寶馬電子控制基礎(chǔ)知識(二)

◆文/山東 劉春暉

(接上期)

5.壓力傳感器

如圖18所示，由硅制成的微小薄膜被用于半導(dǎo)體壓力傳感器(圖19)。應(yīng)變計(jì)由硅擴(kuò)散式半導(dǎo)體型電阻器構(gòu)成。作為全橋或半橋用于補(bǔ)償零點(diǎn)漂移及其溫度響應(yīng)的幾個應(yīng)變計(jì)通常布置在相對擴(kuò)張的位置上，也就是說，在R1擴(kuò)展的同時(shí)R2傾向于壓縮。由于它們可以探測到連續(xù)壓力，因此也被稱為靜態(tài)傳感器。與壓力開關(guān)不同，這種壓力傳感器會輸出一種模擬信號。

圖18 半導(dǎo)體壓力傳感器的結(jié)構(gòu)

圖19 進(jìn)氣管壓力傳感器

進(jìn)氣壓力傳感器應(yīng)用壓電原理。根據(jù)進(jìn)氣管壓力的大小變化，電壓值也會隨之變化。根據(jù)電路圖可知，進(jìn)氣壓力傳感器由3個PIN腳：PIN1為信號線，PIN2為接地線，PIN3為參考電源線。

壓力傳感器在車輛上的其他應(yīng)用包括模擬壓力傳感器用于監(jiān)控輪胎充氣壓力、座椅占用識別系統(tǒng)或動態(tài)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(DSC)。數(shù)字壓力傳感器(開關(guān))用于監(jiān)控機(jī)油壓力等。

6.電磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器

如圖20所示，以感應(yīng)式曲軸傳感器為例介紹轉(zhuǎn)速傳感器的功能，其產(chǎn)生的感應(yīng)電壓波形如圖21所示。為此主要需要一個線圈(繞組)、一個磁場和進(jìn)行移動。通過這種測量方法能夠以非接觸(因此也不產(chǎn)生磨損)方式測量角度、距離和速度。曲軸傳感器測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。它由一個永久磁體和一個帶有軟鐵芯的感應(yīng)線圈構(gòu)成。飛輪上裝有一個齒圈作為脈沖傳感器(移動)。在感應(yīng)式傳感器與齒圈之間只有一個很小的間隙。

圖20 曲軸位置傳感器

圖21 曲軸位置傳感器感應(yīng)電壓波形圖

經(jīng)過線圈的磁流情況取決于傳感器對面是間隙還是輪齒。輪齒將散亂的磁流集中起來，而間隙則會削弱磁流。飛輪及齒圈轉(zhuǎn)動時(shí)，就會通過各個輪齒使磁場產(chǎn)生變化。

磁場變化時(shí)在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。每個單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)量是衡量飛輪轉(zhuǎn)速的標(biāo)準(zhǔn)?？刂茊卧部梢酝ㄟ^已知的齒圈齒隙確定發(fā)動機(jī)的當(dāng)前位置。通常使用60齒距的增量輪，缺少一或兩個輪齒的部位定為基準(zhǔn)標(biāo)記。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速是計(jì)算空燃混合氣和進(jìn)行點(diǎn)火調(diào)節(jié)的主要控制參數(shù)。

目前寶馬已經(jīng)使用霍爾傳感器取代感應(yīng)式脈沖傳感器。

7.霍爾傳感器

霍爾傳感器通常用于識別移動部件的位置。霍爾傳感器屬于非接觸式傳感器?；魻杺鞲衅鞯膬?yōu)點(diǎn)是：非接觸運(yùn)行，對溫度變化不敏感，抗振性和防震性好。

霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)原理(圖22)工作，其電路符號如圖23所示。

圖22 霍爾效應(yīng)

圖23 霍爾傳感器的電路符號

磁場作用于載流半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體端面處產(chǎn)生一個電壓(霍爾電壓)。如果通過半導(dǎo)體的電流強(qiáng)度保持恒定，則電壓高低只取決于磁場強(qiáng)度。磁場強(qiáng)度變化時(shí)霍爾電壓隨之改變。作為磁性部件的位置傳感器使用時(shí)，霍爾傳感器在磁場變化很慢或不變化時(shí)優(yōu)勢非常大。在這種情況下，電磁式傳感器不會輸出感應(yīng)電壓。

