Датчики и исполнительные механизмы представляют собой периферийные устройства, линии связи между транспортным средством с его сложным приводом, тормозами, шасси и работой агрегатов общецелевого использования, включая навигационные устройства, и блоками управления, обрабатывающими получаемые сигналы. Для преобразования сигналов датчика в стандартную форму, необходимую для поступления на блок управления используются переходные устройства (адаптеры) обычно используются. В целях обеспечения водителя автомобиля информацией о статическом и динамическом состоянии автомобиля используются элементы индикации. Типы характеристик датчиков и примеры форм их сигналов приведены на рис. 3.4 и рис. 3.5.
Системы управления развиваются от локальных электронных схем обработки сигналов с гибридными и монолитными встроенными датчиками до комплексных цифровых схем с аналого-цифровыми преобразователями и микрокомпьютерами, полностью использующими прецизионные возможности датчика. Достоинства: уменьшение нагрузки на блок управления; однородные, гибкие, шиносовместимые связи; возможность обработки низко интенсивных и высокочастотных сигналов (усиление, локальная демодуляция); хранение индивидуальных коэффициентов коррекции в программируемой памяти PROM для улучшения характеристик и местной компенсации погрешностей датчика, а также общей балансировки работы датчика и цепи.
Датчики положения, перемещения, поворота, скорости, частоты.
Датчики положения, перемещения могут иметь конструкцию с подвижными контактами или бесконтактную (при непосредственной близости к месту измерения) для регистрации перемещения и угла. Применяются для контроля следующих параметров: положение дроссельной заслонки; положение педали управления подачей топлива; ход и положение тяги механизма управления; подъем иглы форсунки; уровень топлива; угол отклонения заслонки датчика расхода воздуха); перемещение подпружиненной массы (ускорение при ударе автомобиля); перемещение диафрагмы (давление). Рассмотрим наиболее часто используемые типы датчиков.
Потенциометрические (резистивные) датчики со скользящими (подвижными) контактами приведены на рис. 3.6. Измеряют линейные и угловые перемещения благодаря пропорциональной связи между длиной проволоки или дорожки и ее электрическим сопротивлением.
Напряжение на измерительной дорожке обычно трассируется несколькими последовательными резисторами Rv для защиты от перегрузок.
Стандартное подключение подвижного контакта выполняется с помощью второй контактной дорожки, состоящей из того же материала, нанесенного на проводящую подложку. Во избежание износа и погрешности измерения ток в зоне контакта минимизируют (IА < 1 мА), а устройство в целом защищается от пыли. Примером является датчик положения дроссельной заслонки. Педальный модуль посредством датчиков непрерывно определяет положение педали акселератора и передает соответствующий сигнал блоку управления двигателя. Он состоит из (рис. 3.7):
— педали акселератора;
— датчика 1 положения педали акселератора;
— датчика 2 положения педали акселератора.
Два одинаковых датчика используются для обеспечения надежной работы системы, но для работы системы достаточно работоспособности одного датчика.
Оба датчика представляют собой потенциометры со скользящим контактом, укрепленным на общем валу. При каждом изменении положения педали изменяется сопротивление датчиков и, соответственно, напряжение, которое передается на блок управления двигателя. При отпускании педали напряжение практически около 0 V. В случае нажатия на педаль напряжение контакта увеличивается и при полностью нажатой педали составляет примерно 3 V.
Используя сигнал от обоих датчиков положения педали акселератора блок управления двигателя узнает положение педали в каждый момент времени.
Кроме потенциометрических датчиков со скользящим контактом для измерения положения дроссельной заслонки могут применяться магниторезистивные датчики, которые работают бесконтактно.
