基于MAX1452的發動機進氣壓力傳感器的設計

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

基于MAX1452的發動機進氣壓力傳感器的設計

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

根據當前現代汽車電子技術ECU（電子控制單元——行車電腦）系統的要求設計了一種進氣壓力傳感器，用于發動機電子控制，基于Maxim公司高度集成的傳感器調理芯片MAX1452，實現了溫度補償等功能，在高精度采集下實現了其體積和功耗相當微小的特點，該傳感器的實際應用表明，實現了小型化，高低溫、強振動、高溫沖擊和機械沖擊以及化學污染等惡劣環境中使用。

溫度補償；在線測試；MAX1452

引言

隨著電子技術、傳感器技術的飛速發展，汽車電子控制技術更加成熟完善，在汽車上已廣泛應用，許多傳感器測量裝置已經成為汽車的標準配置，發動機電子控制技術是核心控制其中之一，本文所研究的發動機進氣壓力傳感器對進氣歧管的絕對壓力的測量，并將其送至電子控制器（ECU），控制基本噴油量和點火正時角度。

1 壓力傳感器

1.1 傳感器作用

進氣壓力傳感器（Manifold Absolute Pressure Sensor），簡稱MAP。它以真空管連接進氣歧管，由于發動機轉速和負荷的大小檢測出歧管內絕對壓力的變化，將其轉換成0.5V至4.5V的電壓信號，供ECM電腦修正噴油量和點火正時角度。電壓型壓力傳感器控制原理見圖1。

ECM電腦輸出5V電壓給進氣壓力感器，再由信號端檢測電壓值。當引擎在怠速時，其電壓信號約1～1.5V，節氣門全開時，則電壓信號約4.5V。

1.2 傳感器的類型選擇

在當今發動機電子控制系統中，應用較為廣泛的壓力傳感器為壓阻式壓力傳感器。該傳感器具有響應時間快、檢測精度高、尺寸小、安裝靈活方便等優點。

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過半導體平面工藝，采用離子注入和擴散技術在單晶硅的一定晶向的一定位置上形成惠斯頓電橋。硅片的一側是真空室，另一側感受被測壓力。硅片在被測的絕對壓力作用下產生變形，根據半導體壓阻效應，電橋失衡，產生一個輸出電壓。被測的絕對壓力越高，硅片的變形越大，其變形量與壓力成正比，即把硅片機械式的變化轉變成了mV級電壓信號。

壓阻式進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級電壓信號進行放大的混合集成電路組成。利用這種原理，可把進氣歧管內壓力的變化轉換成電信號。再由集成電路放大后輸出至ECU。

在電控多點燃油噴射系統中，精確測量進入發動機空氣量大小非常重要，該信號是電控單元精確計算噴油量的主要依據。

2 電路設計

壓阻式壓力傳感器具有很多優點，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，由于工藝上細微的不同導致其在相同的壓力下靈敏度輸出不同。溫度漂移是指在環境溫度變化時，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行溫度補償和非線性校準。傳統的校準方法是采用溫度敏感元件和模擬電路實現。由于機車進氣環境溫度為-45℃～130℃，因此，需要對傳感器進行多點溫度補償，本文基于MAX1452信號調理芯片開發了一個智能補償系統以對硅壓阻傳感器進行補償。

本設計應用精密的信號調理器MAX1452的調理技術，設計開發了硅壓阻式傳感器的補償與標定系統。

2.1 補償芯片 MAX1452介紹

MAXIM公司生產的MAXl452型高精度硅壓阻式壓力信號調理器芯片，是一款高度集成的模擬傳感器信號處理器，可以補償零點失調、靈敏度溫度漂移和非線性等多個參數，可以在規定的溫度范圍內對傳感器進行多點全自動補償。MAX1452具有放大、校準和溫度補償功能，可以多點逼近傳感器所固有的可重復指標。全模擬信號通道不會在輸出信號引入量化噪聲，利用集成的16位數模轉換器(DAC)實現數字化校準，偏移量和量程可以校準在±0.02%F.S.之內。賦予了傳感器真正的可互換性。其功能框圖見圖2。

圖2 MAX1452功能框圖

2.2 壓力測試電路原理

壓力傳感器的供電端為BDR,傳感器的信號輸出正端為INP，輸出負端為INM。為保證供電電壓的穩定，用三端高精度穩壓管TL431進行穩壓，使MAX1452工作電壓穩定。其測試電路原理見圖3。

3 傳感器的校準及補償

3.1 校準補償目的

校準的目的是使傳感器的零點輸出為一個標準的值。靈敏度的校準是恒流驅動時，傳感器的靈敏度正比于傳感器橋路的激勵電流。

3.2 溫度補償

MAX1452用多個線性區段來近似實際的溫度誤差曲線，線性區段的補償系數保存在內部EEPROM中。溫度信號V(T)取自橋路的端電壓，用一個12位ADC將V(T)轉換為數字量并用此數字量去尋址EEPROM，就可得到不同線性區段的補償系數D(T)。從EEPROM取出的失調和FSO補償系數分別被寫入兩個16位DAC（OFFSETDAC和FSODAC），補償系數通過對傳感器誤差測試數據進行曲線擬合得到。溫度測試點越多、曲線擬合精度越高，則補償精度也越高。但過多的測試點會增加測試工作量，增加生產成本。補償后的殘留誤差還與誤差曲線的非線性程度有關。

圖3 測試電路原理圖

圖4 傳感器校準系統圖

3.3 壓力傳感器全溫區在線調試

采用專用校準測試系統進行在線數字補償，保證傳感器的性能指標滿足設計要求。傳感器的調試校準部分，需要硬件設備和校準軟件。它可以對基于MAX1452的傳感器進行精確的校準并且可以對其實現溫度補償。校準后可以使傳感器輸出精度達到千分之一以上。傳感器校準系統見圖4。

只需要將校準系統硬件連接到計算機后，運行校準軟件，再經過相關的配置，按照軟件的提示操作完畢后即可實現對MAX1452傳感器的校準和補償操作。

4 結構設計

發動機進氣壓力傳感器應用場合非常復雜，使用條件很惡劣。整體結構不但要滿足使用環境中的沖擊、振動、防水等要求，還要滿足安裝結構的要求，生產工藝、結構設計和裝配有一定的難度要求。

因此，在傳感器的結構、灌封、引出線的選擇和焊接、連接器的選擇等環節均要考慮環境指標要求，采取了一系列措施。

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

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

5 結論

本文設計的發動機進氣壓力傳感器，通過大量測定的數據進行誤差分析后，它的功能和性能指標達到了設計的基本要求。基于MAX1452的發動機進氣溫度壓力傳感器滿足現場的使用要求，改進了壓阻式傳感器補償的方法，提高了補償的精度和準確度，具有很好的市場應用前景。

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

[2]趙妍,劉志珍．基于MAX1452的壓力傳感器溫度補償．電氣應用．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