Системы электроники и автоматики автомобилей и тракторов

3. Температура перехода Т_ф, начиная с которой начинается быстрое изменение сопротивления. Она приблизительно совпадает с точкой Кюри материала. Значения температуры перехода обычно лежат в интервале - 30..,+160°С.

4. ТКС, определяемый как:

б = 1/R · ДR/ДT.

Этот коэффициент сильно зависит от температуры и часто определяется в точке x (т.е. там, где он обладает максимальным значением). Он может достигать значений 2/°С, что означает 200% изменение сопротивления на ⁰С.

5. Максимальное напряжение Е_m, соответствующее предельно допустимому значению, выдерживаемому термистором.

6. Тепловые характеристики: теплоемкость, коэффициент рассеяния д (определенный для заданных условий связи детектора с окружающей средой) и тепловая постоянная времени (характеризующая быстродействие термистора при определенных условиях).

Следует отметить, что для термисторов с ПТК важными факторами являются: температура окружающей среды и эффект саморазогрева. Любой из них влияет на положение рабочей точки термистора.

Примеры применения термисторов с ПТК:

1. В устройствах защиты электронных схем термисторы с ПТК могут играть роль неразрушаемых предохранителей, реагирующих на токи, значения которых превышают допустимые уровни. На рис. 16.14А показан термистор с ПТК, включенный последовательно с источником напряжения Е, подающего на нагрузку ток i.

Рис. 16.14А. Применение термисторов с ПТК в схемах ограничения тока

При комнатной температуре термистор обладает очень низким сопротивлением (порядка 10...140 Ом). При токе i падение напряжения на нагрузке составляет V_L, а на термисторе - V_x. Считаем, что V_L>> V_х. Мощность, рассеиваемая на термисторе: Р =V_x i, отдается в окружающую среду. При этом температура термистора возрастает, не значительно. При значительном увеличении окружающей температуры или сильном изменении тока нагрузки происходит резкий рост температуры термистора до величины Т_ф, по достижении которой его сопротивление начинает расти, что предотвращает дальнейшее увеличение тока.

2. Датчики уровня жидкости, работающие на принципе детектирования теплового рассеяния.

Пьезоэлектрический эффект

Слово пьезо происходит из греческого piezen, означающего давление. Пьезоэлектрический эффект заключается в образовании в кристаллическом материале электрических зарядов при приложении к нему механических напряжений. Этот эффект наблюдается в природных кристаллах, таких как кварц (химическая формула SiO²).

Кварц (двуокись кремния) - минерал, встречающийся в природе в форме шестигранных кристаллов с остроконечными вершинами (рис. 3-7). Как и всякое кристаллическое тело, кварц анизотропен, т. е. по разным направлениям его физические свойства различны; но поскольку он обладает несколькими геометрическими осями симметрии, очевидно, что по этим направлениям физические свойства кристалла будут одинаковы.

Рис. 3-7. Кристалл кварца.

В кристалле кварца различают оптическую ось (z - z), три механические (у - у) и три электрические (x - x).

Если вырезать из кристалла кварца прямоугольную пластинку с гранями, перпендикулярными трем осям симметрии (рис. 3-8), в направлениях осей х и у будет наблюдаться прямой пьезоэлектрический эффект.

Рис. 3-8. Пьезоэффект в кварцевой пластинке.

Он заключается в том, что при сжатии пластины вдоль оси x на ее гранях вдоль оси y возникают противоположные по знаку электрические заряды, величина которых пропорциональна деформации кристалла; при растяжении знаки зарядов меняются на обратные, при подаче разности потенциалов вдоль оси x происходит сжатие или растяжение кристалла вдоль оси y.

Наличие прямого и обратного пьезоэффектов позволяет использовать кварцевые пластинки в качестве пьезоэлектрических датчиков, электромеханических колебательных систем, которые могут быть использованы в схемах генераторов.

В 1927 году А. Мейснер предложил упрощенную модель для объяснения пьезоэлектрического эффекта. Кристалл кварца в этой модели представлен в виде элементарных ячеек, состоящих из атомов Si и спаренных атомов О₂ (рис. 3.21).

Кварцевый кристалл имеет срезы вдоль осей х, у и z. На рис. 3.21 показано поперечное сечение вдоль оси z. В элементарную монокристаллическую ячейку входят три атома кремния и шесть атомов кислорода.

Рис, 3.21 Модель пьезоэлектрического эффекта кварцевого кристалла

Каждый атом кремния Si обладает четырьмя положительными зарядами (3х4 = 12), а каждая пара атомов кислорода - четырьмя отрицательными (по два на атом О₂ 4х3 = 12). Поэтому без приложения механических напряжений кварцевая ячейка является электрически нейтральной. Когда вдоль оси x прикладывается внешняя сила F_x, кристаллическая решетка деформируется. На рис. 3.21показано, как сдавливающая сила сдвигает атомы кристалла таким образом, что положительный атом кремния перемещается на одну сторону решетки, а отрицательно заряженная пара атомов кислорода - на другую. В результате чего вдоль оси y наблюдается перераспределение зарядов. Если кристалл растянуть вдоль оси x (рис. 3.21В), в результате деформации растяжения заряды перераспределятся вдоль оси у в противоположном направлении. Эта упрощенная модель показывает, как на поверхности кристаллического материала могут образовываться электрические заряды в ответ на приложение механической силы.

Для сбора электрических зарядов к кристаллу на противоположных сторонах от среза прикрепляют электроды (рис. 3.22).



Рис. 3.22 Пьезоэлектрический датчик, сформированный при помощи электродов, нанесенных на поляризованный кристалл

Построенный таким образом пьезоэлектрический датчик можно считать конденсатором, в котором в качестве диэлектрика выступает сам кристалл, работающий как генератор электрических зарядов, приводящих к появлению электрического напряжения U на электродах. Хотя заряд формируется только в местах приложения силы, металлические электроды выравнивают заряды вдоль всей их поверхности, лишая конденсатор избирательности.

