Системы электроники и автоматики автомобилей и тракторов

Глава 1. Тенденции развития автомобильного оборудования

Размещено на http://www.allbest.ru/

10

1

Министерство образования Российской Федерации

Волжский филиал МАДИ (ГТУ)

Факультет Транспортное машиностроение

Кафедра электротехники и электрооборудования

Системы электроники и автоматики автомобилей и тракторов

(конспект лекций)

Кузин Н.П.

датчик микропроцессор электронная система автомобиль

Чебоксары 2012

Лекция 1 Электрические системы

Система - термин, используемый для описания совокупности связанных между собой компонентов, которые взаимодействуют как одно целое. Система автострад, система образования или компьютерная система, - вот три примера различных систем. Часто большая система состоит из множества подсистем, каждая из которых, в свою очередь, может быть составлена из еще меньших систем и так далее (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Система может быть составлена из подсистем

Использование системного подхода помогает разбивать чрезвычайно сложные технические объекты на легко контролируемые части.

Современное автотранспортное средство - очень сложная система, и само по себе является только малой частью большой транспортной системы страны. Возможность разделить автотранспортное средство на системы многих уровней помогает в его проектировании и конструировании. В частности, системный подход помогает понять, как работает некая подсистема и, кроме того, как приступить к ее восстановлению, когда она неисправна.

Системы транспортного средства

Разбиение автотранспортного средства на подсистемы - нелегкая задача, потому что это может быть сделано многими различными способами. Удобно разбиение на механические и электрические системы. Разделение на системы облегчает изучение одной части транспортного средства и устраняет необходимость изучать все транспортное средство. На рис. 4.2 показана упрощенная блок-схема систем автомобиля.

Рис. 4.2. Упрощенная блок-схема систем автомобиля

При построении системы сначала определяют набор взаимодействующих частей, затем подробно определяют назначение, и функционирование каждой части. Функциональный анализ определяет, что каждая часть системы должна делать и, как она работает. Очень важным аспектом, является определение связей между различными подсистемами. Без анализа этой взаимосвязи не ответить, например, на вопрос, как потребление энергии системой освещения транспортного средства будет влиять на функционирование системы зарядки?

Системы с открытым контуром

Система с открытым контуром управления применяется, когда входное воздействие и результат не отличается от заданной величины. Пример открытой системы управления для транспортного средства - фары, где входное воздействие осуществляется переключателем, а требуемый эффект - включение освещения. Главное свойство систем с открытым контуром управления заключается в том, что они не используют для работы обратную связь. На рис. 4.3 показан такой пример в форме блок-схемы.

Рис. 4.3. Система с открытым контуром управления

Системы с замкнутым контуром

Система управления с замкнутым контуром всегда охвачена петлей обратной связи. Ее можно рассматривать как систему с автоматическим управлением. Хороший пример системы этого типа в автотранспортном средстве - автоматическая система управления температурой. Температура в салоне транспортного средства определяется работой нагревателя, который включается или выключается по команде датчика температуры в салоне. Петля обратной связи замыкается благодаря тому, что выходной параметр системы (температура) одновременно является и входным параметром. Это схема представлена на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Система с замкнутым контуром управления

Петля обратной связи в любой системе с замкнутым контуром управления может быть реализована многими способами. Водитель автомобиля с обычной системой нагрева тоже образует петлю обратной связи, выключая нагреватель, когда слишком жарко, и включая вновь, когда становится холодно. Петля обратной связи в генераторе переменного тока представляет собой провод, соединяющий бортовую сеть и вход регулятора напряжения.

Лекция 2 Микропроцессорные системы

Появление микропроцессора сделало огромные сдвиги во всех областях электронного управления. Не меньшие изменения произошли и в области автоматизации управления автомобилей и тракторов. На рис. 2.40 показана блок-схема микрокомпьютера, содержащая четыре основные части:



Рис. 2.40. Базовая схема микрокомпьютера

1. входные порты;

2. выходные порты;

3. память;

4. блок центрального процессора (ЦП или СРU).

Указанные устройства связаны тремя шинами:

1. шина адреса;

2. шина данных;

3. шина управления.

Если все основные элементы, описанные выше, конструктивно расположены в одной ИС, такая схема называется микроконтроллером.

Порты

Входной порт микрокомпьютерной системы получает сигналы от периферийных устройств (датчиков). В случае персональной компьютерной системы одним из поставщиков информации на входной порт является клавиатура. В случае системы управления двигателем это может быть сигнал от температурного датчика, преобразованный из аналогового вида в цифровой и т.д. Эти сигналы должны быть представлены в цифровой форме и иметь напряжение, соответствующее логическим уровням (как правило, близкие к 0 или 5 В). Компьютерная система, будь то ПК или та, что используется в машине, обязательно будет иметь несколько входных портов.

Выходной порт подает двоичные сигналы к периферийным устройствам. ПК может выдавать сигналы для монитора или принтера, а компьютер машины может, например, посылать сигналы на схему, которая будет управлять коммутацией катушки зажигания.

Блок центрального процессора

Блок центрального процессора (ЦП, central processing unit - СРU), или просто микропроцессор, является сердцем любой компьютерной системы. Именно он способен выполнять расчеты, принимать решения и управлять всей системой. Микропроцессор работает со скоростью, определяемой системным таймером (обычно это кварцевый генератор), который генерирует сигнал прямоугольной формы. Современные микропроцессорные системы управления могут работать на тактовой частоте свыше 300 МГц и более. Микропроцессор - это устройство, которое управляет всем вычислительным процессом через сигнальные шины адреса, данных и команд.

Память

Память является частью системы, которая хранит как инструкции для микропроцессора (программы), так и любую информацию, которая понадобится микропроцессору для выполнения этих инструкций.