Высокочастотные датчики с вихревыми токами (с встроенной электронной схемой) применяются для бесконтактных (в непосредственной близости к объекту) измерений, например, контроля угла открытия дроссельной заслонки. Катушки этих датчиков лишены ферромагнитного сердечника; изменения индуктивности в них наводятся электропроводными элементами специальной формы (спойлерами), которые выбираются в зависимости от объекта измерения или совмещаются с ним. Поскольку рабочие частоты высоки (в диапазоне МГц), электронная схема сигнала является частью датчика.
На общей многослойной плате (рис. 3.8) предусмотрены одна катушка возбуждения и три приемные катушки для каждого чувствительного элемента, а также электронные элементы обработки сигналов и управления датчиком.
Ромбовидные приемные катушки расположены со смещением относительно друг друга, благодаря чему создается сдвиг фаз индуцируемого в них тока. Над приемными катушками находятся катушки возбуждения. На механизме педали закреплена металлическая шторка, который перемещается при движении педали вдоль платы на минимальном расстоянии от нее.
Катушка возбуждения запитывается переменным током. В результате возникает переменное электромагнитное поле, действующее на металлическую шторку. При этом в шторке индуцируется ток, который в свою очередь создает вокруг нее свое, вторичное, переменное электромагнитное поле. Оба поля, созданные катушкой возбуждения и металлической шторкой, действуют на приемные катушки, создавая на их выводах соответствующее напряжение. В то время как собственное поле шторки не зависит от ее положения, индуцируемый в приемных катушках ток, изменяется при перемещении шторки относительно них.
При перемещении шторки изменяется степень перекрытия ею той или иной приемной катушки и соответственно меняется амплитуда напряжения на ее выводах. Переменные напряжения на выводах катушек преобразуются затем в электронной схеме датчика в сигналы постоянного напряжения, усиливаются и сравниваются друг с другом. Обработка завершается созданием линейного напряжения, подаваемого на выводы датчика.
Преимуществом модуля является отсутствие контактов, что повышает надежность системы.
Датчики с кольцом закорачивания (рис. 3.9) представляют собой элементы переменной индуктивности. Состоят из сердечника, набранного из пластин (прямоугольной, скругленной U-образной или Е-образной формы) магнитомягкой стали, катушки индуктивности и подвижного кольца закорачивания, выполненного из меди или алюминия. Вихревые токи в кольце закорачивания замыкают магнитное поле в зоне между катушкой и кольцом. Поскольку движущаяся масса относительно мала, для целей измерения можно использовать почти всю длину датчика. Изменение контурных выводов, сказывается на характеристике датчика: уменьшение расстояния между выводами по отношению к концу измеряемого диапазона улучшает ее, в дальнейшем приводя к достаточно хорошей естественной линейности. В зависимости от материала и формы рабочий диапазон лежит в интервале 5-50 кГц.
Особенностью «интеллектуального» датчика с кольцом закорачивания являются объединение датчика со схемой генерирования сигналов (ASIC) и имеет упрощенный сердечник. Поскольку датчик и схема могут использовать общее долевое уравновешивание и температурную компенсацию, точность измерений также существенно повышается.
Такой датчик применяется в качестве датчика положения рейки в электронно-управляемом многоплунжерном ТНВД дизельного двигателя. Он подает сигналы для различных устройств на двигателе и автомобиле:
— сигнал о моменте переключения передач для гидравлической коробки передач;
— сигнал для подачи максимальной порции топлива скоординированной с давлением наддува для соблюдения норм на дымность отработавших газов;
— сигнал о нагрузке, как указание момента переключения для переключения передач в механической коробке передач;
— сигнал для измерения расхода топлива;
— сигнал для запуска рецеркуляции отработавших газов;
— сигнал диагностики и др.
Полудифференциальные датчики (рис. 3.10) и (рис. 3.11) используют для получения большей точности положения подвижного измерительного и неподвижного эталонное кольца закорачивания (например, на дизельных топливных насосах высокого давления линейный датчик перемещения зубчатой рейки и датчик углового положения исполнительного механизма насосов распределительного типа). Со сдвигом измерительного кольца изменяется магнитный поток и соответственно напряжение на катушке, так как блок управления поддерживает ток постоянным.
