Поверхностные микромеханические датчики ускорения. Датчик бокового ускорения представляет собой элемент на печатной плате интегрированного датчика. Упрощено можно представить конструкцию датчика как подвешенную в центре подвижную массу 4 с прикрепленной к ней пружинными пластинками 5 (рис. 3.51).
Масса способна перемещаться в одном направлении, в обе стороны. Две другие неподвижные пластинки конденсатора 3 и 7 окружают пластинки, соединенные с подвижной массой. Таким образом получается два последовательно соединенных конденсатора К1 и К2. Их емкости C можно измерить и сравнить на электродах.
При отсутствии ускорения заряд конденсаторов одинаковый. Как только возникает поперечное ускорение, масса в силу инерции переместится относительно неподвижных пластинок в противоположном от ускорения направлении. Изменение расстояния между пластинками конденсаторов приводит к изменению их емкостей. В данном примере расстояние между пластинками конденсатора К1 больше, чем между пластинками конденсатора К2, поэтому емкость С1 меньше. Емкость С2 больше, так как расстояние между пластинками конденсатора К2 меньше.
Датчик рысканья (угловой скорости) располагается в дополнении к датчику бокового ускорения на печатной плате (рис. 3.52).
Принцип работы датчика заключается в следующем. Колеблющаяся масса 6 подвешена в поле постоянного магнита между южным 2 и северным 4 полюсами. Печатные проводники 5 объединены с колеблющейся массой, которая фактически и является датчиком. Если приложить переменное напряжение U, то подвижная масса с печатными проводниками начнет колебаться в магнитном поле. При возникновении углового ускорения появиться отклонение от прямолинейного колебательного движения, так как возникнет ускорение от известной в механике кориолисовой силы.
Микромеханический кремниевый датчик ускорения. Микромеханические кремниевые датчики ускорения считывают сигналы ускорения, необходимые для ABS, ESP и регулировки амортизатора.
Схема колебательной системы датчиков (рис. 3.53) разработана с помощью анизотропной и селективной технологии травления из полной кремниевой пластины (объемная микромеханика). При выполнении точного измерения отклонения этой массы хорошо зарекомендовали себя емкостные съемы. Для них требуются дополнительные толстые пластины 1,4 из кремния или стекла с противоположными электродами, расположенные над и под массой, находящейся в захвате пружин 2. Кроме того, пластины с противоположными электродами служат также в качестве дополнительной защиты перегрузки.
Такое расположение соответствует последовательному соединению конденсаторов C1-м и С2-м. К разъемам C1 и С2 подключают напряжения переменного тока, наслоение которых считывается в точке См, т.е. в точке сейсмической массы.
В состоянии покоя емкости C1-м и С2-м и идеально равны. Таким образом разность ΔС равна нулю. Если ускорение, а действует в направлении выполнения измерения, средняя кремниевая пластина отклоняется как сейсмическая масса. Такое изменение расстояния до верхней или нижней пластины влияет на изменение емкости в конденсаторах C1-м и С2-м, а, следовательно, разность ΔС становится не равной нулю. Вследствие этого изменяется электрический сигнал в точке См, усиливающийся и фильтрующийся электроникой для обработки данных.
Слой воздуха между пластинами обеспечивает эффективное и устойчивое к воздействию температур демпфирование.
Пьезоэлектрические датчики ускорения. Пьезоэлектрические элементы, работающие на изгиб, применяются в качестве датчиков ускорения для систем укладки и натяжения ремней безопасности для срабатывания натяжителя ленты ремней безопасности и подушек безопасности.
Основой датчика ускорения является элемент, работающий на изгиб («траверса»), состоящий из двух противоположно поляризованных пьезоэлектрических слоев, склеенных друг с другом («биморфно»). Ускорение, воздействующее на них, вызывает в одном из слоев механическое напряжение растяжения, а во втором из слоев напряжение сжатия (рис. 3.54).
Металлические покрытия на верхней и нижней стороне элемента, работающего на изгиб, используются в качестве электродов, на которых считывается конечное электрическое напряжение. Электронная схема состоит из преобразователя полного сопротивления и корректируемого усилителя с заданной характеристикой фильтра. На основании принципа действия невозможно осуществлять измерения статических сигналов (нижняя пороговая частота стандартно составляет 1…10Гц).
Пьезоэлементы, работающие на изгиб, не нуждаются в дополнительной сейсмической массе. Их собственная масса достаточна для того, чтобы получить качественно обрабатываемый сигнал.
