Czujniki Mechatronika Samochodowa - Andrzej Gajek, Zdzisław Juda

1

11 li

~ 111 Ilidilijliii 1,1

~1 iloflh El

0

0 Andrzij GajEk

Czujniki Zdzislaw Juda

Opiniodawcy : proff nzw. dr hab . inż . Andrzej Piętakdr. inż . Michał Bartyś

Konsultant : proff dr hab. inż . Stanisław RadkowskiProjekt okładki i stron tytułowych : Dariusz LitwiniecRedaktor : Jacek LęgiewiczRedakcja techniczna i korekta : Alicja Pietrzak

Podręcznik akademicki opisujący zasadę działania, budowę i rodzaje czujników stosowa-nych w pojazdach samochodowych. Zawiera podstawowe informacje o pomiarach (poję-cia i definicje, sygnały pomiarowe, elementy toru pomiarowego, przetwarzanieanalogowe-cyfrowe i cyfrowo-analogowe) oraz o czujnikach indukcyjnych, hallotrono-wych, potencjometrycznych, termistorowych, termoelektrycznych, masowego natężeniaprzepływu, tensometrycznych, pojemnościowych, piezoelektrycznych, ultradżwiękowych,radarowych, lidarowych, fotoelektrycznych i elektrolityczne-rezystancyjnych .

E > %>

om

rr i% w gkm

Spis treści

Wykaz ważniejszych oznaczeń 7

Wstęp 9

1.

Sygnały pomiarowe 11

1 .1 .

Pojęcia i definicje w pomiarach 111 .2 .

Cechy charakterystyczne pomiarów 131 .3 .

Kondycjonowanie sygnału 161 .4 .

Próbkowanie sygnału analogowego 191 .5 .

Elementy toru pomiarowego 20

2.

Przetwarzanie analogowe-cyfrowe i cyfrowo-analogowe22

2.1 .

Uwagi ogólne 222.2 .

Przetworniki analogowe-cyfrowe 232.3 .

Przetworniki cyfrowo-analogowe 322.4 .

Integracja czujników 34

3.

Czujniki indukcyjne 37

3 .1 .

Zasada działania i odmiany konstrukcyjne 373 .2 .

Rodzaje i zastosowania czujników indukcyjnych50

4.

Czujniki hallotronowe 624.1 .

Zasada działania i rodzaje 624.2 .

Zastosowania czujników hallotronowych 68

5.

Czujniki potencjometryczne 815 .1 .

Zasada działania 815 .2 .

Zastosowania czujników potencjometrycznych 82

6.

Czujniki termistorowe 95

6.1 .

Zasada działania 956.2 .

Zastosowania czujników termistorowych 100

7.

Czujniki termoelektryczne (termopary) 103

7.1 .

Zasada działania 1037.2 .

Rodzaje i charakterystyka termopar 104

Literatura 241

(> Spcs treści

8. Czujniki masowego natężenia przepływu (termoanemometry) 108

8 .1 . Zasada działania 1088.2 . Rodzaje i zastosowania termoanemometrów 110

9. Czujniki tensometryczne 120

9.1 . Zasada działania 1209.2 . Zastosowania czujników tensometrycznych 131

10 . Czujniki pojemnościowe 137

10.1 . Zasada działania 13710.2 . Zastosowania czujników pojemnościowych 137

11 . Czujniki piezoelektryczne 147

11 .1 . Zasada działania 14711 .2 . Zastosowania czujników piezoelektrycznych 151

12 . Czujniki ultradżwiękowe 164

12 .1 . Zasada działania 16412.2 . Zastosowania czujników ultradźwiękowych 169

13 . Czujniki radarowe i lidarowe 175

13.1 . Zasada działania radaru i lidaru 17513 .2 . Zastosowanie radaru Dopplera do pomiaru prędkości i drogi 18113 .3 . Zastosowanie czujników radarowych i lidarowych w układzie

adaptacyjnej regulacji prędkości jazdy ACC 18313 .3 .1 . Budowa i działanie układu ACC 18313 .3 .2 . Przykłady rozwiązań układów ACC 185

14 . Czujniki fotoelektryczne (optyczne) 194

14 .1 . Zasada działania czujników optoelektronicznych i światłowodowych 19414.2 . Wykorzystanie optoelektronicznych zasad pomiaru w mechatronice 20214.3 . Zastosowania czujników optoelektronicznych 207

15 . Czujniki elektrolityczne-rezystancyjne 216

15 .1 . Zasada działania 21615 .2 . Rodzaje i zastosowania czujników elektrolityczne-rezystancyjnych218

Wykaz ważniej szych oznaczeń

A

amplituda drgańaA

przyspieszenie bezwzględne punktu Aac

przyspieszenie Coriolisaae

- przyspieszenie unoszeniaar

przyspieszenie względneaX

przyspieszenie wzdłużneB

indukcja pola magnetycznego w ośrodku o przenikalnościmagnetycznej względnej u r

B o

indukcja pola magnetycznego w próżni•

pojemność kondensatorac

- sztywność elementu sprężystego•

- współczynnik dyfuzji tlenu•

moduł Younga•

natężenie oświetleniaEu

ilość energii wypromieniowanej/pochłoniętejEe

potencjał elektrochemiczny półogniwaE S

siła elektromotoryczna samoindukcjiEt1,2

- potencjał elektrody ogniwa względem elektrolituF

- stała FaradayaP~ F - siła działająca na czujnikJ

częstotliwość falif

częstotliwość próbkowaniar

I

natężenie prąduIU

- natężenie pola ultradżwiękowegok

stała tłumieniak,

- stała tensometru•

- indukcyjnośćl

długość przewodum

moment siłMSG - masa gazu suchegoM, - masa cząsteczkowa wodym

- masa•

- moc pochłaniana lub wydzielanap

ciśnienie mierzonepS

ciśnienie pary wodnej w punkcie rosypx,

- ciśnienie cząstkowe pary wodnejQ

ładunek elektrycznyQC

ilość ciepła przepływającego przez przekrój SQm

masowy wydatek powietrza

8

Wykaz ważniejszych oznaczeń

R

- rezystancja elementu ; stała gazowa; współczynnik odbicia faliakustycznej

RE

- rezystancja fotorezystoraRH

współczynnik HalliR e

liczba ReynoldsaRN

- reluktancja (opór magnetyczny)S

przekrój poprzeczny solenoidu/przewodu,s

przebyta drogaSEM - siła elektromotoryczna ogniwaT

temperatura,•

napięcie prądu•

napięcie Halliv

- prędkośćvA

prędkość bezwzględna punktu Avo

prędkość środka masyve

- prędkość unoszeniavY

prędkość względna•

oporność falowa akustycznaZ

impedancja uzwojeń solenoiduz

- liczba zwojów solenoidua

przemieszczenie kątowe•

zmiana częstotliwościOl

przyrost długościAR

przyrost rezystancjaOT

przyrost temperaturys

względne odkształcenie wzdłużneso

przenikalność elektryczna próżnie,

przenikalność elektryczna względna dielektrykiEr

względne odkształcenie poprzecznedługość fali ; współczynnik składu mieszanki (nadmiaru powietrza)

1

przewodność cieplnaµ o

przenikalność magnetyczna próżni, bezwzględnapr

przenikalność magnetyczna względna materiału ; pY = BIBO

v

współczynnik Poissonap

rezystywność przewoduu

naprężenie w punkcie pomiarowym•

strumień indukcji magnetycznej<PL

strumień świetlny•

wilgotność względna2, w - częstość kątowa/prędkość kątowa00

częstość drgań własnych

Wstęp

Współczesny samochód jest systemem technicznym budowanym przy wykorzysta-niu najnowszych osiągnięć wielu dziedzin nauki, a przede wszystkim mechaniki i bu-dowy maszyn, elektrotechniki, elektroniki, informatyki oraz chemii . Synteza tychnauk w systemach technicznych odbywa się na zasadach równoprawnych, to znaczybez dominacji którejkolwiek z dyscyplin podstawowych (rys. 0-1) . Jest to cecha cha-rakterystyczna mechatroniki, nowej gałęzi wiedzy technicznej . Integruje ona osiąg-nięcia dyscyplin podstawowych, czego efektem praktycznym są inteligentne systemymechatroniczne .

Pojęcie „mechatronika" (z ang . mechatronics) powstało w 1969 r. w Japonii i pier-wotnie opisywało związek dwóch dyscyplin naukowych : mechaniki (z ang. mecha-nics) i elektroniki (z ang . electronics) . Obecnie mechatronika, jako nauka inżynierska,ma charakter interdyscyplinarny i obejmuje następujące podstawowe dziedziny wie-dzy: mechanikę techniczną, konstrukcję i budowę maszyn, automatykę, elektrotech-nikę i elektronikę oraz informatykę .

Szczególnie intensywny rozwój systemów mechatronicznych nastąpił w kon-strukcji pojazdów samochodowych. Silnik wraz z osprzętem, automatyczna skrzyniabiegów, zawieszenie aktywne i układ kierowniczy, układ hamulcowy z ABS, układ dy-namicznej stabilizacji toru jazdy ESP czy układy oświetlenia to systemy typowo me-chatroniczne. Ich cechą charakterystyczną jest integracja zespołów mechanicznychz czujnikami i sterowanymi komputerowo aktuatorami' .

Rozwój układów sterowanych komputerowo niejako wymusił konieczność wpro-wadzenia nowych metod łączności między poszczególnymi sterownikami oraz spo-sobów przekazywania informacji od pojedynczych czujników do kilku odbiornikówwykorzystujących te informacje . Nastąpił intensywny rozwój samochodowych siecitransmisyjnych . Budowa tych sieci, zasady przesyłania danych, rodzaje połączeńi ich właściwości to dział wiedzy, który rozwija się szczególnie intensywnie .

* Aktuator (z ang. actuator) - element wykonawczy uruchamiający układ mechaniczny, np . siłownikelektromagnetyczny, silnik krokowy, zawór sterowany elektromagnetycznie itp .

1 0 If . tęp

INFORMATYKA

UKLADYCYFROWE

ELEKTRONIKA

STEROWANIECYFROWE

iridi ik"

~~Nkkll>SYSTEMYELEKTRO-

MECHANICZNE

AUTOMATYKA

SENSORYI

AKTUATORY

MECHANIKA

Rys . 0-1 . Mechatronika jako systemrównoprawnych dziedzin naukpodstawowych: mechaniki,elektroniki, automatyki i informatyki

Niniejszy podręcznik ma na celu zapoznanie czytelnika z wybranymi działamimechatroniki samochodowej, a mianowicie :

- metodami pomiaru sygnałów,- czujnikami (sensorami) stosowanymi w pojazdach samochodowych .Mechatroniczne sterowanie układami pojazdu wymaga dostarczenia do sterow-

ników wielu informacji, które są uzyskiwane w wyniku zastosowania czujników róż-nej konstrukcji . Główne wielkości fizyczne mierzone w mechatronice samochodowejto: masowy przepływ zasysanego przez silnik spalinowy powietrza (strumień masy),koncentracja tlenu w spalinach, kątowe położenie przepustnicy lub pedału przyspie-szenia, kątowe położenie wału korbowego, prędkość kątowa/obrotowa wału korbo-wego, temperatura silnika (płynu chłodzącego), temperatura powietrza zasysanego,ciśnienie bezwzględne w układzie dolotowym silnika, różnicowe ciśnienie gazówspalinowych, prędkość kątowa kół i prędkość pojazdu, przyspieszenie wzdhi2ne po-jazdu, przyspieszenie poprzeczne pojazdu, kąt obrotu pojazdu wokół osi pionowej, pa-rametry środowiska (temperatura otoczenia, wilgotność), odległość pojazdu od innychobiektów i in.

W podręczniku omówiono podstawy fizyczne pomiaru tych sygnałów, metodypomiarowe oraz rozwiązania czujników stosowanych w technice samochodowej .