Удобно представлять память в виде последовательности ячеек, имеющих возможность накапливать информацию. Каждая из ячеек должна иметь адрес, для того чтобы отличаться от других, так микропроцессор «узнает», где хранится информация. Информация, будь то данные или фрагмент программы, обычно хранится в ячейках памяти с последовательными адресами. Стоит отметить, что микропроцессор читает программные инструкции из последовательно расположенных адресов памяти и затем выполняет требуемые действия. В современных ПК объем памяти может достигать 128 Мбайт и более! Системы микропроцессорного управления автомобилем не требуют столь большой памяти, а вот мобильные мультимедийные системы потребуют очень большой памяти.

Шины

Компьютерной системе необходимы три сигнальные шины, чтобы осуществлять связь между устройствами:

1. шина данных;

2. шина адреса;

3. шина управления (команд).

Каждая из шин внутри системы имеет особую функцию. Шина данных используется, чтобы передавать информацию от одной части компьютера другой. Она является двунаправленной шиной, поскольку информация может передаваться в любом направлении. Шина данных обычно имеет 4, 8, 16 или 32 линии (разрядов), по каждой из которых передается один бит. Важно отметить, что в каждый момент времени на шине может находиться только один элемент данных. Как правило, шина используется либо для передачи информации из памяти или из входного порта в микропроцессор, либо из микропроцессора в выходной порт.

На шине адреса выставляется адрес запрашиваемых данных. Адресная шина является однонаправленной. Каждое устройство компьютерной системы, память или порт, имеет уникальный адрес в двоичном формате. Микропроцессор может обратиться по адресу любого из этих устройств и выставить на шине данных необходимую информацию или считать ее. Адресная шина фактически сообщает компьютеру, какая из частей системы используется в данный момент времени.

Шина команд, позволяет микропроцессору управлять остальной частью системы. Шина команд может иметь до 20 линий, но обязательно имеет четыре основных управляющих сигнала:

1. чтения;

2. записи;

3. запроса ввода/вывода;

4. обращения к памяти.

Адресная шина будет указывать, какая из частей компьютерной системы должна функционировать в данный момент времени, а шина команд укажет, как именно эта часть должна функционировать. Например, если микропроцессор требует информацию из ячейки памяти, адрес этой ячейки помещается на адресную шину. Шина команд в этом случае будет содержать, два сигналя: сигнал обращения к памяти и сигнал чтения. Это приведет к тому, что содержимое памяти по заданному адресу будет выставлено на шину данных. Затем эта информация будет использована микрокомпьютером для выполнения другой команды.

Последовательность выборки - исполнения

Вообще говоря, задача микропроцессора очень проста. Он должен выбрать команду из памяти, декодировать ее и затем выполнить. Большинство команд размещается в последовательно расположенных ячейках памяти так, что микропроцессор при реализации цикла выборки - исполнения выбирает одну команду за другой из цепочки ячеек памяти:

1. микропроцессор помещает на шину адреса, адрес следующей ячейки памяти;

2. в тот же самый момент на шину команд выдается сигнал чтения памяти;

3. информация из адресуемой ячейки памяти устанавливается на шину данных;

4. информация с шины данных на некоторое время сохраняется в микропроцессоре;

5. команда декодируется в микропроцессоре внутренними схемами логики в последовательность микрокоманд;

6. теперь реализуется фаза «выполнения». Это может быть такая простая операция, как сложение двух чисел внутри микропроцессора, или операция может потребовать выдачи данных на какой-либо порт. В последнем случае адрес порта будет помещен на шину адреса, а на шине команд будет сгенерирован сигнал «запись».

Фазы выборки и декодирования требуют одинакового времени для всех команд, но длительность выполнения команды будет в большой степени зависеть от самой команды. Фактическое время исполнения команды зависит от ее сложности и тактовой частоты микропроцессора.

Тестирование микроконтроллерных систем

Если создается микроконтроллерная система с программой, сохраняемой в памяти RОМ, необходимо тестирование программы. Это вызвано тем, что как только микроконтроллер пойдет в производство, будут изготовлены десятки, если не сотни тысяч контроллеров. Сто тысяч микроконтроллеров с неправильной прошивкой программы были бы чрезмерно дорогой ошибкой!

Есть два основных способа тестирования программного обеспечения микроконтроллера. На ранних стадиях разработки программ используется симулятор.

Симулятор - это программа, которая выполняется на обычном компьютере и имитирует набор команд микроконтроллера. Этот метод не проверяет работу устройств ввода - вывода.

Самым полезным для тестирования и отладки является схемный эмулятор. Эмулятор устанавливается в схему устройства вместо микроконтроллера и, в свою очередь, соединяется с компьютером. Программа микроконтроллера в этом случае тестируется совместно с остальной частью аппаратуры, с которой предполагается работа микроконтроллера. ПК управляет системой и позволяет проверять различные варианты процедур. Изменения в программу могут быть легко внесены на стадии разработки.

Программирование

Процесс создания программы компьютера, как для ПК, так и для системы на базе микроконтроллера, обычно состоит из шести этапов.

1 этап. Анализ основных требований

На этом этапе устанавливается, действительно ли применение компьютера является наилучшим вариантом решения. Это, по сути, исследование возможности реализации задания (разработка основных технических требований).

2 этап. Постановка задачи

Следующий шаг состоит в том, чтобы выработать план действий. На этой стадии создается техническое задание.

3 этап. Проектирование программы

На этом этапе всю задачу делят на ряд более мелких задач. Каждая из полученных частей затем может стать модулем конечной программы. Как правило, в результате этой стадии появляется блок-схема программы, рис. 2.43. Такая блок-схема показывает взаимозависимость подзадач в алгоритме программы.

