宝马电子控制基础知识(二)

◆文/山东 刘春晖

(接上期)

5.压力传感器

如图18所示，由硅制成的微小薄膜被用于半导体压力传感器(图19)。应变计由硅扩散式半导体型电阻器构成。作为全桥或半桥用于补偿零点漂移及其温度响应的几个应变计通常布置在相对扩张的位置上，也就是说，在R1扩展的同时R2倾向于压缩。由于它们可以探测到连续压力，因此也被称为静态传感器。与压力开关不同，这种压力传感器会输出一种模拟信号。

图18 半导体压力传感器的结构

图19 进气管压力传感器

进气压力传感器应用压电原理。根据进气管压力的大小变化，电压值也会随之变化。根据电路图可知，进气压力传感器由3个PIN脚：PIN1为信号线，PIN2为接地线，PIN3为参考电源线。

压力传感器在车辆上的其他应用包括模拟压力传感器用于监控轮胎充气压力、座椅占用识别系统或动态稳定性控制系统(DSC)。数字压力传感器(开关)用于监控机油压力等。

6.电磁感应式转速传感器

如图20所示，以感应式曲轴传感器为例介绍转速传感器的功能，其产生的感应电压波形如图21所示。为此主要需要一个线圈(绕组)、一个磁场和进行移动。通过这种测量方法能够以非接触(因此也不产生磨损)方式测量角度、距离和速度。曲轴传感器测量发动机转速。它由一个永久磁体和一个带有软铁芯的感应线圈构成。飞轮上装有一个齿圈作为脉冲传感器(移动)。在感应式传感器与齿圈之间只有一个很小的间隙。

图20 曲轴位置传感器

图21 曲轴位置传感器感应电压波形图

经过线圈的磁流情况取决于传感器对面是间隙还是轮齿。轮齿将散乱的磁流集中起来，而间隙则会削弱磁流。飞轮及齿圈转动时，就会通过各个轮齿使磁场产生变化。

磁场变化时在线圈内产生感应电压。每个单位时间内的脉冲数量是衡量飞轮转速的标准。控制单元也可以通过已知的齿圈齿隙确定发动机的当前位置。通常使用60齿距的增量轮，缺少一或两个轮齿的部位定为基准标记。发动机转速是计算空燃混合气和进行点火调节的主要控制参数。

目前宝马已经使用霍尔传感器取代感应式脉冲传感器。

7.霍尔传感器

霍尔传感器通常用于识别移动部件的位置。霍尔传感器属于非接触式传感器。霍尔传感器的优点是：非接触运行，对温度变化不敏感，抗振性和防震性好。

霍尔传感器利用霍尔效应原理(图22)工作，其电路符号如图23所示。

图22 霍尔效应

图23 霍尔传感器的电路符号

磁场作用于载流半导体时，半导体端面处产生一个电压(霍尔电压)。如果通过半导体的电流强度保持恒定，则电压高低只取决于磁场强度。磁场强度变化时霍尔电压随之改变。作为磁性部件的位置传感器使用时，霍尔传感器在磁场变化很慢或不变化时优势非常大。在这种情况下，电磁式传感器不会输出感应电压。

实际应用中的霍尔效应传感器是一种集成式传感器(Hall ICs)。它具有一个用于控制电流的集成恒流电源和一个具有输出级的集成差频信号放大器。

在宝马车辆内霍尔传感器应用广泛，在不同的结构布置中，霍尔传感器可用于测量距离、确定位置(图24)、测量角度、测定加速度和测量转速。例如在安全带锁扣内、车门关闭系统内或作为折叠式车顶移动的位置传感器。

图24 霍尔传感器应用在发动机转速和位置传感器上

曲轴传感器是按照霍尔传感器原理设计的，其外形和电路如图25、图26所示。从发动机转速达到约20r/min时起，该传感器就会输出一个可评估信号。DME控制单元为传感器提供5V的恒定电压。该传感器有一块设计用作杯状磁铁的永久磁铁。霍尔传感器IC安装在该传感器前部。

图25 曲轴位置传感器的外形

图26 曲轴位置传感器电路

如图27所示，当脉冲信号轮的齿和齿间隙都移过传感器时，永久磁铁磁力线的通量密度就会改变，并由霍尔传感器IC探测到。霍尔传感器IC根据磁场强度在控制单元控制线上转换高电压信号或低电压信号。由于霍尔传感器IC具有这种精确的转换功能，因此可将一种反应出脉冲信号轮状态的方波信号送入控制单元。在控制单元内无需进行特殊调整即可使用这种信号。信号准确地在脉冲信号轮的齿中心点和齿间隙中心点处发生变化。这一点通过内部电路以及位置传感器的结构来实现。

