Датчик сигнализатора давления масла ДСДМ 3 страница

Общий уровень шумов акселерометра складывается из шумов микромеханического сенсора и шумов электронной части устройства. Вследствие небольшой массы сенсора существенный вклад в общий уровень шумов вносит составляющая, обусловленная его тепловыми колебаниями. Приравняем тепловую энергию шумов к энергии колебаний сенсора:

где k = 1,38 10 –23 Дж/К — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура, a — среднеквадратичное ускорение, A — амплитуда колебаний.

Выражение дает среднеквадратичное значение шумов во всем спектральном диапазоне. Шум часто характеризуется спектральной плотностью (точнее, величиной, пропорциональной корню спектральной плотности энергии шумов). Если считать шум равномерно распределенным от 0 Гц до частоты резонанса f0, то спектральная плотность шумов nf будет равна:

Необходимо также учесть, что значительная часть шумов сосредоточена вблизи резонанса, где спектральная характеристика колебаний сенсора имеет подъем, обратно пропорциональный коэффициенту затухания γ, который имеет смысл величины, обратной времени уменьшения амплитуды в e раз при импульсном воздействии. С учетом этого спектральная среднеквадратичная плотность шумов в области частот значительно ниже резонансной запишется следующим образом:

Среднеквадратичное значение (rms) определяет по существу пороговую чувствительность — минимальный сигнал, который можно измерить. Для получения устойчивого сигнала «без дрожания» порогом шумов следует считать значение размаха шумового сигнала (p-p, peak-to-peak). Кроме того, на суммарную величину шумов влияет диапазон рабочих частот Δf. Общая среднеквадратичная величина шума Nrms связана со спектральной плотностью шумов Nf соотношением (при использовании фильтра НЧ первого порядка):

Для гармонического сигнала его размах (удвоенная амплитуда) отличается от среднеквадратичного значения в

раза. Для шума это отношение представляет собой вероятностную величину. Для белого гауссова шума размах будет лежать в пределах среднеквадратичного значения, умноженного на 6, с вероятностью 0,994:

Уровень шумов практически определяет разрешение по ускорению для данной измерительной системы. Отношение диапазона измерений к уровню шума даёт число эффективных значений. Например, для ADSL203 среднеквадратичный шум в полосе частот 10 Гц составит

размах шума 0,354*6 = 2,12 мg и число эффективных отсчетов «без дрожания» при аналого-цифровом преобразовании —

(3,4 g — диапазон измеряемых ускорений).

Нелинейность

Емкость конденсатора нелинейно зависит от смещения сенсора, линейно связанного с ускорением. В том случае, если сигнал сенсора пропорционален изменению емкостей, относительная нелинейность (отношение нелинейной составляющей изменения емкости к линейной) при смещении обкладок конденсатора x, находящихся на расстоянии d, составит x / d. Это означает, что при смещении 10 нм (d = 1,3 мкм) нелинейные искажения будут порядка 1%. В этом случае, кроме значительной нелинейности, существенно ограничивается также динамический диапазон акселерометра.

Инженерам компании Analog Devices удалось значительно уменьшить нелинейность акселерометра благодаря тому, что сигнал ускорения пропорционален смещению, а не изменению емкости. Это достигается способом возбуждения (сигналы в противофазе) и снятию сигнала напряжения (а не изменения заряда). В результате максимальные нелинейные искажения датчиков ускорения iMEMS составляют доли процентов и, кроме того, расширен динамический диапазон.

Влияние температуры

Датчики, изготовленные по технологии MEMS, весьма чувствительны к изменению температуры. С изменением температуры меняется коэффициент упругости подвески, и, следовательно, чувствительность сенсора; кроме того, имеет место смещение нуля. Для достижения максимальной точности измерений эти изменения необходимо учитывать.

