一种车身高度传感器信号检测电路的设计与分析

　　0　引言

　　20世纪50年代中期,在欧洲,机械控制的空气悬架系统开始用于动力车辆,尤其用于客车,而且应用的很成功,但很快被电子控制空气悬架系统(ECAS)代替。ECAS与常规空气悬架系统相比有很多优点:较小的弹性振动和较低的自身特有频率增加了驾驶的舒适性;车身的高度不随载荷的变化而变化;独立升降(使车辆的一边降低,有助于上、下车);减少路面磨损等。它是目前最先进的空气悬架系统,这种结构增加了操作的舒适性,而且升降容易。使用电子控制元件,大大提高了传统系统的功能[1-3]。在ECAS中,对车身高度的准确测量和有效控制,直接影响到车辆的行驶平顺性和操作稳定性。传统的车身高度控制机构为机械式的高度控制阀,测控精度不高,而且由于是机械式的高度控制阀,所以无法用于ECAS系统中。

　　目前,有些车辆使用光电式车身高度传感器,该传感器只能检测车身高度的某几个位置,测量精度不高,而电感式高度传感器具有可靠性高、线性范围宽、结构简单等优点,被广泛用于车辆的ECAS系统中。然而,车辆的工况条件复杂,特别是环境温度变化比较大,在高速公路上,环境温度可能高达40℃以上[4]。所以如何设计传感器检测电路并使它准确、可靠地测量车身高度是一个难点。设计了一种高度检测电路,充分考虑环境温度对电路各元件以及传感器参数的影响,使检测电路在高达60℃的温度下,仍然能使测量误差控制在1·5 mm以内。

　　1　车用高度传感器及检测原理

　　1. 1　车用高度传感器

　　该测量电路的传感器选用WAB0C0的4410500110型车用高度传感器,如图1(a)所示,它包含一个线圈,一个铁芯,铁芯在线圈中上下运动。图1(b)为传感器的安装图,它的一端安装在车身,另一端通过连接杆安装在车桥上。车身上下振动时,通过连接杆带动摆杆上下运动,从而移动铁芯,使电感值变化。当车身上升时,铁心向上运动,感应值变大;反之,感应值变小。在28℃条件下,经测量,实际的高度传感器可以等效为一个120Ω的电阻与8~35 mH的可变电感串联。

　　1. 2　高度检测原理

　　当车身达到某一高度时,使传感器转过一定角度,铁芯移动,电感值L变化到某一个值,单片机及检测电路间接地将电感值L转化为高度信号。

　　2　检测电路的硬件设计

　　2. 1　检测电路的工作过程

　　高度传感器检测电路见图2,所有的运算放大器均采用±9V的直流电源供电。高度传感器连接在运放A2的反相端,CON-TROL为输入端,OUTPUT为输出端。CONTROL端直接与单片机的I/O口相连,OUTPUT端与单片机时基模块的端口相连,将该端口设置成输入捕捉模式,触发方式设置为下降沿触发。该电路的工作过程如下:起始状态下,单片机在CONTROL端送入高电平,这时光电耦合器O1的输入端流过发光二级管的电流基本为零,输出端OUT与地之间电阻非常大,相当于开路,三极管Q1导通,它的集电极与发射极之间的电压接近于0V.运放A1组成电压跟随器,所以A1的正向端和输出端也接近于0 V,电感不充电,运放A2输出接近于0 V,因此比较器A3输出接近于+9 V的高电平信号,三极管Q2导通,光电耦合器O2的输入端流过6 mV左右的电流,由电路可知,光电耦合器输出端为低电平信号,施密特触发器输出3 V的高电平信号。输出端的光电耦合器和施密特触发器完成信号的调理和电平转换。当单片机在CONTROL端送入低电平时,单片机开始计时,并对OUTPUT端口的下降沿信号进行捕捉,此时运放A2的反向端产生0·85 V左右的电压信号,开始为电感充电,电感电流开始上升,A3反相端电压开始上升,当A3的反向端电压大于5 V时,比较器A3输出端输出接近于-9 V的电压信号,三极管Q2截止,光电耦合器O2的输入端电流基本为零,从而使O2的输出端为高电平,施密特触发器输出端为低电平信号。这时,单片机在OUTPUT端捕捉到下降沿,单片机计时结束,这样就计算出了电感的充电时间,同时在输入端送入高电平信号,使电感通过续流二极管续流,为下次的测量高度信号做准备。