Автомобильные датчики

Электронные системы управления современного автомобиля немыслимы без датчиков. Автомобильные датчики оценивают значения неэлектрических параметров и преобразуют их в электрические сигналы. В качестве сигнала выступает напряжение, ток, частота и др. Сигналы преобразуются в цифровой код и передаются в электронный блок управления, который в соответствии с заложенной программой приводит в действие исполнительные механизмы.

Датчики бывают активными и пассивными. В активном датчике электрический сигнал возникает за счет внутреннего энергетического преобразования. Пассивный датчик преобразует внешнюю электрическую энергию.

Датчики применяются практически во всех системах автомобиля. В двигателе они измеряют температуру и давление воздуха, топлива, масла, охлаждающей жидкости. Ко многим движущимся частям автомобиля (коленчатый вал, распределительный вал, дроссельная заслонка, валы в коробке передач, колеса, клапан рециркуляции отработавших газов) подключены датчики положения и скорости. Большое количество датчиков используется в системах активной безопасности.

В зависимости от назначения различают следующие типы автомобильных датчиков: положения и скорости, расхода воздуха, контроля эмиссии отработавших газов, температуры, давления.

Датчики положения и скорости

Датчики положения и скорости выполняются контактными или бесконтактными. Несмотря на то, что предпочтение отдается бесконтактным датчикам, контактные устройства еще широко применяются. При всех достоинствах, контактные датчики имеют один существенный недостаток – склонность к загрязнению и, соответственно, снижение точности измерений.

К контактным датчикам положения относятся потенциометры с подвижными контактами, которые измеряют линейные и угловые перемещения объекта. Подвижные контакты перемещаются по длине переменного резистора и изменяют его сопротивление, пропорциональное фактическому перемещению объекта. Потенциометры широко используются в качестве датчика положения дроссельной заслонки, датчика положения педали газа, объемного расходомера воздуха, датчика уровня топлива и др.

В основу работы бесконтактных датчиков положения и скорости положены различные физические явления и эффекты, и соответствующие им датчики: индуктивные, Виганда, Холла, магниторезистивные, оптические и множество других.

Индуктивный датчик широко используется в качестве датчика положения коленчатого вала. Он содержат постоянный магнит, магнитопровод и катушку. Когда стальной объект (зуб шестерни) приближается к датчику, магнитное поле увеличивается, а в катушке наводится переменное напряжение. В отличие от индуктивных датчиков датчики Виганда не используют постоянный магнит, а активируются внешним магнитом.

Наиболее востребованные бесконтактные датчики построены на эффекте Холла. Суть эффекта заключается в том, что постоянный магнит, связанный с измеряемым объектом, при вращении генерирует напряжение, пропорциональное угловому положению объекта. В датчиках Холла используется несколько схем измерения положения и скорости: вращающийся прерыватель, многополюсный кольцевой магнит, ферромагнитный зубчатый ротор. Для измерения угловой скорости зубчатого ротора применяется дифференциальный датчик Холла – два рядом расположенных измерительных элемента, позволяющих видеть зуб и впадину одновременно.

Магниторезистивные датчики начали применяться сравнительно недавно, но очень популярны. Они построены на магниторезистивном эффекте - свойстве некоторых токонесущих материалов изменять свое сопротивление во внешнем магнитном поле. Различают анизотропные магниторезисторы (АМР) и гигантские магниторезисторы (ГМР). АМР-датчики используют электрическое сопротивление ферромагнитных материалов. Измерительный элемент ГМР-датчика состоит из чередующихся ферромагнитных и немагнитных слоев. Анизотропные магниторезисторы применяются в датчике угла поворота рулевого колеса.

В оптическом датчике для определения углового положения используются светомодулирующий диск с чередующимися прозрачными и непрозрачными секторами. Диск располагается между светодиодом и фоторезистором. При перемещении (повороте) диска на фоторезисторе вырабатываются электрические импульсы, по которым определяется угол и скорость поворота вала.

Датчики расхода воздуха

Расход воздуха, поступающего в двигатель, определяется по объему или массе. Датчики определяющие расход воздуха по объему называют объемными расходомерами. Работа таких датчиков построена на оценке перемещения заслонки, пропорционального величине потока воздуха.