Если соединить электроды с источником переменной э. д. с. (рис. 3.22), в кристалле возникнут механические колебания: она будет то сжиматься, то растягиваться. При этом на противоположных гранях возникают переменные по величине и знаку заряды, которые будут притягивать к пластинам заряды противоположных знаков. Это вызывает в подводящих проводах прохождение тока конденсатора, наличие которого определяет появление кажущейся проводимости кварцевой пластинки. На этом основании говорят, что через пластинку протекает некоторый пьезоток.

Величина заряда, генерируемого на поверхности пьезоэлектрического кристалла, пропорциональна силе, приложенной, например, в направлении оси х:

Q = d₁₁F_x,

где d₁₁ - постоянный пьезоэлектрический коэффициент вдоль оси x.

Кристалл с нанесенными на него электродами представляет собой конденсатор, обладающий емкостью С. Напряжение на этом конденсаторе определяется следующим выражением:

U = Q_x/C = d₁₁F_x/C.

В свою очередь, емкость может быть представлена через площадь поверхности электрода S и толщину кристалла l (здесь учитывается площадь электродов, а не самого кристалла, поскольку пьезоиндуцированный заряд накапливается только на них):

C = е₀еS/l,

где е₀ - диэлектрическая постоянная, е - диэлектрическая проницаемость. Тогда

V = d₁₁F_x/C = d₁₁F_x l/е₀еS.

Как любая механическая колебательная система, кварцевая пластинка имеет собственную частоту колебаний, которую можно определить, сообщив ей некоторый запас энергии, а затем предоставив пластинке возможность совершать свободные колебания. Для этого сожмем пластинку в направлении оси х, а затем отпустим (рис. 3-10). Под действием упругих сил отдельные слои, на которые мысленно можно разделить пластинку, начнут расходиться от среднего сечения в противоположных направлениях. Чем дальше слой от середины, тем больше он смещается, так как его смещение складывается из смещений всех промежуточных слоев; наибольшее смещение совершат грани пластинки. Пройдя то положение, которое слои занимали до сжатия, они не остановятся и по инерции будут двигаться дальше, - произойдет растяжение пластинки, которое сменится обратным движением, переходом к сжатию и т. д. На основании сказанного можно изобразить график распределения амплитуд колебаний отдельных слоев пластины (рис. 3.10), который имеет вид половины стоячей волны, укладывающейся вдоль толщины пластинки.

Рис. 3-10. Собственные колебания кварцевой пластинки.

Этого можно было ожидать, так как пластинка с незакрепленными гранями по своим свойствам должна быть аналогичной отрезку длинной линии, разомкнутой на краях. В ней бегущие волны напряжения, отражаясь от краев, создают на них пучности стоячих волн и узел посредине.

Отсюда следует, что собственная волна пластинки равна ее удвоенной толщине л₀ = 2d .

Давайте разберемся, что же такое длина волны. Представьте, что вы стоите на месте, а в руках у вас резинка, на конце которой подвешен грузик. Если слегка дернуть за конец резинки, а потом держать его неподвижно, то грузик начнет колебаться вверх-вниз. Теперь представьте, что с колеблющемся на резинке грузиком вы не стоите на месте, а бежите в заданном направлении со скоростью v (рис. 1). Тогда грузик, а точнее, центр масс грузика опишет в пространстве некоторую траекторию.

Рис.1. Длина волны

Все довольно просто. Длиной волны л называется расстояние вдоль оси x между двумя ближайшими точками графика, имеющими одинаковые координаты y. Для простоты пусть это будут точки, где координата y имеет свое максимальное значение.

Промежуток между двумя моментами времени, когда грузик занимал свое самое верхнее возможное положение, называется периодом колебаний. Пусть период колебаний равен Т. Если вы бежали со скоростью v, то за время T вы успели пробежать расстояние Tv, а это и есть длина волны, т.е. 

л = Tv,

где Т - это период колебаний, а v - скорость, с которой движется колеблющееся тело. Величина, обратная периоду колебаний, называется частотой колебаний f и численно выражается, как f = 1/T, а измеряется в периодах (колебаний) в секунду. Тогда

л = v/f.

Существует также и другая частота, называемая угловой и обозначается греческой буквой щ. Поскольку одному полному периоду соответствует 2р радиан, угловая частота равна щ = 2р/T и только что написанную формулу для длины волны переписать в виде:

л = 2р/щ

где щ - угловая частота колебаний, измеряемая в радианах в секунду.

Частота собственных колебаний может быть найдена из общих соотношений

f₀ = v_x/л₀.

где v₀ - скорость распространения упругих колебаний вдоль оси x. С той же частотой изменяются заряды на гранях. Электрические колебания такой частоты создают электромагнитные волны с длиной

л_x = c/f = cл₀/v_x = 2dc/v_x.

Измерения скорости распространения упругих волн в кристалле показали, что она близка к 6000 см/с. Поэтому

л_x = (6·10⁸·d)/6 10³ = 1· 10⁵d (см) =100d (мм).

Изготовить пластинки толщиной менее 0,2--0,3 мм затруднительно; кроме того, они получаются очень хрупкими, поэтому кварцевые резонаторы могут использоваться на волнах не короче 20 м, частота 15 МГц.

Ультразвуковые датчики

Для проведения бесконтактных измерений можно существуют активные датчики, которые могут одновременно и передавать эталонный сигнал, и принимать отраженный от объекта сигнал. Передаваться энергия может в виде любого излучения - например, через электромагнитные волны, через акустические волны и т.д.

