Дискретні датчики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дискретні датчики

Дискретні датчики поділяються на контактні та безконтактні. Контактні датчики самі прості із дискретних - це різноманітні вимикачі, перемикачі, параметричні реле.

Прикладами контактних датчиків транспортних засобів є датчики, що використовують на автомобілях для контролю відкриття дверей, капота, біметалеві контакти, що перемикаються зміною температури. Проте дискретні контактні датчики та реле мають суттєвий недолік - окислення та ерозію контактів, особливо при роботі у складних атмосферних умовах. Тому ширше використовують герметизовані контактні датчики - геркони, у яких контактна пара закрита від зовнішнього середовища, а дія на контакт реалізується через магнітне поле. Низка параметричних датчиків, що працюють як реле, наприклад, рівня гальмівної рідини, тиску, температури, також мають вихідний сигнал, що відповідає рівню дискретної одиниці бортової системи керування та у багатьох випадках "заводяться" на порт мікропроцесора без додаткових електронних пристроїв або, для захисту мікропроцесора, через оптогальванорозв'язку. Спостерігається в автомобільній електроніці перехід від релейних параметричних датчиків до аналогових, де дискретний інформаційний сигнал формується мікропроцесором згідно з програмою обробки сигналу аналогового датчика.

Безконтактні дискретні датчики складаються із чутливого елемента, перетворювача та комутаційного елемента. Залежно від виду чутливого елемента розрізняють оптичні, індуктивні, ємнісні, ультразвукові безконтактні дискретні датчики. Перетворювачі та комутаційні елементи у всіх датчиків приблизно однакові та являють собою підсилювач і транзисторний ключ.

Індуктивні датчики. Унаслідок своєї конструктивної простоти та надійності широко використовуються на автомобільному транспорті у системах запаленнях, як колісні датчики системи АБС, спідометрах. Індуктивний датчик для визначення положення колінчастого вала у системі запалення забезпечує синхронізацію блока керування запаленням свічок з робочим процесом двигуна та визначає частоту його обертання (рис. 1).

Датчик являє собою індуктивну котушку І з магнітом 3 та сердечником 7. При проходженні мимо датчика зубця диска синхронізації 8 на шківу колінчастого вала змінюється величина магнітного потоку, що пересікає обмотку. Зміна магнітного поля призводить до появи змінного електричного струму у проводах обмотки - сигналу із різкою зміною амплітуди та знака, який сприймається та обробляється як дискретний.

Рисунок 1 - Індуктивний автомобільний датчик

Цей сигнал надходить на мікропроцесорний блок керування, сповіщаючи про дійсне положення колінчастого валу.

На принципі ефекту Холла працює датчик визначення положення розподільного вала. Робота датчиків на основі ефекту Холла основана на взаємодії між рухомими носіями електричного заряду та зовнішнім магнітним полем.

Елемент Холла являє собою напівпровідникову пластину, у якій змінюється пропускна здатність струму при зміні магнітного поля. На рисунку (рис. 2. а) показано напрямок магнітного поля В і виводи для зняття напруги Холла - Ux.

Схема 2 б відображає еквівалентну схему датчика, де Ri - опір у ланцюгу керування; Ro - вихідний диференціальний опір; а - кут між векторами струму та магнітного поля. При фіксованій температурі Ux визначається за виразом:

де h - повна чутливість датчика.

Рисунок 2 - Датчик Холла та його еквівалентна схема

Датчик установлюється на головці одного із циліндрів і реагує на положення металевої пластини, закріпленої на розподільному валу. Цей сигнал разом із сигналом датчика положення колінчастого вала дозволяє синхронізувати подачу палива форсунками для кожного із циліндрів.

Оптичний безконтактний датчик

Чутливим елементом у таких датчиків є фотоприймач - фотодіод або фототранзистор, іноді фотоопір. Принцип роботи побудований на перериванні оптичного променя від джерела світла та відбиття променя від контрольованої поверхні (рис. 3).

Ф4>ФЗ>Ф2>Ф1

Рисунок 3 - Підключення та вольт-амперна характеристика фотодіоду

Відомо, що при освітленні (опроміненні) ділянки р-н переходу фотодіода генеруються носії електрики, які створюють фотострум. При цьому фотодіод може працювати у фотодіодному та генераторному режимах.

Прикладом використання оптичних датчиків на транспорті є датчик дощу, яскравості зустрічних фар тощо. Загальним недоліком оптичних датчиків є їх залежність від забруднення.

Широко поширені дискретні датчики для використання як акселерометрів, що конструктивно базуються на тензо- або п'єзоефекті, ємнісних датчиках. У таких датчиках різка зміна механічного параметра призводить до переміщення інерційної маси, яка діє на чутливий елемент, викликаючи різку зміну або появу (генерацію) електричного сигналу (рис. 4).

