Телематика на транспорте

где Rт - темновое сопротивление фоторезистора;

Rсв - световое сопротивление при заданном уровне светового потока Ф или освещенности.

Датчики уровня излучения на основе фоторезисторов просты и дешевы. Их применяют в различных системах фотоэлектрической автоматики (например, автоматическое включение осветительных приборов). Главным же их недостатком является значительная инерционность.

Фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры

При работе в определенном режиме их следует также отнести к управляемым излучением проводимостям. На рис. 2.7(а) показана схема включения фотодиода в фотодиодном режиме и его вольтамперные характеристики при разных уровнях облучения.

Известно, что при освещении (облучении) области p-n перехода генерируются носители электричества, создающие фототок. При обратном (фотодиодном) включении ток I через фотодиод равен

I = Iф + Iт = SФ + Iт, (2.10)

где Iф - фототок;

Iт - темновой (обратный) ток p-n-перехода;

Ф -падающий световой поток (в общем случае - поток излучения);

S -коэффициент интегральной чувствительности.



Обычно Iф >> Iт (Iт = 10^-7 - 10^-8 А), типичные значения Iф = 10мкА. На рис. 2.7 (б) показаны рабочие точки фотодиода для разных освещенностей и величина Uвых. Выбирая значение сопротивления нагрузки Rн для заданного диапазона изменения освещенности, необходимо следить, чтобы при Фтах рабочая точка обеспечивала обратное смещение p-n-перехода (на рис 2.7, б - т4).

Основными характеристиками всех фотоприемников являются:

а) спектральная характеристика, показывающая зависимость чувствительности S() от длины волны излучения;

б) вольтамперная характеристика;

в) интегральная (или мощностная), связывающая уровень выходного сигнала с мощностью облучения;

г) переходные или частотные характеристики.

Материалами для изготовления фотодиодов чаще всего являются кремний или GaAsP. Фотоприемники на основе фосфида галлия работают в диапазоне 200.600 нм, с максимумом чувствительности ~450 нм, а кремниевые фотоприемники - от 300 до1100 нм с максимумом около 800 нм.

Быстродействие (отклик) обычных фотодиодов составляет примерно 0,4 мкс. Для увеличения быстродействия разработаны pin диоды (I-intrinsic - собственный или чистый, без примеси полупроводник, который создается внутри между p- и n- областями, уменьшая барьерную емкость, снижающую быстродействие).

Еще более высокое быстродействие имеют диоды Шоттки (до 1 нс) и лавинные фотодиоды, работающие до гигагерцовых частот.

Фототранзисторы, изготавливаемые из тех же материалов, что и фотодиоды, имеют аналогичные спектральные характеристики, но значительно более чувствительны, так как являются усилителями фототока, который появляется при освещении области базы.

Гигрорезисторы используются для датчиков, измеряющих влажность. Изготавливаются из гигроскопичных материалов, удельное сопротивление которых сильно зависит от концентрации поглощенных молекул воды - их называют гигристорами. Типовой гигристор состоит из подложки, на которую методом трафаретной печати нанесены два встречноштыревых электрода, покрытые гигроскопичным электропроводным полупроводниковым гелем. Гель, как правило, состоит из гидроксиэтилцеллюлозы или из других органических веществ с добавлением угольного порошка. Другой тип гигристоров изготавливается из хлорида лития LiCI и связующего вещества. Подложки с нанесенным покрытием подвергаются термоотверждению, проводимому при определенной температуре и влажности. Зависимость сопротивления гигристоров от влажности имеет нелинейный характер, что необходимо учитывать при проведении калибровки и обработки результатов измерений. В транспортной телематике датчики влажности находят применение в системах климат-контроля автомобиля и для получения достоверной информации о погодно-климатических условиях в пределах контролируемой дорожной сети.

К электрохимическим резистивным преобразователям прямого действия относятся такие, которые изменяют свою проводимость на основе химических реакций. Для систем телематики наиболее интересны преобразователи, которые используются в газоанализаторах. Для определения свободного кислорода в выхлопных газах ДВС, что соответствует нарушению стехиометрического состава топлива, применяют кислородный датчик ( - зонд) на основе окиси титана TiO₂. В холодном состоянии в полупроводниковой керамике из TiO₂ существует донорная проводимость за счет дефектов кристаллической решетки. При появлении свободных атомов кислорода происходит замещение ими вакантных мест в узлах решетки, что приводит к уменьшению проводимости (увеличению сопротивления). Рабочая температура - зондов находится в диапазоне от 350 до 850°С.

Начальный нагрев до t_min работы обеспечивается электрическим нагревающим элементом, а затем температура поддерживается за счет температуры выхлопных газов. Выходной сигнал - зонда резко изменяется на границе перехода коэффициента избытка воздуха а через единицу. Типичное значение Uвых (<0,95) = 0,8В. Uвых (>0,95) = 0,05В.

Другой класс электролитических преобразователей - эластомерные химические резисторы (так называемые полимерные проводники), увеличивающиеся в своих размерах при поглощении определенных химических веществ, что приводит к повышению их сопротивления. Серийно выпускаемые эластомерные детекторы часто используются для обнаружения таких газов, как O₂, Cl₂, H₂, NO. Они не требуют для работы высоких температур и могут применяться в системах экологического мониторинга.

Особый класс электрохимических преобразователей представляют химические полевые транзисторы (ХПТ). Для изготовления ХПТ, как и для обычных ПТ, применяются тонкопленочные технологии. ХПТ со встроенным каналом отличается от обычного ПТ тем, что на затвор ХПТ наносится слой специального покрытия, которое поляризуется при контакте с определенными веществами, изменяя поле затвора и тем самым влияя на сопротивление канала между стоком и истоком. Существующие ХПТ позволяют детектировать в воздухе водород, некоторые нервно - паралитические газы, NH₃, CO₂ и некоторые взрывоопасные вещества.