Рис. 59 Температурная характеристика

К счастью, для каждого сенсора зависимость чувствитель-

ности и смещения нуля является воспроизводимой, поэтому один из путей решения проблемы — калибровка датчика в необходимом диапазоне температур (рис. 59). При этом удобно наличие естественного «опорного ускорения» g, соответствующего силе тяжести. Оно меняется от 9,789 до 9,823 в зависимости от географического положения, на полюсе Земли оно больше, на экваторе минимально.

Линейное приближение температурной зависимости легко компенсировать схемотехнически, более точный учет может потребовать использования микроконтроллера. Другой вариант решения проблемы — встраивание датчика температуры, что заметно упрощает использование подобного подхода. В акселерометрах зачастую предусмотрена встроенная возможность самокалибровки (самотестирования). Для этого создаются специальные группы балок, подобных тем, которые отвечают за выходной сигнал акселерометра. При приложении постоянного напряжения U между этими балками, расположенными на расстоянии d, возникнет сила электростатического притяжения F, эквивалентная наличию определенной внешней силы или ускорения:

где ε — абсолютная диэлектрическая проницаемость, S — площадь перекрытия балок, W — энергия плоского конденсатора. Прикладываемое напряжение обычно стабилизировано и слабо зависит от температуры. Идея само калибровки заключается в том, что при изменении температуры выходной сигнал ускорения и выходной сигнал в зависимости от калибрующего смещения меняются пропорционально, так как оба они одинаково зависят от коэффициента упругости подвески.

Существует режим измерений с непрерывной калибровкой, когда калибровочные импульсы подаются периодически в течение всего процесса измерений. При этом необходимо учитывать уменьшение диапазона измерений на величину размаха калибровочного сигнала (и реальный сигнал, и калибровочный, действуя на один и тот же сенсор, суммируются).

Лекция18 Частотные свойства акселерометров

Частотный диапазон акселерометра определяется собственной частотой сенсора ω0. Частотная характеристика (без учета потерь энергии колебаний) определяется зависимостью вида:

Следует отметить, что датчик может использоваться при более высоких частотах, чем ω3 дБ, особенно в узкой полосе частот. При этом необходим учет изменения чувствительности с частотой. Измерения ускорения редко ведутся во всем частотном диапазоне. Можно выделить низкочастотные приложения (с верхней граничной частотой 10 –100 Гц) и динамические, когда выделяется сигнал в полосе более высоких частот.

Специализация датчика по применению позволяет искусственно ограничить полосу рабочих частот, что приводит к существенному снижению суммарного шума. В динамических приложениях часто используется ограничение частоты снизу (например, RC-цепочкой, где емкость является разделяющей), что устраняет проблему смещения нуля.

Диапазон частот настраивается при помощи соответствующего аналогового фильтра или с использованием цифровой фильтрации. Пример построения аналогового фильтра показан на рис. 60. Фильтр образуется RC-цепочкой RFILT и CX,Y. Типичные зависимости чувствительности и фазового сдвига при различных

емкостях в цепи фильтра нижних частот показаны на рис.61.

Рис.60 Фильтр нижних частот

Рис.61
Спектральные характеристики

Компания Analog Devices выпускает широкий спектр акселерометров. Существуют акселерометры с одной, двумя и тремя осями чувствительности, рассчитанными на максимальное ускорение от 1,5 до 250 g. Существуют версии с коммерческим и индустриальным диапазоном рабочих температур. Семейство ADXL — это базовые устройства, в которых сенсор и электроника реализованы на едином кристалле. Серия ADXL3xx позиционируется для массового применения, ADXL1xx и ADXL2xx предназначаются для использования в автоэлектронике (автомобилестроении), промышленности и при создании устройств специального назначения. Акселерометры ADIS представляют собой однокристальные высокоточные устройства с цифровым выходом SPI (12 или 14 бит) и встроенным датчиком температуры.

При выборе акселерометра необходимо иметь в виду диапазон измеряемых ускорений, требуемое разрешение, температурную стабильность и частотный диапазон. Для устройств, работающих в специальных условиях, необходимо также учитывать диапазон рабочих температур и величину максимально допустимой перегрузки.

