Czujniki

1 11 Ilidilijliii 1,1 1 1 ~1 li iloflh El ~ 1

0

Czujniki

0

Andrzij

Zdzislaw

GajEk

Juda

Opiniodawcy : proff nzw. dr hab . inż . Andrzej Piętak dr . inż . Michał Bartyś Konsultant : proff dr hab . inż . Stanisław Radkowski Projekt okładki i stron tytułowych : Dariusz Litwiniec Redaktor : Jacek Lęgiewicz Redakcja techniczna i korekta : Alicja Pietrzak

Podręcznik akademicki opisujący zasadę działania, budowę i rodzaje czujników stosowanych w pojazdach samochodowych . Zawiera podstawowe informacje o pomiarach (pojęcia i definicje, sygnały pomiarowe, elementy toru pomiarowego, przetwarzanie analogowe-cyfrowe i cyfrowo-analogowe) oraz o czujnikach indukcyjnych, hallotronowych, potencjometrycznych, termistorowych, termoelektrycznych, masowego natężenia przepływu, tensometrycznych, pojemnościowych, piezoelektrycznych, ultradżwiękowych, radarowych, lidarowych, fotoelektrycznych i elektrolityczne-rezystancyjnych .

E

>

%>

om

ri

r % w gkm



Spis treści

Wykaz ważniejszych oznaczeń

7

Wstęp

9

1.

Sygnały pomiarowe

11

1 .1 . 1 .2 . 1 .3 . 1 .4 . 1 .5 .

Pojęcia i definicje w pomiarach Cechy charakterystyczne pomiarów Kondycjonowanie sygnału Próbkowanie sygnału analogowego Elementy toru pomiarowego

11 13 16 19 20

2.

Przetwarzanie analogowe-cyfrowe i cyfrowo-analogowe 22

2 .1 . 2 .2 . 2 .3 . 2 .4 .

Uwagi ogólne Przetworniki analogowe-cyfrowe Przetworniki cyfrowo-analogowe Integracja czujników

22 23 32 34

3.

Czujniki indukcyjne

37

3 .1 . 3 .2 .

Zasada działania i odmiany konstrukcyjne 37 Rodzaje i zastosowania czujników indukcyjnych 50

4.

Czujniki hallotronowe

62

4 .1 . 4 .2 .

Zasada działania i rodzaje Zastosowania czujników hallotronowych

62 68

5.

Czujniki potencjometryczne

81

5 .1 . 5 .2 .

Zasada działania Zastosowania czujników potencjometrycznych

81 82

6.

Czujniki termistorowe

95

6 .1 . 6 .2 .

Zasada działania Zastosowania czujników termistorowych

95 100

7.

Czujniki termoelektryczne (termopary)

103

7 .1 . 7 .2 .

Zasada działania Rodzaje i charakterystyka termopar

103 104

(>

Spcs treści

8.

Czujniki masowego natężenia przepływu (termoanemometry) 108

8 .1 . 8 .2 .

Zasada działania Rodzaje i zastosowania termoanemometrów

108

9.

Czujniki tensometryczne

120

9 .1 . 9 .2 .

Zasada działania Zastosowania czujników tensometrycznych

120 131

10 .

Czujniki pojemnościowe

137

10 .1 . 10 .2 .

Zasada działania Zastosowania czujników pojemnościowych

137 137

11 .

Czujniki piezoelektryczne

147

11 .1 . 11 .2 .

Zasada działania Zastosowania czujników piezoelektrycznych

147 151

12 .

Czujniki ultradżwiękowe

164

12 .1 . 12 .2 .

Zasada działania Zastosowania czujników ultradźwiękowych

164 169

13 .

Czujniki radarowe i lidarowe

175

110

Zasada działania radaru i lidaru Zastosowanie radaru Dopplera do pomiaru prędkości i drogi Zastosowanie czujników radarowych i lidarowych w układzie adaptacyjnej regulacji prędkości jazdy ACC 13 .3 .1 . Budowa i działanie układu ACC 13 .3 .2 . Przykłady rozwiązań układów ACC

175 181

14 .

Czujniki fotoelektryczne (optyczne)

194

14 .1 . 14 .2 . 14 .3 .

Zasada działania czujników optoelektronicznych i światłowodowych 194 Wykorzystanie optoelektronicznych zasad pomiaru w mechatronice 202 Zastosowania czujników optoelektronicznych 207

15 .

Czujniki elektrolityczne-rezystancyjne

15 .1 . 15 .2 .

216 Zasada działania Rodzaje i zastosowania czujników elektrolityczne-rezystancyjnych 218

13 .1 . 13 .2 . 13 .3 .

Literatura

183 183 185

216

241



Wykaz ważniej szych oznaczeń A aA ac ae ar aX B

amplituda drgań przyspieszenie bezwzględne punktu A przyspieszenie Coriolisa - przyspieszenie unoszenia przyspieszenie względne przyspieszenie wzdłużne indukcja pola magnetycznego w ośrodku o przenikalności magnetycznej względnej u r o B indukcja pola magnetycznego w próżni • pojemność kondensatora c - sztywność elementu sprężystego • współczynnik dyfuzji tlenu • moduł Younga • natężenie oświetlenia Eu ilość energii wypromieniowanej/pochłoniętej Ee potencjał elektrochemiczny półogniwa ES siła elektromotoryczna samoindukcji Et1,2 - potencjał elektrody ogniwa względem elektrolitu F - stała Faradaya P~ F - siła działająca na czujnik J częstotliwość fali fr częstotliwość próbkowania I natężenie prądu IU - natężenie pola ultradżwiękowego k stała tłumienia k, - stała tensometru • indukcyjność l długość przewodu m moment sił masa gazu suchego MSG M, - masa cząsteczkowa wody m - masa • moc pochłaniana lub wydzielana p ciśnienie mierzone pS ciśnienie pary wodnej w punkcie rosy p x, ciśnienie cząstkowe pary wodnej Q ładunek elektryczny QC ilość ciepła przepływającego przez przekrój S Qm masowy wydatek powietrza

-

-

-



8

Wykaz ważniejszych oznaczeń

R

-

RE

-

RH Re RN

S s SEM T • • v vA vo ve vY • Z z

-

-

-

-

-

a • Ol AR

OT s so e, Er 1

µo pr

v p u •

~~ ELEKTRONIKA

SYSTEMY ELEKTROMECHANICZNE

MECHANIKA

Rys . 0-1 . Mechatronika jako system równoprawnych dziedzin nauk podstawowych : mechaniki, elektroniki, automatyki i informatyki

Niniejszy podręcznik ma na celu zapoznanie czytelnika z wybranymi działami mechatroniki samochodowej, a mianowicie : - metodami pomiaru sygnałów, - czujnikami (sensorami) stosowanymi w pojazdach samochodowych . Mechatroniczne sterowanie układami pojazdu wymaga dostarczenia do sterowników wielu informacji, które są uzyskiwane w wyniku zastosowania czujników różnej konstrukcji . Główne wielkości fizyczne mierzone w mechatronice samochodowej to : masowy przepływ zasysanego przez silnik spalinowy powietrza (strumień masy), koncentracja tlenu w spalinach, kątowe położenie przepustnicy lub pedału przyspieszenia, kątowe położenie wału korbowego, prędkość kątowa/obrotowa wału korbowego, temperatura silnika (płynu chłodzącego), temperatura powietrza zasysanego, ciśnienie bezwzględne w układzie dolotowym silnika, różnicowe ciśnienie gazów spalinowych, prędkość kątowa kół i prędkość pojazdu, przyspieszenie wzdhi2ne pojazdu, przyspieszenie poprzeczne pojazdu, kąt obrotu pojazdu wokół osi pionowej, parametry środowiska (temperatura otoczenia, wilgotność), odległość pojazdu od innych obiektów i in. W podręczniku omówiono podstawy fizyczne pomiaru tych sygnałów, metody pomiarowe oraz rozwiązania czujników stosowanych w technice samochodowej . Podręcznik przeznaczony jest dla studentów wydziałów mechanicznych politechnik, szczególnie o specjalności samochodowej, uczniów techników samochodowych oraz pracowników serwisów samochodowych, diagnostów i pracowników ośrodków badawczych . Informacje zawarte w podręczniku mogą być również przydatne dla studentów o specjalności „automatyka i robotyka" . Autorzy dziękują Panu mgr. inż . Stanisławowi Wąsikowi za przygotowanie części materiału ilustracyjnego wykorzystanego w podręczniku .

Sygnały pomiarowe

1 1 .1 . Pojęcia i definicje w pomiarach Pomiar jest zbiorem operacji mających na celu wyznaczenie wartości wielkości mierzonej . Pomiary dokonywane przy zastosowaniu sensorów polegają na zamianie wielkości fizycznej X na wielkość elektryczną Y przy zachowaniu informacji o wielkości mierzonej . Nową wielkość Y, którą otrzymujemy w wyniku tego procesu, nazywamy sygnałem pomiarowym . W systemach sterowania sygnał pomiarowy jest definiowany jako zbiór wartości wielkości fizycznej mierzonej w funkcji czasu . Sygnał pomiarowy może mieć przebieg ciągły (analogowy) lub dyskretny (spróbkowany, skwantowany, cyfrowy) . Sygnał analogowy ciągły (z ang . analog signal) jest to funkcja czasowa pewnej wielkości fizycznej, której dziedziną jest każdy punkt określonego przedziału na osi czasu t, a przeciwdziedziną zbiór wartości sygnału {x(t)} zmierzonych w każdej chwili czasu (rys . 1-1) . Sygnały ciągłe charakteryzują się nieskończoną liczbą wartości . Sygnał dyskretny jest także zbiorem wartości wielkości fizycznej, ale dziedziną tej funkcji jest skończony zbiór liczb całkowitych 11,2, . . .n}, a przeciwdziedziną zbiór wartości sygnału {x(n)}, zmierzonych w kolejnych krokach (punktach) pomiarowych n . Zbiór wartości sygnału dyskretnego {x(n)} charakteryzuje się skończoną liczbą wartości wielkości mierzonej (rys . 1-2) . Specyficzna postać sygnału dyskretnego, taka, gdzie dziedziną jest skończona liczba kroków (punktów) pomiarowych n, a przeciwdziedziną skończona liczba określonych, równoodległych wartości y ;, nazywa się sygnałem skwantowanym (rys . 1-3a). Wartości {y l , . . .yn } reprezentują poszczególne przedziały zbioru wartości analogowej {X} (rys. 1-4) . Liczba wartości y, tworzy zbiór skończony . Jeżeli wartościowy, przyporządkuje się liczby binarne, to taki sygnał jest sygnałem cyfrowym (rys. 1-3b), przy czym każdej wartości sygnału y,, można przypisać specyficzne słowo binarne N-bitowe wtedy, kiedy liczba elementów zbioru nie jest większa niż 2N . Sygnał cyfrowy (z ang . digital signal) jest binarną reprezentacją sygnału fizycznego .



Sygnały pomiarowe

12

X(t)

"W

Rys. 1-1 . Przykład sygnału analogowego

Rys . 1-2 . Przykład sygnału dyskretnego

b x[n]

111 110 101 100 Oil 010 001 000

.,~dllllllll

--------------

Rys. 1-3 . Sygnał dyskretny : a - skwantowany, b - cyfrowy

X1

X2

Y1

X3

Y2

X4

Y3

Xn-2

Xn-1

Yn-2 Yn-1

Xn

Xn+1

Yn

Rys . 1-4. Zasada kwantyzacji sygnału

Konwersja analogowego sygnału pomiarowego (np . w postaci napięcia elektrycznego lub prądu), czyli zamiana na postać cyfrową, może być zrealizowana na wiele sposobów. Podstawowym problemem jest wystarczająco dokładne odwzorowanie nieskończonego zbioru wartości sygnału analogowego poprzez skończony zbiór wartości dyskretnych . Kwantyzacja polega na wyróżnieniu w nieskończonym zbiorze wartości analogowych sygnału {X}, takiego zbioru skończonego {Y} o N elementach, który z pewną dokładnością będzie reprezentował wszystkie wartości zbioru nieskończonego . Wszystkim wartościom z kolejnych przedziałów [x ., x.+1 ] przypisuje się reprezentację poprzez wartości yi (rys . 1-4) . Przykładowo, wartość Y2 reprezentuje wszystkie wartości z przedziału [x2, x3]. Relacje pomiędzy wartościami x . oraz y i spełniają warunek : xi U



Kondycjonowanie sygnału

19

Przerzutnik Schmitta - układ bazujący na komparatorze i wykorzystujący histerezę poprzez włączenie dodatniego sprzężenia zwrotnego (rys . 1-8c) . Podczas narastania sygnału, po przekroczeniu określonej wartości progowej, układ przełącza skokowo stan wyjścia na wysoki, a podczas zmniejszania sygnału podobnie przełącza stan wyjścia z wysokiego na niski . Poziomy napięć progowych przy narastaniu i opadaniu różnią się od siebie (histereza) . Przerzutnik Schmitta służy do przekształcania wolnozmiennych sygnałów analogowych na sygnały prostokątne o standardowej amplitudzie . Układ mnożący-napięcie na wyjściu dwuwejściowego układu mnożącego jest proporcjonalne do iloczynu napięć wejściowych . Układ dzielący- napięcie na wyjściu dwuwejściowego układu dzielącego jest proporcjonalne do stosunku napięć wejściowych . Wzmacniacz logarytmiczny - napięcie na wyjściu wzmacniacza logarytmicznegojest proporcjonalne do logarytmu napięcia wejściowego . Wzmacniacz z układem próbkująco pamiętającym - układ próbkujący napięcie wejściowe, przetrzymujący próbkę przez określony czas i przekazujący próbkę do dalszego przetwarzania .

1.4.

Próbkowanie sygnału analogowego

Częstotliwość próbkowania (z ang . sampling rata) określa, jak często następuje pomiar sygnału analogowego (czyli próbkowania sygnału) w celu przetwarzania na postać cyfrową . Wyższa częstotliwość próbkowania oznacza więcej pomiarów w danym czasie, co skutkuje zwiększeniem dokładności odwzorowania sygnału analogowego . W skrajnym przypadku sygnał spróbkowany z nieskończenie wysoką częstotliwością dąży do sygnału analogowego . Zwiększanie częstotliwości próbkowania powyżej wymaganej podwyższa koszty, m . in . z uwagi na większe zapotrzebowanie na pamięć . Częstotliwość próbkowania musi być skorelowana z wymaganiami odnośnie dokładności odtwarzania i zasadą Nyquista . Zasada Nyquista mówi, że dla ograniczonych pasm częstotliwościowych sygnał analogowy o maksymalnej częstotliwości fmax musi być próbkowany z częstotliwością f co najmniej dwukrotnie wyższą od fmax'

f i 2 fmax

(1 .5)

Jeżeli ten warunek jest spełniony, sygnał analogowy będzie mógł być odtworzony jednoznacznie (bez aliasingu) . Częstotliwość 2fmax nazywana jest częstotliwością Nyquista . Jeżeli podczas pomiaru zastosowano zbyt niską częstotliwość próbkowania (niższą od 2fmax), to może wystąpić zjawisko aliasingu, polegające na wprowadzeniu składowych o częstotliwościach wyższych niż połowa częstotliwości próbkowania . Te składowe są następnie uwzględniane przy odtwarzaniu sygnału i prowadzą do jego zafałszowania .

20

Sygnały pomiarowe Sygnał właściwy (3,5 Hz)

vil Fr

1

v

Sygnał błędny (0,5 Hz) próbkowanie 4 Hz częstotliwość Nyquista = 7 Hz

Rys . 1-9 . Graficzna interpretacja aliasingu

Na rysunku 1-9 przedstawiono przypadek próbkowanie sygnału ze zbyt małą częstotliwością . Sygnał właściwy o częstotliwości 3,5 Hz powinien być, zgodnie z zasadą Nyquista, próbkowany z częstotliwością co najmniej 7 Hz. Próbkowanie z częstotliwością niższą (4 Hz) prowadzi do błędnego odtworzenia mierzonego sygnału.

1 .5.

Elementy toru pomiarowego

Pomiary dostarczają informacji o wielkościach fizycznych charakteryzujących stan obiektu sterowanego . Ponieważ wielkości te w naturze najczęściej występują w postaci nieelektrycznej, po zmierzeniu muszą być przekształcone do postaci sygnału elektrycznego - dogodnego z punktu widzenia mechatronicznych układów sterujących . Element, który dokonuje pomiaru wielkości fizycznej jest nazywany czujnikiem pomiarowym . Współczesne czujniki pomiarowe są często zabudowywane we wspólnej obudowie (układzie) z elektronicznymi obwodami obróbki sygnału . W literaturze technicznej nazywane są sensorami, sensorami (czujnikami) zintegrowanymi lub sensorami (czujnikami) inteligentnymi - dla odróżnienia od prostego elementu, którego zadaniem jest jedynie pomiar wielkości fizycznej . Taki element nazywany jest czujnikiem elementarnym lub przetwornikiem pomiarowym . We współczesnych czujnikach samochodowych przetwornik pomiarowy stanowi tylko część wejściową toru pomiarowego . W niniejszej pracy nazewnictwo odnoszące się do czujników zostało dostosowane do przyjętych w literaturze zasad odnośnie elementów toru pomiarowego [24], [11] . W rozdziale 2 stosowane są określenia : przetwornik analogowe-cyfrowy i cyfrowo-analogowy. Pojęcie przetwornik (z ang . converter) oznacza w tym przypadku układ elektroniczny przetwarzający sygnał z postaci analogowej na cyfrową (przetwornik A/C), lub z postaci cyfrowej na analogową (przetwornik C/A) . Tor pomiarowy stanowi część mechatronicznego systemu sterowania . Schemat blokowy takiego systemu przedstawiono na rysunku 1-10 . Poszczególne elementy mechatronicznego systemu sterowania w zamkniętej pętli mają następujące znaczenie :



Elementy toru pomiarowego

21

Element porównujący Wartość odniesienia

/Sygnał bkdu Sterownik

Wartość zmierzona

-F

Aktuator

-t

zujni

Rys. 1-10 . Mechatroniczny system sterowania w zamkniętej pętli

Sterownik (1) - najczęściej mikrokontroler, czyli układ elektroniczny o wielkiej skali integracji, który decyduje o rodzaju akcji sterowniczej, jaka jest podejmowana po otrzymaniu sygnału błędu . Akcja sterownicza jest prowadzona pod kontrolą oprogramowania pracującego w pętli . Możliwa wymiana oprogramowania może zmienić częściowo lub całkowicie funkcję sterownika . Aktuator (2) - element wykonawczy (siłownik, nastawnik), który dokonuje zmian lub korekt parametrów sterowanego procesu . Typowe aktuatory w mechatronice samochodowej to np . wtryskiwacze elektromagnetyczne, silniki krokowe i elektromagnesy . Proces/obiekt (3) - proces lub obiekt podlegający sterowaniu . W mechatronice samochodowej może to być silnik spalinowy, układ hamulcowy, klimatyzacja automatyczna itp . Czujnik (4) - w układach pracujących w zamkniętej pętli sterowania czujniki stanowią elementy sprzężenia zwrotnego, które przekazują na wejście układu sygnał odnoszący się do bieżącej wartości wielkości sterowanej (regulowanej) . W mechatronice samochodowej może to być np . sygnał o zawartości tlenu w spalinach, prędkości obrotowej wału korbowego lub temperaturze powietrza w kabinie pojazdu . Pozostałe elementy na rysunku oznaczają : Element porównujący-komparator, układ porównujący wartość odniesienia (wartość zadaną) z wartoścją zmierzoną . Sygnał błędu - sygnał będący wynikiem porównania wartości zadanej i wartości zmierzonej, na którego podstawie jest realizowana akcja sterownicza . Wielkość sterowana - zasadniczy cel akcji sterowniczej, np . utrzymywana na zadanym poziomje emisja toksycznych składników spalin przez silnik spalinowy .

Przetwarzanie analogowe-cyfrowe i cyfrowo-analogowe

2 2 .1 .

Uwagi ogólne

Zdecydowana większość sygnałów występujących w warunkach fizycznych ma postać analogową . Także sygnały z sensorów często są w postaci ciągłej, zatem aby sygnał pomiarowy mógł być przetwarzany w cyfrowym systemie sterowania, musi być przetworzony do postaci cyfrowej (rys . 2-1) . +u

+u

+u

Sterownik (mikrokontroler)

Rys. 2-1 . Schemat cyfrowego systemu sterowania +U

Rys . 2-2 . Zasada przetwarzania analogowe-cyfrowego

Natomiast urządzenia wykonawcze systemu sterowania (aktuatory) często działają wykorzystując analogowy sygnał sterujący ; stąd konieczność przetwarzania sygnałów wyjściowych sterownika na postać analogową- akceptowalną przez ak-



Uwagi ogólne

23

+u

Rys . 2-3 . Zasada przetwarzania cyfrowo-analogowego

tuatory. Do konwersji analogowe-cyfrowej stosuje się przetworniki analogowocyfrowe A/C (rys . 2-2), a do konwersji cyfrowo-analogowej - przetworniki cyfrowo-analogowe C/A (rys . 2-3) .

2 .2.

Przetworniki analogowe-cyfrowe

Przetwornik A/C z równoległą metodą przetwarzania Jest to przetwornik działający na zasadzie bezpośredniego porównywania napięć (z ang. Flash ADC) . W strukturze przetwornika wykorzystuje się drabinkę precyzyjnych rezystorów tworzących dzielnik precyzyjnego napięcia odniesienia UREF oraz komparatory napięcia, z których każdy porównuje analogowy sygnał wejściowy z napięciem odniesienia . Do wejść odwracających komparatorów doprowadzone są odpowiednio napięcia wynikające z podziału napięcia U REF na tyle poziomów, ile wynika z rozdzielczości przetwornika. Na rysunku 2-4 przedstawiono przykład struktury przetwornika 3-bitowego, a więc po podziale napięcia odniesienia liczba poziomów napięć wynosi 8 (23) . Każdy komparator porównuje napięcie odpowiedniego poziomu z pełnym analogowym sygnałem wejściowym U W „ doprowadzonym równolegle do wszystkich wejść nieodwracających . Na wyjściu komparatora pojawi się sygnał w postaci „1" logicznej wtedy, jeżeli napięcie wejściowe Ue jest wyższe od odpowiedniego napięcia z dzielnika rezystancyjnego . Sygnały te są doprowadzone do wejść kodera priorytetowego typu 8 linii/a linie . Koder priorytetowy wytwarza sygnał cyfrowy na podstawie identyfikacji linii wejściowej o najwyższym priorytecie, na której pojawia się „1" logiczne, ignorując pozostałe wejścia . Na liniach wyjściowych pojawi się cyfrowy sygnał wyjściowy w postaci 3-bitowej liczby binarnej odpowiadającej numerowi linii wejściowej kodera o najwyższym priorytecie (linia wejściowa o najwyższym numerze), będącej w stanie „1" logicznej . Pozostałe linie (o niższym priorytecie) znajdujące się w stanie „1" logicznej będą pomijane . Jak można zaobserwować, 3-bitowy przetwornik wymaga 8 komparatorów (rys . 2-4) . Zwiększenie rozdzielczości przetwarzania w sposób drastyczny zwiększa ilość komparatorów, co jest podstawową wadą tego typu przetworników . Na przykład 8-bitowy przetwornik analogowe-cyfrowy działający na opisanej zasadzie wymaga zastosowania dzielnika złożonego z 256 precyzyjnych rezystorów, 256 komparatorów napięcia i złożonego układu kodowania 256 linii/8 linii . Zaletą jest duża szybkość działania uzyskiwana w wyniku bezpośredniego i jednoczesnego porównywania napięć . Spotykane są również realizacje z użyciem 7 komparatorów napięcia.

Przetwarzanie analogowe-cyfrowe i cyfrowo-analogowe

24

> we

091

El >

+U 0

a1 E1 al > a1

0 U

U M `m c rn

N

1 1

Rys . 2-4. Schemat 3-bitowego przetwomika A/C z bezpośrednim porównywaniem napięć

Analogowy sygnał wejściowy



I

Czas Cyfrowy sygnał wyjściowy

Czas

Rys . 2-5. Sygnały : wejściowy i wyjściowy przetwomika z bezpośrednim porównywaniem

Odmiana tego typu przetwomika wykorzystuje prostszy, niepnorytetowy koder oraz zestaw bramek sumy wyłącznej (Ex-OR) w jlości takiej samej jak liczba komparatorów (rys . 2-6) . Dwuwejściowe bramki Ex-OR uzyskują na wyjściu stan „1" logjcznej wtedy, gdy tylko jedno z dwu wejść jest w stanie „1" logicznej . W przypadku, gdy na obydwu wejściach jest logiczna „1" - na wyjściu Ex-OR pojawi sję „0" lo-



25

Przetworniki analogowe-cyfrowe

Uwe

u +U

7 6 5 3 2

O

m=

_ o -

0o

U ć T

to

Rys . 2-6. Przetwomik wykorzystujący prosty koder i bramki Ex-OR [85]

giczne. Takie działanie zapewnia, że na wyjściu tylko jednej bramki Ex-OR pojawi rozwiązania się logiczna „1", a więc w miejsce kodera priorytetowego z poprzedniego można zastosować zwykły koder o prostszej budowie . Poza tym budowa tego typu przetwornika analogowe-cyfrowego jest zbliżona do omówionego powyżej . Przetwornik A/C z kompensacją równomierną Jednym z ważnych elementów przetwornika A/C z kompensacją równomierną jest układ przetwornika cyfrowo-analogowego C/A (z ang . DA C-Digital Analog Converter) . Wyjścia zliczającego do przodu licznika binarnego są dołączone do wejść przetwornika C/A . Z każdym taktem zegarowym na wyjściach licznika pojawia się liczba binarna o wartości większej od poprzedniej o 1 . Przetwornik C/A (rys . 2-7) przetwarza te liczby do postaci analogowej w postaci napięcia elektrycznego, które jest następnie porównywane przez komparator z przetwarzanym sygnałem wejściowym U Z chwilą zrównania sygnałów stan wyjścia komparatora zmienia się na wysoki („1" logiczna), jednocześnie powodując wyzerowanie licznika poprzez wejście Load, ponowne rozpoczęcie zliczania od 0 i wygenerowanie sygnału umożliwiającego zapisanie liczby binarnej w wyjściowym rejestrze przesuwnym . Zawartość tego rejestru zawiera liczbę binarną, która po konwersji do postaci analogowej odpowiada dokładnie napięciu wejściowemu i jest cyfrowym wynikiem przetwarzania analogowe-cyfrowego w danym kroku .



Przetwarzanie analogowe-cyfrowe i cyfrowo-analogowe

26

EEN ENEN EMEERMEERE MEEMMEEMEN

0

LLLLI

uwe

5 .2

U

U

F+

C

72 T C6 m

Rys . 2-7 . Zasada działania przetwornika z kompensacją równomierną [85]

Nazwa przetwornika kojarzona jest z kształtem schodkowo narastającego napięcia będącego wynikiem przetwarzania cyfrowo-analogowego rosnącej z każdym taktem zegarowym wartości z licznika binarnego (rys . 2-8) . Należy zauważyć, że czasy przetwarzania różnią się i zależą od wartości napięcia analogowego . Jest to główna wada przetwornika tego typu (rys . 2-9) . Analogowy sygnał wejściowy

.~1~u fr r u r 12 F12OpP, C zas

Napięcie z przetwornika C/A

• Cyfrowy sygnał wyjściowy Czas

Rys . 2-8. Przetwarzanie w przetworniku z kompensacją równomierną [85]

Cyfrowy sygnał wyjściowy

Dłukszy czas

Krótszy czas

Rys . 2-9. Zależność czasu przetwarzania od wartości napięcia analogowego



Przetworniki analogowo-cyfrowe

2%

Przetwornik A/C z kompensacją wagową (z ang. SAR ADC) W systemach pomiarowe-sterowniczych z wykorzystaniem mikrokontrolerów bardzo często stosuje się przetworniki analogowo-cyfrowe pracujące na zasadzie kompensacji wagowej lub aproksymacji krokowej (z ang . : Successive Approximation Register ADC) . Ważnym elementem przetwornika jest N-bitowy rejestr kolejnych przybliżeń SAR zastosowany zamiast licznika z przetwornika poprzedniego typu (rys . 2-10) . Rejestr SAR działa poprzez kolejne generowanie liczb binarnych odpowiadających wartości sygnału wejściowego, poczynając od najbardziej znaczącego bitu, a kończąc na najmniej znaczącym bicie . Kompensacja wagowa przebiega w następujący sposób : 1 . W pierwszym kroku najstarszy bit słowa binarnego o N-bitach jest ustawiany na „1", a pozostałe bity na „0", 2 . Jeżeli napięcie na wyjściu przetwornika DAC jest wyższe od sygnału wejściowego, najstarszy bit jest ustawiany na „0", a jeśli jest niższe pozostawia się bit ustawiony na „1", 3 . W następnych krokach aproksymacji (od 1 do N) powtarzana jest procedura z punktu 2. Przykład działania 8-bitowego przetwornika kompensacyjnego : 1 . W pierwszym kroku najbardziej znaczący bit (MSB - Most Significant Bit) liczby binarnej na wyjściu rejestru aproksymacyjnego SAR jest ustawiony na „1" logiczną, a pozostałe bity na „0". Liczba binarna : 1000 0000 . 2 . Jeżeli napięcie analogowe uzyskane w wyniku przetwarzania cyfrowo-analogowego tak powstałej liczby (128 dziesiętnie) jest wyższe od sygnału wejścio-

c

a U ~\/∎∎ E Y

(D

0 Y

a∎/∎∎∎∎ Ń wo//ma/∎ a

we

Komparator

Rys. 2-10 . Zasada działania przetwornika A/C z kompensacją wagową [85]



Przetwarzanie analogowe-cyfrowe i cyfrowo-analogowe

28

wego, to ten bit jest ustawiany na „0", a jeśli jest niższe, to pozostaje w stanie J". Następny w kolejności bit jest ustawiany na „1" . Załóżmy, że napięcie po przetwarzaniu C/A jest wyższe od sygnału, a więc nowa liczba binarna będzie : 0100 0000 . 3 . Uzyskana liczba (64 dziesiętnie) jest zamieniana na napięcie, które jest ponownie porównywane z sygnałem wejściowym . Załóżmy teraz, że porównywane napięciejest niższe od sygnału wejściowego, a więc bit pozostanie w stanie „1" oraz następny w kolejności bit także zostanie ustawiony na„ 1 " . Nowa liczba binarna : 0 110 0000, czyli 96 dziesiętnie . 4. Powtarzając powyższą procedurę po 8 krokach aproksymacji uzyskuje się dokładną cyfrową reprezentację sygnału wejściowego . Tego typu przetwarzanie jest bardzo szybkie, a czasy przetwarzania są jednakowe (rys . 2-11) . Analogowy sygnał wejściowy

r

1 . 1 ,

r-

ly',.~1I

Napięcie na wejściu rejestru aproksymacyjnego

1

l

l czas

Cyfrowy sygnał wyjściowy

Czas

Rys . 2-11 . Sygnały wejściowy i wyjściowy przetwornika A/C z kompensacją wagową

Przetwornik A/C - śledzący Kolejną odmianą przetwornika jest tzw . przetwornik śledzący, w którym zastosowano licznik zliczający zarówno do przodu jak i do tyłu, a decyzja o zmianie kierunku zliczania wynika ze stanu wyjścia komparatora, a więc wzajemnej relacji napięcia wejściowego i napięcia z przetwarzania cyfrowo-analogowego . W ten sposób sygnał na wyjściu przetwornika cyfrowo-analogowego nadąża za sygnałem wejściowym (śledzi sygnał wejściowy) . Ten sposób przetwarzania charakteryzuje się dużą szybkością działania, ponieważ licznik nie jest zerowany i nie musi rozpoczynać zliczania od 0 . Trzeba jednak zaznaczyć, że pierwsze zrównoważenie sygnałów na wejściach komparatora wymaga pewnego czasu - tym dłuższego, im wyższa jest wartość sygnału wejściowego . Ponadto struktura jest uproszczona, bo nie jest potrzebny wyjścjowy rejestr przesuwny (rys . 2-12 12-13). Wadą przetworników tego typu jest zmienność cyfrowego sygnału wyjściowego o jeden bit w każdym takcie zegarowym, co w pewnych zastosowaniach może być problemem. Dodanie rejestru przesuwnego na wyjściu przetwornika pozwala na wyeliminowanie tej wady .



Przetworniki analogowe-cyfrowe

+U

T

29

+U T Q U C O N

U/D

o-

1

Uwe

Komparator

U -0 O

r Rys . 2-12 . Struktura przetwornika śledzącego [851

C6 Ń

Czas Rys. 2-13. Sygnały wejściowy i wyjściowy przetwornika śledzącego

Jednozboczowy całkujący przetwornik A/C Przetworniki całkujące nie wymagają użycia przetwornika cyfrowo-analogowego . Zamiast tego stosuje się wzmacniacz operacyjny w układzie integratora, który generuje napięcie piłokształtne, porównywane następnie z wejściowym sygnałem analogowym w komparatorze (rys . 2-14 i 2-15) . Czas, po którego upływie poziom napięcia piłokształtnego zrówna się z sygnałem wejściowym, jest mierzony za pomocą licznika taktowanego precyzyjnym sygnałem zegarowym z oscylatora kwarcowego . Zastosowanie tranzystora MOSFET daje możliwość rozładowania kondensatora w momencie zmiany stanu wyjścia komparatora na wysoki . Przedstawiona na schemacie struktura dotyczy prostszej wersji przetwornika całkującego, pracującego na pojedynczym zboczu narastającego napięcia na pojemności układu całkującego . Wersja pracująca na podwójnym zboczu pozwala na wyeliminowanie głównej wady wersji jednozboczowej tj . tzw. dryftu kalibracji . Tam, gdzie wymagana jest bardzo wysoka dokładność przetwarzania, stosuje się przetworniki całkujące z podwójnym zboczem .



Przetwarzanie analogowe-cyfrowe i cyfrowo-analogowe

30

+U T

+U

TL -> Uwe

Tf -Uref

c

CLR

Rys. 2-14. Jednozboczowy całkujący przetwomik A/C [85]

Analogowy sygnał wejściowy

Napięcie piłokształtne 0 +

Czas Cyfrowy sygnał wyjściowy

Czas

Rys . 2-15 . Sygnały wejściowy i wyjściowy w przetworniku całkującym jednozboczowym

Przetwornik A/C z podwójnym całkowaniem Najczęstsza forma całkującego przetwornika A/C to układ z podwójnym całkowaniem . Jego zasada działania przedstawiona jest na rysunku 2-16 . Do wejścia odwracającego układu całkującego doprowadzone są dwa napięcia : przetwarzany sygnał analogowy oraz napięcie odniesienia o odwróconej biegunowości względem sygnału (U e ) . Przełączanie sygnału i napięcia odniesienia na wejściu układu całkującego jest realizowane poprzez przełączniki elektroniczne (tranzystory MOSFET) sterowane z układu sterowania . W pierwszej części przetwarzania sygnału do wejścia układu całkującego dołączony jest w czasie T, sygnał przetwarzany, a w tym samym czasie licznik zlicza impulsy z generatora G . Ta część przetwarzania trwa dopóty, dopóki stan licznika nie osiągnie zadanej liczby . W tym czasie napięcie na kondensatorze C rośnie liniowo i osiąga wartość określoną wzorem :

f

T, U WE

U` RC

f UWEdt

NI

RCfG

(2 .1 )

W drugiej części cyklu przetwarzania do wejścia układu całkującego dołączone jest napięcie odniesienia UREF o odwróconej biegunowości, a licznik ponownie za-



31

Przetworniki analogowe-cvfrowe

czyna zliczać impulsy do momentu wyzerowania napięcia na wejściu odwracającym komparatora . Warunkiem wyzerowania napięcia jest równość : UWE N I

__ UREFN2

RCf,

(2 .2)

RCf,

a więc NIUWE N 2 -

(2 .3)

U REF

2

Końcowy stan licznika N zależy od napięcia wejściowego (sygnału), wartości N (jest to liczba zadana, a więc znana) i znanej wartości napięcia odniesienia, a nie zależy od wartości elementów biernych R i C i częstotliwości generatora Wadą tego typu przetworników jest długi czas przetwarzania .

I

fG .

Układ całkujący

Uwe

Uref

O

R

Komparator

O

T

f Sterowanie --t

Bramka

Zegar

Licznik

r

N,

1 Np

1111

111111111

1111

Rys . 2-16. Zasada działania przetwornika A/C z podwójnym całkowaniem



32

Przetwarzanie analogowe-cyfrowe i cyfrowo-analogowe

Przetwornik A/C typu sigma delta W przetwornikach typu sigma delta stosuje się technikę nadpróbkowania (z ang . oversampling), polegającą na kilkukrotnym zwiększeniu częstotliwości próbkowania sygnału oraz zastosowaniu analogowych i cyfrowych filtrów antyaliasingowych . Układ przetwornika oparty jest na modulacji sigma delta, czyli modulacji kodowej polegającej na sumowaniu różnicy kolejnej próbki sygnału w odniesieniu do próbki poprzedniej . Na wyjściu pojawia się ciąg impulsów o Jednakowej amplitudzie, a średnia wartość tego ciągu odpowiada wartości przetwarzanego sygnału . Impulsy doprowadzone są do filtra decymacyjnego, którego zadaniem jest przekształcanie strumienia bitów w kod cyfrowy . Przetwornik pozwala na uzyskanie bardzo wysokiej rozdzielczości przetwarzania przy użyciu prostych jednobitowych przetworników A/C i C/A i przy częstotliwości próbkowania wielokrotnie przewyższającej minimalną wartość wynikającą z twierdzenia Nyquista o próbkowania sygnału . Jedną z zalet tego typu przetworników jest zdolność tłumienia szumów, ponieważ dzięki nadpróbkowania szum rozkłada się na szersze pasmo .

Filtr DEC

Wy

1 bit DAC



---- . . .

Rys. 2-17 . Zasada działania przetwornika A/C typu sigma delta

Poniżej zostały zestawione wybrane cechy różnego typu przetworników analogowo-cyfrowych w kolejności od najlepszego do najgorszego . Rozdzielczość: całkujący jednozboczowy, całkujący dwuzboczowy sigma delta, z kompensacją równomierną, śledzący, kompensacyjny, równoległy . Szybkośćprzetwarzania : równoległy, kompensacyjny, sigma delta, całkujący jednozboczowy, , z kompensacją równomierną, całkujący dwuzboczowy, śledzący .

2 .3.

Przetworniki cyfrowo-analogowe

Przetwornik C/A R/2 nR W strukturze przetwornika tego typu wykorzystuje się układ sumatora odwracającego zbudowanego na wzmacniaczu operacyjnym . W sumatorze wszystkie rezys-



Przetworniki cyfrowo-analogowe

33

tory mają tę samą wartość . W przetworniku C/A typu R/2 ° R stosuje się rezystory o rezystancjach będących parzystymi potęgami liczby 2 pomnożonymi przez rezystancję podstawową . Wówczas zaczynając od napięcia U, wzmocnienie układu jest równe 1, dla U, wzmocnienie wynosi 0,5, a dla U3 - 0,25 (rys . 2-18) .

2R 4R

Rys . 2-18. Zasada działania przetwornika C/A typu R/2 ° R [85]

Wzmocnienia poszczególnych wejść odpowiadają wagom pozycji w 3-bitowej liczbie binarnej (rys . 2-19) .

V

2R

V

4R

Rys . 2-19 .3-bitowy wagowy przetwornik C/A MSB - najbardziej znaczący bit (z ang . Most Significant Bit), LSB - najmniej znaczący bit (z ang . Least Significant Bit) [85]

Liczbie binarnej 000 doprowadzonej poprzez bramki logiczne do wejść przetwornika będzie odpowiadać napięcie wyjściowe 0 V, natomiast liczbie binarnej 111 doprowadzonej do wejść przetwornika będzie odpowiadać napięcie wyjściowe o pełnej wartości . W celu zwiększenia rozdzielczości przetwarzania należy zwiększyć liczbę rezystorów wejściowych przy zachowaniu omówionej wcześniej zasady doboru ich wartości (rys. 2-20) .

Rys . 2-20 . 6-bitowy wagowy przetwornik C/A [85]



34

Przetwarzanie analogowe-cyfrowe i cyfrowo-analogowe

Przetwornik C/A typu R/2R Pewną wadą przetwornika poprzedniego typu jest konieczność stosowania precyzyjnych rezystorów o różnych wartościach . Alternatywne rozwiązanie przetwornika wykorzystuje większą liczbę rezystorów o takich samych wartościach rezystancji przy nieco innej konstrukcji drabinki rezystorowej, złożonej z rezystorów o dwu wartościach rezystancji : R i 2R . Ten typ przetwornika C/A nazywany jest często przetwornikiem drabinkowym (rys . 2-21) . MSB Cyfrowy sygnał wejściowy LSB

U WY

Rys. 2-21 . Przetwomik C/A drabinkowy R/2R

2 .4. Integracja czujników Sygnały wyjściowe większości czujników są relatywnie małe pod względem wartości zmian napięcia, prądu czy rezystancji . Dlatego zmierzone sygnały najczęa We

Wy

A/D

µC

0

Termopara, Wzmacniacz termistor, pomiarowy tensometr, czujnik ciśnienia lub inne

Przetwornik Mikrokontroler analogowe cyfrowy

b We

X/

Y Termopara, termistor, tensometr, czujnik ciśnienia lub inne

D

A/D

µC

MicroConverter

Wy

TM

Rys. 2-22. Struktura czujnika-sensora inteligentnego a - wieloukładowa, b - z układem wielkiej skali integracji MicroConverter



35

Integracja czujników

ściej wymagają specjalnej obróbki, zanim zostaną doprowadzone do portów wejściowych sterownika . Układy przekształcania dowolnych sygnałów fizycznych na postać elektryczną, wzmacniacze, układy izolacji galwanicznej, filtry, układy dopasowania sygnału oraz przetwarzania na postać cyfrową itp . mogą być umieszczone w systemie pomiarowym jako elementy autonomiczne lub wbudowane w strukturę czujnika albo sterownika jako ich elementy . Jeżeli układy kondycjonowania sygnału są zabudowane w strukturze czujnika, to są najczęściej wyko-

Wielkość fizyczna •

0

Nieelektryczna wielkość pośrednia

Przekształcanie

b Wielkość fizyczna

•

0

Pierwotna wielkość elektryczna

/

Przetwarzanie

c Kondycjonowanie sygnału

Wielkość fizyczna

•

Analogowy sygnał pomiarowy

d Wielkość fizyczna 0

--*->

•

Cyfrowy sygnał pomiarowy

c /

Przetwarzanie A/C

e Wielkość fizyczna



a~

• •

ó µC c



• U)°: •

Rys . 2-23 . Stopnie rozbudowy czujników a - przetwornik, b - sensor prosty, c - sensor scalony, d - sensor scalony z przetwarzaniem A/C, e - sensor inteligentny



36

Przetwarzanie analogowe-cyfrowe i cyfrowo-analogowe

nane jako układy scalone specjalizowane ASIC (z ang . Application Specific Integrated Circuit) . Czujniki zawierające wewnętrzne układy opracowujące należą do grupy sensorów zintegrowanych . W bardziej zaawansowanych technologicznie czujnikach mogą być ponadto zabudowane multipleksery, przetworniki analogowe-cyfrowe wraz ze wzmacniaczami o programowo nastawialnym wzmocnieniu, przetworniki cyfrowo-analogowe, żródła prądowe, a nawet lokalne mikrokontrolery i wówczas należą one do grupy sensorów inteligentnych (rys . 2-22) . Linearyzacja sygnałów wyjściowych z przetworników pomiarowych jest realizowana na drodze programowej, co pozwala uniknąć stosowania zewnętrznych elementów dostrajania . Najnowsze trendy rozwojowe sensorów inteligentnych zmierzają w kierunku zastępowania wieloukładowej struktury (multiplekser, wzmacniacz, ADC, DAC, mikrokontroler, pamięć Flash) przez specjalizowane układy wielkiej skali integracji (np . MicroConverter firmy Analog Devices) zawierające wszystkie wymienione układy w jednej strukturze . Daleko posunięta integracja czujników i układów kondycjonowania sygnału jest jednak ograniczona kosztami, rosnącymi wraz ze stopniem rozbudowy czujnika . Jako rozwiązanie pośrednie stosowana jest często technika modułowa, dająca oszczędności po stronie kosztów sterowania oraz podnosząca elastyczność przy tworzeniu torów pomiarowe-sterowniczych .