Принцип передачи и приема ультразвуковой энергии лежит в основе ультразвуковых датчиков. Ультразвуковые волны являются механическими акустическими волнами, частота которых лежит за пределами слышимости человеческого уха - более 20 кГц.

При столкновении любых волн с объектом часть их энергии отражается. В случае ультразвуковых волн, вне зависимости от направления падающего луча, все отраженные лучи почти равномерно распределяются внутри широкого пространственного угла, который может достигать значения 180°. При движении объекта частота отраженных волн не совпадает с частотой излучаемых волн. Это явление называется эффектом Доплера. Этот эффект характерен для волн любой природы, в том числе и ультразвуковых.

Расстояние L до объекта можно определить по скорости ультразвуковых волн v в данной среде и углу в (рис. 7.39А):

L = (vt cos Q)/2,

где t - время, за которое ультразвуковая волна распространяется от излучателя до объекта и назад к приемнику.

Рис, 7.39 А. Принципиальная схема ультразвукового датчика расстояний

Если излучатель и приемник расположены недалеко друг от друга по сравнению с расстоянием до объекта, Q ? 0, cos Q ? 1. То

L = vt /2.

Очевидное преимущество ультразвуковых волн над волнами микроволнового диапазона заключается в том, что они распространяются со скоростями, которые намного меньше скорости света, характерной для СВЧ волн. Поэтому интервал t для них гораздо длиннее, что упрощает его измерение.

Для возбуждения ультразвуковых волн чаще всего применяются пьезоэлектрические преобразователи, которые напрямую преобразуют электрическую энергию в механическую.

На рис. 7.40А показано, что входное напряжение, приложенное к пьезокерамическому элементу заставляет его изгибаться, возбуждая тем самым ультразвуковые волны.

Рис. 7.40 А. Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь

Поскольку пьезоэлектричество является обратимым эффектом, воздействие ультразвуковых волн на тот же керамический элемент приводит к появлению на его поверхности электрических зарядов. Другими словами, элемент может работать и как излучатель, и как приемник (микрофон). Типичная рабочая частота излучающего пьезоэлемента составляет около 32 кГц. Для повышения эффективности частота задающего генератора должна быть равна резонансной частоте f_r керамического элемента (рис. 7.39Б). При соблюдении этого условия удается реализовать лучшую чувствительность и эффективность элемента. При работе схемы в импульсном режиме для передачи и приема сигнала можно использовать один и тот же пьезопреобразователь. При непрерывном режиме работы необходимы два пьезоэлемента.

Рис. 7.39 Б. Ультразвуковые датчики расстояний частотная характеристика пьезоэлектрического преобразователя

На рис. 7.40Б показана типовая схема ультразвукового датчика перемещений, работающего в воздушной среде. Входное напряжение приводит к изгибу элемента, что вызывает генерацию ультразвуковых волн. И наоборот, в результате воздействия волн на выходе преобразователя появляется напряжение.

Рис. 7.40 Б. Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь с открытой апертурой для работы в воздухе

Скорость и ускорение

Согласно второму закону Ньютона ускорение возникает, когда к объекту приложена какая - либо сила. Скорость - это первая производная от перемещения, ускорение - его вторая производная.

Как правило, в низкочастотной области (в полосе частот порядка 1 Гц) довольно хорошую точность измерений обеспечивают датчики положения и перемещения объектов. В зоне средних частот (более 1 кГц) уже предпочтительнее использовать датчики скорости. Тогда как на высоких частотах, когда перемещения соизмеримы с уровнем шума, применяются датчики ускорения.

Скорость движения может быть либо угловой, либо линейной. Она показывает насколько быстро объект движется по прямой линии или насколько быстро он вращается. Измерение скорости зависит от размеров объекта и может выражаться, например, в мм/с или км/час. В настоящее время разработана глобальная система навигации (GPS), позволяющая определять скорость и положение крупных объектов, таких как наземные и морские транспортные средства, при помощи радиосигналов от большого количества спутников, вращающихся вокруг Земли.

Определение скорости и положения таких объектов вычисляется по временным задержкам между сигналами, полученными от разных спутников. Для меньших объектов и меньших расстояний, как правило, применяется другие методы.

Например, в соответствии с законом Фарадея, магнит, двигающийся в катушке индуктивности, приводит к возникновению в ней напряжения. Это напряжение пропорционально скорости движения магнита и силе поля. Линейные датчики скорости построены на этом принципе. В их состав входит постоянный магнит и катушка индуктивности определенной формы. Выходное напряжение на катушке прямо пропорционально относительной скорости магнита в пределах рабочей зоны.

Пьезоэлектрические акселерометры (датчики детонации)

Пьезоэлектрический акселерометр измеряет силу, вызванную ускорением подвижной массы.

Пьезоэлектрический эффект лежит в основе датчиков детонации. Этот эффект заключается в прямом преобразовании механической энергии в электрическую в материалах, имеющих кристаллическую структуру. Эти датчики работают в частотном диапазоне менее 2 Гц....15 кГц.

Они также обладают хорошим подавлением внеосевых шумов, высокой линейностью и широким температурным диапазоном (до 120°С). Для этих целей применяются керамические пьезоэлектрические материалы, такие как титанат бария, титанат цирконат свинца и метаниобат свинца.

Кристалл располагается между прижимной втулкой и инерционной массой, на которую действует сила, пропорциональная ускорению (рис. 8.6).



