基于MAX1452的发动机进气压力传感器的设计

沈阳仪表科学研究院有限公司 刘 妍 彭春文 马 超 董清波 蒋伯华 郭志勇 孙宇辉

基于MAX1452的发动机进气压力传感器的设计

沈阳仪表科学研究院有限公司 刘 妍 彭春文 马 超 董清波 蒋伯华 郭志勇 孙宇辉

根据当前现代汽车电子技术ECU（电子控制单元——行车电脑）系统的要求设计了一种进气压力传感器，用于发动机电子控制，基于Maxim公司高度集成的传感器调理芯片MAX1452，实现了温度补偿等功能，在高精度采集下实现了其体积和功耗相当微小的特点，该传感器的实际应用表明，实现了小型化，高低温、强振动、高温冲击和机械冲击以及化学污染等恶劣环境中使用。

温度补偿；在线测试；MAX1452

引言

随着电子技术、传感器技术的飞速发展，汽车电子控制技术更加成熟完善，在汽车上已广泛应用，许多传感器测量装置已经成为汽车的标准配置，发动机电子控制技术是核心控制其中之一，本文所研究的发动机进气压力传感器对进气歧管的绝对压力的测量，并将其送至电子控制器（ECU），控制基本喷油量和点火正时角度。

1 压力传感器

1.1 传感器作用

进气压力传感器（Manifold Absolute Pressure Sensor），简称MAP。它以真空管连接进气歧管，由于发动机转速和负荷的大小检测出歧管内绝对压力的变化，将其转换成0.5V至4.5V的电压信号，供ECM电脑修正喷油量和点火正时角度。电压型压力传感器控制原理见图1。

ECM电脑输出5V电压给进气压力感器，再由信号端检测电压值。当引擎在怠速时，其电压信号约1～1.5V，节气门全开时，则电压信号约4.5V。

1.2 传感器的类型选择

在当今发动机电子控制系统中，应用较为广泛的压力传感器为压阻式压力传感器。该传感器具有响应时间快、检测精度高、尺寸小、安装灵活方便等优点。

图1 电压型压力传感器控制原理图

1.3 压阻式压力传感器的工作原理

压阻式压力传感器的压力敏感元件是经过半导体平面工艺，采用离子注入和扩散技术在单晶硅的一定晶向的一定位置上形成惠斯顿电桥。硅片的一侧是真空室，另一侧感受被测压力。硅片在被测的绝对压力作用下产生变形，根据半导体压阻效应，电桥失衡，产生一个输出电压。被测的绝对压力越高，硅片的变形越大，其变形量与压力成正比，即把硅片机械式的变化转变成了mV级电压信号。

压阻式进气压力传感器由压力敏感元件（硅片）和把敏感元件输出的mV级电压信号进行放大的混合集成电路组成。利用这种原理，可把进气歧管内压力的变化转换成电信号。再由集成电路放大后输出至ECU。

在电控多点燃油喷射系统中，精确测量进入发动机空气量大小非常重要，该信号是电控单元精确计算喷油量的主要依据。

2 电路设计

压阻式压力传感器具有很多优点，但硅压阻式传感器普遍存在着一致性、温度漂移和非线性等问题。一致性是指不同的硅片在其制作工艺工程中，由于工艺上细微的不同导致其在相同的压力下灵敏度输出不同。温度漂移是指在环境温度变化时，传感器的灵敏度输出也随之变化。非线性是硅压阻传感器的物理特性决定的。所以，压阻式压力传感器都需要进行温度补偿和非线性校准。传统的校准方法是采用温度敏感元件和模拟电路实现。由于机车进气环境温度为-45℃～130℃，因此，需要对传感器进行多点温度补偿，本文基于MAX1452信号调理芯片开发了一个智能补偿系统以对硅压阻传感器进行补偿。