Czujniki indukcyjne

3 .1 .

Zasada działania i odmiany konstrukcyjne

Indukcja magnetyczna B jest wielkością wektorową, charakteryzującą pole magnetyczne, w którym porusza się określony ładunek elektryczny (rys . 3-1) . Wartość w próżni, w punkcie P, indukcji pola magnetycznego wytworzonego przez prąd elektryczny o natężeniu I płynący w prostoliniowym przewodniku wynosi : hoi B° = 2n r

(3 .1)

gdzie: r - odległość punktu P od osi przewodnika, p o = 4n • 10 - ' [T •m/A] - stała magnetyczna (przenikalność magnetyczna bezwzględna próżni) . Jednostką indukcji magnetycznej jest tesla [T] : 1 T = 1 V •s/m' . Do opisania pola magnetycznego stosuje się, obok indukcji B, również inną wielkość wektorową- natężenie pola magnetycznego, którego jednostką jest A/m . Wartość natężenia pola magnetycznego w próżni wynosi : Bo Ho -

(3 .2) Po

Natężenie pola magnetycznego nie zależy od środowiska, w którym działa, a tylko od konfiguracji obwodu elektrycznego (I, r) . Indukcja B ° pola magnetycznego wewnątrz solenoidu, w próżni, wynosi :

µ o iz B°

1

gdzie: l - długość solenoidu, z - liczba zwojów solenoidu .

(3 .3)



38

Czujniki indukcyjne

Ulega ona zmianie, jeżeli wewnątrz solenoidu znajduje się rdzeń z materiału o określonych własnościach . Wynosi ona : B = µ,B„

(3 .4)

Współczynnik u, nosi nazwę względnej przenikalności magnetycznej materiału : µ, = B/ Bo . Dla materiałów diamagnetycznych (np . woda, rtęć, miedź) wartość u , jest nieco mniejsza od jedności, a więc materiały te nieznacznie zmniejszają indukcję magnetyczną B w stosunku do indukcji w próżni . W materiałach paramagnetycznych (np . mangan, tlen, aluminium) wartość,u, jest niewiele większa od jedności, co minimalnie zwiększa indukcję B w stosunku do indukcji w próżni . W materiałach ferromagnetycznych (np . żelazo, kobalt, nikiel oraz ich stopy) współczynnik względnej przenikalności magnetycznej może mieć wartość wieloRys . 3-1 . Wektor indukcji B pola magnetycznego w punkcie P krotnie większą od jedności . Te materiały wzmacniają indukcję magnetyczną w stosunku do próżni . Charakteryzują się pętlą histerezy magnetycznej, której kształt i pole zależy od rodzaju materiału (rys . 3-2) . Im mniejsze jest pole pętli histerezy (mniejsza wartość koercji magnetycznej -Bo '), tym łatwiej jest rozmagnesować dany metal (np . stal krzemowa, z której wytwarzane są rdzenie elektromagnesów i trans-

Rys . 3-2 . Pętla histerezy materiału ferromagnetycznego B(, - indukcja magnetyczna pola zewnętrznego uzyskiwana przez zmiany natężenia prądu w solenoidzie, B - indukcja wewnątrz solenoidu z rdzeniem ferromagnetycznym, - B J - koercja magnetyczna, B - magnetyzm szczątkowy



Zasada działania i odmiany konstrukcyjne

39

formatorów) . Stal twarda i niektóre stopy żelaza, kobaltu, niklu i aluminium charakteryzują się bardzo dużymi wartościami pozostałości magnetycznej oraz koercji i stosowane są do wytwarzania magnesów trwałych . W zagadnieniach technicznych obok indukcji B stosowane jest pojęcie strumienia indukcji magnetycznej 0 : 0= f

Bcosa dS

(3 .5)

s

gdzie : S - pole powierzchni, przez którą przenika indukcja magnetyczna, a - kąt między kierunkiem wektora indukcji B a normalną do powierzchni S w punkcie działania indukcji Jest to całka wektora indukcji B po powierzchni S . W równomiernym polu magnetycznym o indukcji B, działającej prostopadle do powierzchni S, strumień indukcji magnetycznej 0 jest iloczynem indukcji B i pola powierzchni S, przez które przechodzą linie tego pola : 0 =BS. Jednostką strumienia magnetycznego jest weber [Wb] : 1 Wb = 1 V-s . Jeżeli przez solenoid przepływa prąd elektryczny, którego natężenie ulega zmianie, to zmienia się indukcja magnetyczna B, a wraz z nią strumień indukcji magnetycznej 0 . Zmiany strumienia magnetycznego wzbudzają w uzwojeniach solenoidu siłę elektromotoryczną samoindukcji . Jej wartość wynosi : E,.

_ -

d(P

z

(3 .6)

Powoduje ona przepływ prądu samoindukcji . Zgodnie z regułą Lorentza kierunek tego prądu przeciwdziała zmianom strumienia magnetycznego pierwotnego, a więc przepływa on w kierunku przeciwnym niż prąd pierwotny . Ponieważ zgodnie z wzorami (3 .1) i (3 .3) indukcja magnetyczna wytwarzana przez przewodnik z prądem jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu, zmiana strumienia indukcji w solenoidzie bez rdzenia ferromagnetycznego także jest proporcjonalna do zmiany natężenia prądu : zAO = LAI

(3 .7)

Współczynnik proporcjonalności L jest nazywany indukcyjnością lub współczynnikiem indukcyjności własnej solenoidu . Na podstawie zależności (3 .6) i (3 .7) można zapisać : L--

E,.At AI

(3 .8)

Jednostką indukcyjności jest henr [H] : 1 H = 1 V •s/A . Jeżeli solenoid zawiera rdzeń stalowy o względnej przenikalności magnetycznej u,, to jego indukcyjność wyraża się zależnością : L_

yZ Z S

1

-

ZZ

RN

(3 .9)



Czujniki indukcyjne

40

gdzie: S - przekrój poprzeczny solenoidu ; R N - reluktancja (opór magnetyczny) obwodu magnetycznego, Rµ S V`' -S 1 - długoć solenoidu; z - liczba zwojów solenoidu . Wartość ,u = u. µY jest przenikalnością magnetyczną bezwzględną . W czujnikach indukcyjnych można wpływać na zmianę indukcyjności cewki regulując liczbę zwojów z lub zmieniając reluktancję R~ . Zmianę reluktancja w najprostszy sposób można uzyskać przez zmianę przenikalności magnetycznej ,u,, zmianę przekroju cewki S lub długości cewki l. W zależności od sposobu realizacji tej zmiany czujniki indukcyjne dzieli się na czujniki dławikowe o zmiennej szczelinie powietrznej i czujniki solenoidalne o zmiennym położeniu rdzenia magnetycznego . Czujniki indukcyjne wykorzystujące zmianę indukcyjności mogą być wykorzystywane w pojazdach między innymi jako czujniki położenia pedału przyspieszenia, położenia przepustnicy, kąta skrętu koła kierownicy, momentu na kole kierownicy lub obciążenia pojazdu . Czujniki wykorzystujące powstawanie siły elektromotorycznej w wyniku zmiany strumienia magnetycznego stosowane są do pomiaru prędkości obrotowej silnika i kół samochodu.

=µ

Czujniki dławikowe o zmiennej szczelinie powietrznej Schemat takiego czujnika przedstawiono na rysunku 3-3 . W przypadku, gdy długość szczeliny powietrznej p jest mała w stosunku do drogi strumienia w rdzeniu magnetycznym, można pominąć strumień rozproszenia i zapisać : L = Oo

(3 .10)

i 0

oraz L(lp )=Lo

1

1

1+µ, lm P

(3 .11)

gdzie : 00 - strumień magnetyczny przepływający w rdzeniu, z - liczba zwojów cewki, I - natężenie prądu przepływającego przez cewkę, LO - indukcyjność w rdzeniu przy p = 0, lm -długość szczeliny, przy której wartość indukcji wynosi L=0,5(L o +L ) . Z równania (3 .11) widać, że zależność L(p) ma przebieg nieliniowy. Czujniki tego typu są stosowane np. do pomiarów tolerancji grubości blach diamagnetycznych i paramagnetycznych oraz pomiaru grubości powłok niemagnetycznych (np . powłoka cynkowa na blasze stalowej pełni funkcję szczeliny powietrznej) . Mimo prostoty budowy opisanego powyżej czujnika jest on obecnie rzadko używany, głównie ze względu na to, że do przesunięcia części ruchomej obwodu magnetycznego potrzebna jest stosunkowo duża siła ze względu na ciężar jarzma



41

Zasada działania i odmiany konstrukcyjne

Rys . 3-3 . Schemat czujnika dławikowego o zmiennej szczelinie powietrznej oraz jego charakterystyka (zależność indukcyjności L od długości szczeliny powietrznej ó)

oraz siły przyciągania magnetycznego działające w szczelinie . W celu uniknięcia powyższych niedogodności i uzyskania liniowej zależności sygnału elektrycznego od przemieszczenia stosowane są czujniki dławikowe różnicowe, zawierające dwie cewki włączone w układzie różnicowym lub mostkowym (rys . 3-4) . Ip+X

a

b

Rys . 3-4 . Schemat czujnika dławikowego różnicowego a - schemat pracy w układzie różnicowym (1 i 2 - cewki pomiarowe, 3 - element ruchomy, .r - przemieszczenie elementu ruchomego), b - zmiany prądów l, i !Z w cewkach 1 i 2

pod wpływem zmiany szerokości szczelin powietrznych x

Dla takiego czujnika zależność między indukcyjnościami cewek a przemieszczeniem x można opisać następującymi zależnościami [24] : 1

L, =L, X ,

1

L2 = Lo X

1+µ,

(3 .12 a, b)

1-µ,X

m

AL =L 2 -L,= L,

xm

.2 x xm

1

x

Z =2

1-µ

zx

(3 .13)

xm z

gdzie : \ Xm / xm - wielkość szczeliny, przy której indukcyjność L dławika przyjmuje wartość średnią



42

Czujniki indukcyjne

Indukcyjność cewki wpływa na jej reaktancję indukcyjnąXL=jcoL, a więc także na impedancję Z = ~R Z +X L Z . Przy stałej wartości skutecznej napięcia zasilającego miarą przemieszczenia x może być różnica wartości prądów płynących w uzwojeniach cewek 1 i 2 (rys . 3-4) : AI(x)=

u

(3 .14)

Dla małych zmian szczeliny x, w zakresie x = f lo, uzyskuje się charakterystykę czujnika bliską liniowej . Czujniki tego typu stosowane są w przemyśle do pomiarów grubości nałożonych elektrolitycznie powłok z miedzi, srebra, złota, cyny, kadmu i mosiądzu, naniesionych natryskowe powłok z miedzi, cyny i cynku, a także nanoszonych natryskowe farb (np . emalii na stali) . Czujniki solenoidalne o zmiennym położeniu rdzenia magnetycznego W tego typu czujnikach wykorzystuje się zależność indukcyjności solenoidu L od przenikalności magnetycznej u, która zależy od wymiarów i położenia rdzenia ferromagnetycznego (rys . 3-5) . Rdzeń przemieszcza się w zależności od mierzonej wielkości nieelektrycznej . Indukcyjność solenoidu wyraża się wzorem : L = µ r µ oz'S

(3 .15)

gdzie:

µT - przenikalność magnetyczna względna wewnątrz solenoidu zależna od materiału rdzenia i od położenia rdzenia wewnątrz cewki, z - liczba zwojów solenoidu, S - przekrój poprzeczny solenoidu. a

b 0

Rys . 3-5 . Schematy czujników solenoidalnych o zmiennym położeniu rdzenia magnetycznego a - do pomiarów dużych przesunięć, b - do pracy w układzie różnicowym



Zasada dziatania i odmiany konstrukcyjne

43

Zmiana indukcyjności, wynikająca ze zmian przenikalności magnetycznej ux, wpływa na wartość prądu płynącego w uzwojeniach solenoidu . Przemieszczenie rdzenia wewnątrz solenoidu może być więc zmierzone poprzez pomiar zmiany natężenia prądu płynącego w uzwojeniach czujnika indukcyjnego . Czujniki dławikowe wykorzystujące zmianę przekroju szczeliny powietrznej Ten typ czujników działa na podobnej zasadzie, jak czujniki dławikowe o zmiennej szczelinie powietrznej, z tym, że zamiast zmiany jej długości zmianie ulega przekrój szczeliny powietrznej obwodu magnetycznego (rys . 3-6 .) .

I O

G

G

Rys. 3-6 . Schemat czujnika indukcyjnego wykorzystującego zmianę przekroju szczeliny powietrznej

Czujniki wykorzystujące prądy wirowe w materiałach diamagnetycznych Czujnik tego typu ma postać elektromagnesu (1, rys . 3-7a), w którego szczelinie znajduje się materiał diamagnetyczny 2 o grubości x . Materiały diamagnetyczne charakteryzują się przenikalnością magnetyczną względną,u , < 1 . Do grupy tej należą m .in . : ołów, miedź, brąz, aluminium, srebro i bizmut . W materiale takim indukują się prądy wirowe, które powodują zmniejszenie strumienia magnetycznego, a więc również indukcyjności L, co wpływa na zmiany impedancji Z uzwojenia czujnika . Przy stałej wartości napięcia zasilania zmienia się wartość prądu płynącego w uzwojeniach cewki . Czujniki takie mogą być stosowane do pomiarów grubości elementów z metali diamagnetycznych, przesunięć tych elementów i grubości powłok . Na rysunku 3-7b przedstawiono schemat i zasadę działania indukcyjnego czujnika zbliżeniowego, generującego zmienne pole elektromagnetyczne za pomocą generatora napięcia zmiennego 2 . Pole to indukuje prądy wirowe w tarczy S, przemieszczającej się względem czoła czujnika . To z kolei powoduje znaczny spadek amplitudy oscylacji napięcia w odbiorniku 3, proporcjonalny do odległości tarczy S od czoła czujnika . Tego typu układy mogą być stosowane zarówno do pomiarów odległości lub grubości warstw, jak i do pomiarów prędkości obrotowej poprzez zliczanie ilości zmian napięcia wyjściowego, spowodowanych przemieszczaniem się kolejnych elementów wirującej tarczy diamagnetycznej .

Czujniki indukcyjne

44 a

o

L,R

o

1

2

b 'nn~mnlll''!'!u'lllnnu~nullluu„

c

5

`~ 0~ 1,111 i 7

z

Poziom

ałączania Wyjście

Zał

Poziom wyłączania

Wyl ----- Wył

Rys . 3-7 . Schemat czujnika indukcyjnego wykorzystującego prądy wirowe w materiałach diamagnetycznych (a) : I - elektromagnes, 2 - materiał diamagnetyczny o grubości x, L - indukcyjność cewki czujnika, R - rezystancja cewki czujnika oraz schemat czujnika indukcyjnego z pochłanianiem energii generatora napięcia (b), [86] : 1 - cewka, 2 - generator napięcia, 3 - obwód odbiornika z przerzutnikiem sygnału, 4 - obwód wyjścia, 5 - położenie tarczy, w której indukują się prądy wirowe, 6 - napięcie indukowane w odbiorniku sygnału, 7 - napięcie wyjściowe



45

Zasada działania i odmiany konstrukcyjne

Czujniki transformatorowe pracujące na zasadzie zmiany indukcyjności wzajemnej W czujnikach transformatorowych o zmiennej indukcyjności wzajemnej do pomiarów wielkości fizycznych wykorzystywana jest zależność siły elektromotorycznej indukowanej przez uzwojenie pierwotne z, w uzwojeniu wtórnym z z w różnych warunkach sprzężeń obu uzwojeń (rys . 3-8) . Wartość siły elektromotorycznej indukowanej we wtórnym uzwojeniu czujnika o liczbie zwojów z z wynosi : Esz

= -z2

d¢ dt

(3 .16)

Szybkość zmian strumienia magnetycznego 0 jest proporcjonalna do zmian położenia Ol elementu ruchomego . O liniowości funkcji E S (01/Ot ) decyduje zależność indukcji wzajemnej cewek z, i z z od położenia Ol elementu ruchomego . Charakterystyczną cechą tych czujników jest obecność oddzielnej cewki wzbudzeniowej z,, przez którą przepływa prąd zmienny . Poza tym ich budowa odpowiada układom dławikowym . W układach transformatorowych stosuje się przeważnie układy różnicowe (rys . 3-8c) . Strumień magnetyczny kolumny środkowej wynosi : (3 .17) Przy neutralnym położeniu kotwicy strumienie 0, i 02 są sobie równe, a strumień magnetyczny w elemencie ruchomym jest równy zero . Również siła elektromotoryczna uzwojenia wtórnego 2 (rys . 3-8c) będzie równa zeru : E = 0 . Gdy kotwica przesunie się z położenia neutralnego, zostanie zakłócona równowaga strumieni 0, i 0z . Pojawi się wówczas siła elektromotoryczna o wartości zależnej od różnicy strumieni : E,2 = - Zz(01 - 02)

(3 .18)

Różnica 0, - 0z zależy od przemieszczenia kotwicy czujnika, czyli od parametru, który ma być zmierzony. Zaletą czujnika różnicowego jest czułość na kierunek ruchu kotwicy . Przy zmianie kierunku przesuwu elementu ruchomego zmienia się znak różnicy strumieni magnetycznych 0, i 02 oraz znak siły elektromotorycznej E. Tego typu czujniki mogą być stosowane w układach aktywacji poduszek gazowych jako czujniki opóźnienia pojazdu podczas zderzenia . Jako czujniki przemieszczenia znane są pod nazwą LUDT (z ang . Linear Variable Differential Transformer) .



46 a

Czujniki indukcyjne b

01

c

d

Ez

2 1

e

(~

/3 /4

~I

b

Rys . 3-8 . Schematy czujników indukcyjnych transformatorowych [24, 48] a - z zastosowaniem pierścienia diamagnetycznego, b - o zmiennej odległości między cewkami z, i zZ , c - różnicowego z dwoma uzwojeniami pierwotnymi i jednym wtórnym, d- z jednym uzwojeniem pierwotnym na kolumnie środkowej i dwoma uzwojeniami wtómymi, e - przemieszczenia typu LUDT : 1- rdzeń ferromagnetyczny, 2 - cewka pierwotna, 3 i 4 - cewki wtórne (za zgodą wydawnictwa Carl Hanser Verlag)

Selsyny Selsyny są to indukcyjne przetworniki prądu przemiennego służące do przekazywania na odległość informacji o przemieszczeniu kątowym . Mogą one służyć do pomiaru wartości kąta obrotu na drodze elektrycznej lub do wymuszenia obrotu odbiornika sygnału o dany kąt . Zasada zdalnej indykacji lub regulacji kąta obrotu polega na tym, że mechaniczny obrót selsyna nadawczego wywołuje w obwodzie połączonych elektrycznie uzwojeń synchronizacji selsyna nadawczego i odbiorczego przepływ prądów, które z kolei powodują obrót wirnika selsyna odbiorczego o taki kąt, o jaki został obrócony wirnik selsyna nadawczego (rys . 3-9) .

Zasada działania i odmiany konstrukcyjne

a

ir 1

47

b

c

Rys . 3-9 . Zasada działania przetwornika selsynowego [101] a - nadajnik i odbiornik selsyna jako łącza wskaźnikowego, b - selsyn jako silnik wykonawczy : w - uzwojenie wzbudzenia wirnika ; 1, 2, 3 - uzwojenia stojanów (uzwojenia synchronizacji) ; a - kąt obrotu nadajnika ; Q - kąt obrotu odbiornika c - schemat połączenia mechanicznego między wirnikiem i walcem silnika : 1, 2 - uzwojenia selsyna odbiorczego ; 3 - uzwojenia wirnika odbiorczego ; 4 - walec aluminiowy ; 5 - przekładnia zębata

Na wirniku nadajnika i odbiornika znajdują się uzwojenia wzbudzenia w zasilane ze wspólnego źródła napięcia przemiennego o częstotliwości 50 . . .500 Hz. Dodatkowo na wirniku znajduje się zwarty zwój o osi prostopadłej do osi uzwojenia wzbudzenia . Jego zadaniem jest tłumienie drgań w stanach przejściowych . Stojany nadajnika i odbiornika zawierają trzy uzwojenia (1, 2, 3) . Są to tzw . uzwojenia synchronizacji, przesunięte względem siebie o kąt 120° . Pod wpływem strumienia wywołanego przez prąd płynący przez uzwojenie wzbudzenia wirnika,



Czujniki indukcyjne

48

w poszczególnych fazach uzwojenia synchronizacji nadajnika indukują się napięcia o wartościach skutecznych zależnych od położenia kątowego wirnika : E i , = U m cos a Esi2 = U . cos(a + 120 °)

(3 .19)

Ei3= U m cos(a -120°)

Napięcia te powodują przepływ prądów o wartościach: Er o ~ sin 2 s E. o I, sin 2 2Z s

(

3.20)

I, = E r siny

2Z 2 gdzie: Er -największa skuteczna wartość SEM w jednej fazie uzwojenia synchronizacji, Z - impedancja obwodu synchronizacji jednego selsyna, 8 = a -Q - kąt niezgodności łącza (różnica kątów obrotu nadajnika i odbiornika), a, Q - kąty obrotu nadajnika i odbiornika . Przepływ prądów wyrównawczych w obwodzie synchronizacji selsynów wywołuje moment synchronizujący : z (3 .21) M = c Ęr zXq z sino % R9 +X 9 gdzie: f - częstotliwość napięcia zasilania,

X - reaktancja obwodu synchronizacji selsyna,

Rq - rezystancja obwodu synchronizacji selsyna,

c - stała konstrukcyjna . Moment synchronizujący osiąga największą wartość dla kąta niezgodności nieco większego od 90° . Wartość maksymalna występuje przy stosunku XL do R L równym jedności . Łącze selsynowe charakteryzuje się sztywnością s„, która oznacza wartość momentu odbiornika przy różnicy kątów a - /3 = b wynoszącej l' . Współczynnik sztywności łącza wskaźnikowego określany jest zależnością: s - dM M-(dó )

a o

E1 Xq Xq = k Ef cos b, -„ = k ó0 f Rq +Xq f Ra +Xq

(3 .22)

W praktyce sztywność łącza określana jest stosunkiem momentu synchronizującego przypadającego na jeden stopień przy kącie niezgodności 10° . Sztywność sm decyduje o dokładności pracy łącza .



Zasada dziatania i odmiany konstrukcyjne

49

Selsyny stosowane są również jako silniki wykonawcze . Jeżeli na wale selsyna odbiornika wystąpi obciążenie, to momenty synchronizujące nadajnik i odbiornik wyniosą: Mn =c l

E~ Eo f •Z

sinócos[n/4+(cpo -cp n )]

(3 .23) Mo = c, E" E° sinócos[n / 4 - (t9o f •Z

-

cp n )]

gdzie: E„, Eo - siły elektromotoryczne w uzwojeniach synchronizacji selsyna nadajnika

i odbiornika, Z- impedancja uzwojeń synchronizacji, c, - stały współczynnik, tp„, (p o - kąty przesunięć fazowych napięć zasilających uzwojenia wzbudzenia selsyna nadajnika i odbiornika . Z zależności (3-23) wynika, że dla odpowiednich przesunięć kątowych 6 ~o można uzyskać spełnienie warunku : M <M . Oznacza to, że łącze selsynowe może wzmacniać moment przenoszony przez selsyn odbiornik kosztem poboru energii z sieci zasilającej . Odpowiednie przesunięcie fazowe napięć zasilających obwody wzbudzeń ~o. - ~o, uzyskuje się przez włączenie pojemności C w szereg z uzwojeniem wzbudzenia jednego z selsynów. Jeżeli przesunięcie fazowe napięć zasilających obwody wzbudzeń wynosi n/4, to moment synchronizacji selsyna nadajnika jest równy zeru, a moment selsyna odbiornika ma wartość maksymalną . Na rysunku 3-9b przedstawiono zasadę działania selsyna jako silnika wykonawczego . W szczelinie między stojanem a wirnikiem odbiornika umieszczony jest wydrążony walec aluminiowy 4 . Kierunek pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez uzwojenia synchronizacji nadajnika jest taki sam, jak kierunek pola w odbiorniku . W obwodzie wirnika odbiornika znajduje się kondensator, dający przesunięcie fazowe napięć w uzwojeniach wirników nadajnika i odbiornika . Jeżeli kąt a będzie różny od f3, to na aluminiowy walec będzie działał moment w kierunku zrównania wartości obu kątów . Obrót walca przenoszony jest na wirnik za pomocą przekładni (rys . 3-9c), aż do zrównania wartości kątów a i fl. Strumieniem sterowania i wzbudzenia takiego silnika jest strumień wytwarzany przez wirnik selsyna i strumień przenoszony z selsyna nadajnika do odbiornika . Selsyny znalazły zastosowanie między innymi w układach prowadzenia anten radarów oraz w układach utrzymujących kurs statków . Czujniki magnetoindukcyjne Oddzielną grupę stanowią czujniki magnetoindukcyjne (rys . 3-10), pracujące na zasadzie indukowania siły elektromotorycznej w uzwojeniu cewki 2 pod wpływem ruchu ferromagnetycznego koła impulsowego 1 . Ruch ten powoduje zmianę war-



Czujniki indukcyjne

50

toki strumienia magnetycznego 0, wytwarzanego przez magnes stały 3 lub - rzadziej - elektromagnes . Wartość siły elektromotorycznej E S indukowanej w uzwojeniu o z zwojach jest proporcjonalna do szybkości zmiany strumienia magnetycznego 0, skojarzonego z uzwojeniem 2 : E

=_z

d

(3 .24)

2

dt

Zmiana strumienia magnetycznego wywołana jest zmianą przenikalności magnetycznej p wewnątrz solenoidu, czyli reluktancji obwodu magnetycznego R u (patrz zależność 3 .9) . Zmiana ta może być wywołana przez oddziaływanie specjalnego ferromagnetycznego koła impulsowego na ten strumień lub przez magnes przemieszczający się względem nieruchomego uzwojenia . Czujniki magnetoindukcyjne reagujące na zmianę oporu magnetycznego (reluktancji) spowodowaną ruchem elementów z materiału ferromagnetycznego o niskiej oporności magnetycznej RF nazywane są czujnikami reluktancyjnymi (rys . 3-10) . Natomiast czujniki z wirującym magnesem trwałym nazywane są czujnikami elektrodynamicznymi . Czujniki reluktancyjne stosowane są do pomiaru prędkości obrotowej silnika i kół samochodu .

Rys . 3-10 . Magnetoindukcyjny czujnik prędkości obrotowej (reluktancyjny) 1 - wieniec zębaty z materiału ferromagnetycznego, 2 - uzwojenie, 3 - magnes trwały, 4 - wyjście

3.2.

Rodzaje i zastosowania czujników indukcyjnych

Czujnik wzniosu iglicy rozpylacza Przykładem zastosowania czujnika indukcyjnego z cewką o ruchomym rdzeniu jest czujnik wzniosu iglicy rozpylacza stosowany we wtryskiwaczach silników o zapłonie samoczynnym (rys . 3-11) . Wydłużony popychacz 2 wtryskiwacza 1 spełnia rolę rdzenia magnetycznego w cewce 3 . Wielkość jego zagłębienia w uzwojeniu cewki decyduje o wartości strumienia magnetycznego w cewce . Ruch iglicy wtryskiwacza i związanego z nią popychacza 2 zwiększa strumień magnetyczny w cewce i indukuje w niej sygnał napięcia zależny od prędkości tego ruchu . Sygnał ten jest przesyłany do sterownika pompy wtryskowej . Przekroczenie wartości progowej napięciap-g (rys . 3-12) jest sygnałem początku wtrysku paliwa i służy do analizy i doboru właściwego kąta wyprzedzenia wtrysku paliwa w silniku o zapłonie samoczynnym .

Rodzaje i zastosowania czujników indukcyjnych

51

a

b

Rys . 3-11 . Wtryskiwacz z indukcyjnym czujnikiem wzniosu iglicy rozpylacza a - budowa (1 - sprężyna wtryskiwacza, 2 - popychacz, 3 - cewka indukcyjna, 4 - złącze elektryczne czujnika) [101] ; b - widok

Rys. 3-12 . Przebiegi wzniosu iglicy rozpylacza (a) oraz napięcia sygnału cewki czujnika wzniosu iglicy rozpylacza (b) w funkcji kąta obrotu wału korbowego [11]

52

Czujniki indukcyjne

Czujnik magnetoindukcyjny (reluktancyjny) do pomiaru prędkości obrotowej Czujniki reluktancyjne są szeroko stosowane w pojazdach samochodowych do pomiarów prędkości obrotowej (rys . 3-13) . Pod wpływem zmian strumienia magnetycznego O w cewce 5 wytwarzane jest napięcie U zmieniające się proporcjonalnie do szybkości zmian tego strumienia U = z

tt

(z - liczba zwojów cewki) .

Rys . 3-13 . Reluktancyjny czujnik

prędkości obrotowej [76] 1 - magnes stały, 2 - korpus, 3 - kadłub silnika, 4 - rdzeń magnesu, 5 - cewka, 6- szczelina powietrzna 0,8 . . .1,5 mm, 7 - pole magnetyczne, 8 - ferromagnetyczne koło impulsowe

Wartość strumienia magnetycznego otaczającego cewkę zależy od tego, czy czujnik zajmuje położenie naprzeciw zęba, czy naprzeciw wrębu międzyzębnego (rys . 3-13) . Ząb wzmacnia strumień emitowany przez magnes w cewce 5, wrąb natomiast osłabia ten strumień . Te zmiany strumienia indukują w cewce napięcie wyjściowe . Jest ono funkcją kąta obrotu koła impulsowego 8, ponieważ strumień magnetyczny zależy od kątowego położenia zęba w stosunku do magnesu . Grubość bieguna magnesu stałego zmniejsza się w kierunku koła zębatego, aby poprawić czułość czujnika . W celu izolacji od wpływu czynników atmosferycznych czujnik osłonięty jest obudową z tworzywa sztucznego . Czujniki tego typu charakteryzują się dużą odpornością na zakłócenia elektromagnetyczne, nie wymagają zasilania i układów wzmacniających oraz są tanie w wykonaniu . Do ich głównych wad należy zaliczyć nieprzydatność do pomiaru małych prędkości obrotowych, wrażliwość na zmiany grubości szczeliny powietrznej oraz ograniczoną możliwość zmniejszania wymiarów przy tradycyjnym wykonaniu cewki . Ponieważ wartość strumienia magnetycznego ¢ zależy od grubości szczeliny powietrznej 6 i jej zmian, a amplituda sygnale napięciowego wykładnicze zależy od wielkości tej szczeliny (funkcja er), czujniki te są czułe na dokładność zamocowania względem koła zębatego. Luzy w zamocowaniu powodują drgania wywołujące duże przypadkowe impulsy napięciowe, zakłócające pomiar impulsów od obracającego się koła zębatego . Na wartość sygnale wyjściowego U wpływa również temperatura magnesu i uzwojeń cewki oraz impedancja obciążenia zewnętrznego (rys . 3-14) .



Rodzaje i zastosowania czujników indukcyjnych

53

W zależności od rozmieszczenia i kształtu zębów koła impulsowego indukowane sygnały napięciowe mają różny kształt (rys . 3-15) . Jeżeli czujnik nie jest obciążony, część dodatnia i ujemna sygnału są równe co do wartości bezwzględnej . Po podłączeniu do sterownika sygnał mierzony względem masy samochodu może mieć niejednakową wartość bezwzględną po stronie dodatniej i ujemnej (rys . 314b, c) . W przypadku podłączenia tego czujnika do sterownika układu zapłonowego lub wtryskowego ważne jest zachowanie właściwej biegunowości podłączenia. Odwrócenie biegunowości sygnału z czujnika powoduje, że zmienia się położenie wału korbowego silnika, przy którym występuje zmiana polaryzacji w fazie spadku napięcia oraz określona wartość graniczna napięcia (rys . 3-14d) . Powoduje to znaczną zmianę kąta wyprzedzenia zapłonu (w silniku o zapłonie iskrowym) i uniemożliwia uruchomienie silnika . Sygnał pomiarowy tego typu czujnika jest sygnałem napięciowym o przebiegu zbliżonym do sinusoidalnego i o częstotliwości proporcjonalnej do prędkości obroa

b

c

UWY +10

M

-10 d

r

Rys . 3-14 . Amplituda sygnału napięcia z czujnika prędkości obrotowej w zależności od impedancji obciążenia zewnętrznego [7] a - pomiar przy czujniku odłączonym od sterownika ; b - pomiar po podłączeniu do sterownika ; c - pomiar po podłączeniu do sterownika, względem masy samochodu ; d-przebiegi sygnału z czujnika przy zmianie biegunowości podłączenia do sterownika



54

Czujniki indukcyjne

towej . Przebieg sygnału silnie zależy od budowy współpracującego z nim koła (rys. 3-15), natomiast jego amplituda (przy stałej szerokości szczeliny powietrznej) jest zależna od prędkości obrotowej (rys . 3-16) . W zastosowaniach samochodowych waha się w granicach od kilku miliwoltów do ponad 100 V . Duża zmienność amplitudy i różnice w szybkości narastania sygnału wyjściowego w zależności od prędkości obrotowej koła impulsowego są wadą tego typu czujników . Prędkość obrotową oblicza się na podstawie zliczania w określonym czasie T liczby miejsc zerowych przebiegu napięciowego . Natomiast położenie kątowe wału korbowego lub wałka rozrządu jest ustalane na podstawie pomiaru napięcia progowego z czujnika lub zmiany polaryzacji napięcia . Jednak chwila powstania napięcia o określonej wartości progowej lub zmiana polaryzacji zależy od szybkości zmian strumienia magnetycznego dO/dt, czyli od prędkości obrotowej (rys . 3-17a) . Z tego powodu obliczanie położenia wału korbowego na podstawie pomiaru napięcia progowego obarczone jest błędem . Przy korzystaniu z tego impulsu do określenia kąta wyprzedzenia zapłonu mogą wystąpić niedokładności w regulacji tego kąta rzędu 0,2° . Aby wyeliminować ten błąd, wartości progowe napięcia z czujnika połoIII żenia wału korbowego, przy których ma dojść do wyładowania na świecy zapłonowej, dobierane są przez sterownik zapłonu dynamicznie, w zależności od zakresu prędkości obrotowej silnika. Przykłady przebiegów napięciowych z czujników prędkości e obrotowej silnika i kół przedsta1 wiono na rysunkach 3-17, 3-18 i 3-20 . Na podstawie zliczania w czasie impulsów napięciowych od równo rozmieszczonych zębów tarczy wirującej koła impulsowego obliczana jest prędkość obrotowa , silnika . Przerwa w uzębieniu tarczy e wywołuje impuls o wyższej amplitudzie (rys . 3-15 i 3-17) . Ten impuls pozwala ustalić położenie kątowe wału korbowego silnika, ale nie określa, jaki suw (sprężania czy wylotu) następuje w tym momencie . Dlatego konieczne jest zastosowanie drugiego czujnika, Rys . 3-15 . Przebiegi sygnałów pomiarowych czujnika indukcyjnego w zależności od budowy który otrzymuje jeden impuls na współpracującego z nim koła impulsowego [8j obrót wału rozrządu (rys . 3-18) .

A



Rodzaje i zastosowania czujników indukcyjnych

55

35 s = 0,8 mm

E30 25 .2

:N 20

15 c 5 00

2000 4000 6000 Prędkość obrotowa n [obr/min]

Rys . 3-16 . Zależność sygnału czujnika magnetoindukcyjnego od prędkości obrotowej n oraz od szerokości szczeliny powietrznej s [1051

Analiza sygnałów z czujników położenia wału korbowego i walu rozrządu pozwala precyzyjnie ustalić kątowe położenie walu korbowego, rodzaj suwu w analizowanym cylindrze oraz mierzyć kąty faz rozrządu . Te parametry wykorzystywane są do ustalania chwili początku wtrysku paliwa, kąta wyprzedzenia zapłonu i regulacji faz rozrządu . a

a7,9 wi, MFJE~ 1vAl,

1

D. MA,

A

tx

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50 [ms]

Rys . 3-17 . Przebiegi napięcia a - z indukcyjnego czujnika położenia wału korbowego silnika w funkcji kąta obrotu wału a (1 - obroty silnika n = 800 obr/min, 2 - obroty silnika n = 3000 obr/min) ; h - z indukcyjnego czujnika prędkości obrotowej i położenia wału korbowego [1251



56

Czujniki indukcyjne

[V] 16 14 12 10 6$

II

IIIIIIII~III~I,IIIIIIIIIIIIIIIII

2 0 -2 -4

Illlllll~~~li~~l~ll~llllillllll Illlll~l~~llllllllll~lllllllilllll 5

10

15

20

25

30

35

40

45

Rys . 3-18 . Przebieg napięcia z indukcyjnych czujników prędkości obrotowej wału korbowego silnika i położenia wału rozrządu [ 125]

Rys . 3-19 . Indukcyjne czujniki prędkości obrotowej koła samochodu (układ ABS), z rdzeniem o zakończeniu płetwowym (a) i zaokrąglonym (b) [25] oraz prędkości obrotowej wału korbowego silnika (c)

Przykłady zastosowań tego typu czujników w mechatronice samochodowej to : - pomiar prędkości obrotowej i położenia wału korbowego silnika, - pomiar prędkości obrotowej i położenia wału rozrządu silnika, - pomiar prędkości obrotowej koła (układy ABS, ASR, ESP), - pomiar prędkości obrotowej pompy wtryskowej silnika o zapłonie samoczynnym, - pomiar prędkości jazdy (pomiar prędkości obrotowej wałka głównego skrzynki biegów) .



Rodzaje i zastosowania czujników indukcyjnych

57

M

1,0 n

0,8 0,6

0

0,4, 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0 0

J

M

1 1

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50 [ms]

Rys . 3-20. Sygnał napięciowy z indukcyjnego czujnika prędkości obrotowej koła samochodu w układzie ABS [ 125]

Czujnik dwucewkowy (oscylacyjny) do pomiaru prędkości obrotowej Do pomiaru prędkości obrotowej silnika oraz określenia położenia względnego wału korbowego i wału rozrządu stosowane są również czujniki dwucewkowe, znane jako impulsowe czujniki kąta . Czujnik taki jest zbudowany z dwóch cewek nawiniętych koncentrycznie wokół rdzenia . Uzwojenie pierwotne tworzy cewka zewnętrzna o małej rezystancji i małej indukcyjności . Cewka wewnęti/-na jest uzwojeniem wtórnym, o 30 razy większym oporze i 100 razy większej indukcyjności .

,dh,JAAKA IW"Flvw

Rys . 3-21 . Przebieg napięcia pierwotnego U, i wtórnego U Z w czujniku impulsowym przy niepracującym silniku

Uzwojenie wzbudzenia, czyli cewka zewnętrzna, jest zasilane napięciem sinusoidalnym o częstotliwości rzędu 100 kHz. W uzwojeniu wtórnym indukuje się napięcie sinusoidalne, przesunięte w fazie o 180° (rys . 3-21) . W uzwojeniu pierwotnym przebieg napięcia sinusoidalnego jest wymuszony przez układ elektroniczny, dlatego pojawienie się dodatkowego rdzenia ferromagnetycznego lub zęba koła impulsowego nie wywołuje znaczących zmian w przebiegu tego napięcia . W uzwojeniu wtórnym napięcie jest indukowane, dlatego każda zmiana w obszarze pola magnetycznego, w jakim znajduje się to uzwojenie, ma duży wpływ na przebieg indukowanego napięcia . Rejestrowana zmiana to przesunięcie fazowe napięcia pomiarowego w stosunku do napięcia zadanego (rys . 3-22). Przesunięcie fazowe jest tym większe, im większa jest prędkość obrotowa silnika .

58

Czujniki indukcyjne

u*

AAIL AAIL A VW VW

Rys. 3-22 . Przebieg napięcia pierwotnego U, i wtórnego U, w czujniku impulsowym przy pracującym silniku

Do pomiaru położenia względnego wału korbowego i rozrządu oraz prędkości obrotowej silnika stosuje się dwa tego typu czujniki : jeden, mierzący impulsy z wału rozrządu, drugi - mierzący prędkość j położenie wału korbowego . Sterownik wysyła napięcie sinusoidalne o częstotliwości 100 kHz do czujnika wału rozrządu, a do czujnika wału korbowego - o częstotliwości 140 kHz . Sygnały odpowiedzi z obydwu czujników podlegają przekształceniu na formę cyfrową (rys . 3-23) . Przykładowo, punkt X określający opadające zbocze pierwszego impulsu po przerwie w kole imp
lsowym odpowiada 114° przed GMP pierwszego i czwartego cylindra . Natomiast zmiana z poziomu niskiego na wysoki w czujniku wału rozrządu odpowiada 102° przed GMP czwartego cylindra . Na podstawie obu tych informacji można stwierdzić, czy opadające zbocze impulsu w punkcie Xoznacza pierwszy czy czwarty cylinder.