2.2.2 Датчики с изменяемой индуктивностью

Индуктивные датчики, в которых для изменения сопротивления магнитного контура используются различные ферромагнитные материалы, называются преобразователями магнитного сопротивления. На этом принципе строятся линейно регулируемые и поворотно-регулируемые дифференциальные трансформаторы ЛРДТ и ПРДТ для измерения линейных и угловых перемещений. Схема такого ЛРДТ показана на рис. 2.8.

На первичную обмотку ЛРДТ подается синусоидальное напряжение Uвозб. На вторичных обмотках индуцируется переменное напряжение. В цилиндрическое отверстие между катушками вводится сердечник из ферромагнитного материала. Две вторичные обмотки включены в противофазе. Когда сердечник находится в центре, выходное напряжение Uвых = 0. При смещении сердечника влево или вправо появляется выходной сигнал, амплитуда которого линейно зависит от перемещения (в пределах х рабочее), а фаза показывает направление смещения. Аналогично работает и ПРДТ (изменяется лишь конструкция датчика).

Другим типом индуктивных датчиков являются датчики, использующие вихревые токи. Примером может служить датчик перемещения с кольцом закорачивания. Этот датчик представляет собой Ш-образный разомкнутый сердечник из мягкомагнитной стали, на центральный стержень которого надета катушка, занимающая небольшую часть центрального стержня у его основания. По свободной части стержня может перемещаться

подвижное проводящее кольцо из немагнитного материала (меди, латуни). Вихревые токи, возникающие в кольце, замыкают магнитное поле между катушкой и кольцом, изменяя индуктивность катушки. Схема такого индуктивного датчика приведена на рис. 2.9.

В зависимости от материала и формы датчика рабочий диапазон находится в интервале 5...50 кГц. Рассмотренные датчики применяют в дизельных топливных насосах высокого давления (перемещение рейки), гидрораспределителях и т.п.

На основе изменяющейся индуктивности можно построить датчик перемещения (линейного, углового) с частотным выходом, включив изменяющуюся от перемещения сердечника индуктивность в частотозадающий контур генератора колебаний.

На рис. 2.10 приведен пример индуктивного первичного преобразователя магнитного компаса в навигационных системах транзисторных средств (ТС), в котором индуктивность зависит от внешнего магнитного поля.



В тороидальном сердечнике из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью возбуждают с помощью обмотки Wвозб положительные и отрицательные импульсы тока, перемагничивающие сердечник. В измерительных обмотках W1изм и W2изм, охватывающих сердечник снаружи и перпендикулярных один другому, возникают импульсы напряжения Uх и Uу, пропорциональные изменению магнитного поля, которое складывается из поля сердечника и магнитного поля земли.

Векторное сложение Uх и Uу позволяет определить положение компаса (а значит и ТС) относительно магнитного поля земли. Величина магнитной индукции земли равна примерно 0,5 Гауса [Г]. Описанный магнитный компас может работать в диапазоне 10^-6...100 Г.

Еще одним примером дифференциального индуктивного датчика является магнитоупругий индуктивный преобразователь. Его работа основана на том, что под действием нагрузки ферромагнитный материал приобретает анизотропные свойства, т.е. возбуждаемая в нем индукция становится неравномерной. На этом принципе построен, например, индуктивный датчик для опорно-сцепных устройств. Полый соединительный ферромагнитный палец (в виде отрезка трубы) содержит внутри катушку возбуждения и две расположенные вокруг нее под прямым углом измерительные катушки. Катушка возбуждения запитывается переменным током. В отсутствии нагрузки разностный сигнал катушек измерения равен нулю. Под нагрузкой ферромагнитный материал пальца приобретает анизотропные свойства, магнитное поле деформируется и входной сигнал измерительных катушек выдает сигнал, пропорциональный величине нагрузки.

Подобные датчики находят применение для измерения сил демпфирования в системах управления независимой подвеской, рулевом управлении, гидроусилителях и пр., а также в таких экзотических системах, как защита пальцев пассажиров в стеклоподъемниках, раздвижных крышках и люках с электроприводом.

2.2.3 Емкостные датчики

Емкость С плоского конденсатора определяется выражением

C = _oS/d, (2.11)

где _o - диэлектрическая проницаемость в вакууме;

-диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

S - площадь пластин конденсатора;

d - расстояние между пластинами.

Геометрия пластин может быть различной, что приведет к некоторой модификации формулы (2.11).

Изменение величин S, d или под влиянием каких-либо внешних воздействий используют для измерения этих воздействий.

Для превращения изменения емкости конденсатора в параметр электрического сигнала его включают в мостовую схему рис. 2.11, либо во времязадающую цепь RC или LC измерительной схемы. Этими схемами могут быть генераторы прямоугольных импульсов (мультивибраторы с RC-цепью) или LC-генераторы гармонических колебаний.

Другой способ измерения емкости Сх заключается в сравнении времени заряда-разряда Сх и эталонной емкости Co, либо в измерении времени разряда предварительно заряженной постоянным током емкости Сх до некоторого фиксированного напряжения.



В случае дифференциального емкостного преобразователя (С1 и С2) с общей центральной обкладкой, показанного на рис. 2.12 а, б, входное воздействие, например давление, изменяет емкости конденсаторов в противоположных направлениях, что позволяет применить сравнительно простую схему измерения:

В одну из полостей датчика (например, над подвижной пластиной) подается измеряемое давление (газ, жидкость), а вторая полость соединяется с атмосферой (датчик относительного давления) или запаивается (датчик абсолютного давления).

В микромеханическом исполнении подобный датчик используется для измерения ускорений. Средняя пластина конденсатора выполняется в виде инерционной массы на упругих подвесах - плоских кремниевых пружинах. Под действием ускорения происходит смещение массы и изменяется емкость, являющаяся мерой ускорения.

Цилиндрический конденсатор, состоящий из двух коаксиальных цилиндров с диаметрами а и b (b>a) и длиной l » b, может использоваться для измерения перемещения за счет изменения взаимного перекрытия внутреннего (диаметр "а") и внешнего (диаметр "b") цилиндров. Если длина перекрытия равна l, то формула для емкости примет вид

C= 2···_ol/ln(b/a) (2.12)

В этом случае изменение емкости под действием перемещения происходит за счет изменения площади пластин.

