汽车侧向倾斜角度传感器的应用初探

　　引言

　　概述随着电子技术的发展和应用，汽车的安全性、舒适性和智能性越来越高。汽车侧向倾斜角度传感器的应用是防止汽车在行驶中发生倾翻事故的一种有效方法，是提高汽车安全性的重要措施，特别是越野车、双层客车等重心较高的汽车更有必要。

　　汽车倾翻的实质是：行驶中向外的倾翻力矩大于向里的稳定力矩，当重心高度一定时，倾翻力矩由倾翻力（向外的侧向力）决定。根据物理学知识，倾翻力由路面的侧向（亦称横向）坡度产生的下滑力F1和转弯时所受向心力F2共同作用所产生，具体如下：

　　式中

　　m——汽车质量

　　g——重力加速度

　　α——路面与水平面的侧向夹角

　　v——汽车行驶速度

　　R——转弯半径

　　由以上2式可知，为了减小倾翻力，只有减小v是可行的，而且F2v2。根据牛顿第三运动定律，转弯时汽车在受到向心力作用的同时，产生与向心力大小相等、方向相反的离心力，因为汽车质量m是一定的，当向心力不能满足v2R的增大时，倾翻力矩大于稳定力矩，就会发生倾翻。

　　因此，应降低车速，进而减小倾翻力矩，将角度传感器按摆动方向在汽车上侧向布置，根据角度传感器产生的角位移，可得出汽车所受下滑力、向心力作用产生的倾翻力的大小，当角位移达到预先设定的数值时，使汽车减速。

　　1 角度传感器

　　利用重力原理制造的角度传感器如图1所示。摆动部分的质量为m,重心距转轴的距离为L,当汽车车体倾斜或做曲线运动时，均能使摆动部分偏转。设图1中的受力分析是无任何摩擦的理想状态下，力F为下滑力F1和向心力F2共同作用的结果，力F与倾翻力成正比，所产生的偏转角度也就与倾翻力成正比。摆动部分所受重力G与F的合力T是摆杆所受拉力，摆动角度=tg-1（F/G），与L无关，当质量m一定时，只与F有关，且成正比。实际上，由于存在转轴等处的摩擦，则L越长，摆动转矩越大，精度越高。

　　角度传感器在控制系统中通常作为采样元件，其性能的优劣对整个系统起着重要作用。电位器式角度传感器已在各种控制系统中广泛应用，但它的缺点是存在触点的滑动磨损和电噪声；磁敏电阻式角度传感器是利用半导体技术制造的新型纯电阻性元件，特点是无触点，当摆动部分偏转时，通过磁敏电阻的磁通量发生变化，使磁敏电阻的阻值发生数倍以上的变化，从根本上消除了电噪声，并使精度得以提高。

　　各种角度传感器都具有阻尼功能，使得对所测得角度的响应有一个短暂的延时对控制系统来讲是有益处的。

　　2 角度传感器电路

　　图2是侧向倾斜角度传感器的一种实用电路，主要由单电源运算放大器（如LM324）组成，其作用是将角度传感器中的电位器W1输出的线性变化的模拟电量进行处理、放大，能够按规定输出数字量和模拟量。令水平时电位器W1滑动点Ui的电位为（12）Ec（Ec为稳压电源电压，通常为9V或15V,下同），R1、R2、R3、R4为附加电阻，并使R1=R2,R3=R4,W2为调中电位器，阻值很小。调整W2,当W1处于水平状态时，使运放A1、A2输出端电位为（12）Ec。运放A1组成反相比例运算放大器，作为电路的前置级放大，输入电压为Ui,输出电压U1=-（R7R5）Ui,且应使R6=R5%R7;运放A2组成反相器，电阻R10=R8,且应使R9=R8%R10;输出电压U2=-U1=（R7R5）Ui。A1和A2的输出端分别由发光二极管LED1、LED2组成或门电路输出，使得汽车不论是左倾还是右倾，输出端Uo1均能输出与输入量Ui（随倾斜角度变化）成正比例线性关系的模拟信号，即Uo1=（R7R5）|Ui|,去控制后面的电路或机构。发光二极管还能指示倾斜方向，当水平状态时，模拟量输出端Uo1=（12）Ec：

　　运放A3、A4和A5、A6分别组成窗口比较器，电阻R20、R23、R26、R29是阻值较大的正反馈电阻，以改善运放的开关状态工作性能，电阻R13~R17为分压电阻，且应R14=R15,R16=R17,电阻R13中点处的电位为（12）Ec,分压电阻的阻值应根据U2的变化所反应的倾翻力决定，使得运放A3和A5的反相输入端、运放A4和A6的同相输入端获得不同的开关转换基准电位，而且所反应的左右倾斜程度是一致的。水平时，U2=（12）Ec,运放A3~A6均输出低电平；倾斜时，U2的电位发生变化，运放A3~A6按规定要求输出高电平。例如，电位器W1左摆时，使U2电位升高，当高于A点电位时，运放A3输出高电平，二极管LED3显示倾斜方向，若汽车继续向左倾斜，使U2电位继续升高，当高于C点电位时，运放A5输出高电平，二极管LED5显示倾斜方向且程度加重；同理，若电位器W1右摆，运放A4和A6的工作亦如此。2个输出端Uo2和Uo3输出的数字信号所反映倾斜程度与倾斜方向无关，很明显，Uo3有高电平信号输出时，Uo2已经输出高电平，Uo3所反映的倾斜程度大于Uo2。