Рис. 8.6. Принципиальная схема пьезоэлектрического акселерометра. 1 - поршень ДВС; 2 - поршневые кольца; 3 - камера сгорания; 4 - головка блока; 5 - охлаждение блока; 6 - блок цилиндров; 7 - натяжной болт; 8 - корпус датчика; 9 - прижимная втулка; 10 - пьезоэлемент датчика; 11- гравитационная (инерционная) масса; 12 - упругая шайба; 13 - контактные кольца; 14 - электрические контакты

Ускорение, действующее на датчик, приводит к разности перемещений прижимной втулки и инерционной массы, в результате чего появляется сила, действующая на кристалл. Выходной сигнал акселерометра прямо пропорционален ускорению или уровню вибраций.

Для улучшения частотных характеристик пьезоэлектрический сигнал усиливается при помощи преобразователей заряд - напряжение или ток - напряжение. Когда датчик используется как датчик детонации в двигателе, то он будет обнаруживать и другие вибрации. Их нужно свести к минимуму, отслеживая только «зону детонации» - несколько градусов поворота коленвала до и после верхней мертвой точки (ВМТ). Чувствительность автомобильного датчика детонации составляет около 20 мВ/g (g = 9,81 м/сек²).

Общие понятия о давлении

Блэйз Паскаль в 1647 году провел один опыт: он измерял высоту ртутного столба у подножия и на вершине горы. При этом он обнаружил, что давление действующее на столбик ртути зависит от высоты подъема. Свой прибор Паскаль назвал барометром. В 1660 году Роберт Бойль сформулировал закон: «Для заданной массы воздуха при известной температуре произведение давления на объем является постоянной величиной». В 1738 году Даниэль Бернулли разработал теорию динамического давления газов, из которой аналитическим способом можно вывести закон Бойля. По сути Бернулли опередил закон Шарля-Гей-Люссака, сформулировав следующее утверждение: «При нагреве газа в постоянном объеме его давление увеличивается».

В общем виде, все материалы можно разделить на твердые тела и жидкие среды. Под термином жидкая среда здесь понимается все, что способно течь. Это могут быть как жидкости, так и газы, поскольку между ними не существует серьезных различий. При изменении давления жидкости превращаются в газы и наоборот. К жидким средам невозможно приложить давление ни в каком другом направлении, кроме перпендикулярного к поверхности. При любом угле кроме 90° жидкость будет просто соскальзывать или стекать. Для жидкой среды в стационарных условиях давление можно выразить через отношение силы Р, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности A:

p = dF/dA.

Давление имеет механическую природу, и поэтому для его описания можно использовать основные физические величины: массу, длину и время. Известно, что давление сильно меняется вдоль вертикальной оси, тогда как на одинаковой высоте оно постоянно во всех направлениях. При увеличении высоты давление падает, что можно выразить следующим соотношением:

dp = - wdh,

где w - удельный вес среды, dh - изменение высоты, а dp - изменение давления.

Давление жидкой среды в замкнутом объеме не зависит от формы сосуда, поэтому при разработке датчиков давления такие параметры как форма и размеры часто бывают не очень существенными. Если на одну из сторон сосуда с жидкостью или газом действует внешнее давление, оно передается по всему объему без уменьшения его значения.

Кинетическая теория газов утверждает, что давление является мерой полной кинетической энергии молекул:

p = 2/3 · E_K/V = 1/3· сC² = NRT,

где Е_К - кинетическая энергия, V - объем, С² -- среднее значение квадрата скоростей молекул, р - плотность, N - число молекул в единице объема, R - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура.

В уравнении предполагается, что давление и плотность газов связаны линейной зависимостью, т.е. увеличение давления приводит к пропорциональному росту плотности. Например, при температуре 0°С и давлении 1 атм плотность воздуха составляет 1,3 кг/м³, в то время как при той же температуре, но давлении 50 атм - его плотность уже будет 65 кг/м³, т.е. в 50 раз больше. В отличие от газов плотность жидкостей мало меняется в широком диапазоне давлений и температур. Например, для воды при температуре 0°С и давлении 1 атм плотность составляет 1000 кг/м³, в то время как при той же температуре и давлении 50 атм - плотность равна 1002 кг/м³, а при температуре 100°С и давлении 1 атм - плотность равна 958 кг/м³.

Избыточное давление - это давление газа, превышающее давление окружающей среды. В противоположном случае - речь идет о вакууме. Давление называется относительным, когда его измеряют относительно давления окружающей среды, и абсолютным - когда оно измеряется по отношению к нулевому давлению. Давление среды может быть стационарным, когда жидкая среда находится в покое, или динамическим, когда оно относится к жидкостям в движении.

Единицы измерения давления

В системе СИ единицей измерения давления является паскалъ:

1 Па =1 Н/м².

Это значит, что давление 1 паскаль равно силе, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 квадратный метр. Иногда в качестве технической единицы измерения давления применяется единица, называемая атмосфера, обозначаемая 1 атм. Одна атмосфера это давление, которое оказывает столб воды высотой 1 метр на площадку 1 квадратный сантиметр при температуре + 4°С и нормальном гравитационном ускорении. Между единицами давления существует следующая взаимосвязь:

1 Па = 9,869 х10^-6 атм ? 10·10^-6.

Для грубых оценок можно запомнить еще одно соотношение: 0,1 мм Н₂О создает давление, приблизительно равное 1 Па. В промышленности применяется другая единица давления, называемая торр (это название дано в честь физика Торричелли), которая определяется как давление, создаваемое столбиком ртути высотой 1 мм при 0°С, нормальном атмосферном давлении и нормальной гравитации. Идеальное давление атмосферы Земли, равное 760 торр, называется технической атмосферой:

1 атм = 760 торр = 101,325 Па.

В системе единиц США давление измеряется в фунтах - силы на квадратный дюйм. Эта единица там обозначается как рsi. Для перевода рsi в единицы системы СИ можно воспользоваться соотношением:

1psi = 6,89 x10³ Па = 0,0703 атм.