Этот же цилиндрический конденсатор можно применить для измерения уровня жидкости (воды, бензина и пр.). При этом используют зависимость С = f().

Цилиндрический конденсатор, частично погруженный в жидкость, можно представить в виде параллельного соединения двух конденсаторов, емкость которых зависит от уровня жидкости.

Если полная высота цилиндрического конденсатора равна Н, а высота части датчика, заполненная жидкостью, равна h, то, опуская несложные вычисления, можно получить выражения для полной емкости датчика в виде

C(h)= 2··_ol/ln(b/a) (2.13)

Для дальнейшей обработки сигнала необходимо учесть, что зависимость C(h) нелинейна.

Другим примером использования зависимости С = f() является емкостной датчик влажности. В таком датчике слой между пластинами конденсатора выполняется из гигроскопичного диэлектрического материала. Диэлектрик поглощает молекулы воды и в соответствии с их количеством меняет диэлектрическую константу.

Емкостные датчики, изменяющие емкость в функции диэлектрической проницаемости, широко применяют в детекторах присутствия, движения, в охранных системах и сигнализациях. Принцип действия этих детекторов заключается в том, что чувствительный элемент (металлическая пластинка, сетка и др.), расположенный в определенном месте, например, в сиденье водителя, изменяет свою емкость по отношению к земле («массе») при появлении человека.

Датчики, в которых С = f(d), теоретически могут также измерять линейные перемещения. Однако применяются более рационально. Например, кольцевой конденсатор, в виде набора металлических шайб с промежуточными прокладками из диэлектрика, подложенный под свечу зажигания в ДВС, позволяет измерять давление в цилиндре. Здесь же следует отметить, что в этом случае мы имеем дополнительное промежуточное преобразование (давление -> изменение расстояния -> изменение емкости), т.е., по сути - составной датчик.

Технологический прорыв в создании электромеханических микродатчиков (Micro - Electronic - Mechanic - Systems), изготавливающихся в интегральном исполнении методами микротехнологий, позволил получить ряд емкостных преобразователей, работающих на принципе изменения емкости за счет величины d (2.11). Они применяются для измерения давления, ускорения и т.д. и более подробно рассмотрены в главе «Составные датчики».

2.2.4 Генераторные датчики

К генераторным датчикам прямого действия относятся первичные преобразователи, в которых входное воздействие непосредственно формирует выходной электрический сигнал (ток, напряжение). По физическому принципу преобразования различают датчики индукционные, термоэлектрические, пироэлектрические, пьезоэлектрические, на основе эффекта Холла, на основе явлений в p-n-переходе.

Индукционные датчики основаны на явлении электромагнитной индукции, открытой Майклом Фарадеем в 1831г. Опыт показывает, что наведенная в обмотках ЭДС е прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф, пронизывающего контур обмотки

e=IdФ/dt I (2.14)

На рис. 2.13 показано устройство такого датчика, а также форма выходного сигнала, получаемого от вращающегося ферромагнитного колеса. Магнитное поле постоянного магнита замыкается через сердечник и воздушный зазор, величина которого зависит от положения зубчатого колеса. При вращении колеса величина зазора модулируется, что приводит к изменению магнитного потока, пересекающего витки катушки, и появлению выходного сигнала. По частоте (периоду) выходных импульсов оценивают частоту вращения. Если подсчитывать число импульсов, начиная с некоторого опорного (например, от более широкого или выделяющегося) зубца, можно определить угловое перемещение вращающегося вала.

Такие датчики нашли широкое применение при измерении частоты вращения и положения коленчатого вала ДВС в системах управления углом опережения зажигания (впрыска - в дизелях); частоты вращения колес в системах управления тормозами и т.д. Основные недостатки таких датчиков - зависимость выходного сигнала от скорости вращения вала и значительные их габариты.

Пьезоэлектрические датчики

Основаны на пьезоэлектрическом эффекте, который был открыт в кварце Пьером Кюри в 1880г. Этот эффект заключается в том, что при деформации кристаллической решетки под действием внешней силы сдвиг атомов в кристалле в определенном направлении приводит к перераспределению зарядов, и на противоположных гранях кристалла возникает ЭДС.

В настоящее время большинство пьезоэлектрических датчиков изготавливают из специальной керамики. Одним из самых первых материалов был титанат бария BaTiO₃, обладающий поликристаллической структурой. Другим материалом является титанат циркония свинца (PZT).

Пьезоэлектрические элементы могут использоваться либо в форме монокристалла, либо в виде многослойной структуры, в которой отдельные пластины соединяются вместе с помощью электродов, расположенных между ними. На рис.2.14 показан двухслойный датчик силы.

Когда к этому датчику прикладывается внешняя сила, одна из его частей расширяется, а другая сжимается, что приводит к удвоению выходного сигнала.

Сопротивление утечки, как правило, является очень большим (порядка 10¹²...10¹⁴ Ом), что требует больших входных сопротивлений от электронных схем обработки. Следует иметь в виду, что при постоянно приложенном усилии выходной сигнал постепенно нейтрализуется за счет внутренних утечек. Поэтому пьезоэлектрические датчики - это устройства переменного тока с достаточно широким частотным диапазоном (от тысячных долей герца до десятков килогерц в пьезокристаллах и до 10⁹ Гц в полимерных пленках).

Пьезоэлектрические пленки могут быть изготовлены на основе трафаретной печати (как в шелкографии) из титаната цирконата свинца или из поливинилденфторида (PVDF). Толщина пьезопленок колеблется в пределах 25...100 мкм, а полная толщина пленочного датчика с учетом компрессионной пленки из силиконовой резины и защитных слоев не превышает 200 мкм.

Датчики из пьезоэлектрических пленок могут использоваться для измерения небольших перемещений. При определении перемещений в несколько миллиметров погрешность измерения этих датчиков составляет ±2 мкм. Другим достоинством пленочного датчика является способность детектировать статические силы.

