汽車側(cè)向傾斜角度傳感器的應(yīng)用初探

　　引言

　　概述隨著電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，汽車的安全性、舒適性和智能性越來越高。汽車側(cè)向傾斜角度傳感器的應(yīng)用是防止汽車在行駛中發(fā)生傾翻事故的一種有效方法，是提高汽車安全性的重要措施，特別是越野車、雙層客車等重心較高的汽車更有必要。

　　汽車傾翻的實質(zhì)是：行駛中向外的傾翻力矩大于向里的穩(wěn)定力矩，當(dāng)重心高度一定時，傾翻力矩由傾翻力（向外的側(cè)向力）決定。根據(jù)物理學(xué)知識，傾翻力由路面的側(cè)向（亦稱橫向）坡度產(chǎn)生的下滑力F1和轉(zhuǎn)彎時所受向心力F2共同作用所產(chǎn)生，具體如下：

　　式中

　　m——汽車質(zhì)量

　　g——重力加速度

　　α——路面與水平面的側(cè)向夾角

　　v——汽車行駛速度

　　R——轉(zhuǎn)彎半徑

　　由以上2式可知，為了減小傾翻力，只有減小v是可行的，而且F2v2。根據(jù)牛頓第三運動定律，轉(zhuǎn)彎時汽車在受到向心力作用的同時，產(chǎn)生與向心力大小相等、方向相反的離心力，因為汽車質(zhì)量m是一定的，當(dāng)向心力不能滿足v2R的增大時，傾翻力矩大于穩(wěn)定力矩，就會發(fā)生傾翻。

　　因此，應(yīng)降低車速，進而減小傾翻力矩，將角度傳感器按擺動方向在汽車上側(cè)向布置，根據(jù)角度傳感器產(chǎn)生的角位移，可得出汽車所受下滑力、向心力作用產(chǎn)生的傾翻力的大小，當(dāng)角位移達到預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時，使汽車減速。

　　1 角度傳感器

　　利用重力原理制造的角度傳感器如圖1所示。擺動部分的質(zhì)量為m,重心距轉(zhuǎn)軸的距離為L,當(dāng)汽車車體傾斜或做曲線運動時，均能使擺動部分偏轉(zhuǎn)。設(shè)圖1中的受力分析是無任何摩擦的理想狀態(tài)下，力F為下滑力F1和向心力F2共同作用的結(jié)果，力F與傾翻力成正比，所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角度也就與傾翻力成正比。擺動部分所受重力G與F的合力T是擺桿所受拉力，擺動角度=tg-1（F/G），與L無關(guān)，當(dāng)質(zhì)量m一定時，只與F有關(guān)，且成正比。實際上，由于存在轉(zhuǎn)軸等處的摩擦，則L越長，擺動轉(zhuǎn)矩越大，精度越高。

　　角度傳感器在控制系統(tǒng)中通常作為采樣元件，其性能的優(yōu)劣對整個系統(tǒng)起著重要作用。電位器式角度傳感器已在各種控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，但它的缺點是存在觸點的滑動磨損和電噪聲；磁敏電阻式角度傳感器是利用半導(dǎo)體技術(shù)制造的新型純電阻性元件，特點是無觸點，當(dāng)擺動部分偏轉(zhuǎn)時，通過磁敏電阻的磁通量發(fā)生變化，使磁敏電阻的阻值發(fā)生數(shù)倍以上的變化，從根本上消除了電噪聲，并使精度得以提高。

　　各種角度傳感器都具有阻尼功能，使得對所測得角度的響應(yīng)有一個短暫的延時對控制系統(tǒng)來講是有益處的。

　　2 角度傳感器電路

　　圖2是側(cè)向傾斜角度傳感器的一種實用電路，主要由單電源運算放大器（如LM324）組成，其作用是將角度傳感器中的電位器W1輸出的線性變化的模擬電量進行處理、放大，能夠按規(guī)定輸出數(shù)字量和模擬量。令水平時電位器W1滑動點Ui的電位為（12）Ec（Ec為穩(wěn)壓電源電壓，通常為9V或15V,下同），R1、R2、R3、R4為附加電阻，并使R1=R2,R3=R4,W2為調(diào)中電位器，阻值很小。調(diào)整W2,當(dāng)W1處于水平狀態(tài)時，使運放A1、A2輸出端電位為（12）Ec。運放A1組成反相比例運算放大器，作為電路的前置級放大，輸入電壓為Ui,輸出電壓U1=-（R7R5）Ui,且應(yīng)使R6=R5%R7;運放A2組成反相器，電阻R10=R8,且應(yīng)使R9=R8%R10;輸出電壓U2=-U1=（R7R5）Ui。A1和A2的輸出端分別由發(fā)光二極管LED1、LED2組成或門電路輸出，使得汽車不論是左傾還是右傾，輸出端Uo1均能輸出與輸入量Ui（隨傾斜角度變化）成正比例線性關(guān)系的模擬信號，即Uo1=（R7R5）|Ui|,去控制后面的電路或機構(gòu)。發(fā)光二極管還能指示傾斜方向，當(dāng)水平狀態(tài)時，模擬量輸出端Uo1=（12）Ec：

　　運放A3、A4和A5、A6分別組成窗口比較器，電阻R20、R23、R26、R29是阻值較大的正反饋電阻，以改善運放的開關(guān)狀態(tài)工作性能，電阻R13~R17為分壓電阻，且應(yīng)R14=R15,R16=R17,電阻R13中點處的電位為（12）Ec,分壓電阻的阻值應(yīng)根據(jù)U2的變化所反應(yīng)的傾翻力決定，使得運放A3和A5的反相輸入端、運放A4和A6的同相輸入端獲得不同的開關(guān)轉(zhuǎn)換基準電位，而且所反應(yīng)的左右傾斜程度是一致的。水平時，U2=（12）Ec,運放A3~A6均輸出低電平；傾斜時，U2的電位發(fā)生變化，運放A3~A6按規(guī)定要求輸出高電平。例如，電位器W1左擺時，使U2電位升高，當(dāng)高于A點電位時，運放A3輸出高電平，二極管LED3顯示傾斜方向，若汽車繼續(xù)向左傾斜，使U2電位繼續(xù)升高，當(dāng)高于C點電位時，運放A5輸出高電平，二極管LED5顯示傾斜方向且程度加重；同理，若電位器W1右擺，運放A4和A6的工作亦如此。2個輸出端Uo2和Uo3輸出的數(shù)字信號所反映傾斜程度與傾斜方向無關(guān)，很明顯，Uo3有高電平信號輸出時，Uo2已經(jīng)輸出高電平，Uo3所反映的傾斜程度大于Uo2。