Высокие рабочие характеристики, малое энергопотребление, интегрированная функциональность обработки сигнала, возможность калибровки и программирования, миниатюрность, низкая цена — все это делает акселерометры ADI чрезвычайно привлекательными для разработчиков, «закладывающих» эти устройства в новые изделия. Уже 250 млн. единиц акселерометров ADI продано к настоящему времени на различные рынки, включая автомобильный, компьютерный, промышленный.

Лекция19 Датчик удара (шок-датчик)

Чувствительным элементом датчика удара, чаще всего, служит пьезоэлемент, либо индукционная система из катушки индуктивности и подвешенного стального либо магнитного сердечника. Реже используются микрофонные системы, фиксирующие звуковые колебания очень низкой частоты. У каждой из этих модификаций датчиков есть свои достоинства и недостатки.

Пьезоэлемент в сочетании с грузом очень эффективно воспроизводит колебания именно тех частот, которые принято считать причиной срабатывания шок-сенсора.

Изменяя длину рычага и массу груза, пьезоэлемент настраивают на разные резонансные частоты в зависимости от последующей обработки сигнала. Чаще всего эта частота от 80 до 200 Гц.

Для пьезоэлемента недостатком является температурная зависимость напряжения, вырабатываемого на одинаковую деформацию. При понижении температуры чувствительность датчика падает. С этим борются путем термокомпенсирующих цепей в усилителе сигнала датчика.

При всей простоте устройства чувствительного элемента шок-сенсора он может вызывать разнообразные технические проблемы, например, различную пространственную чувствительность, когда удары по машине, равные по силе, но разные по направлению или в разные части кузова, вызывают различную реакцию охранной системы.

Другой проблемой является отсутствие на рынке недорогих пьезоэлементов со сколько-нибудь приемлемой повторяемостью параметров внутри даже одной партии. Это ставит большую проблему при массовом производстве автосигнализаций, поскольку индивидуально регулировать каждый датчик в таких широких пределах очень нетехнологично. Эту проблему каждый производитель решает самостоятельно.

Индукционная система также является эффективным чувствительным элементом шок-сенсора. Движущийся стальной, ферритовый или магнитный сердечник относительно катушки наводит в катушке ЭДС, подходящую по амплитуде ударного воздействия на систему. Этот сигнал несложно, практически безо всякой нелинейной обработки, усилить и использовать в "чистом виде" для формирования тревожного события.

Возможно, единственным недостатком таких систем являются довольно приличные габариты чувствительных элементов (катушка, элементы подвески сердечника, сам сердечник). Частота резонанса таких электромеханических систем получается в пределах нескольких десятков герц, что несколько лучше для датчика удара, чем у пьезоэлементов.

Микрофонные системы в автосигнализациях--это зачастую некий компромисс между требуемой в производстве технологичностью и эффектом требуемого датчика.

Сам по себе микрофон воспроизводит столь низкие частоты, свойственные колебаниям при ударном воздействии, но с меньшей амплитудой на выходе, что требует дополнительного усиления. Но при этом микрофон также воспроизводит вторичные колебания, более высокой частоты (звукового диапазона), причиной которых также могло быть ударное воздействие.

По этой причине микрофонные датчики, используемые в качестве чувствительного элемента шок-сенсора, чаще приводят к ложным "звуковым" срабатываниям. Причины здесь разные: неправильная АЧХ, малая постоянная времени, неудачная программа обработки, подверженность к электромагнитным помехам, и не в последнюю очередь слишком высокочастотный (широкополосный) чувствительный элемент.

Датчики удара используются для управления ремнями безопасности, аварийными световыми сигналами и подушкой безопасности, а также в противоугонных системах.

Датчик подушки срабатывает при столкновении на скорости не менее 50 км/ч.