Процессор блока управления определяет отношение выходного напряжения UA к опорному URef (рис.). Это отношение пропорционально смещению измерительного кольца. Подъем этой характеристики определяется деформацией короткозамкнутого опорного кольца, а нулевая точка может быть отрегулирована в исходном положении измерите
Датчик имеет пластинчатый сердечник из мягкомагнитного железа. Измерительная и опорная катушки укреплены на стержне этого сердечника.
Когда задаваемый блоком управления электрический ток движется по катушкам, в них возникает переменное магнитное поле. Короткозамкнутые медные кольца, окружающие сердечник из мягкого железа, экранируют это поле. Опорные короткозамкнутые кольца фиксированы, в то время как измерительное кольцо укрепляется на рейке ТНВД или на валу регулятора (соответственно, измеряется ход рейки s или угол поворота исполнительного механизма (р).
Со сдвигом измерительного кольца изменяется магнитный поток и соответственно напряжение на катушке, так как блок управления поддерживает ток постоянным.
Дифференциальные соленоидно-плунжерные датчики (рис. 3.12) функционируют на основе изменения индуктивности отдельной катушки и пропорционального отношения делителей напряжения с подвижными сердечниками.
Емкостные датчики могут непосредственно детектировать любые параметры движения (перемещение, положение), химический состав, параметры электрического поля и, косвенно, определять многие другие параметры — давление, ускорение, уровень жидкости, состав жидкости и т. д.
Чтобы создать емкостной датчик, необходимо посредством варьирования детектируемого параметра произвести изменение емкости конденсатора, которое можно измерить.
Существуют различные пространственные конфигурации конденсаторов, которые можно использовать для данной цели:
- две близко расположенные параллельные пластины — плоский конденсатор;
- диск или сфера;
- цилиндр.
Проиллюстрировать, как именно могут быть созданы емкостные датчики, поможет известное выражение для емкости плоского конденсатора:
где ε0 = 8,854⋅10–12 Ф/м — диэлектрическая постоянная (абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума); ε — значение относительной диэлектрической проницаемости материала диэлектрика; S — площадь перекрытия обкладок; d — расстояние между обкладками.
Важным в определении плоского конденсатора является значительный размер сенсорных электродов (по сравнению с расстоянием d).
Чтобы достичь изменения в емкости, необходимо добиться изменения по определенному, предпочтительно линейному, закону свойств диэлектрического материала, геометрии взаиморасположения обкладок или расстояния между ними.
Емкостные датчики могут применяться в корпусе поворотного золотника, входящего в состав рулевого механизма электроусилителя (рис. 3.13). Он служит для измерения угла поворота рулевого колеса, который используется далее для расчета скорости его поворота.
Между пластинами 4 девяти малогабаритных конденсаторов вращается ротор 3, закрепленный на входном вале 2 редуктора рулевого механизма. При вращении вала емкость пластинчатых конденсаторов изменяется. Встроенная в датчик электросхема 5 преобразует изменение емкости в сигналы угла и скорости поворота рулевого колеса, которые поступают на вход блока управления усилителем рулевого управления.
Датчики емкостного (конденсаторного) типа применяются для определения удара автомобиля и передачи сигнала на ЭБУ подушек безопасности (рис. 3.14). Отдельные пластины конденсатора закреплены неподвижно. Сопряженные с ними элементы являются подвижными и выполняют роль сейсмической массы. При столкновении сейсмическая масса, в данном случае подвижные пластины, перемещается в направлении к неподвижным пластинам и емкость такого конденсатора меняется. Блок обработки данных обрабатывает эту информацию, переводит ее в цифровой вид и передает данные в блок управления подушками безопасности.
Ёмкостный датчик давления. Чувствительный элемент ёмкостного датчика давления сконструирован как конденсатор. В герметичной полости расположена первая пластина конденсатора (рис. 3.15).