實(shí)際應(yīng)用中的霍爾效應(yīng)傳感器是一種集成式傳感器(Hall ICs)。它具有一個用于控制電流的集成恒流電源和一個具有輸出級的集成差頻信號放大器。

在寶馬車輛內(nèi)霍爾傳感器應(yīng)用廣泛，在不同的結(jié)構(gòu)布置中，霍爾傳感器可用于測量距離、確定位置(圖24)、測量角度、測定加速度和測量轉(zhuǎn)速。例如在安全帶鎖扣內(nèi)、車門關(guān)閉系統(tǒng)內(nèi)或作為折疊式車頂移動的位置傳感器。

圖24 霍爾傳感器應(yīng)用在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和位置傳感器上

曲軸傳感器是按照霍爾傳感器原理設(shè)計(jì)的，其外形和電路如圖25、圖26所示。從發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到約20r/min時(shí)起，該傳感器就會輸出一個可評估信號。DME控制單元為傳感器提供5V的恒定電壓。該傳感器有一塊設(shè)計(jì)用作杯狀磁鐵的永久磁鐵?；魻杺鞲衅鱅C安裝在該傳感器前部。

圖25 曲軸位置傳感器的外形

圖26 曲軸位置傳感器電路

如圖27所示，當(dāng)脈沖信號輪的齒和齒間隙都移過傳感器時(shí)，永久磁鐵磁力線的通量密度就會改變，并由霍爾傳感器IC探測到?；魻杺鞲衅鱅C根據(jù)磁場強(qiáng)度在控制單元控制線上轉(zhuǎn)換高電壓信號或低電壓信號。由于霍爾傳感器IC具有這種精確的轉(zhuǎn)換功能，因此可將一種反應(yīng)出脈沖信號輪狀態(tài)的方波信號送入控制單元。在控制單元內(nèi)無需進(jìn)行特殊調(diào)整即可使用這種信號。信號準(zhǔn)確地在脈沖信號輪的齒中心點(diǎn)和齒間隙中心點(diǎn)處發(fā)生變化。這一點(diǎn)通過內(nèi)部電路以及位置傳感器的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

圖27 脈沖信號輪與傳感器輸出信號之間的關(guān)系

齒間隙后的第一個下降沿作為參考標(biāo)記。在該點(diǎn)處，5號氣缸的活塞置于TDC前84。脈沖信號輪有58個齒和2齒寬的間隙，該空隙起到同步標(biāo)記的作用。曲軸每旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，控制單元都會檢查所探測到的齒數(shù)是否正確。

8.爆震傳感器

爆震傳感器是一個具有寬帶特性的壓電傳感器。通過彈簧墊圈使壓電環(huán)在測震塊和傳感器體之間拉緊。測震塊加速時(shí)會向壓電元件施加壓力。因此在陶瓷元件的底部和頂部產(chǎn)生相反的電荷，在觸點(diǎn)處產(chǎn)生電壓。從而將振動轉(zhuǎn)化為電壓信號。這些電壓信號通過屏蔽式導(dǎo)線發(fā)送到DME控制單元，控制單元對信號進(jìn)行處理。爆震傳感器安裝在汽缸之間的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣側(cè)(圖28)。

圖28 爆震傳感器的安裝位置

由于傳感器的所處位置，即使爆震程度較弱時(shí)，由燃燒室發(fā)出的結(jié)構(gòu)噪音脈動也可傳送至爆震傳感器處。與發(fā)動機(jī)內(nèi)燃油的燃燒有關(guān)，爆震限值不是一個固定變量，而是取決于不同的運(yùn)行條件。為確保最佳燃燒過程，獲知實(shí)際爆震限值并對點(diǎn)火正時(shí)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)是非常重要的，其結(jié)構(gòu)如圖29所示。

圖29 爆震傳感器的結(jié)構(gòu)

如圖30所示，壓電元件將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。壓電元件的晶體結(jié)構(gòu)因曲軸箱的振動(燃燒的結(jié)果)和測震塊(振動延遲)的運(yùn)動而不斷改變。這種晶體結(jié)構(gòu)的改變會產(chǎn)生一個以相同頻率振動的電壓。其振動強(qiáng)度會對電壓有相當(dāng)大的影響。減小作用力時(shí)會產(chǎn)生相反極性的電壓信號。在壓電元件上施加機(jī)械壓力時(shí)，會暫時(shí)產(chǎn)生電壓信號。