Рис. 2.43. Блок-схема программы компьютера

4 этап. Написание кода программы

На этом шаге каждый программный модуль представляется на языке компьютера. Программы часто пишут на языках высокого уровня, таких как Турбо-С, Паскаль, Бейсик. Языки Турбо-С и С++ весьма популярны, потому что хорошо работают в программных модулях и позволяют создать более быструю программу, чем многие другие языки. Когда исходный код программы создан на языке высокого уровня, отдельные модули связываются и компилируются (трансляция программы на язык микроконтроллера) в одну программу на языке машины, другими словами, на понятном компьютеру языке, состоящем только из расположенных в определенном порядке «нолей» и «единиц».

5 этап. Проверка правильности и отладка

Как только кодирование закончено, результат должен быть тщательно проверен. Программа должна доказать, что может делать все то, что ей положено делать. Очень полезным для отладки является технический прием, известны как пошаговая проверка, когда программа выполняется с остановкой на каждом шаге.

6 этап. Работа и обслуживание программы

В ряде случаев проблемы могут не проявляться годами, и для нового продукта может потребоваться определенный объем сопровождения.

Лекция 3 Измерения

Измерение это получение значений физических величин с целью получения информации об объекте, которая далее передается на приборы регистрации, индикации или на устройства управления. Первая задача любой измерительной системы состоит в том, чтобы транслировать некую измеряемую физическую величину, известную как объект измерения, в другую физическую переменную, которая может быть использована в работе индикатора или прибора управления. В системах управления двигателем автомобиля большинство измеряемых величин преобразуется в электрические сигналы. Датчики, которые выполняют такое преобразование, часто называют преобразователями.

Измерительная система

Процесс измерения для большинства автомобильных систем состоит из следующих этапов:

1. преобразование физической переменной в электрическую переменную;

2. обработка сигнала;

3. аналого-цифровое преобразование;

4. обработка сигнала в цифровом виде;

5. индикация сигнала или использование его прибором управления.

Например, рассмотрим систему измерения температуры с цифровым дисплеем (Рис. 2.44.).

Этапы измерения:

1. температура охлаждающей жидкости двигателя;

2. термистор;

3. сопротивление уменьшается с увеличением температуры;

4. линеаризация;

5. аналого-цифровое преобразование;

6. преобразование сигнала для цифрового дисплея;

7. цифровое считывание показания как числа или линейного индикатора.

Рис. 2.44. Блок-схема измерительной системы

Источники ошибок в измерении

Рассмотрим пример измерения температуры воды. Если преобразователь погружается в жидкость, которая имеет более высокую температуру, чем окружающая среда, тогда преобразователь будет отнимать часть тепла и следовательно понижать температуру жидкости. Ток, проходящий по преобразователю, нагревает преобразователь и следовательно повышает температуру жидкости. Другой пример - измерительный прибор помещается в трубопровод топлива для измерения скорости потока жидкости. Здесь в определенной мере прибор будет сдерживать поток. Все эти примеры (и многое другое) приводят к ошибкам в измерительной системе и отрицательным образом влияют на точность в целом.

Точность

Точность измерения означает степень приближения результата измерения к реальному значению. Точность обычно выражается как максимально допустимая ошибка. Например, если длина в 30 см измеряется обычной деревянной линейкой, тогда ошибка может достигать 1 мм в большую или меньшую сторону. Это расценивается как точность ±1 мм. Ошибка может быть выражена также в процентах, что в данном случае составляет 0,33%. Для измерителей электрических величин часто указывают максимальную ошибку в процентах от полной шкалы отклонения стрелки. Максимальная ошибка, или точность, зависит от ряда факторов.

Разрешение

Это «четкость», с которой измерение может быть проведено. Разрешение необходимо отличать от точности. Если бы качественная стальная линейка была сделана по очень высокому стандарту, но имела градуировку только в сантиметрах, она бы имела низкое разрешение, даже если градуировка нанесена очень аккуратно.

Повторяемость

Это плотность размещения показаний заданной величины, когда снимается несколько подряд идущих измерений. Если шкала весов в 5 кг была пройдена увеличением груза от 0 до 5 кг по 1 кг несколько раз подряд, тогда разброс показаний и есть повторяемость. Часто выражается в процентах от полной шкалы.

Сдвиг нуля

Отклонение показаний от нуля при отсутствии измеряемой величины. Стрелочный прибор для измерения электрических величин, как правило, имеет регулировку нулевого положения стрелки.

Линейность

Переходная характеристика преобразователя часто бывает нелинейной. Показатель нелинейности оценивается как процент от максимальной величины рабочего диапазона.

Чувствительность

Это мера изменения выходного сигнала прибора при заданном изменении сигнала на входе. Чувствительность оценивается на практике как наклон характеристики прибора в линейной зоне. Показатель в 0,1 В/°С, например, означает, что система будет увеличивать свой выходной сигнал на 0,1В при увеличении температуры на входе на 1 °С.

Время отклика

Это время, требуемое для того, чтобы выходной сигнал системы соответствовал изменению сигнала на входе. Система измерения давления масла в двигателе требует меньшего времени отклика, чем система измерения уровня топлива в баке. При измерении, снимаемом до истечения времени отклика, появятся ошибки.

И так выделим потенциальные источники ошибок:

1. ошибка агрессивного измерения (влияние преобразователя);

2. нелинейность преобразователя;

3. шум на пути передачи сигнала;

4. ошибки усилителей и других компоненте измерителя;

5. ошибки квантования при наличии цифрового преобразования сигнала;

6. разрешение индикатора;

7. ошибка считывания с индикатора.

Датчики автомобильных электронных систем

Датчики системы автоматического управления (ЭСАУ) преобразуют информацию о значениях физических величин в электрический сигнал - напряжение, ток, частоту, фазу и т. д. Эти сигналы преобразуются в цифровой код и поступают в микроконтроллер. Микроконтроллер на основании значений этих сигналов и в соответствии с заложенным в него программным обеспечением, управляет через исполнительные механизмы (реле, соленоиды, электродвигатели) объектом.

