Ремонт и техническое обслуживание автомобилей




Датчики угловых и линейных перемещений и положений




Датчики угловых и линейных перемещений могут иметь простую конструкцию – например, микровыключатель на двери, и сложную – типа линейных дифференциальных трансформаторов в активной подвеске.

Назначение датчиков такого типа заключается в преобразовании углового или линейного перемещения в электрический сигнал.
Датчики выполняются контактными или бесконтактными. Контактные датчики подвержены износу, свойства оптических датчиков ухудшаются от пыли и влаги. В связи с этим, в современных бесконтактных датчиках угловых и линейных перемещений, применяемых в автомобилях, чаще всего используются магнитные свойства чувствительных элементов.

***

Контактные датчики

Микровыключатели – это простые контактные датчики для фиксации определенного крайнего положения объекта, например, двери, стекла в стеклоподъемнике и др., или срабатывающие при достижении параметра установленного уровня.
При срабатывании микровыключателя в ЭБУ подается сигнал, соответствующий напряжению питания. Если при срабатывании датчик контактного типа разрывает свои контакты, то система контроля может трактовать это состояние как обрыв цепи и подать сигнал неисправности.
Для преодоления этого, контакты датчика зашунтированы постоянным сопротивлением Rs, и при разрыве контактов цепь не разрывается, а ее сопротивление резко увеличивается.
При замкнутых контактах сопротивление цепи R составляет 180 Ом, при разомкнутых – 1380 Ом (R + Rs).
Основным недостатком таких датчиков является дребезг контактов.

Потенциометрические датчики применяются на автомобиле в качестве датчиков положения (например, датчик положения дроссельной заслонки, уровня топлива и т. п.).
Современные автомобильные потенциометрические датчики имеют наработку на отказ больше, чем срок эксплуатации среднего автомобиля, выдерживают вращение движка со скоростью до 1000 оборотов в минуту в течение более 1000 часов.

Проволочные потенциометры характеризуются числом витков намотки на градус: от 1 до 8, их сопротивление лежит в пределах 10...10000 Ом, с погрешностью 5%.
Достоинство проволочных потенциометров – возможность реализации низкоомных датчиков.
Недостатки: нелинейность, дискретность, быстрый износ (около 105 оборотов).

В качестве датчиков положения в автомобилях обычно используются непроволочные потенциометры с напыленным на пластике или керамике резистивным покрытием.
Щетки движка демпфируются для устойчивости к вибрациям. Сопротивление таких автомобильных датчиков положения лежит в пределах 50...20000 Ом, с погрешностью 10...20%. Потенциометры используются в режиме делителя напряжения, имеют линейную характеристику и высокое разрешение.
Потенциометры с пластиковой дорожкой, покрытой резистивным слоем, выдерживают более 107 оборотов для датчиков угловых перемещений и 107 ходов «вперед – назад» для датчиков линейных перемещений. Потенциометрические датчики получают питание напряжением 5 В от стабилизатора в ЭБУ.
Для их оптимальной работы в микроэлектронных схемах ток через щетки движка ограничивается величиной порядка 0,1 мкА.

Датчик положения дроссельной заслонки (рис. 1) установлен на оси дроссельной заслонкой сбоку дроссельного узла и представляет собой резистор потенциометрического типа, один из выводов которого соединен с опорным напряжением (5 В) ЭБУ, а второй с его массой.
Третий вывод соединяет подвижный контакт датчика с измерительным входом ЭБУ, что позволяет определять напряжение выходного сигнала. Данные о положении дроссельной заслонки нужны для расчета длительности впрыска форсунками.
При повороте дроссельной заслонки изменяется напряжение на подвижном контакте датчика, при закрытом положении дросселя выходной сигнал датчика ниже 0,7 В, при открытии – выходной сигнал соответственно возрастает и полностью открытой заслонке соответствует выходное напряжение не менее 4 В.

датчик положения дроссельной заслонки

Рис. 1. Датчик положения дроссельной заслонки

Датчики высоты кузова также обычно выполняются на основе потенциометров, выходное напряжение которых пропорционально высоте кузова по отношению к шасси. Обычно корпус датчика крепится на кузове, а рычаг ползунка - на элементе подвески или моста. На взаимное перемещение подрессоренных и неподрессоренных масс автомобиля датчик реагирует выходным сигналом.
Такие датчики используются в составе системы управления активной подвеской.