Podręcznik przeznaczony jest dla studentów wydziałów mechanicznych poli-technik, szczególnie o specjalności samochodowej, uczniów techników samochodo-wych oraz pracowników serwisów samochodowych, diagnostów i pracownikówośrodków badawczych. Informacje zawarte w podręczniku mogą być również przy-datne dla studentów o specjalności „automatyka i robotyka" .

Autorzy dziękują Panu mgr. inż . Stanisławowi Wąsikowi za przygotowanie czę-ści materiału ilustracyjnego wykorzystanego w podręczniku .

Sygnały pomiarowe

11 .1 . Pojęcia i definicje w pomiarach

Pomiar jest zbiorem operacji mających na celu wyznaczenie wartości wielkościmierzonej. Pomiary dokonywane przy zastosowaniu sensorów polegają na zamia-nie wielkości fizycznej X na wielkość elektryczną Y przy zachowaniu informacjio wielkości mierzonej . Nową wielkość Y, którą otrzymujemy w wyniku tego pro-cesu, nazywamy sygnałem pomiarowym . W systemach sterowania sygnał po-miarowy jest definiowany jako zbiór wartości wielkości fizycznej mierzonejw funkcji czasu . Sygnał pomiarowy może mieć przebieg ciągły (analogowy) lubdyskretny (spróbkowany, skwantowany, cyfrowy) .

Sygnał analogowy ciągły (z ang . analog signal) jest to funkcja czasowa pew-nej wielkości fizycznej, której dziedziną jest każdy punkt określonego przedziałuna osi czasu t, a przeciwdziedziną zbiór wartości sygnału {x(t)} zmierzonych wkażdej chwili czasu (rys . 1-1) . Sygnały ciągłe charakteryzują się nieskończonąliczbą wartości .

Sygnał dyskretnyjest także zbiorem wartości wielkości fizycznej, ale dziedzinątej funkcji jest skończony zbiór liczb całkowitych 11,2, . . .n}, a przeciwdziedzinązbiór wartości sygnału {x(n)}, zmierzonych w kolejnych krokach (punktach) pomia-rowych n . Zbiór wartości sygnału dyskretnego {x(n)} charakteryzuje się skończonąliczbą wartości wielkości mierzonej (rys . 1-2) . Specyficzna postać sygnału dyskret-nego, taka, gdzie dziedziną jest skończona liczba kroków (punktów) pomiarowych n,a przeciwdziedziną skończona liczba określonych, równoodległych wartości y ;, na-zywa się sygnałem skwantowanym (rys . 1-3a). Wartości {y l , . . .yn } reprezentują po-szczególne przedziały zbioru wartości analogowej {X} (rys. 1-4) . Liczba wartości y,tworzy zbiór skończony . Jeżeli wartościowy, przyporządkuje się liczby binarne, to takisygnał jest sygnałem cyfrowym (rys. 1-3b), przy czym każdej wartości sygnału y,,można przypisać specyficzne słowo binarne N-bitowe wtedy, kiedy liczba elemen-tów zbioru nie jest większa niż 2N. Sygnał cyfrowy (z ang . digital signal) jest binarnąreprezentacją sygnału fizycznego .

12

X(t)

"W

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

X1

X2

X3

X4

Y1

Y2

Y3

Xn-2 Xn-1

Xn

Sygnały pomiarowe

Yn-2 Yn-1

Yn

bx[n]

111110101100Oil010001000

Xn+1

Rys. 1-1 . Przykład sygnału analogowego

Rys. 1-2 . Przykład sygnału dyskretnego

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

Rys . 1-4. Zasada kwantyzacji sygnału

Konwersja analogowego sygnału pomiarowego (np . w postaci napięcia elek-trycznego lub prądu), czyli zamiana na postać cyfrową, może być zrealizowana nawiele sposobów. Podstawowym problemem jest wystarczająco dokładne odwzo-rowanie nieskończonego zbioru wartości sygnału analogowego poprzez skończonyzbiór wartości dyskretnych . Kwantyzacja polega na wyróżnieniu w nieskończo-nym zbiorze wartości analogowych sygnału {X}, takiego zbioru skończonego {Y}o N elementach, który z pewną dokładnością będzie reprezentował wszystkie war-tości zbioru nieskończonego . Wszystkim wartościom z kolejnych przedziałów [x .,x .+1 ] przypisuje się reprezentację poprzez wartości yi (rys . 1-4) . Przykładowo, war-tość Y2 reprezentuje wszystkie wartości z przedziału [x2, x3] . Relacje pomiędzy war-tościami x . oraz y i spełniają warunek :

xi<Y i < X- 1

i=1,2n,n+l

(1 .1)

10 100

Pojęcia i definicje w pomiarach

13

Z kolei sygnał skwantowany może być przedstawiony w postaci cyfrowej . War-tościom y , będą wtedy odpowiadać unikalne liczby kodowe . W przypadku kodo-wania binarnego każdej wartości y, ze zbioru Y, przypisane będzie unikalne słowobinarne o długości N-bitów pod warunkiem, że liczebność zbioru Y jest nie więk-sza niż 2" elementów. Przetwarzanie sygnałów analogowych na postać cyfrowąjest realizowane przez przetworniki analogowe-cyfrowe .

1 .2. Cechy charakterystyczne pomiarówPasmo przenoszenia (określane w Hz) jest zakresem częstotliwości, wewnątrzktórego wielkość wejściowa (sygnał pomiarowy) może być przesyłana przez ele-ment toru pomiarowego bez znaczącego osłabienia (stłumienia) sygnału . Dolnąi górną granicę pasma przenoszenia wyznaczają częstotliwości, przy których tłu-mienie sygnału pomiarowego wyrażone zależnością (1 .2) wynosi 3 dB.

-3 dB = 20 logĆlppwy

(1 .2)

Uppwe

gdzie :

UPWY -napięcie wyjściowe (z ang . peak-to-peak),

Upwe- napięcie wejściowe (z ang . peak-to-peak) .

Przykład pasma przenoszenia w zakresie częstotliwości od 0 Hz do około200 kHz przedstawiono na rysunku 1-5 .

1000f [kHz] Rys. 1-5 . Przykład pasma przenoszenia

Zakres pomiarowy jest to przedział wartości wielkości wejściowej, którymoże być odwzorowany w standardowym przedziale wielkości wyjściowej (np .0 . . .5 VDC , 0 . . .20 mADd. Inaczej mówiąc, jest to różnica pomiędzy maksymalną iminimalną wartością mierzonej wielkości .

Rozdzielczość pomiaru w cyfrowym systemie sterowania wynika z ilościbitów użytych do przetwarzania analogowe-cyfrowego sygnału . Ten parametrokreśla, jak blisko siebie mogą być usytuowane dwie wartości pomiarowe, abymogły być rozróżniane w sygnale przetworzonym (wyjściowym) jako dwie różnewartości. Na przykład dla standardowego przedziału wielkości wyjściowej od 0do 5 V, przy przetwarzaniu 8-bitowym przetwornikiem analogowe-cyfrowym dys-ponujemy 256 liczbami binarnymi : 2N = 2 1 = 256. W związku z tym rozdzielczośćpomiaru napięcia przy konwersji tej wielkości analogowej do postaci cyfrowej

[dB]50

-5 -3 dB

-10-20-30

14

Sygnaty pomiarowe

wynosi256 •5V =19,5 mV. Sygnał napięciowy może być odwzorowany poprzez

jeden z 256 poziomów. Dla przetwornika 12-bitowego będzie to odpowiednio 2 12liczb binarnych, czyli 4096 poziomów napięciowych . Rozdzielczość przetwornikaanalogowe-cyfrowego powinna być skorelowana z rozdzielczością pomiarowączujnika. Zastosowanie zbyt dużej rozdzielczości przetwarzania analogowe-cyf-rowego w odniesieniu do rozdzielczości czujnika nie daje w rezultacie zwiększe-nia dokładności pomiaru, a wprowadza możliwość ucyfrowienia zakłóceń sygnałuw postaci szumu wysokiej częstotliwości .

//1//////////////////I∎∎/iłii•. MEE∎∎∎∎fiI/∎/,~/∎∎∎∎∎∎∎∎∎\!∎∎∎∎∎∎∎∎∎∎∎K

mmmmmmm/////, J~

n

Rys. 1-6. Przykład rozdzielczości pomiarucyfrowegoa - rozdzielczość 3-bitowa,b - rozdzielczość 4-bitowa

Czułość pomiaru jest definiowana jako stosunek zmiany wartości sygnału nawyjściu do zmiany wartości sygnału na wejściu elementu toru pomiarowego . Wprzypadku czujników cyfrowych czułość jest ściśle związana z rozdzielczością.Czułość czujnika może być stała w pewnych przedziałach wartości wejściowychi zmieniać się przy rozpatrywaniu pełnego zakresu pomiarowego .

Dokładność pomiaru jest to różnica pomiędzy wartością zmierzoną a warto-ścią oczekiwaną mierzonej wielkości i jest wypadkową wszystkich błędów wy-stępujących w procesie pomiaru . Dokładność pomiaru powinna być o rządwielkości wyższa od dokładności nastawczej aktuatora (elementu wykonawczego)stosowanego w systemie sterowania .

Powtarzalność pomiaru oznacza zdolność do wytwarzania takich samych (po-wtarzalnych) sygnałów na wyjściu czujnika dla takich samych wartości na wej-ściu. Skutki wystąpienia błędu powtarzalności pomiaru eliminuje się poprzezuśrednianie wyników kilku pomiarów .

c

e

Y2

X2

Cechy charakterystyczne pomiarów

15

Błędy statyczne pomiarów są wynikiem nieidealnych charakterystyk elemen-tów toru pomiarowego.

Do najczęściej występujących błędów statycznych należą :- bląd nieliniowości (rys. 1-7a). Charakterystyka czujnika lub innego elementu

toru pomiarowego nie jest idealnie liniowa . Stosunek szerokości pola tolerancji,

Rys . 1-7. Błędy statyczne pomiarówa - błąd nieliniowości,b - błąd nachylenia - zmiany czułości,c - błąd przesunięcia zera,d - błąd histerezy,e - błąd dryftu czasowego,

li)

Sygnały pomiarowe

w którym mieści się charakterystyka rzeczywista do pełnego zakresu wyznaczabłąd liniowości . Skutki tego błędu są usuwane najczęściej poprzez numeryczną li-nearyzację charakterystyk .

- błąd zmiennej czułości (rys . 1-7b) . Nachylenie charakterystyki zmienia sięna skutek oddziaływania czynników zewnętrznych (np . temperatury), lub procesustarzenia materiału . Zmiana czułości wynosi :

OC1- yl -yz lub OC

3 -.Y3- yz

(1 .3)XZ

Xz

- błąd przesunięcia poziomu zerowego (rys . 1-7c) . Charakterystyka przesuwasię równolegle na skutek wpływu czynników zewnętrznych . Najczęściej błąd ten(y l-v2 lub Y3-y2) jest wywołany zależnością sygnału pomiarowego od temperatury .Jeżeli zależność ta jest znana jako tzw. dryft temperaturowy, to eliminacja wpływutego błędu na wynik pomiaru jest realizowana poprzez układy kompensacji tem-peraturowej . W perspektywie długookresowej przyczyną błędu przesunięcia zeramoże być proces starzenia materiału .

- błąd histerezy (rys . 1-7d) . Sygnał wyjściowy jest uzależniony od kierunkuzmian wielkości wejściowej . Zjawiska histerezy są fizycznie powiązane z groma-dzeniem i/lub przetwarzaniem energii, np . dyssypacją energii przez tarcie lub prze-kształceniem energii pola elektrycznego na magnetyczne albo odwrotnie .

- błąd di ftu czasowego (rys . 1-7e) . Z upływem czasu trwania pomiaru cha-rakterystyka przesuwa się równolegle (pełznie), zafałszowując wielkość wyj-ściową .