Рис.2.1

Датчики автомобильных электронных систем можно классифицировать по трем признакам:

1. принципу действия;

2. типу преобразования энергии;

3. основному назначению.

По принципу действия датчики подразделяют:

1. электроконтактные;

2. потенциометрические;

3. оптические;

4. электромагнитные;

5. индуктивные;

6. фото- и пьезоэлектрические;

7. датчики на эффектах Холла и др.

Все датчики можно разделить на две категории, пассивные и активные:

1. пассивный датчик не нуждается в дополнительном источнике энергии, электрический сигнал на выходе, возникает за счет внутреннего физического эффекта (например, фотоэффекта);

2. активный датчик для своей работы требует внешней энергии, называемой сигналом возбуждения, в которых выходной электрический сигнал (ЭС) возникает как следствие воздействия на сигнал возбуждения.

Например, потенциометрический датчик, является активным преобразователем угла поворота оси потенциометра в электрический сигнал. Электрический сигнал появится на выходе потенциометра только после того, как на резистор будет подан сигнал возбуждения.

По назначению датчики классифицируются по типу управляющего неэлектрического воздействия:

1. датчики краевых положений;

2. датчики угловых и линейных перемещений;

3. датчики частоты вращения и числа оборотов;

4. датчики давления;

5. датчики температуры;

6. датчики концентрации кислорода;

7. датчик детонации и др.

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 1 В за счет токов силовых элементов по массе, что недопустимо как при штатной работе датчика, так и при его диагностике.

Передаточная функция

Передаточная функция устанавливает взаимосвязь между выходным электрическим сигналом датчика S и внешним воздействием s:

S = f (s).

Для каждого датчика можно вывести теоретическое соотношение, между сигналом на его входе и сигналом на его выходе. Если была бы возможность идеально спроектировать датчик, изготовить его из идеальных материалов и идеальными инструментами, при этом все работы выполнялись бы идеальными работниками, то сигнал на выходе такого датчика всегда бы соответствовал реальному значению внешнего воздействия.

Эта функция может быть как линейной, так и нелинейной (например, логарифмической, экспоненциальной или степенной). Во многих случаях передаточная функция является одномерной (т.е. связывает выходной сигнал только с одним внешним воздействием). Одномерную линейную функцию можно представить в виде выражения:

S = а + bs,

где a - постоянная составляющая (т.е. значение выходного сигнала при нулевом входном воздействии), b - наклон прямой, который часто называют чувствительностью датчика, S - выходной сигнала датчика, s - внешние воздействие.

В зависимости от свойств датчика это может быть амплитуда, частота или фаза.

Логарифмическая передаточная функция имеет вид:

S = а + blns,

экспоненциальная -

S = аe^ks,

степенная -

S = а + bs^k,

где k - постоянное число.

Диапазон выходных значений

Диапазон выходных значений - алгебраическая разность между электрическими выходными сигналами, измеренными при максимальном и минимальном внешнем воздействии.

Точность

Когда говорят о точности датчика, подразумевают погрешность измерений. Под погрешностью измерений, как правило, понимают величину максимального расхождения между показаниями реального и идеального датчиков.

Погрешность датчика можно представить в виде разности между значением, вычисленным по выходному сигналу датчика, и реальным значением поданного входного сигнала. Например, рассмотрим линейный датчик перемещений. В идеальном случае, если его чувствительность b равна 1 мВ/мм, при смещении объекта на 1 мм напряжение на выходе должно измениться на 1 мВ. Однако на практике при перемещении объекта на расстояние s = 10 мм выходное напряжение изменилось на 10,5 мВ, т.е. S = 10.5 мВ. Вот эти 0,5 мм и являются погрешностью измерений. Следовательно, можно утверждать, что в пределах 10 мм диапазона абсолютная погрешность измерений данного датчика составляет 0,5 мм, а в относительных единицах она равна (0,5/10)100% = 5%.

Калибровка

Если производственные допуски на датчик и допуски на интерфейс (схемы преобразования сигналов) превышают требуемую точность системы, всегда необходимо проводить калибровку. Например, требуется измерить температуру с точностью ± 0,5°С датчиком погрешность, которого по справочным данным равна ± 1⁰С. Это можно сделать только после проведения калибровки конкретного датчика, т.е. найти его индивидуальную передаточную функцию, а также после проведения полной калибровки системы. В процессе проведения полной калибровки определяются коэффициенты, описывающие передаточную функцию всей системы в целом, включая датчик, интерфейсное устройство и АЦП. Математическое описание передаточной функции необходимо знать до начала проведения калибровки. Если выражение для передаточная функции является линейным, в процессе калибровки необходимо определить коэффициенты а и b, если экспоненциальным - то коэффициенты а и k и т.д. Рассмотрим простой пример линейной передаточной функции. Поскольку для нахождения коэффициентов, описывающих прямую линию, необходимо иметь два уравнения, придется проводить калибровку, как минимум, в двух точках. Для примера возьмем полупроводниковый датчик температуры, построенный на основе прямосмещенного p-n перехода. Eго передаточная функция (температура - входной сигнал, напряжение - выходной) является линейной и описывается уравнением:

v = a + bt

Для определения констант a и b датчик необходимо поместить в две среды: одну с температурой t₁ другую с температурой t₂, и измерить значения двух напряжений: v₁ и v₂. После чего надо подставить эти величины в выражение

v = a + bt:

v₁ = a + bt₁

v₂ = a + bt₂

и найти значения констант:

b = (v₁ - v₂)/(t₁ - t₂), a = v₁ -bt₁.

