Аналогові датчики

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

Термоелектричні датчики (або термопари) генерують певний рівень напруги, пропорційної величині різниці температур спаїв, складаються з двох спаїв із різних провідників (ХК, ХА, ЗК, ПП), причому спаї повинні знаходитись при різній температурі ("холодний" та "гарячий" спай) (рис. 5.6).

Рисунок 5.6 – Схема термоелектричного генераторного датчика температури

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

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

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

Значна кількість датчиків з аналоговим вихідним сигналом після обробки електронним блоком передаються до мережі як частотні сигнали генераторних датчиків, що спрощує і прискорює їх обробку мікропроцесором. Аналоговий принцип контролю параметрів також поширений на транс портних засобах (рис. 5.7).

Рисунок 5.7 – Схема частотної обробки аналогових сигналів

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

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

• а) за методом постійної температури;
• б) за методом постійного струму через елемент, що нагрівається;
• в) за методом постійної різниці температур між чутливим елементом та середовищем (рис. 5.8). На рисунку показано включення плати-нового терморезистора з термокомпенсацією.

Рисунок 5.8 – Датчик масової витрати повітря

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

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

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

Поширеними у датчиках тиску є тензорезистивні елементи, у яких власний опір змінюється під дією мікродеформації. Першими тензоелементами були металеві нитки, наклеєні на діелектричні плівки (рис. 5.9).

Рисунок 5.9 – Схема датчика тиску

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

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

У датчиках для вимірювання концентрації СО: використовується ефект розсіювання променя, залежно від спектра поглинання, який залежить від концентрації (рис. 5.10).

Рисунок 5.10 – Детектор вимірювання концентрації СО2

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

Для прийому та обробки сигналів аналогових датчиків їх сигнал електронною схемою підсилюються, оцифровуються за допомогою аналогово- цифрового перетворювача (АЦП) та передаються до мікропроцесора для програмної обробки (рис. 5.11).

Рисунок 5.11 – Структура модуля обробки аналогового сигналу

При зміні величини контрольованого параметра відповідно змінюється вихідний електричний сигнал датчика А. Якщо це сигнал не напруги, а іншого електричного параметра, то сигнал перетворюється на зміну напруги U, яка надходить на вхід АЦП. При обробці аналогового сигналу в АЦП відбувається його дискретизація, коли певному рівню аналогового сигналі U відповідає певний двійковий код N, наприклад при U=3 код буде 011 і т. д. (рис. 5.12).

Рисунок 5.12 – Дискретизація сигналу в АЦП

Залежно від розрядності АЦП величина кожного ступеня напруги коду буде різна. Величина розрядності вказує на число дискрет, на які буде ділитись вхідний аналоговий сигнал. На транспорті використовують АЦП середньої розрядності, достатньої для точності вимірювання (16-розрядні. 32,64).

Інтелектуальні датчики

З огляду на перехід бортових систем автомобілів на цифрові мережі все ширше використовують цифрові датчики, які мають у складі інтегральної мікросхеми всі необхідні компоненти для обробки сигналу датчика та вбудований мікропроцесор для передачі цифрового сигналу по мережі (відповідно до рис. 5.11) або безпосереднього керування певним вузлом, як, наприклад, у системі антиблокування коліс або керування подачею палива. Тенденція до інтелектуалізації транспортних засобів веде до появи все більшого числа інтелектуальних датчиків, що поєднують в одному модулі (іноді кристалі) процеси перетворення первинної інформації з подальшою комплексною її переробкою і видачею підсумкової інформації у необхідній для контролю і керування формі.

Наприклад, інтелектуальний датчик рівня палива має у своїй структурі підсилювач сигналу різниці ємності на електродах, датчик температури для врахування густини палива, елементи для перетворення сигналу, збереження у пам'яті та формування інформаційного сигналу для передачі на органи керування та індикацію рівня для водія (рис. 5.13). Зміна рівня палива викликає переміщення рухомого електрода – мембрани, відносно нерухомих електродів, що у свою чергу змінює різницю ємності між рухомим та нерухомими електродами. Після підсилення напруги АЦП перетворює сигнал на цифровий та передає його на вбудований у мікросхему микрокомпьютер. Аналогічна структура сучасних автомобільних датчиків температури, тиску, мікросхема яких реагує на зміну величини контрольованого параметра, підсилює його, оцифровує та обробляє згідно вбудованої програми.

Рисунок 5.13 – Схема цифрового датчика рівня палива

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

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