Вторая пластина конденсатора представляет собой мембрану, проходящую через полость. Если на мембрану воздействует давление, то расстояние (d) между пластинами конденсатора изменяется. Это изменение обрабатывается электронной системой обработки данных, а затем передаётся в виде сигнала в блок управления.
Датчики частоты вращения и скорости обеспечивают мониторинг скорости автомобиля, частоты вращения и положения коленчатого вала, распределительного вала, колес автомобиля. В качестве таких датчиков применяются индуктивный датчик, датчики Холла и магниторезисторные датчики.
Индуктивный датчик (рис. 3.16) содержит стержневой магнит с полюсным штырем из магнитомягкой стали и катушку индуктивности с двумя выводами.
Датчик обычно устанавливается на картере маховика, корпусе гидротрансформатора автоматической коробки передач или втулке колеса. В качестве задатчика углового положения применяют отверстия зубья.
При вращении вала зубья зубчатой шестерни поочередно проходят мимо датчика. Когда зуб ферромагнитного зубчатого колеса (или ротора) проходит вблизи сердечника датчика, наводимые им изменения магнитного потока создают в катушке переменное напряжение.
Поскольку магнитный поток концентрируется зубьями диска, что приводит к увеличению магнитного потока через обмотку, то при подходе пропуска зубьев он ослабевает. Следовательно, при вращении зубчатого диска возникают колебания магнитного потока, которые, в свою очередь, генерируют синусоидальные колебания напряжения в электромагнитной обмотке, пропорциональные скорости изменения магнитного потока (рис. 3.17). Амплитуда колебаний переменного напряжения увеличивается строго пропорционально увеличению скорости вращения зубчатого диска. Для генерирования достаточного уровня сигнала требуется, по крайней мере, 30 об/мин.
Когда зуб находится прямо напротив датчика, магнитный поток достигает максимального значения. Напряженность потока вновь уменьшается, когда зуб удаляется от датчика.
Мощность образованного напряжения зависит от количества витков обмотки на катушке и скорости, с которой изменяется магнитное поле. Оно выражается в виде формулы:
U = c’ * N *ΔΦ/ Δt,
где U — образованное напряжение; c’ — постоянный коэффициент; N — количество витков обмотки на катушке; ΔΦ — изменение поля; Δt — промежуток времени, в течение которого происходит изменение поля.
Амплитуда переменного напряжения датчика изменяется прямо пропорционально частоте вращения. Напряжение может изменяться от 5 В на холостом ходу до 100 В при частоте вращения 6000 об/мин. Поскольку для процессора предпочтителен цифровой сигнал (включено/выключено), переменное напряжение преобразуется в аналого-цифровом преобразователе (АЦП).
Количество зубьев на задатчике угловых импульсов зависит от конкретного применения. Очень большой пропуск зубьев (8) устанавливается для определения положения коленчатого вала и служит как отметка для синхронизации в ЭБУ.
Местоположение пропущенного зуба не обязательно находится в ВМТ. Оно может быть смещено относительно ВМТ на любой угол, записанный в памяти блока управления.
Существует другой вариант задатчика угловых импульсов, который имеет один зуб на цилиндр. Следовательно, в случае четырехцилиндрового двигателя задатчик имеет четыре зуба и, соответственно, генерируются четыре импульса на один оборот зубчатого диска.
В роли задатчика может выступать и маховик с равномерно установленными стальными штифтами. Обычно они идут через каждые 10°, т.е. устанавливается 36 штифтов.
Современные системы обычно имеют один индуктивный датчик, но в некоторых ранних версиях устанавливались два датчика: датчик частоты вращения и датчик положения коленчатого вала.
Индуктивный датчик может также использоваться в качестве задающего генератора для выдачи базового сигнала на зажигание и впрыск топлива.