Рис.62Конструкция

В состоянии не превышения критического значения

нагрузки шарик притянут постоянным магнитом. Под действием ускорения (при достижении критической нагрузки g_крит) шарик отрывается от магнита (g_крит*m>F_ПМ) и замыкает контактные пластины. Протекающий ток вызывает срабатывание устройства безопасности.

Инерционная масса - металлический шар. Роль пружины выполняют электромагнитные силы; Устройство измерения и перемещения - контакты пластины.

В спокойном состоянии постоянный магнит притягивает металлический шар - контакты разомкнуты (Fm - сила притяжения магнитного шара).

Если действует ускорение a∙m ≥ Fm, то шар отрывается от постоянного магнита и с ускорением летит к контактам и замыкает их.

Скорость срабатывания - 50 км/ч.

Масса шара - 4 г.

I = 5 мА.

U = 12 В.

Расчет силы удара: Рассчитаем силу удара (столкновение массы m, движущейся со скоростью V, с массивным препятствием и жесткостью k):

F=kx;x – максимальная деформация.F_ср=kx/2.Э_п=F_ср*x=kx²/2;Э_п – потенциальная энергия.Э_к=mV²/2;Э_к – кинетическая энергия.Э_к=Э_п.mV²/2=kx²/2.x=VÖm/k.

F= kVÖm/k =VÖmk - сила зависит от скорости.

Рассчитаем время удара t₀(замедление скорости тела автомобиля от V до 0):

t₀=V/a_ср; а_ср=0,5а_max=0.5F_max/m=0.5kx/m=0.5VÖk/m;

t₀=2Öm/k;Время удара- Время остановки от скорости не зависит, за время t₀ должна сработать защита.

Вибрация – это колебания, вызванные небалансом вращающихся механических частей или детонацией и др..

Датчик детонации – это практически тот же датчик ускорения, однако он выдаёт информацию в виде частоты и амплитуды колебаний. Принцип действия тот же – взаимодействие колеблющегося объекта с инерционной массой.

Масса в силу своей инерции действует в такт с вынужденными колебаниями на кольцеобразную пьезокерамическую пластину. Между верхней и нижней поверхностями пластины возникает электрическое напряжение, которое используется для измерения частоты и амплитуды колебаний. При детонации колебания блока цилиндров приводят к колебаниям пьезокерамической пластины и массы m, в результате на обкладках пьезокерамической пластины возникает переменное напряжение, частота которого равна частоте вибраций. Это напряжение подается на усилитель с высокоомным входом.

Чувствительность (E).

E=U/1g, g=9,81 м/с, E=26 + 8 мВ*с²/м

.

Рис.63 Конструкция (датчик фирмы «Bosch»).

Напряжение подаётся на усилитель с высокоомным входом.

Измеряемая частота (f_изм).

f_изм=1 – 20 кГц.

Датчик позволяет измерять колебания с перегрузкой от 0,1 до 400g. При измерении в течение длительного времени перегрузка может достигать 80g, а при кратковременных измерениях – 400g.

Электрические характеристики системы: R_вн > 1 МОм, C=100 – 1600 пФ.

Рис.64 Электрические характеристики

Принцип измерения.

Рис.65 Схема обработки электрического сигнала в датчиках вибрации.

Если частоты различны, то при любых амплитудах их произведение будет равно 0. Мультиплексор пропускает сигнал частотой 5 – 16 кГц. Микроконтроллер управляет делителями. По точкам строится график колебаний

.Рис.66.Амплитудная характеристика

Электронный блок содержит 4 канала (4 вышеприведённых схемы), т. е. предназначен для обработки данных с 4 датчиков. Он включает в себя программируемый мультиплексор, операционный усилитель, интегратор, встроенный кварцевый задающий генератор и управляемый от компьютера (PC) делитель частоты.

Датчик постоянно подключён ко входу. На мультиплексор с определённым шагом подаётся известная частота – частота кварцевого генератора, равная 16 МГц, разделенная на N*M. Принцип измерения частоты детонации

При перемножении измеряемой частоты датчика и известной частоты кварцевого задающего генератора, поделенной в N и M раз, выходное напряжение оказывается равным нулю при различных частотах датчика и задающего генератора; и не оказывается равным нулю, если частоты равны.