Из пьезоэлектрических датчиков наиболее известны датчики детонации и датчики ускорения на основе двухслойной пьезокерамики (рис. 2.14), которые используются в пусковых системах аварийных натяжителей ремней безопасности, подушек безопасности и штанг системы антиопрокидывания автомобиля.

Пьезоэлектрический эффект - обратимый, т.е. при подаче на грани кристалла возбуждающего напряжения датчик испытывает деформацию, что широко используется для возбуждения ультразвуковых колебаний.

Использование этого эффекта для создания широкой гаммы различных датчиков будет рассмотрено в главе «Составные датчики».

Термоэлектрические датчики или термопары.

Состоят из двух спаев разных проводников, причем спаи должны находиться при различной температуре («холодный» и «горячий» спаи). Из-за различной работы выхода электронов в различных проводниках возникает разность потенциалов (эффект Т.Зеебека, 1821г.), пропорциональная разности температур спаев, причем абсолютная величина температур не имеет значения. Для вычисления абсолютной температуры необходимо знать температуру термопары, что достигается с помощью добавочного датчика абсолютной температуры (например, термистора). Пример такой схемы приведен на рис. 2.15, где R_t - термистор с отрицательным ТКС; U_o - эталонный источник напряжения; R_o=R_t при калиброванной температуре t_o.

Для разных термопар коэффициент термо-ЭДС различен. Например, в диапазоне температур -270...+1000°С он равен 51,7 мкВ/К, что при разности температур «холодного» и «горячего» сплавов в пределах 500...600С⁰ дает возможность получить сигнал напряжением ~3мВ, а значит, как правило, этот сигнал требуется усилить.

На автомобилях данные датчики могут применяться для измерения температуры выхлопных газов. Низкое выходное сопротивление этих датчиков позволяет в ряде случаев нагружать их непосредственно на исполнительный орган (реле, соленоид).

В настоящее время осваивается изготовление термопар на основе кремния, что очень привлекательно как с точки зрения интегральной технологии, так и с точки зрения повышения чувствительности - коэффициент термо-ЭДС p-кремния по отношению к коэффициенту термо-ЭДС p-меди достигает 1мВ/К.

Пироэлектрические датчики основаны на пироэлектрическом эффекте, очень близком к пьезоэлектрическому эффекту. Пироэлектрики - это материалы с кристаллической структурой, в которых при воздействии на них тепловым потоком появляются электрические заряды. В настоящее время известно более 1000 таких материалов. Самыми известными из них считаются триглицит сульфат TGS, танталат лития LiTaO₃. Описанные выше пьезоэлектрические пленки из PVDF также обладают сильными пироэлектрическими свойствами.

Действие пироэлектричества объясняют двумя явлениями: первичного пироэлектричества, при котором градиент температуры изменяет геометрические размеры электрических диполей в кристалле, и вторичного пироэлектричества, возникающего в результате пьезоэффекта от теплового расширения кристалла. В пироэлектрическом датчике поток тепла принимается поглощающим слоем (металлическим пироэлектриком) и выводится через противоположный металлический электрод, с которого и снимается сигнал датчика. Применяются пироэлектрические датчики для дистанционного измерения температур.

Датчики на основе эффекта Холла

а -датчик Холла; б - эквивалентная схема датчика, где Ri - сопротивление управляющей цепи; Ro - выходное дифференциальное сопротивление; б - угол между векторами тока и магнитного поля.

Эффект Холла (1879г.) основан на взаимодействии между движущимися носителями электрического заряда и внешним магнитным полем. На рис. 2.16 показано направление тока управления I в пластине датчика Холла, направление магнитного поля В и выводы для снятия выходного напряжения Холла - Ux.

При фиксированной температуре Ux определяется выражением

U_a = h·I·sinб, (2.15)

где h - полная чувствительность датчика.

Большинство датчиков Холла изготавливаются из кремния. Датчики можно разделить на две основные категории - простые и составные. Из других материалов применяются InSb, InAs, Ge и GaAs. Для примера приведем основные параметры простого кремниевого линейного датчика Холла UGN-3605K (компания Sprague): управляющий ток Iу = 3мА; сопротивление управляющей цепи Ri = 2,2 кОм; дифференциальное выходное сопротивление Ro = 4,4кОм; чувствительность = 60мкВ/Гс.

Поскольку кремний обладает пьезорезистивными свойствами, датчики на его основе реагируют на механические напряжения. Поэтому следует минимизировать нагрузки на корпус датчика и подводящие провода. Так как сопротивление датчика Ri может меняться в зависимости от температуры, желательно запитывать датчик от источника тока.

Большинство составных датчиков Холла, выполненных на основе кремния, включают в состав интерфейсную схему и могут относиться к группе интеллектуальных датчиков. Во многих случаях они комплектуются специальными наборами постоянных магнитов.

Применяются датчики Холла для измерения положения, перемещения, скорости (частоты) вращения, наличия ферромагнитных материалов. Также широко известны распределители зажигания с использованием датчика Холла. Если встроенная интерфейсная схема имеет пороговый детектор, то датчик Холла превращается в двухпозиционный датчик, являющийся бесконтактным аналогом концевого выключателя.

Фирма Honeywell предлагает в настоящее время более 200 типономиналов датчиков Холла для различных нужд. Выполненные на едином кристалле датчик и схема обработки работают в диапазоне температур -40...+150°С, обеспечивая линейный либо логический выходной сигнал при напряжении питания Uп = 4,5-16 В.

Генераторные датчики излучений на основе явлений в p-n-переходе

Рассмотренный в главе «Полупроводниковые измерители излучения» фотодиод может работать в двух режимах -фотодиодном и генераторном. Чаще применяется первый режим, который характеризуется большим быстродействием, так как под влиянием обратного смещения уменьшается барьерная емкость p-n перехода.

В генераторном режиме к диоду не прикладывается напряжение, поэтому отсутствует темновой ток, что приводит к понижению напряжения шумов и позволяет измерять низкие уровни излучения.