Czujnik wału korbowego

Czujnik wału rozrządu

Rys . 3-23 . Sygnały wyjściowe z czujników impulsowych po obróbce cyfrowej

Czujnik położenia zębatej listwy regulacyjnej w rzędowych pompach wtryskowych silników wysokoprężnych Czujnik położenia zębatej listwy regulacyjnej pompy wtryskowej działa na zasadzie półróżnicowych przetworników indukcyjnych do pomjaru długości lub kąta (rys . 3-24) . Zbudowany jest z rdzenia ze stali miękkiej 1, na którego ramionach znajdują się cewka pomiarowa 5 oraz cewka referencyjna (odniesienia) 2 . Prąd zmienny, płynący ze sterownika, przepływając przez cewki wytwarza zmienne pole magnetyczne . Pierścienie 3 i 6, które otaczają każde z ramion rdzenia, osłaniają te pola magnetyczne . Pierścień odniesienia 3 jest nieruchomy, a pierścień pomiarowy 6 jest zamocowany na zębatej listwie regulacyjnej pompy wtryskowej . Wraz z przemieszcze-



Rodzaje i zastosowania czujników indukcyjnych

59

Rys . 3-24. Budowa czujnika położenia zębatej listwy regulacyjnej rzędowej pompy wtryskowej [ 111 1 - rdzeń z miękkiej stali, 2 - cewka odniesienia, 3 - pierścień zwierający odniesienia, 4 - listwa regulacyjna, 5 - cewka pomiarowa, 6 - pomiarowy pierścień zwierający, s - położenie listwy regulacyjnej

niem zwierającego pierścienia pomiarowego 6 zmienia się strumień magnetyczny, a więc i napięcie cewki pomiarowej 5, przy czym sterownik utrzymuje stałą wartość prądu zasilającego . Układ sterownika oblicza stosunek napięcia wyjściowego UA cewki pomiarowej 5 do napięcia odniesienia U ef cewki 2 (rys . 3-25) . Jest on proporcjonalny do przemieszczenia pierścienia pomiarowego 6, a więc do przemieszczenia zębatej listwy regulacyjnej pompy wtryskowej . Nachylenie charakterystyki można zmieniać przez przestawienie pierścienia odniesienia 3, a miejsce zerowe poprzez nastawienie początkowego położenia pierścienia pomiarowego 6 .

Liniowy zakres pomiarowy (ok . 30 mm)

[mm] Przemieszczenie listwy regulacyjnej s - •

Rys . 3-25 . Stosunek napięć U / U eF indukcyjnego czujnika z pierścieniami zwierającymi w zależności od położenia zębatej listwy regulacyjnej pompy [111

Czujnik położenia nastawnika dawki w rozdzielaezowej pompie wtryskowej Do pomiaru kąta nastawienia mechanizmu sterującego dawkowaniem paliwa w elektronicznie sterowanych rozdzielaczowych pompach wtryskowych typu EDC/HDK VE stosowane są indukcyjne czujniki działające na zasadzie transformatora . Są to typowe bezkontaktowe czujniki przemieszczenia liniowego lub kątowego . Podobną funkcję mogą pełnić czujniki potencjometryczne, jednak czujniki indukcyjne są dużo bardziej odporne na warunki zewnętrzne i w dużo mniejszym stopniu zużywają się mechanicznie (nie mają ruchomych elementów stykowych) . Uproszczoną, jednocewkową wersję tego typu czujnika przedstawiono na rysunku 3-26a . Ruchoma stalowa ramka 1, połączona z osią nastawnika dawki paliwa,

60

Czujniki indukcyjne

t's 4

E-

i

1

Rys . 3-26 . Budowa i zasada działania czujnika nastawnika dawki paliwa [76] a - zasada działania jednocewkowego indukcyjnego czujnika przemieszczeń, b - widok ogólny czujnika położenia nastawnika dawki, c - zasada działania indukcyjnego czujnika silnika V W 1 .9 TDI (1 - element ruchomy, 2 - element nieruchomy, 3 - cewki indukcyjne, 4 - czujnik temperatury paliwa), d- schemat elektryczny czujnika silnika VW 1 .9 TDI

przesuwa się po rdzeniu zmieniając strumień magnetyczny obejmujący cewkę z. Na skutek tego zmianie ulega napięcie U cewki zasilanej prądem przemiennym . W przypadku czujnika dwucewkowego (rys . 3-26c) jedno z uzwojeń zasilane jest napięciem wzorcowym U ef o określonej częstotliwości (10 kHz) . W drugim uzwojeniu indukuje się napięcie sinusoidalne U y . Sygnał pomiarowy jest przesunięty w fazie w stosunku do sygnału wzorcowego o 180° (rys . 3-27) . Ruchomy pierścień (1, rys . 3-26c) obracając się o kąt fp powoduje zmianę strumienia magnetycznego obejmującego uzwojenia cewek . Wywołuje to zmiany amplitudy sygnału U w drugim uzwojeniu . Są one miarą przemieszczenia kątowego ruchomego ptersctenta 1 . Przebieg sygnału referencyjnego i pomiarowego dla dwóch różnych pozycji nastawnika dawki pokazano na rysunku 3-27 . Charakterystyczny jest brak zmian przesunięcia fazowego napięć w czasie pomiaru . Natomiast znacznej zmianie ulega amplituda napięcia pomiarowego Na drugiej części rdzenia znajduje się pierścień stały (nieruchomy) . Służy on do regulacji wstępnej czujnika . Na rysunku 3-26b jest przedstawiony widok ogólny tego typu czujnika, a na rysunku 3-26d schemat połączenia zespołu czujnika ze sterownikiem . Uwy *

Rodzaje i zastosowania czujników indukcyjnych

61

M 2,0 ref

1,5

1,0 --,_~'0,5 0 -0,5 -1,0 -1,5 YYYYi~ -2,0

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5 [ms]

0,4

0,5 [ms]

M 2,0 re

1,5 1,0 0,5 0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0 0

0,1

0,2

0,3

Rys. 3-27 . Przebieg sygnałów z czujnika położenia nastawnika dawki dla dwóch różnych położeń nastawnika [76]

Inne przykłady stosowanych w mechatronice samochodowej czujników indukcyjnych z cewką o ruchomym rdzeniu to czujnik położenia pedału przyspieszenia i czujnik położenia zaworu, np . biegu jałowego silnika .



Czujniki hallotronowe

4 4.1. Zasada działania i rodzaje Zasadę powstawania efektu Halla przedstawiono na rysunku 4-1 . Jeśli płytkę półprzewodnikową wykonaną z półprzewodnika mono- lub polikrystalicznego zasilaną prądem sterującym Is umieścimy w polu magnetycznym, którego wektor indukcji B skierowany jest prostopadle do płaszczyzny tej płytki, to nośniki prądu pod wpływem siły Lorentza zostaną odchylone w kierunku jednego z brzegów płytki . To odchylenie toru przepływu nośników prądu o pewien kąt 9 spowoduje pojawienie się ładunków o różnych znakach na przeciwległych płaszczyznach bocznych płytki . W rezultacie między wyprowadzeniami 3 14 pojawi się napięcie U,,, zwane napięciem Halla od nazwiska odkrywcy tego zjawiska .

I

•

UH

Is

• M OM-

0

Rys. 4-1 . Zasada działania hallotronu [24] B- kąt skręcenia linii ekwipotencjalnych (kąt Halla) (za zgodą wydawnictwa Carl Hanser Verlag)

Z równania równowagi sił działających na nośniki prądu można wyprowadzić zależność na napięcie Halla przy zadanym prądzie sterującym Is: R„I,B U„ d

(4 .1)



Zasada działania i rodzaje

63

gdzie : R H - współczynnik Halla zależny od materiału półprzewodnika [m 2/A •s], d - grubość płytki [m], Is - natężenie prądu sterującego [A], B - indukcja pola magnetycznego [T] . Napięcie to zależy od natężenia prądu przepływającego przez półprzewodnik oraz od indukcji zewnętrznego pola magnetycznego . Zjawisko Halla szczególnie intensywnie występuje w półprzewodnikach z przewodnictwem jednego typu (elektronowym lub dziurowym), przy czym jest ono tym intensywniejsze, im mniejsza jest koncentracja nośników i im większa jest ich ruchliwość . Czujniki Halla (hallotrony) wykonuje się jako lite lub naparowywane . Lite wycina się w postaci płytek o grubości d = 100 . . .500 pm z większego kawałka monokrystalicznego (Ge, Si), lub (częściej) z materiału polikrystalicznego, mniej czułego na wpływ temperatury (InAs, InSb, HgSe, HgTe) . Elektrody prądowe obejmują całe powierzchnie boczne płytki . Elektrody napięciowe są punktowe i umieszczone symetrycznie względem bocznych ścianek . Hallotrony naparowywane nanosi się w postaci cienkiej warstwy (10 pm) na podłoże z miki lub szkła, na którym uprzednio umieszczono elektrody . Właściwości czujnika Halla opisują charakterystyki statyczne : UH = f(IS) przy B = const oraz UH = f(B) przy Is = const (rys . 4-2) . Charakterystyka Uf, = f(B) odbiega od liniowej przy większych wartościach prądu wskutek nagrzewania się czujnika . Błędy tego typu czujników powodowane są głównie zmianami temperatury, niestałością czasową oraz napięciem indukowanym w obwodzie wyjściowym przez przemienne pole magnetyczne . a

b UH

800 -

[mV'

UH

Imu]

400 -

400

0

Rys. 4-2 . Charakterystyki statyczne czujnika Halla [9]

Czujniki hallotronowe można podzielić na przełączniki i czujniki liniowe . Przełączniki mają wbudowany komparator ze zdefiniowanymi punktami przełączania oraz cyfrowe wyjście, które może być podłączone do systemu logicznego . Typowy przełącznik tego typu posiada pojedynczą płytkę Halla i elektroniczny układ progowy (rys . 4-3a) . Charakterystyczne są dwa punkty indukcji magnetycznej : B, „a t B wył . Jeżeli indukcja magnetyczna rośnie do wartości B ..„ napięcie Halla UH również wzrasta do wartości progowej UŃ . Tranzystor układu przełączającego, na którego bazę działa to napięcie, przechodzi w stan załączenia, a na-

Czujniki hallotronowe

64 a

1

uo 1

VOL

1

B Wyl

b

0

B„,

B

u,yy uo

min typ max

BWyl

min typ max

0 B„,

c

uo Rys . 4-3 . Charakterystyki różnych typów przełączników Halla (B - indukcja magnetyczna, U,,y - napięcie wyjściowe z czujnika, UH - napięcie Hala) [97] a - punkty przełączania (BAI , Bwy , - wartość indukcj i magnetycznej, przy której następuje przełączenie napięcia wyjściowego z czujnika ; Uo, U.L - wartości napięcia wyjściowego U. y z czujnika ; BHYS - histereza magnetyczna czujnika) ; b - charakterystyka przełącznika blokującego (latching) ; c - charakterystyka przełącznika jednobiegunowego (unipolar) ; d - charakterystyka przełącznika dwubiegunowego (bipolar)



Zasada działania i rodzaje

65

pięcie wyjściowe U,,,, które jest mierzone na kolektorze tranzystora, zmniejsza się skokowo od wartości Uo do UOL (rys . 4-3a) . Gdy natomiast indukcja B zmniejsza się do wartości BWył, napięcie Halla również zmniejsza się do dolnej wartości progowej UH'. Powoduje to wyłączenie tranzystora, a napięcie wyjściowe Uwy rośnie skokowo do Uo . Układ taki rozpoznaje wartości graniczne napięcia Halla i przetwarza sygnał analogowy na prostokątne impulsy napięciowe . Stosowane są również układy przełączające z przerzutnikiem Schmitta . W praktyce wartości indukcji B wyl i B Za l , przy których następuje zmiana napięcia wyjściowego U r zawierają się w wąskim przedziale min . . . max (rys . 4-3b) . W działaniu czujnika Halla z układem przełączającym występuje histereza magnetyczna BHYS (rys . 4-3a), w zakresie której napięcie przełącznika U Y nie ulega zmianie . Z tego powodu do zmiany sygnału wyjściowego wymagany jest wyraźny skok wartości indukcji B - około 50 mT. W zależności od wartości i kierunku pola magnetycznego wywołującego zadziałanie układu pomiarowego czujnika przełączniki Halla można podzielić na kilka typów : - blokujące (latching sensors), -jednobiegunowe (unipolar sensors), - dwubiegunowe (bipolar sensors) . Przełączniki blokujące (latching sensors) wymagają pola magnetycznego o zmiennym kierunku (rys . 4-3b) . Charakterystyczne dla tych czujników jest, że sygnał wyjściowy z przetwornika nie zmienia się, jeżeli pole magnetyczne zanika do zera . W celu zmiany stanu wyjścia należy przyłożyć do płytki Halla pole magnetyczne o polaryzacji odwrotnej do działającej uprzednio . Tego typu czujniki są wykonywane dla symetrycznych zmian wartości pola magnetycznego względem zera, np . ±85 Gs . Spotyka się także czujniki o odwrotnym wyjściu : polaryzacja dodatnia powoduje wzrost napięcia na wyjściu, polaryzacja ujemna - spadek napięcia . Przełączniki jednobiegunowe (unipolar sensors) nie wymagają zmian kierunku pola magnetycznego - polaryzacji, lecz tylko jego wartości (rys . 4-3c) . Na ogół tego typu czujniki wymagają pola magnetycznego o polaryzacji dodatniej, skierowanego w stronę oznakowanej krawędzi czujnika . Taki czujnik nie reaguje na zmiany pola magnetycznego o polaryzacji odwrotnej (ujemnej) . Przełączniki dwubiegunowe (bipolar sensors) są zbliżone w działaniu do przełączników blokujących z tym, że nie zawsze jest spełniona zasada stałości sygnału wyjściowego, gdy pole magnetyczne zanika do zera (rys . 4-3d) . W nowych układach te czujniki są zastępowane przez czujniki blokujące . Inny rodzaj czujników wykorzystujących zjawisko Halla, to tzw . płytki polowe (rys . 4-4a) . Podczas oddziaływania pola magnetycznego na płytkę półprzewodnika, w której płynie prąd, zmienia się jego impedancja pozorna . Dla małych wartości indukcji B obowiązuje przybliżona zależność [24] : R H = &( 1+kB`)

(4 .2)



66

Czujniki hallotronowe

gdzie : R o - rezystancja płytki dla B = 0, k - stała zależna od materiału i wymiarów płytki . Przy zasilaniu stałym prądem zmiana rezystancja wywołuje zmiany napięcia UR . W celu przesunięcia zakresu pracy takiego czujnika w zakres zbliżony do liniowego płytka Halla jest poddana oddziaływaniu stałego, szczątkowego pola magnetycznego o niewielkiej wartości indukcji (rys . 4-4a) . W zakresie zbliżonym do liniowego rośnie również czułość czujnika na zmiany indukcji magnetycznej . Jednym z rozwiązań stosowanych w pojazdach samochodowych są dwuprzewodowe czujniki Halla, zasilane prądem stałym (rys . 4-4b) . Zmiana natężenia pola magnetycznego działającego na płytkę powoduje indukowanie się napięcia Halla, jak również zmianę rezystancji płytki . Przy stałym napięciu zasilania powoduje to pulsacje prądu płynącego przez płytkę Halla . Pulsacje te są rejestrowane przez sterownik na podstawie pomiaru zmian napięcia na rezystorze RL (rys . 4-4b) .

a UR

O

• O

b HAL 556 HAL 56x

Wysokie

Niskie

Rys . 4-4 . Płytka polowa (a) i jej charakterystyka R B(B) (B - kąt skręcenia linii ekwipotencjalnych, tj . kąt Halla) (za zgodą wydawnictwa Carl Hanser Verlag) oraz dwuprzewodowy czujnik Halla (b) i przetworzony (impulsowy) sygnał wyjściowy z tego czujnika [24], [97]



67

Zasada działania i rodzaje

Zastosowanie znajdują również przełączniki różnicowe, zbudowane z dwóch płytek Halla, magnesu stałego i wirnika ze stali magnetycznie miękkiej (rys . 4-5) . W celu uzyskania sygnału wyjściowego o odpowiednim kształcie i mocy, odległość między płytkami Halla powinna wynosić połowę podziałki zębów wirnika . Układ elektroniczny oblicza różnicę napięć Halla z obu płytek . Takie rozwiązanie powoduje, że sygnał wyjściowy z czujnika zależy od różnicy indukcji magnetycznej działającej na płytki Halla . Tranzystor wyjściowy jest przełączany w zależności od różnicy indukcji magnetycznej między płytkami : OB = B ł - Bz . Wartości graniczne tej różnicy Bzał t B Wył są definiowane podobnie, jak dla typowych jednopłytkowych przełączników Halla . Biegunowość sygnałów wyjściowych napięcia nie zależy od wielkości szczeliny między płytkami a wirnikiem . Zmienia się tylko amplituda sygnału . Tego typu czujniki wykorzystywane są do zliczania liczby impulsów, np . przy pomiarach drogi lub kąta. Czujniki Halla pracuj ąw szerokim zakresie napięć zasilania : od 4,5 V do 24 V Ta cecha pozwala na szerokie ich stosowanie, między innymi w pojazdach samochodowych . u,Y L=2mm

3 mm N Rys. 4-5 . Zasada działania różnicowego czujnika Halla i jego sygnał w zależności od szczeliny powietrznej 1 - płytki polowe lub przetwomiki Halla, 2 - podłoże magnetyczne miękkie, 3 - magnes stały, 4 - koło zębate ze stali magnetycznie miękkiej [ 11 ]

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450 500 B [mT]

Rys . 4-6. Przykłady charakterystyk liniowych czujników Halla firmy AHS, I = 1 mA [90] 1 - P 15A (AlGaAs/InGaAs/GaAs - AHS Ltd), 2 - I l0A (InGaAs/InAIAs/InP - AHS Ltd), 3 - InSb, 4 - InAs, 5 - GaAs



68

Czujniki hallotronowe

Innym rodzajem czujników wykorzystujących zjawisko Halla są czujniki liniowe . Generują one analogowy sygnał napięciowy proporcjonalny do indukcji magnetycznej B, działającej na płytkę Halla (rys . 4-6) . Parametry charakteryzujące ten typ czujnika Halla to napięcie wyjściowe U o przy zerowej indukcji magnetycznej i czułość 0U IAB . VDD o-

Zabezpieczenie przed zmianą polaryzacji

Polaryzacja zależna od temperatury

Kontrola histerezy i

Zabezieczenie zwarciowe i przepięciowe Sygnał wyjściowy

Piytka Halls

Przełącznik elektroniczny

Komparator

Wyjście

0

Generator GND 0

Rys . 4-7. Schemat blokowy czujnika Halla typu 5ox firmy Micronas Semiconductor [97] VDD - napięcie zasilania, GND - potencjał odniesienia

Efekt Halla może być zakłócony np . przez mechaniczne obciążenie płytki, wpływ temperatury lub histerezę magnetyczną. Kompensacja tych zakłóceń wymaga stosowania dodatkowych układów . Zintegrowane czujniki Halla zawierają na jednej płytce (single chip) wszystkie układy kompensujące zakłócenia i zwiększające dokładność pomiarową czujnika (rys . 4-7) .

4 .2.

Zastosowania czujników hallotronowych

W technice samochodowej najczęściej wykorzystuje się czujniki hallotronowe do sterowania pracą modułów zapłonowych, jako czujniki położenia i obrotów wału korbowego oraz wału rozrządu silnika (tzw. czujniki fazy), a także prędkości obrotowej kół w układach ABS i w układach pokrewnych . Jako czujniki liniowe stosowane są one np . do pomiaru kąta otwarcia przepustnicy, położenia pedału przyspieszenia (drive-by-wire), kąta obrotu kierownicy, stopnia otwarcia szyb i natężenia prądu (rys . 4-8) . Nadajnik impulsów zapłonowych, czujnik położenia wału i prędkości obrotowej Schemat bezstykowego nadajnika impulsów zapłonowych przedstawiono na przykładzie synchronizatora zapłonu (rys . 4-9) . Stalowy wirnik zbudowany z przesłon S i okienek 6 obraca się wraz z wałem rozrządu silnika . Jeśli przestrzeń pomiędzy biegunem elektromagnesu 2 i czujnikiem Halla 3 jest otwarta (okienko 6), wówczas pojawia się napięcie Halla . Wbudowany w czujnik Halla układ scalony dodatkowo wzmacnia sygnał . Jeśli natomiast w szczelinie powietrznej między

Zastosowania czujników hallotronowych

69

c

Rys . 4-8. Przykłady zastosowań czujników Halla [97] a - czujnik położenia pedału przyspieszenia, b - czujnik prędkości obrotowej silnika (czujnik różnicowy z dwiema płytkami Halla), c - czujnik stopnia otwarcia szyby w drzwiach samochodu, d-czujnik włączenia świateł hamowania



70

Czujniki hallotronowe

Rys. 4-9 . Zasada działania nadajnika impulsów zapłonowych wykorzystującego efekt Halla [261 1 - wirująca przesłona stalowa z okienkami (b - szerokość segmentu), 2 - biegun magnesu, 3 - płytka Halla, 4 - szczelina powietrzna, 5 - stalowa przesłona, 6 - okienko

magnesem 2 i płytką Halla 3 znajduje się przesłona stalowa 5, to linie pola magnetycznego nie oddziałują na czujnik i napięcie Halla jest bliskie zeru (pozostają niewielkie pola rozproszone, których nie można całkowicie wytłumić) . Przebieg napięcia Halla daje więc jednoznaczny sygnał położenia wału rozrządu, a sygnały z tego czujnika mogą służyć do wyzwalania zapłonu . Wirnik z przesłonami obraca się z prędkością równą połowie prędkości obrotowej wału korbowego, a liczba okienek odpowiada liczbie cylindrów silnika . Szerokość przesłony 5 jest dostosowana do wymaganego kąta zwarcia konkretnego układu zapłonowego . Kąt ten jest stały w okresie eksploatacji pojazdu i nie wymaga regulacji . Czujnik Halla wbudowany w aparat zapłonowy umożliwia bezstykowe wyzwalanie impulsów napięciowych, które sąwykorzystywane przez jednostkę sterującą do przerywania prądu w obwodzie pierwotnym układu zapłonowego i w efekcie do generowania iskry pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej .

0

0

20

40

60

80

100 t [ms]

Rys. 4-10 . Przebieg sygnału z czujnika hallotronowego

Na tej samej zasadzie działa hallotronowy czujnik fazy do rozpoznawania kątowego położenia wału rozrządu silnika . Różnica w jego budowie polega na tym, że zamiast przesłony i szczeliny na płytkę Halla oddziałuje ferromagnetyczne koło impulsowe z jednym występem, sprzężone z wałem rozrządu . Przetwornik taki daje na wyjściu prostokątny sygnał napięciowy (rys . 4-10), przetworzony przez zintegrowany z nim układ elektroniczny z przerzutnikiem Schmitta . Sygnał ten może być wykorzystany do uruchamiania wtryskiwaczy silnika lub do sterowania kątem wyprzedzenia zapłonu . Zaletą tego typu czujników w porównaniu z czujnikami magnetoindukcyjnymi jest niezmienność wartości impulsu napięcia w funkcji prędkości obrotowej oraz znaczna odporność sygnału czujnika na zakłócenia . Do ich wad można natomiast



Zastosowania czujników hallotronowych

71

zaliczyć znaczny wpływ temperatury na efekt Halla oraz konieczność zasilania czujników. Jednym z parametrów wejściowych elektronicznego modułu sterującego układem zasilania silnika jest prędkość samochodu . W celu obliczenia tej prędkości stosuje się czujnik hallotronowy VSS (Vehicle Speed Sensor), przedstawiony na rysunku 4-11 . Zwykle jest on wkręcany w obudowę skrzynki biegów i napędzany mechanicznie od wałka zdawczego skrzynki biegów. Linka lub wałek giętki napędza zespół magnesów stałych oddziałujący na czujnik Halla, umieszczony w stojanie . Układ elektroniczny tego czujnika generuje określoną ilość impulsów napięcia na jeden obrót wałka . Częstotliwość tych impulsów jest proporcjonalna do prędkości obrotowej wałka wyjściowego skrzynki biegów, a przy poślizgu kół pojazdu bliskim zeru jest także proporcjonalna do prędkości liniowej samochodu . a

b

Sygnał

Masa

Rys . 4-11 . Hallotronowy czujnik prędkości jazdy samochodu Lublin II (a) i układ podłączeń jego przewodów (b) [105]

Czujnik przyspieszenia W czujnikach tego typu stosuje się układy ze sprężyście zamocowaną masą (rys . 4-12a) . Element Halla 4 zamocowany jest do masy sejsmicznej 1 . Masa ta wychyla się z położenia równowagi pod działaniem siły bezwładności wywołanej przyspieszeniem a . Element Halla przemieszcza się wraz z masą I w liniowo zmiennym polu magnetycznym . Napięcie generowane w przetworniku Halla jest proporcjonalne do wychylenia masy 1 . Wychylenie to zależy od sztywności sprężyny 2 i od przyspieszenia działającego na czujnik . Jedno z rozwiązań konstrukcyjnych tego typu czujnika przedstawiono na rysunku 4-12b . Do swobodnego



Czujniki hallotronowe

%2

końca sprężyny taśmowej 3 jest przymocowana masa drgająca w postaci magnesu trwałego 2 . Nad magnesem znajduje się właściwy przetwornik Halla 1 z elektronicznym układem obróbki sygnału . Pod magnesem umieszczona jest wykonana z miedzi mała płytka tłumika 4, działającego na zasadzie prądów wirowych . Gdy na czujnik oddziałuje przyspieszenie a, zmienia się położenie równowagi układu masa 2 - sprężyna 3. Wychylenie masy 2 jest miarą przyspieszenia . Strumień magnetyczny 0, przenikający przez płytkę Halla 1, wytwarza w niej napięcie UH. Napięcie to zależy od położenia płytki względem magnesu 2, a więc od przyspieszenia a . Wyprowadzone z płytki 1 napięcie wyjściowe, uformowane przez układ elektroniczny, zmienia się liniowo wraz z przyspieszeniem (rys . 4-13) . Czujniki te znalazły zastosowanie w mechatronice samochodowej, w układachABS i stabilizacji toru jazdy ESP, do pomiaru wzdłużnego i poprzecznego przyspieszenia pojazdu . Czujnik wychylenia kątowego Czujnik ten składa się z dwóch prostopadle umieszczonych płytek Halla i pozwala mierzyć kąt obrotu o zakresie do 360° (rys . 4-14) . Jest on złożeniem dwóch czuja

L

e $

\/

Rys . 4-12 . Czujnik przyspieszenia wykorzystujący efekt Halla a - zasada działania (1 - masa sejsmiczna, 2 - sprężyna, 3 - tłumik, 4 - czujnik Halla, S - magnes stały, 6 - obudowa) b - schemat czujnika ze sprężyną płaską [111 (1 - element Halla, 2 - magnes stały, 3 - sprężyna płaska, 4 - tłumik elektrodynamiczny, I, - prąd wirowy tłumika, a - przyspieszenie)



73

Zastosowania czujników hallotronowych

M

Un 4

ppr,

3 2 1 0 -1g

0

lg

a

Rys . 4-13 . Przykład charakterystyki czujnika przyspieszenia wykorzystującego efekt Halła [111

ników liniowych. Gdy magnes stały 3 obraca się względem płytek Halla 1, to płytki te poddane są działaniu zmiennego pola magnetycznego o indukcji B . Układy Halla usytuowane są równolegle do osi obrotu magnesu trwałego . Przy takim ustawieniu płytek składowe x i y napięcia Halla UH w funkcji wirującego wektora indukcji B można opisać za pomocą następujących równań : UX = kasino (4 .3)

U,, = kBcos ¢ Z obu tych sygnałów można wyznaczyć kąt ¢: ' 0 = arctg l U U 1

(4 .4)

Układ obliczeniowy wbudowany w część elektroniczną czujnika na podstawie sygnałów U i UV wylicza wartość kąta obrotu 0.

Rys. 4-14 . Budowa czujnika wychylenia kątowego z przetwornikami Halla [ 11 1- płytki Halla, 2 - wałek obrotowy, 3 - magnes trwały

Inną odmianą konstrukcyjną tego typu czujnika jest układ z magnesem 3 poruszającym się po łuku wokół płytki Halla 1 (rys . 4-15) . Zmiana indukcji magnetycznej B T działającej na płytkę Halla przebiega sinusoidalnie i wywołuje napięcie



Czujniki hallotronowe

74

Halla proporcjonalne do wartości tej indukcji . Powstaje przy tym charakterystyka sinusoidalna napięcia w funkcji kąta obrotu magnesu . Charakterystyka ma przebieg zbliżony do liniowego tylko we względnie matym zakresie zmian kąta (p w pobliżu kąta 90° (rys . 4-15a) . W celu wydłużenia zakresu liniowego element Halla można przesunąć względem środka obrotu magnesu (rys . 4-15b) . Czujniki tego typu znalazły zastosowanie w mechatronice samochodowej do pomiaru kąta obrotu pedału przyspieszenia oraz położenia osi wzdłużnej pojazdu w układach automatycznej regulacji zasięgu świateł . Dają one sygnał analogowy .

a

90

1

B X [mT] 60 30

Ipibli~ik

1

0

"irJ-

-30 -60

270°

B [mT] 60 30 0°

0

ik 90°

-30 -60

180°

I 70°

Rys . 4-15 . Zasada działania czujnika kąta typu ASR2 z ruchomym magnesem i zmiana indukcji magnetycznej działającej na czujnik Halla [11] 1 - czujnik Halla, 2 - czujnik Halla przesunięty względem punktu środkowego celem linearyzacji charakterystyki, 3 - obracający się magnes stały, (p - mierzony kąt obrotu

270°

Czujnik kąta obrotu kierownicy Czujniki kąta o zakresach pomiarowych większych od 360° posiadają kilka układów Halla rozmieszczonych na obwodzie stojana (rys . 4-16) . Obracająca się tarcza zębata z miękkiej stali 2 odsłania lub przysłania pola magnetyczne działające na kolejne przełączniki Halla 3, które wytwarzają odpowiedni sygnał napięciowy . Sygnały te następnie zamieniane są na postać cyfrową, a ich suma jest proporcjonalna do kąta obrotu np . wału kierownicy. Pomiar kąta obrotu większego od 360° wymaga kombinacji dwóch układów czujników. Układ dziewięciu magnesów stałych i dziewięciu płytek Halla mierzy kąt obrotu w zakresie 360° . Pozostałe pięć przetworników otrzymuje kolejno impulsy magnetyczne przez przekładnię zębatą o przełożeniu 4 : 1 i służy do zliczania liczby obrotów wału kierownicy. Drugi rodzaj czujników kąta obrotu kierownicy działa na zasadzie noniusza (rys . 4-17) . Wał kierownicy napędza dwa koła zębate o różnej ilości zębów : m i m + 1 . Na kołach tych naklejone są magnesy stałe 4 . Oddziałują one na dwa nie-



Zastosowania czujników hallotronowych

75

Rys . 4-16. Czujnik kąta obrotu kierownicy typu LWS1 [11] 1 - pokrywa z magnesami trwałymi, 2 - tarcza z materiału ferromagnetycznego, 3 - płytka z przełącznikami Halla i mikroprocesorem, 4 - napęd, 5 - przełączniki Halla, 6 - tulejka ustalająca

ruchome przetworniki magnetorezystancyjne 5, których rezystancja zmienia się stopniowo, zależnie od kierunku zewnętrznego pola magnetycznego . Są to półprzewodnikowe przetworniki typu AMR (Anisotroph Magneto Resistive), wykazujące pewien magnetyzm szczątkowy . Jeżeli natężenie zewnętrznego pola jest znacznie silniejsze od magnetyzmu szczątkowego przetwornika 5, to zmiana jego rezystancja zależy wyłącznie od kierunku zewnętrznego pola magnetycznego, czyli od kąta obrotu magnesu stałego 4 . Ponieważ koła zębate z magnesami mają różną liczbę zębów, każde położenie kątowe wału kierownicy daje inne względne ustawienie tych kół i inny kierunek pola magnetycznego od magnesów 4 . To z kolei odpowiada określonej wartości rezystancja i spadku napięcia na przetwornikach AMR . Mikroprocesor oblicza według określonego programu kąt obrotu wału kierownicy na podstawie analizy spadków napięć na obu przetwornikach 5 . Dokładność pomiaru kąta wynosi 1 ° obrotu wału kierownicy . W tym rozwiązaniu może być stosowany dodatkowy czujnik z pojedynczym przetwornikiem AMR umieszczonym w osi kierownicy . Slu2y on do pomiaru kąta w zakresie 360°, a jego sygnał jest wykorzystywany przez układ ESP jako parametr kontrolny w stosunku do sygnału z czujnika wieloobrotowego .

76

Czujniki hallotronowe

Rys . 4-17. Zasada działania czujnika kąta skrętu kierownicy typu LWS3 z przetwornikami magnetorezystancyjnymi 1 - wał kierownicy z kołem zębatym ; 2, 3- koła zębate o liczbie zębów m i m+l ; 4 - magnesy stałe ; S - przetworniki magnetorezystancyjne (AMR) ; 6 - układ elektronicznego przetwarzania sygnału

Czujnik kąta obrotu w układzie regulacji położenia reflektorów W układzie kontroli pochylenia wzdłużnego samochodu zastosowano dwa czujniki kąta obrotu, zamocowane do nadwozia z przodu i z tyłu pojazdu (rys . 4-18) . Czujniki połączone są dźwigniowo z osią kół lub elementami ich zawieszenia . Zmiana położenia nadwozia względem osi kół zamieniana jest przez układ dźwigniowy na obrót pierścienia magnetycznego w czujniku . Powoduje to zmianę pola magnetycznego przenikającego przetwornik Halla umieszczony w statorze czujnika . Zmiana indukcji magnetycznej wywołuje zmianę napięcia Halla proporcjonalną do przemieszczenia dźwigni łączącej czujnik z zawieszeniem, a więc do ugięcia zawieszenia . Do sterownika docierają sygnały z czujników ugięcia zawieszenia przedniego i tylnego . Wartość sygnałów bieżących porównywana jest z sygnałami ugięcia statycznego, obliczana jest też różnica sygnałów z przedniego i tylnego czujnika . W zależności od wartości różnicy i jej znaku sterownik opracowuje sygnastawnik sterownik regulatora regulatora wi$zki światła ~ światła

czujnik zaliggu wiązlu kmah

Rys . 4-18 . Schemat układu dynamicznej regulacji ustawienia reflektorów [43]



Zastosowania czujników hallotronowych

77

nał wysyłany do silników krokowych regulujących ustawienie reflektorów z uwzględnieniem prędkości samochodu . Przy stałej prędkości jazdy regulacja ustawienia reflektorów odbywa się stopniowo, z dużym tłumieniem, aby nie przeregulowywać ich ustawienia przy wjeździe na przypadkowe nierówności jezdni (dziury, występy), ale dostosować je do nachylenia. W czasie przyspieszania lub hamowania przechyły wzdłużne nadwozia są uwzględniane natychmiast, dynamicznie, a regulacja ustawienia reflektorów przez silniki krokowe odbywa się bez tłumienia . Taki dynamiczny sposób regulacji jest ważny zwłaszcza przy stosowaniu świateł z lampami wyładowczymi (tzw . ksenonowymi), w których efekt olśniewaniajest szczególnie intensywny . Czujnik prędkości obrotowej w układzie ABS Czujnik ten dokonuje detekcji prędkości obrotowej na podstawie impulsów zmiennego pola magnetycznego pochodzących od koła z zamontowanym pierścieniem multimagnetycznym (rys . 4-19) . Zasada działania jako przełącznika napięcia pozwala na

t

b

Rys . 4-19 . Hallotronowy czujnik prędkości obrotowej koła w układzie ABS z pierścieniem wielobiegunowym a - budowa [111 i sygnał pomiarowy [ 1211 b - widok



7$

Czujniki hallotronowe

pomiar prędkości obrotowej niemal od wartości zerowej . Dodatkową zaletą jest mała wrażliwość na wielkość szczeliny powietrznej między czujnikiem a wirnikiem . Czujnik prędkości obrotowej koła samochodu współpracuje z pierścieniem składającym się z wielu napylonych minimagnesów . Jest on częścią uszczelnienia piasty łożysk koła . Pierścień z magnesami obracając się razem z kołem powoduje, że na płytkę Halla (występują także rozwiązania z dwiema płytkami) działa strumień magnetyczny o zmiennym kierunku . Ponieważ sygnały otrzymywane z elementu Halla mają małą wartość, powinny najpierw być wzmacniane, a następnie przesyłane do sterownika . W zastosowaniu do pomiaru prędkości kół samochodu stanowi to znaczne utrudnienie . Częściej stosuje się zasadę działania płytek polowych Halla (patrz rys . 4-4) . Czujnik połączony jest ze sterownikiem przewodem dwużyłowym i zasilany prądem o stałym napięciu, które może wynosić od 4,5 do 20 V. Z zasady działania płytek polowych wynika, że podczas oddziaływania zmiennego pola magnetycznego na płytkę polową zmienia się jej impedancja, a więc przy stałym napięciu zmianie ulega prąd płynący w obwodzie płytki . Częstotliwość zmian prądu jest proporcjonalna do zmian pola magnetycznego od segmentów pierścienia wielobiegunowego, a więc do prędkości obrotowej koła . Układ elektroniczny w sterowniku zamienia sygnał prądowy analogowy na impulsy, nadające się do dalszej analizy cyfrowej . Możliwy jest również pomiar częstotliwości zmian napięcia na rezystorze dodatkowym R L (patrz rys . 4-4b) . Przy stałej wartości napięcia zasilającego czujnik zmiany jego impedancja powodują pulsacje prądu zasilającego i zmiany napięcia na rezystorze R L z częstotliwością proporcjonalną do prędkości obrotowej koła samochodu .

Rys . 4-20. Cęgi prądowe o zakresie pomiarowym do 60 A (z lewej) oraz do 600 A



79

Zastosowania czujników hallotronowych

Zaletą czujników Halla jest możliwość pomiaru prędkości obrotowej kół samochodu od wartości bliskiej zeru . Wynika to z faktu, że sygnały z tych czujników zależą od indukcji pola magnetycznego, która przy zerowej prędkości obrotowej również ma określoną wartość . Czujniki stosowane w układach ABS mogą być wyposażone w układ różnicowy z dwoma przetwornikami Halla i układ rozpoznawania kierunku prędkości obrotowej . Jest to funkcja wykorzystywana do ułatwienia ruszania pojazdem pod górę . Jeżeli czujnik prędkości obrotowej koła sygnalizuje jazdę do tyłu, a jednocześnie nie włączono biegu wstecznego, to sygnał ten uruchamia układ ABS, przyhamowując koła . Możliwe jest również zadziałanie elektrycznego hamulca postojowego . Jest to tzw. funkcja hill holder. Po naciśnięciu na pedał przyspieszenia siła hamująca zanika . Czujnik natężenia prądu Jest to czujnik Halla, zamontowany w tzw . cęgach prądowych, służących do bezdemontażowego pomiaru natężenia prądu w instalacji elektrycznej (rys . 4-20) . Znajdują one zastosowanie w pomiarach natężenia prądu rozruchowego silnika oraz prądu pobieranego przez inne urządzenia w samochodzie . Zacisk tego przya [Al 600 540 480 420 360 300 240 180 120 60 0 0,0

~wZ~1~,r1TJ~~j~~ [s] 0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

Cęgi prądowe - zakres 600 A

b

[A] -125 -150 -175 -200 -225 -250 -275 -300 -325 -350 -375 0,0

~ti'1~~1tT~lT~IT~1i1~tI~LT~1~~I1~Ta [s] 0,2

0,4

0,6

0,8 1,0 1,2 1,4 Cęgi prądowe - zakres 600 A

1,6

1,8

Rys. 4-21 . Przebiegi prądu rozruchowego silnika benzynowego (a) i wysokoprężnego (b) przy wyłączonym zasilaniu [121]

2,0



80

Czujniki hallotronowe

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

A : [nap . AKUM .] 2 .0

V 1

DIV

. . . . . . . . . . . . . . .

A= 13.49V

ABCD

B : p (niewidoczny) C: [Prąd rozruchu] 200 A 1 DIV D: [Obn 1 min] (niewidoczny)

C = 0.00 A D = . .. Obr.1 min

Rys . 4-22 . Pomiar prądu rozruchowego 1 i napięcia 2 akumulatora samochodowego za pomocą cęgów prądowych z czujnikiem Halla

rządu (cęgi) obejmuje przewód, w którym płynie prąd elektryczny . Wokół tego przewodu istnieje pole elektromagnetyczne, działające na czujnik Halla umieszczony w cęgach . Powstające w czujniku napięcie Halla jest proporcjonalne do indukcji pola elektromagnetycznego, a to z kolei do natężenia prądu płynącego w przewodniku . Przykład pomiaru prądu rozruchowego silnika o zapłonie iskrowym i silnika o zapłonie samoczynnym przedstawiono na rysunku 4-21 . Stosowane są cęgi o różnym zakresie pomiarowym, np . do 60 A do pomiaru prądu o mniejszym natężeniu i do 600 A do pomiaru prądu rozruchowego silnika .



Czujniki potencjometryczne

5 5.1 .

Zasada działania

Potencjometr jest rezystorem nastawnym, umożliwiającym płynną, wielokrotną zmianę wartości rezystancji . Styk rezystora może poruszać się ruchem postępowym, obrotowym lub śrubowym . Do cech charakterystycznych potencjometrów należą : rezystancji znamionowa, własności części oporowej, moc oraz charakter zmian rezystancji w funkcji położenia suwaka . W potencjometrze ślizgowym (rys . 5-1) do celów pomiaru wykorzystuje się zależność między długością rezystora a wartością jego rezystancji :

R, = p _l

(5 .1)

gdzie: p - rezysty~no [n-m], 1 - długość ścieżki potencjometru do miejsca położenia ślizgacza [m], S - przekrój ścieżki [m 2]. i Uo R

T

Rys . 5-1 . Schemat elektryczny potencjometru Uo - napięcie zasilania, R - całkowita rezystancji ścieżki przewodzącej, R, - rezystancji ścieżki przewodzącej do miejsca położenia ślizgacza, R m - rezystancji wewnętrzna ślizgacza i przyrządu pomiarowego, U, - sygnał pomiarowy

Na podstawie rozwiązania szeregowo-równoległego układu rezystorów można zapisać : I-Uo-U, oraz I=(U o -U)& +R, (5 .2ab) R-R, R,&



$2

Czujniki potencjometryczne

Z powyższych zależności można wyznaczyć związek między sygnałem pomiarowym a rezystancją R, proporcjonalną do położenia suwaka na ścieżce oporowej potencjometru : U, = U o

A R-R,+A

(5 .3)

gdzie : A =R, Rm R,+k Prąd płynący przez rezystancję R m powinien być pomijalnie mały, to znaczy Rm »R 1 . Dla R .-oo jest : R,R R, + R

R, -

R,

(5 .4)

R, / R,,, + 1

Na podstawie zależności (5 .3) i (5 .4) można zapisać : U, = Uo

R

(5 .5)

Ponieważ napięcie zasilania Uo wpływa na wynik pomiaru, musi ono być stabilizowane . Potencjometry w mechatronice samochodowej są wykorzystywane jako czujniki położenia liniowego lub kątowego o maksymalnym kącie obrotu 270° . Jako ścieżki przewodzące wykorzystuje się rezystory drutowe, spieki metaloceramiczne lub tworzywa przewodzące . Połączenie ślizgowe zwykle realizowane jest za pomocą drugiej ścieżki stykowej pokrytej materiałem niskorezystancyjnym . Zużycie potencjometru i błąd pomiaru można zmniejszyć poprzez zminimalizowanie prądu odprowadzenia przez suwak (I < 1 mA), optymalny dobór pary ślizgowej suwakścieżka oraz zapewnienie szczelności układu . W niektórych rozwiązaniach potencjometry są dodatkowo wyposażane w styki zwierające, których sygnał informuje jednostkę sterującą o charakterystycznym stanie pracy układu ; np . dla potencjometru przepustnicy jest to styk biegu jałowego i styk pełnego obciążenia .