Рисунок 4 - Датчик детонації на п'єзоелементі

У датчику детонації на п'єзоелементі при появі детонаційного імпульсу інерційна шайба 6 різко натискує на п'єзоелемент 7, який генерує імпульс напруги.

Датчики з аналоговими вихідними сигналами представлені на транспортних засобах широкою гамою для контролю більшості робочих параметрів вузлів автомобіля. В аналогових датчиках використовують два основні принципи - або зміна електричного параметра датчика залежно від величини контрольованого параметра, або генерація електричного сигналу, пропорційного контрольованому параметру. Серед останніх найбільш поширені термоелектричні та п'єзоелектричні датчики.

Термоелектричні датчики (або термопари) генерують певний рівень напруги, пропорційної величині різниці температур спаїв, складаються з двох спаїв із різних провідників (ХК, ХА, ЗК, ПП), причому спаї повинні знаходитись при різній температурі ("холодний" та "гарячий" спай) (рис. 5).

Рисунок 5 - Схема термоелектричного генераторного датчика температури

Для різних термопар коефіцієнт термо-ЕРС різний. Із-за різної роботи виходів електронів у різних провідниках виникає різниця потенціалів (ефект Т. Зеєбека), пропорційна різниці температури спаїв. Для визначення абсолютного значення температури необхідно зняти температуру холодного спаю термопари за допомогою термістора Rt.

П'єзоелектричні датчики ґрунтуються на властивості деяких кристалів перетворювати механічні деформації на зміну електростатичних зарядів на їх гранях, що пов'язано зі зміною рухливості носіїв електрики у кристалічній гратці. П'єзоелектричний ефект був відкритий у кварці П'єром Кюрі 1880 року.

Це явище оборотне: при подачі електричної напруги до граней кристала останній деформується [12]. Тому п'єзоелектричні датчики - це пристрої змінного струму з досить широким частотним діапазоном (від тисячних частин герца до десятків кілогерц) які широко використовуються як генератори і приймачі ультразвукових коливань, п'єзорезистори. П'єзоелектричні елементи можуть використовуватись у формі монокристала (як у датчику детонації) або у вигляді багато шаруватих структур, розділених електричними ланцюгами, або у вигляді полімерних плівок. П'єзоелектричні плівки можуть бути виготовлені на основі трафаретного друку (як у шовкографії) з титанату цирконата свинцю або з полівінілденфториду (PVDF). Товщина п'єзоплівок коливається в межах 25...100 мкм, а повна товщина плівкового датчика з урахуванням компресійної плівки з силіконової гуми та захисних шарів не перевищує 200 мкм. Датчики з п'єзоелектричних плівок можуть використовуватися для вимірювання невеликих переміщень. Сигнали генераторних датчиків мікропроцесор обробляє як довжину періоду між частотними імпульсами.

Значна кількість датчиків з аналоговим вихідним сигналом після обробки електронним блоком передаються до мережі як частотні сигнали генераторних датчиків, що спрощує і прискорює їх обробку мікропроцесором. Аналоговий принцип контролю параметрів також поширений на транспортних засобах (рис. 6).

Рисунок 6 - Схема частотної обробки аналогових сигналів

Наприклад, терморезис-торний або термісторний датчик температури охолоджуючої рідини, датчик масових витрат повітря термоанемометричного типу для визначення кількості повітря, що подається до циліндрів, датчик потенціометричного типу для виміру рівня палива або контролю положення дросельної заслінки карбюратора тощо.

Датчики масових витрат повітря термоанемометричного типу розрізняються за видом вимірювальної схеми:

а) за методом постійної температури;

б) за методом постійного струму через елемент, що нагрівається;

в) за методом постійної різниці температур між чутливим елементом та середовищем (рис. 7). На рисунку показано включення плати-нового терморезистора з термокомпенсацією.

Рисунок 7 - Датчик масової витрати повітря

Чутливим елементом датчика є платинова нитка, яка під час роботи двигуна розігрівається до температури 150 °С. Повітря, що всмоктується в циліндри двигуна, охолоджує нитку, а електронна схема датчика підтримує температуру нитки постійною (150 °С). На підтримку температури платинової

нитки на колишньому рівні витрачається певна електрична потужність, яка є параметром для визначення масової витрати повітря.

У термоанемометричному витратомірі фірми Bosch з плівковим платиновим резистором різниця температур підтримується на рівні 160 °С. При цьому у робочому діапазоні виграти 10...50 кг /год. струм нагріву регулюється від 0,5 до 1,2 А.

Поширеними у датчиках тиску є тензорезистивні елементи, у яких власний опір змінюється під дією мікродеформації. Першими тензоелементами були металеві нитки, наклеєні на діелектричні плівки (рис.8).

Рисунок 8 - Схема датчика тиску

Такий датчик у вигляді константанової фольги (сплав міді з нікелем, полімерної плівки) наклеюється на мембрану, що сприймає тиск мастила або парів палива. Дія тиску спричиняє прогин мембрани і відповідно плівки тензорезистора, змінюючи його опір пропорційно до деформації.