Расширение полосы пропускания достигают включением фотодиода в схему преобразователя ток-напряжение, как показано на рис. 2.17 где конденсатор С введен для компенсации сдвига фаз.



2.3 Составные датчики

Составные датчики делятся на два класса - пассивные и активные.

Под пассивными составными датчиками будем понимать либо датчики, в которых проходит несколько (не меньше двух) преобразований физических или химических воздействий, либо датчики, состоящие из комбинаций нескольких известных преобразователей (даже идентичных).

Активные составные датчики характеризуются наличием устройства, возбуждающего в приемнике измеряемого воздействия некоторого физического процесса, параметры которого могут изменяться под влиянием измеряемого воздействия.

2.3.1 Пассивные составные датчики

Как правило, пассивные составные датчики в качестве последнего преобразователя имеют какой-либо один из вышерассмотренных датчиков прямого действия. Ниже приведены несколько примеров.

В термисторном датчике влажности, основанном на термоанемометрическом принципе, используются два термистора - один в герметической сухой камере, второй - в камере, куда поступает измеряемый воздух. Оба термистора при сухом воздухе нагреваются током до +170^оС, и в этих условиях производится балансировка мостовой схемы. При поступлении влажного воздуха один термистор охлаждается и для баланса схемы требуется изменить его ток разогрева, что и является мерой относительной влажности.

Составные оптоэлектронные датчики положения объекта (положения автомобиля на дороге по отношению к реперной линии в системах автономного вождения), включают в себя оптическую систему и позиционно-чувствительный фотоприемник (ПЧФ), с которого снимается сигнал, пропорциональный смещению проекции реперной линии относительно заданного уровня. ПЧФ может быть также комбинацией двух одинаковых фотодиодов, включенных по дифференциальной схеме.

Другим примером составных пассивных датчиков может служить датчик давления с механически деформирующимися элементами, деформация которых преобразуется затем в электрический сигнал различными датчиками прямого действия.

Миниатюрные акселерометры

Миниатюрные акселерометры, изготавливаемые для автомобильной промышленности, устанавливаются в системах раскрытия подушек безопасности, ремней безопасности и т.п. Основаны на воздействии ускорения на подпружиненную массу, перемещение которой преобразуется в электрический сигнал либо тензодатчиком, либо емкостным датчиком. Они также являются пассивными составными датчиками.

Большой интерес для систем транспортной телематики представляет перспективный класс активных составных датчиков, большинство которых используют последние достижения в области новых материалов и новых подходов к созданию сенсорных систем.

2.3.2 Активные составные датчики

Как отмечалось выше, составными активными датчиками будем считать такие, в которых измеряемый параметр (температура, давление, ускорение и пр.) влияет на физический (химический) процесс, возбужденный каким-либо способом в чувствительном элементе. Можно выделить следующие основные типы возбуждающих воздействий: механические, радиочастотные, тепловые, оптические и соответствующие им классы датчиков.

Датчики с механическим возбуждением чувствительного элемента. Такие датчики являются, по сути, колебательными системами, и по способу возбуждения колебаний в чувствительном элементе их можно разделить на электромеханические и ультразвуковые (пьезоэлектрические и магнитострикционные).

Изменяемый параметр влияет на резонансную частоту, фазовый сдвиг (или задержку сигнала), добротность (поглощение энергии или степень затухания) колебательной системы. По степени этого влияния оценивается величина измеряемого параметра. Например, фирмой Бендикс был разработан расходомер (датчик воздуха), в котором на пути потока были размещены две ферромагнитные пластины (лопасти) на подпружиненном рычаге (рис. 2.18).

Вынужденные колебания пластин создавались электромагнитом, который запитывался переменным током от генератора, входящего в замкнутую систему регулирования. Индукционный датчик (см. соответствующий раздел выше) измеряет частоту колебаний, а следящая система поддерживает эту частоту постоянной, регулируя амплитуду возбуждающего электромагнит напряжения Uвозб. При этом расход воздуха Gв прямо пропорционален Uвозб.

Простым резонансным датчиком может служить провод из упругого материала, помещенный в постоянное магнитное поле и запитываемый переменным током. В такой колебательной системе создают и поддерживают резонансный режим. В качестве материала провода используют обычно вольфрам, индий или различные стальные сплавы. Область применения - измерение усилия, массы, натяжения и давления. Датчик относительного давления может состоять, к примеру, из двух противоположных упругих мембран, между которыми растянут резонирующий провод.

Наибольшее распространение получили ультразвуковые (УЗ) датчики, главным образом пьезоэлектрические. Как известно, пьезоэлектрический эффект является обратимым физическим явлением. Это означает, что приложенное к кристаллу электрическое напряжение приводит к появлению механической деформации и если подать на кристалл переменное напряжение, в нем возникнут механические колебания. Эти колебания можно использовать двояко:

1) так называемые ультразвуковые датчики - УЗ, с их помощью можно возбуждать механические колебания в какой-либо среде и наблюдать за распространением этих колебаний;

2) пьезоэлектрические резонансные датчики, в которых можно наблюдать, как изменяется колебательный процесс в самом резонаторе под влиянием внешних факторов.

В УЗ-датчиках расхода (газа или жидкости) излучатель и приемник располагают по оси измеряемого потока (соосно или под некоторым углом) и измеряют время распространения УЗ-импульса от излучателя до приемника, которое зависит от скорости потока.

Так как скорость звука в газе (воздухе) зависит от параметров газа (температура, плотность), для устранения погрешности измерения применяют два излучателя и соответствующие два приемника и измеряют время прохождения УЗ излучения по и против скорости потока, тем самым при обработке сигнала устраняется влияние нестабильного параметра.

Ультразвуковой датчик парковки автомобиля работает по принципу эхолота (измеритель глубины). УЗ-импульсы с частотой порядка 40 кГц от излучателей, расположенных на бампере, распространяются в воздухе и, отразившись от препятствия, воспринимаются приемниками - теми же излучателями, только работающими на прием. Временная задержка между излученным и принятым сигналами является мерой измерения расстояния до препятствия. С помощью таких датчиков можно контролировать зону приблизительно от 30 до 150 см позади и впереди автомобиля. О препятствиях, обнаруженных датчиками, водитель оповещается оптическими или звуковыми сигналами.

