The Simulation Realization of Automobile Inlet Pressure Sensor Based on Multisim
张淼 ZHANG Miao；李纪红 LI Ji-hong；陈影 CHEN Ying
（陆军军事交通学院，天津 300161）
（Army Military Transportation University，Tianjin 300161，China）
摘要：本文介绍了汽车进气压力传感器的组成，主要包括压力转换元件、集成电路两个部分，并对电路利用Multisim软件进行仿真调试，从而帮助我们更加直观的理解汽车进气压力传感器的组成和功能。
Abstract: This paper introduces the composition of automobile inlet pressure sensor. It mainly comprises the pressure conversion components and integrated circuit. With Multisim software simulating and debugging, it help us more directly to understand the composition and function of automobile inlet pressure sensor．
关键词：Multisim 压力转换元件；集成电路；仿真
Key words: Multisim pressure conversion components；integrated circuit；simulation
中图分类号：S951.4+3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）36-0158-03
0 引言
目前进气压力传感器在汽车上应用比较广泛，它的作用是检测发动机进气量大小，并将进气量信息转换成电信号输入给电控单元（ECU），从而计算并确定喷油量。精确测量进入发动机的空气量大小至关重要，它直接关系到是否能精确计算出电控单元喷油量。
压力传感器按照敏感元件的测量原理可分为电阻应变式、压阻式、电感式和电容式等，目前应用较为广泛的是半导体压阻式和电容式。本文主要介绍压敏电阻式进气压力传感器的电路，并对该电路利用Multisim软件进行仿真调试。
1 压敏电阻式进气压力传感器
压阻效应是指在应力作用后，单晶硅材料的电阻率发现明显变化的现象。压敏电阻式压力传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的[1]，其优势是检测精度高、动态响应时间快、灵敏度高、易于微型化和集成化且安装灵活等，在D型电控燃油喷射系统的进气压力传感器中具有广泛的应用空间和前景。市场上各类车型的压敏电阻式进气压力传感器繁多，但其结构均大同小异，其组成部分主要包括压力转换元件和把转换元件输出信号进行放大的混合集成电路，电路如图1所示。
2 压力转换元件
压力转换元件[1]是利用半导体的压阻效应制成的硅膜片。运用集成电路加工技术和台面扩散技术在薄膜片表面的圆周上制作4只阻值相等的压敏电阻，将4只电阻连接成惠斯顿电桥电路，如图2a、图2b所示，然后再与信号放大电路等集成电路连接。
硅膜片的一侧导入进气歧管压力，另一侧是真空室，当发动机工作时，封装在真空室内的硅膜片，由于一侧受进气压力的作用，另一侧是真空，所以在进气歧管压力发生变化时，硅膜片产生应力变形，进气歧管内绝对压力越高，硅膜片的变形越大，其变形量与压力成正比，附着在薄膜上的应变电阻的阻值则产生与其变形量成正比的变化。从而导致惠斯顿电桥上电阻值的平衡被打破，当电桥的输入端输入一定的电压时，在电桥的输出端就可得到变化的信号电压。集成电路IC将这一电压放大处理，作为进气歧管压力信号送给ECU。ECU根据发动机转速、节气门开度、进气歧管绝对压力与进入发动机气缸的空气流量的对应关系，计算出进气量，从而计算出基本喷油量。
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3 集成电路
3.1 集成运算放大器的组成[2]
集成运放内部电路一般由四部分组成。
①偏置电路。偏置电路的作用是为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路构成。
②中间级。要求电压放大倍数高，常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。
③输出级。输出级与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。
④输入级。要求输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差分放大器。
3.2 集成运算放大器的图形符号与特性
3.2.1 集成运算放大器的符号