Датчик уровня топлива в баке обычно представляют из себя потенциометр, связанный с поплавком. С потенциометра снимается напряжение, пропорциональное уровню топлива, которое после преобразования в цифровую форму поступает на микропроцессор. В памяти микропроцессора хранится таблица соответствия количества топлива характеру поступающих импульсов.
Если уровень топлива опускается до заданного минимального уровня, на панели приборов появляется предупреждающий сигнал.
Чтобы исключить влияние колебаний топлива в баке на показания прибора, микропроцессор выполняет несколько измерений с задержкой в несколько секунд и затем вычисляет среднее значение.

Современные датчики уровня топлива это потенциометры, выполненные по пленочной технологии, где резистивный элемент представляет собой керамическое основание с нанесённой топологией проводникового, резистивного и защитного слоёв.
Подвижной контакт узла при перемещении контактирует с рядом проводниковых ламелей, на которые нанесён резистивный слой, таким образом, изменяется сопротивление от минимума до максимума. Поскольку подвижной контакт связан с поплавком, находящимся внутри топливного бака, при изменении уровня топлива происходит перемещение поплавка и изменение положение подвижного контакта, в результате чего изменяется сопротивление резистивного элемента датчика уровня топлива.

Плёночная технология позволяет эксплуатировать резистивные элементы в достаточно жёстких условиях:

  • диапазон рабочих температур: от -60...+80 ˚С;
  • вибрационные синусоидальные нагрузки: 20..300 Гц с амплитудой ускорения 40...60 м/с2, длительностью воздействия ускорения 1…3 мс, продолжительностью 10000 ударов;
  • износоустойчивость: 2000000 полных перемещений при величине давления 0,17…0,23 Н.

***




Бесконтактные датчики

В различных автомобильных ЭСАУ необходима информация об угловой скорости или угловом положении вращающегося вала. Такая информация обычно вырабатывается бесконтактными датчиками.
В основу работы таких бесконтактных датчиков положены различные физические явления: магнитоэлектрические, на эффекте Холла, высокочастотные, оптоэлектронные, токовихревые, на эффекте Виганда, фотоэлектрические.

В оптических датчиках относительного углового положения используются светомодулирующие (кодирующие) диски с симметричными прозрачными и непрозрачными секторами. Диски прецизионных датчиков выполняются из стекла, обычных – из металла. С одной стороны на кодирующий диск подается свет, с другой, этот свет попадает в фотоприемники.
Кодирующий диск может иметь от 16 до 6000 позиций на оборот. Сектора могут располагаться на двух радиусах, и смещены на половину длины отверстия, что в четыре раза увеличивает разрешающую способность. Третий радиус используется для размещения маркера.
Подобные оптические датчики получили широкое применение в качестве датчиков углового положения рулевого колеса (рис. 2). Датчик имеет вращающийся диск с прорезями и три неподвижных оптоэлектронных пары. Диск вместе с рулем вращается между светодиодами и фототранзисторами. При повороте руля на фототранзисторах вырабатываются последовательности электрических импульсов, по которым ЭБУ определяет угол и скорость поворота.
Для определения направления поворота диска имеются два фотопрерывателя F1 и F2, а третий прерыватель FN, фиксирует центральное положение рулевого колеса.

датчик положения рулевого колеса

Рис. 2. Датчик положения рулевого колеса

В прошлом столетии на некоторых американских и японских автомобилях в системе зажигания использовались оптические датчики углового положения коленчатого вала и ВМТ (рис. 3). Датчик устанавливался в распределителе в защитном корпусе для уменьшения загрязнения и световых помех, однако все равно был подвержен загрязнениям.

задающий диск оптического датчика положения в распределителе

Рис. 3. Задающий диск оптического датчика в распределителе

Микросхемы, используемые для подключения к оптическим датчикам, дешифруют направление вращения и относительное угловое положение с погрешностью 10...40 ʹ. При вращении кодирующего диска погрешность возникает из-за конечной крутизны фронтов сигналов. Типичный частотный диапазон для светодиода не более 100 кГц (например, для диска с сотней прорезей частота вращения не может быть более 1000 мин-1).

Оптические датчики абсолютного углового положения генерируют информационный сигнал сразу при подаче питания. Оптические кодирующие диски таких датчиков (рис. 4) работают в разных форматах: двоичный, двоично-десятичный, код Грея.
На диске имеется N концентрических дорожек с секторами, где N – разрядность слова. Ошибка считывания может возникнуть, когда считывающее устройство воспринимает часть разрядов из соседнего сектора.
Для уменьшения ошибок считывания используется код Грея. В этом коде при изменении любого числа на единицу меняется только один двоичный разряд.