Пьезоэлектрические резонаторные датчики. В транспортной телематике широкое применение такие датчики нашли в системах навигации (гироскопы, акселерометры), при измерении плотности жидкости (в аккумуляторах), для определения наличия вредных газов (S0₂, NH₃, NO₂, CO₂ и т.д.).

Твердотельные гироскопы, выполненные по MEMS-технологии, в отличие от роторных гироскопов, основаны не на вращающейся инерционной массе, а на колеблющейся. Существует много практических способов построения колеблющихся гироскопов, но всех их можно разделить на три основные группы:

а)простые вибраторы (массы на пружине);

б)уравновешенные вибраторы (камертоны);

в)тонкостенные резонаторы (стаканы, цилиндры, кольца).

На практике были реализованы гироскопы всех трех типов. В автомобильной версии фирмы Bosch (1995 г.) металлический тонкостенный цилиндр возбуждается на основной частоте парой пьезоэлектрических преобразователей, противоположно расположенных по образующей цилиндра. Возникающая при этом периодическая деформация цилиндра воспринимается другой парой пьзопреобразователей, расположенной перпендикулярно возбуждающей паре. При вращении гироскопа создается ускорение Кориолиса и возникают добавочные деформации цилиндра, приводящие к изменению фазовых соотношений между возбужденным и измеренным сигналами, что является мерой угловой скорости вращения.

В другой конструкции резонатор выполнен в виде кремниевого кольца диаметром 6 мм, подвешенного на восьми радиальных гибких перекладинах, прикрепленных к опорной раме 10х10 мм. Резонатор возбуждается с помощью любого резонатора, обычно пьезоэлектрического. Основная частота колебаний составляет 14,5 кГц. Под влиянием измеряемого углового ускорения положение кольца по отношению к рамке меняется. Следовательно, в конструкцию датчика должно входить какое-либо устройство (датчик), детектирующее движение резонатора. Большинство производителей выпускают твердотельные скоростные гироскопы размером около 25х25х18 мм.

Еще одним примером резонансного измерителя является датчик плотности электролита для использования в свинцовых электролитах (рис. 2.19). Он выполняется в виде стеклянного крутально-вибрационного стержня с тремя симметрично закрепленными на конус лопастями, опущенными в электролит.

Верхняя (наружная) часть стержня соединена с плоским диском, в котором парой пьезоэлектрических преобразователей возбуждаются крутильные колебания. Резонансная частота зависит от плотности электролита. Точность измерения (ошибка) порядка ±0,2%.

Широкая область применения открыта датчикам на основе поверхностных акустических волн (ПАВ). Эти волны возбуждаются на поверхности и затухают при распространении в глубь кристалла, эффективно проникая лишь на глубину порядка длины волны. Причем можно создавать приборы, работающие на частотах вплоть до 5ГГц. Поскольку чувствительность зависит от относительного изменения частоты ?f/f, возможность работы на высоких частотах является преимуществом. Также достоинством работы в диапазоне СВЧ является возможность создания беспроводных датчиков для дистанционных измерений. Мощность к такому снабженному антенной датчику может подаваться с падающей электромагнитной волной, а обратная волна может переносить данные об измеряемом параметре.

Принцип действия датчиков на основе ПАВ заключается в том, что измеряемый параметр влияет на скорость распространения волны, что в свою очередь вызывает изменения временного интервала между входным и выходным сигналами.

Конструктивно датчик на основе ПАВ выполняют в виде двух гребенчатых электродов, нанесенных на пьезочувствительную пленку и связанных между собой усилителем с ОС (обратной связью). В системе возникают колебания на частоте резонанса, зависящей от геометрических параметров и скорости распространения волны.

В ПАВ датчиках температуры в результате теплового расширения подложки происходит увеличение времени распространения ПАВ. Прибор работает на частоте около 40 МГц в интервале температур -50...+150°С. Достигается разрешение равное 0,001°С.

Линии задержки ПАВ можно использовать для измерения деформации (при измерении длины изменяется фаза сигнала). Размещая датчик на кварцевой мембране, можно измерять давление, а используя деформируемую балку с инерционной массой, можно реализовать акселерометр высокой точности.

Известно применение ПАВ в преобразователе для измерения влажности и наличия различных газов, таких как SO₂, H₂, NH3, H₂S, NO₂, CO₂ и CH₄. Концепция газовых сенсоров заключается в нанесении покрытия, селективно адсорбирующего (поглощающего) молекулы газа, которые нужно обнаружить. Это изменяет свойства чувствительной поверхности, что приводит к изменению времени распространения волн и изменению резонансной частоты.

В активных оптоэлектронных датчиках чувствительным элементом обычно является оптический канал, характеристики которого зависят от измеренного воздействия. При этом структура датчика определяется не только оптическим каналом, но и типом источника и приемника излучения.

Простейшими оптоэлектронными датчиками являются датчики угловых и линейных перемещений, основанные на прерывании потока излучения с помощью движущихся (вращающихся) шторок или дисков с отверстиями (прорезями) или отражающими элементами. Применяя приемники и источники, работающие в ближнем ИК-диапазоне (светодиоды, фотодиоды, фоторезисторы), можно в значительной степени снизить влияние посторонней засветки и загрязняющих факторов. Следует отметить, что в качестве прерывателей излучения можно применить кодирующие пластинки или диски и получать высокоточные сенсоры линейного или углового положения в двоичном коде (например, в виде помехозащищенного кода Грея).

В ряде случаев для измерения перемещений используют позиционно-чувствительные элементы (ПЧФ), в особенности в датчиках движения (охранные системы), различных системах позиционирования (например, оптических системах автономного вождения транспортных средств) и т.д. В качестве примера ПЧФ можно привести разрезной фотодиод - однокоординатный или четырехквадрантный, показанный на рис. 2.20).