Стандартные датчики частоты вращения вала работают при зазоре 0,8-1,5 мм. Эталонная точка задается или пропуском зубца, или шунтированием промежутка между зубцами. При этом результирующее увеличение расстояния между нулевыми переходными состояниями сигнала или значительное повышение напряжения сигнала (система регистрирует зубец большего размера) определяется как нулевая точка для синхронизации впрыска и зажигания.
Частота выходного сигнала пропорциональна частоте вращения коленчатого вала двигателя. ЭБУ использует эту информацию для определения частоты вращения коленчатого вала. Чувствительность индукционных датчиков зависит от скорости вращения задающего диска-ротора. Современные датчики выполняются, как правило, на основе магнитоуправляемых микросхем, благодаря чему выдают сигнал даже при остановленном зубчатом диске.
Датчик положения и частоты вращения коленчатого вала — единственный в электронной системе управления двигателем, для которого не может быть сформировано аварийное значение сигнала при неисправности. При выходе его из строя синхронизация систем зажигания и впрыска топлива нарушается и двигатель перестает работать.
Датчик с элементом Холла и интегрированной микросхемой позволяет отслеживать изменение напряженности поля, возникающее при движении постоянного магнита, и таким образом контролировать ограниченные перемещения.
Элемент Холла представляет собой тонкую пластинку, выполненную из полупроводникового материала (кремний, германий), с четырьмя электродами. Если через такую пластинку проходит ток I (рис. 3.18) и на нее одновременно действует магнитное поле, вектор магнитной индукции В которого перпендикулярен плоскости пластинки, то на параллельных направлению тока гранях возникает э.д.с. Холла, которое определяется по следующему выражению:
Uн = кхIВ/d,
кх – постоянная Холла, зависящая от материала пластинки; d – толщина пластинки.
Через пластинку пропускается ток примерно 30мА, тогда как напряжение Холла составляет 2 мВ, увеличиваясь с ростом температуры. Пластинка обычно представляет одно целое с интегральной схемой, осуществляемой усиление и формирование сигнала.
Если между магнитом и полупроводником поместить перемещающийся экран с прорезями, получим импульсный генератор Холла.
Элемены Холла, установленные в датчике позволяют получать точные цифровые данные (по углу поворота) о прохождении объектов в заранее заданной последовательности. В этом случае отслеживается вращение магнитного диска, отверстия в котором задают цифровой код (запоминающее устройство). В некоторых случаях магнит установлен неподвижно, а вращается экран с отверстиями (система зажигания автомобиля) (рис. 3.19). Магнитная цепь состоит из постоянного магнита и полевого элемента и полностью изолирована от внешних воздействий. Магнитомягкое триггерное колесо (например, с приводом от коленчатого вала) движется в зазоре между ними. Пластина триггерного колеса экранирует магнитное поле, в то время как прорезь или отверстие позволяет ему беспрепятственно действовать на элемент Холла, установленный в датчике.
Элемент Холла применяется в датчике положения распределительного вала, датчике положения коленчатого вала, датчике положения педали акселератора, кнопке управления на приборной панели.
Рассмотрим принцип работы стержневого датчика Холла для определения положения распределительного вала (датчика фазы).
Распределительный вал редуцирован по сравнению с коленчатым валом на 1:2. Положение валов отображает состояние поршня двигателя, движущегося к верхней мертвой точке, при этом определяется какой такт при этом наступает – сжатия или выпуска. Датчик фазы на распределительном вале передает эту информацию на блок управления. Она необходима для момента подачи электрической искры и впрыска топлива форсунками.
Стержневые датчики Холла (рис. 3.20) используют эффект Холла: вместе с рапределительным валом вращается ротор 7, импульсное (активное) коле с зубцами или сегментами, или перфорированной диафрагмой) из ферромагнитного материала. Интегральная схема Холла (IC) 6 находится между ротором и постоянным магнитом 5, который формирует магнитное поле перпендикулярно элементу Холла.