1 .3 . Kondycjonowanie sygnałuSygnał pomiarowy uzyskany z czujnika może mieć taką amplitudę, że możliwejest jego dalsze przetwarzanie bez dodatkowych operacji wzmacniających bądźtłumiących . Jeżeli jednak pierwotny sygnał pomiarowy wymaga takich działań,stosuje się wówczas układy kondycjonowania (opracowywania, formowania)sygnału . Większość znanych czujników do pomiarów wielkości fizycznych wy-maga zastosowania różnych metod kondycjonowania sygnału . Układy te przy-gotowują sygnał tak, aby mógł być prawidłowo przetworzony na postać cyfrową .Do częstych przypadków, które wymagają zastosowania jakiejś metody kondy-cjonowania należy zniekształcenie sygnału przez tzw . szum, który traktować na-leży jako zakłócenie (szum elektroniczny, a nie akustyczny) . Użycieodpowiednich filtrów pozwala na usunięcie szumu z użytecznego spektrum syg-nału. Zmierzony sygnał może być zbyt słaby i wówczas wymagane są układywzmacniające, lub odwrotnie - zbyt silny sygnał musi być stłumiony . Do metodkondycjonowania sygnału zalicza się także galwaniczne odseparowanie dwóchczęści toru pomiarowego, najczęściej polegające na optoelektronicznym od-dzieleniu obwodu wejściowego od obwodu wyjściowego . Zmierzony sygnałmoże wymagać opracowania przy użyciu metod liniowych, metod nieliniowychlub kombinacji obydwu typów .

Do liniowych metod opracowywania sygnału zalicza się m .in. skalowanie am-plitudy. Jest to bardzo typowa operacja kondycjonowania sygnału, sprowadzającasię do wzmacniania lub tłumienia . Wzmacnianie sygnału może być dokonywanepoprzez zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych pomiarowych lub izolacyjnych .

Wzmacniacz operacyjny charakteryzuje się różnicowym wejściem i pojedyn-czym wyjściem (rys . 1-8a) . Idealny wzmacniacz operacyjny cechują : nieskończe-nie duży współczynnik wzmocnienia, nieskończenie szerokie pasmo przenoszenia,nieskończenie wysoka impedancja wejść różnicowych, a także zerowa impedan-cja wyjściowa . Parametry rzeczywistych wzmacniaczy operacyjnych odbiegają odidealnych. Wysoka impedancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego powoduje,że prąd wejściowy ma bardzo małą wartość i w związku z tym napięciowy sygnałpomiarowy doprowadzony na wejście wzmacniacza nie ulega zniekształceniu .

a

bWejście

odwracające

c

Uwe

Kondycjonowanie sygnatu

1%

Rys. 1-8 . Wzmacniacz operacyjnya - symbol ogólny, b - komparator,c - przerzutnik Schmitta

Klasyfikację wzmacniaczy stosowanych w systemach pomiarowych przepro-wadza się z różnych punktów widzenia : rodzaju sygnału (ładunek, napięcie, prąd),pasma częstotliwości (szerokopasmowe, selektywne), struktury obwodów wej-ściowych (wejścia symetryczne, jednokońcówkowe) .

Spośród szerokiej grupy scalonych wzmacniaczy operacyjnych do kondycjo-nowania sygnałów pomiarowych najczęściej stosuje się elementy należące do jed-nej z poniższych kategorii :

- wzmacniacze niskoszumowe, stosowane do wzmacniania bardzo słabych syg-nałów ;

- wzmacniacze stabilizowane z przetwornikiem chopper, stosowane przy po-miarach sygnałów wolnozmiennych lub stałych, w których dla wyeliminowania

18

Sygnahv pomiarowe

pełzania punktu zerowego stosuje się metodę okresowego zwierania i rozwieraniaobwodu pomiarowego, co w rezultacie przetwarza napięcie stałe sygnału na na-pięcie przemienne; są to rozwiązania z dwoma wzmacniaczami - głównym orazpomocniczym, który realizuje funkcję choppera ;

- szybkie wzmacniacze operacyjne ;- wzmacniacze mocy, stosowane wówczas, kiedy wyjście wzmacniacza jest

obciążane prądem o wartościach wyższych od kilkunastu mA ;- wzmacniacze elektrometryczne, stosowane wówczas, gdy wymagana jest bar-

dzo wysoka impedancja wejściowa (np . pomiary przy użyciu sensorów piezoe-lektrycznych) .

Z punktu widzenia zastosowania wzmacniaczy operacyjnych w systemach po-miarowych można je podzielić na pomiarowe i izolacyjne .

Wzmacniacze pomiarowe są układami tworzonymi dla uzyskania bardzo wyso-kich impedancja wejściowych, dużych i stabilnych wzmocnień oraz niskich impe-dancji wyjściowych i są przeznaczone do wzmacniania słabych sygnałów z różnegotypu czujników. Wzmacniacze pomiarowe budowane są na bazie wzmacniaczy ope-racyjnych, ale zawierają rozbudowane układy sterowania, takie, jak układ progra-mowalnego współczynnika wzmocnienia . Wzmacniacze izolacyjne są stosowanetam, gdzie mogą występować niebezpieczne poziomy napięć, lub tam, gdzie możewystąpić szkodliwe oddziaływanie układu pomiarowego na obiekt pomiaru .

Układy liniowego kondycjonowania (opracowania) sygnału obejmują równieżoperacje tłumienia, filtracji oraz linearyzacji .

Tłumienie sygnału występuje rzadziej niż wzmacnianie, ale często jest ko-nieczne w celu dostosowania poziomu napięć czy prądów do wymogów toru po-miarowego. Do skalowania sygnałów napięciowych stosuje się dzielniki napięciatypu rezystancyjnego, pojemnościowego lub indukcyjnego, a także transforma-tory. Do skalowania sygnałów prądowych stosuje się boczniki lub przekładnikiprądowe .

Filtracja w układach kondycjonowania sygnału obejmuje operacje :- eliminacji szumu zniekształcającego sygnał,- ograniczania szerokości pasma przenoszenia,- eliminacji zjawiska aliasingu .Zastosowane filtry mogą mieć strukturę pasywną lub aktywną .Linearyzacja stosowana jest wówczas, gdy wymagana jest liniowa zależność

sygnału od wielkości mierzonej .W metodach nieliniowych kondycjonowania sygnału stosuje się następujące

układy elektroniczne :Komparator-układ dwuwejściowy, w którym na wyjściu mogąwystąpić dwa

poziomy napięć (rys . 1-8 b) : niski („0" logiczne), jeśli napięcie na wejściu nieod-wracającymjest niższe od napięcia na wejściu odwracającym, oraz wysoki („1" lo-giczne), jeśli napięcie na wejściu nieodwracającym jest wyższe od napięcia nawejściu odwracającym [5] :

uwy= „ 1"jeśli U < UZ

(1 .4a)Uwy ="O" jeśli U > U

(1 .4b)

Przerzutnik Schmitta - układ bazujący na komparatorze i wykorzystujący his-terezę poprzez włączenie dodatniego sprzężenia zwrotnego (rys . 1-8c). Podczasnarastania sygnału, po przekroczeniu określonej wartości progowej, układ przełą-cza skokowo stan wyjścia na wysoki, a podczas zmniejszania sygnału podobnieprzełącza stan wyjścia z wysokiego na niski . Poziomy napięć progowych przy na-rastaniu i opadaniu różnią się od siebie (histereza) . Przerzutnik Schmitta służy doprzekształcania wolnozmiennych sygnałów analogowych na sygnały prostokątneo standardowej amplitudzie .

Układ mnożący-napięcie na wyjściu dwuwejściowego układu mnożącego jestproporcjonalne do iloczynu napięć wejściowych .

Układ dzielący- napięcie na wyjściu dwuwejściowego układu dzielącego jestproporcjonalne do stosunku napięć wejściowych .

Wzmacniacz logarytmiczny - napięcie na wyjściu wzmacniacza logarytmicz-negojest proporcjonalne do logarytmu napięcia wejściowego .

Wzmacniacz z układem próbkująco pamiętającym - układ próbkujący napię-cie wejściowe, przetrzymujący próbkę przez określony czas i przekazujący próbkędo dalszego przetwarzania .

1.4. Próbkowanie sygnału analogowegoCzęstotliwość próbkowania (z ang . sampling rata) określa, jak często następujepomiar sygnału analogowego (czyli próbkowania sygnału) w celu przetwarzaniana postać cyfrową . Wyższa częstotliwość próbkowania oznacza więcej pomiaróww danym czasie, co skutkuje zwiększeniem dokładności odwzorowania sygnałuanalogowego . W skrajnym przypadku sygnał spróbkowany z nieskończenie wy-soką częstotliwością dąży do sygnału analogowego . Zwiększanie częstotliwościpróbkowania powyżej wymaganej podwyższa koszty, m . in. z uwagi na większezapotrzebowanie na pamięć .

Częstotliwość próbkowania musi być skorelowana z wymaganiami odnośniedokładności odtwarzania i zasadą Nyquista . Zasada Nyquista mówi, że dla ogra-niczonych pasm częstotliwościowych sygnał analogowy o maksymalnej częstot-liwości fmax musi być próbkowany z częstotliwością f co najmniej dwukrotniewyższą od fmax'

f i 2 fmax

Kondycjonowanie sygnału

19

(1 .5)

Jeżeli ten warunek jest spełniony, sygnał analogowy będzie mógł być odtwo-rzony jednoznacznie (bez aliasingu). Częstotliwość 2fmax nazywana jest częstotli-wością Nyquista . Jeżeli podczas pomiaru zastosowano zbyt niską częstotliwośćpróbkowania (niższą od 2fmax), to może wystąpić zjawisko aliasingu, polegającena wprowadzeniu składowych o częstotliwościach wyższych niż połowa częstot-liwości próbkowania. Te składowe są następnie uwzględniane przy odtwarzaniusygnału i prowadzą do jego zafałszowania .

20

Sygnał właściwy (3,5 Hz)

vilFr

1

vSygnał błędny (0,5 Hz) próbkowanie 4 Hzczęstotliwość Nyquista = 7 Hz

Rys. 1-9 . Graficzna interpretacja aliasingu

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

1 .5. Elementy toru pomiarowegoPomiary dostarczają informacji o wielkościach fizycznych charakteryzujących stanobiektu sterowanego . Ponieważ wielkości te w naturze najczęściej występują wpostaci nieelektrycznej, po zmierzeniu muszą być przekształcone do postaci syg-nału elektrycznego - dogodnego z punktu widzenia mechatronicznych układówsterujących. Element, który dokonuje pomiaru wielkości fizycznej jest nazywanyczujnikiem pomiarowym. Współczesne czujniki pomiarowe są często zabudowy-wane we wspólnej obudowie (układzie) z elektronicznymi obwodami obróbki syg-nału. W literaturze technicznej nazywane są sensorami, sensorami (czujnikami)zintegrowanymi lub sensorami (czujnikami) inteligentnymi - dla odróżnienia odprostego elementu, którego zadaniem jest jedynie pomiar wielkości fizycznej . Takielement nazywany jest czujnikiem elementarnym lub przetwornikiem pomiaro-wym. We współczesnych czujnikach samochodowych przetwornik pomiarowy sta-nowi tylko część wejściową toru pomiarowego .

W niniejszej pracy nazewnictwo odnoszące się do czujników zostało dostoso-wane do przyjętych w literaturze zasad odnośnie elementów toru pomiarowego[24], [11] . W rozdziale 2 stosowane są określenia : przetwornik analogowe-cyf-rowy i cyfrowo-analogowy. Pojęcieprzetwornik (z ang . converter) oznacza w tymprzypadku układ elektroniczny przetwarzający sygnał z postaci analogowej na cyf-rową (przetwornik A/C), lub z postaci cyfrowej na analogową (przetwornik C/A) .

Tor pomiarowy stanowi część mechatronicznego systemu sterowania . Schematblokowy takiego systemu przedstawiono na rysunku 1-10 . Poszczególne elementy me-chatronicznego systemu sterowania w zamkniętej pętli mają następujące znaczenie :

Sygnały pomiarowe

Elementporównujący

Wartość /Sygnałodniesienia

bkduSterownik

Wartość zmierzona

Elementy toru pomiarowego

-F Aktuator

zujni

-t

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

Sterownik (1) - najczęściej mikrokontroler, czyli układ elektroniczny o wiel-kiej skali integracji, który decyduje o rodzaju akcji sterowniczej, jaka jest podej-mowana po otrzymaniu sygnału błędu . Akcja sterownicza jest prowadzona podkontrolą oprogramowania pracującego w pętli . Możliwa wymiana oprogramowa-nia może zmienić częściowo lub całkowicie funkcję sterownika .

