸出不同。溫度漂移是指在環(huán)境溫度變化時(shí)，傳感器的靈敏度輸出也隨之變化。非線性是硅壓阻傳感器的物理特性決定的。所以，壓阻式壓力傳感器都需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償和非線性校準(zhǔn)。傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法是采用溫度敏感元件和模擬電路實(shí)現(xiàn)。由于機(jī)車進(jìn)氣環(huán)境溫度為-45℃～130℃，因此，需要對(duì)傳感器進(jìn)行多點(diǎn)溫度補(bǔ)償，本文基于MAX1452信號(hào)調(diào)理芯片開(kāi)發(fā)了一個(gè)智能補(bǔ)償系統(tǒng)以對(duì)硅壓阻傳感器進(jìn)行補(bǔ)償。

本設(shè)計(jì)應(yīng)用精密的信號(hào)調(diào)理器MAX1452的調(diào)理技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了硅壓阻式傳感器的補(bǔ)償與標(biāo)定系統(tǒng)。

2.1 補(bǔ)償芯片 MAX1452介紹

MAXIM公司生產(chǎn)的MAXl452型高精度硅壓阻式壓力信號(hào)調(diào)理器芯片，是一款高度集成的模擬傳感器信號(hào)處理器，可以補(bǔ)償零點(diǎn)失調(diào)、靈敏度溫度漂移和非線性等多個(gè)參數(shù)，可以在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)對(duì)傳感器進(jìn)行多點(diǎn)全自動(dòng)補(bǔ)償。MAX1452具有放大、校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償功能，可以多點(diǎn)逼近傳感器所固有的可重復(fù)指標(biāo)。全模擬信號(hào)通道不會(huì)在輸出信號(hào)引入量化噪聲，利用集成的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化校準(zhǔn)，偏移量和量程可以校準(zhǔn)在±0.02%F.S.之內(nèi)。賦予了傳感器真正的可互換性。其功能框圖見(jiàn)圖2。

圖2 MAX1452功能框圖

2.2 壓力測(cè)試電路原理

壓力傳感器的供電端為BDR,傳感器的信號(hào)輸出正端為INP，輸出負(fù)端為INM。為保證供電電壓的穩(wěn)定，用三端高精度穩(wěn)壓管TL431進(jìn)行穩(wěn)壓，使MAX1452工作電壓穩(wěn)定。其測(cè)試電路原理見(jiàn)圖3。

3 傳感器的校準(zhǔn)及補(bǔ)償

3.1 校準(zhǔn)補(bǔ)償目的

校準(zhǔn)的目的是使傳感器的零點(diǎn)輸出為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的值。靈敏度的校準(zhǔn)是恒流驅(qū)動(dòng)時(shí)，傳感器的靈敏度正比于傳感器橋路的激勵(lì)電流。

3.2 溫度補(bǔ)償

MAX1452用多個(gè)線性區(qū)段來(lái)近似實(shí)際的溫度誤差曲線，線性區(qū)段的補(bǔ)償系數(shù)保存在內(nèi)部EEPROM中。溫度信號(hào)V(T)取自橋路的端電壓，用一個(gè)12位ADC將V(T)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并用此數(shù)字量去尋址EEPROM，就可得到不同線性區(qū)段的補(bǔ)償系數(shù)D(T)。從EEPROM取出的失調(diào)和FSO補(bǔ)償系數(shù)分別被寫(xiě)入兩個(gè)16位DAC（OFFSETDAC和FSODAC），補(bǔ)償系數(shù)通過(guò)對(duì)傳感器誤差測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合得到。溫度測(cè)試點(diǎn)越多、曲線擬合精度越高，則補(bǔ)償精度也越高。但過(guò)多的測(cè)試點(diǎn)會(huì)增加測(cè)試工作量，增加生產(chǎn)成本。補(bǔ)償后的殘留誤差還與誤差曲線的非線性程度有關(guān)。