集成运放的符号如图3所示。它有三个端子，其中两个输入端、一个输出端。图中输入端的“+”、“-”号表示输入间的相位关系。标“-”（或用N）的一端为反相输入端，当输入信号从该端输入时，输出信号与输入信号的相位相反；标“+”（或用P）的一端为同相输入端，表示以该端输入信号时，输出信号的相位与输入信号的相位相同；输出端用uo表示；■符号表示传输方向，Auo符号表示运算放大器的放大倍数。
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3.2.2 理想运放
随着电子技术的高速发展，我们在实际生活中使用的集成运算放大器已经十分接近理想放大器。因此，在分析集成运算放大器时，一般都是假定其是理想状态下的，其理想状态下表现出以下特性：
①开环输出电阻ro趋于零，即ro→0；②开环输入电阻ri趋于无穷大，即ri→∞；③开环电压放大倍数Auo趋于无穷大，即Auo→∞；④共模抑制比KCMRR趋于无穷大，即KCMRR→∞。
虽然集成运算放大器不可能具备上述理想特性，但在低频工作时它的特性是十分接近理想的。理想集成运放的符号如图4所示。
3.2.3 理想运放的电压传输特性
理想的集成运放有两个工作区，线性区和非线性区，如图5所示。理想的集成运放工作在线性区得到的两个重要结论，开环电压放大倍数Auo趋于无穷大，可以得到u+≈u-，称为虚短，开环输入电阻ri趋于无穷大，可以得到i+=i-≈0，称为虚断。压敏电阻式进气压力传感器就是线性区的应用，利用虚短和虚断。
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3.2.4 减法运算电路[3]
压敏电阻式进气压力传感器中的集成电路，用到的是集成运放构成的减法运算电路，电路如图6所示。核心器件集成运放，输入电压ui1通过电阻R1加到了反相输入端，输入电压ui2通过电阻R2和R3的分压加到了同相输入端，电阻R3接地，输出电压为uo，输出端通过电阻Rf接入反相输入端，构成了闭环。有两个输入电压所以利用叠加原理[4]，ui1单独作用时，得到的是反相比例运算电路，得到■。ui2单独作用时，得到的是同相比例运算电路，得到■，通过叠加得到■。从这个表达式可以看出输出电压等于两个输入电压的差，只是乘了比例系数，所以就称为减法运算电路。输出电压和输入电压的关系只和外部电路的参数有关。四个电阻的关系，平衡电阻公式R1//Rf=R2//R3。如果R1=R2且R3=Rf，就可以得到■，进气压力传感器中的集成电路上用到的就是这个公式。
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R1=R2，根据虚短u+≈u-，所以总体结构也对称，所以这两个输入电压ui1和ui2相等都等于■Vcc，所以输出电压uo=0。进气压力是加在一个压敏电阻上的，当这个压敏电阻受到压力时，电阻的阻值会发生变化，这时候ui2不再等于■Vcc，而是近似等于■，而ui1不变，所以输出电压uo≠0，得到的是这样一个表达式■，和电阻的变化成线性关系，也就是和进气压力成线性关系，压力不同，这个压敏电阻的阻值就不同，那么输出的电压信号就不同，输出的电压信号提供给ECU，从而控制汽车的喷油量。
4 电路仿真
在multisim[5]环境下搭建了这个电路，如图7所示，电桥电路中三个电阻的阻值相同都是50Ω，剩余的一个电阻选取的是滑线变阻器，总电阻是100Ω，最开始滑动触端在中间，所以电阻也为50Ω，可以观测得到输入电压ui1和ui2相等都等于■Vcc，等于5V，R1=R2=10kΩ，R3=Rf=100kΩ，u+和u-相等等于R3对ui2的分压，等于4.54V，为了观察结果在输出端加了一个示波器，A通道测的是输出电压uo，B通道测的是ui2-ui1的值，观察仿真结果如图8所示，数量级一个是mV，一个是μV，这两个量都接近于0，和理论值非常接近。
当滑线变阻器的阻值发生变化时，比如说它的阻值变为70Ω，如图9所示，那么ui2≠5V，得到的是4.17V，而ui1不变，这时u+和u-也跟随ui2发生变化，得到的是3.79V，观察仿真结果如图10所示，可以看出uo=-8.3V，不再为0，ui2-ui1=-830mV，也不为0，而且放大了10倍。这些结果经过验证确实和理论值一样。
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5 结论
本文主要介绍了汽车进气压力传感器的组成，主要包括压力转换元件、集成电路两个部分，并对电路利用Multisim软件进行仿真调试，可以帮助大家更加直观的理解汽车进气压力传感器的组成以及功能。
参考文献：
[1]姜楠.车用进气压力传感器的原理及应用[J].轻型汽车技术，2013（10）.
[2]康华光．电子技术基础模拟部分[M].北京：高等教育出版社，2014.
[3]阎石.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2008.
[4]秦曾煌.电工学（上册）[M].北京：高等教育出版社，2009.
[5]周爱华.Multisim10在电工电子设计性实验中的应用[J].重庆电子工程职业学院学报，2010，3（19）. |