圖30 壓電元件的工作機(jī)理

9.雨量傳感器、行車燈傳感器和光照傳感器

(1)雨量傳感器

雨量傳感器的任務(wù)是自動控制車窗玻璃刮水器。雨量傳感器安裝在風(fēng)擋玻璃內(nèi)側(cè)，大多數(shù)情況下位于后視鏡的底座內(nèi)。雨量傳感器測量較小測量區(qū)域內(nèi)的潮濕程度，刮水器控制單元可以借此評估車窗玻璃的潮濕程度并在達(dá)到相應(yīng)潮濕程度時(shí)啟用刮水器。

如圖31所示，雨量傳感器借助三對紅外線發(fā)射二極管和紅外線接收二極管分析風(fēng)擋玻璃的潮濕程度。通過成對使用紅外線發(fā)射二極管和紅外線接收二極管可以得到三個雨量范圍。系統(tǒng)通過這些雨量范圍識別雨量大小。根據(jù)風(fēng)擋玻璃與空氣分界面上的紅外線反射情況識別雨量大小。反射率取決于風(fēng)擋玻璃的污染和潮濕程度。

圖31 E70雨量傳感器的雨量測量機(jī)理

風(fēng)擋玻璃清潔、干燥時(shí)，可反射全部紅外線。如果風(fēng)擋玻璃上有污物或被雨水淋濕，紅外線反射率就會降低。車窗玻璃表面上的液體越多，反射的光線就越少，到達(dá)光電二極管的光線也越少。下大雨時(shí)傳感器系統(tǒng)可以從間歇刮水自動切換到持續(xù)刮水。突然下起大暴雨時(shí)或者貨車濺起的水落到風(fēng)擋玻璃上時(shí)，該系統(tǒng)立即切換到最高速度檔。如果僅有零星雨滴，則電子裝置控制刮水器速度，以使駕駛員始終擁有良好的視野。避免刮水片在風(fēng)擋玻璃上干摩擦，借此可以避免刮水片過度磨損。

(2)行車燈傳感器

行車燈傳感器用于自動控制車燈。例如，穿越隧道期間或光線變暗時(shí)自動接通行車燈。行車燈傳感器探測環(huán)境亮度以及車輛前方光線強(qiáng)度(前部區(qū)域)。如圖32所示，與雨量傳感器一樣，行車燈傳感器也安裝在風(fēng)擋玻璃內(nèi)側(cè)。它通常與雨量傳感器一起組合成晴雨傳感器。

圖32 環(huán)境光線傳感器和前部區(qū)域光線傳感器的結(jié)構(gòu)

車輛運(yùn)行時(shí)環(huán)境光線傳感器識別環(huán)境亮度過低(光線陰暗、夜晚、多云)并向車燈控制單元發(fā)送信號。

(3)光照傳感器

光照傳感器為自動空調(diào)提供有關(guān)陽光照射情況的信息。陽光照射產(chǎn)生的熱能影響車內(nèi)溫度。使用光照傳感器可以更好地根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件進(jìn)行車內(nèi)空氣調(diào)節(jié)。自1999起寶馬車輛內(nèi)開始使用光照傳感器。光照傳感器影響空調(diào)系統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī)、空氣分層以及空氣風(fēng)門等組件。

如圖33所示，光照傳感器測量太陽照射到車輛上的角度。在此分開探測駕駛員側(cè)和前乘客側(cè)的太陽照射角度。行駛期間行駛方向的改變會造成太陽照射從前面、從側(cè)面或從后面不斷變化。因此光照傳感器在任何時(shí)候都探測太陽照射情況。車內(nèi)乘員處于這種太陽照射方向不斷變化之中。其結(jié)果是太陽照射區(qū)域內(nèi)的溫度比未照射區(qū)域高。

圖33 太陽照射角度的不同位置

光照傳感器根據(jù)車輛相對太陽的位置測量太陽照射到車輛上的角度。自動恒溫空調(diào)利用光照傳感器的數(shù)值對此做出反應(yīng)并營造舒適的車內(nèi)環(huán)境。

(未完待續(xù))