Ультразвуковые датчики парковочных систем. Звуковая система представляет собой систему, позволяющую водителю по звуковым сигналам, находящемся на рабочем месте водителя оценить расстояние до ближайшего препятствия. Система состоит из нескольких датчиков (рис. 3.55) (передающих и принимающих) в переднем и заднем бампере автомобиля, основного блока управления, блока управления дисплея, зуммеров, дисплея.
Датчик выполнен из алюминиевого корпуса с селективной степенью затухания пьезоэлектрической пластины в качестве генератора сигналов и снабжен электронной схемой для генерирования ультразвуковых волн и оценки отраженных и принимаемых волн.
Ультразвуковые датчики представляют собой небольшие приёмопередающие модули (рис. 3.56). Принцип работы датчиков базируется на излучении ультразвукового сигнала, неслышного для человека. Этот сигнал распространяется в виде звуковых волн в окружающей среде с постоянной скоростью. Звуковые волны представляют собой происходящие концентрические волнообразные изменения плотности и давления частиц окружающего воздуха. Скорость распространения звука зависит от плотности среды, в которой он движется. При нормальном давлении и температуре 20 °C звук распространяется в воздухе со скоростью 343 м/с. Зависимость скорости распространения звука от температуры является основанием для использования системой управления сигнала от датчика наружной температуры в качестве корректирующей величины. Звуковые волны, попадая на предмет (например, на стену), отражаются от него в степени, зависящей от характеристик предмета. Это означает, что звуковые волны возвращаются к датчику и принимаются его микрофоном. При этом датчик измеряет время, прошедшее между отправкой сигнала и приёмом отражённых волн. На основании измерения этого времени блок управления может определить расстояние от автомобиля до предмета.
Передаваемые уровни соответствуют напряжению логической схемы и, следовательно, нечувствительны к возмущению, поэтому отсутствует необходимость в экранировании сигнальных линий.
Датчики включаются циклически каждые 25 мс и генерируют ультразвуковой импульс продолжительностью примерно 1 мс. Все датчики затем переключаются на режим «прослушивания», для того чтобы воспринимать отраженные волны. Расстояние до препятствия, от которого отражаются волны, вычисляется посредством оценки длительности прохождения сигнала (длительности прохождения волн от передатчика до принимающего датчика). Кратчайшее расстояние от препятствия до бампера показывается водителю на дисплее.
При движении вперед со скоростью ниже 15 км/час работают только датчики, расположенные на переднем бампере. Во время переключения на передачу заднего хода приводятся в действие датчики на заднем бампере.
Блок управления системы служит для подачи напряжение питания к датчикам, оценки и обработки сигналы датчиков, управления предупреждающими зуммерами, передачи блоку управления передней панели управления, индикации и выдачи информации данные, необходимые для вывода изображения на дисплей.
Звуковой сигнал подается предупреждающими зуммерами. Расстояние, на котором датчики парковочной системы однозначно различают препятствия, зависит от места их установки.
Прерывистый сигнал становится непрерывным, когда расстояние до препятствия сокращается до 25…35 см.
Датчики системы комфорта. Тонкопленочный емкостный датчик используется для измерений влажности. Он работает на принципе пластинчатого электроконденсатора (рис. 3.57).
Емкость конденсатора, иначе говоря, его способность накапливать электрическую энергию, определяет площадь поверхности пластин, расстояние между ними и физические свойства наполнителя (диэлектрика), разделяющего две пластины. Диэлектрик, используемый в рассматриваемом измерительном конденсаторе, способен поглощать водяные пары. При этом изменяются его электрические свойства, а значит, и емкость конденсатора. Иными словами, измеряя емкость конденсатора, можно получить информацию о влажности воздуха. Электронный блок датчика преобразует измеренную электрическую емкость в сигнальное напряжение. Способность датчика накапливать в себе водяные пары зависит от температуры. Поэтому одновременно с влажностью необходимо определять и соответствующую температуру.
Инфракрасные датчики используются для измерения температуры лобового стекла (рис. 3.58).
Интенсивность инфракрасного излучения, исходящего от лобового стекла, измеряет предназначенный для этого высокочувствительный датчик. Вместе с температурой стекла изменяется и доля инфракрасных лучей в составе теплового излучения, исходящего от стекла. Датчик реагирует на такое изменение. Электронный блок датчика преобразует эту реакцию в сигнальное напряжение.
Для управления системой кондиционирования в первых управляющих системах использовались только датчики температуры в салоне, в настоящее время появились датчики качества воздуха (рис. 3.59), определяющие концентрацию оксидов углерода и азота в окружающем воздухе, чтобы при необходимости система автоматически переходила в режим рециркуляции, исключая использование забортного воздуха с повышенной концентрацией токсичных компонентов.