本设计应用精密的信号调理器MAX1452的调理技术，设计开发了硅压阻式传感器的补偿与标定系统。

2.1 补偿芯片 MAX1452介绍

MAXIM公司生产的MAXl452型高精度硅压阻式压力信号调理器芯片，是一款高度集成的模拟传感器信号处理器，可以补偿零点失调、灵敏度温度漂移和非线性等多个参数，可以在规定的温度范围内对传感器进行多点全自动补偿。MAX1452具有放大、校准和温度补偿功能，可以多点逼近传感器所固有的可重复指标。全模拟信号通道不会在输出信号引入量化噪声，利用集成的16位数模转换器(DAC)实现数字化校准，偏移量和量程可以校准在±0.02%F.S.之内。赋予了传感器真正的可互换性。其功能框图见图2。

图2 MAX1452功能框图

2.2 压力测试电路原理

压力传感器的供电端为BDR,传感器的信号输出正端为INP，输出负端为INM。为保证供电电压的稳定，用三端高精度稳压管TL431进行稳压，使MAX1452工作电压稳定。其测试电路原理见图3。

3 传感器的校准及补偿

3.1 校准补偿目的

校准的目的是使传感器的零点输出为一个标准的值。灵敏度的校准是恒流驱动时，传感器的灵敏度正比于传感器桥路的激励电流。

3.2 温度补偿

MAX1452用多个线性区段来近似实际的温度误差曲线，线性区段的补偿系数保存在内部EEPROM中。温度信号V(T)取自桥路的端电压，用一个12位ADC将V(T)转换为数字量并用此数字量去寻址EEPROM，就可得到不同线性区段的补偿系数D(T)。从EEPROM取出的失调和FSO补偿系数分别被写入两个16位DAC（OFFSETDAC和FSODAC），补偿系数通过对传感器误差测试数据进行曲线拟合得到。温度测试点越多、曲线拟合精度越高，则补偿精度也越高。但过多的测试点会增加测试工作量，增加生产成本。补偿后的残留误差还与误差曲线的非线性程度有关。

图3 测试电路原理图

图4 传感器校准系统图

3.3 压力传感器全温区在线调试

采用专用校准测试系统进行在线数字补偿，保证传感器的性能指标满足设计要求。传感器的调试校准部分，需要硬件设备和校准软件。它可以对基于MAX1452的传感器进行精确的校准并且可以对其实现温度补偿。校准后可以使传感器输出精度达到千分之一以上。传感器校准系统见图4。

只需要将校准系统硬件连接到计算机后，运行校准软件，再经过相关的配置，按照软件的提示操作完毕后即可实现对MAX1452传感器的校准和补偿操作。

4 结构设计

发动机进气压力传感器应用场合非常复杂，使用条件很恶劣。整体结构不但要满足使用环境中的冲击、振动、防水等要求，还要满足安装结构的要求，生产工艺、结构设计和装配有一定的难度要求。

因此，在传感器的结构、灌封、引出线的选择和焊接、连接器的选择等环节均要考虑环境指标要求，采取了一系列措施。

引出线的选择，除了考虑电气性能外，还要受到车载时物理性能的制约，汽车用导线不但要确保传送电信号，也需要保证连接电路的可靠性，导线选择至关重要。发动机周围环境温度高，腐蚀性气体和液体也较多，导线一定要使用耐高温、耐油、耐振动导线。由于使用部位的温度较高，导线采用绝缘性和耐热性良好的氯乙烯、聚乙烯包覆的导线。导线固定时不可拉得太紧或放的太松。焊接要牢固，无短路、断路、搭铁等现象。

在整体结构的抗振动方面，采用高温硅胶、螺纹胶进行固定。在抗电磁干扰方面，除在电路中采取滤波措施外，在结构上使用坡莫合金。使其满足在35g下振动。具有高可靠性生稳定性。

5 结论

本文设计的发动机进气压力传感器，通过大量测定的数据进行误差分析后，它的功能和性能指标达到了设计的基本要求。基于MAX1452的发动机进气温度压力传感器满足现场的使用要求，改进了压阻式传感器补偿的方法，提高了补偿的精度和准确度，具有很好的市场应用前景。

[1]赵艳平,丁建宁,杨继昌,等．硅压力传感器芯片设计分析与优化设计．微纳电子技术,2006,43(9):7-10．

[2]赵妍,刘志珍．基于MAX1452的压力传感器温度补偿．电气应用．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