Выпускаются также оптические датчики относительного линейного положения, например, для регулятора холостого хода с шаговым двигателем. Датчик и излучатели выполняются в виде модулей, количество отсчетов до 8 на миллиметр. Это дает разрешение до 30 мкм.

Кодирующие диски датчика положения

Рис. 4. Кодирующие диски:
а – двоичный код, б – код Грея

Самым распространенным типом магнитоэлектрического датчика является генераторный датчик коммутаторного типа с пульсирующим магнитным потоком.
Принцип действия этого датчика основан на изменении магнитного сопротивления магнитной цепи, а, следовательно, и магнитного потока в ней, при изменении зазора с помощью ферромагнитного зубчатого ротора (коммутатора) (рис. 5 ).

При вращении зубчатого ротора в обмотке статора в соответствии с законом электромагнитной индукции возникает переменное напряжение UOut с частотой n, соответствующей частоте вращения зубчатого ротора:

UOut = kwn(dФ/dα),

где k – коэффициент, зависящий от характеристик магнитной цепи; w – количество витков обмотки; dФ/dα – изменение потока Ф в зависимости от угла поворота α.

Когда зубцы ротора 4 приближаются к полюсам 5 статора, в обмотках 2, включенных последовательно и согласованно, нарастает напряжение UOut. При совпадении фронтов зубцов ротора с полюсами статора (со средней их линией) напряжение UOut, достигает максимума, затем быстро меняет знак и при удалении зубцов увеличивается в противоположном направлении снова до максимума.

Такие датчики использовались в распределителях зажигания, в которых зубчатый ротор 4 из мягкой стали приводился распределительным валиком. Число зубцов ротора соответствует числу цилиндров двигателя, а необходимое магнитное поле создают постоянные магниты 1.

принципиальная схема коммутаторного датчика и осциллограмма выходного сигнала

Рис. 5. Принципиальная схема коммутаторного датчика и осциллограмма выходного сигнала

Индуктивные датчики частоты вращения и положения вала (рис. 6, а) используются в электронных системах управления двигателем в основном для измерения частоты вращения коленчатого и распределительного валов. Они предназначены также для определения верхней мертвой точки первого цилиндра или другой специальной метки, служащей началом отсчета с целью синхронизации функционирования системы управления рабочим процессом двигателя.

Обмотка 6 датчика размещена вплотную к полюсу постоянного магнита 4 (рис. 6, а) и имеет своим сердечником магнитопровод 7 из магнитомягкого материала расположенного с небольшим зазором Δ относительно зубьев колеса 8 (зубчатого венца маховика, зубчатой шестерни).
При перемещении зубьев относительно магнитопровода величина зазора Δ между ними меняется, что вызывает изменение магнитной индукции в индукционной катушке и появление двухполярного электрического импульса.
Две полуволны импульса (рис. 6, б) расположены симметрично относительно оси, проходящей через нулевую точку, которая соответствует центру каждого зуба. По частоте полученного сигнала переменного напряжения, ЭБУ определяет скорость вращения вала.
При прохождении около сердечника специальной синхронизирующей метки (отсутствие зуба на шестерне), ЭБУ фиксирует в сигнале датчика всплеск амплитуды. Амплитуда выходного сигнала датчика зависит от размера воздушного зазора между магнитопроводом и маркерным зубом, скорости изменения магнитной индукции, на которую влияет скорость перемещения зуба.

Индуктивные датчики относятся к числу наиболее надежных датчиков в электронных системах управления автомобильных двигателей. Из-за своих недостатков (зависимость амплитуды выходного сигнала от скорости вала, от загрязнения и температуры) в современных ЭСАУ эти датчики заменяются датчиками на основе эффекта Холла.
Датчики на эффекте Холла благодаря своим достоинствам, таким как, стоимость производства, точность, надежность помехозащищенность, стойкость к внешним воздействиям получили наибольшее применение в автомобилестроении.
Датчики углового положения, в основе работы которых лежит эффект Холла, получили широкое распространение благодаря развитию микроэлектроники, поскольку выходной сигнал таких датчиков довольно слабый, и требует усиления.