Температуру находим из выражения передаточной функции:

t = (v - a)/b

Для проведения калибровки датчиков важно иметь точные физические эталоны, позволяющие моделировать соответствующие внешние воздействия. Точность последующих измерений напрямую связана с точностью проведения калибровки.

Гистерезис

Гистерезис - это разность значений выходного сигнала для одного и того же входного сигнала, полученных при его возрастании и убывании (рис. 2.4).

Рис. 2.4 Передаточная функция с гистерезисом

Например, пусть показания датчика перемещений при движении объекта слева направо отличаются на 20 мВ от его показаний при движении объекта в той же самой точке справа налево. Если чувствительность датчика составляет 10 мВ/мм, ошибка гистерезиса в единицах перемещения будет равна 2 мм. Типичной причиной возникновения гистерезиса является трение и структурные изменения материалов.

Нелинейность

Нелинейность определяется для датчиков, передаточную функцию которых возможно аппроксимировать прямой линией. Под нелинейностью понимается максимальное отклонение L реальной передаточной функции от аппроксимирующей прямой линии.

Разрешающая способность

Разрешающая способность характеризует минимальное изменение измеряемой величины, которое может почувствовать датчик. При непрерывном изменении внешнего воздействия выходные сигналы датчиков не будут абсолютно гладкими. На них всегда будут видны небольшие ступеньки. Особенно отчетливо это видно в потенциометрических датчиках. В дополнение к этому при преобразовании любого сигнала в цифровой код происходит его разбивка на маленькие ступеньки, каждой из которых приписывается конкретное значение. Величина изменения входного сигнала, приводящая к появлению минимальной ступеньки на выходном сигнале датчика, называется его разрешающей способностью. Например, для проволочного потенциометрического датчика, используемого для измерения углов, разрешающая способность - это минимальный угол, равный, допустим, 0,5°. Иногда разрешающая способность определяется в процентах от полной шкалы (максимального значения входного сигнала). Например, для датчика измерения углов, у которого полный диапазон измеряемых значений равен 270°, разрешающую способность 0,5° можно представить как 0.181% от полной шкалы.

Выходное сопротивление

Выходное сопротивление R_вых является характеристикой, указывающей насколько легко датчик согласовывается с электронной схемой. Выходное сопротивление датчика, подключаются последовательно входному сопротивлению электронной схемы R_вх , или параллельно с ним. Оба варианта соединений показаны на рис. 2.8.



А Б

Рис. 2.8 Соединение датчика с интерфейсной схемой: А - датчик с выходным сигналом в виде напряжения, Б - датчик с токовым выходом

Обычно входные и выходные сопротивления представляются в комплексном виде, поскольку они, как правило, включают в себя активные и реактивные компоненты. Для минимизации искажений выходного сигнала датчик с токовым выходом (рис. 2.8Б) должен иметь максимально возможное выходное сопротивление, а его интерфейсная схема - минимальное входное сопротивление. В случае датчика с выходным сигналом в виде напряжения (рис. 2.8А) датчику следует иметь малое выходное сопротивление, а интерфейсной схеме - высокое входное сопротивление.

Сигнал возбуждения

Сигнал возбуждения - это электрический сигнал, необходимый активному датчику для работы. Сигнал возбуждения описывается интервалом напряжений и/или тока. Для некоторых типов датчиков также необходимо указывать частоту сигнала возбуждения и его стабильность. Выход сигнала возбуждения за приведенные пределы может привести к изменению передаточной функции датчика, и, следовательно, к искажению выходного сигнала. Приведем пример описания сигнала возбуждения:

Максимальный ток, протекающий через термистор:

В воздухе без возмущений:50 мкА,

В воде:200 мкА.

Частота среза

Частота среза характеризует наименьшую или наибольшую частоту внешних воздействий, которую датчик может воспринять без искажений. Верхняя частота среза показывает, насколько быстро датчик реагирует на внешнее воздействие, а нижняя частота среза - с каким самым медленным сигналом он может работать. На рис.2.9 показана характеристика датчика, который имеет ограничения как по верхней, так и по нижней частоте среза.

Рис. 2.9 Частотная характеристика датчика с ограничениями по верхней и нижней частоте среза, где ф_u и ф_L - соответствующие постоянные времени

На практике для установления связи между постоянной времени датчика первого порядка и его частотой среза/с, как верхней так и нижней, используют простую формулу: f_c = 0,159/ф.

Фазовый сдвиг

Фазовый сдвиг на определенной частоте показывает, насколько выходной сигнал отстает от внешнего воздействия. Сдвиг измеряется либо в градусах, либо в радианах и обычно указывается для датчиков, работающих с периодическими сигналами. Если датчик входит в состав измерительной системы с обратными связями, всегда необходимо знать его фазовые характеристики. Фазовый сдвиг датчика может снизить запас по фазе всей системы в целом и привести к возникновению нестабильности.

Время разогрева

Время разогрева - это время между подачей на датчик электрического напряжения или сигнала возбуждения и моментом, когда датчик начинает работать, обеспечивая требуемую точность измерений. Многие датчики обладают несущественным временем разогрева. Однако некоторые детекторы, особенно работающие в устройствах с контролируемой температурой (термостатах), для своего разогрева требуют секунды, а то и минуты.

Датчики положения, перемещений и уровня

Определение положения объектов и их перемещений необходимо практически для всех АСУТП, систем управления транспортными средствами, охранных систем и тд. Под определением положения физического объекта понимается нахождение его координат (линейных или угловых) по отношению к заданной точке. Под перемещением объектов подразумевается их передвижение из одного положения в другое. Для обнаружения опасных расстояний между двумя объектами обычно применяются датчики сближения. Такие датчики, являются пороговыми устройствами.

Датчики положения - это, линейные устройства, выходные сигналы которых соответствуют расстоянию между объектом и опорной точкой.