5.2 . Zastosowania czujników potencjometrycznych Czujniki położenia przepustnicy Typowy czujnik położenia przepustnicy działa na zasadzie potencjometru obrotowego . Umieszczony jest w osi przepustnicy powietrza obracając się wraz z nią . Ramię ślizgacza czujnika przemieszcza się po bieżniach 1, 2 i 5 (rys . 5-2) . Izolowane bieżnie są zasilane stabilizowanym napięciem 5 V. Podczas ruchu przepustnicy styk ślizgacza 3 przesuwa się wzdłuż ścieżki oporowej 1 . Wraz z obrotem przepustnicy połączonej z ramieniem ślizgacza następuje zmiana rezystancji



83

Zastosowania czujników potencjometrycznych

ścieżki 1 na odcinku pomiędzy ślizgaczem 3 a masą . Proporcjonalnie do zmiany tej rezystancji zmienia się napięcie mierzone pomiędzy masą a wyjściem ze ślizgowej ścieżki stykowej 2 . W ten sposób następuje zamiana wielkości mechanicznej - kąta obrotu przepustnicy na wielkość elektryczną- napięcie proporcjonalne do kąta obrotu . Czujnik jest zasilany napięciem stabilizowanym 5 V, a sygnałem wyjściowym z czujnika jest napięcie z zakresu od 0,5 V do około 4,5 V Czujnik ma trzy styki wyjściowe oraz styk sygnalizacji położenia biegu jałowego . Jest to czujnik jednościeżkowy, stosowany w układach zasilania silników, w których do obliczeń dawki paliwa wykorzystuje się przede wszystkim pomiar wydatku bądź ciśnienia powietrza w układzie dolotowym .

O Wyj§cie

O Masa Bieg Wy jałowy

+5 V

Rys . 5-2 . Potencjometr przepustnicy ze stykiem biegu jałowego [94] 1 - ścieżka oporowa potencjometru, 2 - ścieżka stykowa, 3 - styk ślizgacza, 4 - styk biegu jałowego, 5 - ścieżka stykowa biegu jałowego

1 0,95 lJA UV 0,8

0,6

0,4

0,2 0,12 0

30

60

90

Kąt otwarcia przepustnicy [°]

120

Rys. 5-3 . Typowa charakterystyka czujnika położenia przepustnicy z pojedynczym potencjometrem [105] UA /U„- stosunek napięcia wyjściowego do napięcia zasilania

Zastosowanie czujnika położenia przepustnicy umożliwia sterownikowi wykonanie wielu funkcji obliczeniowych koniecznych do regulacji dawki paliwa i kąta wyprzedzenia zapłonu . Znajomość aktualnego stopnia otwarcia przepustnicy pozwala rozpoznać zamierzoną przez kierującego zmianę obciążenia silnika i prędkości obrotowej, a pośrednio prędkości samochodu . Kąt otwarcia przepustnicy jest jednym z podstawowych parametrów decydujących o czasie otwarcia wtryskiwacza paliwa . Zróżniczkowany względem czasu sygnał z czujnika położenia przepustnicy wskazuje na szybkość nacisku na pedał przyspieszenia i jest

84

Czujniki potencjometryczne

parametrem korygującym dawkę paliwa (czas otwarcia wtryskiwacza) oraz kąt wyprzedzenia zapłonu . W przypadku uszkodzenia czujnika pomiaru wydatku powietrza lub czujnika ciśnienia w kolektorze dolotowym pomiar położenia przepustnicy ułatwia sterowanie dawką paliwa .

+5V

Wyjście 1

Wyjście 2

Masa

Rys . 5-4. Potencjometr z dwiema ścieżkami rezystancyjnymi odpowiadającymi za pomiar dla różnych kątów wychylenia przepustnicy [94] 1 - ścieżka stykowa małego wychylenia, 2 - ścieżka oporowa małego wychylenia, 3 - styk ślizgacza, 4 - ścieżka oporowa dużego wychylenia i zasilania ścieżek oporowych, 5 - ścieżka stykowa dużego wychylenia, 6 - ramię ślizgacza, 7 - zasilanie elektryczne

W zastosowaniach, w których czujnik położenia przepustnicy stanowi główny czujnik obciążenia silnika (brak przepływomierza), stosuje się czujnik o dwóch potencjometrach, z dwoma zakresami kąta, w celu uzyskania zwiększonej dokładności pomiaru małych kątów otwarcia przepustnicy . Pełny zakres otwarcia przepustnicy, od biegu jałowego aż do pełnej mocy, został podzielony na dwie części (rys . 5-4) : zakres pomiaru małego wychylenia (ścieżka oporowa 2) i zakres pomiaru dużego wychylenia (ścieżka oporowa 4) . Obydwu ścieżkom oporowym przyporządkowane są bieżnie prowadzące (ścieżki stykowe) 1 15, tzw. bieżnie kolektorowe . Ramię 6 ma cztery ślizgacze odpowiadające dwóm bieżniom pomia-

Rys . 5-5 . Zależność sygnałów napięciowych z czujnika położenia przepustnicy od kąta wychylenia przepustnicy [1051



85

Zastosowania czujników potencjometrycznych

rowym (oporowym) i dwóm prowadzącym (kolektorowym, stykowym) . Bieżnia oporowa i kolektorowa są połączone poprzez ślizgacz . Pomiar napięcia między stykami wyjściowymi bieżni 1 i 2 pozwala rozpoznawać otwarcie przepustnicy w zakresie kąta otwarcia od 0° do 24° . Pomiar napięcia między stykami wyjściowymi bieżni 4 i 5 pozwala rozpoznawać otwarcie przepustnicy od 18° do 90° . W zakresie od 18° do 24° obie ścieżki pracują synchronicznie, dając różne sygnały (rys . 5-5) . W systemach zasilania, w których zastosowano układ elektronicznego sterowania przepustnicą (układ E-Gas), potencjometr przepustnicy pełni funkcję czujnika kontrolującego stopień otwarcia przepustnicy przez silnik krokowy i działa w układzie sprzężenia zwrotnego . Sygnał z tego czujnika służy do kontroli, czy przepustnica otwierana silnikiem elektrycznym przyjmuje położenie wynikające z kąta obrotu pedału przyspieszenia . Kąt ten również mierzony jest potencjometrycznie . Ze względów bezpieczeństwa są zastosowane dwie ścieżki pomiarowe, których charakterystyki rezystancyjne przebiegają przeciwbieżnie (rys . 5-6) . Na rysunku 5-7 pokazano przebieg napięcia z takiego czujnika . W przypadku uszkodzeniajednej ze ścieżek pomiarowych zostaje włączony program awaryjny, w którym do sterowania przepustnicą jest wykorzystywana druga, sprawna ścieżka m U C

Ścieżka pom . 1

fG Ń T N N

w

$cieżka pom . II

Stopień otwarcia przepustnicy

Rys . 5-6 . Charakterystyka dwuścieżkowego czujnika położenia przepustnicy o odwrotnie zmieniających się rezystancjach [1051

1 1 1 1 1 1 1 1 1 I > 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0 [s]

Rys . 5-7 . Przebieg napięcia z potencjometrów 1 i 11 czujnika położenia przepustnicy o przeciwbieżnych charakterystykach [93] ; zakres od biegu jałowego do pełnego otwarcia i zamknięcia przepustnicy



86

Czujniki potencjometryczne

potencjometru . W celu zapewnienia odpowiedniej dokładności pomiaru położenia kątowego przepustnicy podczas długiego okresu eksploatacji silnika, działanie układu sterowania otwarciem przepustnicy jest kontrolowane . Proces ten polega na zadawaniu przez sterownik znanej wartości sygnału otwarcia do silnika elektrycznego przepustnicy i sprawdzeniu odpowiedzi w postaci sygnału z potencjometru przepustnicy. Sygnał ten powinien posiadać określoną wartość . Jeżeli różni się od wartości zaprogramowanej, oznacza to, że kąt otwarcia przepustnicy jest niezgodny z zaprogramowanym, a sygnał otwarcia podawany do silnika krokowego otwarcia przepustnicy powinien być skorygowany . Jest to tzw. proces samoadaptacji . Wartość średnia napięcia z dwóch ścieżek czujnika powinna być stała i może być parametrem kontrolnym stanu ścieżek potencjometru . Czujnik zwykle zamontowany jest na zespole przepustnicy, stanowiąc z nim całość (rys . 5-8 i 5-9)

Rys. 5-8 . Widok jednościeżkowego czujnika położenia przepustnicy

Rys. 5-9 . Dwuścieżkowy czujnik położenia przepustnicy w zespole wtryskowym Bosch Mono-Motronic [105, 941 1 - płytka przepustnicy, 2 - pokrywa czujnika, 3 - zespół wtryskowy, 4 - ślizgacz, 5 - oś przepustnicy, 6 - łożyska osi przepustnicy



Zastosowania czujników potencjometrycznych

ó%

Przepływomierz powietrza z tarczą spiętrzającą W niektórych systemach wtrysku benzyny (np . wersje układu L-Jetronic, wczesne wersje układu Motronic) ocena obciążenia silnika dokonywana jest poprzez pomiar objętości zasysanego powietrza za pomocą tzw . przepływomierza z tarczą spiętrzającą, umieszczonego między filtrem powietrza a przepustnicą. Mierzy on objętościowe natężenie przepływu powietrza (stąd nazwa : przepływomierz objętościowy) . Uwzględniając aktualną gęstość powietrza można na tej podstawie obliczyć masowe natężenie przepływu . Ten parametr pozwala na obliczenie podstawowej dawki paliwa przez program sterujący układem wtryskowym . Pomiar natężenia przepływu powietrza umożliwia również korekcję dawki paliwa uwzględniającą zmiany stanu technicznego silnika podczas jego eksploatacji . Zmiany luzów zaworowych i czasów otwarcia zaworów, zmiana oporów przepływu powietrza przez filtry oraz zużycie mechaniczne układu tłok-cylinder-zawory mają wpływ na wartość podciśnienia w układzie dolotowym silnika i na natężenie przepływu powiettza . Pomiar tego parametru pozwala uwzględnić stopień zużycia silnika przy obliczaniu dawki paliwa tak, aby utrzymać skład mieszanki w zakresie optymalnym ze względu na toksyczność spalin . Mówiąc ogólnie, układ taki ma możliwość adaptacji składu mieszanki do aktualnego stanu technicznego silnika . Schemat i przykład konstrukcji przepływomierza powietrza z tarczą spiętrzającą przedstawiono na rysunkach 5-10 i 5-11 . Powietrze zasysane przez silnik odchyla tarczę spiętrzającą 2, pokonując siłę sprężyny powrotnej . Ruchomy styk potencjometru obracający się wraz z osią tarczy spiętrzającej zmienia rezystancję układu pomiarowego . Zmiana rezystancji i związana z nią zmiana napięcia na wyjściu z potencjometru pozwala jednostce sterującej rozpoznać położenie tarczy spiętrzającej i obliczyć objętość zasysanego powietrza . Tarcza kompensacyjna 7 wraz z objętością tłumiącą 6 zapobiega nadmiernym drganiom tarczy pomiarowej 2, spowodowanym pulsacjami zasysanego powietrza lub gwałtownymi zmianami obciążenia silnika . Jej powierzchnia jest równa powierzchni przesłony spiętrzającej . Wkręt regulacyjny składu mieszanki biegu jałowego 1 umożliwia korekcję

Rys . 5-10 . Schemat budowy przepływomierza powietrza z tarczą spiętrzającą [34] 1 - wkręt regulacyjny składu mieszanki biegu jałowego (w silnikach bez sondy lambda), 2 - przesłona (tarcza) spiętrzająca, 3 - zawór zwrotny (bezpieczeństwa), 4 - czujnik temperatury powietrza, 5 - wyjścia potencjometru pomiarowego, 6 - komora tłumienia drgań przesłony pomiarowej, 7-przesłona kompensacyjna



$$

Czujniki potencjometryczne

ilości powietrza, które przechodzi przewodem obejściowym przepływomierza (bez pomiaru) . W ten sposób możliwa jest zmiana zawartości CO w spalinach podczas pracy na biegu jałowym . Ta regulacja wykorzystywana jest w silnikach bez sondy lambda . W pojazdach z układem regulacji z sondą lambda wkręt 1 służy tylko do wstępnego (fabrycznego) wyregulowania natężenia przepływu powjetrza na biegu jałowym . W przesłonę spiętrzającą 2 wbudowany jest zawór zwrotny 3 . Jego zadanie to zabezpieczenie przesłony spiętrzającej przed uszkodzeniem w przypadku nagłego wzrostu ciśnienia w kolektorze dolotowym silnika .

Rys . 5-11 . Widok objętościowego przepływomierza powietrza po zdjęciu pokrywy bocznej z potencjometrem (a) [26] (1 - tarcza kompensacyjna, 2 - objętość tłumiąca, 3 - kanał obejściowy, 4 - tarcza spiętrzająca, 5 - wkręt regulacji składu mieszanki biegu jałowego) ; widok potencjometru przepływomierza powietrza firmy Bosch (b) Uv Zasilanie +5 V 02 1 Ć m m U O N cNpa € a2 Yvo2 a)0. E ą;

UA Sygnał wyjściowy 30 04 05

Rys . 5-12 . Schemat elektryczny przepływomierza powietrza z potencjometrem [1051

W układzie elektrycznym przepływomierza znajduje się rezystor kompensacyjny (styk 5 na rys . 5-12) . Pomjar zmjan rezystancji tego rezystora pozwala na częściowe wyeliminowanie wpływu zmian temperatury na działanie potencjometru . Dokładne dawkowanie ilości wtryskiwanego paliwa wymaga wyznaczenia masy zasysanego powietrza podczas obliczeń dokonywanych przez jednostkę sterującą, ponieważ przebieg procesu spalania zależny jest bezpośrednio me od ob-



Zastosowania czujników potencjometrycznych

89

jętości, którą mierzy przepływomierz, lecz od masy powietrza . W tym celu w przepływomierz wbudowany jest czujnik temperatury powietrza (patrz rozdz . 6) - termistor typu NTC (rzadziej PTC) . Pomiar temperatury pozwala na wyznaczenie gęstości zasysanego powietrza . Następnie, na podstawie sygnału z przepływomierza objętościowego i informacji o gęstości powietrza, obliczana jest wartość proporcjonalna do masy powietrza zasysanego . UA

1

Uv 0,8 0,6 0,4 0,2

0

100

200

Przepływomierz

300

400

500 Q [M 3/hl

Rys . 5-13 . Charakterystyka objętościowego przepływomierza powietrza z potencjometrem o układzie pomiarowym przedstawionym na rys . 5 .12 [105] UA /Uv - stosunek napięcia sygnału wyjściowego do napięcia zasilania

ECU

5VV

Mikroprocesor

R„ R2 > r, >r2 Rys . 5-14 . Schemat elektryczny przepływomierza powietrza z rezystorem dodatkowym [120] S-wyłącznik zasilania pompy paliwa

Na rysunku 5-14 przedstawiono schemat elektryczny potencjometru przepływomierza o zwiększonej niezawodności . Jeżeli nastąpiłoby przerwanie ścieżki przewodzącej potencjometru głównego r„ to zadanie przewodzenia prądu przejmuje równolegle podłączony rezystor r, . Taki układ zapewnia przesyłanie sygnału napięciowego 1 nawet w przypadku uszkodzenia ścieżki rezystora głównego rf . Napięcie zasilania wynosi 5 V . Sygnał napięciowy z potencjometru zmniejsza się przy wychylaniu tarczy pomiarowej przepływomierza, czyli w miarę wzrostu natężenia przepływu powietrza . W układzie elektrycznym przepływomierza znajduje się również wyłącznik zasilania pompy paliwa . Przy unieruchomionym silniku (brak przepływu powietrza) styki wyłącznika są otwarte i mimo włączonego za-



Czujniki potencjometryczne

90

plonu zasilanie pompy paliwa jest przerwane . Podczas uruchamiania silnika, gdy wystąpi przepływ powietrza, wychylenie tarczy spiętrzającej powoduje zwarcie styku wyłącznika pompy. W zakresie niewielkiego uchylenia tarczy spiętrzającej w celu uzyskania stabilnej pracy silnika na biegu jałowym konieczne jest zwiększenie czułości potencjometru przepływomierza . W tym celu stosuje się ścieżki pomiarowe o zmiennej szerokości . Taki potencjometr posiada charakterystykę krzywoliniową, np . hiperboliczną (rys . 5-15) .

6 4 2

0

10

20

30

40

50

60

70

Kąt wychylenia tarczy spiętrzającej a [°]

80 90

100

01

Rys . 5-15. Sygnał napięciowy potencjometru przepływomierza powietrza o charakterystyce hiperbolicznej [26] UMA 5,05,44,84,2 3,63,02,41,81,20,61

0

250

500

750

1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 [ms]

Rys. 5-16. Przebieg napięcia z potencjometru przepływomierza powietrza podczas zwiększania i zmniejszania prędkości obrotowej silnika [87]

Przykładowy przebieg sygnału napięciowego z przepływomierza powietrza z tarczą spiętrzającą przedstawiono na rysunku 5-16 . Poziom napięcia około 1 V odpowiada natężeniu przepływu powietrza na biegu jałowym silnika . Podczas przyspieszania napięcie wzrasta proporcjonalnie do natężenia przepływu powietrza . Pik napięciowy o wartości około 4 V spowodowany jest właściwościami dynamicznymi tarczy spiętrzającej . Pulsacje napięcia wynikają z pulsacji przepływu powietrza w kolektorze dolotowym i drgań tarczy spiętrzającej . Przy szybkim zamykaniu przepustnicy i zmniejszaniu prędkości obrotowej silnika napięcie mierzone gwałtownie obniża się . Wartość napięcia po zamknięciu przepustnicy zależy



Zastosowania czujników potencjometrycznych

91

od tego czy układ zasilania ma zawór powietrza dodatkowego uruchamiany przez sterownik, czy jest to układ bez tego zaworu . Jeżelj w układzie zasilania znajduje się taki zawór, to utrzymuje on niewielkie otwarcie przepustnicy po zdjęciu nogi z pedału przyspieszenia, co powoduje przepływ powietrza, wychylenie tarczy pomiarowej i sygnał napięcjowy wyższy niż przy biegu jałowym silnika . Napięcie to stopniowo maleje wraz z zamykaniem zaworu powietrza dodatkowego, aż do wartości odpowjadającej natężeniu przepływu na biegu jałowym . Wartość napięcia przy zamkniętej przepustnicy zależy również od aktualnej prędkości obrotowej silnika . Czujnik położenia pedału przyspieszenia W układach zasilania silników z automatycznie sterowanym otwarciem przepustnicy, w których brak jest mechanicznego połączenia pedału przyspieszenia z przepustnicą, stosowany jest czujnik położenia pedału przyspieszenia . Czujnik ten przekazuje do systemu sterowania sygnał analogowy o wartości zależnej od kąta obrotu pedału . Jest to sygnał wskazujący na zamjar zmiany wielkości obciążenia silnika przez kierowcę . W celu zapewnienia niezawodności działania i związanego z tym bezpieczeństwa jazdy stosuje się równolegle dwa czujniki położenia pedału przyspieszenia : dwa niezależne od siebie potencjometry pracujące w układzie równoległym (rys . 5-17) . Charakterystyki tych potencjometrów (rezystancje w funkcji kąta obrotu pedału przyspieszenia) różnią się od siebie . Do wyznaczenia kąta obrotu pedahz wykorzystuje się wartość średnią napięcia z dwóch potencjometrów . Pozwala to na obliczenie kąta obrotu z większą dokładnością, niż przy pomiarze z pojedynczego potencjometru . Porównanie zmierzonej różnicy napięć między tymi potencjometrami z wartością zadaną dla sprawnego układu może być parametrem diagnostycznym pozwalającym wykryć uszkodzenie czujnika . W samochodach z automatyczną skrzynką biegów stosowany jest dodatkowy styk maU C

Łącznik

Czujnik 1 Czujnik 2

T N N

o_

Położenie pedału przyspieszenia

Czujnik położenia pedału przyspieszenia Pedał przyspieszenia

Rys . 5-17 . Pedał przyspieszenia układu Motronic ME7 wraz z czujnikami położenia pedału i ich charakterystykami [105], [94]



92

Czujniki potencjometryczne

ksymalnego wciśnięcia pedału przyspieszenia (tzw . styk kick-down) . Sygnał napięciowy z tego styku służy do korygowania dawki paliwa układu wtryskowego, stosownie do obciążenia silnika i włączonego biegu . Na rysunku 5-18 przedstawiono przykładowy przebieg zmian napięcia z obu potencjometrów pedału przyspieszenia . Obliczenie wartości średniej tych sygnałów pozwala zminimalizować wpływ przypadkowych zakłóceń . W nowych rozwiązaniach oddzielny czujnik położenia pedału przyspieszenia jest zastępowany przez zintegrowany moduł pedału przyspieszenia (rys . 5-19) . Moduł taki stanowi całość konstrukcyjną, zawierającą pedał przyspieszenia oraz czujnik jego kątowego położenia . Do zalet takiego rozwiązania należy zaliczyć

5,4 4,8 4,2 3,6 3,0

9 ∎

2,4 1,8 1,2 0,6

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0 [s]

Rys . 5-18 . Przebieg napięcia z czujnika położenia pedału przyspieszenia [93] ; zakres od biegu jałowego do pełnego otwarcia i zamknięcia przepustnicy

Czujnik pełnego wciśnięcia pedału przyspieszenia

Pokrywa modułu

Rys . 5-19. Schemat zintegrowanego modułu pedału przyspieszenia [105]

Zastosowania czujników potencjometrycznych

93

zwartą konstrukcję, lekkość, niewielki koszt montażu oraz niższy koszt produkcji w porównaniu z oddzielnie wykonywanymi pedałem i czujnikiem jego położenia . Przykładowe parametry czujnika położenia przepustnicy podano w tablicy . Parametry czujnika położenia przepustnicy Rezystancja

1 . . .5 k0

Błąd nieliniowości

1 . . .3%

Zakres temperatur pracy

Od -40 do 160°C

Trwałość

10 mln pełnych cykli otwarcia 100 mln częściowych cykli (R,

Erom

Rys . 8-2 . Widok i budowa przepływomierza masowego z „gorącym drutem" R. Bosch GmbH (a) oraz jego schemat elektryczny (b) [11,341 1 - płytka przyłączy elektrycznych, 2 - obwód hybrydowy obejmujący układ elektryczny mostka, układ kompensacji temperatury oraz układ eliminacji zakłóceń, 3 - rura wewnętrzna, 4 - rezystor precyzyjny, 5 - element z „gorącym drutem", 6 - rezystor kompensacji temperatury, 7- siatka ochronna, 8 - obudowa QM - przepływ powietrza, R H - rezystor grzany („gorący drut"), RK -rezystor kompensacji temperatury, R, i R, - rezystory wyrównawcze mostka, R „ - rezystor pomiarowy, IH - prąd grzewczy, Uu - napięcie pomiarowe, t,~ - temperatura powietrza

dach tych prawie zawsze występuje przepływ turbulentny (liczba Reynoldsa ** Re > 1200) . Przepływomierze analizujące sygnały elektryczne mierzą przepływy szybkozmienne znacznie precyzyjniej od przepływomierzy spiętrzających : zwężkowych lub klapowych . Z tych powodów oraz ze względu na mniejszą masę i ilość zajmowanego miejsca, w kolejnych generacjach systemów wtryskowych benzyny zastępuje się mechaniczne przepływomierze elementami elektronicznymi . Przykładowo, w układzie LE-Jetronic zastąpiono mechaniczny „klapowy" przepływo-

"

Liczba Reynoldsa Re = vDl q, gdzie : 1) - średnica przepływu czynnika, lepkość kinematyczna czynnika, prędkość średnia strumienia .



112

Czujniki masowego natężenia przepływu (termoanemometry)

mierz powietrza przepływomierzem masowym z „gorącym drutem" (układ LH-Jetronic, rys . 8-2) . Jest on umiejscowiony pomiędzy filtrem powietrza a przepustnicą . Mierzy masowe natężenie przepływu powietrza pobieranego przez silnik, będące najwłaściwszą miarą obciążenia silnika . Na tej podstawie wyznaczany jest stan obciążenia silnika oraz precyzyjnie dobierana dawka paliwa (czas otwarcia wtryskiwacza paliwa) . Zasysane powietrze przepływa wokół podgrzewanego elektrycznie platynowego drutu oporowego 5 o średnicy 0,07 mm, ochładzając go . Drut jest podgrzewany tak, by jego temperatura była zawsze o 130 . . .150°C wyższa od temperatury zasysanego powietrza . Temperatura powietrza jest obliczana na podstawie pomiaru rezystancji rezystora 6 umieszczonego przed „gorącym drutem" . Zgodnie z zasadą działania termoanemometru wartość prądu podgrzewającego drut jest miarą natężenia przepływu powietrza, więc stanowi informację o aktualnym obciążeniu silnika . Natężenie prądu jest tym większe, im intensywniejsze jest chłodzenie drutu, a tym samym im większa jest masa zasysanego powietrza . Zanieczyszczenia i osady na drucie pomiarowym mogą fałszować wynik pomiaru . Dlatego po każdorazowym unieruchomieniu silnika temperatura drutu zostaje na krótko podniesiona do około 1000°C w celu wypalenia zanieczyszczeń . Zaletą tego przepływomierza jest szybkość reakcji . Może on identyfikować pulsacje przepływu do 1 kHz . Układ elektryczny przepływomierza działa na zasadzie mostka Wheatstone'a (rys . 8-3) . Jedno jego ramię stanowi rezystor nagrzewany 1, drugą rezystor służący do kompensacji wpływu temperatury powietrza zasysanego 2 . Różnica temperatur między tymi rezystorami powinna być stała . Ze wzrostem przepływu powietrza zmniejsza się temperatura rezystora grzanego i zmienia się jego rezystancja, co powoduje nierównowagę mostka . Wzmacniacz różnicowy 3 mierzy różnicę spadków napięć na rezystorach 1 12 i reaguje na niewyrównoważenie przez podniesienie napięcia polaryzacji tranzystora zasilającego 4 . Obwód regulacyjny tak dawkuje prąd grzewczy do rezystora 1, aby utrzymać stałą różnicę spadków na-

zasilanie

Rys . 8-3 . Schemat termoanemometru z gorącym drutem 1 - rezystor nagrzewany, 2 - kompensator temperatury powietrza, 3 - wzmacniacz różnicowy, 4 - tranzystor mocy, U4 - sygnał wyjściowy



113

Rodzaje i zastosowania termoanemometrów Un M 5

1 00

i 500

1000

Rys . 8-4 . Charakterystyka przepływomierza powietrza z termoanemometrem drutowym [ 1051

1500 Q [kg/h]

pięć na rezystorze grzanym 1 i rezystorze 2 o temperaturze przepływającego powietrza . Prąd grzewczy wytwarza na precyzyjnym rezystorze 1 sygnał napięcia, który w określonym zakresie natężenia przepływu można przyjąć jako proporcjonalny do masowego wydatku powietrza (rys . 8-4) . Sygnał ten jest przekazywany do sterownika . Taka zasada pomiaru uwzględnia wpływ temperatury i gęstości powietrza, które współdecydują o ilości ciepła oddawanego przez gorący drut . Większość termoanemometrów generuje tzw . napięciowy sygnał wyjściowy . Spotykane są też czujniki z częstotliwościowym sygnałem wyjściowym, bardziej odpornym na zakłócenia elektromagnetyczne . Sterowany napięciowe oscylator zamienia wahania napięcia na sygnał częstotliwościowy, który jest kierowany do urządzenia sterującego . W celu ustalenia częstotliwościowej charakterystyki pomiarowej przepływomierze są kalibrowane w dwóch punktach krańcowych . Przykładowo, w algorytmie obliczeniowym dolny zakres przedziału częstotliwości a

b

a+~

Rys . 8-5. Masowy przepływomierz powietrza z „gorącym drutem" firmy Toyota [44] u - widok, b - schemat rozmieszczenia elementów pomiarowych / - rezystor kompensacyjny, 2 - platynowy rezystor grzany, 3 - czujnik temperatury



114

Czujniki masowego natężenia przept~ (termoanemometn ,)

wynosi 2475 Hz t4%, co odpowiada przepływowi powietrza około 5 g/s . Górna granica częstotliwości wynosi 8140 Hz ±4%, co w przybliżeniu odpowiada przepływowi powietrza 80 g/s . Ponieważ w przewodzie dolotowym występują silne pulsacje oraz asymetria przepływu powietrza, przepływomierze są kalibrowane w warunkach ich rzeczywistej zabudowy w układzie dolotowym silnika . Przykładowy przebieg sygnału napięciowego z przepływomierza powietrza z „gorącym drutem" przedstawiono na rysunku 8-6 . Poziom napięcia około 1 V odpowiada natężeniu przepływu powietrza na biegu jałowym silnika . Podczas przyspieszania napięcie wzrasta proporcjonalnie do natężenia przepływu powietrza . Następnie widoczny jest spadek napięcia spowodowany dynamiką przepływu powietrza . W dalszej części charakterystyki, przy ustalonym otwarciu przepustnicy i stopniowym wzroście obrotów silnika, napięcie wzrasta stopniowo, proporcjonalnie do wzrostu natężenia przepływu . Pulsacje napięcia wynikają z pulsacji przepływu powietrza w kolektorze dolotowym . Przy szybkim zamykaniu przepustnicy i zmniejszaniu prędkości obrotowej silnika gwałtownie maleje natężenie przepływu powietrza, a napięcie mierzone obniża się do wartości, która wynika z zadziałania (otwarcia) zaworu powietrza dodatkowego . Przy otwartym zaworze przepływ powietrza jest większy niż na biegu jałowym, co można stwierdzić na podstawie wartości napięcia . Napięcie to stopniowo maleje, aż do wartości odpowiadającej natężeniu przepływu na biegu jałowym .

5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 avVVv'~1i~%vvLv4 .A.v4vMt.~ 0,5 0,0 0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0 t [s]

Rys. 8-6 . Przebieg napięcia z masowego przepływomierza powietrza z „gorącym drutem" podczas zwiększania i zmniejszania prędkości obrotowej silnika [87]

Przepływomierz powietrza z termoanemometrem warstwowym Przepływomierze termoanemometryczne z „gorącym drutem" (HLM, patrz rys . 82) są podatne na drgania oraz uszkodzenia mechaniczne pochodzące od przepływającego powietrza . W związku z tą wadą zastępowane są przez bardziej zwarte i trwalsze termoanemometry warstwowe (HFM) . W przepływomierzu z termoanemometrem warstwowym wszystkie trzy elementy (drut platynowy, czujnik tem-



Rodzaje i zastosowania termoanemometrów

115

peratury i precyzyjny rezystor pomiarowy) są zespolone jako rezystory warstwowe umieszczone na spieku ceramicznym . Rezystor w postaci gorącej warstwy może znajdować się w głównym strumieniu powietrza (typ HFM2, rys . 8-7), lub bocznikowe, poza strumieniem głównym (typ HFM5, rys . 8-9) . W przypadku umieszczenia bocznikowego jest on mniej narażony na zanieczyszczenia i pulsacje przepływu oraz ewentualne zapłony mieszanki w kolektorze dolotowym („strzały" do kolektora dolotowego) . Ze względu na mniejsze straty ciepła w układzie HFM, element grzejny może być zmniejszony w porównaniu do układu HLM, co zapewnia szybką reakcję na zmjany natężenia przepływu powietrza . Czujnik warstwowy z płytką pomiarową (rys . 8-8) jest bardziej odporny na wstrząsy i zakłócenia elektromagnetyczne w porównaniu z czujnikiem z cienkiego drutu platynowego . Element pomiarowy przepływomierza warstwowego zostaje podgrzany do temperatury 180°C powyżej temperatury zasysanego powietrza . W tych warunkach nie ma potrzeby dodatkowego wypalania zanieczyszczeń, ponieważ następuje samooczyszczanie powierzchni . Cecha charakterystyczna tego przepływomierza to oddzielenie funkcji grzejnika R,, wykonanego z rezystora pla-

Pokrywa

Podkładka izolacyjna

Część główna

Płytka nośna

Element pomiarowy Siatka ochronna

Rys . 8-7 . Budowa przepływomierza powietrza z termoanemometrem warstwowym [26]

116

Czujniki masowego natężenia przepływu (termoanemometry)

a

UM

QM

Rys . 8-8 . Schemat płytki pomiarowej przepływomierza z termoanemometrem warstwowym R . Bosch GmbH (a - strona czołowa płytki pomiarowej, b - strona tylna płytki) i schemat elektryczny przepływomierza (c) [ 111 1 - podłoże ceramiczne, 2 - nacięcia izolacji termicznej, 3 - styki R, - grzejnik, R S - rezystor czujnika przepływu ogrzewany przez grzejnik R H (pomiar spadku napięcia), R A. - rezystor kompensacyjny, R„ R, i R 3 - rezystory układu mostka, IH - prąd grzewczy, U „ - napięcie pomiarowe, Q„ - wydatek powietrza, tL - temperatura powietrza

tynowego, od przetwornika natężenia przepływu RS_ o rezystancji zmieniającej się wraz z temperaturą . Spadek napięcia na tym rezystorze jest miarą jego temperatury . Układ mostkowy utrzymuje temperaturę grzejnika Rtt i rezystora R S na stałym poziomie względem rezystora kompensacyjnego R h . Podczas ochładzania elementu grzejnego przez przepływające powietrze maleje rezystancja tego elementu, co powoduje wzrost płynącego prądu i silniejsze ogrzewanie . Wartość prądu podgrzewającego rezystor Rtł lub spadek napięcia na rezystorze R bezpośrednio zależą od masowego natężenia przepływu powietrza . Przepływomierz powietrza z termoanemometrem warstwowym rozpoznającym kierunek przepływu Nowszym typem czujnika przepływu działającego na zasadzie termoanemometru jest przepływomierz warstwowy na bazie krzemowej wykonany w technologii mikromechanicznej (typ HFMS) . Pozwala on na pomiar przepływu z uwzględnieniem jego zwrotu . Dzięki temu pulsacje występujące w kolektorze dolotowym (z krótkotrwałymi przepływami zwrotnymi) nie powodują błędów pomiarowych . Tego typu przepływomierz powietrza, zastosowany między innymi w układach wtryskowych Motronic, pokazano na rysunku 8-9 . Przepływomierz ma kanał pomiarowy, przez który przepływa część zasysanego powietrza . W kanale znajduje się czujnik pomiarowy wykonany z płytki ceramicznej, na której centralnie umieszczono element grzewczy S (rys . 8-10) . Z przodu i z tyłu strefy grzanej 4 umieszczono rezystory pomiarowe 3 . W sytuacji braku przepływu powietrza ciepło



Rodzaje i zastosowania termoanemometrów

117

wytwarzane przez element grzewczy jest równomiernie przekazywane do obu rezystorów pomiarowych, które wskazują taką samą rezystancję, co świadczy o tej samej ich temperaturze (T, = Tz ). Natomiast w sytuacji przepływu powietrza wokół płytki pomiarowej ciepło jest intensywnie odbierane od przedniego rezystora (punkt M,). Temperatura T, rezystora przedniego w punkcie Mi ulega znacznemu obniżeniu, natomiast temperatura Tz drugiego rezystora ulega znacznie mniejszym zmianom (punkt MZ). W konsekwencji wystąpi różnica rezystancji rezystorów pomiarowych w punktach M i i MZ wskazująca na różnicę ich temperatur OT . Różnica ta, niezależnie od bezwzględnej temperatury napływającego powietrza, zależy od masowego natężenia przepływu powietrza . Z kolei odwrócenie kierunku przepływu powoduje, że teraz tylna część płytki oddaje ciepło napływającemu powietrzu, a w przedniej części płytki temperatura tylko nieznacznie się zmienia . W układzie pomiarowym jest to interpretowane jako przepływ zwrotny w kierunku filtra powietrza . Ponieważ element grzejny 5, jak również rezystory pomiarowe 3 mają małe wymiary (są wykonane w technice mikromechanicznej), czujnik reaguje bardzo szybko na zmiany prędkości przepływu « 15 ms) [ 11 ] . Różnica rezystancji przedniego i tylnego rezystora 3 (punkty Mi i MZ) jest przekształcana w ukłaa

b

Rys . 8-9. Przepływomierz powietrza z termoanemometrem warstwowym typu HFM5 - wygląd zewnętrzny (a) i widok przepływomierza zamontowanego w układzie dolotowym silnika (h)



118

Czujniki masowego natężenia przepływu (termoanemometry)

dzie pomiarowym przepływomierza w sygnał napięciowy 0 . . .5 V. Na podstawie charakterystyki napięciowej czujnika, zapisanej w pamięci sterownika, można wyznaczyć masowy wydatek powietrza Q„ (rys . 8-11) . W przepływomierzu tym może być wbudowany dodatkowy czujnik temperatury, umieszczony przed strefą grzaną . Pozwala to uwzględnić zmiany gęstości zasysanego powietrza przy obliczeniach masowego natężenia przepływu .

Rys . 8-10 . Zasada działania przepływomierza powietrza typu HFMS (R . Bosch GmbH) [761 1 - przebieg temperatury bez przepływu powietrza, 2 - przebieg temperatury z przepływem powietrza, 3 - rezystory pomiarowe, 4 - strefa nagrzewana, 5 - element grzejny (przepona), 6 - czujnik HFMS umieszczony w przewodzie przepływu powietrza, 7 - strumień powietrza mi i M2 - punkty pomiaru rezystancji, T, i T2 - temperatury w punktach pomiarowych M, i M2 , OT- różnica temperatur w punktach Ti i T2

Przepływ zwrotny Przeptyw normalny 5 4 3 2

200

400

600 Q [kg/h]

Rys. 8-11 . Charakterystyka przepływomierza warstwowego typu HFM rozpoznającego kierunek przepływu (R . Bosch GmbH) [761



Rodzaje i zastosowania termoanemometrów

119

a

b

Rys . 8-12 . Widok (a) cienkowarstwowego elementu pomiarowego przepływomierza masowego pracującego w układzie mostka Wheatstone'a (obok, dla porównania wymiarów, moneta jednocentowa) oraz kierunek przepływu powietrza (b) [77]

Sygnał pomiarowy masowego przepływomierza powietrza jest podstawową wielkością wskazującą na obciążenie silnika o zapłonie iskrowym . Wykorzystywany jest przez sterownik do regulacji dawki wtryskiwanego paliwa, kąta wyprzedzenia zapłonu oraz do kontroli przepływu par paliwa ze zbiornika . Z powodu surowych wymagań dotyczących toksyczności spalin skład mieszanki paliwowopowietrznej musi być precyzyjnie ustalany, a błąd pomiaru masy powietrza zasysanego przez silnik nie może przekraczać 1 . . .2% [11 ] . W przypadku braku sygnału z przepływomierza powietrza sterownik silnika przechodzi do pracy w trybie awaryjnym i odłącza układ usuwania par paliwa ze zbiornika, a do obliczenia pozostałych funkcji wykorzystuje sygnał z potencjometru przepustnicy .



Czujniki tensometryczne

9 9.1 .

Zasada działania

Tensometrami nazywamy elementy rezystancyjne w postaci cienkich drutów, siatek lub folii, wykonane z metalu lub półprzewodnika (rys . 9-1) . Poddane działaniu sił zewnętrznych ulegają one odkształceniu zarówno w kierunku wzdłużnym, jak i prostopadłym do kierunku działania wypadkowej sił oraz zmieniają wymiary geometryczne i rezystancję . Względne odkształcenie wzdłużne w kierunku działania siły e = Al / l jest znacznie większe od względnego odkształcenia w kierunku prostopadłym do kierunku siły er = 4d / d . Tensometry są czujnikami rezystancyjnymi, w których rezystancja zmienia się proporcjonalnie do ich odkształcenia. Najstarsze i najszerzej stosowane tensometry to metalowe tensometry rezystancyjne (rys . 9-1) . Zbudowane są z bardzo cienkich a

b -------- ---------/. 2 1

ii 1 Rys. 9-1 . Metalowe tensometry oporowe [67] a - tensometr kratowy 1 - druty oporowe, 2 - odcinki taśmy miedzianej, 3 - podkładka nośna i nakładka, 4 - przewody odprowadzające, 5 - warstwa kleju, 6 - powierzchnia badana b - tensometr wężykowy 1 - nośnik, 2 - cienkie druty oporowe, 3 - część aktywna, 4 - znaki do osiowego naklejania tensometru, 5 - przyłącza





Zasada działania

121

przewodów lub folii, ułożonych w kształcie siatki o liniach równoległych . Takie ułożenie zwiększa długość czynną przewodu poddanego odkształceniom . Natomiast przekrój poprzeczny tensometru jest minimalizowany w celu zmniejszenia wpływu odkształceń poprzecznych na pomiar. Siatkę nakleja się na cienkie podłoże (nośnik), a nośnik bezpośrednio na powierzchnię badanego odkształcającego się elementu . Dlatego bardzo ważne jest dokładne naklejenie tensometru na badaną powierzchnię w kierunku interesującego nas odkształcenia . Typowe wartości rezystancji tensometrów metalowych wynoszą 120, 350 i 1000 52 ,. Rezystancja drutu, z którego wykonany jest tensometr wyraża się zależnością : R=p

1

(9.1)

gdzie : p - rezystywność drutu, 1 - całkowita długość drutu w tensometrze, S - pole przekroju drutu . Po zlogarytmowaniu i zróżniczkowaniu wyrażenia (9 .1) otrzymujemy : 1nR=lnp+lnl-1nS

(9 .2)

dR=dp+dl-dS

(9 .3)

R

p

1

S

Dla przyrostów skończonych jest : 4R-4p+41-AS

R

1 S Uwzględniając, że S = 7rd214 oraz pomijając jako małe wyrażenie jemy zależność : OS

(9.4)

,0

=-2

Ad 21d 2

otrzymu-

Ad

(9 .5)

Współczynnik Poissona* dla drutu o średnicy d i długości 1 wynosi : Ad / d

(9 .6)

v = 41 / l

Wprowadzając współczynnik Poissona do zależności (9 .5) otrzymujemy : OS = - 2v 41 S 1 Po podstawieniu do (9 .3) i przekształceniach otrzymujemy : 1Op -=-(1+2v)+ P

(9 .7)

(9 .8)

Współczynnik Poissona v jest to stosunek wartości odkształcenia w kierunku poprzecznym e = Ad/d ,io odkształcenia w kierunku wzdłużnym e = Al/l ; v = s Ie . Dla stali wartość tego współczynnika wy:iosi około 0,25 . . .0,3, dla aluminium około 0,32 .