Если зубец (Z) попадает на сенсорный элемент, пропускающий ток, (полупроводниковую пластинку) стержневого датчика, напряженность магнитного поля изменяется перпендикулярно элементу Холла. За счет этого создается сигнал по напряжению (напряжение Холла), который не зависит от относительной скорости между датчиком и импульсным (активным) колесом. Интегрированная электроника, обрабатывающая данные в микросхеме Холла (IC) подготавливает сигнал и выдает его как сигнал прямоугольной формы (рис. b).
Более совершенны магниторезисторные датчики, применяемые для измерения частоты вращения колеса (рис. 3.21). Принцип действия датчика заключается в эффекте изменения омического сопротивления материала в зоне действия магнитного поля (рис. 3.21, а). Наиболее сильно этот эффект проявляется в полупроводниковых материалах.
Физическая суть эффекта заключается в следующем. При нахождении полупроводникового элемента с протекающим током в магнитном поле, на электроны действуют силы Лоренца. Эти силы вызывают отклонение движения носителей заряда от прямолинейного, искривляют его и, следовательно, удлиняют его. А удлинение пути между выводами полупроводникового элемента равносильно изменению его сопротивления.
В магнитном поле изменение длины «пути следования» электронов обусловлено взаимным положением векторов намагниченности этого поля и поля протекающего тока. При изменении угла между векторами поля и тока пропорционально изменяется и сопротивление. Таким образом, зная величину сопротивления датчика можно судить о количественной характеристике магнитного поля.
Чувствительный элемент электронной ячейки 2 (рис. 3.21, б) такого датчика изготовлен из материала, электропроводность которого зависит от напряженности магнитного поля. При вращении задающего диска 1 происходят изменения магнитного поля. Вызываемые изменяющимся магнитным полем колебания, проходящего через чувствительный элемент тока преобразуются в электронной схеме в колебания напряжения, выводимого на внешние контакты датчика. При вращении задающего диска установленный около него датчик вырабатывает прямоугольные импульсы, частота которых соответствует частоте вращения диска. Преимуществом данного датчика по сравнению с ранее применяемыми системами является точная регистрация частоты вращения при ее снижении вплоть до остановки колеса.
Магнитные градиентные и тангенциальные датчики (рис. 3.22) содержат постоянный магнит, полюс которого обращен к зубчатому колесу.
На его поверхности установлена тонкая ферромагнитная пластина, на которой расположены два гальваномагнитных (магниторезистивных) элемента на расстоянии примерно половины зубчатого интервала. Измеряется различие в напряженности поля в двух смежных местоположениях на окружности. Выходной сигнал приблизительно пропорционален отклонению силы поля как функции угла на окружности.
Магниторезистивные датчики, базирующиеся на эффекте Гаусса, представляют собой магнитоуправляемые, биполярно-полупроводниковые резисторы (индий-антимонид), конструктивно подобные датчику Холла. Их сопротивление, в основном, пропорционально квадрату напряженности поля. Два резистора дифференциального датчика предполагают соединение по схеме делителя напряжения; термочувствительность при этом компенсируется. Величина сигнала сопоставима с выходом местных электронных усилителей (0,1—1,0 В). Магниторезисторы для применения в автомобильной технике имеют стандартную температуру работы < 170°С (при пиковом нагреве < 200°С).
Пьезоэлектрический датчик. Чувствительный элемент пьезоэлектрического датчика состоит из герметичной полости, через которую проходит мембрана с пьезокристаллами (рис. 3.23).
Такой датчик применяется в системе зажигания, как датчик обнаружения начала детонации, в системе управления подушками безопасности. При ударе под воздействием давления мембрана деформируется, что вызывает смещение заряда в пьезокристаллах. Это смещение заряда расценивается электронной системой обработки данных как напряжение и передаётся в виде сигнала в блок управления системы зажигания или подушек безопасности.