Принцип действия любого датчика давления заключается в преобразовании давления, которое действует на чувствительный элемент, в электрический сигнал. В конструкцию практически всех преобразователей давления входят сенсоры, обладающие известной площадью поверхности, чья деформация или перемещение, возникающие вследствие действия давления, и определяются в процессе измерений. Таким образом, многие датчики давления реализуются на основе детекторов перемещения или силы, причиной возникновения которой является тоже перемещение.

Сильфоны и мембраны

Чувствительные элементы, входящие в состав датчиков давления, являются механическими устройствами, деформирующимися под действием внешнего напряжения. Такими устройствами могут быть трубки Бурдона (С - образные, спиральные и закрученные), гофрированные и подвесные диафрагмы, мембраны, сильфоны и другие элементы, форма которых меняется под действием на них давления.

На рис. 10.2А показан сильфон, преобразующий давление в линейное перемещение, которое может быть измерено при помощи соответствующего датчика.

Таким образом, сильфон выполняет первый этап преобразований давления в электрический сигнал.

А

Рис. 10.2.А Сильфон, используемый в датчиках давления

Он обладает относительно большой площадью поверхности, что дает возможность получать довольно существенные перемещения даже при небольших давлениях. Жесткость цельного металлического сильфона пропорциональна модулю Юнга материала и обратно пропорциональна внешнему диаметру и количеству изгибов на нем.

Модуль Юнга (модуль упругости) - физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению/сжатию при упругой деформации. Назван в честь английского физика XIX века Томаса Юнга.

Модуль Юнга рассчитывается следующим образом:

E = F·l/S·x,

где:

E - модуль упругости, измеряемый в паскалях;

F - сила в ньютонах;

S - площадь поверхности, по которой распределено действие силы;

l - длина деформируемого стержня;

x - модуль изменения длины стержня в результате упругой деформации (измеренного в тех же единицах, что и длина l).

Жесткость сильфона также связана кубической зависимостью с толщиной его стенок.

На рис. 10.2. Б показана диафрагма, применяемая в барометрах для преобразования давления в линейное отклонение.

Рис. 10.2. Б Металлическая гофрированная диафрагма, применяемая для преобразования давления в линейное перемещение

Диафрагма, формирующая одну из стенок камеры давления, механически связана с тензодатчиком, который преобразует ее отклонения в электрический сигнал. В настоящее время большинство датчиков давления такого типа изготавливаются с кремниевыми мембранами, методами микротехнологий. Мембрана - это тонкая диафрагма. Мембрана (от лат. membrana - кожица, перепонка), гибкая тонкая плёнка, приведённая внешними силами в состояние натяжения и обладающая вследствие этого упругостью.

На современных автомобилях используется большое число датчиков давления (от давления масла до дифференциального давления воздуха по разные стороны кузова), и их количество постоянно растет.

Измерение давления в различных жидкостных и газообразных текучих средах производится на автомобиле в процессе разработки, производства и эксплуатации. Результаты этих измерений необходимы для проведения экспериментальных исследований, обеспечения нормальной безопасной эксплуатации автомобиля, выдачи информации водителю, для диагностики.

Современный серийный автомобиль имеет несколько датчиков для измерения давления, например, разрежения во впускном коллекторе, давления масла в двигателе и т. д.

В табл. 2.2 приведены некоторые узлы автомобиля, где имеется необходимость измерения давления с целью получения управляющих сигналов для ЭСАУ.

Таблица 2.2

Система	Параметр	Диапазон
Управления двигателем	Абсолютное давления в впускном коллекторе	100 кПа (1атм)
	Абсолютное давления в впускном коллекторе с наддувом	200 кПа (2атм)
	Барометрическое давление	100 кПа (1атм)
	Давление в системе рециркуляции вых. газов	51,7 кПа (0,517атм)
	Давление топлива	450 кПа (4,5атм)
Коробка передач	Давление трансмиссионной жидкости	550 кПа (5,5атм)
Системы ABS	Давление тормозной жидкости	3447 кПа (34,47атм)
Воздушные мешки безопасности	Давление газа	51,7 кПа (0,5 атм)
Подвеска	Давление в пневматических амортизаторах	1000 кПа (10 атм)

Барометрические датчики и датчики давления, применяемые для измерения разрежения во впускном трубопроводе, могут быть различных конструкций. Датчики давления дискретного действия представляют собой устройство, где замыкание и размыкание контактов происходят под действием упругой мембраны, испытывающей измеряемое давление.

Датчики давления непрерывного действия представляют собой либо потенциометр, ползунок которого связан с мембраной, либо катушку индуктивности, в которую мембрана под действием давления вдвигает магнитный сердечник.

Расходомеры

Основы гидродинамики

Закон сохранения массы является одним из основных постулатов физики. Масса не может ни создаваться, ни разрушаться. Если на границах замкнутого объема происходит втекание и вытекание массы, для постоянства массы в объеме сумма ее прихода и расхода должна всегда быть равна нулю, т.е. должно выполняться правило: сколько массы вещества поступило, столько должно и уйти. Тогда для потоков, входящих в систему и исходящих из нее, в течение одного и того же интервала времени будет выполняться следующее соотношение:

dM_вх/dt = dM_выхdt,

где М_вх - масса вещества, поступившего в систему, М_вых - масса вещества, покинувшего ее. На практике часто требуется измерять расход жидкостей (воды, бензина, растворителей и т.д), а также воздуха и газов (кислорода, азота, и т.д). Рассмотрим замкнутый объем и назовем его проточной трубой. Текущая среда входит в трубку на одном конце через поперечное сечение А₁, а вытекает на другом ее конце через сечение А₂. Очевидно, что скорость движения среды в разных точках внутри трубки будет не одинаковой (рис. 11.1А).