Расход воздуха по массе оценивается датчиком массового расхода воздуха. Наибольшее применение нашли микромеханические расходомеры, построенные на тонкопленочных нагреваемых элементах - терморезисторах. Воздух, проходя через терморезисторы, охлаждает их. При этом, чем больше проходит воздуха, тем сильнее охлаждаются терморезисторы. Определение массового расхода воздуха построено на измерении мощности и тока, необходимых для поддержания постоянной температуры терморезисторов.

Датчики контроля эмиссии отработавших газов

Регулирование содержания вредных веществ в отработавших газах обеспечивают датчики контроля эмиссии, к которым относятся датчик концентрации кислорода и датчик оксида азота.

Кислородный датчик (другое название – лямбда-зонд) устанавливается в выпускной системе и в зависимости от содержания кислорода в отработавших газах вырабатывает определенный сигнал. На основании сигнала система управления двигателем поддерживает стехиометрический состав топливно-воздушной смеси (т.н. лямбда-регулирование).

На современных автомобилях, оборудованных каталитическим нейтрализатором, устанавливается два датчика концентрации кислорода. Кислородный датчик на выходе из нейтрализатора контролирует его работоспособность и обеспечивает содержание вредных веществ в отработавших газах в пределах установленных норм.

Датчик оксидов азота контролирует содержание оксидов азота в отработавших газах. Он устанавливается в выпускной системе бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива после дополнительного (накопительного) нейтрализатора. Датчик включает две камеры. В первой камере оценивается концентрация кислорода. Во-второй камере происходит восстановление оксидов азота на кислород и азот. Концентрация оксидов азота оценивается по величине восстановленного кислорода.

Датчики температуры

Измерение температуры производится в различных системах автомобиля:

Температуры наружного воздуха;

Температуры воздуха в салоне автомобиля

Для измерения температуры применяются терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом. С увеличением температуры сопротивление термистора снижается, соответственно возрастает ток. В качестве датчика температуры используется также термопара – проводник, состоящий из двух различных металлов и под воздействием температуры генерирующий термоэлектрическое напряжение.

Датчики давления

В современных автомобилях используется большое количество датчиков давления, с помощью которых измеряется давление во впускном коллекторе, давление топлива в системе впрыска, давление в шинах, давление рабочей жидкости в тормозной систем, давления масла в системе смазки.

Для оценки давления применяется пьезорезистивный эффект, который заключается в изменении сопротивления тензорезистора при механическом растяжении диафрагмы. Измеряемое давление может быть абсолютным или относительным. Датчик давления во впускном коллекторе измеряет абсолютное давление, т.е. давление воздуха относительно вакуума.

Представленная классификация охватывает далеко не все автомобильные датчики. Необходимо упомянуть ряд других датчиков: датчик детонации, датчик уровня масла, датчик дождя. Датчик детонации оценивает вибрацию двигателя, которая сопровождает неконтролируемое воспламенение топливно-воздушной смеси. Датчик представляет собой пьезоэлектрический элемент, который при вибрации генерирует электрический сигнал.

Датчик уровня масла в современном двигателе заменяет функции щупа. Уровень масла может измеряться поплавковым переключателем или более совершенным тепловым датчиком, который кроме уровня масла измеряет его температуру. Датчик дождя обеспечивает автоматическую работу стеклоочистителей. Конструктивно он объединен с датчиком освещенности.

Материалы: http://systemsauto.ru/electric/automotive_sensors.html

Современные системы электронного автоматического управления раз­личными всевозможными техническими объектами, а также автомобильными бортовыми устройствами, имеют почти одинаковую похожую структуру.

Принцип работы различных датчиков ЭСАУ примерно одинаковый, - преобразование информации о значениях, которые преобразовываются из неэлектрических параметров в электрический сигнал — напряжение, ток, частоту, фазу и т. д. Полученные сигналы перевоплощаются в цифровой код и поступают в специальный микроконтроллер.