Датчики сближения - это, устройства, выходные сигналы которых появляются только в случае обнаружения критического расстояния до объекта.

Например - концевой выключатель, который состоит из нормально замкнутых, или нормально разомкнутых контактов. Когда объект достигает своего конечного положения, размыкаются или замыкаются электрические контакты.

Потенциометрические датчики

Датчики положения и перемещений часто реализуются на основе линейных или поворотных потенциометров. Принцип действия таких устройств основан на уравнении

R = сl/S,

где с - удельное сопротивление, l - длина, S - площадь поперечного сечения.

Из этого уравнения следует, что сопротивление проволочного резистора зависит от длины провода. Таким образом, если перемещение объекта будет связано с изменением положения ползунка потенциометра, получится датчик перемещений. Потенциометрические преобразователи относятся к активным устройствам, поскольку для определения величины сопротивления через них должен протекать электрический ток. На рис. 7.1А показана принципиальная схема потенциометрического датчика перемещений.

Рис. 7.1. А - потенциометрический датчик положения, Б - гравитационный датчик уровня жидкости с поплавком

На практике процедуру измерения сопротивления заменяют процедурой определения падения напряжения на этом сопротивлении, которое для линейного потенциометра всегда пропорционально величине перемещения d

V = Ed/D,

где D - величина максимально возможного перемещения, а Е - напряжение, приложенное к потенциометру (сигнал возбуждения). Здесь предполагается, что интерфейсная схема не создает никакой нагрузки. При невыполнении этого условия нарушается линейность зависимости между положением ползунка и выходным напряжением. В дополнение к этому, выходной сигнал пропорционален напряжению возбуждения, которое, если не является стабилизированным, может быть источником существенных погрешностей. Также следует отметить, что поскольку сопротивление потенциометра не входит в уравнение, датчики данного типа являются относительными устройствами. Это означает, что стабильность сопротивления (например, в широком температурном диапазоне) практически не влияет на точность измерений. Подвижный контакт потенциометра обычно электрически изолирован от чувствительной оси.

Потенциометрический проволочный датчик, показанный на рис. 7.2А, имеет следующий недостаток.

Рис. 7.2. Недостатки проволочных потенциометров

Подвижный контакт, двигаясь вдоль обмотки, может перемыкать то один, то два витка переменного резистора, что приводит к неравномерности шагов выходного напряжения или переменной разрешающей способности (рис. 7.2Б).

Объект затрачивает усилия для перемещения ползунка потенциометра, затраченная энергия выделяется в форме тепла.

Как правило, проволочные потенциометры изготавливаются из тонкого провода диаметром порядка 0.01 мм. Хороший потенциометр обеспечивает среднюю разрешающую способность около 0.1% от полной шкалы измерения, в то время как разрешение высококачественного пленочного потенциометра ограничивается только неоднородностью резистивного материала и шумовым порогом интерфейсной схемы. Потенциометры с непрерывным разрешением изготавливаются из проводящей пластмассы, углеродных пленок, металлических пленок или смеси металла и керамики, известной под названием кермет. Подвижные контакты прецизионных потенциометров изготавливаются из качественных сплавов металлов. Большинству потенциометров присущи следующие недостатки:

1. значительная механическая нагрузка (трение);

2. необходимость обеспечения механического контакта с объектом;

3. низкое быстродействие;

4. трение и напряжение возбуждения, приводящие к нагреву потенциометра;

5. низкая устойчивость к факторам окружающей среды.

Эффект Холла

Эффект Холла основан на взаимодействии между движущимися носителями электрического заряда и внешним магнитным полем. В металлах носителями зарядов являются электроны. При движении электронов в магнитном поле на них действует отклоняющая сила Лоренца:

F = qvB,

где q = 1,6·10^-19 Кл - заряд электрона, v - скорость электрона, B - магнитная индукция.

Направление силы и ее величина зависят от пространственного расположения магнитного потока и направления движения электрона. Единицей измерения В является тесла: 1 Тесла = 1 Ньютон/(ампер·метр) = 10⁴ Гаусс.

Предположим, что электроны двигаются внутри электропроводной пластины, помещенной в магнитное поле В (рис. 3.30).



Рис. 3.30. Датчик Холла. Магнитное поле отклоняет движущийся электрический заряд

На две стороны пластины нанесены дополнительные электроды, подключенные к вольтметру. Еще два электрода расположены сверху и снизу пластины, они подсоединены к источнику электрического тока. Из-за действия внешнего магнитного поля возникает отклоняющая сила, смещающая электроны ближе к правому краю пластины, поэтому эта сторона становится более отрицательно заряженной, чем левая. Очевидно, что вследствие взаимодействия магнитного поля и электрического тока возникает поперечная разность потенциалов, получившая название напряжение Холла V_H. Знак и амплитуда этого напряжения зависят как от величины, так и направления магнитного и электрического полей. При фиксированной температуре оно определяется выражением:

V_H = h i B sin б,

где б - угол между вектором магнитного поля и плоскостью пластины (рис. 3.31), h - чувствительность пластины.



Рис. 3.31. А - выходной сигнал датчика Холла зависит от угла между вектором магнитного поля и плоскостью пластины, Б - четыре вывода датчика Холла

Чувствительность датчика Холла h зависит от коэффициента Холла, который можно найти при помощи выражения:

H = 1/Ncq

где N - число свободных электронов в единице объема, с - скорость света, q - заряд электрона.

В зависимости от кристаллической структуры материала заряды могут быть либо электронами (отрицательными), либо дырками (положительными). Поэтому и эффект Холла бывает либо положительным, либо отрицательным.

