Датчики в автомобиле

Согласно проведенному анализу, западно-европей­ский рынок датчиков в 1985 г оценивался суммой около 1 млрд. немецких марок ФРГ, причем около 40 % этой суммы приходилось на автомобильные дат­чики. Такая аномально большая доля в общем рынке свидетельствует о значении, которое придается этому виду датчиков. Предельные цены, которые не долж­ны превышаться для такого рода датчиков при по­грешности измерений 1...3% составляют примерно 10...15 немецких марок ФРГ.

К областям применения таких детекторов отно­сятся:

· Датчики систем управления и регулирования привода, а также таких отдельных систем автомо­биля, как рулевое управление, тормоза, электроника кузова.

· Датчики для обеспечения безопасности и на­дежности, например в системе защиты пассажиров, в системе блокировки и в противоугонной системе.

· Датчики диагностики и контроля расходных материалов, освещения, тормозов и системы охлаж­дения.

· Датчики для получения информации о расходе топлива, о наружной температуре и маршруте.

Физическими параметрами, измеряемыми с по­мощью этих датчиков, являются: температура, давле­ние, скорость вращения, перемещение или угол, рас­ход, усилие или момент, ускорение, влажность, пар­циальное давление (концентрация).

Требования, предъявляемые к указанным датчи­кам в отношении воздействия окружающей среды, чрезвычайно высоки, так как на чувствительные эле­менты могут влиять толчки, вибрации, нагрев, охлаж­дение, погодные условия, грязь, солевой туман и элек­трические помехи. Виды воздействий и возникающие в результате эффекты представлены в табл. 9.3.1 и 9.3.2.

Таблица 9.3.1

Воздействие окружающей среды	Типичное проявление
Температура (жара, холод)	Старение, охрупчивание
Колебания температуры	Усталость, образование трещин
Влажность воздуха (с образо­ванием росы и тумана)	Короткие замыкания, поверх­ностная и контактная коррозия
Осадки (дождь, снег, гололед, иней)	Электролиз, разбухание
Давление (воздух, вода)	Функционирование
Песок, пыль	Короткие замыкания
Солнечное излучение	Старение, образование трещин
Агрессивные вещества (NaCl, S02, H2S)	Поверхностная и контактная коррозия
Плесень	Короткие замыкания

Таблица 9.3.2

Вещество	Воздействие
Солевой раствор, солевой ту­ман (дорожная соль, морское побережье)	Электролиз, контактная и по­верхностная коррозия
Диоксид серы (индустриаль­ный климат)	Поверхностная коррозия
Аммиак	Межкристаллитная коррозия (латунь)
Влажность, конденсат	Утечки тока через короткие замыкания, уменьшение сопро­тивления изоляции
Топливные пары, топливо	Поверхностная коррозия, раз­бухание
Тормозная жидкость	Поверхностная коррозия, раз­бухание
Аккумуляторная кислота	Поверхностная и контактная коррозия
Двигательное масло	Разбухание

При изготовлении датчиков для автомобильной электроники все в большей мере применяют современные технологии, обеспечивающие экономичное из­готовление датчиков минимальных размеров (табл, 9.3.3),

Таблица 9.3.3

Измеряемый параметр	Принцип действия датчика
Скорость вращения (чис­ло оборотов)	Гальваномагнитные эффекты (эффект Холла, магниторезистивный эффект), эффект Виганда, электромагнитная индукция
Перемещение, угол	Короткозамкнутое кольцо, короткоза­мкнутый дисковый датчик, потенцио­метр
Температура	Тонкослойные металлические датчи­ки, полупроводниковый (кремние­вый) датчик
Расход	Нагреваемая спираль или фольга, турбинное колесо (топливо), шарико­вый циркуляционный датчик
Давление	Пьезорезистивные полупроводниковые датчики давления, мембранные ячей­ки (с холловским сигналом, тонко­слойные тензодатчики, емкостные датчики), толстослойные датчики давления
Момент	Магнитоупругий датчик (тордуктор), датчик, основанный на принципе вих­ревых токов, оптический датчик
Ускорение	Пружинно-инерционная система с тензодатчиками (фольга, тонкие слои), пьезоэлектрический датчик, пьезорезистивный полупроводнико­вый датчик (монолитный)
Концентрация кислорода	Диффузионный зонд из диоксида цир­кония

Преобразователи угловых перемещений ЛИР

Преобразователи угловых перемещений ЛИР осуществляют преобразование измеряемого перемещения в последовательность электрических сигналов, содержащих информацию о величине и направлении этих перемещений для последующей обработки в системах УЧПУ или УЦИ.

