寶馬電子控制基礎知識(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體壓力傳感器(圖19)。應變計由硅擴散式半導體型電阻器構成。作為全橋或半橋用于補償零點漂移及其溫度響應的幾個應變計通常布置在相對擴張的位置上，也就是說，在R1擴展的同時R2傾向于壓縮。由于它們可以探測到連續壓力，因此也被稱為靜態傳感器。與壓力開關不同，這種壓力傳感器會輸出一種模擬信號。

圖18 半導體壓力傳感器的結構

圖19 進氣管壓力傳感器

進氣壓力傳感器應用壓電原理。根據進氣管壓力的大小變化，電壓值也會隨之變化。根據電路圖可知，進氣壓力傳感器由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用包括模擬壓力傳感器用于監控輪胎充氣壓力、座椅占用識別系統或動態穩定性控制系統(DSC)。數字壓力傳感器(開關)用于監控機油壓力等。

6.電磁感應式轉速傳感器

如圖20所示，以感應式曲軸傳感器為例介紹轉速傳感器的功能，其產生的感應電壓波形如圖21所示。為此主要需要一個線圈(繞組)、一個磁場和進行移動。通過這種測量方法能夠以非接觸(因此也不產生磨損)方式測量角度、距離和速度。曲軸傳感器測量發動機轉速。它由一個永久磁體和一個帶有軟鐵芯的感應線圈構成。飛輪上裝有一個齒圈作為脈沖傳感器(移動)。在感應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電壓波形圖

經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。飛輪及齒圈轉動時，就會通過各個輪齒使磁場產生變化。

磁場變化時在線圈內產生感應電壓。每個單位時間內的脈沖數量是衡量飛輪轉速的標準。控制單元也可以通過已知的齒圈齒隙確定發動機的當前位置。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標記。發動機轉速是計算空燃混合氣和進行點火調節的主要控制參數。

目前寶馬已經使用霍爾傳感器取代感應式脈沖傳感器。

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?；魻杺鞲衅鞯膬烖c是：非接觸運行，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原理(圖22)工作，其電路符號如圖23所示。

圖22 霍爾效應

圖23 霍爾傳感器的電路符號

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

實際應用中的霍爾效應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。

在寶馬車輛內霍爾傳感器應用廣泛，在不同的結構布置中，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速。例如在安全帶鎖扣內、車門關閉系統內或作為折疊式車頂移動的位置傳感器。

圖24 霍爾傳感器應用在發動機轉速和位置傳感器上

曲軸傳感器是按照霍爾傳感器原理設計的，其外形和電路如圖25、圖26所示。從發動機轉速達到約20r/min時起，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。該傳感器有一塊設計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，當脈沖信號輪的齒和齒間隙都移過傳感器時，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根據磁場強度在控制單元控制線上轉換高電壓信號或低電壓信號。由于霍爾傳感器IC具有這種精確的轉換功能，因此可將一種反應出脈沖信號輪狀態的方波信號送入控制單元。在控制單元內無需進行特殊調整即可使用這種信號。信號準確地在脈沖信號輪的齒中心點和齒間隙中心點處發生變化。這一點通過內部電路以及位置傳感器的結構來實現。

圖27 脈沖信號輪與傳感器輸出信號之間的關系

齒間隙后的第一個下降沿作為參考標記。在該點處，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，該空隙起到同步標記的作用。曲軸每旋轉一圈時，控制單元都會檢查所探測到的齒數是否正確。

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在測震塊和傳感器體之間拉緊。測震塊加速時會向壓電元件施加壓力。因此在陶瓷元件的底部和頂部產生相反的電荷，在觸點處產生電壓。從而將振動轉化為電壓信號。這些電壓信號通過屏蔽式導線發送到DME控制單元，控制單元對信號進行處理。爆震傳感器安裝在汽缸之間的發動機進氣側(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，由燃燒室發出的結構噪音脈動也可傳送至爆震傳感器處。與發動機內燃油的燃燒有關，爆震限值不是一個固定變量，而是取決于不同的運行條件。為確保最佳燃燒過程，獲知實際爆震限值并對點火正時進行相應調節是非常重要的，其結構如圖29所示。

圖29 爆震傳感器的結構

如圖30所示，壓電元件將機械能轉化為電能。壓電元件的晶體結構因曲軸箱的振動(燃燒的結果)和測震塊(振動延遲)的運動而不斷改變。這種晶體結構的改變會產生一個以相同頻率振動的電壓。其振動強度會對電壓有相當大的影響。減小作用力時會產生相反極性的電壓信號。在壓電元件上施加機械壓力時，會暫時產生電壓信號。

圖30 壓電元件的工作機理

9.雨量傳感器、行車燈傳感器和光照傳感器

(1)雨量傳感器

雨量傳感器的任務是自動控制車窗玻璃刮水器。雨量傳感器安裝在風擋玻璃內側，大多數情況下位于后視鏡的底座內。雨量傳感器測量較小測量區域內的潮濕程度，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到相應潮濕程度時啟用刮水器。

如圖31所示，雨量傳感器借助三對紅外線發射二極管和紅外線接收二極管分析風擋玻璃的潮濕程度。通過成對使用紅外線發射二極管和紅外線接收二極管可以得到三個雨量范圍。系統通過這些雨量范圍識別雨量大小。根據風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理

風擋玻璃清潔、干燥時，可反射全部紅外線。如果風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，到達光電二極管的光線也越少。下大雨時傳感器系統可以從間歇刮水自動切換到持續刮水。突然下起大暴雨時或者貨車濺起的水落到風擋玻璃上時，該系統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自動接通行車燈。行車燈傳感器探測環境亮度以及車輛前方光線強度(前部區域)。如圖32所示，與雨量傳感器一樣，行車燈傳感器也安裝在風擋玻璃內側。它通常與雨量傳感器一起組合成晴雨傳感器。

圖32 環境光線傳感器和前部區域光線傳感器的結構

車輛運行時環境光線傳感器識別環境亮度過低(光線陰暗、夜晚、多云)并向車燈控制單元發送信號。

(3)光照傳感器

光照傳感器為自動空調提供有關陽光照射情況的信息。陽光照射產生的熱能影響車內溫度。使用光照傳感器可以更好地根據實際環境條件進行車內空氣調節。自1999起寶馬車輛內開始使用光照傳感器。光照傳感器影響空調系統的鼓風機、空氣分層以及空氣風門等組件。

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和前乘客側的太陽照射角度。行駛期間行駛方向的改變會造成太陽照射從前面、從側面或從后面不斷變化。因此光照傳感器在任何時候都探測太陽照射情況。車內乘員處于這種太陽照射方向不斷變化之中。其結果是太陽照射區域內的溫度比未照射區域高。

圖33 太陽照射角度的不同位置

光照傳感器根據車輛相對太陽的位置測量太陽照射到車輛上的角度。自動恒溫空調利用光照傳感器的數值對此做出反應并營造舒適的車內環境。

(未完待續)