一種車用顆粒物（PM）傳感器的研發(fā)

朱穎ZHU Ying；周妤ZHOU Yu；梁雪LIANG Xue；李照LI Zhao

（西安創(chuàng)聯(lián)科技（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，西安710065）

0 引言

隨著尾氣排放法規(guī)和OBD 系統(tǒng)的技術(shù)要求越來越嚴(yán)格，使得人們對用于柴油發(fā)動機(jī)尾氣處理系統(tǒng)的可快速啟動的高精確度PM 傳感器期望也越來越強(qiáng)。國內(nèi)暫時(shí)沒有成熟的產(chǎn)品可以大批量的進(jìn)入市場。因此，研發(fā)PM 傳感器對我國節(jié)能減排、提升汽車電子行業(yè)的技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 PM 傳感器芯體設(shè)計(jì)

電阻型PM 傳感器在使用功能、價(jià)格以及耐久度等方面都有較大的優(yōu)勢，而且可以直接檢測DPF 之后的碳煙排放。電阻型PM 傳感器基于多層陶瓷的傳感技術(shù)，由兩個(gè)像梳子一樣的交叉電極（該電極初始電阻無限大）、一個(gè)加熱器和一個(gè)測溫元件組成，圖1 為電阻型PM 傳感器元件示意圖。

圖1 傳感器元件示意圖

在傳感器工作過程中，兩交叉電極收集來自排氣中的碳煙，在交叉電極間形成了導(dǎo)電通路，根據(jù)碳煙累積量不同，電極間電阻值也不同。因此，通過掌握碳煙濃度和傳感器電阻之間的變化關(guān)系，就可以實(shí)現(xiàn)對排氣中碳煙濃度的檢測。另外，電極工作一段時(shí)間以后，由于碳煙在電極中沉積量越來越多，就會導(dǎo)致電極短路，因此需要設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)電阻達(dá)到該閾值時(shí)，傳感器的加熱元件開始工作，燒掉沉積的顆粒物，避免因碳煙沉積導(dǎo)致的電極短路問題電阻碳煙PM 傳感器的傳感器外殼主要用于保護(hù)傳感器，避免電極受到排氣中顆粒物的碰撞。

該P(yáng)M 傳感器的陶瓷芯片由3 個(gè)功能層組成，不同功能層上分布有工作電極、工作電極保護(hù)層、加熱電極、測溫電極等功能性電極。根據(jù)顆粒物在兩交叉電極間濃度和PM 傳感器電阻間的變化關(guān)系，設(shè)計(jì)了工作電極及保護(hù)層的形狀和厚度，利用ANSYS 軟件模擬尾氣在陶瓷芯片中的聚集再生過程，設(shè)計(jì)了加熱器的形狀和阻值分布。該結(jié)構(gòu)能夠有效提高信號的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對汽車尾氣中對PM的精確測量。具體結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 PM 芯片的結(jié)構(gòu)

陶瓷芯片功能層是由1 層到3 層不等的氧化鋁膜片疊壓而成，每層氧化鋁膜片的厚度為250μm。

第一功能層正面設(shè)置有工作電極，并覆蓋有工作電極保護(hù)層。PM 傳感器工作時(shí)，顆粒物在兩交叉工作電極間沉積使電極間的阻值發(fā)生變化。由于工作電極暴露于汽車尾氣中，長期受到尾氣中的硫化物、砷化物、硅化物等的侵害，會使電極很快老化失效，為了增強(qiáng)工作電極的抗腐蝕能力，需要在工作電極表面印刷多孔氧化鋁保護(hù)層，阻止廢氣中的有害成分與電極表面接觸，同時(shí)控制保護(hù)層厚度，可以擴(kuò)大顆粒物沉積在工作電極上的尺寸范圍。

第二功能層上分布有加熱器，用于對陶瓷芯片工作電極上聚集的顆粒物進(jìn)行加熱，使陶瓷芯片快速到達(dá)顆粒物燃燒溫度（800℃左右）。加熱電極頭部采用彎曲狀對稱設(shè)計(jì)，其目的是為了滿足陶瓷芯片工作時(shí)頭部的溫區(qū)分布要求，頭部電阻約為引線電阻的1.6 倍，該設(shè)計(jì)可確保陶瓷芯片頭部迅速升溫至顆粒物燃燒溫度，陶瓷芯片中部溫度保持在300℃以下，尾部溫度保持在85℃以下。

第三層功能層上設(shè)置有測溫電極，主要是為了實(shí)現(xiàn)對加熱器頭部溫度的精確控制。測溫電極根據(jù)Pt 電極電阻溫度線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對加熱器頭部電阻與溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，滿足PM 傳感器的工作溫度要求。