Рис. 11.1А. Проточная труба

Объем вещества, проходящего через заданное поперечное сечение трубки (рис. 11.1Б) в течение определенного интервала времени Дt, равен:

V = AДx/Дt = Av,

где v - скорость движущейся среды через поперечное сечение площадью А, Дх - перемещение объема V.

Средняя скорость потока в сечении А определяется следующим выражением v = V/A.

Рис. 11.1B. Поток вещества через поперечное сечение

На практике чаще определяется не скорость потока, а расход вещества через определенное сечение. Расход - это произведение средней скорости потока на площадь поперечного сечения. В системе СИ он измеряется в кубических метрах в секунду (м³/с). Преобразовав выражение, можно вывести уравнение для расхода вещества: Аv = V.

Расходомеры обычно меряют среднюю скорость потока v при известной площади поперечного сечения А.

Тепловые расходометры

Один из способов определения скорости потока заключается во внесении маркера в какой-либо участок и наблюдении за его перемещением. В качестве маркера, например, можно использовать плавающие объекты, способные передвигаться со скоростью потока. Время, затраченное маркером на перемещение между двумя заданными точками, соответствует скорости потока. Примеры таких плавающих объектов - поплавки, радиоактивные элементы и красители.

Однако в большинстве случаев введение посторонних веществ в исследуемую среду либо невозможно, либо запрещено. Альтернативным методом является изменение физических свойств движущейся среды. Наиболее подходящим для этих целей физическим свойством является температура.

На рис. 2.58. тепловой датчик воздушного потока. Принцип действия датчика заключается в следующем. Когда воздух проходит вблизи нагретой нити, он уменьшает ее температуру.

Рис. 2.58.

Если измерительная схема будет увеличивать ток через нить таким образом, чтобы поддерживать температуру нити постоянной, тогда этот ток будет пропорционален скорости воздушного потока. «Горячая нить» изготавливается из платины и имеет длину порядка нескольких миллиметров и толщину около 70 микрон. Из-за малых размеров постоянная времени этого датчика крайне мала - порядка нескольких миллисекунд. Это очень большое преимущество, поскольку любые пульсации в воздушном потоке будут немедленно обнаружены и переданы в блок контроля. Выходной сигнал схемы, входящей в теплопроводный датчик, и есть напряжение на прецизионном резисторе. Сопротивление нагретой нити и прецизионного резистора подобраны так, чтобы ток нагрева нити менялся между 0,5 А и 1,2 А. На другом плече моста используются резисторы большого сопротивления, поэтому ток очень слабый. Резистор, компенсирующий температуру, имеет сопротивление около 500 Ом, которое должно оставаться постоянным независимо от изменения температуры. Выходной сигнал этого прибора может меняться при загрязнении нити. Однако нагревание нити до очень высокой температуры всего на 1 сек при каждом включении двигателя предотвращает любое загрязнение благодаря полному обжигу нити. В некоторых датчиках объема воздуха для установки режима холостого хода применяется переменный резистор.

Тонкопленочный датчик потока воздуха

Тонкопленочный датчик потока воздуха похож на систему с нагреваемой нитью. Вместо нагреваемой платиновой нити здесь используется тонкая пленка из никеля. Время отклика данной системы значительно меньше, чем у системы с нитью.

Датчики кислорода

Назначение кислородного датчика в автомобиле заключатся в том, чтобы обеспечить систему управления работой двигателя с обратной связью по качеству смеси (соотношение «воздух/топливо»). Количество кислорода, обнаруживаемое в выхлопе, напрямую связано с насыщенностью смеси, или отношением воздуха к топливу. Показатель массового отношения «воздух-топливо» называется л - фактором, его оптимальное значение составляет 14,7:1.

л = 1 - стехиометрическая (теоретически идеальная) смесь;

л > 1 - бедная смесь;

л < 1 - богатая смесь (избыток бензина, воздуха не хватает для полного сгорания).

Рис. График зависимости мощности двигателя (P) и расхода топлива (Q) от коэффициента избытка воздуха (л)

Кислородные датчики выхлопа размещаются вблизи коллектора для сохранения адекватного температурного режима.

Рис. Размещение кислородного датчика выхлопа 1 - впускной коллектор; 2 - двигатель; 3 - блок управления двигателем; 4 - топливная форсунка; 5 - основной лямбда-зонд; 6 - дополнительный лямбда-зонд; 7 - каталитический нейтрализатор.

Такие датчики надежно работают при температурах свыше 300⁰С. В некоторых конструкциях вводится нагревательный элемент, чтобы требуемая температура достигалась быстрее. Этот тип датчика носит название нагреваемый кислородный датчик выхлопа. Нагревательный элемент (который потребляет около 10 Вт) работает не постоянно, а лишь поддерживает температуру датчика в безопасной области (не выше 850 °С). Именно по этой причине датчики обычно не помещают непосредственно в выпускной коллектор. На рис. 2.64 показан в разрезе кислородный датчик выхлопа.

Рис. 2.64. Схема датчика кислорода на основе диоксида циркония, расположенного в выхлопной трубе. 1 - твердый электролит ZrO₂; 2, 3 - наружный и внутренний электроды; 4 - контакт заземления; 5 - «сигнальный контакт»; 6 - выхлопная труба.

Основной активный компонент большинства типов кислородных датчиков - двуокись циркония. Принцип действия датчика состоит в том, что при температурах свыше 300° С двуокись циркония начинает проводить ионы кислорода. Поскольку один электрод связан с атмосферным воздухом (это реперная точка для измерений), большее количество ионов кислорода будет присутствовать именно на этой стороне. Вследствие диффузии эти ионы проникают в электрод и мигрируют через электролит, то есть ZrO₂. Этот процесс приводит к созданию заряда аналогично действию батареи. Величина этого заряда зависит от содержания кислорода в выхлопных газах. Обычно в зоне оптимального л - фактора датчик развивает напряжение порядка 400 мВ.