Aktuator (2) - element wykonawczy (siłownik, nastawnik), który dokonujezmian lub korekt parametrów sterowanego procesu . Typowe aktuatory w mecha-tronice samochodowej to np . wtryskiwacze elektromagnetyczne, silniki krokowei elektromagnesy .

Proces/obiekt (3) - proces lub obiekt podlegający sterowaniu . W mechatro-nice samochodowej może to być silnik spalinowy, układ hamulcowy, klimatyza-cja automatyczna itp .

Czujnik (4) - w układach pracujących w zamkniętej pętli sterowania czujnikistanowią elementy sprzężenia zwrotnego, które przekazują na wejście układu syg-nał odnoszący się do bieżącej wartości wielkości sterowanej (regulowanej) . W me-chatronice samochodowej może to być np . sygnał o zawartości tlenu w spalinach,prędkości obrotowej wału korbowego lub temperaturze powietrza w kabinie po-jazdu .

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 war-

tości 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 .

21

Przetwarzanie analogowe-cyfrowei cyfrowo-analogowe

2 .1 . Uwagi ogólneZdecydowana większość sygnałów występujących w warunkach fizycznych mapostać analogową. Także sygnały z sensorów często są w postaci ciągłej, zatemaby sygnał pomiarowy mógł być przetwarzany w cyfrowym systemie sterowania,musi być przetworzony do postaci cyfrowej (rys . 2-1) .

2

+u

Sterownik(mikrokontroler)

+U

+u +u

Rys. 2-1 . Schemat cyfrowegosystemu sterowania

Rys . 2-2 . Zasada przetwarzania analogowe-cyfrowego

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

+u

Uwagi ogólne

23

Rys . 2-3 . Zasada przetwarzania cyfrowo-analogowego

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

2 .2 . Przetworniki analogowe-cyfrowePrzetwornik 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 precy-zyjnych rezystorów tworzących dzielnik precyzyjnego napięcia odniesienia UREForaz komparatory napięcia, z których każdy porównuje analogowy sygnał wejściowyz napięciem odniesienia . Do wejść odwracających komparatorów doprowadzone sąodpowiednio napięcia wynikające z podziału napięcia U REF na tyle poziomów, ilewynika z rozdzielczości przetwornika. Na rysunku 2-4 przedstawiono przykład struk-tury przetwornika 3-bitowego, a więc po podziale napięcia odniesienia liczba po-ziomów napięć wynosi 8 (23) . Każdy komparator porównuje napięcie odpowiedniegopoziomu z pełnym analogowym sygnałem wejściowym U W„ doprowadzonym rów-nolegle do wszystkich wejść nieodwracających . Na wyjściu komparatora pojawi sięsygnał w postaci „1" logicznej wtedy, jeżeli napięcie wejściowe Ue jest wyższe ododpowiedniego napięcia z dzielnika rezystancyjnego . Sygnały te są doprowadzonedo wejść kodera priorytetowego typu 8 linii/a linie . Koder priorytetowy wytwarzasygnał cyfrowy na podstawie identyfikacji linii wejściowej o najwyższym prioryte-cie, na której pojawia się „1" logiczne, ignorując pozostałe wejścia . Na liniach wyj-ściowych pojawi się cyfrowy sygnał wyjściowy w postaci 3-bitowej liczby binarnejodpowiadającej numerowi linii wejściowej kodera o najwyższym priorytecie (liniawejściowa o najwyższym numerze), będącej w stanie „1" logicznej . Pozostałe linie(o niższym priorytecie) znajdujące się w stanie „1" logicznej będą pomijane . Jakmożna zaobserwować, 3-bitowy przetwornik wymaga 8 komparatorów (rys . 2-4) .Zwiększenie rozdzielczości przetwarzania w sposób drastyczny zwiększa ilość kom-paratorów, co jest podstawową wadą tego typu przetworników . Na przykład 8-bi-towy przetwornik analogowe-cyfrowy działający na opisanej zasadzie wymagazastosowania dzielnika złożonego z 256 precyzyjnych rezystorów, 256 komparato-rów napięcia i złożonego układu kodowania 256 linii/8 linii . Zaletą jest duża szyb-kość działania uzyskiwana w wyniku bezpośredniego i jednoczesnego porównywa-nia napięć . Spotykane są również realizacje z użyciem 7 komparatorów napięcia.

24

we091

>El >a1E1al >a1

1

1

Przetwarzanie analogowe-cyfrowe i cyfrowo-analogowe

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

Analogowysygnał wejściowy

I

+U0

Czas

Cyfrowysygnał wyjściowy

Czas

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

Odmiana tego typu przetwomika wykorzystuje prostszy, niepnorytetowy koderoraz zestaw bramek sumy wyłącznej (Ex-OR) w jlości takiej samej jak liczba kom-paratorów (rys . 2-6). Dwuwejściowe bramki Ex-OR uzyskują na wyjściu stan „1" lo-gjcznej 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-

0U

UM `m

crn

N

Uweu

Przetworniki analogowe-cyfrowe

25

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

giczne. Takie działanie zapewnia, że na wyjściu tylko jednej bramki Ex-OR pojawisię logiczna „1", a więc w miejsce kodera priorytetowego z poprzedniegorozwiązania

można zastosować zwykły koder o prostszej budowie . Poza tym budowa tegotypu przetwornika analogowe-cyfrowego jest zbliżona do omówionego powyżej .

Przetwornik A/C z kompensacją równomiernąJednym z ważnych elementów przetwornika A/C z kompensacją równomierną jestukład przetwornika cyfrowo-analogowego C/A (z ang . DAC-Digital Analog Con-verter) . Wyjścia zliczającego do przodu licznika binarnego są dołączone do wejśćprzetwornika C/A. Z każdym taktem zegarowym na wyjściach licznika pojawiasię 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 sygnałemwejściowym U Z chwilą zrównania sygnałów stan wyjścia komparatora zmie-nia się na wysoki („1" logiczna), jednocześnie powodując wyzerowanie licznikapoprzez wejście Load, ponowne rozpoczęcie zliczania od 0 i wygenerowanie syg-nału umożliwiającego zapisanie liczby binarnej w wyjściowym rejestrze prze-suwnym. Zawartość tego rejestru zawiera liczbę binarną, która po konwersji dopostaci analogowej odpowiada dokładnie napięciu wejściowemu i jest cyfrowymwynikiem przetwarzania analogowe-cyfrowego w danym kroku .

+U

76 O

5 m= _ o

- U ć3

0o T

2 to

26


uwe

EENENEN

EMEERMEEREMEEMMEEMEN

0

LLLLINazwa przetwornika kojarzona jest z kształtem schodkowo narastającego na-

pięcia będącego wynikiem przetwarzania cyfrowo-analogowego rosnącej z każ-dym taktem zegarowym wartości z licznika binarnego (rys. 2-8) .

Należy zauważyć, że czasy przetwarzania różnią się i zależą od wartości na-pięcia analogowego . Jest to główna wada przetwornika tego typu (rys . 2-9) .


Napięciez przetwornika C/A

•Cyfrowy

sygnał wyjściowy

Dłukszy czas

Krótszy czas

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

U5 .2

U

F+ C72 TC6 m

.~1~ufr rur12 F12OpP,

C zas

Czas

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


Rys. 2-7 . Zasada działaniaprzetwornika z kompensacjąrównomierną [85]

Przetwornik A/C z kompensacją wagową(z ang. SAR ADC)

W systemach pomiarowe-sterowniczych z wykorzystaniem mikrokontrolerów bar-dzo często stosuje się przetworniki analogowo-cyfrowe pracujące na zasadzie kom-pensacji wagowej lub aproksymacji krokowej (z ang . : Successive ApproximationRegister ADC) . Ważnym elementem przetwornika jest N-bitowy rejestr kolejnychprzybliżeń SAR zastosowany zamiast licznika z przetwornika poprzedniego typu(rys . 2-10). Rejestr SAR działa poprzez kolejne generowanie liczb binarnych od-powiadających wartości sygnału wejściowego, poczynając od najbardziej znaczą-cego bitu, a kończąc na najmniej znaczącym bicie . Kompensacja wagowaprzebiega 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 wejścio-wego, najstarszy bit jest ustawiany na „0", a jeśli jest niższe pozostawia się bitustawiony na „1",3 . W następnych krokach aproksymacji (od 1 do N) powtarzana jest proceduraz 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-analo-gowego tak powstałej liczby (128 dziesiętnie) jest wyższe od sygnału wejścio-

we

Komparator

Przetworniki analogowo-cyfrowe

2%

Rys. 2-10 . Zasada działaniaprzetwornika A/Cz kompensacją wagową [85]

ac U

Y

~\/∎∎ E(D

0Y

a∎/∎∎∎∎ Ńawo//ma/∎

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 prze-twarzaniu 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 ponow-nie porównywane z sygnałem wejściowym . Załóżmy teraz, że porównywane na-pięciejest niższe od sygnału wejściowego, a więc bit pozostanie w stanie „1" oraznastępny 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 do-kładną cyfrową reprezentację sygnału wejściowego .

Tego typu przetwarzanie jest bardzo szybkie, a czasy przetwarzania są jedna-kowe (rys . 2-11) .


r

1 , r-1 .

ly',.~1I

1

l

l

Napięcie na wejściurejestru aproksymacyjnego

czas


Czas

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

Przetwornik A/C - śledzącyKolejną odmianą przetwornika jest tzw . przetwornik śledzący, w którym zastoso-wano licznik zliczający zarówno do przodu jak i do tyłu, a decyzja o zmianie kie-runku zliczania wynika ze stanu wyjścia komparatora, a więc wzajemnej relacjinapięcia wejściowego i napięcia z przetwarzania cyfrowo-analogowego . W tensposób sygnał na wyjściu przetwornika cyfrowo-analogowego nadąża za sygnałemwejściowym (śledzi sygnał wejściowy) . Ten sposób przetwarzania charakteryzujesię dużą szybkością działania, ponieważ licznik nie jest zerowany i nie musi roz-poczynać zliczania od 0 . Trzeba jednak zaznaczyć, że pierwsze zrównoważeniesygnałów na wejściach komparatora wymaga pewnego czasu - tym dłuższego, imwyższa jest wartość sygnału wejściowego . Ponadto struktura jest uproszczona, bonie jest potrzebny wyjścjowy rejestr przesuwny (rys . 2-12 12-13) .

Wadą przetworników tego typu jest zmienność cyfrowego sygnału wyjścio-wego o jeden bit w każdym takcie zegarowym, co w pewnych zastosowaniachmoże być problemem. Dodanie rejestru przesuwnego na wyjściu przetwornika po-zwala na wyeliminowanie tej wady .

Uwe

+UT

U/D

1

Komparator

Przetworniki analogowe-cyfrowe

29

+UTQU

CO

N

o-

U -0Or

Rys . 2-12. Struktura przetwornika

C6 Ń

śledzącego [851

Czas

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

Jednozboczowy całkujący przetwornik A/CPrzetworniki całkujące nie wymagają użycia przetwornika cyfrowo-analogowego .Zamiast tego stosuje się wzmacniacz operacyjny w układzie integratora, który ge-neruje napięcie piłokształtne, porównywane następnie z wejściowym sygnałemanalogowym w komparatorze (rys . 2-14 i 2-15) . Czas, po którego upływie poziomnapięcia piłokształtnego zrówna się z sygnałem wejściowym, jest mierzony za po-mocą licznika taktowanego precyzyjnym sygnałem zegarowym z oscylatora kwar-cowego . Zastosowanie tranzystora MOSFET daje możliwość rozładowaniakondensatora w momencie zmiany stanu wyjścia komparatora na wysoki . Przed-stawiona na schemacie struktura dotyczy prostszej wersji przetwornika całkują-cego, pracującego na pojedynczym zboczu narastającego napięcia na pojemnościukładu całkującego . Wersja pracująca na podwójnym zboczu pozwala na wyeli-minowanie głównej wady wersji jednozboczowej tj . tzw. dryftu kalibracji . Tam,gdzie wymagana jest bardzo wysoka dokładność przetwarzania, stosuje się prze-tworniki całkujące z podwójnym zboczem .