Активной основой датчика является смесь окислов вольфрама или олова. Эти соединения изменяют свои электрические свойства при контакте с окисляемыми или восстанавливаемыми газами. К окисляемым газам относятся оксид углерода (CO), пары бензола и бензина, углеводороды, несгоревшие остатки топлива и продукты его неполного сгорания. Восстанавливаемыми газами являются оксиды азота NOx.
Упрощенно окислению соответствует поглощение кислорода химическим элементом, а восстановлению – выделение кислорода из химического соединения. Иными словами, окисляемые газы стремятся поглотить кислород и соединиться с ним. Восстанавливаемые газы, напротив, отдают кислород другим элементам или соединениям. Если находящаяся внутри датчика смесь оксидов вступает в контакт с окисляемым газом, последний начинает поглощать из окислов кислород. В результате изменяются электрические свойства смеси. Ее сопротивление уменьшается. Если же датчик подвергается воздействию восстанавливаемого газа, то смесь оксидов поглощает из этого газа кислород. При этом электрические свойства смеси также изменяются, но при этом сопротивление возрастает.
Фотодатчики солнечного излучения (рис. 3.60) позволяют вычислять интенсивность и угол падения солнечных лучей и, исходя из этой информации, обеспечивать подачу дополнительного прохладного воздуха в ту часть автомобиля, где воздействие прямых солнечных лучей оказывает особенно сильное влияние.
Солнечный свет попадает через фильтр и оптический элемент на фотодиод. Фильтр предназначен для предотвращения повреждения фотодиода солнечными лучами. Фотодиод изменяет силу тока пропорционально попадающего на него потока солнечного света. Чем сильнее поток света, тем больше сила тока. Благодаря этому по повышению силы тока от датчика, блок управления опознает увеличение потока солнечного света и воздействует на систему управления кондиционированием с целью сохранения заданной температуры.
При направлении солнечных лучей под углом спереди (рис. 3.60, а), прямо на водителя и переднего пассажира температура в салоне повышается, при этом на светодиод попадает значительная часть светового излучения. Хладапроизводительность системы управления кондиционированием увеличивается, компенсируя нагревающее действие солнечного света.
При направлении солнечного света вертикально солнечные лучи задерживаются крышей автомобиля (рис. 3.60, б). В этом случае на оптический элемент света падает меньше, и он направляет меньше света на светодиод. Хладапроизводительность системы управления кондиционированием уменьшается, поскольку пассажиры автомобиля не находятся под прямыми солнечными лучами.
Датчик «климат-контроль». Датчик «климат-контроль» (CCS) измеряет содержание диоксида углерода (СО2) в воздухе салона. Повышенное содержание углекислого газа может стать причиной усталости, плохого самочувствия и физического недомогания, а также является индикатором использованного воздуха в салоне. Датчик дает возможность осуществлять вентилирование автомобиля в случае необходимости. С его помощью можно добиться значительного снижения энергозатрат при работе автомобильной климатической установки за счет использования уже вентилированного воздуха и соответственно сэкономить топливо. Качество кондиционирования вследствие такого регулирования не ухудшается.
В автомобилях, которые оснащены климатической установкой, датчик может также использоваться для определения утечки в охлаждающем контуре, поскольку это также является причиной повышения содержания углекислого газа в салоне.
Для датчика «климат-контроль» используется спектроскопическое измерение газа (рис. 3.61). Концентрация СО2 измеряется с помощью абсорбции, зависящей от длины волны инфракрасного излучения. Широкополосное инфракрасное излучение, вырабатываемое термическим источником 1, проходит через кювету, пропускающую воздух, в которой абсорбируется часть излучения от СО2 (4), содержащегося в воздухе. Остаточное излучение регистрируется микроструктурированным инфракрасным детектором 3, разработанным специально для этой цели, и преобразуется в электрическое напряжение.
Детектор вырабатывает электрическое напряжение, величина которого зависит от проявляющейся интенсивности излучения. Он имеет измерительный канал, который корректируется по линии абсорбции СО2 (4,26 мкм) с помощью оптического фильтра, и эталонный канал (4,0 мкм), на который не влияют газы или водяной пар. Путем выполнения эталонного измерения гарантируется продолжительная стабильность датчика.
Сигналы инфракрасного детектора обрабатываются в ASIC. Предварительная обработка сигнала и реализация цифрового интерфейса LIN или другого интерфейса осуществляются в микроконтроллере. Через интерфейс датчик сообщается с механизмом управления климатом в автомобиле. Он управляет заслонками климатической системы и регулирует поступление атмосферного воздуха в салон автомобиля.
При необходимости датчик может дополнительно измерять температуру и влажность воздуха.