Система управления двигателем с обратной связью по л - фактору позволяет очень точно отслеживать процесс сгорания топлива в двигателе. И, следовательно, возможен точный контроль выбросов выхлопных газов.

Развитие датчиков

Датчики, используемые системами управления двигателем, развиваются в направлении интеграции обработки сигнала непосредственно внутрь датчика. На рис. 2.69 показана блок-схема уровней интеграции датчика.

Рис. 2.69. Блок-схема четырех типов датчиков и различные аспекты их конструкции

Обычная система

Аналоговый датчик, в котором сигнал передается на блок управления двигателем через электрические цепи. Этот способ очень подвержен влиянию помех.

Интеграция уровня 1

Аналоговый сигнал обрабатывается, что улучшает степень помехозащищенности, а затем подается на блок управления.

Интеграция уровня 2

На втором уровне интеграции в датчик включается аналого-цифровое преобразование. Такой сигнал уже совместим с шиной данных (например, САН) и, следовательно, становится защищенным от помех.

Интеграция уровня 3

Конечный уровень интеграции состоит в том, чтобы использовать «интеллект» в виде микрокомпьютера как составную часть датчика. Цифровой выход датчика будет помехоустойчивым. Этот уровень интеграции также позволяет встроить в датчик способность дистанционного контроля и диагностики.

Лекция 3 Исполнительные механизмы (приводы)

Приводы - прибор, который преобразует электрические сигналы в механическое движение.

Соленоидные приводы Термин «соленоид» означает: многовитковая катушка, намотанная на каркас. Хороший пример соленоида - инжектор топлива, показанный на рис. 2.70.

Рис. 2.70. Топливный инжектор 1- обмотка электромагнита; 2 - якорь; 3 - запирающий элемент; 4 - упор; 5 - пружина; 6 - магнитопровод; 7 - выходные контакты; 8 - штуцер для топлива

Сигнал на начало впрыскивания топлива подается на обмотку 1 (рис. 2.70) электромагнита, размещенную в металлическом корпусе. В корпусе расположен также запирающий элемент 3 клапана, прижимаемый к седлу пружиной 5. Когда на обмотку электромагнита от электронного блока управления подается электрический импульс прямоугольной формы определенной длительности, запирающий элемент перемещается, преодолевая сопротивление пружины, и открывает отверстие распылителя. Топливо поступает в двигатель. После прекращения электрического сигнала запирающий элемент под действием пружины возвращается в седло. Количество впрыскиваемого топлива за цикл при постоянстве давления на входе в форсунку зависит только от длительности управляющего импульса.

Перемещение запирающего элемента составляет 0,1 мм. Интервал времени, во время которого инжектор остается открытым, весьма незначителен - обычно в пределах от 1,5 до 10 мс. Это время, требуемое инжектору, чтобы открыться и закрыться, является очень важным, так как это время определяет дозу топлива. Время реакции для узлов соленоидного принципа действия, таких как инжектор топлива, в значительной степени зависит от индуктивности обмотки. На рис. 2.71 приведены графики изменения различных переменных для привода данного типа.

Формула, описывающая зависимость между этими переменными, выглядит следующим образом:

I = U/R (1 - e^-Rt/L)

i - мгновенное значение тока в обмотке, U- напряжение источника питания,

R - общее сопротивление цепи питания, L - индуктивность обмотки инжектора, t - время от момента начала импульса тока, е - основание натурального логарифма.



Рис. 2.71. Графики изменения величин в приводе соленоидного типа

Сопротивление широко применяемых инжекторов составляет около 16 Ом. Некоторые системы применяют балластные резисторы, включаемые последовательно с обмоткой инжектора. Это позволяет уменьшить индуктивность и таким образом уменьшить время срабатывания. Для других типов соленоидных приводов, например, привода замка дверей, время срабатывания менее критично.

Приводы с электрическими двигателями постоянного тока и с постоянными магнитами

Электрические двигатели с постоянными магнитами используются в автомобилях ввиду своей универсальности. Выходом мотора является вращение. Вращение может быть легко преобразовано в линейное перемещение, если электродвигатель приводит во вращение ходовой винт с гайкой, на которой установлен плунжер. В большинстве случаев использования в автомобиле вращение вала мотора должно быть преобразовано с помощью зубчатой передачи, которая служит для уменьшения скорости и увеличения крутящего момента. Моторы с постоянным магнитом в настоящее время используются вместо моторов с электромагнитами.

Типичные примеры, использования электрических моторов в автомобиле:

1. стеклоочистители ветрового стекла;

2. омыватели ветрового стекла;

3. подъемник фар освещения;

4. стеклоподъемники;

5. электрифицированный люк крыши;

6. электрифицированная антенна;

7. регулировка сидений;

8. регулировка зеркал;

9. омыватели передних фар;

10. стеклоочистители передних фар;

11. топливные насосы;

12. вентиляторы.

У приводов на основе электромотора есть один недостаток - невозможна прямая обратная связь по положению. Это и не требуется во многих случаях, тем не менее, иногда, например, при регулировке сидения, может быть необходимо «запомнить» положение, тогда для обеспечения обратной связи может быть установлен датчик типа переменного сопротивления.

Шаговые электродвигатели

Шаговые электродвигатели становятся популярны в качестве приводных механизмов в автомобилях. Это объясняется легкостью, с которой они могут управляться электрическими системами.

Шаговые двигатели делятся на две группы:

1. шаговые двигатели с изменяемым магнитным сопротивлением;

2. шаговые двигатели с постоянными магнитами.