В мультиплексоре при наличии заданной частоты появляется сигнал, который практически постоянен (f»0). На выходе получаем 8 частот (т. к. мультиплексор 8-ступенчатый).

По команде PC одновременно изменяются тактовая частота f, граничные частоты полосовых фильтров Δf и постоянная интегрирования. Поддерживается отношение ^Δf/_f ≈const. Сигнал с выхода поступает через компьютер на управление впрыском топлива.

Для датчика детонации двигателя внутреннего сгорания фирмы HARRIS используются два пьезоэлектрических датчика детонации. Процессор поочередно выбирает один из двух датчиков. Два программируемых полосовых фильтра получают сигнал от соответствующих датчиков и разделяют сигнал на два канала. Когда двигатель не детонирует, коэффициент усиления устанавливается таким, что оба каскада имеют на выходе одинаковый сигнал (режим калибровки), что позволяет адаптировать систему к уровню шумов конкретного двигателя.

Когда двигатель детонирует, сигнал от датчиков начинает превышать фоновые значения. Сигнал детонируется раздельно по каждому каналу и поступает на интегратор, в котором происходит вычитание меньшего сигнала из большего. Напряжение выхода пропорционально степени детонации.

Широкополосные пьезоэлектрические датчики имеют емкость 1100 pF и выходное напряжение от 5 мВ до 8 В (среднеквадратические значения). Диапазон рабочей температуры -40° … +125°С.

Одна из частот имеет намного большую амплитуду, чем остальные, это является сигналом о наличии детонации.

Ставят два датчика и если они дают одинаковые сигналы наличие детонации, - детонации нет; при различных сигналах -следовательно, независимость от фонового уровня.

Дифференциальный принцип выделения сигнала детонации (разностный от двух датчиков).

В дальнейшем компания TAOS планирует осуществить переход от компонентно-центрированных решений к ASIC-решениям, которые включают также консультационную поддержку клиентов и инженерный сервис.

Компания Avago Technologies выпускает для подсветки дисплеев и аналогичных задач три датчика окружающего света серии ALPS:

HSDL-9000 (недорогой датчик в PLCC корпусе), HSDL-9001 (недорогой датчик в корпусе QFN) и APDS-9002/3 (миниатюрные и недорогие датчики). Пиковая спектральная чувствительность всех датчиков согласована с максимумом спектральной чувствительности человеческого глаза (на 550 нм). Существенное отличие между человеческим глазом и кремниевым фотодиодом в том, что фотодиод также регистрирует свет в инфракрасной области спектра (пик кремниевых фотодиодов лежит в диапазоне 700–1100 нм), что зависит от условий окружающего освещения.

Разные источники света имеют различные спектральные характеристики, следовательно, уровни выходного сигнала фотодиода, дающие информацию об интенсивности освещения, могут различаться в зависимости от источника. Поэтому электрические помехи, наводимые источниками света, которые интерферируют с полезным

сигналом датчика, должны быть отфильтрованы, что реализовано, например, в Лекция20 Датчики скорости потока

Датчики скорости широко применяются в разных отраслях промышленности, сегодня существует много моделей, действующих по разному принципу и способных работать в различных условиях.

В промышленной измерительной технике требуются очень точные методы определения расхода и скоро­сти потока. При этом допустимые погрешности не должны превышать одного процента, а иногда и од­ной десятой процента. Довольно точные измерители расхода требуются иногда и в быту (например, газовый счетчик). Недавно появились оптоэлектронные измерители расхода и скорости, рабо­тающие па оптическом эффекте Допплера которые исполь­зуют особый вид рассеяния света.

Конструкция датчиков расхода газа.

Рис.6

7 Датчик с угловым перемещением чувствительного элемента.

Рис.68 Датчик с измерением перепада давления.