Принцип работы преобразователей основан на фотоэлектрическом считывании растровых и кодовых сопряжений. В состав преобразователя входит растровое измерительное звено, состоящее из подвижного измерительного растра 1 и неподвижного индикаторного растрового анализатора 2.

В состав растрового анализатора входят 4 поля считывания А, В, А, В, каждое из которых имеет пространственный сдвиг относительно предыдущего на 1/4 периода растра. Параллельный световой поток, сформированный конденсором 7 осветителя 3, проходя через растровое сопряжение, анализируется 4х квадрантным приемником 5. Соединенные соответствующим образом фотоприемники позволяют получить два ортогональных токовых сигнала Ia и IB, постоянная составляющая которых не зависит от уровня освещенности.

Наличие двух ортогональных измерительных сигналов позволяет определить направление перемещения и повысить разрешающую способность преобразователей при обработке этих сигналов в электронных блоках преобразователей.

Сигнал 1A опережает сигнал IB при вращении по часовой стрелке измерительного лимба 1, жестко связанного с валом преобразователя(вид со стороны вала преобразователя).

Кроме измерительных сигналов перемещения преобразователь имеет сигнал референтной метки (Р. М.) или сигнал начала отсчета. Этот сигнал, IRi на графике, вырабатывается, в общем случае, один раз за оборот вала и позволяет использовать преобразователь как датчик положения. При полном совпадении аналогичных кодовых растров Е и Д световой поток, принимаемый одной из секций фотоприемника 6 в 3-4 раза больше, чем при любом другом взаимном положении этих кодовых растров. Ширина сигнала Р. М. по уровню 1/2 от ее амплитуды не превышает периода одного из сигналов перемещения. Для фиксирования этого уровня вне зависимости от интенсивности осветителя 4 организован опорный сигнал: световой поток осветителя 4 через диафрагму Г поступает на вторую секцию фотоприемника 6. Если требуется определить положение вала преобразователя, не производя его полный оборот, используется система пространственно-кодированных Р. М., либо вместо Р. М. наносится специальный однодорожечный код положения (квазиабсолютный датчик).

В случае применения пространственно-кодированных Р. М. на один оборот вала вырабатывается 36 или 20 сигналов Р. М., расстояния между которыми в шагах растра различны. Необходимое перемещение вала для определения его положения в наихудшем случае составляет: 20° или 36° соответственно. Эти преобразователи изготавливаются по спецзаказу.

В случае применения квазиабсолютного датчика (ЛИР - 437А) для считывания однодорожечного кода достаточно повернуть вал на угол 1,8°.

СИНУСОИДАЛЬНЫЙ ТОКОВЫЙ СИГНАЛ ТИПА СТ (~ 11 мкА); Uпит, = +5 В±5 %;

• Фаза сигнала В относительно сигнала А - 90°±10°

• Фаза сигнала R_i относительно сигнала А - 135°±60°

• Двойная амплитуда сигналов каналов А;В:

Iс=7...16 мкА

• Амплитуда сигнала референтной метки:

Ir = 2...8,5 мкА

СИНУСОИДАЛЬНЫЙ СИГНАЛ НАПРЯЖЕНИЯ ТИПА СН (~ 1 В); Uпит. = +5 В±5 %

• Фаза сигнала В относительно сигнала А- 90°±10°

• Фаза сигнала rj относительно сигнала А - 135°±60°

• Двойная амплитуда сигналов каналов А;В:

Uc=0,6...1,2 В при нагрузке Z=120 Ом

• Амплитуда сигнала референтной метки:

UR=0,2...0,8 В при нагрузке Z=120 Ом U0 = (Uпит/2) ±0,25 В

* - волновое сопротивление используемого кабеля. Волновое сопротивление кабеля преобразователя - 120 Ом.

ПРЯМОУГОЛЬНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ СИГНАЛ ТИПА ПИ (П_| TTL); Uпит. = +5 В±5 %

• Уровень выходных сигналов:

U₁>2,4 В при Iвых. <= 20 мА; U₀<0,5 В при Iвых. <= 20 мА

• Выходная нагрузка:

Iвых <= 20мА; Сн<1000пФ

• Длительность фронтов выходных сигналов:

t+<=100HC, t- <= 100нс.

• Время задержки сигнала референтной метки относительно основных сигналов: td <= 100 нc.

• Максимальное сближение фронтов сигналов А и В при max выходной частоте f вых. max, характеризуется минимальным временем сближения фронтов t min: 160 кГц- >= 0,8 мкс: 300 кГц- >= 0,45 мкс;

800 кГц - >= 0,15 мкс; 2500 кГц - >= 0,04 мкс.

Преобразователи ЛИР-190А, 390А, 1170А, 3170А имеют сигнал ошибки - Uoш. При исправной работе преобразователя Uoш в состоянии логического "0", а при неисправной - логической "1". Нагрузочная способность сигнала ошибки аналогична нагрузочной способности основных сигналов.

ПРЯМОУГОЛЬНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ СИГНАЛ ТИПА ПИ ( П_| HTL); Uпит.=+(10...30) В

• Уровень выходных сигналов:

U₁>Uпит - 2,5 В при Iвых. <= 20 мА; U₀<0,5 В при Iвых. <= 20 мА

• Выходная нагрузка:

Iвых<=20мА; Сн<1000пФ

• Длительность фронтов выходных сигналов:

t+ <= 300 не, t - <= 300 нс.

• Время задержки сигнала референтной метки относительно основных сигналов: td <= 300 нс.

• Максимальное сближение фронтов сигналов А и В при максимальной выходной частоте f_вых.max,

характеризуется минимальным временем сближения фронтов t_min:

f_вых.max,=160кГц - t_min>=0,8мкс

* - волновое сопротивление используемого кабеля. Волновое сопротивление кабеля преобразователя - 120 Ом.

• Преобразователи с синусоидальными выходными сигналами используются в системах измерения или управления, имеющих свои блоки дискретизации или интерполяции этих сигналов с целью получения требуемого разрешения системы. Преобразователи с прямоугольными выходными сигналами имеют встроенные дискретизаторы. Для них расстояние между ближайшими фронтами сигналов каналов А и В является дискретой

преобразователя -  (см графики стр. 5).

• При больших скоростях вращения вала преобразователя увеличивается влияние на погрешность преобразователя ее динамической составляющей, что приводит к дополнительному нарушению ортогональности сигналов, которое может быть охарактеризовано минимальным временем (t min) между фронтами сигналов каналов А и В (см. графики сигналов ПИ). Это значение t min следует учитывать при выборе полосы пропускания устройства приема информации.

• Следует обратить внимание на режим, когда преобразователь находится в неподвижном состоянии, но на границе достижения дискреты. На одном из выходов каналов А или В из-за вибрационных высокочастотных шумов (особенно при высоком разрешении преобразователя) могут возникать короткие импульсы, которые сообщают о переходе преобразователя в новое положение и о возвращении в исходное. Устройство приема информации должно успеть обработать эту информацию, либо не реагировать на это кратковременное изменение состояния. Применение простых RC фильтров на входе устройства приема информации не всегда эффективно.

• Следует применять селекторы длительности входных импульсов и пропускать на вход счетного устройства только те импульсы, которые оно может правильно обработать.

Следует различать максимальную механическую и максимальную рабочую скорости вращения. Последняя связана с фазочастотной характеристикой тракта электронной обработки измерительного сигнала (см. номограммы и таблицы 1 и 2).

Число периодов на оборот выход, сигнала типа ПИ	fвых.max кГц	об/мин, max	Дискрет­ность D	t min, мкс
			54"	0,8
			36"	0,8
			27"	0,4
			18"	0,4
			10,8"	0,3
			7,2"	0,3
			5,4"	0,14
			3,6"	0,14
			2,16"	0,04
			1,44"	0,04
			1,08"	0,04
			0,72"	0,04

Дата добавления: 2015-05-09