Микроконтроллер на основании значений этих сигналов и в соответствии с заложенным в него программным обеспечением принимает реше­ния, управляет через исполнительные механизмы (реле, соленоиды, электродвига­тели) объектом.

Возможность совершенствования автомобильных электронных систем во мно­гом зависит от наличия надежных, точных и недорогих датчиков.

В 60-х годах автомобили были оборудованы датчиками давления масла, уровня топлива, температуры, охлаждающей жидкости. Их выходы были подключены к стрелочным или ламповым индикаторам на щитке приборов.

В 70-х годах автомобильные компании начали бороться за уменьшение ко­личества токсичных выбросов из глушителя автомобиля — потребовались до­полнительные датчики для управления силовой установкой, которые необходи­мы для обеспечения нормальной работы электронного зажигания, системы впрыска топлива, трехкомпонентного нейтрализатора, для точного задания со­отношения воздух/топливо в рабочей смеси, для минимизации токсичности выхлопных газов.

В 80-х годах начали уделять больше внимания безопасности водителя и пасса­жиров — появились антиблокировочная система торможения (ABS) и воздушные мешки безопасности.

В силовом агрегате (в ДВС) датчики используются для измерения температуры и давления большинства текучих сред (температура всасываемого воздуха, абсо­лютное давление во впускном коллекторе, давление масла, температура охлажда­ющей жидкости, давление топлива в системе впрыска).

Почти ко всем движущимся частям автомобиля подключены датчики скорости или положения (скорость автомобиля, положение дроссельной заслонки, положе­ние коленчатого вала, положение распределительного вала, положение и скорость вращения вала в коробке переключения передач, положение клапана рециркуля­ции выхлопных газов).

Другие датчики определяют уровень детонации, нагрузку двигателя, пропуски воспламенения, содержание кислорода в выхлопных газах.

Есть датчики, которые определяют положение сидений.

В системе управления климатом (в климат-контроле) используются различные датчики в кондиционере для определения давления и температуры хладагента, температуры воздуха в салоне и за бортом.

После появления антиблокировочной системы торможения и активной подвес­ки потребовались датчики для определения скорости вращения колес, высоты ку­зова по отношению к шасси, давления в шинах.

Датчики удара и акселерометры нужны для правильного функционирования фронтальных и боковых воздушных мешков безопасности. Для переднего пасса­жирского сиденья с помощью датчиков определяют наличие пассажира, его вес. Эта информация используется для оптимального наддува мешка безопасности на переднем сиденье. Другие датчики используются для боковых и потолочных воз­душных мешков безопасности, а также специальных воздушных мешков для за­щиты шеи и головы.

На современных автомобилях антиблокировочные системы торможения заме­няются более сложными и эффективными системами управления стабильностью движения автомобиля. Возникает необходимость в новых датчиках. Разрабатыва­ются и уже имеются датчики скорости вращения автомобиля вокруг вертикальной оси, датчики для предупреждения столкновений (например радарные), датчики для определения близости других автомобилей, датчики положения рулевого ко­леса, бокового ускорения, скорости вращения каждого колеса, крутящего момента на валу двигателя и т. д. Управление тормозной системой автомобиля становится частью более общей и эффективной системы электронного управления курсовой устойчивостью и стабильностью движения.

Из сказанного ясно, что сегодня датчики устанавливаются практически во всех системах автомобиля.

На рис. 2.1, а показано наиболее рациональное расположение различных дат­чиков на автомобиле.

► Датчики автомобильных электронных систем можно классифицировать по трем признакам: принципу действия, типу энергетического преобразования и ос­новному назначению.

По принципу действия датчики подразделяют на электро контактные, потенци­ометры ческие, оптические, оптоэлектронные, электромагнитные, индуктивные, магниторезистивные, магнитострикционные, фото- и пьезоэлектрические, датчи­ки на эффектах Холла, Доплера, Кармана, Зеебека, Вигоида.