Четырехквадратный ПЧФ позволяет при наличии фокусирующей оптической системы с линзами или зеркалами определять перемещения симметричного объекта (наводиться на цель).



Однокоординатный ПЧФ (из двух фотодиодов) применяют для определения перемещения одномерного изображения, например, реперной линии, вдоль которой должно автономно двигаться транспортное средство. Если для формирования изображения не требуется внешний источник освещения (облучения), такой датчик относится к пассивным устройствам. В некоторых случаях приходится применять инфракрасное облучение объекта (от ИК-излучателя). Тогда датчик становится активным.

В настоящее время существует большое количество разнообразных полупроводниковых ПЧФ, на основе которых создаются различные электронные системы распознавания объектов. Многофункциональные оптические сенсоры представляют собой приборы с зарядовой связью (ПЗС) и предназначены для преобразования изображений в электрические сигналы. В общих чертах преобразователь представляет собой плоскую матрицу из большого количества рядов фоточувствительных элементов (пикселей), на которую фокусируется изображение. Полупроводниковая структура матрицы выполнена таким образом, что в каждом пикселе образуется электрический заряд, пропорциональный принятому излучению. С помощью управляющего электрического сигнала эти заряды могут перемещаться вдоль своего ряда и считываться электронной системой в виде импульсов напряжения различной амплитуды. Такие ПЗС стоят в основе систем обзора, разрабатываемых для автомобилей (например, для преобразования в ночное время невидимого ИК-излучения в видимое). Эти же датчики применяются в системах «машинного зрения», для считывания оптической информации (номеров машин, в системах автоматической оплаты проезда и пр.), для предотвращения столкновений.

Оптоэлектронные датчики с волоконными световодами Работают как на принципе внешних эффектов, так и на основе внутренних. В датчиках на основе внутренних эффектов световоды используются лишь для передачи излучения от источника и для приема излучения чувствительным элементом. Примеры таких датчиков показаны на рис. 2.21. На рис. 2.21 (а) изображен пороговый датчик уровня охлаждающей жидкости. При достижении порогового уровня (призма касается жидкости) на границе двух сред по законам преломления световой поток уходит наружу и сигнал фотоприемника ослабевает.

На рис. 2.21 (б) показан оптоэлектронный индикатор давления в цилиндре ДВС. Упругая диафрагма 4 датчика 3 прогибается под давлением сгораемой смеси, и отражаемый от нее световой луч отклоняется, что фиксируется фотоприемником.

На рис. 2.22 показан принцип действия оптоэлектронного «датчика дождя», где в качестве световода используется лобовое стекло автомобиля.

Источник ИК-излучения ИИ создает импульсы излучения в лобовое стекло под углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение. На некотором расстоянии от светодиода закреплен приемник излучения (фотодиод, фототранзистор). При появлении на поверхности стекла капель дождя (или загрязнении стекла) часть излучения уходит наружу, и электронная схема фиксирует уменьшение сигнала фотоприемника и автоматически включает стеклоочистители.

В оптоэлектронных датчиках на основе внутренних эффектов используются специальные оптико-физические явления:

- ослабление или фазовый сдвиг вследствие физической деформации волокна;

- вращение плоскости поляризации;

- рассеяние.

На рис. 2.23 приведена структура датчика, основанная на микроизгибах волокна.

Изменяющаяся кривизна световода приводит к изменению угла полного внутреннего отражения, из-за чего возникают потери при пропускании излучения.

Этот метод используется для построения микродатчиков положения, силы, ускорения, механического напряжения, вибрации и т.д. Достигнутая нелинейность менее 1%. Этот же принцип используют в «электронной педали газа», где модуляция интенсивности излучения происходит под действием прогиба световода, связанного с педалью газа.

Другие оптоэлектронные датчики, основанные на измерении под влиянием внешнего воздействия длины оптического пути, работают на основе физического принципа интерференции света. Известны три типа интерферометров, которые были приспособлены для создания волоконно-оптических датчиков. Это интерферометр Маха-Цендера, интерферометр Фабри-Перо и интерферометр Майкельсона. Различаются они лишь способами разделения потока измерения на лучи - опорный и измерительный (измерительный луч проходит через оптическую камеру, размеры которой модулируются возмущающим воздействием).

Например, в датчике давления на основе интерферометра Фабри-Перо измерительная камера состоит из двух полупрозрачных зеркал, одно из которых нанесено на диафрагму, прогибающуюся под действием измеряемого давления. Изменяющаяся длина оптического пути приводит к изменению фазы световой волны, что при сложении опорного и измерительного лучей приводит к модуляции интенсивности света, попадающего на фотоприемник.

Для высокоточных измерений ускорений, что немаловажно при построении инерциальных систем управления, перспективными являются волоконно-оптические гироскопы, основанные на эффекте Синьяка (1913 г). В данном устройстве оптической средой является кольцо-световод, вращающееся вместе с приемником. Луч света вводится в кольцо, разветвляясь на два противоположно направленных луча. При вращении кольца возникает разность путей для лучей, что приводит к сдвигу фаз и появлению интерференционной картины. Новейшие из разработанных устройств могут обнаруживать вращение со скоростью до 10^-5 град/ч.

Оптоэлектронные датчики, основанные на эффекте рассеяния (поглощения) излучения, применяются для измерения плотности, толщины, прозрачности, контроля химического состава вещества и пр. Например, датчик измерения концентрации CO₂ (рис. 2.24).



Датчик состоит из двух камер, у которых одна из сторон прозрачная (стеклянная) и на внутренней стороне ее нанесено отражающее покрытие. Рабочая камера заполняется реагентом и имеет газопроницаемое покрытие. Вторая камера является эталонной. Излучение от светодиода (л = 560нм) через стекло попадает в обе камеры и, отразившись от внутренних поверхностей, возвращается на фотоприемники. Далее дифференциальная схема определяет разность интенсивностей и, следовательно, концентрацию CO₂.

Составные активные датчики с тепловым воздействием на чувствительный элемент

Из датчиков такого типа наиболее известны термоанемометрические расходомеры.