图27 脉冲信号轮与传感器输出信号之间的关系

齿间隙后的第一个下降沿作为参考标记。在该点处，5号气缸的活塞置于TDC前84。脉冲信号轮有58个齿和2齿宽的间隙，该空隙起到同步标记的作用。曲轴每旋转一圈时，控制单元都会检查所探测到的齿数是否正确。

8.爆震传感器

爆震传感器是一个具有宽带特性的压电传感器。通过弹簧垫圈使压电环在测震块和传感器体之间拉紧。测震块加速时会向压电元件施加压力。因此在陶瓷元件的底部和顶部产生相反的电荷，在触点处产生电压。从而将振动转化为电压信号。这些电压信号通过屏蔽式导线发送到DME控制单元，控制单元对信号进行处理。爆震传感器安装在汽缸之间的发动机进气侧(图28)。

图28 爆震传感器的安装位置

由于传感器的所处位置，即使爆震程度较弱时，由燃烧室发出的结构噪音脉动也可传送至爆震传感器处。与发动机内燃油的燃烧有关，爆震限值不是一个固定变量，而是取决于不同的运行条件。为确保最佳燃烧过程，获知实际爆震限值并对点火正时进行相应调节是非常重要的，其结构如图29所示。

图29 爆震传感器的结构

如图30所示，压电元件将机械能转化为电能。压电元件的晶体结构因曲轴箱的振动(燃烧的结果)和测震块(振动延迟)的运动而不断改变。这种晶体结构的改变会产生一个以相同频率振动的电压。其振动强度会对电压有相当大的影响。减小作用力时会产生相反极性的电压信号。在压电元件上施加机械压力时，会暂时产生电压信号。

图30 压电元件的工作机理

9.雨量传感器、行车灯传感器和光照传感器

(1)雨量传感器

雨量传感器的任务是自动控制车窗玻璃刮水器。雨量传感器安装在风挡玻璃内侧，大多数情况下位于后视镜的底座内。雨量传感器测量较小测量区域内的潮湿程度，刮水器控制单元可以借此评估车窗玻璃的潮湿程度并在达到相应潮湿程度时启用刮水器。

如图31所示，雨量传感器借助三对红外线发射二极管和红外线接收二极管分析风挡玻璃的潮湿程度。通过成对使用红外线发射二极管和红外线接收二极管可以得到三个雨量范围。系统通过这些雨量范围识别雨量大小。根据风挡玻璃与空气分界面上的红外线反射情况识别雨量大小。反射率取决于风挡玻璃的污染和潮湿程度。

图31 E70雨量传感器的雨量测量机理

风挡玻璃清洁、干燥时，可反射全部红外线。如果风挡玻璃上有污物或被雨水淋湿，红外线反射率就会降低。车窗玻璃表面上的液体越多，反射的光线就越少，到达光电二极管的光线也越少。下大雨时传感器系统可以从间歇刮水自动切换到持续刮水。突然下起大暴雨时或者货车溅起的水落到风挡玻璃上时，该系统立即切换到最高速度档。如果仅有零星雨滴，则电子装置控制刮水器速度，以使驾驶员始终拥有良好的视野。避免刮水片在风挡玻璃上干摩擦，借此可以避免刮水片过度磨损。

(2)行车灯传感器

行车灯传感器用于自动控制车灯。例如，穿越隧道期间或光线变暗时自动接通行车灯。行车灯传感器探测环境亮度以及车辆前方光线强度(前部区域)。如图32所示，与雨量传感器一样，行车灯传感器也安装在风挡玻璃内侧。它通常与雨量传感器一起组合成晴雨传感器。

图32 环境光线传感器和前部区域光线传感器的结构

车辆运行时环境光线传感器识别环境亮度过低(光线阴暗、夜晚、多云)并向车灯控制单元发送信号。

(3)光照传感器

光照传感器为自动空调提供有关阳光照射情况的信息。阳光照射产生的热能影响车内温度。使用光照传感器可以更好地根据实际环境条件进行车内空气调节。自1999起宝马车辆内开始使用光照传感器。光照传感器影响空调系统的鼓风机、空气分层以及空气风门等组件。

如图33所示，光照传感器测量太阳照射到车辆上的角度。在此分开探测驾驶员侧和前乘客侧的太阳照射角度。行驶期间行驶方向的改变会造成太阳照射从前面、从侧面或从后面不断变化。因此光照传感器在任何时候都探测太阳照射情况。车内乘员处于这种太阳照射方向不断变化之中。其结果是太阳照射区域内的温度比未照射区域高。

图33 太阳照射角度的不同位置

光照传感器根据车辆相对太阳的位置测量太阳照射到车辆上的角度。自动恒温空调利用光照传感器的数值对此做出反应并营造舒适的车内环境。

(未完待续)