Czujniki tensometryczne

122

oraz OR /R 1 Op _ (1+2v)+ Ol/1 p Ol/l Al I R Wyrażenie

(9 .9)

jest tzw . stałą tensometryczną k~ . Wprowadzając tę stałą

do zależności (9 .9) można zapisać : Ol A=k,

gdzie

E

=

Al

-k

(9 .10)

E

jest względnym wydłużeniem tensometru odpowiadającym jedno-

wymiarowemu stanowi odkształcenia . Znając wartość odkształcenia e w punkcie pomiarowym można obliczyć naprężenie w tym punkcie . Dla jednowymiarowego stanu naprężeń jest : AR 1 (9 .11)

Q=EE=E

R k,

gdzie E to moduł Younga . Zależność (9 .10) stanowi zasadnicze równanie tensometri wiążące mechaniczne i elektryczne parametry pracy tensometru . Współczynnik k nazywany stałą tensometru oznacza względną zmianę rezystancji OR/R odniesioną do względnej zmiany długości Ol/1 tensometru (rys . 9 .2) . Dla tensometrów metalowych stała k, wynosi około 2 i zależy od materiału, z którego wykonany jest tensometr . Określa ona czułość tensometru . Człon (1+2v) w równaniu (9 .9) określa wpływ zmian rozmiarów geometrycznych (średnicy) na wartość współczynnika kr i jest znaczący w przypadku tensometrów metalowych . Człon

1 E

Op

ujmuje wpływ zmian włas-

p

pości elektrycznych i ma znaczenie w przypadku tensometrów półprzewodnikowych . Spośród wielu metali przebadanych pod względem ich przydatności w technice tensometryczne] praktycznie wykorzystuje się platynę oraz stopy : konstantan (60% Cu+40% Ni), nichrom (80% Ni + 20 % Cr) i elinwar (36% Ni + 8% Cr + 55% Fe + 0,5% Mo) . Konstantan odznacza się najmniejszym współczynnikiem termicznej zmiany rezystancji, a nichrom stałością własności fizycznych w podwyższonych temperaturach . Tensometry metalowe wykonywane są jako drutowe lub foliowe, nakładane na nośnik izolujący tensometr od badanej powierzchni . Do budowy tensometrów półprzewodnikowych stosuje się najczęściej krzem i german z odpowiednimi domieszkami typu n lub p . Tego typu tensometry wykonywane są jako cienkowarstwowe lub monokrystaliczne w postaci cienkich, krótkich pasków naklejanych bezpośrednio na powierzchnię badaną. W tensometrach półprzewodnikowych wykorzystuje się zjawisko piezorezysty~n ci



123

Zasada działania

kryształów krzemu lub germanu, czyli zmiany rezystancji względnej materiału pod wpływem działania odkształceń . Dla materiałów półprzewodnikowych ogólne równanie dla stałej tensometrycznej przyjmuje postać : k, =1+2v+ pE

(9 .12)

gdzie p jest współczynnikiem piezorezystywności . Ponieważ dla materiałów półprzewodnikowych jest 1+2v -

(duże tłumienie), amplituda drgań osiąga maksimum dla w, = 0

i maleje wraz ze wzrostem częstości wymuszenia w, . Dla tego zakresu zjawisko rezonansunie występuje . Tłumienie odpowiadające wartości e = w o / V 2 nazywane jest tłumieniem krytycznym .



Zastosowania czujników pojemnościowych A map/c

143

1 E=0

5

4

3

2

0

1 E_

2w0 \`\ W1 COO

0

0,5

1,0

1,5

2,0

Rys . 10-7 . Zależność unormowanej amplitudy drgań wymuszonych od stosunku częstości wymuszenia do częstości drgań własnych czujnika dla różnych wartości tłumienia e

W praktyce czujniki drgań (opóźnienia) posiadają układ tłumiący o wartości s w zakresie od 0,5% do 0,7%, Uniezależnia to w znacznym stopniu pomiar amplitudy drgań od częstości wymuszenia . W czujnikach przyspieszeń stosowane jest tłumienie powietrzne (w niewielkim stopniu zależne od temperatury) lub elektrodynamiczne. Równocześnie stosuje się zabezpieczenia przeciążeniowe w postaci ogranicznika przemieszczenia masy m . Zastosowanie tłumienia o odpowiednich parametrach pozwala na stosowanie czujników w szerszym zakresie drgań, również powyżej wartości drgań własnych czujnika. Dzięki temu nie zachodzi konieczność znacznego zwiększania częstości rezonansowej, co powoduje, że nie pogarsza się czułość pomiarowa czujnika s = m /c . Przykład mikromechanicznego czujnika przyspieszeń przedstawiono na rysunku 10-8 . Masa drgająca 1 zamocowana jest na sprężynach 2 w obudowie 7 . Masa ma występy 3 (płytki), które znajdują się pomiędzy płytkami stałymi 6. Płytki ruchome 3 związane z masą 1 oraz płytki stałe 6 stanowią okładziny dwóch kondensatorów połączonych szeregowo : 1/CM = 1/C , + 11C2. Gdy na masę 1 działa przyspieszenie a, powoduje to ruch płytek 3 i zmianę pojemności kondensatorów utworzonych z płytek ruchomych i stałych : C,,, =C'CZ Ta zmiana pojemnoC, + Cz ki, proporcjonalna do przyspieszenia a, jest zamieniana na sygnał napięciowy wzmacniany i przesyłany do sterownika . Tego typu czujnik przyspieszeń może



Czujniki pojemnościowe

144

być stosowany w układach sterowania poduszek powietrznych oraz w układach ABS i ESP. Ze względu na małą pojemność kondensatorów (około I pF) układ wzmacniający oraz układ obróbki sygnału znajdują się we wspólnej obudowie z przetwornikiem . Jest to specjalizowany układ scalonyASIC (Application Specific Integrated Circuits) .

,fit

4

5

6

Rys. 10-8 . Schemat mikromechanicznego czujnika przyspieszenia [ 11 ] I - masa drgająca, 2 - sprężyna mocująca masę drgającą, 3 - płytka związana z masą drgającą (okładzina ruchoma), 4 i 5 - ścieżki przewodzące, 6 - płytka (okładzina) stała, 7 - obudowa z tlenku krzemu a - kierunek działania przyspieszenia

Na podobnej zasadzie działa tzw. grzebieniowy czujnik przyspieszenia bocznego (rys . 10-9) .

1

23 4 C

u

11 It 5

6

7-E

4 -a~

It lr 11

Rys. 10-9 . Schemat grzebieniowego czujnika przyspieszenia poprzecznego układu stabilizacji toru jazdy z pojemnościowym przetwarzaniem sygnału przyspieszenia [74] 1 - komórka elementarna, 2 i 3 - płytki nieruchome, 4 - płytki ruchome, 5 - masa sejsmiczna, 6 - płaskie sprężyny, 7 - mocowania a - przyspieszenie poprzeczne, C- pojemność elementarna



Zastosowania czujników pojemnościowych

145

Pojemnościowe czujniki wilgotności powietrza Tego rodzaju czujniki wykorzystywane są do pomiaru wilgotności powietrza wewnątrz pojazdu . Zawierają one warstwy higroskopijne, które w zależności od wilgotności względnej pochłaniają lub odparowują wodę w sposób odwracalny, co wywołuje wyrażne zmiany pojemności elektrycznej (rys . 10-10) . W czujnikach pojemnościowych cienki film polimerowy lub z tlenku metalu (np . tlenku glinu) umieszczony jest pomiędzy dwiema elektrodami . Powierzchnia aktywna pokryta jest porowatym metalem . Jedna z elektrod może przepuszczać wodę lub też elektrody mają strukturę grzebieniową. Przy rosnącej wilgotności dielektryk umieszczony między płytkami kondensatora nabiera wody i jego pojemność silnie wzrasta (rys . 10-10) . C [nF] 100 C 10 1 0,1 0

20

40

60

80

100 RH [%]

Rys . 10-10 . Zależność pojemności kondensatora z dielektrykiem higroskopijnym od zmian wilgotności [11]

Stała dielektryczna wody wynosi około 81, natomiast powietrza około 1 . Zależność stałej dielektrycznej tak zbudowanego kondensatora od zmian względnej wilgotności otoczenia czujnika jest bliska proporcjonalnej . Zmiany pojemności są rzędu 0,2 . . . 0,5 pF na 1% zmiany względnej wilgotności RH . Nominalna pojemność tego typu czujników zawiera się w przedziale 100 . . .500 pF przy 0% wilgotności . Czujniki te mogą pracować do temperatury 200°C, zmienność ich charakterystyki wraz z temperaturąjest niewielka . Stała czasowa tego typu czujnika (czas odpowiedzi na 63% skokową zmianę wilgotności) wynosi od 30 do 60 s . Dokładność pomiaru wilgotności jest rzędu f2% wilgotności względnej RH dla zakresu 5 . . .95% RH (przy dwóch punktach kalibracji) . Pewne ograniczenie stosowania tych czujników to odległość przesyłania sygnału z powodu występowania efektu pojemnościowego przewodów wobec niewielkich względnych zmian pojemności czujnika . W praktyce długość tych przewodów nie powinna przekraczać 3 m . 0

Rys . 10-11 . Pojemnościowy czujnik wilgotności względnej firmy Regeltechnik (Hvgrasgard®)



146

Czujniki pojemnościowe

C [pF] 250 230 210 190 170 150 130 110 90 70 50 0

10

20

30

40 50

60

70

80 90

100 RH[%]

Rys. 10-12 . Charakterystyki pojemnościowych czujników wilgotności [ 110] RH - wilgotność względna

Pojemnościowy czujnik pochylenia pojazdu Czujnik pojemnościowy wykorzystywany jest także w układzie pomiaru pochylenia pojazdu, będącym częścią składową instalacji alarmowej (rys . 10-13) .

Rys . 10-13. Przekrój czujnika pochylenia z przetwomikiem pojemnościowym [25]

Czujnik ten rozpoznaje wyjściowe położenie samochodu za pomocą dwóch kondensatorów płytkowych, których pojemność zależy od względnego położenia płytek i cieczy umieszczonej w czujniku . Kształt płytek jest tak dobrany, że zmiana kąta pochylenia samochodu powoduje stopniowe zalewanie cieczą powierzchni płytek . Wywołuje to zmianę przenikalności elektrycznej kondensatora, a tym samym zmianę jego pojemności .

Czujniki piezoelektryczne

11 11 .1 . Zasada działania W 1880 r. J . i P. Curie wykryli pewne właściwości kryształów pochodzenia mineralnego . Poddane siłom ściskającym lub rozciągającym stawały się spolaryzowane elektrycznie, tzn . wykazywały różnicę potencjałów między powierzchniami obciążanymi (rys . 11-1). Występuje również zjawisko odwrotne : kryształ poddany działaniu pola elektrycznego po przyłożeniu napięcia ulega wydłużeniu lub skróceniu, w zależności od kierunku polaryzacji . Te zjawiska nazwano efektem piezoelektrycznym, od greckiego słowa piezein oznaczającego ściskanie, zgniatanie . W materiałach krystalicznych naturalnych, np . kryształach kwarcu, efekt piezoelektryczny powstaje bez wcześniejszego przygotowania . Materiały wytworzone sztucznie muszą być w tym celu wstępnie polaryzowane w silnym polu elektrycznym . Takie właśnie materiały (np . piezoceramiczne) są stosowane w pojazdach samochodowych . Z makroskopowego punktu widzenia piezoelement w stanie nieobciążonym jest elektrycznie neutralny . a

b

FX

Rys . 11-1 . Powstawanie efektu piezoelektrycznego [24] a - kryształ nieobciążony, b - podłużny efekt piezoelektryczny F,

(za zgodą wydawnictwa Carl Hauser Yerla g)



148

Czujniki piezoelektvczne

Momenty dipolowe poszczególnych kryształów skierowane są przypadkowo . Element jako całość nie jest spolaryzowany . Nacisk wywierany na kryształ, w granicach sprężystości, skierowany równolegle do jego osi elektrycznej lub mechanicznej, powoduje powstanie ładunku elektrycznego na obciążanych ściankach (rys . 11-1) . Podczas obciążania elementy siatki (dipole) przesuwane są wzajemnie i zajmują położenie ukierunkowane . Wskutek tego między zewnętrznymi powierzchniami piezoelementu pojawia się różnica potencjałów . Przy nacisku i rozciąganiu kryształu powstaje napięcie o odwrotnej biegunowości . Napięcie to jest proporcjonalne do wywieranego obciążenia . Oprócz piezoelektrycznego efektu podłużnego mogą występować efekty piezoelektryczne : poprzeczny i ścinania . Polegają one na powstawaniu ładunków na powierzchniach bocznych w stosunku do powierzchni przyłożenia siły. Zjawisko odwrotne polega na odkształceniu elementu piezoelektrycznego poddanego działaniu napięcia elektrycznego . Pole elektryczne ukierunkowuje ustawienie dipoli kryształów, zmieniając całkowitą długość elementu . Zanik napięcia pozostawia szczątkową polaryzację dipoli . Ponowne przyłożenie napięcia o biegunowości odpowiadającej polaryzacji szczątkowej powoduje skrócenie elementu, a przyłożenie napięcia o kierunku przeciwnym wydłuża element . Ta zasada wykorzystywanajest np . w silnikach piezoelektrycznych i w membranach głośników . Wartość ładunku elektrycznego powstającego na elektrodach przyłożonych do obciążanej pojedynczej płytki piezoelektrycznej, w przypadku korzystania z efektu wzdłużnego wynosi : Q= k,l r

(11 .1)

gdzie : Q - ładunek elektryczny [C], kv - współczynnik piezoelektryczny [C/NI (dla kwarcu k . = 2,3 • 10 -12 C/N), Fy - działająca siła [N] . Ponieważ wartość Q nie zależy w tym przypadku od rozmiarów geometrycznych płytki, w celu zwiększenia czułości czujnika stosuje się łączenie płytek w zestawy (stosy). Wtedy dla n płytek (rys . 11-2) otrzymujemy : Q = nk,F

(11 .2)

Zwiększenie liczby płytek pociąga za sobą na ogół wzrost błędu liniowości .

F + + A K-- + Rys . 11-2 . Zasada budowy czujnika wielopłytkowego o zwiększonej czułości [701



149

Zasada działania

W przypadku korzystania z efektu poprzecznego wartość ładunku indukowanego na elektrodach bocznych pod wpływem przyłożonej siły wynosi : Q=-bkF a

(11 .3)

gdzie a i b to odpowiednie rozmiary płytki wykonanej w postaci prostopadłościanu (rys . 11-3)

Rys . 11-3 . Zasada powstawania piezoelektrycznego efektu poprzecznego [701

Znak „minus" w zależności (11 .3) wskazuje, że znaki ładunków są przeciwne do kierunku dodatniego osi x (rys . 11-3) . Czułość takiego przetwornika można zwiększyć przez zmianę stosunku b/a, co praktycznie uzyskuje się przez wydłużenie prostopadłościanu w kierunku osi y do granicy określonej jego dopuszczalnym wyboczeniem i wytrzymałością mechaniczną. Z efektu piezoelektrycznego wzdłużnego korzysta się na ogół przy pomiarze przyspieszeń i sił wzdłużnych, z efektu poprzecznego natomiast przy pomiarze sił i momentów zginających oraz ciśnienia . Należy pamiętać, że efekt piezoelektryczny zanika powyżej temperatury około 340°C (temperatura Curie) . Poniżej tej temperatury kryształy mają budowę tetragonalną i moment dipolowy, co po przyłożeniu pola elektrycznego wywołuje efekt piezoelektryczny . Powyżej tej temperatury kryształy mineralne (np . perowskit CaTiO3 ) charakteryzują się prostą, symetryczną, sześcienną budową, bez momentu dipolowego . Aby uniknąć depolaryzacji kryształów, temperatura piezoelementów podczas eksploatacji nie powinna przekraczać 160°C . Napięcie powstające na zaciskach elektrod piezoelementu obciążonego siłą zależy od jego własnej pojemności CP : U= Q C,

(11 .4)

Czujniki piezoelektryczne posiadają dużąrezystancję wewnętrzną . Napięciowe przetwarzanie sygnału wymaga wbudowania wzmacniacza możliwie blisko czujnika, bowiem długie przewody doprowadzające zmieniają rezystancję i pojemność układu, zafałszowując sygnał z czujnika . Możliwość rozdzielenia czujnika i wzmacniacza występuje przy pojemnościowym przetwarzaniu sygnału (rys . 11-4) . Ładunek Q wytworzony w czujniku gromadzi się na kondensatorze pomiarowym



Czujniki piezoelektryczne

150

C,N stanowiącym część wzmacniacza . Napięcie mierzone na tym kondensatorze jest proporcjonalne do wytworzonego ładunku : UM = Q

(11 .5)

Ponieważ na ogół jest Cp « Cm , napięcie UM ma małą wartość i wymaga wzmocnienia. Przy tym sposobie przetwarzania wpływ przewodów łączących jest znacznie mniejszy niż przy przetwarzaniu napięciowym .

Rys . 11-4 . Przetwarzanie pojemnościowe sygnału z czujnika piezoelektrycznego [ 11 ] 1 - element piezoelektryczny, 2 - przewód łączący, 3 - układ pomiarowy Cp - pojemność własna elementu piezoelektrycznego, F- siła mierzona, C,f - pojemność pomiarowa, Q - ładunek elektryczny

2

r

W materiałach piezoelektrycznych występuje zjawisko histerezy, analogicznie jak w materiałach ferromagnetycznych . Na rysunku 11-5 pokazano typową pętlę histerezy jako zależność względnej zmiany długości elementu 01/41mar od napięcia elektrycznego przykładanego do ścianek tego elementu .

B

+150 V

Rys . 11-5 . Charakterystyka czujnika piezoceramicznego o zakresie napięcia od -30 do 150 V [96] A - charakterystyka dla przebiegu bipolamego niesymetrycznego, B - charakterystyka dla przebiegu unipolarnego

Jako materiał piezoelektryczny w budowanych obecnie czujnikach pomiarowych stosuje się kwarc (SiO.), rzadziej tytanian baru (BaTio> W porównaniu z innymi materiałami kwarc charakteryzuje się wieloma zaletami : znaczną wytrzymałością mechaniczną, dużą liniowością, pomijalną histerezą, odpornością na działanie podwyższonych temperatur, znaczną stabilnością temperaturową oraz dużą rezystywnością . Stosuje się również specjalne mieszanki tlenków metali, poddawane obróbce cieplnej, przez co uzyskują strukturę krystaliczną . Po ochłodzeniu elementy te cięte są na odpowiednie kształty w zależności od przeznaczenia i wyposażane w elektrody . Na przetworniki piezomechaniczne, zamieniające przy-



151

Zasada działania

kładane napięcie na odkształcenie elementu, stosuje się materiały ceramiczne ołowiowo-cyrkonowe-tytanowe (PZT ceramics - Pb/Zr/Ti) . Oprócz materiałów krystalicznych ceramicznych, właściwości piezoelektryczne wykazują także specjalne cienkie folie wykonane z tworzyw sztucznych, które również znalazły zastosowanie w pojazdach samochodowych . Są to materiały tanie, jednakże ich właściwości w zastosowaniu do czujników są znacznie gorsze . Dodatkowo materiały te wykazują tzw. efekt piroelektryczny, polegający na tym, że wskutek zmian temperatury wytwarzają ładunek powierzchniowy, który nakłada się na ładunek wytwarzany podczas oddziaływań siłowych . Efekt piezoelektryczny występuje przy dynamicznym oddziaływaniu na powierzchnię elementu . Przy statycznym działaniu siły ładunki elektryczne przepływają przez rezystancję obwodu pomiarowego czujnika i efekt piezoelektryczny zanika . Stałą czasową takiego rozładowania oblicza się jako : (11 .6)

t = (~,

gdzie R jest rezystancją całkowitą przetwornika . Wysokiej jakości czujniki piezoelektryczne mają stałą czasową liczoną w minutach, zaś typowe, stosowane w pojazdach - w sekundach .

11 .2. Zastosowania czujników piezoelektrycznych Piezoelektryczne czujniki przyspieszenia

Przy zastosowaniu czujników piezoelektrycznych do pomiaru przyspieszenia element piezoelektryczny może służyć jednocześnie jako masa sejsmiczna i jako element sensoryczny, który przez odkształcenie przetwarza przyspieszenie a na wielkość elektryczną (rys . 11-6) . Indukowany ładunek elektryczny Q jest proporcjonalny do działającej siły bezwładności, a więc do przyspieszenia a : Q= k u ma

(11 .7)

gdzie : m - masa sejsmiczna, a - mierzone przyspieszenie, kv - współczynnik piezoelektryczny . a

1

1

b

a=0

U=0

!

1

~

Rys . 11-6 . Zasada działania piezoelektrycznego czujnika przyspieszenia w spoczynku i pod działaniem przyspieszenia (b) 1 - dwuwarstwowa, piezoceramiczna belka zginana, U - napięcie pomiarowe, m - masa poddawana przyspieszeniu a

(a)

t

152

Czujniki piezoelektryczne

Zasadniczą częścią czujnika jest zginany element piezoelektryczny składający się z dwóch sklejonych, przeciwnie spolaryzowanych warstw . Przyspieszenie a działające na belkę 1 powoduje powstanie siły bezwładności zginającej belkę . W rezultacie na zewnętrznych powierzchniach warstw gromadzą się ładunki elektryczne, a napięcie U jest sumą piezoefektu w obu warstwach . Elektrody zamocowane do belki 1 umożliwiają pomiar napięcia wywołanego efektem piezoelektrycznym, proporcjonalnego do działającego przyspieszenia . Zginane piezoelementy dają mierzalny sygnał napięciowy przy dużych opóźnieniach, rzędu kilkudziesięciu m/s', występujących w sytuacjach zderzeniowych . Mogą sygnalizować przyspieszenie graniczne zarówno przy zderzeniach czołowych, jak i bocznych . Sygnał wyjściowy jest sygnałem zmiennonapięciowym (około 10 Hz) i wymaga filtracji większych częstotliwości .

u uo 10 0 -10 -20

Rys. 11-7 . Przykładowa charakterystyka częstotliwościowa piezoelektrycznego czujnika przyspieszenia [24]

1 10-2

10°

10l

102

10 3

104 f [Hzl

(za zgodą wydawnictwa Carl Hanser Verlag)

Rys . 11-8. Wygląd zewnętrzny mikromechanicznego czujnika przyspieszenia poprzecznego i prędkości kątowej firmy Bosch [127]

Czujniki piezoelektryczne do pomiarów przyspieszenia znajdują zastosowanie w mechatronice samochodowej jako : - czujniki przyspieszenia wzdłużnego (hamowanie i rozpędzanie pojazdu), - czujniki przyspieszenia bocznego w układach stabilizacji toru jazdy, - czujniki przyspieszenia przy zderzeniach, wyzwalające działanie poduszki powietrznej i napinaczy pasów bezpieczeństwa .



Zastosowania czujników piezoelektrycznych

153

Piezoelektryczne czujniki drgań Jeżeli element piezoelektryczny przymocujemy do drgającej bryły w ten sposób, aby drgania te przenosiły się na stos kwarcowy, to siły bezwładności będą powodowały zmiany ładunku na jego elektrodach . Siła nacisku na kryształ będzie proporcjonalna do przyspieszenia, a więc napięcie powstające w czujniku będzie miarą przyspieszenia . Na tej zasadzie opiera się działanie czujnika spalania stukowego w silniku . Jest on sztywno przymocowany do górnej części kadłuba, w pobliżu głowicy silnika . Drgania tych elementów wywoływane są przez pulsacje ciśnienia spalania w cylindrach silnika. Przenoszą się one na masę sejsmiczną 2 czujnika (rys . 11-9) . Siły bezwładności wywoływane tymi drganiami oddziałują na pierścieniowy element piezoceramiczny 1 . Na powierzchniach tego elementu powstają ładunki elektryczne, a różnica potencjałów jest mierzona i wzmacniana . Napięcie to jest filtrowane i całkowane oraz analizowane przez sterownik silnika . Analizowane są: amplituda i częstotliwość sygnału . Przekroczenie wartości granicznych oznacza, że spalanie w cylindrze przebiega nieprawidłowo, stukowo . Częstotliwość drgań wywołanych spalaniem stukowym wynosi około 7 kHz. Częstotliwość drgań własnych czujnika wynosi powyżej 25 kHz . Do silników czterocylindrowych stosuje się jeden czujnik ; w przypadku większej liczby cylindrów i w silnikach widlastych (typu V) stosowane są dwa lub trzy czujniki .

Rys . 11-9. Budowa czujnika spalania stukowego [11] 1 - element piezoelektryczny, 2 - masa drgająca obciążająca element piezoelektryczny, 3 - obudowa, 4 - śruba mocująca, S - tuleja dystansowa, 6 - styk elektryczny, 7 - kadłub silnika F- siły pochodzące od drgań kadłuba silnika działające na czujnik i masę 2, v - kierunek przenoszenia drgań

Zastosowanie w silniku czujnika fazy, otrzymującego impuls co jeden obrót wału rozrządu, pozwala przyporządkować przebieg drgań z czujnika spalania stukowego do konkretnego cylindra . Dzięki temu otrzymujemy informację, w którym cylindrze proces spalania przebiega nieprawidłowo i tylko w tym cylindrze zapłon jest opóźniany, aby ograniczyć w nim spalanie stukowe . Każdy cylinder ma

154

Czujniki piezoelektryczne

własny poziom odniesienia, względem którego jest oceniany sygnał z czujnika spalania stukowego (rys . 11-10) . Czujniki tego typu przystosowane są do pracy w temperaturach od -40 do 150°C, w warunkach zapylenia i dużych zmian wilgotności .

Rys . 11-10 . Porównanie sygnałów z czujnika spalania stukowego przy spalaniu normalnym ( r ys . gm .) i stukowym (rys . dln .) [l l] a - ciśnienie w cylindrze, b - odfiltrowany sygnał ciśnienia, c - sygnał z czujnika spalania stukowego

Rys. 11-11 . Piezoelektryczny czujnik spalania stukowego (widok)

Piezoelektryczne czujniki ciśnienia W diagnostyce urządzeń samochodowych mają zastosowanie piezokwarcowe czujniki do pomiaru dynamicznych zmian ciśnienia w przewodzie dolotowym silnika spalinowego (rys . 11-12a) lub reagujące na odkształcenie przewodu ciśnieniowego, np . przewodu wysokiego ciśnienia w układach wtryskowych (rys . 11-14) albo przewodu hamulcowego w hamulcach hydraulicznych (rys . 11-12b) . W przypadku dynamicznych zmian ciśnienia paliwa lub ciśnienia płynu hamulcowego zmianom ulega średnica przewodu, przez który przepływa płyn . Dwa elementy piezokwarcowe czujnika obejmują ściśle ten przewód (rys . 11-12b) . Na skutek sprężystego odkształcania ścianek przewodu hydraulicznego elementy piezokwarcowe podlegają działaniu sił . Zmiana wartości tych sił jest proporcjonalna do zmian ciśnienia w przewodzie . Ładunek elektryczny indukowany w elemencie piezokwarcowym wywohxje różnicę potencjałów na powierzchniach połówek piezokwarcowych obejmujących przewód . Napięcie to po wzmocnieniu jest rejestrowane i reprezentuje czasowy przebieg zmian ciśnienia hydraulicznego . Na rysunku 11-13a przedstawiono przebieg czasowy prędkości zmian napięcia z czujnika piezokwarcowego mierzącego pulsacje przewodu hamulcowego podczas działania układu przeciwblokującego ABS oraz porównawczo sygnał zmian

Zastosowania czujników piezoelektrycznych

155

Rys . 11-12 . Czujnik piezokwarcowy ciśnienia doładowania turbosprężarki (a) oraz (b) czujnik piezokwarcowy do pomiaru dynamicznych zmian ciśnienia w przewodzie hydraulicznym układu hamulcowego (z lewej widok czujnika z dwoma połówkami piezokwarcowymi, z prawej - zamontowanego na przewodzie hamulcowym)

ciśnienia w tym przewodzie, które równocześnie mierzone było czujnikiem tensometrycznym (rys . 11 -13 b) . Metoda pomiaru odkształceń przewodów hamulcowych z zastosowaniem czujników piezokwarcowych może być stosowana do diagnostycznych badań zmian ciśnienia podczas działania układu ABS . Piezokwarcowe czujniki ciśnienia stosowane są również do analizy przebiegu ciśnienia wtrysku paliwa w silnikach o zapłonie samoczynnym (rys . 11-14) . Wykorzystuje się je również w przyrządach do pomiaru kąta wyprzedzenia wtrysku . W tym przypadku montowane są na przewodzie wysokiego ciśnienia pompy w podobny sposób, jak pokazano to na rys . 11-12b .

156

Czujniki piezoelektryczne

a 0,40 D,2D

v~t~lll~llllllll~~~llll

0,00 -0,20 -0,40 -0,60 -0,80 -1,00 -1,20 -1,40 -1,60 -1,80

t [s] O O O

M Y O

O N

m co

O

N N

b

ć

4

N

M

M

v

M M

act

M

M 7

ń

22

a

N

b 0,16 U 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 -0,02

"i

t [s]

-0,04 0 O O

rn O

O 0) O

N

O N

N O) M

Z ,e

O O 7

Rys. 11-13. Przebieg czasowy napięcia a - z piezokwarcowego czujnika pulsacji przewodu hamulcowego, b - z tensometrycznego czujnika ciśnienia

Rys . 11-14 . Widok piezokwarcowych czujników ciśnienia zamocowanych do przewodów wysokiego ciśnienia pompy wtryskowej



Zastosowania czujników piezoelektrycznych

157

-l- -i- -l-l- -l-

1

Rys. 11-15. Oscylogram przebiegu ciśnienia wtrysku sekcji tłoczącej rzędowej pompy wtryskowej, mierzonego czujnikiem piezokwarcowym

Piezoelektryczne czujniki prędkości kątowej Analizując ruch pojazdu jako bryły sztywnej (rys . 11-16) prędkość bezwzględną punktu A poruszającego się wewnątrz nadwozia, które również jest w ruchu można opisać równaniem : v,,-vo +coxr+

d'r' -ve +v, dt

(11 .8)

Jest to suma geometryczna wektorów prędkości unoszenia ve i prędkości względnej vr* Prędkość unoszenia ve jest prędkością, którą miałby punkt A, gdyby był sztywno związany z nadwoziem . Prędkość unoszenia równa się sumie geometrycznej prędkości liniowej v o środka masy pojazdu O w nieruchomym układzie współrzędnych Otxyz i prędkości punktu A w ruchu obrotowym względem chwilowej osi obrotu z' (rys . 11-16) : ve=vo +coxr' (11 .9) Prędkość vr jest prędkością względną, czyli prędkością punktu A w układzie ruchomym Ox' y' z' (rys . 11-16) : - d'r' ( 11 .10) vr dt Jest to pochodna lokalna wektora r' wyznaczona w układzie ruchomym Ox'y'z'.



158

Czujniki piezoelektryczne

Rys . 11-16 . Ruch płaski ciała sztywnego

Przyspieszenie bezwzględne punktu A nadwozia w nieruchomym układzie odniesienia O,xyz wynosi : dv, (11 .11) adt Po zróżniczkowaniu zależności (11 .8) i odpowiednich przekształceniach [41] można zapisać następującą sumę geometryczną :

gdzie:

a - dv° + do) r'+(vx~wxr')+ d,v'+2wxv -a +a +a dt dt dt c dvo

(11 .12)

dw r' + w x (w x r') jest przyspieszeniem unoszenia, równym przyda dt spieszeniu, które miałby punkt A, gdyby był sztywno związany z układem ruchomym Ox'y'z'(gdyby nie przemieszczał się względem nadwozia) ; - a, -

+

- a,.

fiest przyspieszeniem względnym punktu A, wynikającym z przedt mieszczania się tego punktu w ruchomym układzie współrzędnych Ox'y'z' i zmian prędkości względnej vr tego punktu (to pochodna lokalna prędkości względnej vr w układzie ruchomym Ox'y'z' ; reprezentuje ruch punktu A wewnątrz nadwozia) ; - ac = 2w xv r jest przyspieszeniem punktu A wynikającym z prędkości kątowej nadwozia w i prędkości względnej tego punktu vr (przyspieszenie Coriolisa) . Wektor przyspieszenia Coriolisa jest prostopadły do prędkości względnej v r punktu A i do wektora prędkości kątowej w. Wartość tego przyspieszenia wynosi : (11 .13) ac = 2wiv sin a gdzie a to kąt między wektorami vr i (0 Z zależności (11 .13) wynika, że gdy prędkość kątowa co ruchomego układu odniesienia Ox'y'z' (nadwozia pojazdu), równa jest zeru, czyli gdy pojazd porusza się ruchem postępowym, wówczas i przyspieszenie Coriolisa a C równe jest zeru . Przyspieszenie ac równe jest także zeru gdy prędkość względna vr punktu A wynosi zero, lub gdy prędkość vr jest równoległa do wektora prędkości kątowej co, czyli wartość kąta a = 0 .



Zastosowania czujników piezoelektrycznych

159

Te właściwości ruchu bryły sztywnej wykorzystuje się do pomiaru prędkości kątowej pojazdu . Jeżeli ruch samochodu po jezdni potraktujemy jako ruch płaski, to prędkość kątowa nadwozia pojazdu wokół osi pionowej wynosi : ac CO = (11 .14) 2v, sina Prędkość względną vr punktu A, w którym na pojeździe umocowany jest czujnik, uzyskuje się za pomocą wymuszanego elektrodynamicznie ruchu drgającego masy sejsmicznej czujnika : v, = vo sin wa t

(11 .15)

Drgania masy w czujniku zamocowanym w nadwoziu mają kierunek prostopadły do kierunku wektora prędkości co, stąd kąt a = n/2 . Dla takiego przypadku na podstawie równań (11 .14) i (11 .15) można zapisać : co =

ac

2vo sincoot

(11 .16)

gdzie % to częstość wymuszanych elektrodynamicznie drgań masy czujnika . W przypadku obrotu nadwozia przyspieszenie Coriolisa a c działające na masę drgającą czujnika m zamontowaną sprężyście powoduje jej wychylenie, zależne od wartości tego przyspieszenia . Kierunek wychylenia x jest prostopadły do wektora prędkości kątowej co i wektora prędkości względnej v r (zgodny z kierunkiem ac ). Mierząc wartość tego wychylenia można obliczyć wartość chwilową przyspieszenia Coriolisa a c z zależności: 2 ac(t)= 'xc (11 .17) Z kolei znając charakter drgań wymuszonych masy czujnika (w o, vo) można z zależności (11 .16) obliczyć prędkość kątową pojazdu w wokół osi pionowej lub wzdłużnej . Techniczne rozwiązania tego typu czujników zawierają układy filtrujące, pozwalające oddzielić przebieg przyspieszenia Coriolisa wynikający z obrotu pojazdu od zakłóceń powstających np . wskutek drgań nadwozia . Należy również wyraźnie oddzielić wpływ drgań masy czujnika m, związanych z drganiami nadwozia i powstającego przy tym przyspieszenia unoszenia a , oraz wpływ przyspieszenia względnego a, wywołanego wymuszonymi drganiami elektromagnetycznymi od pomiaru przyspieszenia Coriolisa . W tym celu przyspieszenie od drgań elektrycznych wymuszonych a r jest kilka rzędów większe od przyspieszenia Coriolisa i przesunięte w fazie : a r = d'v, l dt = vow ocoswot, a, = 2wvosinwot. Wpływ przyspieszenia a, na pomiar przyspieszenia Coriolisa jest również eliminowany przez odpowiednią modulację oraz montaż kierunkowy w pojeździe . Wymagane jest również przesunięcie fazowe sygnału mierzonego a c wobec przyspieszeń zakłócających . Przykładem tego typu czujników są kamertonowe i mikromechaniczne czujniki prędkości obrotowej stosowane w pojazdach samochodowych . W czujniku kamertonowym (rys . 11-17) widełki 3 są pobudzane do drgań po przyłożeniu napięcia zmiennego do dolnych piezoelementów 6 . Powoduje to rów-



160

Czujniki piezoelektryczne

nież drgania górnych elementów piezometrycznych 5 . Przy jeździe prostoliniowej, gdy czujnik nie podlega obrotowi, pobudzone elektrodynamicznie widełki drgają w płaszczyźnie widełek 3 (rys . 11-17a) . Przymocowane do nich górne piezoelementy 5 drgają w przeciwfazie . Ponieważ piezoelementy 5 czułe są tylko na oddziaływanie sił w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny widełek, siły bezwładności będące wynikiem drgań w płaszczyźnie widełek 3 nie wywołująw nich efektu piezoelektrycznego . Podczas jazdy po torze krzywoliniowym czujnik zamocowany do nadwozia pojazdu podlega obrotowi z pewną prędkością kątową co . W połączeniu z ruchem drgającym widełek, wywołującym prędkość względną v, prostopadłą do wektora prędkości kątowej w, powoduje to powstanie przyspieszenia Coriolisa ac- 2covr To przyspieszenie, prostopadłe do pierwotnego kierunku drgań widełek, powoduje ich wychylenie w kierunku prostopadłym do ich płaszczyzny (rys . 11-17b) . Ten kierunek wychylenia wywołuje efekt piezoelektryczny w piezoelementach 5 . Po wzmocnieniu i obróbce sygnału z tych piezoelementów otrzymujemy napięcie zmienne, którego amplituda jest proporcjonalna do przyspieszenia Coriolisa . Mierząc amplitudę tego napięcia i znając postać drgań wymuszonych widełek (v ,), można obliczyć prędkość kątową nadwozia co . Kierunek napięcia wskazuje na kierunek prędkości kątowej nadwozia . Tego typu czujniki są wykorzystywane w systemach nawigacji GPS . Na podstawie sygnału napięciowego z czujnika programowo obliczany jest promień łuku, po którym porusza się pojazd . Po uwzględnieniu prędkości samochodu i jego położenia może być podejmowana decyzja o ewentualnej zmianie kierunku jazdy .

Rys. 11-17 . Kamertonowy czujnik prędkości kątowej [ 11] a - wychylenie przy jeździe prostoliniowej, b - wychylenie podczas jazdy po torze krzywoliniowym 1 i 2 - kierunek obrotu widełek (skrętu pojazdu), 3 - widełki kamertonu, 4 - kierunek działania przyspieszenia Coriolisa i kierunek odchylenia widełek przy ruchu obrotowym pojazdu, 5 - górne piezoelementy, 6 - dolne piezoelementy wymuszające drgania, 7 - kierunek drgań widełek przy jeździe prostoliniowej 62 - kąt obrotu



Zastosowania czujników piezoelektrycznych

161

Mikromechaniczny czujnik prędkości kątowej (rys . 11-18) mocowany jest w nadwoziu w pobliżu środka masy pojazdu . Dwie masy 2 wykonane z płytek półprzewodnikowych, zamocowane sprężyście w obudowie czujnika, pobudzane są elektrycznie do drgań o przeciwnych fazach z częstotliwością rezonansową ponad 2 kHz. Wymuszenie drgań v realizowane jest poprzez zmianę wartości prądu doprowadzanego przewodem do mas 2 . Ponieważ masy znajdują się w stałym polu magnetycznym B, doprowadzany prąd wytwarza siłę Lorentza powodującą drgania . Prędkość tych drgań mierzy się poprzez pomiar siły elektromotorycznej wyindukowanej w drugim przewodzie, umieszczonym na masie drgającej . Na każdej z mas umieszczony jest czujnik przyspieszenia 3, czuły na przyspieszenie działające w kierunku prostopadłym do kierunku wymuszonych drgań masy 2 . Gdy pojazd obraca się wokół osi pionowej, na masę 2 działa przyspieszenie Coriolisa . Jest ono wynikiem prędkości kątowej co pojazdu i czujnika zamocowanego sztywno do nadwozia samochodu oraz prędkości względnej v masy 2, wywołanej wymuszonym elektrycznie ruchem drgającym . Przyspieszenie Coriolisa działa w kierunku prostopadłym do wektorów prędkości kątowej co i prędkości v (rys . 1118) . Mikromechaniczne czujniki przyspieszenia 3 umieszczone na masach 2 mierzą jego wartość . Znając prędkość drgań wymuszonych mas 2 i przyspieszenie Coriolisa acc działające na te masy można obliczyć prędkość kątową nadwozia co, np. z zależności (11-14) . W układach stabilizacji toru jazdy ESP czujnik ten spełnia również zadanie czujnika przyspieszenia poprzecznego . Masy 2 wychylają się bowiem z położenia równowagi nie tylko pod wpływem sił Coriolisa, ale również pod wpływem przyspieszenia dośrodkowego co x(coxr) . Dzięki różnicy częstości pulsacji przyspie-

Rys. 11-18. Mikromechaniczny czujnik prędkości kątowej [741 I - kierunek drgań wymuszonych, 2 - masy drgające, 3 - czujnik przyspieszenia Coriolisa (pojemnościowy), 4 - sprężyna mocująca masę drgającą, 5 - kierunek działania przyspieszenia Coriolisa B - indukcja pola magnetycznego magnesu stałego, v - prędkość drgań wymuszonych, m - prędkość kątowa



162

Czujniki piezoelektryczne

szenia Coriolisa i przyspieszenia dośrodkowego działającego na masę 2 oraz filtracji sygnałów można wyróżnić sygnał napięciowy przyspieszenia poprzecznego oraz reprezentujący przyspieszenie Coriolisa . Przedstawiony układ jest więc zintegrowanym czujnikiem podwójnego działania . W celu odizolowania czujnika od wpływów atmosferycznych i zachowania stałej jego charakterystyki w różnych warunkach pracy jest on umieszczony w szczelnej obudowie metalowej wypełnionej azotem . Jak przedstawiono powyżej, czujniki do pomiaru prędkości kątowej nie reagują na tę wielkość bezpośrednio . Zasada działania czujnika prędkości kątowej jest oparta na zjawisku powstawania i oddziaływania sił Coriolisa na poruszający się element czujnika . Jeśli w pojeździe, który porusza się ruchem obrotowym znajduje się czujnik z masą drgającą, to działa na nią przyspieszenie Coriolisa, zakłó-

Rys. 11-19 . Piezoelektryczny czujnik prędkości kątowej układu stabilizacji toru jazdy [74] 1 . . .4 - pary elementów piezoelektrycznych, 5 - trzpienie połączeniowe, 6 - cylinder drgający, 7 - płyta montażowa co - prędkość kątowa czujnika (pojazdu)

ref

Rys. 11-20 . Zasada działania piezoelektrycznego czujnika prędkości kątowej [ 111 ]-]'i 2-2'-pary piezoelementów wzbudzających drgania cylindra, 3-3'-para piezoelementów reagujących na zakłócenie drgań cylindra (na prędkość kątową co), 4-4'- para piezoelementów kompensujących zakłócenie drgań cylindra, 5 i 6 - układ przełączający i filtr pasmowy, 7 - wzorzec fazowy (punktu odniesienia), 8 - prostownik (selektywny fazowo) UA -napięcie wyjściowe, U er -napięcie odniesienia na piezoelementach 3-3'



Zastosowania czujników piezoelektrycznych

163

Gające drgania tej masy . Sygnał potrzebny do przywrócenia pierwotnej postaci drgań może służyć jako miara prędkości kątowej, ponieważ wraz ze wzrostem prędkości kątowej pojazdu drgania masy czujnika są coraz bardziej zakłócane . Jest to drugi sposób pomiaru prędkości kątowej . Drgania masy czujnika wywoływane są elektrycznie, sygnał korygujący te drgania jest również sygnałem elektrycznym . Przykład piezokwarcowego czujnika do pomiaru prędkości kątowej, działającego na powyższej zasadzie i stosowanego w systemach stabilizacji toru ruchu pojazdu ESP przedstawiono na rysunku 11-19 . Niewielkich rozmiarów cylinder 6 z zamocowanymi elementami piezoelektrycznymi pobudzany jest do drgań promieniowych o regulowanej amplitudzie i częstości akustycznej . Drgania te wywołują dwie pary elementów piezoelektrycznych : ]-]'i 2-2', umieszczone na średnicach prostopadłych względem siebie (rys. 11-20) . Jeżeli czujnik jako całość nie podlega obrotowi, to w węzłach 3-3' i 4-4'nie występują oddziaływania na elementy piezokwarcowe . Gdy pojawia się ruch obrotowy pojazdu i czujnika co, drgania cylindra zostają zakłócone, a w węzłach 3-3'pojawia się wychylenie i efekt piezoelektryczny. Ten efekt jest kompensowany przez oddziaływanie elektrodynamiczne pary piezoelementów 4-4' . Sygnał doprowadzany do piezoelementów 4-4', potrzebny do wyzerowania sygnałów z pary piezoelementów 3-3', stanowi miarę prędkości kątowej co pojazdu . Układ pomiarowy tego typu czujnika wyposażony jest w układ kompensacji temperatury .