Линейный датчик Холла обычно размещается в корпусе с четырьмя выводами. Два вывода для подключения тока управления называются управляющими выводами, а сопротивление между ними - сопротивлением управляющей цепи Ri. Выводы для измерения выходного напряжения называются дифференциальными выходами, а сопротивление между ними - выходным дифференциальным сопротивлением R₀. Эквивалентную схему датчика Холла (рис. 3.32) можно представить в виде узлового соединения 4-х резисторов и двух источников напряжения, включенных последовательно с выходными выводами. Знак + на рис. 3.31Б и 3.32 указывает на то, что вектор В направлен от наблюдателя.

Датчик характеризуется следующими параметрами: сопротивлениями Ri и R₀ , напряжением смещения при отсутствии магнитного поля, чувствительностью и температурным коэффициентом чувствительности.

Датчики Холла могут использоваться в качестве прерывателей. В этом случае датчик Холла и магнит представляют собой единый блок с небольшим воздушным зазором между ними (рис. 7.16).

Рис. 7.16. Прерыватель, реализованный на основе датчика Холла: А - магнитный поток включает датчик, Б - магнитный поток шунтируется ферромагнитной пластиной

Часто вся конструкция монтируется в одном корпусе, что помогает устранить процедуру выравнивания элементов друг относительно друга. При свободном воздушном зазоре датчик находится в положении ВКЛЮЧЕНО. Когда в пространство между магнитом и датчиком помещается ферромагнитная пластина, она, закорачивает магнитный поток на себя, в результате чего датчик Холла переходит в состояние ВЫКЛЮЧЕНО. Ферромагнитная пластина, разрывающая магнитный поток, может совершать либо линейные, либо вращательные движения. Примером такого устройства является автомобильный прерыватель.

Магнитоэлектрические датчики

Рассмотрим аналгию между параметрами магнитных и электрических цепей.

Следовательно, при постоянной МДС магнитный поток можно изменять, изменением магнитного сопротивления цепи. Т.е. изменением длины l, поперечного сечения S, магнитной проницаемости материала м. Как известно изменение магнитного потока приводит к появлению ЭДС самоиндкции.

Магниная цепь	Электрическая цепь
Магнитный поток Ф, Вб Нмагничивающая сила Iw, A Магнитная индукция В, Тл (1Тл = 1Вб/м2) Напряженность магнитного поля Н, А/см Магнитное сопротивление Rм, 1/Гн Магнитная проницаемость м, Г/м Закон Ома для магнитной цепи Ф = Iw/Rм Rм = l/мaS = l/µ0µS	Электрический ток I, А ЭДС U, B Плотность тока А/см2 Напряженность эл. поля Е=U/l=B/см Электрическое сопротивление Rэ Ом Удельная электропроводность у 1/ОмСм Закон Ома для электрической цепи I = U/Rэ Rэ = сl/S = l/уS

Принцип действия магнитоэлектрического датчика заключается в изменении магнитного сопротивления магнитной цепи, содержащей магнит и обмотку, при изменении зазора с помощью распределителя потока. При вращении ротора происходит периодическое изменение магнитного сопротивления, так как изменяется длина воздушного зазора в зависимости от угла поворота. И как следствие изменяется величина магнитного потока, который пронизывает обмотку датчика, при этом в обмотке в соответствии с законом индукции возникает переменное напряжение

U = kw(dФ/dt),

где k - коэффициент магнитной связи, w - количество витков обмотки, dФ/dt - скорость изменения потока.

Так как,

t = б/n то dt = d(б/n),

n - частота вращения распределителя потока.

Тогда,

U = kwn(dФ/dб).

dФ/dб - угловая скорость изменения потока.

Рис.18.1. Принципиальная схема магнитоэлектрического датчика

Когда один из зубцов ротора приближается к полюсу ИД, в обмотке нарастает напряжение. При совпадении фронта зубца диска с полюсом ИД (со средней линией обмотки) напряжение на обмотке достигает максимума, затем быстро меняет знак и увеличивается в противоположном направлении до максимума при удалении зубца. Из формулы выходного напряжения видно, что пиковое значение U_вых линейно изменяется с частотой вращения распределителя потока. На рис. показан характер изменения сигнала U_вых по углу поворота коленчатого вала при разной частоте вращения п распределителя потока. Нетрудно видеть, что напряжение очень быстро изменяется от положительного максимума до отрицательного, поэтому нулевой переход (точка 0) между двумя максимумами может быть использован для управления системой зажигания при получении точного момента искрообразования. Для преобразования выходного напряжения индуктивного датчика в полезный сигнал его пропускают через триггер Шмидта. Он позволит создать напряжение прямоугольной формы постоянной амплитуды и переменной частоты.

Датчики температуры

Рассмотрим источники возможных ошибок при измерении температуры контактным способом. Одна из причин возникновения ошибок заключается в использовании соединительных кабелей (рис. 16.1А).

Рис. 16.1А. Датчик температуры имеет тепловые контакты как с объектом, так и с соединительным кабелем

Чувствительный элемент, подсоединяемый к объекту с температурой Т_в, обладает своей собственной температурой Т_S. Один конец кабеля соединяется с датчиком, а другой конец находится при температуре окружающей среды T₀, которая может значительно отличаться от температуры объекта. Таким образом, соединительный кабель не только передает электрический сигнал датчика, но и часть тепла от датчика в окружающую среду.

Исходя из этого, можно вывести выражение для температуры датчика,

T_S = T_В - ДT(r1/r2),

где ДT - разность температур между объектом и окружающей средой, T_В - температура объекта, r₁и r₂ - тепловые сопротивления между объектом и датчиком, датчиком и окружающей средой соответственно. Из уравнения видно, что температура датчика всегда отличается от температуры объекта, при любой ДT температура датчика будет приближаться к температуре объекта только в том случае, когда отношение r₁/r₂ стремится к нулю. Это означает, что для снижения погрешности измерения необходимо улучшать тепловую связь между объектом и датчиком и, по возможности, отделять датчик от окружающей среды, что часто нелегко выполнить.