В зависимости от энергетического преобразования (рис. 2.1, б) датчики (Д) бывают активными (поз. 2 на рис. 2.1, б), в которых выходной электрический сигнал (ЭС) возникает как следствие входного неэлектрического воздействия (НВ) без приложения сторонней электрической энергии за счет внутреннего физического эффекта (например фотоэффекта), и пассивными (поз. 3 на рис. 2.1, б), в которых электрический сигнал (ЭС) есть следствие модуляции внешней электрической энергии (ВЭ) управляющим неэлектрическим воздейст­вием (НВ). Например, потенциометрический датчик, показанный па рис. 2.1, б (поз. 5), является пассивным преобразователем угла поворота оси потенциомет­ра (чувствительного элемента ЧЭ) в электрический сигнал. Электрический сиг­нал (ЭС) появится на выходе потенциометра только после того, как на резистивную дорожку (П) будет подано внешнее напряжение (ВЭ). Следует отме­тить, что внутри датчика, посредством чувствительного элемента (ЧЭ), всегда имеет место внутреннее преобразование внешнего неэлектрического воздействия (НВ) в промежуточный неэлектрический сигнал (НС), что показано на рис. 2.1, б (поз. 1). Применительно к датчику угла поворота, угловое положение оси потенциометра является неэлектрическим сигналом (НС) на выходе чувствительного элемента. Этому неэлектрическому сигналу (НС) соответствует выходной электрический сигнал (ЭС) датчика, если поданное па резистивную дорожку (П) внешнее напряжение (ВЭ) постоянно (рис. 2.1, б, поз. 4). Линей­ная характеристика преобразования (рис. 2.1, б, поз. 6) может быть легко изме­нена на квадратичную, ступенчатую и любую нелинейную с заданной крутиз­ной, что достигается подбором конструктивных размеров (длины, ширины, тол­щины) резистивной дорожки.

Рис. 2.1, а. Расположение датчиков на автомобиле

1 — датчик конфигурации впускного коллектора с управляемой геометрией, 2 — датчик тахометра, 3 — датчик положения распределительного вала, 4 — датчик нагрузки двигателя, 5 — датчик положения коленчатого вала, 6 — датчик крутящего момента двигателя, 7 — датчик количества масла, 8 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 9 — датчик скорости автомобиля,10 — датчик давления масла, 11— датчик уровня охлаждающей жидкости, 12 — радарный датчик системы торможения, 13 — датчик атмосферного давления, 14 — радарный датчик системы предотвращения столкновений, 15 — датчик скорости вращения ведущего вала коробки передач, 16 — датчик выбранной передачи в коробке передач, 17 — датчик давления топлива в рампе форсунок, 18 — датчик скорости вращения руля, 19 — датчик положения педали, 20 — датчик скорости вращения автомобиля относительно вертикальной оси, 21 — датчик противоугонной системы, 22 — датчик положения сиденья, 23 — датчик ускорения при фронтальном столкновении, 24 — датчик ускорения при боковом столкновении, 25 — датчик давления топлива в баке, 26 — датчик уровня топлива в баке, 27 — датчик высоты кузова по отношению к шасси, 28 — датчик угла поворота руля, 29 — датчик дождя или тумана, 30 — датчик температуры забортного воздуха, 31 — датчик веса пассажира, 32 — датчик кислорода, 33 — датчик наличия пассажира в сиденье, 34 — датчик положения дроссельной заслонки, 35 — датчик пропусков воспламенения, 36 — датчик положения клапана рециркуляции выхлопных газов, 37— датчик абсолютного давления в впускном коллекторе, 38 — датчик азимута, 39 — датчик скорости вращения колес, 40 — датчик давления в шинах.

Из приведенного примера ясно, что любой датчик всегда состоит, как мини­мум, из двух частей — из чувствительного элемента (ЧЭ), способного восприни­мать входное неэлектрическое воздействие (НВ), и из преобразователя (П) проме­жуточного неэлектрического сигнала (НС) от чувствительного элемента в выход­ной электрический сигнал (ЭС).

По назначению датчики классифицируются по типу управляющего неэлектри­ческого воздействия: датчики краевых положений, датчики угловых и линейных перемещений, датчики частоты вращения и числа оборотов, датчики относитель­ного или фиксированного положения, датчики механического воздействия, датчи­ки давления, датчики температуры, датчики влажности, датчики концентрации кислорода, датчик радиации и др.