Шаговые двигатели с изменяемым магнитным сопротивлением (Рис. 2.74. A) используют принцип максимального магнитного потока. Несколько обмоток устанавливается по окружности зубчатого статора. Ротор имеет зубчатый профиль и изготавливается из магнитопроницаемого материала. Ротор имеет на два зуба меньше статора.



Рис. 2.74. Принципы действия шаговых электромоторов с изменяемым магнитным потоком A и постоянным магнитом B

Когда ток поступает на пару обмоток одной фазы, ротор повернется и установит два зубца так, чтобы обеспечить максимальный магнитный поток. Теперь, чтобы привести в движение ротор, остается просто подавать напряжение на обмотки в соответствующей последовательности. Например, если возбуждается фаза 4, мотор сделает один «шаг» по часовой стрелке. Если возбуждается фаза 2, то шаг будет против часовой стрелки.

Эти моторы не обеспечивают большой крутящий момент и не дают никакого крутящего момента в отсутствии возбуждения. Однако они могут работать на относительно высоких частотах. Углы поворота за один шаг обычно составляют 15°, 7,5°, 1,8°, или 0,45°.

Шаговые двигатели с постоянным магнитом (Рис. 2.74. B) имеют значительно больший пусковой момент, а также обладают удерживающим моментом при снятии возбуждения. В данном случае ротор является постоянным магнитом. Для мотора с изменяемым магнитным сопротивлением направление тока в обмотках не имеет значения, однако для мотора с постоянным магнитом направление тока важно. Двигатели с постоянным магнитом имеют шаг угла поворота 45°, 18°, 15° и 7,5°.

Лекция 4 Мультиплексные системы (интерфейсы) автомобильных электронных систем

Применения интерфейсов

В английском языке слово «интерфейс» означает прослойку, среду, разделяющую или связывающую различные объекты. В техническом обиходе цифровой интерфейс - система передачи данных между узлами системы, описанная стандартом.

Применение стандартизированного интерфейса обеспечивает передачу данных между изделиями разных разработчиков. Позволяет вести разработку узлов параллельно и применять готовые узлы сторонних производителей.

Параллельные интерфейсы

В параллельном интерфейсе каждый сигнал передаётся по отдельной линии. Линии делятся на группы:

1. шина данных;

2. шина адреса;

3. шина управления.

Шина данных представляет собой несколько линий (по числу разрядов интерфейса). Передатчики являются ключами, защищенными от влияния реактивного сопротивления линии. Они могут быть отключены (переведены в состояние высокого импеданса), что позволяет работать другим передатчикам на той же шине. При включении они обычно выдают в шину данных информацию из параллельного регистра передачи. Приёмники представляют собой логические элементы с несколько скорректированными логическими уровнями. Данные записываются в регистр при наличии соответствующих сигналов на шинах адреса и управления.

На шине адреса, при передаче данных контроллером выставляется соответствующая информация. Эта информация воспринимается другими портами следующим образом: адрес дешифруется и из него формируется сигнал разрешения-запрета приёма данных в каждом порту. Запись данных происходит только при наличии сигнала разрешения (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Временные диаграммы процесса передачи данных из контроллера

При передаче данных в контроллер на шине адреса выставляется адрес. Он дешифруется всеми портами и одним из них опознаётся как свой. В остальных формируется сигнал запрета передачи данных в шину данных. После этого контроллер может записать данные в свой регистр приёма (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Временные диаграммы процесса приёма данных в контроллер

Последовательные интерфейсы

В отличие от параллельных, последовательные интерфейсы не имеют шин адреса, данных и управления. Вся полезная и служебная информация передаётся по единому информационному каналу.

Для совмещения (мультиплексирования) различных сигналов используется два метода: частотное разделение и разделение по времени (временное уплотнение). Частотное разделение аналогично способу, используемому в радиовещании, но для цифровых сигналов удобнее использовать разделение по времени.

Информационный канал может состоять из одной сигнальной линии и общего провода (такие интерфейсы называют однопроводными Рис.2.4).

Рис. 2.4. Обмен информацией по однопроводному интерфейсу

Их преимущество - в простоте коммутационного и кабельного хозяйства. Недостаток данного класса интерфейсов в необходимости организации синхронизации портов через информационный канал. Работающие принципиально асинхронно устройства должны обмениваться данными без потерь информации.

Чтобы передавать различные данные по одной линии, должно быть определено и согласовано множество критериев. Эти критерии известны как протокол связи. Протокол определяет:

1. метод адресации;

2. последовательность передачи и формат данных;

3. управляющие сигналы;

4. обнаружение ошибок;

5. обработка ошибок;

6. скорость передачи.

Также должен быть определен и согласован физический уровень сигналов. Он включает следующие параметры:

1. тип линии связи (медный провод, оптоволокно);

2. тип кодирования передачи (аналоговый или цифровой);

3. тип сигналов (напряжение, ток, частота или др.).

Схема, отвечающая этим критериям, известна как шинный интерфейс.

Число систем на автомобилях, управляемых электроникой, непрерывно растет. Некоторые из этих систем перечислены ниже:

1. управление двигателем;

2. система антиблокировки тормозов;

3. управление трансмиссией;

4. активная подвеска;

5. мультимедиа и т. д.

Многие из датчиков, подключенных к электронному блоку управления, являются общими для нескольких систем. Применение общей шины данных позволило бы вести обмен между модулями и сделать информацию от различных датчиков автомобиля доступной всем системам. Развитие этой идеи сократило бы сеть до трех проводов: провода питания, общего провода и сигнального провода.

Популярность последовательных интерфейсов в последнее время связана с появлением специализированной элементной базы, позволяющей реализовать порт интерфейса на одной недорогой микросхеме.

Размещено на Allbest.ru

...