30


Uwe

-Uref

0+

Tf

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


Napięciepiłokształtne


TL ->

Czas

Czas

+U

+UT

c CLR

Rys. 2-15 . Sygnały wejściowyi wyjściowy w przetwornikucałkującym jednozboczowym

Przetwornik A/C z podwójnym całkowaniem

Najczęstsza forma całkującego przetwornika A/C to układ z podwójnym całko-waniem . Jego zasada działania przedstawiona jest na rysunku 2-16 . Do wejściaodwracającego układu całkującego doprowadzone są dwa napięcia : przetwarzanysygnał analogowy oraz napięcie odniesienia o odwróconej biegunowości wzglę-dem sygnału (U e ) . Przełączanie sygnału i napięcia odniesienia na wejściu układucałkującego jest realizowane poprzez przełączniki elektroniczne (tranzystoryMOSFET) sterowane z układu sterowania . W pierwszej części przetwarzania syg-nału do wejścia układu całkującego dołączony jest w czasie T, sygnał przetwa-rzany, a w tym samym czasie licznik zlicza impulsy z generatora fG . Ta częśćprzetwarzania trwa dopóty, dopóki stan licznika nie osiągnie zadanej liczby .W tym czasie napięcie na kondensatorze C rośnie liniowo i osiąga wartość okre-śloną wzorem :

T,

UWENIU`

RC f UWEdt RC

(2.1fG

)

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

Uwe O

UrefO

a więc

UWENI __ UREFN2

RCf, RCf,

Sterowanie

NIUWE

--t

N,

T

Zegar

Przetworniki analogowe-cvfrowe

31

czyna zliczać impulsy do momentu wyzerowania napięcia na wejściu odwracają-cym komparatora . Warunkiem wyzerowania napięcia jest równość :

(2.2)

N -2

(2.3)UREF

Końcowy stan licznika N2 zależy od napięcia wejściowego (sygnału), wartościNI (jest to liczba zadana, a więc znana) i znanej wartości napięcia odniesienia, a niezależy od wartości elementów biernych R i C i częstotliwości generatorafG . Wadątego typu przetworników jest długi czas przetwarzania .

Układ całkujący

R

fBramka

Komparator

Licznik

r

11

1111Np

111111111 1111

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

32


Przetwornik A/C typu sigma delta

W przetwornikach typu sigma delta stosuje się technikę nadpróbkowania (z ang .oversampling), polegającą na kilkukrotnym zwiększeniu częstotliwości próbkowa-nia sygnału oraz zastosowaniu analogowych i cyfrowych filtrów antyaliasingowych .Układ przetwornika oparty jest na modulacji sigma delta, czyli modulacji kodowejpolegającej na sumowaniu różnicy kolejnej próbki sygnału w odniesieniu do pró-bki poprzedniej . Na wyjściu pojawia się ciąg impulsów o Jednakowej amplitudzie,a średnia wartość tego ciągu odpowiada wartości przetwarzanego sygnału . Impulsydoprowadzone są do filtra decymacyjnego, którego zadaniem jest przekształcaniestrumienia bitów w kod cyfrowy. Przetwornik pozwala na uzyskanie bardzo wyso-kiej rozdzielczości przetwarzania przy użyciu prostych jednobitowych przetworni-ków A/C i C/A i przy częstotliwości próbkowania wielokrotnie przewyższającejminimalną wartość wynikającą z twierdzenia Nyquista o próbkowania sygnału .Jedną z zalet tego typu przetworników jest zdolność tłumienia szumów, ponieważdzięki nadpróbkowania szum rozkłada się na szersze pasmo .

1 bit DAC

FiltrDEC

---- . . .

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

Wy

Poniżej zostały zestawione wybrane cechy różnego typu przetworników ana-logowo-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

,

jed-nozboczowy, z kompensacją równomierną, całkujący dwuzboczowy, śledzący .

2 .3. Przetworniki cyfrowo-analogowePrzetwornik C/A R/2 nRW strukturze przetwornika tego typu wykorzystuje się układ sumatora odwracają-cego zbudowanego na wzmacniaczu operacyjnym . W sumatorze wszystkie rezys-

2R

4R

Rys . 2-19.3-bitowy wagowy przetwornik C/AMSB - najbardziej znaczący bit (z ang . Most Significant Bit),LSB - najmniej znaczący bit (z ang . Least Significant Bit) [85]

Przetworniki cyfrowo-analogowe

33

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

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

V 2R

V 4R

Liczbie binarnej 000 doprowadzonej poprzez bramki logiczne do wejść prze-twornika będzie odpowiadać napięcie wyjściowe 0 V, natomiast liczbie binarnej111 doprowadzonej do wejść przetwornika będzie odpowiadać napięcie wyjścioweo pełnej wartości. W celu zwiększenia rozdzielczości przetwarzania należy zwięk-szyć liczbę rezystorów wejściowych przy zachowaniu omówionej wcześniej za-sady doboru ich wartości (rys. 2-20) .

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

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

34


Przetwornik C/A typu R/2R

Pewną wadą przetwornika poprzedniego typu jest konieczność stosowania precy-zyjnych rezystorów o różnych wartościach . Alternatywne rozwiązanie przetwor-nika wykorzystuje większą liczbę rezystorów o takich samych wartościachrezystancji przy nieco innej konstrukcji drabinki rezystorowej, złożonej z rezys-torów o dwu wartościach rezystancji: R i 2R. Ten typ przetwornika C/A nazywanyjest często przetwornikiem drabinkowym (rys . 2-21) .

MSB -

Cyfrowysygnał -

wejściowy

a

We

b

We

LSB

X/

Y

Termopara,termistor,tensometr,czujnik ciśnienialub inne

Termopara, Wzmacniacz Przetwornik Mikrokontrolertermistor,

pomiarowy

analogowetensometr,

cyfrowyczujnik ciśnienialub inne

D

0A/D

µC

A/DµC

MicroConverter TM

Wy

Wy

UWY

Rys. 2-21 . Przetwomik C/Adrabinkowy R/2R

2 .4. Integracja czujników

Sygnały wyjściowe większości czujników są relatywnie małe pod względem war-tości zmian napięcia, prądu czy rezystancji . Dlatego zmierzone sygnały najczę-

Rys. 2-22. Struktura czujnika-sensora inteligentnegoa - wieloukładowa, b - z układem wielkiej skaliintegracji MicroConverter

ściej wymagają specjalnej obróbki, zanim zostaną doprowadzone do portów wej-ściowych sterownika . Układy przekształcania dowolnych sygnałów fizycznychna postać elektryczną, wzmacniacze, układy izolacji galwanicznej, filtry, układydopasowania sygnału oraz przetwarzania na postać cyfrową itp . mogą być umiesz-czone w systemie pomiarowym jako elementy autonomiczne lub wbudowanew strukturę czujnika albo sterownika jako ich elementy. Jeżeli układy kondycjo-nowania sygnału są zabudowane w strukturze czujnika, to są najczęściej wyko-

Wielkośćfizyczna

Nieelektryczna0 • wielkość

pośrednia

Przekształcanie

bWielkośćfizyczna

0

/

c

d

e

Wielkośćfizyczna

Wielkośćfizyczna

0

/

--*->

Wielkość

a~

fizyczna

ó • •

µC

c • °: • U)

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

Przetwarzanie

Integracja czujników

35

Pierwotna• wielkość

elektryczna

Kondycjonowaniesygnału

Analogowy•

sygnałpomiarowy

c

Przetwarzanie A/C

Cyfrowy• sygnałpomiarowy

36


nane jako układy scalone specjalizowane ASIC (z ang . Application Specific Inte-grated Circuit) .

Czujniki zawierające wewnętrzne układy opracowujące należą do grupy sen-sorów zintegrowanych . W bardziej zaawansowanych technologicznie czujnikachmogą być ponadto zabudowane multipleksery, przetworniki analogowe-cyfrowewraz ze wzmacniaczami o programowo nastawialnym wzmocnieniu, przetwornikicyfrowo-analogowe, żródła prądowe, a nawet lokalne mikrokontrolery i wówczasnależą one do grupy sensorów inteligentnych (rys . 2-22). Linearyzacja sygnałówwyjściowych z przetworników pomiarowych jest realizowana na drodze progra-mowej, co pozwala uniknąć stosowania zewnętrznych elementów dostrajania . Naj-nowsze trendy rozwojowe sensorów inteligentnych zmierzają w kierunkuzastępowania wieloukładowej struktury (multiplekser, wzmacniacz, ADC, DAC,mikrokontroler, pamięć Flash) przez specjalizowane układy wielkiej skali inte-gracji (np. MicroConverter firmy Analog Devices) zawierające wszystkie wymie-nione układy w jednej strukturze .

Daleko posunięta integracja czujników i układów kondycjonowania sygnałujest jednak ograniczona kosztami, rosnącymi wraz ze stopniem rozbudowy czuj-nika. Jako rozwiązanie pośrednie stosowana jest często technika modułowa, dającaoszczędności po stronie kosztów sterowania oraz podnosząca elastyczność przytworzeniu torów pomiarowe-sterowniczych .

Czujniki indukcyjne

3 .1 . Zasada działania i odmiany konstrukcyjneIndukcja magnetyczna B jest wielkością wektorową, charakteryzującą pole mag-netyczne, w którym porusza się określony ładunek elektryczny (rys . 3-1) . Wartośćw próżni, w punkcie P, indukcji pola magnetycznego wytworzonego przez prądelektryczny o natężeniu I płynący w prostoliniowym przewodniku wynosi :

Bhoi

° = 2n r

(3.1)

gdzie :r - odległość punktu P od osi przewodnika,p o = 4n • 10 - ' [T•m/A] - stała magnetyczna (przenikalność magnetyczna bez-względna 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 :

Ho -Bo

(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 oizB°

1 (3 .3)

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

38

Ulega ona zmianie, jeżeli wewnątrz solenoidu znajduje się rdzeń z materiałuo określonych własnościach . Wynosi ona :

B = µ,B„

(3 .4)

Współczynnik u, nosi nazwęwzględnej przenikalności magnetycznejmateriału : µ, = B/ Bo .

Dla materiałów diamagnetycznych(np. woda, rtęć, miedź) wartość u , jestnieco mniejsza od jedności, a więc ma-teriały te nieznacznie zmniejszają induk-cję magnetyczną B w stosunku doindukcji w próżni . W materiałach para-magnetycznych (np. mangan, tlen, alu-minium) wartość,u, jest niewiele większaod jedności, co minimalnie zwiększa in-dukcję B w stosunku do indukcji w pró-żni. W materiałach ferromagnetycznych(np. żelazo, kobalt, nikiel oraz ich stopy)współczynnik względnej przenikalnościmagnetycznej może mieć wartość wielo-krotnie większą od jedności . Te materiaływzmacniają indukcję magnetyczną w

stosunku do próżni . Charakteryzują się pętlą histerezy magnetycznej, której kształti pole zależy od rodzaju materiału (rys . 3-2) . Im mniejsze jest pole pętli histerezy(mniejsza wartość koercji magnetycznej -Bo'), tym łatwiej jest rozmagnesować danymetal (np. stal krzemowa, z której wytwarzane są rdzenie elektromagnesów i trans-

Rys. 3-2 . Pętla histerezy materiałuferromagnetycznegoB(, - indukcja magnetyczna pola zewnętrznegouzyskiwana przez zmiany natężenia prąduw solenoidzie, B - indukcja wewnątrz solenoiduz rdzeniem ferromagnetycznym, - BJ - koercjamagnetyczna, B - magnetyzm szczątkowy

Rys. 3-1 . Wektor indukcji B polamagnetycznego w punkcie P

Czujniki indukcyjne

Zasada działania i odmiany konstrukcyjne

39

formatorów) . Stal twarda i niektóre stopy żelaza, kobaltu, niklu i aluminium cha-rakteryzują się bardzo dużymi wartościami pozostałości magnetycznej oraz koercjii stosowane są do wytwarzania magnesów trwałych .

