共軌壓力傳感器的試驗研究范文

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《車輛與動力技術雜志》2014年第二期

1干擾機理分析

在ECU的系統中，大量的傳感器都屬于敏感易受干擾的設備，分析其敏感現象與ECU系統組成可知，造成發動機熄火及轉速大幅下降的原因，可能是由于表1中列出的信號在處理的過程或路徑上受到了外界電磁干擾，從而導致ECU控制發動機出現非正常的響應．由柴油高壓共軌電控發動機的噴油控制原理可知，ECU根據各傳感器反饋的數據，計算出目標噴油壓力，同時根據共軌壓力傳感器反饋的壓力值，定出實際噴油壓力;而共軌壓力傳感器輸出信號電平在1～4V范圍內是隨共軌燃油壓力值增大而增大的．在車輛怠速運轉的正常狀態下，當壓力信號電平增大時，ECU將控制轉速降低以減小噴油壓力，噴油壓力反饋給ECU的信號電平應在1～1.7V范圍內．如果在共軌內的實際壓力沒有發生變化，只是傳感器在受干擾的情況下輸出了一個錯誤的信號電平，那么ECU將控制發動機降低轉速，最終導致共軌內燃油壓力不足以維持怠速運轉條件，從而表現出轉速下降并熄火的現象．

2電磁干擾分析

下面將從電磁干擾構成的三要素(干擾源、耦合途徑以及敏感設備)來對干擾現象進行進一步的分析．

2.1電磁干擾源該測試車輛由于其高機動的特性，可能會處于各種天線發射產生的輻射電磁場內，這些輻射電磁場在線纜上的耦合效應將產生共模干擾．比如，該車安裝的超短波通訊電臺，在其大功率發射時，在天線基座附近產生的場強可以達到70～80V/m．因此，即使從系統內兼容的角度考慮，這種干擾源也是必然存在的而且無法改變;同時，由于車輛車體設計的需求，不可能采取完整的車體屏蔽，所以，為了解決共軌壓力傳感器的敏感問題，只能從另外兩個要素上尋找解決方案．

2.2干擾耦合途徑

2.2.1地回路耦合途徑由圖2可以看到，共軌壓力傳感器為金屬封裝，與發動機主體的連接方式為金屬螺紋連接．發動機主體沒有設置專門的搭接線接地，僅起動機有一根50mm寬度的接地線連接至電瓶負極．從車輛檢查情況看，車架表面涂有防銹漆，發動機與車架間有減震墊連接，僅靠固定螺栓很難保證足夠小的接地電阻．因此整個車體地上存在著較大的交流阻抗，面對外部電磁輻射場，電磁場在車體表面容易形成渦流，通過地回路串擾進傳感器電路中．

2.2.2傳輸線纜耦合途徑ECU連接傳感器的線纜，采用了普通電纜連接，沒有采取絞合或屏蔽的措施，特性阻抗很不穩定，線纜間距很小，容易引起高頻干擾信號的串擾．如果線纜兩端的連接設備沒有同時做好濾波，則干擾信號將直接或間接地進入電路中，引起敏感現象．

2.3敏感設備(電路)共軌壓力傳感器，是將共軌內傳遞的燃油壓力，通過壓敏電阻的阻值變化以改變電橋的平衡狀態，并將壓力值轉換為電壓信號(Vh和Vl)，通過放大器將該電壓信號放大，然后輸出到ECU進行解算控制發動機的噴油壓力．電橋輸出的電壓非常微弱，放大器的放大倍數接近400倍，輸出給ECU的共軌燃油壓力信號也是一個在1～4V范圍內變化的電壓信號．在施加干擾的情況下，干擾能夠通過線纜的耦合、地回路的耦合進入到傳感器電路中，導致敏感現象的出現［2］．