Типовой контактный датчик температуры состоит из следующих компонентов (рис. 16.3А):

1. Чувствительного элемента: материала, реагирующего на изменение его собственной температуры. Хороший элемент обладает низкой удельной
теплоемкостью, малой массой, большой теплопроводностью, высокой чувствительностью;

2. Контактов: проводящих пластинок или проводов, связывающих чувствительный элемент с внешней электронной схемой. Контакты должны обладать минимально возможными теплопроводностью и электрическим сопротивлением. Также они часто выполняют роль опорной конструкции;

3. Защитного корпуса: специальной оболочки или покрытия, физически разделяющего чувствительный элемент от окружающей среды. Хороший корпус имеет низкое тепловое сопротивление (высокую теплопроводность) и хорошие диэлектрические свойства. Он должен быть влагонепроницаемым, чтобы вода и другие факторы окружающей среды не могли сказаться на работе чувствительного элемента.

Рис. 16.3А. Контактный датчик

Все датчики температуры можно разделить на два класса: абсолютные и относительные. Абсолютные датчики измеряют температуру относительно либо абсолютного нуля, либо любой другой точки на температурной шкале, например, относительно 0°С (273.15°К), 25°С и т.д. Примерами абсолютных датчиков являются термисторы. Относительные датчики измеряют разность температур двух объектов, один из которых называется эталонным. Типичным представителем относительных датчиков является термопара.

Терморезистивные датчики

Известно, что электрическое сопротивление различных металлов зависит от температуры. Достоинствами терморезистивных датчиков являются высокая чувствительность, простота создания интерфейсных схем и долговременная стабильность. Такие датчики можно разделить на три группы: резистивные датчики температуры (РДТ), термисторы и датчики на p-n переходах.

Резистивные датчики температуры

Поскольку удельное сопротивление всех металлов зависит от температуры, на их основе можно разрабатывать чувствительные элементы для измерения температуры, которые бывают проволочными и тонкопленочными. Для изготовления температурных датчиков подходят практически все металлы, но, в основном, для этих целей используется только платина. Это объясняется воспроизводимостью ее характеристик, долговременной стабильностью и прочностью. Для измерения температур выше 600°С применяются вольфрамовые РДТ. Все РДТ обладают положительными температурными коэффициентами.

Тонкопленочные РДТ, изготовленные из тонких слоев платины или ее
сплавов, нанесенных на подложку, например, на кремниевую пластину.

Проволочные РДТ, в которых платиновая проволока намотана внутри керамической трубочки и прикреплена к ней при помощи высокотемпературного клея. Такая конструкция позволяет изготавливать датчики, с высокой стабильностью.

Термисторы

Термисторы - это резисторы с большим значением либо положительного, либо отрицательного ТКС. Термисторы изготавливаются из керамических полупроводников, состоящих, как правило, из оксидов следующих металлов: никеля, марганца, кобальта, титана, железа. Сопротивления термисторов лежат в пределах от долей Ом до нескольких мега Ом. Термисторы бывают в форме диска, капли, трубки, пластины или тонкого слоя, нанесенного на керамическую подложку.

Термисторы относятся к классу датчиков абсолютной температуры (измеряют температуру, относительно 0°С (273.15°К), 25°С и т.д.), показания которых соответствуют абсолютной температурной шкале. Все термисторы делятся на две категории: с отрицательным температурным коэффициентом (ОТК) и положительным температурным коэффициентом (ПТК) сопротивления.

Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления

Обычно ОТК обладают металоксидные термисторы. Это значит, что при увеличении температуры их сопротивление падает. Сопротивление термисторов с ОТК, также как и любых других резисторов, определяется их физическими размерами и удельным сопротивлением материала. Зависимость между величиной сопротивления и температурой является нелинейной (см. рис. 3.18).

Рис. 3.18 Зависимости сопротивления от температуры для двух термисторов изготовленных из Pt и оксида металла.

Принцип и измерения состоит в том, что изменение температуры вызывает изменение сопротивления термистора и, следовательно, можно получить электрический сигнал, пропорциональный измеряемой величины. Система измерения температуры на основе термистора может быть очень чувствительной за счет значительного изменения сопротивления при относительно малом изменении температуры.

Рис. 2.45.

Простая схема, формирующая напряжение, пропорциональное температуре, показана на (рис. 2.45. ).

Напряжение источника питания должно быть постоянным, а ток, проходящий через термистор, не должен заметно нагревать термистор. Эти два фактора могут быть источниками ошибок. Температура типичного термистора будет расти на 1 °С для каждых 1,3 мВт рассеиваемой мощности.

Термисторы с положительным температурным коэффициентом

Все металлы относятся к материалам с положительным температурным коэффициентом (ПТК). Термисторы с ПТК обычно изготавливаются из титаната бария или твердых растворов титаната бария и стронция, обладающие высоким удельным сопротивлением, легируются дополнительными примесями для придания им свойств полупроводников. При температурах, превышающих точку Кюри, их ферроэлектрические свойства меняются очень быстро, что приводит к значительному увеличению сопротивления, иногда на несколько порядков. На рис. 16.12 показаны передаточные характеристики для трех типов температурных детекторов: с ОТК, ПТК и РДТ.

Рис. 16.12. Передаточная функция для термистора с ПТК

Как видно из рисунка, для термисторов с ПТК очень сложно подобрать математическую аппроксимацию, поэтому для них в документации обычно приводятся следующие характеристики:

1. Сопротивление при нулевой приложенной мощности, R₂₅. При этом значении влияние эффекта саморазогрева незначительно.

2. Минимальное сопротивление R_m, при котором термистор меняет знак своего температурного коэффициента (точка m).

...