► Датчики подключаются к ЭБУ или средствам индикации для передачи ин­формации о параметрах контролируемой среды. В автомобильных системах цепа и надежность имеют огромное значение и при прочих равных условиях всегда вы­бирают датчик с наименьшим числом соединителей. Если к датчику следует под­ключить 5—6 проводов (например, ЛДТ), целесообразно разместить микросхему обработки сигнала непосредственно на датчике и передавать данные контроллеру через последовательный интерфейс.

При подключении датчиков к ЭБУ следует иметь в виду, что шасси (масса) ав­томобиля не может быть использована в качестве измерительной земли. Между точкой подключения ЭБУ к массе и датчиком напряжение может падать до I В за счет токов силовых элементов по массе, что недопустимо как при штатной работе датчика, так и при его диагностике.

Подавляющее большинство датчиков из числа вышеперечисленных уже доста­точно широко используется на современных импортных и отечественных автомо­билях. Их устройство, работа и принципы диагностирования подробно описаны в [3] и [4|. Но есть и такие, которые появились относительно недавно и находятся на стадии внедрения в новейшие автомобильные системы. Описанию именно та­ких датчиков уделено наибольшее внимание в данной главе.

Материалы: http://www.autoezda.com/2010-10-25-07-38-46/705-dat4iks.html

До 70-го года прошлого века любой автомобиль был оборудован максимум тремя датчиками: уровня топлива, температуры охлаждающей жидкости и давления масла. Они подключались к магнитоэлектрическим и световым устройствам индикации на панели приборов. Их назначением являлось только информирование водителя о параметрах работы двигателя и количестве горючего. Тогда устройство датчиков автомобиля было очень простым.

Но время шло, и в 70-е годы того же столетия производители автомобилей стали уменьшать содержание вредных веществ в выхлопных газах, сходящих с их конвейеров авто. Необходимые для этого автомобильные датчики уже ничего не сообщали водителю, а только передавали информацию о работе двигателя в ЭБУ. Общее их количество в каждой машине значительно увеличилось. Следующее десятилетие ознаменовалось борьбой за безопасность при использовании машин, для этого были сконструированы новые датчики. Они предназначались для работы антиблокировочной системы тормозов и срабатывания пневматических подушек безопасности во время дорожно-транспортных происшествий.

Эта система предназначена для того чтобы не допускать полного блокирования колес при торможении. Поэтому устройство обязательно содержит датчики скорости вращения колес. Их конструкции различны. Они бывают пассивные или активные.

• Пассивные — это в большей мере индуктивные датчики. Собственно датчик состоит из стального сердечника и катушки с большим числом витков тонкого эмалированного медного провода. Для того чтобы он мог выполнять свои функции, на привод колеса или на ступицу напрессовывают стальное зубчатое кольцо. А датчик закрепляют так, чтобы при вращении колеса зубцы проходили вблизи сердечника и индуцировали в катушке электрические импульсы. Их частота следования и будет пропорциональным выражением скорости вращения колеса. Преимущества устройство такого типа: простота, отсутствие питания и низкая стоимость. Их недостатком является слишком маленькая амплитуда импульсов на скоростях до 7 км/час.

• Активные, которые бывают двух видов. Одни на основе всем известного эффекте Холла. Другие – магниторезистивные на основе одноименного явления. Магниторезистивный эффект состоит в изменении электрического сопротивления полупроводника при попадании в магнитное поле. Оба вида активных датчиков отличаются достаточной амплитудой импульсов при любых скоростях. Но их устройство сложнее, а стоимость выше пассивных. Да и то, что им необходимо питание, не назовешь преимуществом.