ΔР=(P₁ – P₂)=kQ_V [м³/час].

Ультразвуковой приёмник считает частоту f прохождения завихрений

. Рис69 Вихревой датчик (Кармана).

ДАТЧИК МАССОВОГО РАСХОДА ВОЗДУХА

В датчике массового расхода воздуха (ДМРВ) находятся температурные датчики и нагревательный резистор. Проходящий воздух охлаждает один из датчиков, а электронный модуль преобразует эту разность температур датчиков в выходной сигнал для контроллера. В разных вариантах систем впрыска топлива могут применятся датчики массового расхода воздуха двух типов. Они отличаются по устройству и по характеру выдаваемого сигнала, который может быть частотный или аналоговый. В первом случае в зависимости от расхода воздуха меняется частота сигнала, а во втором случае - напряжение. Контроллер использует информацию от датчика для определения длительности импульса открытия форсунок.

Тепловой датчик

Применяются 2 принципа (режима) работы датчика:

Рис.70 Датчик с тепловым чувствительным элементом (терморезисторами).

а) постоянная мощность нагревательного элемента, переменная разность температур. Рис71 Рис.71Характеристика терморезистора

При этом режиме P_н=const, DT=var.

DT=Т₁-Т₂=Pн / kQ_м^н;Q_м – массовый расход;[Q_м]=кг/с.

б). DT=const, P_н=var. Переменная мощность нагрева, постоянный перепад температур.

Q_м^н=P_н / kDT;Расход Q_м зависит от скорости потока V:

V=Q_м / rS_т;V – скорость потока; [V]=м/с;

S_т – сечение, через которое протекает поток; [S_т]=м²;

r - удельный вес вещества потока; [r]=кг/м³.

r=¦(T) – непостоянство температуры вносит погрешность в расчет V через Q_м и наоборот.

Очень "боится" воды попавшей при преодолении высокой водной преграды (двигатель засосал часть воды во впускную трубу через датчик). На автомобили ВАЗ устанавливались несколько типов датчиков: GM, BOSCH, SIEMENS и Российский. В настоящее время на конвейере ВАЗ устанавливаются два типа датчиков ДОЗ 7 и Д004. Эти датчики выдают разные параметры на одинаковом расходе воздуха.

Рис.72Датчик ДОЗ 7

Технические характеристики

Диапазон измерения массового расхода воздуха, кг/ч	от 5 до 500
Погрешность измерения массового расхода, не более, %	±1,5
Величина выходного сигнала при измерении расхода от 0 до 100 %, В	от 1,33 до 5
Потребляемый ток, не более, А	1,5
Выходное сопротивление, не более, Ом
Постоянная времени, не более, с	0,01
Аэродинамическое сопротивление при максимальном значении расхода воздуха, не более, мм вод. Ст.
Питание датчика осуществляется от бортовой сети автомобиля с номинальным напряжением, В
Диапазон изменения напряжения питания, В	от 6 до 18
Масса датчика, не более, кг	0,6
Диапазон рабочих температур, ^оС	от –40 до 100
Наработка на отказ, не менее, ч

.

Тепловые чувствительные элементы (терморезисторы) могут располагаться в одной плоскости вдоль потока и соединены в схему моста, подогреваются от источника U_п:

Рис73 Модификация датчика с терморезисторами

4 термочувствительных резистора включены в схему моста и размещены по квадрату в потоке. При появлении потока резисторы, расположенные вдоль потока, охлаждаются сильнее, поэтому степень разбалансировки моста оказывается пропорциональна расходу.

.

Система фирмы Nissan.

Рис74 Меточные датчики.

Между электродами 1 и 2 создаётся импульс высокого напряжения, возникает коронный разряд (искра) и в потоке образуется облако отрицательных ионов, которые движутся к приёмному электроду со скоростью потока. Как только облако достигает электрода, на электроды 1 и 2 подаётся новый импульс. Частота импульсов пропорциональна расходу воздуха.

Дата добавления: 2014-01-14