Мікродеформації частин кузова, натиск педалі газу сприймають також оптоелектронні датчики, шо використовують різні фізичні явища у світловоді оптоволоконного провідника (розсіювання та послаблення променя світла, фазовий зсув, поворот площини поляризації), прокладеного між деформуючими частинами. Зміна кривизни світловоду призводить до зміни кута повного внутрішнього відбиття, що викликає втрати при пропусканні променя.

У датчиках для вимірювання концентрації СО: використовується ефект розсіювання променя, залежно від спектра поглинання, який залежить від концентрації (рис. 9).

Рисунок 9 - Детектор вимірювання концентрації СО2

Датчик складається з двох камер, у яких одна сторона прозора (скляна), а на другу сторону нанесено відбиваюче покриття. Робоча камера заповнена реагентом і має газопроникне покриття. Друга камера є еталонною. Випромінювання світлодіода (л = 560 нм) через скло потрапляє до камер і, відбившись, повертається на фотоприймачі. Далі диференціальна схема визначає різницю інтенсивностей та відповідно концентрацію СО2.

Для прийому та обробки сигналів аналогових датчиків їх сигнал електронною схемою підсилюються, оцифровуються за допомогою аналогово- цифрового перетворювача (АЦП) та передаються до мікропроцесора для програмної обробки (рис. 10).

Рисунок 10 - Структура модуля обробки аналогового сигналу

При зміні величини контрольованого параметра відповідно змінюється вихідний електричний сигнал датчика А. Якщо це сигнал не напруги, а іншого електричного параметра, то сигнал перетворюється на зміну напруги U, яка надходить на вхід АЦП. При обробці аналогового сигналу в АЦП відбувається його дискретизація, коли певному рівню аналогового сигналі U відповідає певний двійковий код N, наприклад при U=3 код буде 011 і т. д. (рис. 11). Залежно від розрядності АЦП величина кожного ступеня напруги коду буде різна. Величина розрядності вказує на число дискрет, на які буде ділитись вхідний аналоговий сигнал. На транспорті використовують АЦП середньої розрядності, достатньої для точності вимірювання (16-розрядні. 32,64).

Рисунок 11 - Дискретизація сигналу в АЦП

Інтелектуальні датчики

З огляду на перехід бортових систем автомобілів на цифрові мережі все ширше використовують цифрові датчики, які мають у складі інтегральної мікросхеми всі необхідні компоненти для обробки сигналу датчика та вбудований мікропроцесор для передачі цифрового сигналу по мережі (відповідно до рис. 12) або безпосереднього керування певним вузлом, як, наприклад, у системі антиблокування коліс або керування подачею палива. Тенденція до інтелектуалізації транспортних засобів веде до появи все більшого числа інтелектуальних датчиків, що поєднують в одному модулі (іноді кристалі) процеси перетворення первинної інформації з подальшою комплексною її переробкою і видачею підсумкової інформації у необхідній для контролю і керування формі.

Наприклад, інтелектуальний датчик рівня палива має у своїй структурі підсилювач сигналу різниці ємності на електродах, датчик температури для врахування густини палива, елементи для перетворення сигналу, збереження у пам'яті та формування інформаційного сигналу для передачі на органи керування та індикацію рівня для водія (рис. 12). Зміна рівня палива викликає переміщення рухомого електрода - мембрани, відносно нерухомих електродів, що у свою чергу змінює різницю ємності між рухомим та нерухомими електродами. Після підсилення напруги АЦП перетворює сигнал на цифровий та передає його на вбудований у мікросхему микрокомпьютер. Аналогічна структура сучасних автомобільних датчиків температури, тиску, мікросхема яких реагує на зміну величини контрольованого параметра, підсилює його, оцифровує та обробляє згідно вбудованої програми.

Рисунок 12 - Схема цифрового датчика рівня палива

датчик автомобіль генераторний оптичний

Розглянуті вище складені датчики у багатьох випадках є компонентами інтелектуальних датчиків, які швидше слід називати вимірювальними комплексами (наприклад, радар, який вимірює швидкість автомобіля, що рухається, або датчик положення автомобіля, що включає GPS-приймач і синхронну систему обробки даних з цифровою картою місцевості). Перспективні волоконно-оптичні датчики, нечутливі до електромагнітних завад, але чутливі до змін тиску, температури.

Розвиток нанотехнологій призводить до появи безпровідної системи датчиків, де зв'язок здійснюється у GSM діапазоні (f = 2,4 ГГц) на відстані до 15 до 20 метрів. Це так звана Smart (розумна) технологія, яка у майбутньому обіцяє створити інтелектуальну мережу, призначену для збору, аналізу, обробки і збереження даних у системах транспортної телематики.

Размещено на Allbest.ru