Система смазки

Автомобильные датчики, контролирующие параметры работы этой системы, бывают трех видов:

1. Датчик уровня масла. Имеет, пожалуй, самое простое устройство. Это поплавок, вертикально движущийся в поддоне картера по направляющей и замыкающий контакты при достижении поверхностью масла минимально допустимого уровня. Добавление масла приводит к подъему уровня и размыканию контактов.
2. Датчик давления масла (ДД). Чаще всего он бывает электромеханический. Его устройство упругой диафрагмой делится на две части. Которая под действием давления масла деформируется и перемещает движок потенциометра. В результате чего изменяется сопротивление между клеммой выхода и массой. При падении давления масла диафрагма возвращается под действием пружины.
3. Датчик недостаточного (аварийного) давления. Состоит из такой же, как у ДД диафрагмы с пружиной, и контакта, нормально замкнутого на массу. К его клемме подключается один из контактов контрольной лампочки аварийного давления масла в комбинации приборов. На другой контакт этой лампочки при включении зажигания подается питание, поэтому она начинает светиться. После пуска двигателя диафрагма под действием давления масла размыкает контакт клеммы датчика с массой. При этом контрольная лампа гаснет. Снижение давления масла менее допустимого приводит к тому, что под действием пружины клемма замыкается на массу и лампа вновь загорается, сигнализируя о недостатке давления в системе.

Автомобиль с карбюраторным двигателем оснащался двумя датчиками температуры. Один из них включал электрический вентилятор радиатора для поддержания рабочей температуры. С другого снимало показания устройство индикации. Система охлаждения современного автомобиля, оснащенного электронным блоком управления двигателем (ЭБУ), также имеет два датчика температуры. Один из них использует устройство индикации температуры охлаждающей жидкости в комбинации приборов. Другой термодатчик необходим для работы ЭБУ. Их устройство принципиально не различается. Оба они являются термисторами, имеющими отрицательный температурный коэффициент. То есть их сопротивление при уменьшении температуры понижается.

Впускной тракт

• Датчик массового расхода воздуха (ДМРВ). Предназначен для определения объема воздуха, поступающего в цилиндры. Это необходимо, чтобы рассчитать количества топлива для образования сбалансированной топливовоздушной смеси. В состав узла входят деве нити из платины, через которые пропускают электрический ток. Одна из них находится в потоке воздуха, поступающего в мотор. Другая, эталонная – в стороне от него. Токи, проходящие через них, сравниваются в ЭБУ. По разнице между ними определяют объем, поступающего в мотор воздуха. Иногда для большей точности учитывают температуру воздуха.

• Датчик абсолютного давления воздуха во впускном коллекторе, называемый еще MAP-сенсором. Используется для определения объема воздуха, поступающего в цилиндры. Он может быть альтернативой ДМРВ для турбированных моторов. Устройство состоит из корпуса и керамической диафрагмы с напылением тензорезистивной пленки. Объем корпуса делится диафрагмой на 2 части. Одна из них герметична, а воздух из нее откачен. Другая соединяется трубкой с впускным коллектором, поэтому давление в ней равно давлению нагнетаемого в мотор воздуха. Под действием этого давления диафрагма деформируется, от этого меняется сопротивление пленки на ней. Это сопротивление и характеризует абсолютное давление воздуха в коллекторе.
• Датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ). Выдает сигнал, пропорциональный углу открывания воздушной заслонки. Является, в сущности, переменным резистором. Его неподвижные контакты соединяются с массой и с опорным напряжением. А с подвижного, механически связанного с осью дроссельной заслонки, снимается выходное напряжение.

Выхлопная система

Кислородный датчик. Это устройство играет роль обратной связи для поддержания нужного соотношения воздуха и топлива в камерах сгорания. Его работа базируется на принципе действия гальванического элемента с твердым электролитом. В качестве последнего выступает керамика на основе диоксида циркония. Электродами конструкции служит напыление платины с обеих сторон керамики. Устройство начинает работать после разогрева до температуры от 300 до 400 ◦ C.

Разогрев до такой высокой температуры происходит обычно горячими выхлопными газами либо нагревательным элементом. Такой температурный режим необходим для возникновения проводимости керамического электролита. Присутствие в выхлопе двигателя не сгоревшего топлива является причиной появления на электродах датчика разности потенциалов. Несмотря на то, что все привыкли называть этот прибор датчиком кислорода, он является скорее датчиком не сгоревшего топлива. Так как появление выходного сигнала происходит при контакте его поверхности не с кислородом, а с парами топлива.

Материалы: http://autolirika.ru/teoriya/ustrojstvo-datchikov-avtomobilya.html