W zagadnieniach technicznych obok indukcji B stosowane jest pojęcie stru-mienia 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 Sw 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 Bi 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 indukcjimagnetycznej 0 . Zmiany strumienia magnetycznego wzbudzają w uzwojeniachsolenoidu siłę elektromotoryczną samoindukcji. Jej wartość wynosi :

E,. _ - d(P z

(3.6)

Powoduje ona przepływ prądu samoindukcji . Zgodnie z regułą Lorentza kie-runek tego prądu przeciwdziała zmianom strumienia magnetycznego pierwotnego,a więc przepływa on w kierunku przeciwnym niż prąd pierwotny . Ponieważ zgod-nie z wzorami (3.1) i (3 .3) indukcja magnetyczna wytwarzana przez przewodnikz prądem jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu, zmiana strumienia in-dukcji w solenoidzie bez rdzenia ferromagnetycznego także jest proporcjonalnado zmiany natężenia prądu :

zAO = LAI

(3 .7)

Współczynnik proporcjonalności L jest nazywany indukcyjnością lub współ-czynnikiem 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 magnetycz-

nej u,, to jego indukcyjność wyraża się zależnością :

L_ yZZS - Z Z

1

RN

(3.9)

40

Czujniki indukcyjne

gdzie :S - przekrój poprzeczny solenoidu ;RN - reluktancja (opór magnetyczny) obwodu magnetycznego, Rµ = µS `'1 - długoć solenoidu; V -S

z - liczba zwojów solenoidu .Wartość ,u = u. µY jest przenikalnością magnetyczną bezwzględną .W czujnikach indukcyjnych można wpływać na zmianę indukcyjności cewki re-

gulując liczbę zwojów z lub zmieniając reluktancję R~ . Zmianę reluktancja w naj-prostszy sposób można uzyskać przez zmianę przenikalności magnetycznej ,u,, zmianęprzekroju cewki Slub długości cewki l. W zależności od sposobu realizacji tej zmianyczujniki indukcyjne dzieli się na czujniki dławikowe o zmiennej szczelinie powietrz-nej i czujniki solenoidalne o zmiennym położeniu rdzenia magnetycznego .

Czujniki indukcyjne wykorzystujące zmianę indukcyjności mogą być wyko-rzystywane w pojazdach między innymi jako czujniki położenia pedału przyspie-szenia, położenia przepustnicy, kąta skrętu koła kierownicy, momentu na kolekierownicy lub obciążenia pojazdu . Czujniki wykorzystujące powstawanie siłyelektromotorycznej w wyniku zmiany strumienia magnetycznego stosowane są dopomiaru prędkości obrotowej silnika i kół samochodu.

Czujniki dławikowe o zmiennej szczelinie powietrznejSchemat takiego czujnika przedstawiono na rysunku 3-3 . W przypadku, gdy dłu-gość szczeliny powietrznej p jest mała w stosunku do drogi strumienia w rdzeniumagnetycznym, można pominąć strumień rozproszenia i zapisać :

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(Lo +L ) .

Z równania (3 .11) widać, że zależność L(p) ma przebieg nieliniowy. Czujnikitego typu są stosowane np. do pomiarów tolerancji grubości blach diamagnetycz-nych 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 rzadkoużywany, głównie ze względu na to, że do przesunięcia części ruchomej obwodumagnetycznego potrzebna jest stosunkowo duża siła ze względu na ciężar jarzma

OoL = (3.10)i 0

oraz1

L(lp )=Lo

1

1+µ,lPm (3 .11)

a


41

b

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

oraz siły przyciągania magnetycznego działające w szczelinie . W celu uniknięciapowyższych niedogodności i uzyskania liniowej zależności sygnału elektrycznegood przemieszczenia stosowane są czujniki dławikowe różnicowe, zawierające dwiecewki włączone w układzie różnicowym lub mostkowym (rys. 3-4) .

Ip+X

Rys. 3-4 . Schemat czujnika dławikowego różnicowegoa - 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 2pod wpływem zmiany szerokości szczelin powietrznych x

Dla takiego czujnika zależność między indukcyjnościami cewek a przemiesz-czeniem x można opisać następującymi zależnościami [24] :

1

1L, =L,X , L2 = LoX

(3.12 a, b)1+µ,

1-µ,-X m

xm

AL =L 2 -L,= L, .2 x

1 Z

=2

x

(3 .13)xm 1-µ

zxz

xm

gdzie :

\

Xm /

xm - wielkość szczeliny, przy której indukcyjność L dławika przyjmuje wartośćśrednią

42

Czujniki indukcyjne

a

Indukcyjność cewki wpływa na jej reaktancję indukcyjnąXL=jcoL, a więc także

na impedancję Z = ~R Z +X L Z . Przy stałej wartości skutecznej napięcia zasilają-

cego miarą przemieszczenia x może być różnica wartości prądów płynącychw 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 charaktery-stykę czujnika bliską liniowej .

Czujniki tego typu stosowane są w przemyśle do pomiarów grubości nałożo-nych elektrolitycznie powłok z miedzi, srebra, złota, cyny, kadmu i mosiądzu, na-niesionych natryskowe powłok z miedzi, cyny i cynku, a także nanoszonychnatryskowe farb (np . emalii na stali) .

Czujniki solenoidalne o zmiennym położeniu rdzenia magnetycznegoW tego typu czujnikach wykorzystuje się zależność indukcyjności solenoidu L odprzenikalności magnetycznej u, która zależy od wymiarów i położenia rdzenia fer-romagnetycznego (rys . 3-5) . Rdzeń przemieszcza się w zależności od mierzonejwielkości nieelektrycznej. Indukcyjność solenoidu wyraża się wzorem :

L = µ rµ oz'S

(3 .15)

gdzie :µT - przenikalność magnetyczna względna wewnątrz solenoidu zależna od mate-

riału rdzenia i od położenia rdzenia wewnątrz cewki,z - liczba zwojów solenoidu,S - przekrój poprzeczny solenoidu.

b0

Rys . 3-5 . Schematy czujnikówsolenoidalnych o zmiennympołożeniu rdzenia magnetycznegoa - do pomiarów dużych przesunięć,b - do pracy w układzie różnicowym

Zmiana indukcyjności, wynikająca ze zmian przenikalności magnetycznej ux,wpływa na wartość prądu płynącego w uzwojeniach solenoidu . Przemieszczenierdzenia wewnątrz solenoidu może być więc zmierzone poprzez pomiar zmiany na-tężenia prądu płynącego w uzwojeniach czujnika indukcyjnego .

Czujniki dławikowe wykorzystujące zmianę przekroju szczeliny powietrznejTen typ czujników działa na podobnej zasadzie, jak czujniki dławikowe o zmien-nej szczelinie powietrznej, z tym, że zamiast zmiany jej długości zmianie ulegaprzekrój szczeliny powietrznej obwodu magnetycznego (rys . 3-6 .) .

O

G G

Zasada dziatania i odmiany konstrukcyjne

43

Rys. 3-6 . Schemat czujnika indukcyjnegowykorzystującego zmianę przekroju szczeliny powietrznej

I

Czujniki wykorzystujące prądy wirowe w materiałach diamagnetycznych

Czujnik tego typu ma postać elektromagnesu (1, rys . 3-7a), w którego szczelinieznajduje się materiał diamagnetyczny 2 o grubości x . Materiały diamagnetycznecharakteryzują się przenikalnością magnetyczną względną,u , < 1 . Do grupy tej na-leżą m .in .: ołów, miedź, brąz, aluminium, srebro i bizmut . W materiale takim in-dukują się prądy wirowe, które powodują zmniejszenie strumienia magnetycznego,a więc również indukcyjności L, co wpływa na zmiany impedancji Z uzwojeniaczujnika. Przy stałej wartości napięcia zasilania zmienia się wartość prądu płyną-cego w uzwojeniach cewki. Czujniki takie mogą być stosowane do pomiarów gru-bości elementów z metali diamagnetycznych, przesunięć tych elementów i grubo-ści powłok .

Na rysunku 3-7b przedstawiono schemat i zasadę działania indukcyjnegoczujnika zbliżeniowego, generującego zmienne pole elektromagnetyczne za po-mocą generatora napięcia zmiennego 2 . Pole to indukuje prądy wirowe w tarczyS, przemieszczającej się względem czoła czujnika . To z kolei powoduje znacznyspadek amplitudy oscylacji napięcia w odbiorniku 3, proporcjonalny do odle-głości tarczy S od czoła czujnika . Tego typu układy mogą być stosowane za-równo do pomiarów odległości lub grubości warstw, jak i do pomiarów prędkościobrotowej poprzez zliczanie ilości zmian napięcia wyjściowego, spowodowa-nych przemieszczaniem się kolejnych elementów wirującej tarczy diamagne-tycznej .

44

a

b

Poziomałączania

1

c'nn~mnlll''!'!u'lllnnu~nullluu„

5

`~0~ 1,111 i

z

7

Zał

WyjścieWyl -----

Czujniki indukcyjne

o L,R o

Poziomwyłączania

Wył

2

Rys . 3-7 . Schemat czujnika indukcyjnego wykorzystującego prądy wirowe w materiałachdiamagnetycznych (a) :I - elektromagnes, 2 - materiał diamagnetyczny o grubości x, L - indukcyjność cewki czujnika,R - rezystancja cewki czujnika oraz schemat czujnika indukcyjnego z pochłanianiem energiigeneratora 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

Czujniki transformatorowe pracujące na zasadzie zmiany indukcyjnościwzajemnej

W czujnikach transformatorowych o zmiennej indukcyjności wzajemnej do po-miarów wielkości fizycznych wykorzystywana jest zależność siły elektromoto-rycznej indukowanej przez uzwojenie pierwotne z, w uzwojeniu wtórnym z zw różnych warunkach sprzężeń obu uzwojeń (rys . 3-8) . Wartość siły elektromo-torycznej indukowanej we wtórnym uzwojeniu czujnika o liczbie zwojów z z wy-nosi :

Esz = -z2d¢dt

(3 .16)

Szybkość zmian strumienia magnetycznego 0 jest proporcjonalna do zmianpołożenia Ol elementu ruchomego. O liniowości funkcji E S(01/Ot ) decyduje za-leżność indukcji wzajemnej cewek z, i z z od położenia Ol elementu ruchomego .Charakterystyczną cechą tych czujników jest obecność oddzielnej cewki wzbu-dzeniowej z,, przez którą przepływa prąd zmienny. Poza tym ich budowa odpo-wiada układom dławikowym .

W układach transformatorowych stosuje się przeważnie układy różnicowe (rys .3-8c). Strumień magnetyczny kolumny środkowej wynosi :

E,2 = -Zz(01 - 02)

(3 .17)

Przy neutralnym położeniu kotwicy strumienie 0, i 02 są sobie równe, a stru-mień magnetyczny w elemencie ruchomym jest równy zero . Również siła elek-tromotoryczna uzwojenia wtórnego 2 (rys . 3-8c) będzie równa zeru : E = 0. Gdykotwica przesunie się z położenia neutralnego, zostanie zakłócona równowagastrumieni 0, i 0z . Pojawi się wówczas siła elektromotoryczna o wartości zależnejod różnicy strumieni :

(3 .18)

Różnica 0, - 0z zależy od przemieszczenia kotwicy czujnika, czyli od pa-rametru, który ma być zmierzony.

Zaletą czujnika różnicowego jest czułość na kierunek ruchu kotwicy . Przyzmianie kierunku przesuwu elementu ruchomego zmienia się znak różnicy stru-mieni magnetycznych 0, i 02 oraz znak siły elektromotorycznej E.

Tego typu czujniki mogą być stosowane w układach aktywacji poduszek ga-zowych jako czujniki opóźnienia pojazdu podczas zderzenia. Jako czujniki prze-mieszczenia znane są pod nazwą LUDT (z ang . Linear Variable DifferentialTransformer) .

46

Czujniki indukcyjne

a

01

b

c

d

e

Ez 2 1

(~ /3/4 ~Ib

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 - cewkiwtórne (za zgodą wydawnictwa Carl Hanser Verlag)

Selsyny

Selsyny są to indukcyjne przetworniki prądu przemiennego służące do przekazy-wania na odległość informacji o przemieszczeniu kątowym . Mogą one służyć dopomiaru wartości kąta obrotu na drodze elektrycznej lub do wymuszenia obrotu od-biornika sygnału o dany kąt .

Zasada zdalnej indykacji lub regulacji kąta obrotu polega na tym, że mecha-niczny obrót selsyna nadawczego wywołuje w obwodzie połączonych elektrycz-nie uzwojeń synchronizacji selsyna nadawczego i odbiorczego przepływ prądów,które z kolei powodują obrót wirnika selsyna odbiorczego o taki kąt, o jaki zostałobrócony wirnik selsyna nadawczego (rys . 3-9) .

a

ir 1c


b

47

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 odbiornikac - 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 zasi-lane ze wspólnego źródła napięcia przemiennego o częstotliwości 50 . . .500 Hz. Do-datkowo na wirniku znajduje się zwarty zwój o osi prostopadłej do osi uzwojeniawzbudzenia. Jego zadaniem jest tłumienie drgań w stanach przejściowych . Sto-jany nadajnika i odbiornika zawierają trzy uzwojenia (1, 2, 3) . Są to tzw . uzwoje-nia synchronizacji, przesunięte względem siebie o kąt 120° . Pod wpływemstrumienia wywołanego przez prąd płynący przez uzwojenie wzbudzenia wirnika,

48

Czujniki indukcyjne

w poszczególnych fazach uzwojenia synchronizacji nadajnika indukują się napię-cia o wartościach skutecznych zależnych od położenia kątowego wirnika :

E i , =U m cos aEsi2 = U. cos(a + 120°)Ei3= Um cos(a -120°)

(3 .19)

Napięcia te powodują przepływ prądów o wartościach :

E r o~ sin

s

2E .

o2Z

I, sin2

(s

3.20)

I, = Er siny2Z 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 wy-wołuje moment synchronizujący :

zM = c Ęr

zXq z sino

(3 .21)% R +X

9

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 niezgodnościnieco większego od 90° . Wartość maksymalna występuje przy stosunkuXL do R Lrównym jedności .

Łącze selsynowe charakteryzuje się sztywnością s„, która oznacza wartość mo-mentu odbiornika przy różnicy kątów a - /3 = b wynoszącej l' . Współczynniksztywności łącza wskaźnikowego określany jest zależnością:

s - dM

= k EfXq cosb, - „ = k

E1 Xq

M-(dó o)

f Ra +Xq

ó0

f Rq +Xqa (3 .22)

W praktyce sztywność łącza określana jest stosunkiem momentu synchronizu-jącego przypadającego na jeden stopień przy kącie niezgodności 10° . Sztywnośćsm decyduje o dokładności pracy łącza .

Zasada dziatania i odmiany konstrukcyjne

49

Selsyny stosowane są również jako silniki wykonawcze . Jeżeli na wale selsynaodbiornika wystąpi obciążenie, to momenty synchronizujące nadajnik i odbiornikwyniosą:

Mn =c lE~Eo

sinócos[n/4+(cpo -cpn)]f •Z

(3 .23)Mo = c, E"E° sinócos[n / 4 - (t9o - cp n )]

f •Zgdzie :E„, Eo- siły elektromotoryczne w uzwojeniach synchronizacji selsyna nadajnika

i odbiornika,Z- impedancja uzwojeń synchronizacji,c, - stały współczynnik,tp„, (po - kąty przesunięć fazowych napięć zasilających uzwojenia wzbudzenia sel-

syna 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 możewzmacniać moment przenoszony przez selsyn odbiornik kosztem poboru energiiz sieci zasilającej . Odpowiednie przesunięcie fazowe napięć zasilających obwodywzbudzeń ~o. - ~o, uzyskuje się przez włączenie pojemności C w szereg z uzwoje-niem wzbudzenia jednego z selsynów. Jeżeli przesunięcie fazowe napięć zasilają-cych obwody wzbudzeń wynosi n/4, to moment synchronizacji selsyna nadajnikajest równy zeru, a moment selsyna odbiornika ma wartość maksymalną .

Na rysunku 3-9b przedstawiono zasadę działania selsyna jako silnika wyko-nawczego. W szczelinie między stojanem a wirnikiem odbiornika umieszczonyjest wydrążony walec aluminiowy 4 . Kierunek pola elektromagnetycznego wy-twarzanego przez uzwojenia synchronizacji nadajnika jest taki sam, jak kierunekpola w odbiorniku . W obwodzie wirnika odbiornika znajduje się kondensator,dający przesunięcie fazowe napięć w uzwojeniach wirników nadajnika i od-biornika. Jeżeli kąt a będzie różny od f3, to na aluminiowy walec będzie działałmoment w kierunku zrównania wartości obu kątów. Obrót walca przenoszonyjest na wirnik za pomocą przekładni (rys . 3-9c), aż do zrównania wartości kątówa i fl. Strumieniem sterowania i wzbudzenia takiego silnika jest strumień wy-twarzany przez wirnik selsyna i strumień przenoszony z selsyna nadajnika doodbiornika .

Selsyny znalazły zastosowanie między innymi w układach prowadzenia antenradarów oraz w układach utrzymujących kurs statków .

Czujniki magnetoindukcyjneOddzielną grupę stanowią czujniki magnetoindukcyjne (rys . 3-10), pracujące na za-sadzie indukowania siły elektromotorycznej w uzwojeniu cewki 2 pod wpływemruchu ferromagnetycznego koła impulsowego 1 . Ruch ten powoduje zmianę war-

50

Czujniki indukcyjne

toki strumienia magnetycznego 0, wytwarzanego przez magnes stały 3 lub - rza-dziej - elektromagnes. Wartość siły elektromotorycznej ES indukowanejw uzwojeniu o z zwojach jest proporcjonalna do szybkości zmiany strumienia mag-netycznego 0, skojarzonego z uzwojeniem 2 :

E 2=_zd

dt

Zmiana strumienia magnetycznego wywołana jest zmianą przenikalności mag-netycznej p wewnątrz solenoidu, czyli reluktancji obwodu magnetycznego R u(patrz zależność 3 .9) . Zmiana ta może być wywołana przez oddziaływanie spe-cjalnego ferromagnetycznego koła impulsowego na ten strumień lub przez magnesprzemieszczający się względem nieruchomego uzwojenia. Czujniki magnetoin-dukcyjne reagujące na zmianę oporu magnetycznego (reluktancji) spowodowanąruchem elementów z materiału ferromagnetycznego o niskiej oporności magne-tycznej RF nazywane są czujnikami reluktancyjnymi (rys . 3-10) . Natomiast czujnikiz wirującym magnesem trwałym nazywane są czujnikami elektrodynamicznymi .Czujniki reluktancyjne stosowane są do pomiaru prędkości obrotowej silnika i kółsamochodu .

Rys. 3-10 . Magnetoindukcyjny czujnik prędkościobrotowej (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 rdzeniujest czujnik wzniosu iglicy rozpylacza stosowany we wtryskiwaczach silnikówo zapłonie samoczynnym (rys . 3-11) . Wydłużony popychacz 2 wtryskiwacza 1spełnia rolę rdzenia magnetycznego w cewce 3 . Wielkość jego zagłębienia w uzwo-jeniu cewki decyduje o wartości strumienia magnetycznego w cewce . Ruch iglicywtryskiwacza i związanego z nią popychacza 2 zwiększa strumień magnetyczny wcewce i indukuje w niej sygnał napięcia zależny od prędkości tego ruchu . Sygnałten jest przesyłany do sterownika pompy wtryskowej . Przekroczenie wartości pro-gowej napięciap-g (rys. 3-12) jest sygnałem początku wtrysku paliwa i służy doanalizy i doboru właściwego kąta wyprzedzenia wtrysku paliwa w silniku o za-płonie samoczynnym .

(3.24)

a

b

Rodzaje i zastosowania czujników indukcyjnych

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

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

51

52 Czujniki indukcyjne

Czujnik magnetoindukcyjny (reluktancyjny) do pomiaru prędkości obrotowej

Czujniki reluktancyjne są szeroko stosowane w pojazdach samochodowych do po-miarów prędkości obrotowej (rys . 3-13). Pod wpływem zmian strumienia magne-tycznego 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 czujnikprędkości obrotowej [76]1 - magnes stały, 2 - korpus, 3 - kadłubsilnika, 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, czyczujnik zajmuje położenie naprzeciw zęba, czy naprzeciw wrębu międzyzębnego(rys. 3-13). Ząb wzmacnia strumień emitowany przez magnes w cewce 5, wrąbnatomiast osłabia ten strumień. Te zmiany strumienia indukują w cewce napięciewyjściowe . Jest ono funkcją kąta obrotu koła impulsowego 8, ponieważ strumieńmagnetyczny zależy od kątowego położenia zęba w stosunku do magnesu . Grubośćbieguna magnesu stałego zmniejsza się w kierunku koła zębatego, aby poprawićczułość czujnika . W celu izolacji od wpływu czynników atmosferycznych czujnikosłonięty jest obudową z tworzywa sztucznego .

Czujniki tego typu charakteryzują się dużą odpornością na zakłócenia elektro-magnetyczne, nie wymagają zasilania i układów wzmacniających oraz są taniew wykonaniu. Do ich głównych wad należy zaliczyć nieprzydatność do pomiarumałych prędkości obrotowych, wrażliwość na zmiany grubości szczeliny po-wietrznej oraz ograniczoną możliwość zmniejszania wymiarów przy tradycyjnymwykonaniu cewki. Ponieważ wartość strumienia magnetycznego ¢ zależy od gru-bości szczeliny powietrznej 6 i jej zmian, a amplituda sygnale napięciowego wy-kładnicze zależy od wielkości tej szczeliny (funkcja er), czujniki te są czułe nadokładność zamocowania względem koła zębatego. Luzy w zamocowaniu powo-dują drgania wywołujące duże przypadkowe impulsy napięciowe, zakłócające po-miar impulsów od obracającego się koła zębatego . Na wartość sygnalewyjściowego U wpływa również temperatura magnesu i uzwojeń cewki oraz im-pedancja obciążenia zewnętrznego (rys . 3-14) .


53

W zależności od rozmieszczenia i kształtu zębów koła impulsowego induko-wane sygnały napięciowe mają różny kształt (rys . 3-15) . Jeżeli czujnik nie jest ob-ciążony, część dodatnia i ujemna sygnału są równe co do wartości bezwzględnej .Po podłączeniu do sterownika sygnał mierzony względem masy samochodu możemieć niejednakową wartość bezwzględną po stronie dodatniej i ujemnej (rys . 3-14b, c) . W przypadku podłączenia tego czujnika do sterownika układu zapłono-wego lub wtryskowego ważne jest zachowanie właściwej biegunowościpodłączenia. Odwrócenie biegunowości sygnału z czujnika powoduje, że zmieniasię położenie wału korbowego silnika, przy którym występuje zmiana polaryzacjiw fazie spadku napięcia oraz określona wartość graniczna napięcia (rys . 3-14d) .Powoduje to znaczną zmianę kąta wyprzedzenia zapłonu (w silniku o zapłonie is-krowym) i uniemożliwia uruchomienie silnika .