Czujniki ultradźwiękowe

12 12 .1 . Zasada działania Ultradźwiękami nazywamy drgania o częstotliwości wyższej od górnej granicy słyszalności ucha ludzkiego tj . od około 16 . . .20 kHz i niższej od 10 GHz, powyżej której występuje tzw. pasmo hiperdźwięków. Różnica między ultradźwiękami, dźwiękami słyszalnymi, infradźwiękami i hiperdźwiękami polega tylko na innej ich częstotliwości (rys . 12-1) . Natomiast mechanizm powstawania Hiperdźwięki i rozchodzenia się tych fal jest oparty na tych samych prawach fizyki . Fale ultradźwiękowe, o częs10 GHz totliwościach do 6 . 10 5 Hz, mogą rozchodzić się w ośrodkach stałych, ciekłych i gazowych . Wykazują one podobne własności jak fale świetlne, tzn . uginają się wokół przeszkód znajdujących się na ich drodze, załamują się i odbijają na granicy dwóch ośrodków ; można je też skupiać pod postaUltradźwięki cią wąskich wiązek . Najczęściej wykorzystywane są ultradźwięki rozchodzące się w postaci fal podłużnych . W tym ruchu cząstki ośrodka pobudzane są do drgań o kierunku zgodnym z kierunkiem rozchodzenia się fali . Występuje wówczas na prze16 kHz mian zagęszczanie i rozrzedzanie cząstek ośrodka . Ten typ ultradźwięków jest wykorzystywany w zaDźwięki stosowaniach motoryzacyjnych . Drgania o częstotliwości ultradźwiękowej wytwarzy się za pomocą przetworników, które umoż16 Hz liwiają przetwarzanie energii elektrycznej na meInfradźwięki 0 Hz

Rys . 12-1 . Widmo fal dźwiękowych



165

Zasada działania

chaniczną i na odwrót (rys . 12-2) . Źródło fal ultradźwiękowych stanowi zwykle element lub układ drgający, który jest pobudzany do drgań za pomocą zmiennego pola magnetycznego, elektrycznego lub elektromagnetycznego . Jako przetworniki ultradźwiękowe stosuje się elementy piezoelektryczne, najczęściej kwarcowe . Częstotliwość napięcia wywołującego drgania powinna być zgodna z częstotliwością drgań własnych przetwornika . Częstotliwości podstawowe przetworników piezoelektrycznych kwarcowych wynoszą od 50 do 200 kHz, a mikromechanicznych krzemowych (MEMS) do 5 MHz [89] . Elementy te mogą być naklejane na membrany aluminiowe . Po przyłożeniu zmiennego napięcia piezoelementy drgają odkształcając membranę . Przez krótkotrwałe pobudzenie membrany do drgań wysokoczęstotliwościowych powstaje impuls nadawczy, składający się z sekwencji drgań (rys . 12-3) . Jeżeli impuls ten, przemieszczając się w danym ośrodku z prędkością dżwięku, natrafi na przeszkodę w postaci obiektu o innej gęstości, to odbija się od niego i wraca do przetwornika w postaci impulsu echa (rys . 12-3) . W zastosowaniach motoryzacyjnych stosuje się przetworniki, które generują i odbierają fale ultradżwiękowe w zakresie dolnych częstotliwości ultradźwiękowych : 20 . . .250 kHz. Ponieważ efekt piezoelektryczny jest odwracalny, ten sam element przetwornika daje się zastosować zarówno do wysyłania, jak i do odbierania impulsów . Wzmacniacz odbioru Przełącznik nadawanie/ odbieranie

Przygotowanie sygnału : Licznik

O

,_,n B

A

o--

I -L

+1

Opracowywanie

1I (analizowanie) I I 1 I I I I 1 I Sterowanie

Przetwornik ultradźwiękowy

przebiegiem I

Rys . 12-2 . Schemat czujnika ultradźwiękowego i układu przetwarzania sygnału [24] A - impuls nadawczy, B - impuls odbiorczy, odbity od przeszkody (za zgodą wydawnictwa Carl Hanser Verłag) Amplituda Impuls echa

t Cykl nadawania r4 Rys . 12-3 . Obraz sygnału czujnika ultradźwiękowego [24] (za zgodą wydawnictwa Carł Hanser Verłag)

~ I

Wzmacniacz Generator 1 Timer L nadawania Mikrokontroler

Impuls nadany

I 1 I

Czas



166

Czujniki ultradźwiękowe

Zasadę działania czujnika ultradźwiękowego wraz z układem przetwarzania przedstawiono na rysunku 12-2 . Jednostka sterująca włącza przetwornik krótkotrwale na nadawanie fal ultradźwiękowych (przez około 300 gs) i uruchamia jednocześnie pomiar czasu (na przykład przez zliczanie impulsów z generatora częstotliwości wzorcowej) . Natychmiast po wysłaniu sekwencji drgań następuje okres wygaszania - uspokojenia membrany, trwający około 900 gs . W tym czasie odbiór sygnału nie jest możliwy. Po tym okresie układ pomiarowy jest przełączany na odbiór, a sygnał akustyczny powracający w postaci echa jest odbierany . Odebrane echo przebiega przez wzmacniacz i układ przygotowania sygnału . Ten ostatni składa się co najmniej z filtra pasmowego (ochrona przed błędnymi pomiarami wskutek obcego dźwięku) dopasowanego do częstotliwości nadawania i wyzwalacza . Sygnał wyjściowy wyzwalacza („echo odebrane") zatrzymuje zliczanie impulsów pomiaru czasu . Następnie liczba impulsów jest odczytywana i obrabiana . Znając częstotliwość f i długość fali i można obliczyć prędkość sygnału w danym ośrodku : v =~f (12 .1) gdzie : v - prędkość fali w danym ośrodku, f - częstotliwość fali, .i - długość fali . Mierząc czas od momentu wysłania sygnału do odebrania echa można obliczyć odległość czujnika od przeszkody : (12 .2) s=vAt/2=2, fAt/2 gdzie : s - odległość czujnika od przeszkody, At - przyrost czasu od wysłania sygnału do odebrania echa . Obszar, w którym rozchodzą się fale ultradźwiękowe nazywa się polem ultradźwiękowym . Kształt tego pola jest zależny od postaci i wymiarów przetwornika wysyłającego fale oraz długości fali rozchodzącej się w ośrodku, a jego natężenie I,_ . od wysyłanej energii E , powierzchni fali S i czasu t, w którym fala przepływa : I _ E, (12 .3) St W przypadku fali kulistej rozchodzącej się w ośrodku bez zakłóceń natężenie 1 wynosi : Ic, = E,, (12 .4) 4nr`t Dla źródła drgań o stałej mocy (E u /t = const) natężenie fali kulistej jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości od źródła dźwięku r . Bezpośrednio przed źródłem drgań tworzy się strefa z oscylującym rozkładem natężenia promieniowania . Długość r o tego bliskiego pola (strefa Fresnela) wynosi w przybliżeniu [24] :



Zasada działania

167

ro =

(12 .5) 4,k gdzie D to średnica ultradźwiękowego elementu drgającego . W odległości r >> ro (dalekie pole lub strefa Fraunhofera) natężenie promieniowania maleje z kwadratem odległości r od źródła fali . W obszarze tym prawie całkowita wypromieniowana energia jest koncentrowana w stożku o połowie kąta rozwarcia a : a = arcsin 06 D

1

(12 .6)

Kąt ten zależy od długości fali ź . i średnicy membrany przetwornika D . W większości przetworników ultradźwiękowych stosuje się wąskie wiązki promieniowania (małe kąty a), aby zapobiegać odbiciom zakłócającym . Na rysunku 12-4 przedstawiono model wiązki promieniowania ultradźwiękowego z płaskiego nadajnika o dużej średnicy. Zakres i kształt wiązki przetwornika (kąt rozwarcia stożka promieniowania) jest zależny od długości fali dźwiękowej ź .. Im krótsza długość fali, tym węższy jest stożek fali i dłuższa strefa promieniowania . W zależności od celu stosowania czujniki ultradźwiękowe mogą służyć do wykrywania przemieszczających się elementów i np . zliczania ich ilości (są to tzw. czujniki zhlUenioweproximity sensors), lub do pomiarów odległości w zakresie od kilku (ok . 5) cm do kilkunastu (ok. 12) m - distance transducers . Ich niepewność pomiarowa wynosi do 0,05% . Dobór czujnika do określonego celu powinien uwzględniać obszar, jaki ma być pokryty przez sygnał z przetwornika oraz odległość, na jaką ma docierać . Jako materiał przetwornika stosuje się materiały piezoelektryczne z kwarcu, siarczanu litu lub tytanianu baru . Istnieją też przetworniki na bazie piezoelektrycznych polimerów (PVDF) . Częstotliwość rezonansowa f przetworników zależy od ich grubości g. Częstotliwości te oblicza się z następujących zależności Rys . 12-4 . Rozkład przestrzenny [108] : poziomów ciśnienia akustycznego - dla kwarcu f = 2880/g [kHz], przetwornika ultradźwiękowego - dla siarczanu litu f = 2360/g [kHz], 1ł00ł - dla tytanianu baru f = 2200/g [kHz], gdzie g [mm] to grubość przetwornika . Stosowanie czujników ultradźwiękowych wymaga analizy wpływu różnych czynników zewnętrznych na wynik pomiaru .



168

Czujniki ultradźwiękowe

Wpływ parametrów otoczenia . Prędkość v rozprzestrzeniania się fali w powietrzu zależy od jego temperatury, wilgotności i ciśnienia . To ostatnie podczas pracy czujnika w warunkach zmienności ciśnienia atmosferycznego może być pominięte . Natomiast zależność między prędkością fali, wilgotnością powietrza i temperaturą powinna być uwzględniana (rys . 12-5) .

* 4v

50% 100% Względna wilgotność powietrza Rys . 12-5 . Zależność zmian prędkości dźwięku od temperatury i wilgotności powietrza [100, 24] (za zgodą Carl Hanser Verlag)

Wpływ temperatury na prędkość rozchodzenia się dźwięku określa w przybliżeniu następujący związek [24] :

v = vo

l+

T

(12 .7)

273

gdzie : vo - prędkość dźwięku w powietrzu w temperaturze 0°C i przy ciśnieniu 1013 hPa, T - temperatura [°C] . Wpływ ten powinien być uwzględniony w przypadku pomiarów odległości . W przypadkach znacznej zmienności temperatury ośrodka, w którym przeprowadza się pomiary, układ czujnika ultradźwiękowego wyposażony jest w czujnik temperatury . Wpływ częstotliwości . Podczas wyboru częstotliwości wzbudzenia przetwornika konieczny jest kompromis między rozdzielczością pomiaru a pochłanianiem dźwięku . Częstotliwości wysokie pozwalają na wyższą rozdzielczość . Ze wzrostem częstotliwości rośnie jednak pochłanianie dźwięku w ośrodku, w którym dźwięk się rozprzestrzenia . Dlatego dobór częstotliwości fali ultradźwiękowej zależy od mierzonej odległości i środowiska . Przy dużych długościach pomiarowych korzystne są niskie częstotliwości . Natomiast wysokie częstotliwości pozwalają uzyskać małe kąty rozwarcia, a to z kolei umożliwia lepsze skupianie fali (ogni-



Zasada działania

169

skowanie) na obiekcie pomiarowym . W czujnikach stosowanych w budowie maszyn należy unikać zakresu około 40 kHz, ponieważ w tym zakresie występuje maksimum promieniowania ultradźwięków przez pracujące i drgające urządzenia mechaniczne [24] . Stosowanie tej częstotliwości pracy czujnika powodowałoby duży wpływ zakłóceń na pomiar . Wpływ właściwości materiałowych i geometrii nadajnika fal . Jeźeli fala ultradźwiękowa pada na granicę ośrodka, to część dźwięku wchodzi do przylegającego ośrodka (podlega transmisji), część zaś jest odbijana (podlega odbiciu) . Decydujący o zakresie pomiaru odległości współczynnik odbicia R u oblicza się z zależności : R, _

Wz-WI

(12.8)

Wz+WI

gdzie W, i WZ oznaczają oporność falową ośrodków, odpowiednio dla transmisji i odbicia. Oporność falowa akustyczna Wośrodka wyrażana jest następującą zależnością [24] : W= pv (12.9) gdzie : p - gęstość ośrodka, v - prędkość dźwięku w tym ośrodku . W materiałach o niewielkiej gęstości (tworzywa piankowe, tekstylia, itp .) występuje duże pochłanianie dźwięku (przetwarzanie w ciepło) z powodu ich struktury powierzchni . Odbijana jest tylko niewielka część energii . Dlatego są one trudne do wykrycia, a do ich identyfikacji potrzebne są przetworniki o dużej energii promieniowania . Także niektóre gazy (np . CO2) mają właściwości silnego pochłaniania dźwięku . Dlatego czujniki ultradźwiękowe nadają się głównie do analizy położenia lub prędkości obiektów o dużej gęstości .

12 .2 . Zastosowania czujników ultradźwiękowych Jednym z zastosowań tego typu czujników są zestawy nadajnik-odbiornik montowane w zderzakach pojazdu, określające odległość od przeszkód i nadzorujące przestrzeń wokół pojazdu, np . podczas parkowania i manewrowania (rys. 12-6 i 12-8) . Czujnik działa według zasady impuls-echo . Krótki impuls prądowy trwający około 300 gs wzbudza drgania w elemencie piezokwarcowym 7, pobudzając przeponę 2 do drgań rezonansowych . Drgania te wywołująpowstawanie ultradźwięków . Po wysłaniu impulsu przez przeponę następuje wygaszenie jej drgań przez około 900 gs i oczekiwanie na impuls echa . Czas wygaszania drgań jest wykorzystywany do kontroli poprawności działania czujnika . Powracająca odbita fala ultradźwiękowa wywołuje ponownie drgania przepony 2 i elementu piezokwarcowego 7 . Na skutek tych drgań element 7 wytwarza impulsy prądowe przesyłane do sterownika . W sterowniku analizowany jest czas powrotu echa (rys . 12-7) i obliczana odległość czujnika od przeszkody, np . wg zależności : s =~ fAt/2 . Uwzględnia się również wpływ

170

Czujniki ultradźwiękowe

Rys . 12-6 . Ultradźwiękowy czujnik ułatwiający parkowanie [251 1 - korpus czujnika, 2 - przepona drgająca, 3 - przyłącze wodoszczelne, 4 - otwór kompensacyjny, 5 - układ kompensacji temperatury, 6 - odprzężenie akustyczne, 7 - element piezoelektryczny

110

temperatury . Aktywacja układu czujników parkowania odbywa się przez włączenie biegu wstecznego . Na ogół montowane są cztery czujniki w zderzaku tylnym samochodu . W celu uzyskania jak największego zakresu wykrywania kąt obserwacji w płaszczyźnie poziomej jest duży. W płaszczyźnie pionowej kąt penetracji jest znacznie mniejszy, by uniknąć zakłóceń spowodowanych odbiciem fal dźwiękowych od nawierzchni drogi . Przy dużym kącie obserwacji w płaszczyźnie poziomej i zastosowaniu od 4 do 6 czujników w zderzaku samochodu można „obserwować" przestrzeń za pojazdem i na zasadzie triangulacji obliczać odległość od przeszkody w zakresie około 1,5 . . .0,25 m, przy różnym kątowym ustawieniu przeszkód . Czujniki ultradźwiękowe stosuje się także w celu oceny odległości od innych pojazdów i przeszkód na drodze oraz w systemach bezpieczeństwa czynnego . c 3 m m m c

v

1

t

Czas powrotu echa t2

v

t ij

Rys . 12-7 . Sygnał wytwarzany i odbierany przez układ ułatwiający parkowanie

Inne zastosowanie czujników ultradźwiękowych to układy ochrony pojazdu przed kradzieżą (rys . 12-9 i 12-10) . Układy te rozpoznają wszelkiego rodzaju ruchy wewnątrz samochodu lub zmiany położenia na zasadzie analizy zmian sygnahz echa. Po włączeniu instalacji alarmowej nadajnik ultradźwięków jest zasilany

.11

Zastosowania czujników ultradźwiękowych

171

a

b

Rys. 12-8. Czujniki ultradźwiękowe a - widok, b - zestaw ułatwiający parkowanie [861

napięciem przemiennym o wysokiej częstotliwości, które wywołuje drgania elementu piezoelektrycznego . Emitowane przez nadajnik fale ultradźwiękowe o częstotliwości 20 lub 40 kHz są odbijane od wewnętrznych ścian samochodu i trafiają do detektora (odbiornika) ultradźwięków w postaci echa . Wszelkie zakłócenia wytworzonego w ten sposób pola, wywołane np . rozbiciem szyby lub wsunięciem jakiegoś przedmiotu do wnętrza, powodują zmiany w rozchodzeniu się ultradźwięków, a zatem zmianę postaci sygnału echa odbieranego przez detektor . Elektroniczny układ analizujący uruchamia natychmiast alarm w razie zmiany przesunięcia fazowego, zmiany częstotliwości lub amplitudy odbieranych fal dźwiękowych, które to parametry są porównywane z zapamiętanym stanem początkowym (echem) odbieranym zaraz po włączeniu alarmu . W celu polepszenia ochrony moźna ta"e regulować graniczną wartość zadziałania alarmu (jego próg czułości) .

172

Czujniki ultradźwiękowe

Rys . 12-9. Nadajnik ultradźwięków do ochrony wnętrza pojazdu [75] 1 - doprowadzenie napięcia, 2 - elektrody, 3 - drgająca płytka kryształu, 4 - komora powietrza, 5 - powierzchnia kryształu emitująca ultradźwięki, -- fale ultradźwiękowe

Rys. 12-10 . Ochronne pole ultradźwiękowe wewnątrz pojazdu [75] 1 - detektor ultradźwiękowy, 2 - szyba przednia, 3 - szyby boczne, 4 - szyba tylna

Rys. 12-11 . Układ czujników ultradźwiękowych do rozpoznawania położenia pasażera na fotelu przednim samochodu, stosowany w „inteligentnych" systemach poduszek powietrznych [81] 1 - czujniki ultradźwiękowe, 2 - czujniki położenia i obciążenia fotela, 3 - czujnik zapięcia pasów bezpieczeństwa, 4 - poduszka powietrzna pasażera, 5 - poduszka powietrzna kierowcy, 6 - sterownik



173

Zastosowania czujników ultradźwiękowych

W tzw . „inteligentnych" systemach bezpieczeństwa biernego pojazdów są stosowane czujniki ultradźwiękowe rozpoznające położenie pasażera względem poduszki gazowej (rys . 12-11) . Sygnały z tych czujników, łącznie z sygnałami obciążenia fotela i zapięcia pasów bezpieczeństwa, służą do optymalizacji czasu uruchamiania i ciśnienia napełniania poduszki gazowej . Czujniki ultradźwiękowe umożliwiają utworzenie trójwymiarowego obrazu odnawialnego co 50 ms, co pozwala na dopasowanie charakterystyki napełniania poduszki do aktualnego położenia pasażera tuż przed zderzeniem . Czujniki ultradźwiękowe stosowane są również w przepływomierzach (rys . 12-12 i 12-13) . Piezoelektryczny nadajnik 2 generuje w płynie przemieszczającym się w przewodzie I falę o częstości ultradźwiękowej . Dwa piezoelektryczne odbiorniki fal 4 i 5 są umieszczone symetrycznie przed i za nadajnikiem 2 (rys . 12-12a) . Przepływający płyn wywołuje efekt Dopplera, zmieniając częstotliwość fal ultradźwiękowych docierających do odbiorników 4 i 5 . Różnica częstotliwości fal odbieranych przez odbiorniki 4 i 5 jest miarą prędkości przepływu płynu . Na rysunku 12-12b pokazano czujnik przepływu z pojedynczym odbiornikiem fal 6 . W tym przypadku w płynie muszą znajdować się cząstki stałe lub pęcherzyki gazu [95] . Jako parametr mierzony, zależny od prędkości, wykorzystywana jest zmiana częstotliwości fal nadawanych spowodowana przez cząstki stałe . Podstawowe równanie definiujące efekt Dopplera w układzie z pojedynczym odbiornikiem (rys . 12-12b) oraz prawo załamania fali są następujące : Af

= fT

.

vF

sine

vS. sine,T v,.

(12 .10)

sine (12 .11)

vs

gdzie :

fT - częstotliwość fali wysyłana przez nadajnik, 4f - zmiana częstotliwości sygnału nadawanego wywołana przez cząstki stałe, B - kąt wejścia sygnału nadajnika do badanego płynu (kąt padania), vF - prędkość przepływu płynu, a

b 3

Q ->

/1

Q>

Rys . 12-12 . Przepływomierz ultradźwiękowy z dwoma odbiornikami (a) i z pojedynczym odbiornikiem (b) [99] 1- przewód z płynem, 2 i 3- nadajniki ultradźwięków, 4 i 5- odbiorniki ultradźwięków w przepływomierzu z analizą różnicy częstotliwości, 6 - odbiornik ultradźwięków z analizą przesunięcia fazowego lub czasu propagacji fal Q - objętościowe natężenie przepływu



C-~~~~Lki~LLcaciźv~Lek~~e .

a

!0 ~ 1FA01AII

iii

b

Rys . 12-13 . Zasada działania (a) oraz widok (b) przepływomierza ultradźwiękowego mocowanego na rurze przepływowej wraz z mikroprocesorowym układem przetwarzania sygnału [95] 1 - nadajnik fal T T w kierunku zgodnym z przepływem czynnika i odbiornik fal Rs w kierunku przeciwnym do przepływu, 2 - nadajnik fal T , w kierunku przeciwnym do przepływu czynnika i odbiornik fal Rs w kierunku zgodnym z przepływem, 3 - rura z płynem, 4 - wiązka fal ultradźwiękowych, 5 - podstawa przepływomierza, 6 - przetwornik mikroprocesorowy

vs - prędkość ultradźwięków w płynie,

vr - prędkość ultradźwięków zmieniona przez cząstki stałe w płynie, 9r - kąt sygnału zmieniony przez cząstki stałe (kąt załamania) . Na tej podstawie można wykazać, że różnica częstotliwości Af jest proporcjonalna do prędkości przepływu płynu : vF = Af .vT = KAƒ sin O, . J T

(12 .12)

Znając średnicę przewodu D można obliczyć objętościowe natężenie przepływu płynu : (12 .13) Q=v •nD2 /4 Na rysunku 12-13 przedstawiono zasadę działania przepływomierza z pomiarem czasu propagacji sygnału w kierunku przepływu płynu i w kierunku przeciwnym . Obydwa czujniki spełniają rolę nadajnika i odbiornika wzajemnie wysyłanych fal . Różnica czasów przepływu sygnału ultradzwiękowego w kierunku przepływu czynnika mierzonego i w kierunku przeciwnym ATjest proporcjonalna do średniej prędkości płynu v v= KAT, AT= T2-TI gdzie : K - stała kalibracyjna przepływomierza, T, - czas przepływu sygnału od przetwornika 1 do 2, TZ - czas przepływu sygnaha od przetwornika 2 do 1 .

(12 .14)

Czujniki radarowe i udarowe

13 13 .1 . Zasada działania radaru i udaru Radiolokacją nazywana jest dziedzina techniki zajmująca się wykrywaniem i określaniem położenia obiektów, od których odbijają się fale radiowe lub obiektów, które są źródłem tego typu fal . W pierwszym przypadku mówi się o radiolokacji czynnej, w drugim - o radiolokacji biernej . W technice motoryzacyjnej do wykrywania, określania pozycji i zdalnego mierzenia prędkości pojazdów wykorzystuje się urządzenia z grupy radarów oraz udarów . Obydwa typy urządzeń bazują na promieniowaniu elektromagnetycznym (rys . 13-1) jako medium . Pojęcie „promieniowanie poprzez przestrzeń" odnosi się do przemieszczania energii w formie fal lub strumienia cząsteczek . W przypadku energii przenoszonej w formie fal mamy do czynienia z promieniowaniem elektromagnetycznym lub biologicznym . Radar (z ang . Radio Detection And Ranging) jest urządzeniem służącym do wykrywania obiektów oraz określania odległości poprzez zastosowanie promieniowania mikrofalowego (promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali pomiędzy podczerwienią a falami radiowymi, czyli fale o długości od 1 mm do 30 cm i częstotliwości od 1 do 300 GHz) . Radary czynne wysyłają wiązkę mikrofal i odbierają sygnał odbity od obiektu . Radary bierne tylko odbierają promieniowanie wysyłane przez obiekt (np . samolot) . Radary powstały podczas 11 wojny światowej i były wykorzystywane do celów militarnych przez armię brytyjską i amerykańską, a także marynarkę niemiecką. Odmiana tego przyrządu zwana radarem dopplerowskim jest przeznaczona do pomiaru prędkości obiektu, który znajduje się w ognisku wiązki mikrofal . Radary można podzielić ze względu na długość fali drgań emitowanych . Pasma te zostały nazwane w czasie 11 wojny światowej jako L, S, C, X i K oraz pasmo milimetrowe i submilimetrowe . Długości fal oraz częstotliwości zostały sklasyfikowane przez IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers) .



176

Czujniki radarowe i lidarovve AA

1o12-

1

•

1 km

Fale radiowe

1010-

Pasma radarowe Pasmo Pasmo Pasmo Pasmo Pasmo

L : 15 . . .30 cm S : 8 . . .15 cm C : 4 . . .8 cm X : 2,5 . . .4 cm K : 1,7 . . .2,5 0,75 . . .1,2 cm

1m 108 Mikrofale 106 - 1mm

Fale krótsze należą do pasma milimetrowego lub submilimetrowego

•

v 42

Promieniowanie podczerwone

104 -

o

- 1 gm

p 100 -

Światfo widzialne (400 . . .700 nm)

Promieniowanie ultrafioletowe 1 nm

1

Promienie X

10-4-

Promienie Gamma

10-6v

Rys . 13-1 . Spektrum promieniowania elektromagnetycznego

Podział pasma radarowego kształtuje się następująco : - w paśmie L radary pracują na falach 15 . . .30 cm przy częstotliwości 1 . . .2 GHz ; to pasmo ma zastosowanie głównie do badań turbulencji czystego powietrza; w paśmie S radary pracują na falach 8 . . .15 cm przy częstotliwości 2 . . .4 GHz ; ze względu na dużą odporność na tłumienie radary tego pasma są przeznaczone do bliskich i dalekich badań meteorologicznych (prognozowania pogody) ; główną wadą takich radarów jest wymóg stosowania anten o wielkich czaszach (do 8 m średnicy) oraz siłowników dużej mocy do ich przestawiania ; - w paśmie C radary pracują na falach 4 . . .8 cm przy częstotliwości 4 . . .8 GHz ; przy tych częstotliwościach średnica czaszy anteny radaru może być mniejsza i dlatego to pasmo jest wykorzystywane przez stacje telewizyjne ; z uwagi na wyższą tłumienność przy obserwacji zjawisk meteorologicznych radary tego pasma stosuje się dla obserwacji bliskich ; moc pobierana przez te radary jest także niższa ; - w paśmie X radary pracują na falach 2,5 . . .4 cm przy częstotliwości 8 . . .12 GHz . radary te są zdolne do wykrywania mniejszych obiektów; w meteorologii są stosowane do badań nad powstawaniem i rozwojem chmur, ponieważ można przy ich pomocy wykrywać kropelki wody lub płatki śniegu ; stosowane są do bliskich obserwacji ze względu na podatność na tłumienie sygnału ; w lotnictwie w wersji



Zasada działania radaru i łidaru

177

dopplerowskiej stosowane są do wykrywania turbulencji i innych zjawisk meteorologicznych ; pasmo to jest wykorzystywane ponadto w radarach policyjnych ; - w paśmie K radary pracują na falach 1,11 . . .1,67 cm przy częstotliwości odpowiednio 18 . . .27 GHz ; to pasmo ma podobne ograniczenia jak pasmo X, ale radary są bardziej czułe ; wykorzystywane są przez policję i służby meteorologiczne ; - używane są ponadto subpasma Ku (długość fali 1,67 . . .2,5 cm, częstotliwość 12 . . .18 GHz) oraz Ka (długość fali 0,75 . . .1,11 cm, częstotliwość 27 . . .40 GHz) ; - pasmo milimetrowe to fale o długości 1,0 . . .7,5 mm i częstotliwości 40 . . .300 GHz; - pasmo submilimetrowe to fale o długości 100 . . . 1000 gm i częstotliwości 300 . . .3000 GHz, stosowane m .in . w samochodowych radarach unikania kolizji i w diagnostyce medycznej . Radary w samochodowych systemach wspomagania kierowcy pracują w paśmie milimetrowym przy częstotliwościach 76 . . .77 GHz . Przy tych długościach fal anteny mogą mieć niewielkie rozmiary . Czujniki radarowych systemów samochodowych są układami zintegrowanymi . We wspólnej obudowie zabudowane są : radarowy czujnik odległości pracujący w zakresie fal milimetrowych, układy elektroniczne przetwarzające sygnały pochodzące od innych współpracujących czujników (prędkości obrotowej kół pojazdu, kąta obrotu koła kierownicy i in .), układy obróbki sygnałów i sterownika mikroprocesorowe . Radarowy czujnik odległości składa się z generatora Gunna (źródło mikrofal), obwodów do rozdzielania sygnału na trzy wiązki oraz obwodów rozdzielających sygnały nadawane i odbierane . Sygnał odebrany jest przetwarzany do postaci cyfrowej przez 12-bitowy przetwornik analogowe-cyfrowy a przekazywany do dalszego przetwarzania przez cyfrowy procesor sygnałowy (z ang . DSP - Digital Signal Processor) . Podstawowym elementem radaru jest opracowana w 1963 roku dioda Gunna, używana głównie w generatorach mikrofal . Na powierzchni półprzewodnikowej płytki o grubości ok . 0,5 mm (arsenek galu AsGa), naniesiona jest metodą epitaksji cienka warstwa półprzewodnika typu N (także AsGa) o niskiej rezystancja . Po stronie anodowej, czyli po przeciwległej stronie płytki, znajduje się metalowy radiator . Elektroda od strony warstwy epitaksjalnej jest katodą. Przy polaryzacji diody odpowiednio wysokim napięciem stałym powstają oscylacje prądu wielkiej częstotliwości (zjawisko Gunna) . Zależność prąd/napięcie diody Gunna jest nieliniowa (rys . 13-2) . Po połączeniu diody z rezonatorem można uzyskać napięcie si-

Napięcie

u

Rys. 13-2 . Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Gunna



Czujniki radarowe i udarowe

178

nusoidalne . Jednym z wariantów diod Gunna są diody wykonane z silnie domieszkowanego półprzewodnika typu LSA (Limited Space Charge Accumulation), mogące generować impulsy dużej mocy przy wysokiej sprawności . Dioda Gunna umieszczona jest w odpowiednio ukształtowanym rezonatorze . Drgania elektryczne doprowadzone są do zespołu antenowego pełniącego zazwyczaj funkcję nadajnika i odbiornika fal odbitych . Antena wysyła sygnał w postaci promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości 77 GHz poprzez specjalną soczewkę, której zadaniem jest utworzenie równoległej wiązki promieniowania . Lidar (z ang. Light Detection And Ranging) lub zamiennie Ladar (z ang . Laser Detection And Ranging) jest urządzeniem zwanym także laserowym radarem, które wykorzystuje diody laserowe jako źródła światła w paśmje podczerwieni oraz fotodiody jako odbiorniki sygnału . W zastosowaniach motoryzacyjnych obydwa rozwiązania (radar i udar) mają zalety i wady . Systemy radarowe nie są wrażliwe na wpływy atmosferyczne (deszcz, mgła), natomiast udar działa bardziej selektywnie . Radar może odbierać sygnały odbite od obiektów z otoczenia drogi (wiadukty, drzewa, tablice reklamowe, znaki drogowe) . W złych warunkach atmosferycznych błędy w określeniu pozycji obiektu przy pomocy udaru mogą być znaczne .

Obiekt nadający nieruchomy

1

Obiekt zbliża się do obserwatora 1 i oddala sie od obserwatora 2 z prędkościąv

2

Obydwaj obserwatorzy odbierająfale o tej samej długości

Obserwator 1 odbiera fale krótsze Obserwator 2 odbiera fale dłuższe

Rys . 13-3. Odbiór fal przy obiekcie nieruchomym (z lewej) i ruchomym (z prawej) - ilustracja zjawiska Dopplera

Działanie radarów typu dopplerowskiego oparte jest na zmianach częstotliwości sygnału odbitego w odniesieniu do sygnału wysłanego, które występują wówczas, gdy wykrywany obiekt porusza się względem radaru (rys . 13-3) . Wykorzystywane są one między innymi do określania prędkości pojazdów . Radary, jako urządzenia służące do dokonywania radiolokacji czynnej, składają się z nadajnika, odbiornika, anteny kierunkowej oraz układów synchronizacji, przełączania i zapisu (rys . 13-4) . Część nadawczą urządzenia stanowi generator impulsowy wielkiej częstotliwości, umożliwiający uzyskiwanie krótkich impulsów dużej mocy . Impulsy te przez urządzenie przełączające przekazywane są do anteny kierunkowej radaru . Fala elektromagnetyczna wypromieniowana przez antenę po odbiciu od napotkanego po drodze obiektu powraca do niej i przez



Zasada działania radaru i lidaru

179

Rys. 13-4 . Schemat blokowy radiolokatora (radaru) [21

urządzenie przełączające jest przekazywana do odbiornika, skąd po odpowiednim przetworzeniu trafia do urządzenia zapisującego (wskaźnika) . Czas, który zużywa fala na przebycie drogi od anteny do obiektu odbijającego i z powrotem jest miarą odległości tego obiektu od radaru . Aby pomiar czasu i obliczenie odległości były wystarczająco dokładne, praca całego urządzenia musi być synchronizowana . Chwilowe położenie anteny kierunkowej umożliwia ustalenie współrzędnych kątowych sondowanego obiektu . Do generacji impulsów wielkiej częstotliwości w urządzeniach tego typu wykorzystywane są przeważnie magnetrony, a do obserwacji wyników - lampy obrazowe o odchylaniu kołowym tzw. radaroskopy. Magnetron, urządzenie do emisji mikrofal, został wynaleziony w 1940 r . przez . Randalla i H .A . Boota . Zamienia on prąd elektryczny na fale radiowe o częstotJ liwości mikrofalowej . Jego budowa jest zbliżona do lampy elektronowej . Składa się z podgrzewanej katody oraz cylindrycznej anody z wnękami . Anoda ma potencjał dodatni względem katody . Gorąca katoda emituje elektrony, których tory są zakrzywiane przez silne pole magnetyczne . Wnęki anody działają jako rezonator, w którym wzbudzają się fale stojące o częstotliwości mikrofalowej . Przy radiolokacji biernej (radiogoniometrii) określa się tylko kierunek nachodzącej fali radiowej, a więc do zlokalizowania źródła promieniowania trzeba korzystać co najmniej z dwóch różnych, oddalonych od siebie odbiorników . Przy tego typu radiolokacji można wykorzystywać promieniowanie podczerwone . Promieniowanie takie wysyłają bowiem praktycznie wszystkie obiekty na skutek emisji termicznej . Radiogoniometria jest też wykorzystywana szeroko w celu ustalania położenia własnego (radionawigacja) na drodze namierzania kierunków fal radiowych nadchodzących od źródeł promieniowania o znanych położeniach . W mechatronice samochodowej radar wykorzystywany jest do określenia stanu innego obiektu (odległości, położenia, prędkości), którego obecność ma wpływ na reakcję kierującego pojazdem . Odległość od przeszkody d ustala się znając prędkość światła (c = 300 000 km/s) na podstawie pomiaru czasu t, który upłynął od wysłania zmodulowanego impulsowe sygnału do chwili jego odebrania : tc d = (13 .1) 2

Dzielnik 2 uwzględnia przebieg sygnału do

1

od przeszkody .



Czujniki radarowe i lidarowe

180

Prędkość obiektu można obliczyć wykorzystując zjawisko Dopplera, polegające na zmianie obserwowanej częstotliwości fali wywołanej względnym ruchem źródła fali (nadajnika) i odbiornika . W ujęciu nierelatywistycznym (gdy prędkość względna źródła i obserwatora jest dużo mniejsza od prędkości światła) obserwowana częstotliwość f dana jest wzorem [ 128] : (1 -P,coso') % - fo

(13 .2)

(1 - f 2 COS0 2 )

gdzie : fo - częstotliwość emitowanej fali, P, = ó/v - stosunek prędkości obserwatora v o do prędkości fali v, ~,- kąt pomiędzy kierunkiem ruchu obserwatora i kierunkiem propagacji fali, v -/v - stosunek prędkości źródła fali v_ do prędkości fali v, 02- kąt pomiędzy kierunkiem ruchu źródła i kierunkiem propagacji fali . Zakładając współliniowość kierunków rozchodzenia się fali, ruchu źródła i ruchu obserwatora (0, = 0, `V2= 0), można rozpatrzyć dwa szczególne przypadki : a) Porusza się tylko obserwator (v z = 0, r2 = 0) . Wówczas, o ile obserwator się oddala, 0, = 0, a częstotliwość obserwowana fali wynosi : .f

=

.fo(1 -A)

(13 .3)

Częstotliwość obserwowana fali jest mniejsza od emitowanej fo . Natomiast gdy obserwator przybliża się, to q5, = n, a częstotliwość obserwowana wynosi : .f - .fo(1 + a ,)

(13 .4)

czyli obserwowana częstość fali jest większa od emitowanej . b) Porusza się tylko źródło (v o = 0, p, = 0) . Wówczas częstotliwość przy oddalaniu się źródła (0,_ n) maleje : f .f -

(13 .5) o

1 + fil a przy jego zbliżaniu się (¢ 2 = 0) rośnie : f =

f0/~ 1 - N2

(13 .6)

Różnica częstotliwości f-fo jest proporcjonalna do względnej prędkości źródła fali i odbiornika . Kątowe położenie namierzanego obiektu można zidentyfikować wówczas, gdy promienie radarowe są emitowane w różnych kierunkach . Kierunek położenia obiektu odpowiada największej sile sygnału odbitego . Do identyfikacji kierunku położenia obiektu jest niezbędny nadajnik o szybkim ruchu obrotowym albo wyposażony w kombinację anten kierunkowych .



181

Zastosowanie radaru Dopplera do pomiaru prędkości i drogi

13.2. Zastosowanie radaru Dopplera do pomiaru prędkości i drogi Do pomiaru prędkości jazdy względem nawierzchni drogi v F. są stosowane krótkodystansowe układy radarowe Dopplera o paśmie częstotliwości 24 . . .35 GHz [20] . Głowicę nadawczą i odbiorczą czujnika należy skierować na nawierzchnię ukośnie względem kierunku jazdy, pod kątem a (rys . 13-5) . Prędkość samochodu

Kąt odchylenia wiązki a Czujnik prędkości

Rys. 13-5. Usytuowanie głowicy radaru Dopplera podczas pomiaru prędkości pojazdu [20]

Rys . 13-6 . Widok głowicy Dopplera z układem mocowania [20]

Zasadę działania czujnika przedstawjono na rysunku 13-7 . Poruszający się z prędkością vF nadajnik S wysyła sygnały o częstotliwości pierwotnej fo. Ulegają one przesunięciu częstotliwości i odbierane są przez nieruchomy odbiornik R jako fala o częstotliwości f . Zależność częstotliwoścj fali odbieranej od prędkości przedstawia poniższa zależność : f = f c c - vF_ cos a gdzie : c - prędkość śwjatła, v F - prędkość ruchu nadajnika, a - kąt pomiędzy kierunkiem ruchu a kierunkiem fall (rys . 13-5) .

(13 .7)



182

Czujniki radarowe i lidarowe

Jeżeli w miejscu odbiornika R znajdzie się nieruchoma przeszkoda W (rys . 137b), to sygnał z głowicy nadawczej S odbija się od niej i powraca do głowicy odbiorczej R ulegając kolejnemu przesunięciu dopplerowskiemu . Głowica R odbiera sygnał o częstotliwości f2 : cosa

C+v

f2=f a

c

(13 .8)

c f, = fo• c-VF

VF

)

>,,

>

>~

fa

b

c+ v . cosa =fOC-v,Cosa

II f,

VF f2

=f,

C+VF C

i

s

(II(ccc
Zwierciadło obiektowe I I Fotodetektor

d

Światłowód oświetlenia I~

Giętka częśó sondy

~N

Aktuator SMA

Rys . 14-17 . Elementy optoelektroniczne w mechatronice [58] (opis w tekście)



Wykorzystanie optoelektronicznych zasad pomiaru w mechatronice

207

rozproszeniu i dociera do czujnika pozycji poprzez soczewkę . Przemieszczenie obiektu jest określane na podstawie miejsca plamki świetlnej na powierzchni przetwornika pozycji (rys . 14-16c) . Liniowe enkodery optyczne wykorzystują efekt „mory" * . Promień światła diody LED jest przetwarzany na wiązkę równoległą i przepuszczany przez główną siatkę dyfrakcyjną oraz siatkę indeksową (rys . 14-17a) . Transmitowane światło zmienia się prawie sinusoidalnie wraz z rosnącym przemieszczeniem obiektu . Siatka indeksowa składa się z czterech pól w celu uzyskania możliwości wykrywania kierunku ruchu obiektu . Zasadę działania innego typu enkodera wykorzystującego efekt dyfrakcyjny oraz interferencję promieni dyfrakcyjnych przedstawiono na rysunku 14-17b . Promienie światła odbierane przez fotodetektor są przesunięte w fazie względem siebie . Wielkość tego przesunięcia zależy od przemieszczenia obiektu . Do pomiaru przemieszczeń stosuje się także inne przyrządy optyczne, zwane interferometrami (rys . 14-17c) . Wiązka światła laserowego jest rozdzielana na dwa promienie przez optyczny rozdzielacz wiązki . Jeden promień zostaje odbity przez zwierciadło zamocowane na powierzchni obiektu, którego przemieszczenie jest mierzone, a drugi promień przez zwierciadło stanowiące część przyrządu i umieszczone w odległości odniesienia . Obydwa odbite promienie interferują, po czym jako wspólny strumień świetlny są wykrywane przez detektor . Na podstawie matematycznego określenia intensywności interferencji promieni wyznacza się przemieszczenie obiektu . Technikę optoelektroniczną wykorzystuje się również w przyrządach inspekcyjnych do kontroli stanu trudno dostępnych przestrzeni . Posiadają one często element z pamięcią kształtu (SMA- Shape Memory Alloy) umożliwiający penetrację przestrzeni ciasnych, zakrzywionych . Zawierają sondy optyczne o zakresie do 2000 pikseli . Jako część transmisyjną stosuje się światłowody (rys . 14-17d) . Używane są w diagnostyce silników spalinowych (tzw . endoskopy) .

14.3. Zastosowania czujników optoelektronicznych W technice motoryzacyjnej czujniki optoelektroniczne znajdują zastosowania jako : - czujniki oświetlenia otoczenia, których sygnał jest wykorzystywany do automatycznej regulacji intensywności podświetlania wskaźników na tablicy rozdzielczej, zapewniając kierowcy komfort odczytu urządzeń sygnalizacyjnych i wydłużając ponadto żywotność źródeł światła stosowanych do podświetlania (rys . 14-18) ; Prążki mory powstają na skutek nakładania się promieni przechodzących przez układ dwóch siatek przesuniętych względem siebie . Wzory prążków mory tworzą różne obrazy . Enkoder jest to urządzenie impulsowe, które przyporządkowuje położeniom liniowym lub kątowym obiektu odpowiednie wartości liczbowe . Enkoder absolutny określa wartości położenia na podstawie aktualnej pozycji tarczy kodowej lub liniowego przymiaru kodowego . Enkoder przyrostowy zlicza impulsy odpowiadające drodze liniowej lub kątowej przebytej przez obiekt od położenia początkowego .



Czujniki fotoelektryczne (optyczne)

208

Tablica rozdzielcza podświetlana

Sterownik

mcu

m Y Ć C (1) Ń N

(j 3. .2 ó 0 Sterowanie podświetlaniem

Rys . 14-18. Zastosowanie czujnika oświetlenia otoczenia

czujniki wykrywania deszczu, stosowane w trybie wykrywania światła odbitego, dające sygnał obecności kropel wody na przedniej szybie i wykorzystywane czasami do sterowania automatyczną pracą wycieraczek ; elementy lusterek elektrochromatycznych, w których wykorzystuje się sygnał czujnika wykrywający światło padające od pojazdu jadącego z tyłu do automatycznego przyciemnienia obrazu w lusterku ; optoelektroniczne czujniki zajęcia fotela, których sygnał jest wykorzystywany w układzie sterowania poduszek powietrznych, a także do automatycznej regulacji położenia fotela lub pasa bezpieczeństwa ; czujniki pozycji różnorodnych dźwigni ; optoelektroniczne enkodery do określania kątowej pozycji koła kierownicy z dokładnością do 0,01 ° . Czujniki te dzielą się na kilka podstawowych typów : przetwornik światło/napięcie, w którym powstaje liniowo zmieniające się napięcie w funkcji natężenia światła ; przetwornik światło/częstotliwość, w którym natężenie światła zamieniane jest na impulsy o określonej częstotliwości - wielkość łatwo akceptowalną przez cyfrowe układy sterowania ; czujnik natężenia oświetlenia otoczenia, który odbiera („widzi") światło tak jak oko ludzkie ; czujnik barwy światła, w którym następuje dyskryminacja, określenie i pomiar barwy światła z wykorzystaniem filtra RGB (czerwony/zielony/niebieski) ; czujnik światła odbitego, w którym następuje zamiana natężenia światła odbitego na sygnał napięciowy . Czujniki prędkości obrotowej i położenia kątowego Przykładem praktycznego zastosowania elementów fotoelektrycznych może być tzw. przełącznik świetlny, używany do określenia prędkości jazdy (rys . 14-19) .



Zastosowania czujników optoelektronicznych

a

209

b 5V

Rys . 14-19. Układ elektryczny przełącznika świetlnego [39] a - schemat ideowy przełącznika b - sygnał wyjściowy 1 - fototranzystor, 2 - dioda LED, 3 - koło z nacięciami, T, - tranzystor, R - rezystory

Między diodą 2 emitującą światło a fototranzystorem 1 (który jest jego odbiornikiem) umieszczone jest obracające się koło 3 z nacięciami . Koło jest połączone z linką prędkościomierza i wraz ze zwiększaniem prędkości jazdy samochodu następuje zwiększenie jego prędkości obrotowej . Wirujące koło z nacięciami przerywa promień światła przechodzący od diody LED do fototranzystora, włączając i wyłączając fototranzystor i jednocześnie przełączając tranzystor T, . Na wyjściu tranzystora T, powstaje pulsujący sygnał, którego częstotliwość jest proporcjonalna do prędkości obrotowej koła 3 i do prędkości jazdy samochodu. Sygnał ten przekazywany jest do elektronicznej jednostki sterującej .

Rys. 14-20 . Czujnik optoelektroniczny firmy Intron Poznań do precyzyjnych pomiarów prędkości obrotowej, położenia i przemieszczenia

Do precyzyjnych pomiarów przemieszczeń, a także położenia kątowego często stosuje się enkodery optoelektroniczne . Ich obrotowa tarcza wykonywana jest najczęściej ze szkła, ale może być także z innego materiału (np . ceramiczna) . Jako źródła światła stosuje się półprzewodnikowe diody świecące LED, natomiast odbiornikami sygnału są fotodiody lub fototranzystory . W chwili, kiedy pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem znajduje się przezroczysty fragment płytki obrotowej, odbiornik generuje sygnał odpowiadający logicznej jedynce . Kiedy światło z nadajnika nie przedostaje się przez nieprzezroczyste fragmenty tarczy, wyjście odbiornikajest w stanie logicznego zera . Zliczanie kolejno występujących impulsów przy znajomości modułu (kątowej odległości pomiędzy kolejnymi impulsami) daje w efekcie sumaryczny kąt obrotu tarczy . Wraz z systemem wykrywania kierunku



Czujniki fotoelektryczne (optyczne)

210

obrotu taki czujnik stanowi optoelektroniczny enkoder przyrostowy (inkrementalny) . Zasadę działania enkodera optycznego typu przyrostowego pokazano na rysunku 14-21 . Wadą tego typu rozwiązań jest brak naturalnej pamięci położenia . Inny typ enkodera optycznego, zwany enkoderem absolutnym, posiada naturalną pamięć położenia, tzn . w chwili rozpoczęcia pomiaru (np . po włączeniu urządzenia) znane jest kątowe położenie sprzężonego z enkoderem wałka, dzięki zastosowaniu tarczy kodowej . W enkoderach absolutnych wykorzystuje się tarczę kodową Graya . W kodzie Graya zmiana położenia o jeden moduł skutkuje zmianą sygnału tylko na jednej pozycji wyjściowej liczby binarnej, w przeciwieństwie do zapisu binarnego (tabl . 14-1) . Długość słowa kodowego (liczba bitów liczby binarnej) zależy od przyjętej rozdzielczości pomiaru . Wyższa rozdzielczość oznacza zwiększenie dokładności określania położenia kątowego . W praktyce enkodery optyczne

Sygnały odebrane 1 1

- .1 .

CCW

2

2

c ^, rn T N o

2

a

0 v

1 CW 2

0 O

m

- . 0.

rn~ N J .2 C

CW

- kierunek obrotu zgodny z ruchem wskazówek zegara CCW - kierunek obrotu niezgodny z ruchem wskazówek zegara

o

m z

Rys. 14-21 . Budowa i zasada działania enkodera optycznego z wykrywaniem kierunku obrotu

Tabl. 14-1 . Kody : dziesiętny, binarny i Grays Zapis dziesiętny

Zapis binarny

Zapis w kodzie Graya

0 1 2 3 4 5 6 7 R 9 10

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010

0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111



Zastosowania czujników optoelektronicznych A45

211

b

Rys . 14-22 . Budowa fotoelektrycznego czujnika kąta obrotu koła kierownicy [251 a - dioda elektroluminescencyjna, b - tarcza z przesłonami, N49 - mikroprocesor, A45 - ścieżka stykowa

znajdują zastosowanie w czujnikach do pomiaru kątowego położenia koła kierownicy samochodu . Stosuje się w tym celu optoelektroniczny czujnik z diodami świecącymi, który za pomocą wielu przesłon rejestruje zmiany kąta obrotu koła kierownicy o 2,5° . Na rysunku 14-22 przedstawiono schemat tego typu czujnika z dziewięcioma diodami świecącymi a, które wraz z umieszczonymi naprzeciw fotodiodami tworzą bramki świetlne . Pomiędzy diodami i fotodiodami znajduje się ruchoma tarcza b o ośmiu przesłonach różnej długości . Powoduje to przesłanianie bramek świetlnych, zależne od kątowego położenia koła kierownicy. Położenie środkowe koła ma określony układ bramek świetlnych, zapamiętany przez mikroprocesor . W celu analizy poszczególnych położeń obracanego koła kierownicy, czyli analizy obrazu sygnałów ,:jasno/ciemno" z dziewięciu fotokomórek, na pomiarowym pierścieniu sygnalizacyjnym są zainstalowane dwa mikroprocesory . Rejestracja sygnałów odbywa się co 2,5°, w zakresie ±720° kąta obrotu kierownicy . Kąt skrętu może być rejestrowany również po wyłączeniu zapłonu . Zbudowany na zasadzie enkodera absolutnego czujnik kątowego położenia koła kierownicy ma tzw . zdolność pracy wieloobrotowej (rys . 14-23) . Czujnik nie wymaga inicjalizacji po włączeniu napięcia zasilania (zapamiętuje poprzednie położenie) . Przy kodowaniu 3-bitowym charakteryzuje się rozdzielczością kątową poniżej 1 °. W czujniku zastosowano powielanie informacji (redundancja) w celu zwiększenia pewności działania . Jest on przystosowany do współpracy z samochodowymi sieciami CAN oraz LIN . Optoelektroniczny czujnik położenia kątowego koła kierownicy może wchodzić w skład zintegrowanego modułu sensorycznego kierownicy (rys . 14-24) . Składa się on z kompletu przełączników oraz obrotowego konektora poduszki powietrznej o zakresie do 2,5 obrotów koła kierownicy w obydwu kierunkach .



212

Czujniki fotoelektryczne (optyczne)

Rys . 14-23 . Czujnik kątowego położenia koła kierownicy firmy TRW [3]

Rys . 14-24. Zintegrowany moduł czujników kierownicy firmy TRW [3]

Czujniki stopnia przepuszczalności światła przez szyby Czujnik zanieczyszczenia szyb służy do automatycznego rozpoznawania stopnia obniżenia przepuszczalności światła przez szkła rozpraszające reflektorów i przez szyby pojazdu . Umożliwia to automatyczne uruchamianie urządzeń do ich oczyszczania . Główne elementy czujnika zanieczyszczeń reflektorów to źródło światła (dioda LED) i odbiornik światła (fototranzystor) . Są one umieszczone po wewnętrznej stronie szyby reflektora, w obszarze, który znajduje się poza bezpośrednim biegiem strumienia światła mijania (rys . 14-25) . Gdy szyba jest czysta, tylko znikomo mała część strumienia ulega odbiciu i powraca do odbiornika światła (fototranzystora) . Gdy na zewnętrznej powierzchni szyby reflektora znajdą się cząstki zanieczyszczeń, światło zostaje rozproszone proporcjonalnie do stopnia zabrudzenia i odbite . Gdy natężenie światła odbitego osiągnie określoną wartość, uruchamiane jest automatycznie urządzenie oczyszczające szyby reflektorów . Gdy szkła re-



Zastosowania czujników optoelektronicznych

213

Rys . 14-25 . Czujnik zanieczyszczeń szkieł reflektorów [75] 1 - zanieczyszczenia, 2 - szyba rozpraszająca reflektora, 3 - odbiornik światła (fototranzystor), 4 - źródło światła, 5 - obudowa

flektorów są czyste lub pokryte równomiernie wodą deszczową, wyemitowane światło podczerwone (IR) nie napotyka na dostateczną przeszkodę i przenika przez szybę, a natężenie światła odbitego jest zbyt małe, aby układ sterujący mógł uruchomić spryskiwacz szyby. Na podobnej zasadzie działa czujnik deszczu (rys . 14-26 i 14-28) . Promień światła wysyłany jest przez nadajnik (dioda LED - IR) pod odpowiednim kątem w stosunku do powierzchni szyby . Jeżeli szyba jest sucha, promień odbija się pod takim kątem, że trafia na aktywną powierzchnię sensoryczną fotodiody . Jeżeli w miejscu padania promienia na szybie pojawi się kropla wody lub inne zanieczyszczenie, promień ulega rozproszeniu i do odbiornika nie dociera wcale lub dociera w formie mocno osłabionej . Odebrany sygnał poddany jest obróbce w układach analogowych i cyfrowych kondycjonowania sygnału w celu określenia jego natężenia w stosunku do natężenia światła odbitego od szyby suchej . Czujnik ma cechy adaptacji do rodzaju szkła, a mikrokontroler sterujący jest wyposażony w oprogramowanie bazujące na zaawansowanym algorytmie sterowania . Czujnik przedstawiony na rysunku 14-28 jest przystosowany do współpracy z siecią magistralną wg standardów CAN i J 1850 . Czujnik deszczu służy do automatycznego sterowania pracą wycieraczek szyb . Może być także wykorzystany do automatycznego zamykania szyb bocznych i odsuwanego okna dachowego, a w przyszłości planowane jest wykorzystanie czujników deszczu do informowania o aktualnej pogodzie na określonym odcinku



214

Czujniki fotoelektryczne (optyczne)

a

b Strumień światła jest rozpraszany przez kroplę wody

Rys . 14-26. Przebieg promienia światła w czujniku deszczu przy suchej szybie (a) i przy padającym deszczu (b) 10

10

M

M

8

8

6

6

4

4

2

2

0 l0

l 2

4

6

l 10

8 [ms]

00

20

40

60

100

80 [ms]

Rys . 14-27. Przykładowe przebiegi sygnałów pomiarowych fotooptycznych czujników prędkości obrotowej wału korbowego i położenia wału rozrządu przy stałej prędkości obrotowej [8]



Zastosowania czujników optoelektronicznych

215

Rys . 14-28 . Zasada działania czujnika deszczu [75] I - kropla deszczu, 2 - szyba przednia pojazdu, 3 - zwierciadło wklęsłe, 4 - przesłona, 5 - odbiornik światła (fotodioda), 6-źródło światła (dioda LED), 7 - zwierciadło płaskie

Rys. 14-29 . Zintegrowany czujnik padającego deszczu finny TRW [3]

drogi za pośrednictwem systemu telemetrycznego (rys . 14-29) . Wyposażenie samochodu w dodatkowy czujnik mierzący natężenie światła zewnętrznego pozwala na sterowanie włączaniem świateł mijania przy określonym stopniu ciemności. Inne zastosowania elementów fotoelektrycznych w mechatronice samochodowej to : - pomiar prędkości obrotowej wału korbowego i położenia wału rozrządu (rys . 14-27), - kontrola pracy automatycznej klimatyzacji (IR), - rozpoznawanie zajęcia fotela (IR) .



Czujniki elektrolityczne-rezystancyj ne

15 15.1. Zasada działania Czujniki elektrolityczne-rezystancyjne znalazły zastosowanie w technice samochodowej do wykrywania zawartości tlenu w spalinach, a także do sygnalizacji obecności toksyn w powietrzu napływającym do wnętrza pojazdu oraz do określania poziomu wilgotności powietrza . Wykorzystywana jest przy tym zarówno metoda pomiaru spadku napięcia na przetworniku wykonanym z rezystora ceramicznego zasilanego prądem stałym, jak i metoda bezprądowego pomiaru siły elektromotorycznej SEM ogniwa galwanicznego ze stałym elektrolitem . Zasada działania czujników rezystancyjnych polega na skokowej zmianie ich rezystywności wskutek pojawienia się pewnych jonów w materiale, z którego zbudowany jest czujnik . Rezystancja wyjściowa takiego czujnika R (przy stałej temperaturze) zależy od zawartości jonów badanego gazu w materiale czujnika, co wpływa na rezysty~ne p oraz od jego wymiarów geometrycznych : R = p 1 S

(15 .1)

gdzie : p - rezysty~no [Q-m], l - odległość elektrod czujnika [m], S-przekrój materiału aktywnego [m 2 ] . Zmiana rezystancji wywołana przepływem jonów badanego gazu może być stwierdzona poprzez pomiar napięcia wyjściowego z czujnika . W tej metodzie pomiarowej czujnik musi być zasilany, a wartość napięcia wyjściowego zależy od zawartości badanej substancji w otoczeniu czujnika . Druga metoda oceny zawartości tlenu w otoczeniu czujnika polega na pomiarze siły elektromotorycznej ogniwa wykonanego z elektrolitu stałego (rys . 15-1) . Jeżeli stężenie badanego czynnika po obu stronach elementu z elektrolitu stałego jest różne, to występuje przepływ jonów tego czynnika bez przykładania napięcia zewnętrznego . Powstaje więc ogniwo galwaniczne . Różnica potencjałów między



Zasada działania

217

elektrodami obejmującymi elektrolit stały, mierzona gdy ogniwo jest otwarte (gdy nie płynie przez nie prąd wypadkowy), nazywa się siłą elektromotoryczną ogniwa i oznaczana jest symbolem SEM lub ESEM . Definiuje się ją jako różnicę potencjałów elektrody dodatniej E, (o wyższej wartości potencjału) i ujemnej E2 : SEM = E,- E2 (15 .2) gdzie : E l - potencjał elektrody dodatniej ogniwa względem elektrolitu, E2 - potencjał elektrody ujemnej ogniwa . Wartość SEM zależy od potencjałów elektrod. Zgodnie z równaniem Nernsta SEM półogniwa (jednej elektrody względem elektrolitu) zależy od aktywności jonów w elektrolicie i od procesów elektrodowych . Wartość potencjału elektrochemicznego, który pojawia się na granicy faz metal-roztwór, można obliczyć korzystając z równania [91] :

Ę = Eo -

RT K

zF

(15 .3)

lna

gdzie : EQ - siła elektromotoryczna półogniwa, różnica potencjałów między elektrodą a roztworem, Eo - standardowy (początkowy) potencjał elektrody, Rg - stała gazowa, T - temperatura [K], z - wartościowość jonu, F - stała Faradaya [C/kmol], a - stężenie jonów w roztworze . Wartość SEM takiego ogniwa zależy od różnicy ciśnień cząstkowych badanej substancji po obu stronach przetwornika z elektrolitu stałego i dla analizy zawartości tlenu wynosi : E =

g In P ` 4F PO' 2

(15 .4)

gdzie p'o2 i p' to ciśnienia cząstkowe tlenu po obu stronach przetwornika, przy czym po2 < p'o2 . SEM

W~

i00+~++~~ 1i ++++MX • • ~01+++++++++ ,e,~•+++++++++++++++~+ ~+s++++++++++++~4!+~ +O*+++++++++++'O~ It' +~ .~~ •~+++++ +++++++++++~~0~1 +~~

>iDi

Stężenie gazu m%

~!a++++++++++++.

.aaaaaaaaa •

Temperatura

:

r

Stężenie gazu n%

Rys. 15-1 . Zasada działania czujnika z elektrolitem stałym i pomiarem SEM ogniwa 1 i 2 - porowate elektrody, 3 - elektrolit stały m% i n% - procentowe stężenia gazu w przestrzeni odniesienia m i po stronie badanej n (m >n), p' i p" - odpowiadające im ciśnienia cząstkowe



218

Czujniki elektrolityczne-rezystancyjne

Jeżeli znane jest ciśnienie cząstkowe tlenu pO2 , to na podstawie pomiaru siły elektromotorycznej ogniwa E można obliczyć ciśnienie cząstkowe tlenu po stronie badanej i określić jego zawartość . Ta zasada jest wykorzystywana do oceny zawartości badanego gazu w kontrolowanej przestrzeni w stosunku do znanego stężenia w przestrzeni odniesienia .

15.2. Rodzaje i zastosowania czujników elektrolityczno-rezystancyjnych Rezystancyjna sonda lambda (tytanowa) Sondy rezystancyjne zmieniają swą rezystancję zależnie od stężenia tlenu w badanych gazach spalinowych . Tego typu sonda lambda jest czujnikiem półprzewodnikowym z przetwornikiem z dwutlenku tytanu (TiO,) . Dwutlenek tytanu wchodzi w reakcje chemiczne ze składnikami spalin, utlenia zawarte w nich węglowodory na tlenek węgla i wodę, a sam równocześnie podlega redukcji do tlenku tytanu (T1O) . Jeżeli w spalinach pojawia się tlen, to tlenek tytanu jest utleniany i powstaje ponownie TiO, . Reakcje redukcji TiO 2 i pobierania tlenu przez TiO powodują znaczną zmianę rezystancji czujnika (rys . 15-2a) . W przypadku spalin z mieszanki bogatej (mała ilość tlenu) rezystancji maleje, przy spalinach z mieszanki ubogiej rezystancji wzrasta . Rezystancja ta gwałtownie zmienia się przy przechodzeniu z mieszanki bogatej na ubogą (rys . 15-2a) . Tego typu sondy wymagają precyzyjnego ustalania napięcia zasilania, ponieważ wpływa ono na spadek napięcia mierzony na rezystorze czujnika, a ten parametr jest sygnałem wskazującym na skład mieszanki . Sposób pomiaru spadku napięcia przedstawiono na rysunku 15-2c . Czujnik zasilany jest napięciem stabilizowanym (np . 1 V) z elektronicznego modułu sterującego. W moduł wbudowany jest komparator, który porównuje spadek napięcia na rezystorze dodatkowym R z napięciem odniesienia (0,45 V) . Jeżeli spadek napięcia na rezystorze R jest wyższy od napięcia odniesienia (rezystancja sondy mała), to jest to sygnał, że mieszanka jest bogata . Jeżeli napięcie mierzone jest niższe od napięcia odniesienia (duża oporność sondy) oznacza to, że mieszanka jest uboga . Przy zasilaniu czujnika napięciem 5 V zmiana współczynnika składu mieszanki ż od 0,9 do 1,1 powoduje spadek napięcia na rezystorze pomiarowym w zakresie około 3,85 . . .0,4 V. Rezystancja sondy lambda zmienia się znacznie z jej temperaturą, co wpływa na pomiar spadku napięcia (rys . 15-3a) . Sondy tego typu muszą więc być wyposażone w grzałkę, utrzymującą stałą temperaturę pracy czujnika . Optymalna temperatura pracy wynosi 500 . . .900°C . Sondy lambda o tej zasadzie działania mogą być używane do regulacji składu mieszanki w zakresie A = 0,7 . . .2,5, ale najczęściej wykorzystywane są do regulacji dwustanowej : mieszanka bogata-uboga .



Rodzaje i zastosowania czujników elektrolityczne-rezystancyjnych

a

219

• Rezystancja Ti0 2 i

Niska zawartość tlenu

bogata

b

Wysoka zawartość tlenu

1

uboga

H HM

Powietrze

Spaliny 0

c

Elektroniczny moduł sterujący

Rys. 15-2 . Budowa i działanie rezystancyjnej tytanowej sondy lambda [112, 120] a - charakterystyka sondy w funkcji składu mieszanki w silniku, b - schemat sondy c - zasada pomiaru spadku napięcia I - materiał TiO„ 2 i 3 - elektrody platynowe, 4 - osłona, 5 - grzałka, 6 - obudowa,

Napięciowa dwustanowa sonda lambda (cyrkonowa) Sonda umieszczona jest w układzie wylotowym silnika . Powierzchnia zewnętrzna ogniwa wykonanego z dwutlenku cyrkonu ZrO 2 jest omywana spalinami . Powierzchnia wewnętrzna styka się z powietrzem atmosferycznym lub gazem odniesienia (tlenem) zamkniętym w komorze referencyjnej . Jeżeli stężenie tlenu z obu stron przetwornika jest różne, to między elektrodami przymocowanymi do



220

Czujniki elektrolityczne-rezystancyjne

ogniwa ZrO 2 powstaje siła elektromotoryczna SEM o wartości maksymalnie około 1 V W przypadku silnika wielocylindrowego stężenie tlenu w spalinach jest wartością średnią dla cylindrów, a więc i wskazania sondy dają informację o średniej zawartości tlenu w spalinach . a

Rezystancja T10 2 [0l

Mieszanka uboga

1 m 1000 k

Rys . 15-3 . Charakterystyki rezystancyjne] tytanowej sondy lambda [25, 87] a - rezystancja sondy w zależności od temperatury i składu mieszanki, b - przebieg czasowy napięcia sondy (wykres pracy w silniku o zapłonie iskrowym)

10k 1k

b

500

600

700

800

900 T - 'C[

UM • 5,04,5i1 4.0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,001

n

2

3

4

5

6

r--,

7

8

r1

9

10 t [s]

--

v

Spaliny Rys . 15-4 . Schemat napięciowej dwustanowej sondy lambda i zasada tworzenia równowagi termodynamicznej [91]

Rodzaje i zastosowania czujników elektrolityczne-rezvstancvjnych

221

Rys . 15-5 . Przekrój kubkowej dwustanowej sondy lambda z grzałką (Bosch) [ 106] 1 - osłona zabezpieczająca z nacięciami przepuszczającymi spaliny, 2 - kubkowy element ceramiczny, 3 - gwintowana obudowa, 4 - grzałka, 5 - osłona stalowa z uszczelnieniem

Platynowa elektroda zewnętrzna stykająca się ze spalinami jest pokryta porowatą ochronną warstwą ceramiczną (rys . 15-4) . Ponieważ przepływ spalin z silnika ma charakter dynamiczny, a ich temperatura zmienia się, wpływa to na wiązanie tlenu przez azot w tlenki azotu . W rezultacie bezpośrednie oddziaływanie spalin na element pomiarowy sondy znacznie zmieniałoby jego temperaturę i warunki pracy . Zadaniem porowatej zewnętrznej warstwy jest uzyskanie równowagi termodynamicznej pomiędzy składnikami spalin, które po przejściu przez tę warstwę i platynową elektrodę stykają się z elektrolitem stałym sondy. Elektroda platynowa oddziałuje katalitycznie na spaliny przechodzące przez jej pory. Powoduje to spalenie CO i CH oraz redukcję tlenków azotu NO >' zawartych w spalinach w pobliżu elektrody platynowej . W efekcie do elementu pomiarowego sondy dociera tlen, który pozostaje w spalinach po katalitycznym utlenieniu CO oraz CH i po redukcji tlenków azotu oraz tlen wolny (jeżeli był w spalinach) . Te procesy powodują, że stosunek ilości tlenu pozostałego po spaleniu mieszanki ubogiej do ilości tlenu pozostałego po spaleniu mieszanki bogatej jest o kilka rzędów wyższy, niż gdyby tego oddziaływania nie było . Dzięki temu występuje duży skok napięciowy na elemencie pomiarowym w punkcie stechiometrycznym, tzn . przy zmianie współczynnika nadmiaru powietrza wokół wartości = 1 (rys . 15-6) . Bez procesu katalitycznego utleniania charakterystyka czujnika U= f(l) byłaby mało stroma, co utrudniałoby precyzyjne ustalenie składu mieszanki wokół wartości = 1 . Element pomiarowy podstawowego typu sond lambda ma kształt cylindra, zamkniętego z jednej strony . Jest to tzw. kubkowa sonda lambda (rys . 15-5) . „Kubek" wykonany jest z dwutlenku cyrkonu (ZrO2) i stabilizowany tlenkiem itru . Domieszka tlenku wapnia CaO wytwarza w strukturze ZrO 2 wakanse (luki), przez które migrują jony tlenu . Powierzchnie tulejki ZrO 2 pokryte są porowatą warstwą platyny, działającą katalitycznie . Pod wpływem wysokiej temperatury masa ceramiczna z dwutlenku cyrkonu staje się elektrolitem stałym, przepuszczalnym dla jonów tlenu . Po obu stronach elementu cylindrycznego ZrO 2 panuje różne ciśnienie cząstkowe tlenu: po stronie atmosfery stałe ciśnienie odniesienia p~ , a po stronie spalin ciśnienie pó wynikające ze stężenia tlenu w spalinach . Ilość cząstek tlenu wchodzących w reak?



222

Czujniki elektrolityczne-rezvstancyjne

cję elektrochemiczną z Zr0 2 i tworzących jony tlenu O -- jest różna po stronie powietrza atmosferycznego i po stronie spalin . Powoduje to, że pomiędzy dwiema powierzchniami elementu cylindrycznego Zr0 2 powstaje różnica potencjałów E proporcjonalna do logarytmu naturalnego stosunku ciśnień cząstkowych tlenu w spalinach p i w powietrzu atmosferycznym p", o wartości wynikającej z równania Nernsta (zależność 15 .4) . Ponieważ ciśnienie cząstkowe tlenu w powietrzu p, jest znane i prawie stałe, na podstawie potencjału takiego ogniwa można określić ciśnienie cząstkowe tlenu w spalinach i zawartość tlenu w spalinach . W układach sterujących składem mieszanki paliwowe-powietrznej w silnikach spalinowych wartość napięcia między elektrodami sondy wykorzystuje się do precyzyjnej regulacji składu mieszanki (rys . 15-6) . Przy zmianie składu mieszanki z bogatej na ubogą i pojawieniu się zwiększonej ilości tlenu w spalinach napięcie między elektrodami sondy gwałtownie zmniejsza się . Ten skok napięciowy wykorzystuje się do utrzymywania składu mieszanki w pobliżu wartości stechiometrycznej (1 = 1) . Jeżeli napięcie sondy przekracza wartość napięcia odniesienia U . jest to sygnał o nadmiernym wzbogaceniu mieszanki . Reakcją sterownika silnika na taką wartość napięcia jest skrócenie czasu otwarcia wtryskiwacza paliwa . Jeżeli a

U

[mul^ 1000

Mieszanka bogata

> ,,

Mieszanka uboga

24

800 600 U o =4501 -------------- -------------400 200 0 0,80

0,90

1,00

1,10

1,20

k

b ~U M 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,20,1t [s] 0,0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 0,0 0,5

Rys. 15-6. Charakterystyka wąskopasmowej dwustanowej sondy lambda U= f(1.) dla temperatury około 600°C (a) [49] i przebieg czasowy napięcia dwustanowej sondy lambda ZrO 2 w ustalonych warunkach pracy silnika (b) [87] Uo - próg referencyjny sondy



Rodzaje i zastosowania czujników elektrolityczna-rerystancyjnych

223

napięcie sondy obniża się poniżej wartości U ., oznacza to nadmierne zubożenie mieszanki paliwowa-powietrznej . Sterownik silnika po otrzymaniu sygnału z sondy o wartości mniejszej od Uo wydłuża czas otwarcia wtryskiwacza paliwa . Precyzyjne sterowanie dawką paliwa pozwala na utrzymanie składu mieszanki silnika o zapłonie iskrowym w bardzo wąskim przedziale współczynnika nadmiaru powietrza ~ = 0,99 . . .1,01 . Prawidłowe działanie czujnika tlenu w układzie wylotowym silnika spalinowego wymaga odpowiedniej jego temperatury . Na rysunku 15-7 pokazano zmianę charakterystyki czujnika dla kilku wartości temperatur elektrolitu stałego : T,> Tz> T3 . Wzrost temperatury sondy zwiększa gradient zmian napięcia występujący przy zmianie zawartości tlenu w spalinach oraz znacznie skraca czasy reakcji sondy na skokową zmianę składu spalin . Pozwala to precyzyjniej ustalić skład mieszanki w obszarze mieszanki stechiometrycznej (~ = 1) i w efekcie ograniczyć toksyczność spalin . Dla sprawnej sondy lambda czas odpowiedzi na skokową zmianę składu mieszanki wynosi około 0,35 s (według danych firmy NGK/NTK) .

TZ T 1

Rys . 15-7 . Zależność charakterystyki dwustanowej sondy lambda od temperatury pracy, T, >T,>T, [91]

Optymalna temperatura pracy elementu pomiarowego sondy powinna wynosić około 600°C . Należy jednak pamiętać, że zbyt wysoka temperatura pracy skraca trwałość sondy . Z tego powodu nie powinna ona pracować w temperaturze powyżej 850°C . Jeśli sonda lambda nie jest wyposażona w element grzejny, to element pomiarowy ogrzewany jest tylko przez przepływające spaliny, a czas dochodzenia do temperatury pracy sondy wynosi około 1 min lub d1u2ej . Taka sonda musi być montowana blisko kolektora wylotowego, aby omywały ją gorące spaliny . Przy dłuższej pracy silnika na biegu jałowym oraz przy niewielkich obciążeniach silnika względnie niska temperatura spalin powoduje, że element pomiarowy nie osiąga minimalnej temperatury pracy lub po pewnym czasie pracy w tym zakresie obciążeń temperatura sondy spada poniżej minimalnej temperatury pracy. To niekorzystne zjawisko potęguje się tym bardziej, im dalej od silnika zamontowana jest sonda . W celu przyspieszenia osiągania przez czujnik właściwej temperatury stosuje się elektryczne podgrzewanie elementów sondy, zwykle za pomocą cera-



Czujniki elektrolityczne-rezystancyjne

224

micznego elementu grzejnego . Umożliwia to uzyskanie minimalnej temperatury pracy elementu pomiarowego sondy po 30 . . .60 s od rozruchu silnika, a następnie jej utrzymanie niezależnie od temperatury spalin i miejsca montażu w układzie wylotowym . Dlatego też ogrzewana sonda lambda przekazuje sterownikowi prawidłowy sygnał, również po dłuższej pracy silnika na biegu jałowym . SS

MS SS

ZG ZG SS

ZG ZG MS SS Zr



-

- ---- -------=

Rys. 15-8. Schematy wewnętrznych połączeń sond lambda bez grzałki i z grzałką [50] SS- sygnał sondy, MS- „masa" własna sondy, ZG - zasilanie grzałki sondy

Niezależnie od układu wewnętrznych połączeń elektrycznych przewód (rys . 15-8) sygnałowy sondy lambda (przewód przesyłający sygnał sondy) jest przyłączony bezpośrednio do sterownika . Przewód sygnałowy sondy powinien być ekranowany, aby nie indukowało się w nim napięcie wywołane ewentualnymi zmianami natężenia pola elektromagnetycznego . Źródłem pola elektromagnetycznego o zmiennym natężeniu są np . przewody układu zapłonowego . Ekran przewodu sygnałowego jest łączony z „masą" nadwozia samochodu . Sondy lambda z dwoma lub czterema przewodami połączeniowymi mają „masę" własną, doprowadzoną przewodem ze złącza masowego nadwozia lub ze sterownika . Przeważnie potencjał „masy" własnej, doprowadzonej przewodem do sondy lambda, jest równy potencjałowi „masy" akumulatora . Są jednak rozwiązania, w których potencjał „masy" własnej sondy lambda jest wyższy o 0,3 lub 0,7 V od potencjału „masy" akumulatora . Jeśli sonda lambda ma doprowadzoną od sterownika „przesuniętą masę" o wartości 0,7 V, to mierząc jej sygnał napięciowy w stosunku do „masy" pojazdu otrzymamy wartości zmieniające się nie w zakresie od 0 V do U, ale w zakresie od 0,7 V (0 V + przesunięcie o 0,7 V) do U + 0,7 V. „Przesunięcie masy" doprowadzonej oddzielnym przewodem od sterownika do sondy lambda pozwala sterownikowi rozpoznać dwie różne sytuacje : - jeżeli wartość sygnału wysyłanego przez sondę lambda względem „masy" pojazdujest bliska wartości „przesunięcia masy" (np . 0,7 V) oznacza to, że sygnał wysyłany przez sondę lambda osiągnął najniższą wartość, np . wskutek zasilania silnika bardzo ubogą mieszanką lub przedostawania się do układu wylotowego „fałszywego" powietrza, a wraz z nim dodatkowego tlenu ; - jeżeli wartość sygnału napięcia wysyłanego przez sondę lambda względem „masy" pojazdu jest równa lub bliska 0 V, oznacza to, źe przewód sygnałowy jest zwarty do „masy" nadwozia samochodu . Grzałki sond mogą być zasilane dwoma podstawowymi sposobami . Pierwszy sposób to zasilanie grzałki doprowadzone od przekaźnika pompy paliwa [50] przez



Rodzaje i zastosowania czujników elektrolityczne-rezystancyjnych

225

bezpiecznik . „Masa" grzałki sondy lambda jest stale połączona z „masą" nadwozia samochodu . Włączenie pompy paliwowej, o czym decyduje sterownik, jest równoznaczne z włączeniem grzałki . Jest ona zasilana napięciem w sposób ciągły, bez możliwości wyłączenia zasilania . Grzałka jest wykonana z elementu ceramicznego, którego rezystancja zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury . Zaraz po włączeniu, gdy grzałka jest „zimna", płynie prąd o większym natężeniu, szybko ją nagrzewający, a wraz z upływem czasu i ze wzrostem temperatury grzałki wzrasta jej rezystancja i maleje natężenie płynącego prądu (rys . 15-9a) . Drugi sposób zasilania polega na zasilaniu impulsowym grzałki (rys . 15-9b) . Zasilanie do grzałki sondy jest doprowadzone od przekażnika pompy paliwa przez bezpiecznik. Natomiast połączenie grzałki sondy z „masą" odbywa się przez tranzystor, którym steruje (włącza go i wyłącza) sterownik . W innych wykonaniach grzałka może być połączona z „masą" za pośrednictwem przekażnika włączanego przez ste-

0

10

20

30

40

t

[s]

Rys . 15-9 . Sposoby zasilania grzałki sondy lambda [50] ~~ a - grzałka zasilana w sposób ciągły Tss > < Tss (zmiana natężenia prądu płynącego w obwodzie grzałki), b - grzałka zasilana t w y t.Y tw, tw, • < • 4 impulsowe A - okres pracy grzałki ze zwiększoną mocą, B - okres pracy grzałki ze zmniejszoną mocą, TSS - okres sygnału sterującego grzałką, tw , - czas włączenia H • zasilania grzałki, twy - czas wyłączenia t [s] 0 10 20 zasilania grzałki 30 40

b

Ig [A]

A

l3

rownik . Bezpośrednio po włączeniu grzałki, gdy ma ona jeszcze małą rezystancję, natężenie prądu przepływającego przez nią ma dużą wartość . Z upływem czasu rezystancja grzałki rośnie, a natężenie przepływającego prądu maleje . Gdy na podstawie pomiaru prądu i napięcia zasilania grzałki program sterujący rozpozna wartość progową rezystancji, która odpowiada określonej temperaturze grzałki, rozpoczyna się sterowanie impulsowe . Zasada sterowania impulsowego polega na tym, że sygnał sterujący TSS o stałej długości podzielony jest na okresy : twy i tw , (rys . 15-9b) . Czas włączenia zasilania grzałki t w , i czas wyłączenia jej zasilania twy mogą ulegać zmianie, ale ich suma jest stała i równa okresowi sygnału sterującego : Tss = twł + twy .



2261

Czujniki elektrolityczne-rezystancyjne

O średniej mocy grzałki, a więc o temperaturze sondy decyduje stosunek czasu włączenia prądu do czasu wyłączenia, który reguluje sterownik na podstawie informacji o wartości prądu i napięcia w okresie twł . Wartość prądu przepływającego przez grzałkę oraz napięcia pozwala określić jej rezystancję i pośrednio temperaturę . Pomiar rezystaneji grzałki służy również do oceny temperatury spalin i katalizatora . Dwustanowa sonda lambda oznaczana symbolem EGO (Exhaust Gas Oxygen) wskazuje, czy spaliny pochodzą ze spalenia mieszanki bogatej (współczynnik nadmiaru powietrza ż. < 1), czy ze spalania mieszanki ubogiej (ż, > 1) . Charakterystyka takiej sondy przebiega w sposób skokowy (patrz rys . 15-6a) . Dla spalin pochodzących z mieszanki o współczynniku nadmiaru powietrza ż, zmieniającym się od l+o .o' następuje gwałtowny skok potencjału elektrycznego sondy, o warto1_00' do ści do 900 mV Taka charakterystyka pozwala bardzo precyzyjnie sterować składem mieszanki, tak, aby miała ona skład bliski stechiometrycznemu . Przy takim składzie mieszanki ilość toksycznych składników zawarta w spalinach (CO, HC, NO .) możliwa jest do oczyszczenia przez trójfunkcyjny katalizator . Podczas eksploatacji silnika aktualna charakterystyka sondy lambda może ulec przesunięciu, a stałe czasowe narastania i spadku napięcia mogą ulec wydłużeniu (rys . 15-10) . Wielkość przesunięcia charakterystyki zależy zarówno od temperatury sondy, jak i procesów starzenia elektrolitu stałego tego czujnika . Statycznym parametrem oceny sondy lambda jest przesunięcie charakterystyki sondy CSD (Characteristic Shift Down) . Jest to zmiana wartości współczynnika ż, odpowiadająca napięciu odniesienia U 0. Napięcie to odpowiada napięciu generowanemu przez sprawną, nagrzaną sondę lambda przy spalinach z mieszanki stechiometrycznej (ż, = 1) . Jest to tzw. próg referencyjny o wartości około 0,45 V Wartość progu referencyjnego nie jest średnią arytmetyczną minimalnego i maksymalnego napięcia odpowiadającego mieszance bogatej i ubogiej, lecz stałą wartością dla danego typu sondy . W miarę eksploatacji charakterystyka sondy przesuwa się w kierunku mieszanek ubogich (rys . 15-10) . Przy stałej wartości progu referencyjnego U 0 , zapisanej w programie sterującym, powoduje to regulację składu mieszanki w kierunku mieszanek zubożonych, o większej zawartości tlenków azotu . Dlatego niektóre firmy dla nowych sond podają wartość napięcia referencyjnego odpowiadającego minimalnie wzbogaconej mieszance (np . ż. = 0,99) . Dzięki temu po pewnym okresie eksploatacji i przesuwie charakterystyki wywołanej starzeniem czujnika zubożenie mieszanki jest mniejsze, niż przy wstępnym ustawieniu napięcia referencyjnego dla mieszanki o % = 1 . Dokładność utrzymywania wartości CSD wynosi około 0,5% ż, . Parametry maksymalnego i minimalnego napięcia sondy nie są na ogół podawane . Natomiast producenci samochodów w instrukcjach serwisowych podają informacje, że amplituda zmian napięcia dla dwustanowej, sprawnej sondy lambda wynosi 0,7 . . .0,8 V, a dolna wartość graniczna tej amplitudy wynosi 0,5 V. Parametrami dynamicznymi pracy sondy są czasy narastania i obniżania napięcia przy zmianach składu mieszanki (rys. 15-10) . Czasy te powinny umożliwiać uzyskanie 8 . . .10 cykli zmian napięcia na 10 sekund dla nagrzanej nowej sondy. Charakterystyczne jest wydłużanie czasów reakcji sondy po pewnym okresie jej eksploatacji .



Rodzaje i zastosowania czujników elektrolityczne-rezystancyjnych

12

14

;

16

18

227

AFR

1~ Rys . 15-10. Zmiana charakterystyki sondy lambda w ujęciu statycznym (z lewej) i dynamicznym (zmiana czasów reakcji sondy w okresie eksploatacji silnika) [46] 1 - sonda nowa, 2 - sonda zużyta CSD - przesunięcie wartości stosunku masy powietrza do masy paliwa AFR dla napięcia odniesienia (referencyjnego), T IL - czas zmniejszania napięcia, TLR - czas narastania napięcia, Tc - czas trwania cyklu, UR i UL - napięcie maksymalne i minimalne odpowiadające mieszance bogatej i ubogiej, U O - napięcie odniesienia

Wartość graniczna, świadcząca o nadmiernym zużyciu sondy, to wydłużenie czasów reakcji powodujące działanie sondy z częstotliwością około 5 cykli na 10 sekund . Planarna (płaska) sonda lambda Zasada działania tych sond jest taka sama, jak sond kubkowych z elementem z dwutlenku cyrkonu. Różnica polega na zmianie konstrukcji i technologii elementu pomiarowego . W tego typu sondach jest to płytka składająca się z kilku warstw ceramicznych (rys . 15-12) . Warstwy te, nałożone kolejno, spełniają zadanie elektrod, elektrolitu stałego, przestrzeni z gazem odniesienia, grzałek i warstw izolujących . Gazem odniesienia jest otaczające powietrze lub tlen zamknięty w szczelnej komorze wewnątrz sondy. Takie rozwiązanie daje konstrukcję bardziej zwartą, mniejszą i lżejszą od kubkowej . Wymaga też mniejszej mocy do nagrzewania, ponieważ grzałka z metalu szlachetnego jest zintegrowana z niewielkim elementem pomiarowym . Czas nagrzewania wynosi około 20 s . Konstrukcja taka pozwala zautomatyzować proces produkcji i obniżyć jego koszty . 1

3

2

4

Rys . 15-11 . Planarna sonda lambda [106] 1 - osłona zabezpieczająca z otworami przepuszczającymi spaliny, 2 - płaski element pomiarowy, 3 - ceramiczna tulejka mocująca, 4 - uszczelnienie



228

3

Czujniki elektrolityczne-rezystancyjne

D

4

8 9

Rys . 15-12 . Elementy płytki pomiarowej planamej (płaskiej) sondy lambda LSF [36] 1 - porowata warstwa ochronna, 2 - elektroda zewnętrzna, 3 - ogniwo pomiarowe Zr0„ 4 - elektroda wewnętrzna, 5 - wkład dystansowy z kanałem powietrza atmosferycznego, 6 - warstwa izolacyjna, 7 - płaski element grzejny, 8 - folia elementu grzejnego, 9 - złącza elektryczne

Szerokopasmowa sonda lambda Dwustanowa sonda lambda nie pozwala na ocenę stopnia wzbogacenia lub zubożenia mieszanki paliwowe-powietrznej ze względu na jej płaską charakterystykę w zakresie wartości współczynnika ~ znacznie różniących się od 1 . Do tego celu wykorzystuje się tzw . sondy szerokopasmowe, oznaczane symbolem UEGO (Universal Exhaust Gas Oxygen) lub LSU (Lambda Sonda Universal). Pozwalają one mierzyć zawartość tlenu w spalinach pochodzących zarówno ze spalania mieszanki bogatej, jak i ubogiej, dla % _ (0,7 . . .00), czyli dla A/F (AFM) od 11 do x . Są to czujniki tlenu zbudowane na bazie cyrkonu, z planamym elementem pomiarowym . Zewnętrznie identyfikowane są na podstawie pięciu lub więcej przewodów wyjściowych z czujnika . Sondy te składają się z dwóch układów : potencjometrycznego ogniwa Nernsta 7 oraz tzw. amperometrycznej pompy jonów tlenu 8 (rys . 15-13) . Pompa tlenu jest to również element z elektrolitu stałego przewodzącego jony tlenu . Różnica w stosunku do ogniwa Nernsta polega na tym, że do elektrod 12 obejmujących element ceramiczny przykładane jest napięcie U (rys . 15-13) . Zmiana wartości tego napięcia powoduje zmiany w natężeniu przepływu jonów przez elektrolit stały, a zmiana kierunku napięcia wywołuje zmianę kierunku przepływu jonów, np . jonów tlenu - stąd nazwa pompy tlenowej . W celu umożliwienia pomiaru składu mieszanek zarówno ubogich, jak i bogatych połączono własności pompy tlenowej 8 z klasycznym ogniwem Nernsta 7 (rys . 15-13) . Te dwa ogniwa sąsiadują ze sobą poprzez przestrzeń dyfuzyjną 6 . Znajduje się w niej cienka przegroda dyfuzyjna 11 o grubości 10 . . .15 µm, która ma kontakt ze spalinami poprzez otwór dolotowy 10 . W obszarze przestrzeni dyfuzyjnej 6 znajdują się dwie porowate elektrody platynowe 12 i 13, odpowiednio dla pompy jonów (12) i dla ogniwa Nemsta (13) . Druga elektroda ogniwa Nernsta znajduje się w referencyjnym kanale powietrznym 5, połączonym z otoczeniem . Zasada pracy tego układu polega na utrzymywaniu zawartości tlenu w komorze dyfuzyjnej 6 na stałym poziomie, odpowiadającym ilości tlenu, jaka



Rodzaje i zastosowania czujników elektrolityczne-rezystancyjnych

229

znajduje się w spalinach z mieszanki stechiometrycznej (~ = 1) . Takiej zawartości tlenu w komorze dyfuzyjnej 6 odpowiada napięcie Uref między elektrodami 13 ogniwa Nernsta 7 równe napięciu odniesienia około 0,45 V . Ponieważ do komory 6 przenika różna ilość tlenu w zależności od składu spalin, pompa tlenu 8 „wpompowuje" jony tlenu do przestrzeni dyfuzyjnej lub „wypompowuje" je z niej tak, by na ogniwie Nernsta utrzymać napięcie U możliwie bliskie napięciu zadanemu Uef Odbywa się to poprzez przyłożenie odpowiedniego napięcia U do elektrod 12 pompy 8 . Przy zasilaniu ubogą mieszanką napięcie na ogniwie Nernsta 7 jest mniejsze od napięcia odniesienia U ef, co powoduje przyłożenie do pompy tlenu napięcia U1 „wypompowującego" tlen z przestrzeni dyfuzyjnej 6 . Przy zasilaniu mieszanką bogatą napięcie na ogniwie Nernsta jest większe od napięcia Uef Do elektrod pompy 8 przykładane jest napięcie U, o kierunku odwrotnym „wpompowujące" jony tlenu do przestrzeni 6 . Napięciem tym steruje układ elektroniczny, wykorzystujący informację o odchyłce bieżącego napięcia na ogniwie Nernsta 7 od napięcia referencyjnego Uef Przemieszczanie się jonów tlenu w odpowiednim kierunku jest powodowane przez prąd sterujący I o odpowiedniej polaryzacji, generowany przez układ elektroniczny w zależności od wartości i kierunku napięcia pompowania U. W zakresie mieszanki ubogiej wzrost zawartości tlenu w spalinach i spadek napięcia na ogniwie Nernsta powoduje przyrost prądu sterującego Ip, a dla mieszanki bogatej prąd ten przyjmuje kierunek przeciwny (rys . 15-14) . Wartość prądu I może zatem być miarą wartości współczynnika i zawartości tlenu w spalinach . Ponieważ wartość prądu pompowania r4 o- -' 1 Ip

UH

4e

Rys . 15-13 . Schemat szerokopasmowej sondy lambda [ 11 ] 1 - spaliny, 2 - układ wylotowy, 3 - podgrzewacz sondy z układem stabilizacji temperatury, 4 - układ elektroniczny zasilania i pomiaru sygnału, 5 - komora powietrzna, 6 - warstwa (przestrzeń) dyfuzyjna, 7 - ogniwo Nernsta, 8 - pompa jonów tlenu, 9 - porowata warstwa ochronna, 10 - kanał dolotowy spalin do przegrody dyfuzyjnej, 11 - porowata przegroda dyfuzyjna, 12 - elektrody pompy tlenowej, 13 - elektrody ogniwa Nernsta



230

Czujniki elektrolityczne-rerystancljne

Ip [MA] 1

-21 0,7 1 2 3

Rys . 15-14. Prąd pompowania 1 szerokopasmowej sondy lambda w funkcji współczynnika nadmiaru powietrza ń [ 111

zależy również od pola powierzchni i grubości warstwy dyfuzyjnej, temperatury ogniwa i zawartości jonów tlenu w komorze odniesienia 5, parametry te powinny być ustalone, aby wartość prądu pompowania zależała tylko od zawartości jonów tlenu w spalinach . Natężenie graniczne prądu pompowania wynosi : 4FDS C(0) Imax

=

(15 .5)

gdzie : F - stała Faradaya, D - współczynnik dyfuzji tlenu w danej temperaturze, S - pole powierzchni bariery dyfuzyjnej, C(0) - początkowa zawartość tlenu w gazie otaczającym, L - grubość bariery dyfuzyjnej . Proces regulacji znajduje się w stanie ustalonym, jeśli napięcie na ogniwie Nemsta jest równe napięciu referencyjnemu U, ł. (np . 450 mV), co wskazuje, że spaliny w warstwie dyfuzyjnej pochodzą z mieszanki o współczynniku - 1 . W tym szczególnym przypadku prąd I = 0 mA, a napięcie pompy tlenu U = 0 V W tego typu sondach element grzejny 3 jest zintegrowany z ogniwem Nernsta, co przyspiesza nagrzewanie sondy . Osiąga ona temperaturę 600°C już po 30 sekundach . Płaska budowa grzałki powoduje, że do ogrzania sondy wystarczająca jest moc 10 . . .15 W.

Rys. 15-15 . Przekrój przez szerokopasmową sondę lambda [ 106] 1 - element pomiarowy (kombinacja ogniwa Nemsta i pompy tlenu), 2 - podwójna osłona stalowa, 3 - pierścień uszczelniający, 4 - uszczelnienie wewnętrzne, 5 - obudowa sondy, 6 - tulejka ochronna, 7 - uszczelnienie, 8 - zaciski elektryczne, 9 i 10 - tulejka i osłona z PTFE, 11 - pięć przewodów łączących, 12 - uszczelnienie



Rodzaje i zastosox,ania czujników elektrolityczne-rezvstancyjnych

231

Rys . 15-16. Wygląd zewnętrzny różnego rodzaju sond lambda po okresie eksploatacji : sonda jednoprzewodowa, trójprzewodowa, sondy czteroprzewodowe

Czujnik tlenków azotu Czujnik tlenków azotu w spalinach działa na podobnej zasadzie, jak szerokopasmowa sonda lambda wykorzystująca pompę tlenu . Schemat czujnika przedstawiono na rysunku 15-17 . Spaliny przepływają przez kanał 1 do komory dyfuzyjnej l . Przyłożenie napięcia do elektrod obejmujących elektrolit stały 1 powoduje, że jony tlenu pompowane są od anody do katody zgodnie z kierunkiem strzałki . Jest to działanie pompy tlenu . Wartość przepływającego prądu pompowania p I jest regulowana tak, aby w komorze dyfuzyjnej 1 ilość tlenu odpowiadała składowi stechiometrycznemu mieszanki paliwowe-powietrznej, tzn . aby napięcie na ogniwie Nernsta 3 odpowiadało wartości referencyjnej około 0,45 V Jest to działanie szeElektrolit stały 1 Komora dyfuzyjna 1 \ Kanał dyfuzyjny 1 \ Spaliny

r' ww/wwonww'

Ogniwo Nernsta 3

/,'""11,11r//////////%

Powietrze Kanał dyfuzyjny 2

1

Komora dyfuzyjna 2 Elektrolit stały 2 Rys. 15-17 . Schemat czujnika tlenków azotu [94ł



Czujniki elektrolityczne-rerystancyjne

232

rokopasmowej sondy lambda . Z komory dyfuzyjnej 1 przez elektrolit 1 dyfundują jedynie jony tlenu . Niezdysocjowane tlenki azotu dyfundują poprzez kanał dyfuzyjny 2 do komory dyfuzyjnej 2 . W tej komorze tlenki azotu dysocjują na czysty azot N z i tlen O z . Jony tlenu przenikają przez elektrolit stały 2 pomiędzy elektrodami, do których również przyłożono napięcie . Wartość przepływającego prądu 1 , zależy od zawartości tlenu powstałego z dysocjacji NO„, czyli od zawartości v tlenków azotu w spalinach . Na rysunku 15-18 przedstawiono schematycznie przebiegi prądu Ip i w funkcji zawartości tlenu i prądu Ipz w funkcji zawartości tlenków azotu . Tego typu czujnik może być używany do kontroli sprawności działania katalizatora tlenków azotu .

0 2 1%1

NO>, [%]

Rys. 15-18 . Charakterystyki czujnika tlenków azotu [94]

Wadą tego rozwiązania jest bardzo mały zakres pomiaru wartości prądu Pz podczas analizy zawartości tlenków azotu, wynoszący zaledwie 2,5 mA . Oznacza to, że rozdzielczość pomiaru prądu powinna wynosić kilkadziesiąt µA . Z tych powodów czujnik tlenków azotu jest wykonywany w postaci zintegrowanej z elektronicznym układem przetwarzającym .

Rys . 15-19 . Sonda lambda z czujnikiem tlenu i czujnikiem tlenków azotu firmy NGK/NTK do silnika VW FSI

Czujnik jakości powietrza w układzie przewietrzania pojazdu Zadaniem tego czujnika jest pomiar zawartości tlenku węgla (głównie w samochodach z silnikiem o zapłonie iskrowym) oraz tlenków azotu (w samochodach z silnikiem o zapłonie samoczynnym) . Czujnik tlenku węgla mierzy zawartość w zakresie 10 . . .100 ppm (parts per milion), a czujnik tlenków azotu w zakresie 0,5 . . .5 ppm . Zasada działania polega na zmianie rezystancji grubowarstwowych rezystorów zawierających tlenek cyny, zachodzącej w otoczeniu tlenku węgla lub tlenku azotu . Zmiana ta jest znaczna i wynosi 1 . . .100 M . Czujnik tego typu przedstawiono na rysunku 15-20 . Osłona 2 stanowi ochronę mechaniczną. Teflonowa przepona 1 przepuszcza do komory przetwornika gazy i parę wodną, a zatrzymuje wodę . Przetwornik 3 zawiera zarówno rezystor do analizy zawartości tlenku węgla, jak i rezystor do wykrywania tlenku azotu . Czas reakcji przetwornika jest rzędu kilku milisekund .



Rodzaje i zastosowania czujników elektrolityczne-rezystancyjnych

III

233

Rys. 15-20 . Czujnik jakości powietrza [11] 1- membrana teflonowa, 2 - osłona mechaniczna przepuszczająca gaz, 3 - przetwornik pomiarowy NO ./ CO, 4 - gniazdo wtykowe, 5 - obudowa czujnika, 6 - pokrywa z uszczelnieniem, 7 - płytka drukowana

Sygnał napięciowy z czujnika przesyłany jest do sterownika . Gdy stężenie szkodliwych gazów wpływających do wnętrza pojazdu przez układ wentylacji przekroczy dopuszczalny poziom, sygnał napięcia osiąga wartość graniczną, a sterownik jakości powietrza poprzez przekaźnik uruchamia siłownik zamykający przesłonę wlotu powietrza do wnętrza pojazdu . a

Rys. 15-21 . Czujniki zawartości CO i NO x firmy MicroChemical Systems [103] a - czujnik CO typu MiCS 5132, b - czujnik CO i NO , typu MiCS 4514

b

Czujnik wilgotności Sterownika jakości powietrza są wyposażone w czujnik wilgotności i czujnik temperatury wewnątrz pojazdu . Umożliwia to obliczenie punktu rosy, który ma wpływ na zawilgocenie szyb samochodu . Wilgotność powietrza można zdefiniować jako zawartość pary wodnej w powietrzu . Gdy wilgotny gaz jest schładzany w powietrzu (izobarycznie), to po osiągnięciu określonej temperatury wystąpi stan nasycenia pary,



234

Czujniki elektrolitvczno-rezvstancyjne

zwany punktem rosy. Osiągnięcie tego stanu powoduje wykraplanie się pary wodnej, np . na szybach samochodowych . Wilgotność bezwzględna określona jest jako : Z = m" = Mw • m .,g

MSG

P-

(15 .6)

• 100%

P - P„

gdzie : m,,, - masa wody, m sg - masa suchego gazu, Mw -masa cząsteczkowa wody (M w = 18,015), MSG - masa cząsteczkowa suchego gazu (dla powietrza MSG = 28,970), p - ciśnienie całkowite, p,,, -ciśnienie cząstkowe pary wodnej w gazie . Wilgotność względna ¢ jest to stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej w gazie do ciśnienia pary wodnej w punkcie rosy :

• 100% (15 .7) P., gdzie p _ to ciśnienie pary wodnej w punkcie rosy . Parametr ten oznaczany jest również jako RH (Relative Humidity) Jako czujniki wilgotności są stosowane czujniki rezystancyjne i pojemnościowe (patrz rozdz . 10) . Rezystancyjne czujniki wilgotności mają warstwy higroskopijne, które mogą w sposób odwracalny magazynować wodę, co wywołuje znaczne zmiany ich rezystancji . Rezystancja warstwy czynnej zmienia się od 1 kQ do 10 MQ (rys . 15-23) . Zasadę budowy tego typu czujnika przedstawiono na rysunku 15-24 . Pomiędzy elektrodami 3 i 5 z metalu szlachetnego (platyny) znajduje się izolowane podłoże 4, na które nanosi się higroskopijną sól (np . chlorek litu LICI) = p"

a

b

k ,C% as & gl

oom

Rys . 15-22 . Czujniki wilgotności a - budowa, b - widok [110] 1 - obudowa, 2 - płytka pomiarowa, 3 - pokrywa z uszczelką, 4 - przetwornik temperatury, 5 - przetwornik pomiarowy wilgotności, 6 - membrana teflonowa, 7 - gniazdo wtykowe



Rodzaje i zastosowania czujników elektrolityczne-rezystancyjnych

235

10 000 1000 100 10

Ikbbm'Ikbbm'-

1 20 30

40

50

60

70

80 90

Rys . 15-23 . Przykładowa charakterystyka rezystancyjnego czujnika wilgotności [110] RH-wilgotność względna

Rys . 15-24 . Schemat warstw płytki pomiarowej czujnika wilgotności [110] 1 - zanieczyszczenia, 2 - polimerowi warstwa chroniąca przed zanieczyszczeniami, 3 - porowata elektroda platynowa, 4 - warstwa pomiarowa zmieniająca rezystancję, 5 - elektroda platynowa, 6-podłoże silikonowe

o konsystencji pasty. Przewodność elektryczna tej warstwy zmienia się wraz z wilgotnością względną. Płytka pomiarowa zbudowana jest z kilku warstw, z których zewnętrzne powinny zapewnić odpowiednią trwałość i stałość charakterystyki czujnika. Nie są to czysto rezystancyjne czujniki, ponieważ zmiany wilgotności wywołują również zmiany pojemności warstwy aktywnej . Zmianie ulega więc impedancja takiego czujnika . Zmianę rezystancji tego czujnika wywołują także wahania temperatury zewnętrznej . Niezbędna jest więc odpowiednia jej kompensacja . Czujnik temperatury, np . termistor typu NTC, umieszcza się możliwie blisko płytki pomiarowej . Poprzez pomiar wilgotności i temperatury powietrza można ustalić punkt rosy i np . automatycznie regulować nawiew powietrza na szyby . Zakres pracy tego typu czujników wynosi od-40° do 100°C . Stała czasowa czujnika jest stosunkowo duża i wynosi od 10 do 30 s, a dokładność pomiaru jest rzędu f2% wilgotności względnej [64] . W przypadku ciągłego pomiaru wilgotności względnej RH powyżej 90% na elementach pomiarowych może kondensować się woda, co z kolei może wprowadzać błąd pomiaru i wydłużać czas odpowiedzi (rys . 15-25) . Aby temu zapobiec, stosuje się wymuszony przepływ powietrza, hydrofobowe osłony osłabiające efekt nasycenia, osłony chroniące czujnik przed spryskiwaniem lub podgrzewanie płytki pomiarowej . Ten ostatni sposób wymaga kalibracji czujnika w stanie nagrzanym . Do pomiarów wilgotności w wyższych temperaturach stosowane są czujniki konduktancyjne, mierzące wilgotność bezwzględną . Zasada pomiaru polega na wyznaczaniu różnicy między konduktywnością gorącego suchego powietrza 1 po-



236

Czujniki elektrolityczne-rezystancyjne

100 RH 90 80 70 60 50 40 30 20 10

t [min] 0

5

10

15

20

Rys . 15-25. Odpowiedź czujnika wilgotności na zakłócenie skokowe - czas powrotu do prawidłowego wskazania wilgotności względnej po zanurzeniu czujnika rezystancyjnego w wodzie na 1 min przy prędkości powietrza osuszającego 0,01 m/s [1101

wietrza zawierającego parę wodną. Czujnik tego typu zawiera dwa termistory typu NTC w obwodzie mostka (rys . 15-26) . Termistor I jest hermetycznie zamknięty w suchym azocie, a termistor 2 znajduje się w otaczającym czujnik środowisku . Prąd przepływający przez termistory podnosi ich temperaturę do ponad 200°C . Ilość ciepła rozproszonego przez termistor zamknięty w azocie jest większa niż przez termistor znajdujący się w otaczającej atmosferze, ponieważ przewodność cieplna pary wodnej jest mniejsza niż suchego azotu . Ta różnica przewodności powoduje różną temperaturę pracy termistorów i różną ich rezystancję . Różnica rezystancji jest proporcjonalna do wilgotności bezwzględnej środowiska otaczającego termistor 2 . Jako parametr wilgotności mierzony jest spadek napięcia U na mostku pomiarowym . Kalibracja czujnika polega na umieszczeniu termistora pomiarowego w suchym powietrzu lub azocie o określonej temperaturze . Tego typu czujniki wykazują dużą trwałość i możliwość pracy w temperaturach do około 300°C . Dzięki stosowanym w ich konstrukcji materiałom (szkło, pół-

Rys . 15-26 . Schemat konduktancyjnego (termistorowego) czujnika wilgotności [1101 1 - termistor typu NTC w suchym azocie, 2 - termistor NTC w badanym otoczeniu U- sygnał wyjściowy



Rodzaje i zastosowania czujników elektrolityczne-rerystancyjnych

237

∎ ∎-' o p,.RMd .0, MA M .0,

20

30

40

50

60

70

80

90

100 110 120 130 AH [g/m3 ]

Rys. 15-27 . Charakterystyki konduktancyjnego (termistorowego) czujnika wilgotności bezwzględnej [ 110] U- sygnał wyjściowy, AH- wilgotność bezwzględna

przewodniki, aluminium) są odporne na pary związków chemicznych . Mogą mieć zastosowanie w monitorowaniu skuteczności reakcji w ogniwach paliwowych, gdzie produktem spalania jest para wodna. Dokładność pomiaru wilgotności bezwzględnej wynosi 3 g/m3, co odpowiada dokładności f5% wilgotności względnej . Oprócz wilgotności mierzonej w celu sterowania jakością powietrza wewnątrz pojazdu, pomiarom podlegają także : - wilgotność w pneumatycznych układach uruchamiania hamulców (nadzorowanie osuszacza powietrza), - wilgotność zewnętrzna (ostrzeganie przed oblodzeniem) . Czujnik zawodnienia płynu hamulcowego Podczas intensywnych, częstych lub długotrwałych hamowań temperatura zacisków hamulcowych silnie wzrasta i może przekraczać wartość 150°C . Płyn hamulcowy znajdujący się wewnątrz zacisku musi posiadać temperaturę wrzenia wyższą od temperatury zacisku . Gdyby bowiem doszło do osiągnięcia przez ten płyn temperatury wrzenia i powstania korków parowych, spowodowałoby to gwałtowny zanik sił hamowania i zwiększone prawdopodobieństwo wypadku . W okresie eksploatacji hamulców temperatura wrzenia płynu obniża się . Jest to związane przede wszystkim ze wzrostem zawartości wody w płynie hamulcowym (rys . 15-28) . Płyn nowy nie zawiera wody, ale w okresie eksploatacji pochłania wilgoć z otoczenia, ponieważ jego głównym składnikiem są etery poliglikolowe, które mają własności higroskopijne . Jedną z metod pośredniej oceny temperatury wrzenia płynu jest pomiar spadku napięcia na sondzie umieszczonej w płynie na skutek zmian jego przewodności i stałej dielektrycznej . Parametry te zmieniają się w zależności od zawartości wody w płynie . Wzrost zawartości wody zwiększa przewodność elektryczną płynu . Schemat układu obrazujący zasadę pomiaru stopnia zawilgocenia płynu przedstawiono na rysunku 15-29 . Elementy R, i C 2, połączone równolegle, modelują schema-



238

Czujniki elektrolityczne-rezystancyjne

Tw pq 260 254 249 243 238 232 227 221 215 210 204 199 193 188 182 1T7 171 166

DOT 5 - - - DOT 4 DOT3

\ \

•

160 154 149 143 138 132 126 121 115 110 104

\ \

•

`

\

• •. •

\ \ . \

0%

1%

2%

3% H O

99 93

Rys . 15-28 . Zależność temperatury wrzenia płynu hamulcowego T od procentowej zawartości wody [73] DOT 3,4,5 - klasyfikacja płynu według normy polskiej PN/C-40005 oraz amerykańskiej 116/99 FMVSS

tycznie własności elektryczne płynu (zmianę przewodności i stałej dielektrycznej) . Napięcie zasilania układu U ma stałą wartość . Wartością mierzoną jest spadek napięcia na rezystorze R, : UY = U- Uz

(15 .8)

Przy zasilaniu prądem stałym można wyznaczyć wartość napięcia U C : UX = U

& & + R2

(15 .9)

Jeżeli układ jest zasilany napięciem przemiennym, to R.

li, = U

F2 i

1 + (2nfC2

2 ~

(15 .10)



Rodzaje i zastosowania czujników elektrolityczne-rezystancyjnych

239

Wzrost zawartości wody w płynie powoduje zmniejszanie się rezystancji R z płynu, wzrost pojemności C, i wzrost mierzonego napięcia U r. Widok przyrządu działającego wedhag powyżej opisanej zasady przedstawiono na rysunku 15-30 . Czujnikiem jest sonda zanurzana w płynie hamulcowym . Wraz z zawartością wody 0

Rys . 15-29. Zasada pomiaru spadku napięcia zależnego od przewodności płynu hamulcowego [33] U- napięcie zasilania, R, i Cz - elementy modelujące badany płyn, UZ - spadek napięcia na rezystancji badanego płynu, R, - rezystor pomiarowy, U - mierzone napięcie

u

0 O

Rys. 15-30 . Widok przyrządu do pomiaru stopnia zawodnienia płynu hamulcowego wraz z sondą pomiarową

- - - - Tutela Mercedes Shell Texaco - - - Mobil - • - • - Organika DOT4



G

0

„

0,5

1,0

1,5 2,0 2,5 Zawartość wody [%]

3,0

3,5

Rys . 15-31 . Wpływ zawartości wody na przewodność elektryczną płynów hamulcowych klasy DOT4 (pomiar spadku napięcia U I ) [ 33]



240

0

Czujniki elektrolityczne-rezystancyjne

10

20

30

40

50

60

70

80

Temperatura [°C1 Rys. 15-32 . Wpływ temperatury płynu hamulcowego na jego przewodność elektryczną (pomiar spadku napięcia U) dla różnych zawartości wody [331

w płynie zmniejsza się rezystancja i wzrasta pojemność płynu w przestrzeni między elektrodami sondy. Powoduje to wzrost mierzonego napięcia U, co wynika z zależności (15 .9) i (15 . 10) . Zawartość wody jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury wrzenia płynu . Przyjmuje się, że zawartość wody powyżej 2% wymaga wymiany płynu . Powoduje to bowiem zbliżenie się temperatury wrzenia płynu do niebezpiecznej granicy 150°C . Badania wykazały, że metoda oceny stopnia zawodnienia płynu na podstawie analizy zmian jego przewodności elektrycznej nie ma charakteru uniwersalnego, ponieważ wyniki pomiarów zależą nie tylko od zawartości wody, ale również od rodzaju badanego płynu oraz jego temperatury (rys . 15-31 i 15-32) . Metoda ta wymaga więc znajomości rodzaju płynu stosowanego w badanym samochodzie i jego charakterystyki przewodnościowej . Przyrząd pokazany na rysunku 15-30 ma ośmiostopniową skalę diodową oraz metryczkę z wartościami granicznymi dla najczęściej stosowanych płynów hamulcowych .



Literatura

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28]

Bieżąca kontrola ciśnienia w ogumieniu . Auto Ekspert 10/2001 . Bishop R. H . : The Mechatronics Handbook. CRC Press 2002 . Body Control Systems 2005 . Materiały firmowe TRW Automotive. Bolton W. : Mechatronics, Electronic Control Systems In Mechanical And Electrical Engineering. Longman 1999 . Bucholz K . : SKF makes by-wire business case . Automotive Engineering 2/2006 . Burdka M . : Oscyloskop w diagnostyce samochodowej . Auto Moto Serwis 5/2001 . Burdka M . : Oscyloskop w diagnostyce samochodowej, cz. 4 . Auto Moto Serwis 3/2003 . Burdka M . : Oscyloskop w diagnostyce samochodowej . Poradnik Serwisowy 3, 4/2003 . Chwaleba A ., Poniński M ., Siedlecki A. : Metrologia elektryczna. Warszawa, WNT 1994 . Clutton B . : Peiker developing OEM Bluetooth system . Automotive Engineering 6/2005 . Czujniki w pojazdach samochodowych . Warszawa, WKL 2002, Informatory techniczne Bosch . De Silva C . : Control Sensors and Actuators. Prentice Hall 1989 . Denton T. : Automobile Electrical And Electronic Systems . Elsevier 2004. Doebelin E . : Measurement Systems. McGraw-Hill 1990 . (The) Electronic, Diagnostic and Driveability Resource. Wells Counter Point, April 2000, Vol.4, Issue 2 . Encyklopedia techniki. Elektronika . Praca zbiorowa,Warszawa, WNT 1983 . Fabian J . : Bosch Pre-crash sensing for air bag deployment . Automotive Engineering 6/2002 . Findeisen W. : Poradnik inżyniera . Automatyka . Warszawa, WNT 1973 . Fodemski R . : Pomiary cieplne. Warszawa, WNT 2001 . Gajek A ., Strzępek P. : Pomiar prędkości samochodu z wykorzystaniem czujnika radarowego . Konmot Autoprogress 2004, Kraków-Zakopane 2004 . Gajek A ., Woś, A . : Problemy eksploatacji płynów hamulcowych . Materiały VII Konferencji Hamulcowej, Łódź 2004 . Garret P. : Układy analogowe w systemach cyfrowych . Warszawa, WNT 1981 . Gilbert J . : Understanding bipolar Hall effect sensors. Allegro Micro Systems Inc . Heimann B ., Gerth W., Popp K. : Mechatronika. Komponenty, metody, przykiady. Warszawa, PWN 2001 . Herner A . : Elektronika w samochodzie . Wybrane układy. Warszawa, WKL 2001 . Herner A . : Elektrotechnika i elektronika w pojazdach samochodowych . Warszawa, WKL 2002 . Holejko K . : Precyzyjne elektroniczne pomiary odlegiości i kątów WNT 1981 . Jost K . : Delphi's adaptive cruise control technology featured on Cadillac XLR . Automotive Engineering 11/2003 .

242 [29] [30] [31] [32] [33]

Literatura

Jost K. : Denso electronics aid efficiency, safety . Automotive Engineering 1/2004 . Jost K. : Siemens develops color HUD for S series . Automotive Engineering 11/2003 . Jost K., Trego L . : Advanced braking by Delphi . Automotive Engineering 6/2002 . Jurgen R. K . : Automotive Electronics Handbook . McGraw Hill, 1994 . Karczmarczyk R. : Obsługa i naprawa hamulców hydraulicznych . Praca dyplomowa wykonana pod kierunkiem A . Gajek, Politechnika Krakowska 1998 . [34] Kasedorf J . : Układy wtryskowe i katalizatory . Warszawa, WKL 1996 . [35] Kasedorf J ., Woisetschlager E . : Układy wtryskowe benzyny. Sprawdzanie i regulacja Warszawa, WKL 2000 . [36] Kolanek Cz . : Diagnostyka współczesnych silników spalinowych . Wrocław, NAVIGATOR 1996 . [37] Konopiński M . : Elektronika w technice motoryzacyjnej . Warszawa, WKL 1979 . [38] Lages U . : Laser Sensor Technologies for Preventive Safety Functions, ATAEL 2004, Parma, Italy . [39] Lapiński M., Włodarski W. : Miernictwo elektryczne wielkości nieelektrycznych . Czujniki pomiarowe. Warszawa, WNT 1970 . [40] Leen G ., Heffernan D . : Expanding automotive electronic systems . IEEE 2002 . [41] Leyko J . : Mechanika ogólna. Warszawa, PWN 1969 . [42] Materiały firmowe Fiat, 2005 . [43] Materiały firmowe Hells, 2004 . [44] Materiały firmowe Toyota, 2005 . [45] McGraw-Hill Encyclopedia ofElectronics and Computers . 2nd edition, McGraw-Hill 1988 . [46] Merkisz J ., Mazurek, S . : Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów samochodowych . Warszawa, WKL 2002 . [47] Mikroelektronika w pojazdach. Warszawa, WKL 2002, Informatory Techniczne Bosch . [48] Missalowa J ., Missals T. : Elektryczne pomiary wielkości mechanicznych . Warszawa, PWN 1971, Biblioteka Naukowa Inżyniera . [49] Myszkowski S . : Sondy lambda, cz . 1 . Auto Moto Serwis 7-8/2003 . [50] Myszkowski S . : Sondy lambda, cz . 2 . Auto Moto Serwis 9/2003 . [51] Myszkowski S . : Targi AMITEC - Lipsk 2001 . Auto Moto Serwis 6/2001 . [52] Nizioł J . : Podstawy drgań w maszynach . Kraków, Politechnika Krakowska 1996 . [53] Nowe systemy wspomagania układu kierowniczego . Auto Moto Serwis 1/2003 . [54] Obraz J . : Ultradźwięki w technice pomiarowej . Warszawa, WNT 1983 . [55] Ocioszyński J . : Zespoły elektryczne i elektroniczne w samochodach. Warszawa, WNT 1999 . [56] Olbrycht J . : Systemy kontroli ciśnienia w ogumieniu . Auto Moto Serwis 10/2003 . [57] Optical Encoders : An Emerging Measurement Tool For Automotive Systems . Texas Advanced Optoelectron, 2005 . [58] Opto-Mechatronic Systems Handbook : Techniques And Applications . Praca zbiorowa, CRC Press 2003 . [59] Patrick D . R., Fardo S . W. : Industrial Electronics, Devices And Systems . Fairmont Press Inc ., 2000 . [60] Płoski Z. : Słownik Encyklopedyczny - Informatyka . Wrocław, Wyd . Europa 1999 . [61] Poradnik inżyniera mechanika. Tom L Zagadnienia ogólnotechniczne. Praca zbiorowa, Warszawa, WNT 1968 . [62] Roliński Z . : Tensometria elektrooporowa . Warszawa, WNT 1981 . [63] Schmid D., Baumann A. i in : Mechatronika. Warszawa, REA 2002 . [64] Sensing and Control . Materiały informacyjne Honeywell, 2004 . [65] Siemieniako F., Gawrysiak M . : Automatyka i robotyka . Warszawa, WSiP 1996 . [66] Sterowanie silników o zapłonie iskrowym . Zasada działania. Podzespoły Warszawa, WKL 2002, Informatory techniczne Bosch . [67] Styburski W. : Przetworniki tensometryczne . Konstrukcja, projektowanie, uźytkowanie . Warszawa, WNT 1976 . [68] SWT- a step in the direction ofan intelligent TIRE. Materiały firmowe Continental Teves 1/2000, UK.

Literatura [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80]

243

System kontroli ciśnienia TSS - praktyczne wskazówki . Auto Moto Serwis 3/2003 . Szumielewicz B ., Słomski B ., Tyburski W. : Pomiary elektroniczne w technice. Warszawa, WNT 1982 . Śliwiński A . : Ultradźwięki i ich zastosowanie . Warszawa, WNT 2001 . Technical Information for the Collision Industry . I-CAR Advantage Online 2/2004. Trzeciak K. : Diagnostyka samochodów osobowych . Warszawa, WKL 2001 . Uklad stabilizacji toru jazdy ESP. Warszawa, WKL 2000, Informatory techniczne Bosch . Uklady bezpieczeństwa i komfortu jazdy. Warszawa, WKL 2000, Informatory techniczne Bosch . Uklady wtryskowe Unit Injector System/unit Pump System. Warszawa, WKL 2000, Informatory techniczne Bosch . Wrbanek J ., Fralick G., Hwang D . : New air-mass-flow sensor . NASA Glenn Research Center 2003 . Wróblewski A ., Zakrzewski J ., Wstęp do fizyki. Tom 1 . Warszawa, PWN 1984 . Zawadzki J ., Trzeciak K . : Diagnozowanie nowoczesnych silników . Poradnik Serwisowy 2/2002 . Ziętek B . : Optoelektronika. Toruń, Wydawnictwo UMK 2005 .

Strong internetowe i dokumenty elektroniczne [81] Adaptive airbags . wwwautolivcom. [82] Adaptive Cruise Control - ACC . wwwkfztech .de/kfztechnik/sicherheit/acc.htm . [83] Adaptive Cruise Control (ACC) . rb- .bosch.de/de/startA_Prod index kt2.html. [84] Adaptive Cruise Control System . h ttp ://wwwglobaldensoproducts.com/dcslaccs/oraz wwwdenso.cojp : Denso Technical Review Vol . 12, No . l : K . Takagi, K. Morikawa, T. Ogawa, M . Saburi : Road Environment Recognition Using On-vehicle LIDAR [85] ADC converters . wwwallaboutcircuits.co m . [86] Advanced automotive accessories, backup sensors . Sigma Automotive . w ww.sigmaautomotive.com . [87] Air Flow Meter (hot wire) waveform notes . Pico technology. wwwpicotech.co m. [88] (The) Basics Of Fiber Optic Cable . ARC E lectronics . wwwarcelect.com/jibercable.htm. [89] Cittadine A . : MEMS Reshapes Ultrasonic Sensing. wwwsensorsmag.co m . [90] Design and Manufacture of Magnetic Sensors . AHS Advanced Hall sensors Ltd . www: ahsltd. com . [91] Dwustanowa sonda lambda . wwwzss .plL oraz wwwauto-online.com .p l. [92] Electronic Components . OMRON . wwweurope.omron.co m . [93] Electronic Throttle Control . www a uto-solve.co m. [94] Elektronika i automatyka . wwwauto-online.p l. [95] Flood J . : Ultrasonic Flowmeter Basic . www.sensorsmag.com . [96] Generation of motion by piezo electrical devices . Piezomechanik GmbH Miinchen, Germany . www piezomechanik. co m . [97] Hall effect sensors . Micronas Semiconductor Holding AG . w wwmicronas.co m . [98] Honda Completes Development of ASV -3 Advanced Safety Vehicles . world.honda.com/news/2005/cO5O9O2 .html . [99] Khazan A . : Transducers and their elements - Ultrasonic flow meter. Prentice Hall PTR National Instrument Developer Zone. wwwzone.ni.com . [100] Massa D . P. : Choosing an Ultrasonic Sensor for Proximity or Distance Measurement . www.sensorsmag.com . [101] Maszyny e lektryczne . Selsyny. wwwinteria.pl/selsyny. [102] Measuring Strain with Strain Ganges, Deposited Metal Strain Gages, Semiconductor Strain Gauges, Integrally Diffused Strain Gage . National Instruments, NI Developer Zone . wwwzone .ni .co m. [103] MicroChemical Systems -MiCS . Materiały i nformacyjne . wwwmicrochemical.co m . [104] NTC t hermistors . wwwthennometrics.com . [105] OBD II, Automex . wwwobdii .com.p l.

244

Literatura

[106] Oxygen Sensors FAQ . Bosch Advanced Ceramic Technology. wwwboschusa .com. [107] Piezoelectricity. APC International Ltd ., wwwamericanpiezo.com . [108] Proximity sensors - Introduction . Allen-Bradley.www.ab .com. [109] PTC thermistors. wwwthermistors .com . [110] Roveti D . K. : Humidity Sensor: A review of three Technologies . Materiały firmowe Ohmic Instruments Co. w ww.sensorsmag.com. [111] Sensors Online M agazine . wwwsensorsmag.com/articles/1201/40/main .shtm L [112] Sondas Lambda: Dioxido de Titanio Sonda de Circonio. www c entras5. cnice. mecd. es/auto/Apuntes. htm . [113] (The) Strain G auge. wwwomega .com. [114] Temperature Data logger. Advanced Instrumentation Group. wwwaigproducts .co m. [115] Termoanemometr. wwwelektro.interia .pl. [116] Thermocouple application note . Pico t echnology. wwwpicotech.com . [117] (The) Thermocouple Effect . w ww.oregonstate.edu. [118] Thermocouple Technical Reference Data . wwwinstservcom . [119] Toyota Adds Low-speed Range to Radar Cruise Control . wwwjapanesecarfans.com/news .cfm/newsid/2040324.013/toyota/l .html. [120] Toyota Motor Sales . USA . www autoshop101 .com. [121] Transducers and their elements - Hall effect accelerometer. National Instruments, NI Developer Zone . wwwzone .ni.com. [122] Ultrasonic Detections and Control Applications. wwwmigatron .com . [123] Ultrasonic Technology . Migatron Corp. wwwmigatron .com . [124] Using Thermistors in Temperature Tracking Power Supplies . www.maxim- ic.com . [125] Wafeforms . Materiały firmowe PICO Technology Limited . wwwpicotech .com/auto/waveforms . [126] Wymiana informacji w sieci CAN . wwwsiemens.de/semiconducto r. [127] Yaw rate sensor YRS2, 2006 . wwwmotosport.bosch.co m . [128] Zjawisko Dopplera . Encyklopedia W IEM . wwwwiem .onet.pl.



MICHAIRINIKA v SAMOCHODOWA Mechatronika samochodowa to szybko rozwijająca się interdyscyplinarna dziedzina techniki motoryzacyjnej, a także nowy, przyszłościowy kierunek kształcenia techników i inżynierów . Łączy w sobie elementy mechaniki, elektroniki, automatyki i informatyki . W inaugurującej cykl „Mechatronika samochodowa" książce „Czujniki" przedstawiono :

• podstawy teorii i metodologię pomiaru sygnałów ; • zasadę działania, budowę i zastosowania czujników indukcyjnych, hallotronowych, potencjometrycznych, termistorowych, termoelektrycznych, masowego natężenia przepływu, tensometrycznych, pojemnościowych, piezoelektrycznych, ultradźwiękowych, radarowych, lidarowych, fotoelektrycznych i elektrolityczne-rezystancyjnych ; • rozwiązania konstrukcyjne czujników stosowanych we współczesnych pojazdach samochodowych .

Wydawnictwa f'Komunikacji i L`Wz Or vli vwwkl.com .pi