магнитоэлектрические датчики

Рис. 6. Магнитоэлектрические датчики:
а) Индукционный датчик: 1-крышка; 2-уплотнение; 3-кронштейн крепления; 4-постоянный магнит; 5-корпус; 6-обмотка; 7-сердечник; 8-диск синхронизации; Δ – зазор между зубом и магнитопроводом датчика;
б) Сигнал индукционного датчика;
в), г) Датчик Холла в распределителе: 1-приводной вал; 2-лопасть ротора (экран); 3-магнитопровод; 4-постоянный магнит; 5-микросхема; 6-корпус датчика; 7-выводные клеммы;
д) эффект Холла.

Эффект Холла (рис. 6, д) возникает в плоской полупроводниковой пластине, внесенной в магнитное поле, при пропускании через нее электрического тока. Если поместить пластинку толщиной h в магнитное поле таким образом, чтобы направление индукции В магнитного поля было перпендикулярно плоскости пластины, и пропустить ток I через пластину в продольном направлении, то в поперечном направлении между противоположными гранями пластины возникнет ЭДС Холла:

EХ = kIB/h

где k – постоянная Холла, м2.

Чувствительность элемента Холла зависит от соотношения между длиной и шириной пластины и увеличивается при уменьшении ее толщины. Толщина элемента из пленки h достигает I0-6 м, пластины из полупроводникового кристалла – 10-4 м.
Для изготовления элементов Холла используются германий, кремний, арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb).

ЭДС самоиндукции Холла очень мала и поэтому должна быть усилена вблизи кристалла для того, чтобы устранить влияние электромагнитных помех.
Конструктивно элемент Холла и преобразовательная схема, содержащая усилитель, пороговый элемент, выходной каскад и стабилизатор напряжения, выполняются в виде интегральной микросхемы, которая называется магнитоуправляемой интегральной схемой. Такие интегральные схемы (ИС) с датчиками Холла выпускаются дискретными и аналоговыми.

Дискретные ИС применяются в датчиках относительного положения и скорости. Работающие в условиях подкапотного пространства, такие датчики имеют погрешность менее 0,5% и используются, как правило, в качестве датчиков положения коленчатого или распределительного валов, в системах зажигания.

Аналоговые ИС применяются в датчиках абсолютного положения вместо контактных потенциометрических.
Выходное напряжение аналоговых датчиков Холла пропорционально магнитной индукции поля и напряжению питания, что упрощает их сопряжение с АЦП. В аналоговом датчике Холла, использующимся для определения углового положения, при повороте кольцевого магнита относительно статоров, между которыми размещен датчик, меняется его выходное напряжение.

В диапазоне 150˚ характеристика линейна, погрешность преобразования менее 1%.
В подобных датчиках нет трущихся частей, кроме безынерционных подшипников, имеющих высокую надежность. Но аналоговые датчики Холла имеют высокую стоимость, и на их чувствительность влияет температура. Для удешевления в них применяются более дешевые магнитные материалы с низкой температурной стабильностью: ферриты и сплавы AINiCo. При этом вводятся внешние компенсирующие элементы, характеристики датчика программируются через интерфейс.

***

Сельсины и дифференциальные трансформаторы

В качестве датчиков абсолютного углового положения на автомобилях редко (из-за дороговизны) применяться вращающиеся трансформаторы (сельсины), которые характеризуются высокой разрешающей способностью (до 7') и работают в тяжелых внешних условиях. Обмотки возбуждения питаются напряжением с частотой 400...20000 Гц, обычно для автомобилей 2...5 кГц. Угловое положение ротора декодируется по сигналам с синусной и косинусной обмоток специальной микросхемой в цифровой код.

В качестве датчиков абсолютного линейного положения находят применение линейные дифференциальные трансформаторы. Выходной сигнал может быть декодирован специализированной интегральной схемой (ИС).

***

Магниторезистивные датчики

В магниторезистивных датчиках используется способность некоторых материалов, например, сплава FeNi, изменять свое сопротивление под воздействием изменения напряженности магнитного поля. Подобные датчики, как и датчики Холла, безынерционны, могут работать на нулевой частоте. В рабочем диапазоне магниторезистора его сопротивление меняется в пределах 2,5% по квадратичному закону функции косинуса.
Магниторезисторы встраивают в интегральную схему, где размещают и цепи обработки сигнала. Имеются также магниторезисторы с большей чувствительностью: 4...15%.

***

Датчики ускорения (акселерометры)



Главная страница


Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты