Електронні датчики автомобіля

Рис. 15а-у демонструють принцип роботи типового щілинного оптичного перемикача-оптопреривача, або оптрона. У пластмасовому корпусі розташовані світлодіод і фотодетектор, наприклад фототранзистор, розділені повітряним зазором у тілі корпуса. Світло від світлотодіода попадає на фототранзистор, який переходить у стан насичення. Якщо в зазорі з'являється непрозорий елемент -- ротор, шлях світла між світлодіодом і фототранзистором блокується, що викликає перемикання виходу фототранзистора до високого рівня.

Випромінюючі світлодіоди можуть функціонувати як у видимому, так і в інфрачервоному спектрі. Для роботи датчика необхідно, щоб конструкція корпуса й ширина елементів ротора забезпечували чергування світлопередачі й перекриття оптичного каналу. Суттєво зменшити ширину оптичних кодових елементів і підвищити дозвіл пристрою дозволяють лазерні діоди. Відстань від датчика до детектованого об'єкта в межах ширини робочого зазору несуттєво, але якщо необхідний більший робочий діапазон, також застосовуються лазерні світлодіоди.

Щілинні оптопреривачі широко використовуються для детектування швидкості двигуна, на валу якого розміщений ротор, що періодично блокує оптичний канал, але в автоелектрониці їх застосування обмежене чутливістю до забруднень і температурам (звичайно 80 °C). Необхідно відзначити, що деякі сучасні пристрої, наприклад інфрачервоні діоди й фототранзистори Honeywell, працюють і при температурах до 125 °C.

У значній мірі проблему також вирішує інтерпретація схеми переривника на основі датчика Холу (мал. 16г), але, на відміну від оптопреривача, до розмірів крильчатки пред'являються вимоги мінімальної ширини лопати, що у свою чергу обмежує просторовий дозвіл датчика.

На мал. 16а-г проілюстрована робота рефлективного оптичного датчика, який функціонує аналогічно, але конструктивно відрізняється тим, що фототранзистор у рефлективному датчику перемикається світлом, відбитим від детектованої поверхні.

Світлодіод і фототранзистор рефлективного датчика розташовані з однієї сторони поверхні детектованого об'єкта. Рефлективні датчики забезпечують більшу гнучкість монтажу, але характеризуються фокусною відстанню (оптимальною відстанню від датчика до детектованого об'єкта), на якому він повинен бути поміщений (звичайно в межах 2,54-12,7 мм) і щодо якого варіюється робочий діапазон пристрою.



Рис. 16. Оптичний (фотоелектричний) датчик рефлективного типу 1 -- корпус датчика; 2 -- світлодіод; 3 -- фоточутливий елемент (фототранзистор або фотодіод); 4 -- термінали для монтажу на друкованій платі; а -- конструкція датчика; б -- датчик лінійної швидкості (індикації певного лінійного положення): 5 -- лінійний ротор з ділянками, що чергуються, з високою відбивною здатністю й низкою відбивною здатністю (оптично прозорими); в -- датчик кутової швидкості (індикації певного кутового положення); 5 -- обертовий ротор -- крильчатка з ділянками, що чергуються, з високою відбивною здатністю й низкою відбивною здатністю (оптично прозорими); 6 -- обертовий вал; г -- датчик кутової швидкості зі спеціальною конструкцією ротора: 5 -- обертовий ротор з низкою відбивною здатністю тла (чорного кольору); 6 -- смуги, що чергуються, ротора з високою відбивною здатністю; 7 -- обертовий вал

При конструюванні рефлективного датчика найважливішою вимогою до детектованої поверхні є її відбивна здатність і якість відбиття. Наприклад, для завдань детектування швидкості колір вала двигуна й ротора вибирається чорний (мал. 16г), тоді смуги матеріалу, що відбиває, на валу забезпечують періодичне перемикання датчика.

Промінь, відбитий від стандартної поверхні, не сфальцьований і являє собою усічений конус із підставою на рефлективній поверхні, утвореним відбиваним конічним світловим пучком світлодіода, що не дозволяє з високою точністю виявляти малі об'єкти, що відбивають, і обмежує просторовий дозвіл датчика. Для того щоб зменшити діаметр відбиваного променя, у якості джерел світла застосовуються лазерні світлодіоди, а для фокусування променя на його шляху від світлодіода до фотодетектора в датчик вбудовуються лінзи.

Похідним від рефлективного типу датчиків є волоконно-оптичний датчик переміщення, що містить дві групи волоконної оптики: передавальні волокна, підключені до джерела світла волокна, що й ухвалюють сигнал, які приєднані до фотодетектора (фотодіоду) і об'єднані в одному корпусі. Світло від джерела передається через оптоволокна на поверхню мети й відбивається назад, частина відбитого світла вловлюється оптоволокнами й попадає на фотодетектор, що реєструє інтенсивність відбиття, яка являє собою нелінійну функцію властивостей поверхні й відстані до мети. Цей тип датчиків може зажадати періодичного калібрування.

Рефлективні датчики використовуються в багатьох сферах -- у промисловості або комп'ютерах (датчики для комп'ютерних мишей). В автоелектрониці даний тип пристроїв застосовується досить широко -- наприклад, для контролю положення пасажира, у датчиках дощу й в енкодерах, а крім того, стає базовою схемою, цікавої для перетворення вимірювальних концепцій стосовно інших типів датчиків.

4.2 Особливості схемотехніки оптичних пристроїв

Оптичний датчик -- це пристрій, що вимірює інтенсивність електромагнітних хвиль у діапазоні від ультрафіолетового до близького до інфрачервоного.

Світло являє собою пучок дискретних фотонів, кожний з них є носієм кванта енергії, що залежить від джерела світла.

При взаємодії з атомами кремнію фотони, залежно від довжини хвилі (що еквівалентно кількості енергії), збільшують провідність фотодіода. У ньому при зсуві генерується електричний струм, і його можна виміряти.

З фізичної точки зору базовий вимірювальний пристрій -- це саме фотодіод, який при об'єднанні з функціональною електронікою буде являти собою піксель (pixel -- Picture Element).

Інший базовий тип фотодетектора -- фототранзистор, під дією світла він функціонує аналогічно, але забезпечує логічний вихід, що перемикається.

Фотодіоди й фототранзистори закладаються в лінійні оптичні масиви, Cmos-Камери.

Промисловістю (Optek, Vishay і ін.) випускаються також готові щілинні й рефлективні датчики. Вартість обох типів менш $1, причому щілинні датчики дешевше. Можуть використовуватися й дискретні оптичні емітери/ресивери -- світлодіоди й фоточутливі елементи -- фототранзистори, фотодіоди, а також фототиристори.

Щілинні й рефлективні датчики (а також оптоизоляторы¹) функціонують однаково з ідентичними характеристиками, найважливішої з яких є коефіцієнт передачі струму.

Оскільки фототранзистор, при впливі світлового променя перехідний у стан насичення, забезпечує готовий цифровий вихід, у більшості комерційно доступних оптопреривачів і рефлективних датчиків використовується саме даний тип фотоелектричного перетворювача. Для включення датчика в зовнішню цифрову схему буде потрібно тільки струмообмежуючий резистор у колі світодіода й зовнішній резистор між плюсом живлення та виходом транзисторного ключа (мал. 17а).

Пари «світлодіод-фототранзистор» характеризується посиленням менш 1. Сума вихідного струму колектора фототранзистора, віднесена до величини вхідного струму світлодіода, називається коефіцієнтом передачі струму (КПТ, або CTR -- Current transmission ratio). Типовий струм світлодіода 10-20 мА з типовим CTR щілинного перемикача порядку 0,1 відповідає 1-2 мА вихідного струму колектора.

КПТ залежить від характеристик світодіода й фототранзистора й різний для оптичних датчиків у широких межах, тому значення резистора R2 повинне гарантувати насичення фототранзистора й стікання струму, достатнього для одержання дійсних амплітуд логічних рівнів при підключенні оптичного датчика до мікроконтролера. Наприклад, при струмі світлодіода 10мА й КПТ=0,1 значення резистора R2 повинне бути обране приблизно рівним 5 кому. (Менше значення припустиме для оптичного перемикача з високим КПТ або з більшим струмом світлодіода й буде забезпечувати кращу шумову стійкість (менший імпеданс) і більш високу швидкість перемикання.)

Рис. 17. Типові принципові електричні схеми для включення оптопреривача та рефлектора а-а- схема на основі фототранзистора із цифровим виходом; б-б- схема на основі фотодіода з аналоговим імпульсним виходом; в-в- схема на основі фотодіода із цифровим імпульсним виходом; VD1 -- світлодіод; VD2 -- фотодіод; VT1 -- фототранзистор, R1, R2 -- струмообмежуючі резистори

Швидкість перемикання фототранзистора в будь-якому оптичному датчику досить повільна, що обмежує максимальну детектовану швидкість пристрою й повинне враховуватися програмою, що зчитує вихід датчика. Типові значення часу включення (переходу в стан насичення) -- 8 мс, часу вимикання -- 50 мс.

Рефлективні датчики також характеризуються КПТ, який на відміну від оптопреривачів не постійний і залежить від сили відбитого світла, типу поверхні й відстані від поверхні до датчика. КПТ рефлективного датчика специфікується виробником зі стандартною білою рефлективною поверхнею, поміщеної на фокусній відстані від датчика. У реальному проекті обчислюється або виміряється фактичний КПТ.

Оскільки КПТ рефлективного оптичного датчика варіюється в широкому діапазоні, аналоговий вихід (мал. 17б) може бути більш кращим, оскільки користувачеві надається можливість самостійно приєднувати вихід датчика до АЦП і програмно відслідковувати зміни у вихідному рівні сигналу, що, як показано далі, корисно й для інтерполяції сигналів інкрементальних енкодерів, але в цьому випадку необхідно більше часу для вибірки АЦП.

Датчики рефлективного типу більшою мірою піддані впливу механічної нестабільності системи. Приміром, при вібрації, якщо зупинка ротора відповідає краю смуги, що відбиває, у робочій області датчика, рефлективний датчик безупинно генерує переривання. В аналогічній ситуації із щілинним датчиком одержання неоднозначного виходу при частковому затемненні фототранзистора дозволяє уникнути гістерезис у схемі компаратора, але рефлективний датчик зажадає додаткових апаратних і програмних засобів. Для виявлення незвичайних умов програма може мати таймер, що відслідковує час між перериваннями, при неузгодженості якого підпрограма обслуговування переривань може їх ігнорувати.

Для правильності й безпеки системи необхідна й гарантія того, що збійні датчики будуть локалізовані. Так, збійний або від'єднаний світлодіод дозволяє фототранзистору надавати системі інформацію про зупинку двигуна, закритому капоті або дверях. Ту ж саму інформацію може надавати засмічений фототранзистор.

Перший спосіб розв'язку проблеми -- застосування двох датчиків з інверсними виходами. Один з них блокується при відкритому капоті, другий -- при закритому. Одночасно аналізується стан двох датчиків, які для верифікації стану або функціональності системи повинні обоє перебувати в правильному стані.

Метод виявлення від'єднаного світлодіода -- визначення напруги на аноді світлодіода. Коли світлодіод включений, спадання напруги, обумовлене компаратором, складе близько 1,2 В (типово), і вихід компаратора буде високим. Якщо світлодіод відкривається, напруга на аноді зросте до Ucc (більш 3 В).

Для детектування збійних умов закорочення можна додати другий компаратор. Опорна напруга в цьому випадку вибирається порядку 0,6 В, програмне забезпечення повідомляє помилку, якщо напруга падає нижче опорного.

4.3 Оптичні енкодери

Кутові оптичні енкодери

Принципи роботи кутових енкодерів проілюстровані мал. 18, 19.

Кутовий оптичний енкодер складається з тонкого оптичного диска й стаціонарного блоку -- вимірювальної головки, що включає джерело світла й фотодетектор. Вимірювальна головка може бути побудована як за принципом переривника, так і рефлектора, але переривник простіше реалізується й використовується частіше.

Оптичний диск, що переривається енкодера включає кодовану послідовність прозорих і непрозорих ділянок. Маркери можуть являти собою, наприклад, отвору в металевому аркуші або мітки на скляному диску. При обертанні диска, залежно від його типу, маркери пропускають або перекривають промінь світла, спрямований від світлового джерела до фотоприймача (фотодіоду або фототранзистору).



Рис. 18. Інкрементальний енкодер -- датчик відносного положення, швидкості й напрямку а-б -- кутовий інкрементальний енкодер; в -- конструкція вимірювальної головки: 1 -- корпус датчика; 2 -- світлодіод -- джерело світла для інкрементальних каналів А и Б; 3, 4 -- ординарні фотодетектори (фототранзистори або фотодіоди); 5 -- світлодіод -- джерело світла для індексного каналу; 6 -- фотодетектор індексної мітки; 7 -- термінали для монтажу на друкованій платі; 8 -- елементи для монтажу корпуса; 9 -- 4-бітний (24 = 16 положень) перфорований ротор із прорізами; 10 -- прорізи для инкрементальних каналів; 11 -- проріз -- індексна мітка; 12 -- обертовий вал; г -- варіант виконання 4-бітного інкрементального ротора зі скла; д-е -- варіанти сигналів інкрементального енкодера: д -- цифровий інкрементальний енкодер (інкрементальні канали А и Б, індексний вихід У фототранзистори, канал швидкості)

Фотодетектор генерує сигнал частотою, рівній частоті проходження кодових елементів, у цифровій формі (фототранзистор) або аналоговий імпульсний сигнал, який також може бути посилений і оцифрований. При підключенні зовнішнього лічильника прямокутних імпульсів оптичний метод дозволяє вимірювати кутову швидкість обертання диска. За допомогою нанесення спеціальної індексної оцінки, що індицює початкове положення диска, уже можна вимірювати відносне кутове положення вала в діапазоні 360° (мал. 18). Цей тип датчиків являє собою так звані інкрементальні енкодери -- найпростіші й найменш дорогі оптичні пристрої.

При додаванні другої пари « світлодіод - фототранзистор» з кутовим зсувом щодо перш, що відповідають чверті періоду сигналу, може бути отримана друга послідовність імпульсів -- канал Б с фазовим зсувом щодо каналу А на 90° (мал. 19д-ж). Інкрементальний енкодер, який використовує три оптичні датчики (один для детектування положення фази 0° -- канал В, два інших -- для формування інкрементальних каналів з фазовим зсувом сигналів в 90°), дозволяє одночасно подвоювати дозвіл при вимірі положення й швидкості й детектувати напрямок.

Дозвіл інкрементальних енкодерів виміряється в імпульсах за оберт (pulses per revolution, ppr). Надалі дозвіл може бути збільшене за допомогою нанесення більшого числа ліній на оптичний диск і додавання пара «світлодіод-фотодетектор» у вимірювальній головці. Максимальне число рахунків за обертання являє собою функцію діаметра енкодерного диска й характеристик світлопередачі, що визначають припустимий розмір кодових елементів.

Існують різні способи нанесення маркерів на оптичний диск. У ранніх системах частіше використовувалися металеві диски з перфорацією (мал. 18а-б), але максимальна площа отворів для підвищення розв'язної здатності й точності датчика обмежена -- повинне залишатися деяка кількість матеріалу, що забезпечує форму й міцність диска. Сучасні диски виготовляються зі скла, маркери на якому витравлюються (мал. 18г, мал. 19г). Цей метод дозволяє одержати типово 100-6000 сегментів, що відповідає дозволу в 3,6-0,06°.

Одним з головних недоліків інкрементального енкодера є те, що послідовність імпульсів запасається в зовнішньому буфері або лічильнику. При збої в подачі живлення рахунок буде загублений. Крім того, якщо машина з інкрементальним енкодером припускає відключення на ніч, то наступного дня енкодер не зможе надати інформацію про точне положення вала, поки не буде активований зовнішній перемикач (home-detection switch) або програма підключення, що обертає вал до проходження індексної оцінки, яка потім щораз обнуляє буфер лічильника, починаючи відлік відносного положення.

Розв'язок даної проблеми надають абсолютні енкодери (мал. 19), які використовують більш точний метод визначення положення, заснований на кодуванні абсолютного положення за допомогою множинних груп сегментів, розміщених на диску по лініях концентричних кіл.

Концентричні окружності починаються в центрі енкодерного диска, при цьому кожна наступна окружність характеризується кількістю сегментів, подвоєним у порівнянні з попередньої. Перше кільце буде мати тільки один прозорий і один непрозорий сегмент, друге -- два прозорі й два непрозорі, третє -- по чотири тих і інших і т.д. Число окружностей визначає розрядність енкодера: 4 окружності відповідають 4-розрядному енкодеру (24 = 16 положень), 16 -- 16-розрядному пристрою з 32 767 сегментами й кутовими положеннями.

Для зчитування двійкового коду за допомогою абсолютного енкодера необхідне одне джерело світла й один фотоприймач для кожної лінії на енкодерному диску. У вимірювальній головці світлодіоди та фотодетектори поєднуються в лінійні масиви (мал. 19в).

Оскільки абсолютний енкодер утворює послідовність бітів, різну для кожного кутового положення, він завжди надає інформацію про кутове положення системи, при включенні й вимиканні не має потреби в перемикачі нульового положення й програмі підключення й більш стійкий до шумів, тому що наступне за збійним положення буде прочитано правильно.



Рис. 19. Абсолютний енкодер -- датчик абсолютного положення й швидкості а-б -- 4-бітний кутовий абсолютний енкодер; в -- конструкція вимірювальної головки: 1 -- корпус датчика; 2 -- масив світлодіодів; 3 -- масив фотодетекторів (фототранзисторів або фотодіодів); 4 -- термінали вимірювальної головки; 5 -- 4-бітний ротор з кодом Грэя; 6 -- обертовий вал; г -- варіант виконання 4-бітного абсолютного ротора із двійковим кодом зі скла; д -- вихідний цифровий код двійкового абсолютного енкодера; е, ж -- лінійний 4-бітний абсолютний енкодер із двійковим кодуванням і оцінюванням за допомогою V-Вибірки; 1 -- корпус вимірювальної головки; 2 -- вимірювальна лінійка; 3 -- масив фотодетекторів V-Вибірки; е -- оцінювання за допомогою V-Вибірки



В енкодері на мал. 19 а-б чотири оптичні датчики детектують маркери диска із чотирьхбітним кодом Грея, який дозволяє закодувати 16 положень диска без опорної оцінки: для кожного переходу сигнал змінюється тільки на один біт. Код Гріючи характеризується відсутністю помилок, але його недолік -- застосування різних схем кодування, більш складне оцінювання сигналів і неоднозначність сигналу при несподіваному скиданні.

Інший варіант -- використання стандартного бінарного (двійкового) коду, але на практиці цей тип енкодерів має один недолік: при переході від 1111 до 0000 усі чотири біти змінюються одночасно, і якщо перехід у реальній системі виконаний не одночасно, це може приводити до помилок.

Для мінімізації помилок у двійковому коді призначена так звана V-Вибірка, принцип якої для диска, розгорнутого в пряму лінію, проілюстрований на мал. 19е. Дві лінійки світлодіодів і фотодетекторів розміщаються в V-Образній формі, для якої фотодетектор AB₀ є загальним. Для оцінки V-Вибірки розроблений спеціальний алгоритм, згідно з яким логічне значення «0» або «1» для даного положення детектора, обраного в лінії i, визначає, який детектор -- «B» або «A» -- повинен бути активований у лінії (i+1). Якщо AB₀ відповідає логічна «1», у другій лінії аналізується A₁, якщо AB₀ відповідає логічний «0», аналізується B₁. Оскільки A₁ на мал. 19е -- «0», у лінії 3 береться детектор B₂. Послідовність обраних фотодетекторів на мал. 19е підсвічена жовтим кольором.

4.4 Багатооборотні кутові енкодери

Перевагою абсолютного енкодера є те, що частота обертання може бути знижена до одного оберту енкодерного диска протягом повного кутового шляху машини. Це дозволяє з підвищеною точністю детектувати реальні кутові переміщення менш 360°. Якщо ж потрібно відслідковувати кутові переміщення більш 360° -- наприклад, у кілька повних обертів вала, застосовується багатооборотний кутовий енкодер, який звичайно являє собою трохи енкодерних дисків, з'єднаних між собою ланцюжком передач. Даний принцип проілюстрований мал. 78. Для грубої оцінки обертання -- підрахунку числа обертів -- використовується малий енкодер, у межах якого положення відслідковує більш точно 4-бітний енкодер. Малий енкодер робить тільки одне обертання, наприклад, за 2000, подоланих більшим енкодером. Для подальшого підвищення точності оцінки число енкодерів може бути збільшене.

Рис. 20. Багатооборотний абсолютний енкодер а -- конструкція: 1 -- корпус датчика положення в межах 360°; 2 -- масив світлодіодів; 3 -- масив фотодетекторів; 4 -- 4-бітний ротор із двійковим кодом; 5 -- обертовий вал; 6 -- редуктор; 7 -- 2-бітний ротор із двійковим кодом; 8 -- вимірювальна головка -- лічильник числа обертів; б-в -- порівняння принципів функціонування однооборотного й багатооборотного енкодера: б -- однооборотний енкодер; в -- багатооборотний енкодер



4.5 Метод інтерферометрії Муару

Метод интерферометрії Муару застосовується для виміру положення в межах значних лінійних відстаней -- від декількох сантиметрів до декількох метрів. Технологія, реалізована, наприклад, німецькою фірмою Heidenhain, використовує довгі скляні пластини, що переміщаються, з дуже тонкими лініями, виконаними методами мікроструктурування з малим постійним періодом C. Світло проникає крізь щілини пластини, інша поверхня якої металізована (мал. 20, 21).

Рис. 21. Інкрементальний лінійний енкодер на основі інтерферометрії Муару а-а- конструкція: 1- рухлива скляна пластина; 2- лампа; 3- лінза; 4- нерухлива пластина із прорізами 5; 6- масив інкрементальних фотодетекторів зміщених синусоїдальних сигналів; 7- масив фотодетекторів індексної оцінки; б-б - принцип роботи пристрою

Вимірювальна головка датчика включає джерело світла, яким на відміну від лазерного інтерферометра може бути будь-яка лампа, чиє світло проникає крізь прорізи малої фіксованої пластини-коліматора, розміщеної між лампою й рухливою пластиною (мал. 79а). Період прорізів і період ліній рухливої пластини C погоджені (мал. 20б). Фотодетектори, розміщені з іншої сторони скляної пластини, визначають світлопередачу пристрою.

При русі вимірювальної лінійки й досягненні фазового збігу прорізів нерухливої пластини з рухомий забезпечується максимально висока світлопередача, у протифазі фотодетектор повністю затемнений, а між цими крапками сигнал фотоструму детектора являє собою синусоїдальну функцію:

Для визначення положення в інкрементальній системі використовуються 5 фотодетекторів (або масивів фотодетекторів), що надають 4 синусоїдальних сигналу кожний і один індексний сигнал (мал. 20в). Четверо ґрат у пластині вимірювальної головки з однаковим періодом C зрушені на 1/4 періоду так, що синусоїдальні сигнали також зрушені по фазі на 1/4 періоду.

Дозвіл даної системи становить 1/4 періоду C (2,5 мкм для C = 10 мкм), збільшення якого до <0,5 мкм можливо за допомогою інтерполяції.

Диференціальні синусно-косінусні сигнали з фазовим зсувом в 90, отримані при взаємному вирахуванні сигналів фотодетекторів, дозволяють визначати напрямок руху. Оскільки сигнали мають крапку нульової передачі, вони легко оцифровуються.

Інкрементальні інтерферометричні вимірники дозволяють детектувати відстані до 30 м із кроками до 0,1 мкм.

На основі принципу інтерферометрії Муару може бути створений і абсолютний енкодер, що дозволяє одержати інформацію про абсолютне положення (мал. 22).

У конструкції абсолютного енкодера кожний рядок рухливої скляної пластини характеризується різним періодом ліній, розміщених у відповідності зі спеціальним алгоритмом. Кожному рядку відповідає чотири фіксовані набори прорізів нерухливої плати, що дозволяють одержати в кожному рядку 4 зміщених сигналу фотодетекторів, що відслідковуються масивом.



Рис. 22. Абсолютний лінійний енкодер на основі інтерферометрії Муару 1 -- рухлива скляна пластина з рядками ліній з різними періодами C0-C6; 2 -- лампа; 3 -- лінза; 4 -- нерухлива пластина зі строковими прорізами; 5 -- масив строкових фотодетекторів ( для формування чотирьох зміщені синусоїдальні сигналів у рядку)

Метод інтерферометрії Муару надає можливість реалізувати вимір абсолютного положення із кроками порядку 0,1 мкм у межах довжини до 3 м.

Методи лінійної інтерферометрії можуть бути перетворені також для детектування кутового положення.

4.6 Оптичні енкодери в автоелектрониці

Кутові оптичні енкодери можуть бути ефективно використані в автоелектрониці як датчики цифрових систем зворотному зв'язка із двигуном або як цифрові елементи контролю швидкості, положення, крутного моменту.

Обмеження при використанні оптичних технологій в автоелектрониці вимагають мінімізації факторів впливу забруднень. Для автомобільних умов будуть прийнятні ущільнені виконання пристрою, у корпусі якого розміщається й вимірювальна головка, і оптичний диск або лінійка.

Для компенсації виробничих допусків оптичні енкодери часто потребують підстроювання потенціометром. Якщо абсолютні енкодери виконуються на основі пікселів, то для компенсації старіння світлодіоду може знадобитися періодичне калібрування.

Інші недоліки оптоелектронних пристроїв -- робочий температурний діапазон і схильність оптичних дисків і волоконно-оптичних з'єднань сильним ударним впливам. Оскільки в автоелектрониці більшість датчиків положення працює в умовах підвищених температур, вібрацій або ударів, оптоелектроніка більш підходить для систем з менш твердим режимом, наприклад, положення педалі акселератора або гальма, рульового керування або лінійних систем -- детектування положення сидіння або підвіски. Оптичні енкодери знаходять застосування як цифрові елементи керування приладової панелі: для систем клімат-контролю, контролю дзеркал, аудіоконтролю, контролю сонячного люка.

Деякі приклади розробок оптичних датчиків для автоелектроніки втримуються в описах патентів.

Магнітостриктивні перетворювачі - актуальні вимірники лінійних і нелінійних переміщень і детектори крутного моменту

В останні роки інтерес багатьох автомобільних виробників і інженерів-розроблювачів викликають магнітостриктивні датчики, застосування яких в автоелектрониці й промисловості звичайно пов'язане з надаваної ними можливістю детектування значних лінійних переміщень. Лінійні датчики звичайно відрізняються значною довжиною (потенціометри, LVDT, енкодери). За винятком потенціометрів, реалізація багатьох лінійних систем зв'язана також з найважливішим конструктивним обмеженням, яким є значна довжина мети й, отже, ціна. Зменшення довжини мети накладає супутні функціональні обмеження, такі як компроміс вимірювального діапазону й дозволу (датчики Холу й деякі інші відомі концепції індуктивних, ємнісних, оптичних перетворювачів і т.д).

4.7 Теорія магнітостриктивних датчиків

Магнітострикція -- ця властивість деяких кристалічних, звичайно феромагнітних матеріалів, таких як залізо, нікель і кобальт, змінювати розмір і (або) форму при взаємодії із зовнішнім магнітним полем. Явище зміни розміру й форми матеріалу в магнітному полі являє собою магнітостриктивний ефект.

Явище магнітострикції було відкрито Дж. Джоулем в 1842 році. Найбільших значень магнітострикція досягає у ферро й ферримагнетиках (Fe, Ni, З, Gd, Tb і інших, а також ряді сплавів і ферритах). Ця характеристика матеріалу не змінюється згодом.

Уважається, що матеріал характеризується позитивною магнітострикцією, якщо він розширюється при приміщенні в магнітне поле, і негативною магнітострикцією, якщо розміри матеріалу зменшуються. Середня величина магнітострикції в основних металах і простих магнітострикційних сплавах невелика -- порядку 1 мкм/м.

Для того щоб пояснити явище магнітострикції, феромагнітний матеріал розглядається як фізична сукупність доменів -- областей з багатьох атомів -- малих постійних магнітів, що характеризуються магнітними моментами. Під час відсутності магнітного поля магнітні моменти доменів у просторі розташовуються хаотично. При намагнічуванні матеріалу домени вибудовуються уздовж своїх легких осей намагніченості так, що магнітні моменти прагнуть до паралельності один одному й зовнішньому магнітному полю (мал. 23а, б).

На мал. 23б показане, що напруженість магнітного поля H при B>0 викликає зміна розмірів тіла (довжини стрижня L₀) внаслідок вирівнювання магнітних моментів доменів.

Таким чином, магнітострикційні матеріали перетворять магнітну енергію в механічну, і навпаки. Намагнічування викликає механічна напруга магнітострикційного матеріалу, яке й приводить до зміни довжини.



Рис. 23. Ілюстрація теорії й принципу дії магнітострикційних перетворювачів: а, б -- ілюстрація магнітострикційного ефекту у феромагнітному стрижні під дією зовнішнього магнітного поля B: а -- хаотичний розподіл магнітних моментів доменів під час відсутності поля; б -- упорядкування магнітних моментів доменів при намагнічуванні зовнішнім полем; L₀ -- початкова довжина стрижня при B = 0; ДL-- подовження при намагнічуванні; в, г-г-- ілюстрація магнітострикційного ефекту у феромагнітному провіднику зі струмом I; в-в-- розподіл магнітних моментів доменів під дією магнітного поля струму B; г-г- скручування магнітних моментів доменів під дією аксіального магнітного поля: 1- доменний стрижень; 2- аксіальний постійний магніт; д-д- вимірювальний принцип магнітострикційних датчиків MTS: 1- хвилевід; 2- постійний магніт-ціль; 3- вимірювальна стрічка; 4- сенсорна обмотка; 5- постійний магніт, що зміщає обмотку; 6- ізоляційна трубка; 7- демпфер; I- імпульсний струм; B-, що скручує імпульс (напрямок поширення імпульсу показане стрілками); е-е- типовий магнітострикційний датчик абсолютного лінійного положення: 1- сенсорний стрижень (хвилевід у захисній трубці); 2- постійний магніт-ціль; 3- електронний блок -- магнітострикційний датчик і інтегрована електроніка обробки сигналу в корпусі; 4- термінали перетворювача; 5- елемент кріплення пристрою

Оскільки додаток магнітного поля викликає механічну напругу, яка змінює фізичні властивості магнітострикційного матеріалу, існує й зворотний магнітострикційний ефект, називаний ефектом Виллари: додаток зовнішньої сили, що утворює напруга в магнітострикційному матеріалі (розтягання, крутіння, вигин і т.д.), змінює магнітні властивості (магнітну проникність) матеріалу.

Це двонаправлена комбінація магнітних і механічних властивостей забезпечує перетворювальну здатність і використовується для створення як магнітострикційних датчиків, так і виконавчих пристроїв.

Для створення магнітострикційних датчиків положення застосовуються й прямій магнітострикційний ефект, і ефект Вілларі.

Магнітострикційний ефект, що представляє собою взаємодія зовнішнього магнітного поля з доменами, залежить від властивостей матеріалу -- состава й способів обробки сплаву (термічного обжигу, холодної обробки), а також від напруженості магнітного поля. Керування впорядкуванням доменів може бути оптимізоване правильним добором перерахованих властивостей і параметрів.

Феромагнітні матеріали, використовувані в магнітострикційних датчиках положення, -- це перехідні метали: нікель, залізо, кобальт. У перехідних металах третя електронна оболонка, вилучена від ядра, не заповнена на 100%, що допускає утвір магнітного моменту електрона. Магнітне поле викликає зміна енергетичного стану електронів і збільшення відстаней між вузлами в кристалічних ґратах. Для того щоб повернути стан низької енергії електронів на поверхні, у кристалі виникає механічна напруга.

Для створення датчиків лінійного положення на основі проводів зі струмом, виготовлених з магнітострикційного матеріалу, використовується обумовлений магнітострикцією ефект Відемана -- механічне закручування феромагнітного магнітострикційного стрижня з, що протікає уздовж стрижня електричним струмом при одночасній дії на нього кругового магнітного поля, створеного струмом, і поздовжнього (спірального) магнітного поля (мал. 23 в, г).

На мал. 23г проілюстрований ефект Відемана, який полягає в скручуванні внаслідок аксіального магнітного поля, прикладеного до феромагнітного стрижня, по якому протікає електричний струм.

Відомий також ефект, зворотний ефекту Відемана, -- ефект Матисси (Matteucci), подібний з ефектом Вілларі. Він полягає в створенні магнітного поля, коли матеріал піддається крутному моменту.

На практиці здатність магнітострикційних матеріалів перетворювати механічну енергію в магнітну використовується в датчиках крутного моменту, а здатність перетворювати магнітну енергію в механічну робить їхніми підходящими для створення виконавчих пристроїв.

Якщо до магнітострикційному стрижню прикласти імпульс струму короткої тривалості в 1 або 2 мкс, буде отримане скручування в місці локалізації аксіального магнітного поля, звичайно від постійного магніту, внаслідок взаємодії магнітного поля магніту з полем струму в стрижні. Мінімальна щільність струму спостерігається уздовж центру проводів, максимальна ( внаслідок скін-ефекту) -- на поверхні проводів. Інтенсивність магнітного поля також найбільша на поверхні проводів. Оскільки до стрижня прикладається імпульсний струм, механічні скручування поширюються в стрижні, викликаючи ультразвукову хвилю, для якої магнітострикційний стрижень є хвилеводом. Швидкість поширення хвилі становить приблизно 3000 м/с.

Принцип дії магнітострикційного датчика лінійного положення проілюстрований мал. 23г, буд.

Аксіальне магнітне поле забезпечується метою -- постійним магнітом, пов'язаним з детектованим об'єктом, наприклад, гідравлічним циліндром. Положення мети змінюється й детектується.

Хвилевід являє собою стаціонарну частину датчика, розміщену усередині корпуса захисної ізоляційної трубки, що ізолює хвилевід (, що екранує) від зовнішнього середовища. Присутність магніту визначається при першому додатку струмового імпульсу до хвилеводу, оскільки завдяки виникаючому в стрижні ефекту Відемана відбита хвиля досягає імпульсного вимірювального блоку в кінцевій частині хвилеводу. Для точного виміру положення момент подачі струмового імпульсу реєструється мікроконтролером, який включає таймер до моменту реєстрації датчиком відбитого імпульсу, після чого мікроконтролер виключає таймер. Зафіксоване таймером час поширення хвилі на відомій швидкості відповідає відстані між магнітом і датчиком, або абсолютному положенню магніту.

На мал. 83д показаний індуктивний імпульсний вимірник у сенсорному блоці датчика, який функціонує на основі ефекту Вілларі. В індуктивному вимірнику стрічка з магнітострикційного матеріалу приварюється до хвилеводу біля одного його кінця. Магнітострикційна стрічка є сердечником для обмотки, що зміщається постійним магнітом. Ультразвукова хвиля поширюється, досягаючи закінчення стрічки, і механічна напруга, що наводиться в стрічці хвилею, викликає хвилю зміни магнітної проникності стрічки -- ефект Вілларі, що приводить до зміни в щільності магнітного потоку обмотки й утвору імпульсу вихідної напруги на терміналах обмотки (ефект Фарадея).

У якості детектора ультразвукової хвилі може бути використаний і будь-який інший підходящий тип вимірника -- наприклад, п'єзоелектричний, п'єзорезистивний або ємнісної датчик, а також інші конфігурації. Так, компанія MTS Temposonics використовує індуктивні вимірники, показані на мал. 25д, а компанія Spinix на основі комбінації магнітострикційних і п'єзоелектричних перетворювачів розробила лінійку пасивних реєстраторів імпульсного магнітного поля PSSM -- датчиків швидкості, струму й витрати.

Ультразвукова хвиля поширюється також і в протилежному напрямку. Для того щоб уникнути інтерференції сигналу із хвилями, що поширюються в протилежному напрямку, їх енергія абсорбується демпфером (мал. 25д).

Зовнішній вигляд типового магнітострикційного перетворювача, відомого також як MLDT (magnetostrictive linear displacement transducers), показаний на мал. 25е. Рухливий елемент MLDT-- постійний магніт -- створює, що скручує імпульс у металевому хвилеводі з імпульсним струмом. Імпульс струму, сгенерований у сенсорному блоці, переміщається по хвилеводу на відомій швидкості до мети й назад до хвильового детектора. Вимірюючи час відгуку, MLDT утворює вихід, пропорційний положенню магніту щодо детектора¹.



5. Магнітострикційні датчики в автоелектрониці

В останні роки збільшується попит на магнітострикційні перетворювачі в автоелектрониці. Основне застосування автомобільні магнітострикційні датчики знаходять у детектуванні лінійних переміщень -- це підвіски, лінійні системи рульового керування, перемикання передач і контроль положення коліс, де в першу чергу для підвищення точності бажана мінімізація числа кутових перетворювачів з механізмами перетворення одного виду руху в іншій.

Рис. 24. Ілюстрація концепції модульності MTS Temposonics лінійки датчиків серії C і приклади розробок лінійних автомобільних систем на основі, що вбудовуються модульних перетворювачів: а-а- базовий модуль -- сенсорний елемент CSE; б-б- типова функціональна діаграма електронного модуля датчика; в-в- типовий зовнішній вигляд модульних датчиків серії Із для високооб'ємних сфер застосування; г-г- датчик серії C у захисному металевому корпусі для жорстких умов експлуатації; д-д- типові датчики сімейства CSP на основі модуля CSE; е, ж-ж- ілюстрація застосування датчиків MTS у гідравлічних циліндрах автомобілів Mercedes

Актуальність магнітострикційних датчиків положення в автоелектрониці багато в чому обумовлена (або визначена) їх фізичною природою й конструктивними й функціональними особливостями, що є наслідком базового вимірювального принципу.

Оскільки магнітострикційні перетворювачі ставляться до типу пристроїв, що працюють за принципом виміру часу поширення хвилі від мети до датчика й назад, ціль не відрізняється значною довжиною й ціною. Принцип виміру часу поширення відбитої хвилі дозволяє одержати абсолютний тип датчиків положення, який, на відміну від інкрементальних оптичних і магнітних енкодерів, характеризується стійкістю до шумів і не вимагає індексної оцінки й/або програми підключення або навчання.

На противагу ультразвуковим радарам, що вимірюють час поширення ультразвукової хвилі в повітрі, магнітострикційні перетворювачі використовують феромагнітний стрижневий хвилевід, забезпечуючи в такий спосіб хід мети по певній траєкторії, екранування, збільшення швидкості поширення, високу лінійність і точність виміру відстані від датчика до мети, пропорційного довжині хвилеводу. Крім того, мінімізуються втрати енергії, амплітуди й точності внаслідок розсіювання хвилі на сусідні об'єкти. За допомогою магнітострикційних датчиків можна одержати практично нескінченний дозвіл, обмежений тільки цифровий обробною електронікою й шумами.

Вихідний сигнал після обробки ASIC може бути як аналоговим, ШИМ, так і ще більш простим -- у вигляді двох цифрових імпульсів старт-стоп, час між якими для ідентифікації положення вимірює мікроконтролер. Включення Smart-asic у сенсорний блок датчика дозволяє програмувати вимірювальний діапазон, детектувати додаткові параметри руху (механічне нульове положення, зсув, чутливість) і формувати будь-який енкодерний інтерфейс. Магнітні й феромагнітні сенсорні компоненти нечутливі до вологості й забрудненням, типовим для автомобільних навколишніх умов. Тимчасові допуски (старіння) практично не виявляють впливу на вимірювальну точність датчика. Датчики на основі феромагнітних матеріалів практично не мають потреби в повторному й періодичному калібруванні. Температурні допуски внаслідок розширення металу можуть бути скомпенсовані, наприклад, за рахунок вбудовування в сенсорний блок або ASIC інтегрованого датчика температури.

Рис. 25. Деякі унікальні ідеї по застосуванню датчиків MTS Temposonics: а-а- ідеї по застосуванню датчиків положення MTS у коробці передач; б-б- датчик серії C із гнучким валом для криволінійних вимірів; в-в- датчик серії C з поплавцем для детектування рівнів рідини



Рис. 26. Магнітострикційний датчик положення клапана й/або ротора клапана двигуна внутрішнього згоряння Ford Global Technologies: 1 -- статор клапанного складання; 2 -- ротор; 3 -- клапан; 4, 5 -- підшипники; 6 -- захисне огородження; 7 -- пружина, що центрує; 8 -- обертовий постійний магніт для індикації кутового положення ротора; 9 -- магнітострикційний датчик аксіального положення клапана 2 і/або кутового положення ротора 1 електромеханічного клапанного складання; 10 -- стік багатошарового листового металу статора; 11 -- центральний отвір статора; 12 -- обмотки статора; 13 -- кільцевий магніт ротора; 14 -- кульова гайка; 15, 16 -- сегменти магніту; 17 -- циліндрична частина тіла кульової гайки; 18 -- центральний отвір кульової гайки; 19, 20 -- плечі для опори; 21 -- спіральна канавка циліндричного тіла; 22 -- плоскі ділянки -- роздільники спіральної канавки; 23 -- зворотний канал для кільцевої прокатки, що примикають кульов підшипник 24; 25 -- апертур у головній частині двигуна для установки клапанного штоку; 26 --клапан; 27 -- клапанний шток; 28 -- антискручуючий хвильовід; 29 -- спіральна канавка клапанного штока; 30 -- пласкі дільниці -- розмежувачі спіральной канавки клапанного штока



5.1 Магнітопружні датчики крутного моменту

Точний вимір крутного моменту -- одна з найважливіших завдань в автомобільній електроніці. Сфери застосування включають контроль крутного моменту вихідного вала двигуна, вхідного й вихідного валів автоматичної коробки передач, типові завдання рульового керування.

Виділяється дві категорії датчиків крутного моменту:

1. деформуючі датчики (п'єзорезистивні strain gauge, ємнісні) -- з вимогою бездротового трансмітера сигналу й обмеженнями в міцності, повторювальності та ціні таких пристроїв;

2. недеформуючі датчики.

Крім того датчики діляться на:

1. електричні компоненти, що використовують, закріплені на валу (адгезівні, оптичні, індуктивні), -- більш складні й з обмеженнями в міцності таких пристроїв,

2. датчики, які обходяться без таких компонентів.

Ще один класифікаційний розподіл:

1. датчики зі стрижнем крутіння torsion bar, які можуть обчислювати тільки диференціальний або напівдиференційний кут закручування одного вала щодо іншого (оптичні й індуктивні);

2. датчики, які вимірюють крутний момент безпосередньо (кути закручування сталевих валів дуже малі -- порядку 0,01°).

Магнітопружні або магнітострикційні перетворювачі згідно із усіма класифікаціями ставляться до датчиків другого типу.

Для створення магнітоупругих датчиків крутного моменту використовується ефект Вілларі -- наведення змін у магнітній проникності під дією моменту, які реєструються безконтактним датчиком магнітного поля, що виробляють пропорційний моменту аналоговий сигнал.

Магнітострикційний матеріал допускає високу надійність і повторюваність виміру значення крутного моменту, оскільки магнітострикція -- це властивість матеріалу, яка не змінюється згодом.

Для того щоб уникнути залежності від магнітної проникності вала (залежності від температурних ефектів, властивостей матеріалу, величини й частоти збудливого поля, а також поля Землі) і підвищити чутливість датчика, використовується поляризоване кільце із двома областями із протилежними напрямками намагніченості, які намагнічуються двома ідентичними постійними магнітами при повільному обертанні вала.

Чутливість залежить від розміру кільця й властивостей матеріалу. Наскільки підходить конкретний матеріал для використання в датчиках крутного моменту -- залежить від його магнітострикції, що насичує, обумовленої як часткова зміна в довжині при збільшенні намагніченості до значення, що насичує. Найбільше значення магнітострикція насичення становить для нікелю (4Ч10-⁵).

6. Уперед у майбутнє. Інновації сенсорних технологій в іскрових двигунах внутрішнього згоряння

Автовиробники й дослідницькі інститути розробляють нові процеси горіння, які комбінують переваги бензинових і дизельних двигунів. Наприклад, компанії General Motors Corp., Robert Bosch Corp. і Стэнфордский університет зараз займаються розробкою технології ефективного згоряння палива Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI), яка обіцяє зробити бензинові двигуни більш ефективними (на 20%), з досягненням близької до нуля емісії Nox і зниженням ціни. Технологія реалізується як у звичайному, так і в гібридному варіанті за допомогою однорідного оптимального змішування ТВС, стиску й спонтанного запалення за рахунок підвищення температури (процес, аналогічний тому, що відбувається в дизелі).

Нові застосування для датчиків пов'язані з моніторингом процесу горіння безпосередньо в циліндрах (engine combustion sensors). Наприклад, для здійснення замкненого контролю Honeywell, Siemensvdo (мал. 4ш, щ), Dana пропонують датчики тиску в циліндрах. Датчик Incylinder Pressure Sensor Honeywell допускає різні варіанти розташування -- у з'єднувачі свічі, головці циліндрів, інжекторі -- і працює при високих температурах ( до 350 °C).

Зношування двигуна, збої інжекторів, збої в запалюванні, виробничі допуски можуть погіршувати характеристики горіння й емісії. Контроль над роботою двигуна може бути поліпшений обчисленнями, які допомагає зробити датчик, -- оптимального крутного моменту, початку запалювання, пікового тиску й інших параметрів.

Для того щоб здійснювати інтелектуальне керування двигуном технологія Dana припускає інтегрування датчика тиску й температури безпосередньо в прокладку.

Уведення прямого моніторингу процесів згоряння в період з 2007 по 2012 рік обіцяє виключити датчики детонації, масової витрати повітря й розподільного вала.

Датчик розподільного вала може стати непотрібним і трохи раніше. Новітня технологія Valeo для зменшення витрати палива й зниження емісії на 20% використовує технологію Smart Valve Actuation (SVA) замість звичайної механічної активації клапанів двигуна тросом розподільника, розподільним валом і гідравлікою штовхачів кулачка.

У двигуні без розподільника кожний клапан активується індивідуально по сигналах блоку контролю клапанів (VCU) або ECU, що гарантують оптимальну роботу системи.

При контролюванні змісту залишкових газів, мінімізації втрат у насосах і деактивації циліндрів і клапанів досягається економія палива й зменшення емісії на 20%. Масове виробництво SVA заплановане в 2009 році.

Висновок

Потреба в сенсорних пристроях для нових двигунів і особливо для наступного покоління гібридів буде ще більш високої, чому для звичайного автомобіля -- необхідна гарантія того, що всі системи, включаючи електричний двигун і ICE, працюють узгоджено в будь-якій ситуації водіння.

Багато з альтернативних автомобілів поки існують тільки як концептуальний розв'язок, але очікувані нововведення випереджають інтенсивну розробку датчиків -- наприклад, масової витрати газового палива, тиску, емісії, состава природного газу (Natural-gas composition sensor) і багатьох інших.

Таким чином, хоча сегмент автомобільних датчиків систем Powertrain і контролю емісії включає багато устояних розв'язків, застосовуваних багато років, інновації, особливо в області контролю емісії дизелів і датчиків для гібридів, створюють більші ринкові можливості для здійснення й збуту нових розробок на основі ИС, MEMS і мультисенсорної платформи.

Надалі принципи конструювання нових датчиків більш високого рівня припускають об'єднання технологій, пошук нових нестандартних розв'язків.

автомобільний датчик двигун енкодер

Література

1. Сисоєва С. Автомобільні цифрові магнітокеровані датчики кутової швидкості й кутового положення зубчастого ротора // Електронні компоненти. 2004. № 3.

2. Безконтактний датчик швидкості автомобіля. Патент РФ № 35441 на корисну модель за заявкою № 2003127267 від 08.09.2003, МПК G 01 P3/488, зареєстроване в Держреєстрі корисних моделей РФ 10.01.2004/ І.С. Захаров, С.Ф. Яцун, С.С. Сисоєва.

3. Безконтактний датчик швидкості автомобіля, що вбудовується в коробку передач. Патент РФ № 36894 на корисну модель за заявкою №2003132947 від 11.11.2003, МПК G 01 P3/488, зареєстроване в Госреестре ПМ РФ 27.03.2004/ І.С. Захаров, С.Ф. Яцун, С.С. Сисоєва.

4. Безконтактний датчик швидкості автомобіля. Патент на винахід № 2260188 за заявкою №2004102133/28 (002114) від 26.01.2004. Зареєстровано в Держреєстрі винаходів 10.09.2005. / І.С. Захаров, С.Ф. Яцун, С.С. Сисоєва.

5. Безконтактний датчик швидкості автомобіля. Патент на винахід № 2270452 за заявкою на винахід № 2004102306/28 від 26.01.2004. Зареєстровано в Держреєстрі винаходів 20.02.2006. / І.С. Захаров, С.Ф. Яцун, С.С. Сисоєва.

Размещено на Allbest.ru