Принцип работы термоанемометрических расходомеров основан на зависимости тепловой мощности, рассеиваемой нагретым электрическим элементом (проволокой, пленкой, термистором), расположенным в потоке газа или жидкости, от массового расхода Gв обтекающего потока

W=К·?·t·Gв^п, (2.16)

где W - мощность; рассеиваемая элементом;

К - константа;

?t -перепад температур между элементом и потоком;

п - число, зависящее от характера теплообмена между элементом и средой.

Термоанемометры различаются по виду измерительной схемы:

а) по методу постоянной температуры;

б) по методу постоянного тока через нагреваемый элемент;

в) по методу постоянной разности температур между чувствительным элементом и средой. На рис. 2.25 показано такое включение платинового терморезистора с термокомпенсацией.

Платиновый терморезистор Rw1 и термокомпенсационный (с таким же ТКС) резистор Rw2 помещаются в газовом потоке, причем Rw1 + R1 << Rw2 + R2. Большая часть тока протекает по левой ветви схемы, разогревая резистор Rw1. Изменение скорости потока (объемного расхода) изменяет интенсивность охлаждения резистора Rw1 и его сопротивление уменьшается. Это приводит к увеличению разностного сигнала на входе усилителя Y и большему открытию транзистора VT до восстановления баланса схемы.

Измерительная схема преобразует величину тока транзистора VT в показания расхода воздуха.

В термоанемометрическом расходомере фирмы Bosch с пленочным платиновым резистором разность температур поддерживается на уровне 160^оС. При этом в рабочем диапазоне расхода 10...50 кг/ч ток нагрева регулируется от 0,5 до 1,2 А.

Термоанемометрический принцип также реализуется в тепловых акселерометрах. На рис. 2.26 изображен акселерометр, в котором в качестве инерционной массы используется подогретый газ.

Датчик ускорения состоит из пластины 1, примыкающей к герметичной полости, заполненной газом. В пластине вытравлено углубление, в центре пластины над углублением подвешен нагреватель. На пластине симметрично установлены четыре датчика температуры (по осям X и Y) - термоэлементы из алюминия и кремния (ТЭ). При нулевом ускорении распределение температуры внутри полости с газом симметрично относительно источника тепла (T1=T2=T3=T4). Нагреватель разогревается до температуры внутри выше температуры окружающей среды (около 200^оС).

На рис. 2.26 (а и б) показано распределение температур при нулевом и отличном от нуля ускорениях. Разница ?T=T2-T1 прямо пропорциональна ускорению. В данной конструкции ускорение измеряется по двум осям - X и Y. Такие датчики для автомобильных систем разрабатываются компанией MEMSIC Corporation. Типовые размеры: 5х5х2 мм, допустимые перегрузки до 50000 g, чувствительность 100 мВ/g, диапазон рабочих температур -40...+125°С.

Среди составных активных датчиков следует отметить датчики расхода воздуха на основе так называемого «ионного» возбуждения. Принцип действия такого датчика поясняется на рис. 2.27. Импульс напряжения от ГИ создает между электродами 1 тлеющий разряд по оси воздушного потока. «Пакет» ионов вместе с потоком воздуха перемещается до приемных кольцевых

По цепи обратной связи сигнал с выхода усилителя возбуждает генератор и процесс повторяется. Частота повторения импульсов f=1/Т=Vв/L является мерой расхода воздуха.

Радарные СВЧ-датчики - это автомобильные системы различного назначения: системы для автоматического контроля курса, системы предупреждения/предотвращения столкновений, системы контроля скорости движущихся объектов, радары ближнего действия для бокового и дальнего обзора и т.п. Рабочие частоты таких систем размещены в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне.

2.3.3 Интеллектуальные датчики

Тенденция к интеллектуализации транспортных средств ведет к появлению все большего числа интеллектуальных датчиков, совмещающих в одном модуле (иногда кристалле) процессы преобразования первичной информации с дальнейшей комплексной ее переработкой и выдачей итоговой информации в необходимой для контроля и управления форме.

Рассмотренные выше составные датчики во многих случаях являются компонентами интеллектуальных датчиков, которые скорее следует называть измерительными комплексами (например, радар, измеряющий скорость движущегося автомобиля или датчик положения автомобиля, включающий в себя GPS приемник и синхронную систему обработки данных с цифровой картой местности).

Развитие нанотехнологий ведет к появлению беспроводной системы датчиков, где связь будет осуществляться в GSM диапазоне (f=2,4ГГц) на расстоянии до 15 до 20 метров. Это так называемая Smart (умная) технология, которая в будущем обещает создать сеть Smart dust (умная пыль), предназначенную для сбора, анализа и хранения данных в системах транспортной телематики.

сигнал транспортный телематика датчик



Список использованной литературы

1. Джексон, Р.Г. Новейшие датчики/Р.Г. Джексон. - М.: Техносфера, 2007.

2. Дж. Фрайден, Современные датчики: справочник / Дж. Фрайден. - М.: Техносфера, 2006.

3. Павел Пржибыл Телематика на транспорте/ Павел Пржибыл, Мирослав Свитек; перевод под ред. проф. Сильянова В.В. - Прага - Москва, 2004.

4. Теоретические основы информационной техники/ под ред. Темникова Ф.Е. М.: Энергия, 1979.

5. Основы метрологии и электрические измерения: учебник для вузов/под ред. Душнина Е.М. - Ленинград: Электроатомиздат, 1987.

6. У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника / У. Титце, К. Шенк. - пер с нем.-М.: Мир, 1982.

7. BOSCH: автомобильный справочник. - 2-е изд с англ.-М.: Изд-во «За рулем», 2005.

8. Петленко, Б.И., Рожков В.М., Соколов В.Г. Системы сбора, преобразования и передачи информации на автотранспорте. Виды информации и датчики на автомобиле: учебное пособие / Б.И. Петленко, В.М. Рожков, В.Г. Соколов. - М., 1989.

Размещено на Allbest.ru