基于Pt 電阻阻值與溫度關(guān)系，設(shè)計(jì)測溫電極的形狀，不僅提高了陶瓷芯片的加熱速率，且縮短了產(chǎn)品的冷啟動時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間。

2 電控單元開發(fā)

電控單元主要用于控制和采集陶瓷芯片提供的代表PM 質(zhì)量濃度的電信號，通過CAN 總線通信將測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給ECU/DCU。具體如圖3。ECU 能夠?qū)鞲衅鞯臏y量值與事先由標(biāo)定獲得的DPF 下游的顆粒物傳感器臨界響應(yīng)時(shí)間信號進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)DPF 的OBD 檢測。當(dāng)響應(yīng)時(shí)間的測量值大于臨界預(yù)期值時(shí)，表明DPF 下游顆粒物濃度超標(biāo)，DPF 失效；當(dāng)響應(yīng)時(shí)間測量值小于臨界預(yù)期值時(shí)，表明DPF 下游顆粒物濃度未超標(biāo)，DPF狀態(tài)良好。

圖3 基于PM 傳感器信號的DPF OBD 檢測理論

結(jié)合PM 傳感器的工作原理，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件和軟件、制定通訊協(xié)議和模擬驗(yàn)證各個(gè)功能模塊，使得控制系統(tǒng)能夠滿足顆粒物傳感器的應(yīng)用需求。設(shè)計(jì)方案電路原理如圖3 所示。

控制系統(tǒng)不僅需要對顆粒物傳感器輸出的信號進(jìn)行處理，而且處理完成的信號需要共享到發(fā)動機(jī)其他控制單元。所以電路控制單元主要包括電源、加熱、測溫、信號處理、CAN 通訊等功能模塊。首先對傳感器芯片的溫度進(jìn)行檢測，并通過閉環(huán)控制芯片加熱元件的加熱電壓使其溫度保持在800℃左右；然后以SAEJ1939 協(xié)議為基礎(chǔ)，為PM 傳感器制定通訊協(xié)議；將電流值與響應(yīng)時(shí)間通過算法得出的顆粒物濃度數(shù)據(jù)發(fā)送給ECU；最后驗(yàn)證PM 傳感器控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊的功能。通過模擬輸入微電流信號驗(yàn)證控制系統(tǒng)的信號處理功能，并通過CAN 總線在開發(fā)板上的顯示處理結(jié)果驗(yàn)證通訊模塊的功能。

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PM 傳感器的控制系統(tǒng)硬件電路組合要由電源模塊、信號放大模塊、測溫、加熱、通訊和未處理模塊等構(gòu)成，整個(gè)PM 傳感器的控制系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。通訊模塊的硬件結(jié)構(gòu)主要包括集成了CAN 控制器的S9S08DZ60 芯片和高速CAN 收發(fā)器TJA1040。

圖4 PM 傳感器控制系統(tǒng)硬件電路示意圖

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PM 傳感器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，根據(jù)控制系統(tǒng)各模塊的功能將程序進(jìn)行分塊編寫，并在主程序中進(jìn)行調(diào)用和協(xié)調(diào)各個(gè)功能模塊運(yùn)行。SAEJ1939 協(xié)議明確規(guī)定了汽車內(nèi)部控制單元的地址配置、命名、通訊的方式和報(bào)文的優(yōu)先級等細(xì)節(jié)。

PM 傳感器控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括初始化模塊、CAN 接受和發(fā)送模塊、信號采集模塊、CAN 總線通訊中斷處理模塊和主程序模塊。控制系統(tǒng)初始化程序模塊主要包括：微處理器初始化、CAN 模塊初始化、A/D 初始化、RTI（Interrupt Return Instruction）初始化。其中CAN 初始化主要包括CAN 控制器進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)、波特率設(shè)置、濾波器設(shè)置、運(yùn)行模式的選擇和等待總線時(shí)鐘同步。

3 傳感器測試方案

針對德國大陸的PM 傳感器搭建了測試平臺，并對整套產(chǎn)品、陶瓷芯片及電控單元進(jìn)行了測試，根據(jù)測試數(shù)據(jù)制定了測試方法和產(chǎn)品性能指標(biāo)。具體測試流程如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品性能測試流程圖

3.1 陶瓷芯片性能測試

PM 傳感器陶瓷芯片性能測試主要包括三部分：PM濃度與電阻關(guān)系測試、加熱器電阻與溫度關(guān)系測試、輸出電流與響應(yīng)時(shí)間關(guān)系測試。

顆粒物濃度與電阻關(guān)系測試：PM 濃度主要由輸出的電流值表征，為保證陶瓷芯片正常工作，需保證廢氣溫度，規(guī)定顆粒物濃度范圍為0~25mg/m3，電流值為幾十μA 至500μA 之間，當(dāng)電流值達(dá)到最大值時(shí)，加熱器啟動工作模式，將顆粒物燒掉，實(shí)現(xiàn)PM 傳感器的再生。

加熱器溫度與加熱器阻值測試：PM 傳感器陶瓷芯片加熱器工作溫度受廢氣溫度影響較大，從而影響PM 傳感器的測量精度。在不同廢氣溫度下對陶瓷芯片進(jìn)行電流值測試，確定最佳加熱器工作溫度。

氣氛環(huán)境下聯(lián)合測試：通過調(diào)節(jié)顆粒物與空氣的配比，變換顆粒物濃度（0mg/m3至25mg/m3），測量輸出電流模擬量，判斷其與顆粒物濃度是否呈線性關(guān)系，能否滿足PM 傳感器的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。

3.2 電控單元性能測試

PM 傳感器工作時(shí)，需要電控單元實(shí)時(shí)采集陶瓷芯片電流信號進(jìn)行精確控制。電源模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、采集模塊的性能將直接影響PM 傳感器成品性能，因此在組裝成品前需對各模塊性能進(jìn)行測試。

3.3 成品性能測試

標(biāo)定測試：采用封裝完成的探頭與電控單元進(jìn)行配合，在顆粒物濃度和氣流速度變化下，記錄電流數(shù)字量與響應(yīng)時(shí)間、顆粒物電阻與電流數(shù)字量的關(guān)系，完成對探頭氣氛濃度的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)傳感器對顆粒物濃度與響應(yīng)時(shí)間的識別。

工作電壓測試：采用直流穩(wěn)壓可調(diào)電源GPC-6030D直接供電，對傳感器進(jìn)行高低電壓測試，確定其工作電壓范圍。傳感器裝車后，通過車載12/24VDC 直流電源直接供電，但實(shí)際過程中，機(jī)動車供電電壓存在較大波動，傳感器工作輸入電壓需較寬范圍。因此行業(yè)要求工作電壓為21.6V＜U＜32V，本設(shè)計(jì)PM 傳感器工作電壓為18V＜U＜36V。

冷啟動時(shí)間測試：記錄傳感器電控單元通電啟動到信號輸出穩(wěn)定所需的時(shí)間。汽車啟動時(shí)顆粒物排放量遠(yuǎn)大于正常工作，因此傳感器啟動后需快速輸出穩(wěn)定的顆粒物濃度和響應(yīng)時(shí)間的信號，設(shè)計(jì)要求：顆粒物濃度3mg/m3＜750s；顆粒物濃度8mg/m3＜300s。

響應(yīng)時(shí)間測試：響應(yīng)時(shí)間是指測量氣體顆粒物濃度發(fā)生變化時(shí)，PM 傳感器輸出信號值隨之改變所需時(shí)間。測試氣氛顆粒物濃度從0mg/m3至25mg/m3變化τ10%~90%所需時(shí)間及25mg/m3至0mg/m3變化τ90%~10%所需時(shí)間。

PM 測量精度測試：測量顆粒物濃度輸出信號，將其與標(biāo)準(zhǔn)顆粒物濃度對比得出線性曲線，能夠直接表征傳感器的測量精度。

PM 傳感器輸出信號直接反饋機(jī)動車尾氣排放顆粒物濃度，并涉及DPF 系統(tǒng)和SCR 對顆粒物的處理情況以及DPF 是否正常。影響傳感器測量精度的主要因素為：氣體通入的流量、電控單元的溫度、傳感器的安裝位置等。若測量精度出現(xiàn)誤差，會造成尾氣中顆粒物測試不準(zhǔn)確，使得尾氣排放不達(dá)標(biāo)或產(chǎn)生二次污染，因此PM 傳感器的測量精度是傳感器最重要的技術(shù)指標(biāo)。

對標(biāo)測試：使用顆粒物與空氣混合氣，調(diào)節(jié)出不同濃度的顆粒物濃度氣氛（顆粒物濃度為0-25mg/m3）進(jìn)行對標(biāo)測試。

臺架隨機(jī)動態(tài)性能測試：在發(fā)動機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行傳感器臺架隨機(jī)動態(tài)性能測試。

車載試驗(yàn)：在柴油車上進(jìn)行為期一周的車載試驗(yàn)，檢測傳感器是否能與SCR 系統(tǒng)和DPF 系統(tǒng)配合進(jìn)行正常工作。

4 結(jié)論

該文章從PM 傳感器的采樣陶瓷芯片和電路控制策略及測試方案詳細(xì)介紹了PM 傳感器開發(fā)的核心技術(shù)，為該類傳感器產(chǎn)品的開發(fā)提供了詳細(xì)的技術(shù)支持，具有重要的參考價(jià)值。