2.3.1傳感器前部———壓力采集轉換部分如圖3所示，電橋輸出的電壓(Vh和Vl)是十分微弱的信號，PCB上的線間耦合以及地回路的串擾，很容易影響其信號品質．如果在電橋輸出信號與放大器之間不設計濾波電路濾除高頻干擾信號，當干擾達到一定的強度后，干擾信號也會由放大器輸出到后級，并影響ECU的解算．共軌壓力傳感器為金屬封裝，與發動機主體的連接方式為金屬螺紋固定，相當于與車體共地．如果PCB內部的參考地與車體地隔離不好，外部輻射干擾在車體金屬外殼上形成表面電流，這種地電流就有可能由地回路進入PCB內部并干擾電橋輸出的微弱電壓信號，而且電橋輸出與放大器之間沒有設置濾波電容，干擾信號經放大器放大后必然會影響共軌燃油壓力信號的輸出電平:這就印證了在10V/m的外加干擾場強下仍然出現發動機熄火現象的原因．

2.3.2傳感器后部———共軌壓力信號輸出部分從圖4可見，傳感器電路的輸出部分考慮了濾波措施，首先傳感器內的參考地取自ECU的信號地，并且為避免長線纜傳輸路徑上耦合的干擾，使用了磁珠與電容的LC濾波電路，這些均起到了濾除高頻噪聲的作用．同樣，在輸入5V電源與輸出信號端，也都采用了磁珠加電容的LC濾波電路，也應該具有一定的效果．但傳感器廠家在前期對傳感器進行電磁兼容測試時，使用的是屏蔽線纜，同時在測試桌的接地平板上兩端接地，這些措施與實際裝車情況不符;并且整車測試時耦合的干擾電流的強度也應高于其前期的試驗室測試．因此，濾波元器件的參數選擇，以及是否增加其他濾波措施，是應該按實際裝車狀態來進行設計．

3共軌壓力傳感器抗干擾設計改進及復測驗證

3.1改進濾波設計從圖3、圖4中可知，原傳感器已經考慮了信號的濾波，但僅在傳感器輸出前端采取了濾波，磁珠、電容的參數也沒有按照GJB151A中CS114項要求的干擾信號強度進行選取，沒有綜合考慮干擾的前門、后門效應，因此，應著手在以下3個方面加強設計:1)在電橋輸出與放大器電路之間，增加低通濾波電路，需要兼顧考慮響應時間常數(τ1)與增益要求，低通濾波器的時間常數(τ2)應小于并等于τ1，并留出30%的設計余量．共軌壓力傳感器內部電路中，在輸入的5V電源、輸出的共軌壓力信號與地之間，根據共軌壓力傳感器設計響應時間常數(τ1)與增益要求，增加合適參數的濾波電容，濾除高頻部分的雜散信號;2)LC濾波之后增加并聯穩壓二極管，使得電源電壓更加平穩．由于穩壓二極管的作用，電源接通瞬間的過度特性得以改善，從而增強了輸入電壓同輸出信號的穩定性;3)在ECU內部的PCB上，對于與共軌壓力傳感器連接的信號輸入輸出電路，也應考慮同樣的濾波處理，以濾除不必要的高頻雜散信號，提升系統的抗干擾能力．如圖5所示，虛線框內就是電橋采集信號后以及信號放大輸出之前，電路中增加的濾波電路。

3.2復測驗證結果將改進后的共軌壓力傳感器安裝回發動機后，按照同樣的測試位置與干擾信號強度，在同樣的車輛狀態下進行復測，沒有再出現發動機運轉異常的現象．通過示波器監測傳感器輸出信號，也沒有出現異常的信號波動，復測結果滿足標準要求，達到了預期的目的．

4結束語

壓力傳感器是車輛電控系統的重要組件，其自身對靈敏度、精度和響應速度要求較高，因此容易受到外界電磁干擾，而濾波設計往往會降低系統的響應速度，因此恰當的濾波設計顯得尤為重要．再綜合考慮器件選擇，屏蔽、接地設計等電磁兼容性設計元素，從電磁干擾的三要素出發，重點保護敏感電路，阻斷干擾耦合的途徑，實現基于系統功能、性能要求的傳感器電磁兼容性設計．

作者：曹俊鄭潔單位：中國北方車輛研究所