圖3 測(cè)試電路原理圖

圖4 傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)圖

3.3 壓力傳感器全溫區(qū)在線調(diào)試

采用專用校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行在線數(shù)字補(bǔ)償，保證傳感器的性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。傳感器的調(diào)試校準(zhǔn)部分，需要硬件設(shè)備和校準(zhǔn)軟件。它可以對(duì)基于MAX1452的傳感器進(jìn)行精確的校準(zhǔn)并且可以對(duì)其實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。校準(zhǔn)后可以使傳感器輸出精度達(dá)到千分之一以上。傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)見(jiàn)圖4。

只需要將校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件連接到計(jì)算機(jī)后，運(yùn)行校準(zhǔn)軟件，再經(jīng)過(guò)相關(guān)的配置，按照軟件的提示操作完畢后即可實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX1452傳感器的校準(zhǔn)和補(bǔ)償操作。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力傳感器應(yīng)用場(chǎng)合非常復(fù)雜，使用條件很惡劣。整體結(jié)構(gòu)不但要滿足使用環(huán)境中的沖擊、振動(dòng)、防水等要求，還要滿足安裝結(jié)構(gòu)的要求，生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配有一定的難度要求。

因此，在傳感器的結(jié)構(gòu)、灌封、引出線的選擇和焊接、連接器的選擇等環(huán)節(jié)均要考慮環(huán)境指標(biāo)要求，采取了一系列措施。

引出線的選擇，除了考慮電氣性能外，還要受到車載時(shí)物理性能的制約，汽車用導(dǎo)線不但要確保傳送電信號(hào)，也需要保證連接電路的可靠性，導(dǎo)線選擇至關(guān)重要。發(fā)動(dòng)機(jī)周圍環(huán)境溫度高，腐蝕性氣體和液體也較多，導(dǎo)線一定要使用耐高溫、耐油、耐振動(dòng)導(dǎo)線。由于使用部位的溫度較高，導(dǎo)線采用絕緣性和耐熱性良好的氯乙烯、聚乙烯包覆的導(dǎo)線。導(dǎo)線固定時(shí)不可拉得太緊或放的太松。焊接要牢固，無(wú)短路、斷路、搭鐵等現(xiàn)象。

在整體結(jié)構(gòu)的抗振動(dòng)方面，采用高溫硅膠、螺紋膠進(jìn)行固定。在抗電磁干擾方面，除在電路中采取濾波措施外，在結(jié)構(gòu)上使用坡莫合金。使其滿足在35g下振動(dòng)。具有高可靠性生穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力傳感器，通過(guò)大量測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析后，它的功能和性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)的基本要求?；贛AX1452的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度壓力傳感器滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用要求，改進(jìn)了壓阻式傳感器補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ岣吡搜a(bǔ)償?shù)木群蜏?zhǔn)確度，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

[1]趙艷平,丁建寧,楊繼昌,等．硅壓力傳感器芯片設(shè)計(jì)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)．微納電子技術(shù),2006,43(9):7-10．

[2]趙妍,劉志珍．基于MAX1452的壓力傳感器溫度補(bǔ)償．電氣應(yīng)用．2006,25(4):40-43．

Design of Engine Inlet Pressure Sensor Based on MAX1452

LIU Yan，PENG Chun-wen，MA Chao，DONG Qing-bo，JIANG Bo-hua，GUO Zhi-yong，SUN Yu-hui
（Shenyang Academy of Instrumentation Science Co., Ltd. Shenyang, Liaoning Province 110043）

According to the current modem automotive electronics technology ECU(electronic control unit, driving computer) system requirements designed an intake pressure sensor, used for electronic control engine, based on the Maxim company highly integrated sensor chip MAX1452 conditioning, realized the temperature compensation ,and other functions under the high precision acquisition implements the volume and power consumption is small, the characteristics of the sensor in the actual application shows that realizes the miniaturization, high and low temperature, strong vibration, high thermal shock and mechanical shock and chemical pollution and so on used in bad environment.

temperature compensation; online testing; MAX1452