Sygnał pomiarowy tego typu czujnika jest sygnałem napięciowym o przebieguzbliżonym do sinusoidalnego i o częstotliwości proporcjonalnej do prędkości obro-

-10

a

b

c

UWY

+10

M

r

d

Rys. 3-14 . Amplituda sygnału napięcia z czujnika prędkości obrotowej w zależności od impedancjiobciążenia 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 samochodo-wych waha się w granicach od kilku miliwoltów do ponad 100 V . Duża zmien-ność amplitudy i różnice w szybkości narastania sygnału wyjściowegow zależności od prędkości obrotowej koła impulsowego są wadą tego typu czuj-ników. Prędkość obrotową oblicza się na podstawie zliczania w określonym cza-sie T liczby miejsc zerowych przebiegu napięciowego . Natomiast położenie kątowewału korbowego lub wałka rozrządu jest ustalane na podstawie pomiaru napięciaprogowego z czujnika lub zmiany polaryzacji napięcia . Jednak chwila powstanianapięcia o określonej wartości progowej lub zmiana polaryzacji zależy od szyb-kości zmian strumienia magnetycznego dO/dt, czyli od prędkości obrotowej (rys .3-17a) . Z tego powodu obliczanie położenia wału korbowego na podstawie po-miaru napięcia progowego obarczone jest błędem . Przy korzystaniu z tego impulsudo określenia kąta wyprzedzenia zapłonu mogą wystąpić niedokładności w regu-

lacji tego kąta rzędu 0,2° . Aby wy-eliminować ten błąd, wartościprogowe napięcia z czujnika poło-żenia wału korbowego, przy któ-rych ma dojść do wyładowania naświecy zapłonowej, dobierane sąprzez sterownik zapłonu dynamicz-nie, w zależności od zakresu pręd-kości obrotowej silnika.

Przykłady przebiegów napię-ciowych z czujników prędkościobrotowej silnika i kół przedsta-wiono na rysunkach 3-17, 3-18i 3-20 . Na podstawie zliczania wczasie impulsów napięciowych odrówno rozmieszczonych zębów tar-czy wirującej koła impulsowegoobliczana jest prędkość obrotowa

e

,

silnika. Przerwa w uzębieniu tarczywywołuje impuls o wyższej ampli-tudzie (rys . 3-15 i 3-17) . Ten im-puls pozwala ustalić położeniekątowe wału korbowego silnika,ale nie określa, jaki suw (sprężaniaczy wylotu) następuje w tym mo-mencie. Dlatego konieczne jest za-stosowanie drugiego czujnika,który otrzymuje jeden impuls naobrót wału rozrządu (rys . 3-18) .

III

A

1 e

Rys. 3-15 . Przebiegi sygnałów pomiarowychczujnika indukcyjnego w zależności od budowywspółpracującego z nim koła impulsowego [8j

5

0 02000

4000

6000Prędkość obrotowa n [obr/min]


55

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

Analiza sygnałów z czujników położenia wału korbowego i walu rozrządu pozwalaprecyzyjnie ustalić kątowe położenie walu korbowego, rodzaj suwu w analizowa-nym cylindrze oraz mierzyć kąty faz rozrządu . Te parametry wykorzystywane są doustalania chwili początku wtrysku paliwa, kąta wyprzedzenia zapłonu i regulacjifaz rozrządu .

a

a7,91vAl, wi, D. MA,

A

1MFJE~

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50 [ms]

tx

Rys. 3-17 . Przebiegi napięciaa - 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

35

E30 s = 0,8 mm

25. 2:N 20

15c

56

Czujniki indukcyjne

[V]16141210

$ IIIIIIII~III~I,IIIIIIIIIIIIIIIII6

20

-2-4 Illlllll~~~li~~l~ll~llllillllll

II

Illlll~l~~llllllllll~lllllllilllll

5

10

15

20

25

30

35

40

45

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

Rys. 3-19 . Indukcyjne czujniki prędkości obrotowejkoła samochodu (układ ABS), z rdzeniemo zakończeniu płetwowym (a) i zaokrąglonym (b)[25] oraz prędkości obrotowej wału korbowegosilnika (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 samoczyn-nym,- pomiar prędkości jazdy (pomiar prędkości obrotowej wałka głównego skrzynkibiegów) .

M1,00,80,60,4,0,20

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

0


57

n

1

J

1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50 [ms]

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

Czujnik dwucewkowy (oscylacyjny) do pomiaru prędkości obrotowejDo pomiaru prędkości obrotowej silnika oraz określenia położenia względnego wałukorbowego i wału rozrządu stosowane są również czujniki dwucewkowe, znane jakoimpulsowe czujniki kąta . Czujnik taki jest zbudowany z dwóch cewek nawiniętychkoncentrycznie wokół rdzenia . Uzwojenie pierwotne tworzy cewka zewnętrznao małej rezystancji i małej indukcyjności . Cewka wewnęti/-najest uzwojeniem wtór-nym, o 30 razy większym oporze i 100 razy większej indukcyjności .

,dh,JAAKAIW"Flvw Rys . 3-21 . Przebieg napięcia

pierwotnego U, i wtórnego U Zw czujniku impulsowym przyniepracującym silniku

M

Uzwojenie wzbudzenia, czyli cewka zewnętrzna, jest zasilane napięciem sinu-soidalnym o częstotliwości rzędu 100 kHz . W uzwojeniu wtórnym indukuje sięnapięcie sinusoidalne, przesunięte w fazie o 180° (rys . 3-21). W uzwojeniu pier-wotnym przebieg napięcia sinusoidalnego jest wymuszony przez układ elektro-niczny, dlatego pojawienie się dodatkowego rdzenia ferromagnetycznego lub zębakoła impulsowego nie wywołuje znaczących zmian w przebiegu tego napięcia .W uzwojeniu wtórnym napięcie jest indukowane, dlatego każda zmiana w obsza-rze pola magnetycznego, w jakim znajduje się to uzwojenie, ma duży wpływ naprzebieg indukowanego napięcia . Rejestrowana zmiana to przesunięcie fazowenapięcia pomiarowego w stosunku do napięcia zadanego (rys . 3-22). Przesunięciefazowe jest tym większe, im większa jest prędkość obrotowa silnika .

58

u *

AAIL AAIL AVW VW

Do pomiaru położenia względnego wału korbowego i rozrządu oraz prędkościobrotowej silnika stosuje się dwa tego typu czujniki : jeden, mierzący impulsyz wału rozrządu, drugi - mierzący prędkość j położenie wału korbowego . Sterow-nik wysyła napięcie sinusoidalne o częstotliwości 100 kHz do czujnika wału roz-rządu, a do czujnika wału korbowego - o częstotliwości 140 kHz . Sygnałyodpowiedzi z obydwu czujników podlegają przekształceniu na formę cyfrową (rys .3-23). Przykładowo, punkt X określający opadające zbocze pierwszego impulsupo przerwie w kole imp�lsowym odpowiada 114° przed GMP pierwszego i czwar-tego cylindra. Natomiast zmiana z poziomu niskiego na wysoki w czujniku wałurozrządu odpowiada 102° przed GMP czwartego cylindra . Na podstawie obu tychinformacji można stwierdzić, czy opadające zbocze impulsu w punkcie Xoznaczapierwszy 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 pompachwtryskowych silników wysokoprężnych

Czujnik położenia zębatej listwy regulacyjnej pompy wtryskowej działa na zasa-dzie półróżnicowych przetworników indukcyjnych do pomjaru długości lub kąta(rys. 3-24). Zbudowany jest z rdzenia ze stali miękkiej 1, na którego ramionachznajdują się cewka pomiarowa 5 oraz cewka referencyjna (odniesienia) 2 . Prądzmienny, płynący ze sterownika, przepływając przez cewki wytwarza zmiennepole magnetyczne . Pierścienie 3 i 6, które otaczają każde z ramion rdzenia, osła-niają te pola magnetyczne .

Pierścień odniesienia 3 jest nieruchomy, a pierścień pomiarowy 6 jest zamo-cowany na zębatej listwie regulacyjnej pompy wtryskowej . Wraz z przemieszcze-

Czujniki indukcyjne

Rys. 3-22 . Przebieg napięciapierwotnego U, i wtórnego U,w czujniku impulsowym przypracującym silniku

Liniowy zakres pomiarowy(ok . 30 mm)

Przemieszczenie

[mm]listwy regulacyjnej s -•


59

Rys. 3-24. Budowa czujnika położeniazębatej listwy regulacyjnej rzędowej pompywtryskowej [ 1111 - rdzeń z miękkiej stali, 2 - cewkaodniesienia, 3 - pierścień zwierającyodniesienia, 4 - listwa regulacyjna,5 - cewka pomiarowa, 6 - pomiarowypierścień zwierający, s - położenie listwyregulacyjnej

niem zwierającego pierścienia pomiarowego 6 zmienia się strumień magnetyczny,a więc i napięcie cewki pomiarowej 5, przy czym sterownik utrzymuje stałą war-tość prądu zasilającego . Układ sterownika oblicza stosunek napięcia wyjściowegoUA cewki pomiarowej 5 do napięcia odniesienia U ef cewki 2 (rys . 3-25) . Jest onproporcjonalny do przemieszczenia pierścienia pomiarowego 6, a więc do prze-mieszczenia zębatej listwy regulacyjnej pompy wtryskowej . Nachylenie charak-terystyki można zmieniać przez przestawienie pierścienia odniesienia 3, a miejscezerowe poprzez nastawienie początkowego położenia pierścienia pomiarowego 6 .

Rys . 3-25 . Stosunek napięć U / U eFindukcyjnego czujnika z pierścieniamizwierającymi w zależności od położeniazębatej listwy regulacyjnej pompy [111

Czujnik położenia nastawnika dawki w rozdzielaezowej pompie wtryskowej

Do pomiaru kąta nastawienia mechanizmu sterującego dawkowaniem paliwaw elektronicznie sterowanych rozdzielaczowych pompach wtryskowych typuEDC/HDK VE stosowane są indukcyjne czujniki działające na zasadzie trans-formatora. Są to typowe bezkontaktowe czujniki przemieszczenia liniowego lubkątowego. Podobną funkcję mogą pełnić czujniki potencjometryczne, jednak czuj-niki indukcyjne są dużo bardziej odporne na warunki zewnętrzne i w dużo mniej-szym stopniu zużywają się mechanicznie (nie mają ruchomych elementówstykowych) .

Uproszczoną, jednocewkową wersję tego typu czujnika przedstawiono na rysun-ku 3-26a . Ruchoma stalowa ramka 1, połączona z osią nastawnika dawki paliwa,

60 Czujniki indukcyjne

t's4 1

E- i

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 - elementnieruchomy, 3 - cewki indukcyjne, 4 - czujnik temperatury paliwa),d- schemat elektryczny czujnika silnika VW 1 .9 TDI

przesuwa się po rdzeniu zmieniając strumień magnetyczny obejmujący cew-kę z. Na skutek tego zmianie ulega napięcie U cewki zasilanej prądem przemiennym .

W przypadku czujnika dwucewkowego (rys . 3-26c) jedno z uzwojeń zasilanejest napięciem wzorcowym U ef o określonej częstotliwości (10 kHz) . W drugimuzwojeniu indukuje się napięcie sinusoidalne U y . Sygnał pomiarowy jest przesu-nięty w fazie w stosunku do sygnału wzorcowego o 180° (rys . 3-27). Ruchomypierścień (1, rys . 3-26c) obracając się o kąt fp powoduje zmianę strumienia mag-netycznego obejmującego uzwojenia cewek. Wywołuje to zmiany amplitudy syg-nału U w drugim uzwojeniu . Są one miarą przemieszczenia kątowego ruchomegoptersctenta 1 . Przebieg sygnału referencyjnego i pomiarowego dla dwóch różnychpozycji nastawnika dawki pokazano na rysunku 3-27 . Charakterystyczny jest brakzmian przesunięcia fazowego napięć w czasie pomiaru . Natomiast znacznej zmia-nie ulega amplituda napięcia pomiarowego Uwy * Na drugiej części rdzenia znaj-duje się pierścień stały (nieruchomy). Służy on do regulacji wstępnej czujnika . Narysunku 3-26b jest przedstawiony widok ogólny tego typu czujnika, a na rysunku3-26d schemat połączenia zespołu czujnika ze sterownikiem .

M2,01,51,00,50

-0,5

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

0

M2,01,51,00,50

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

0

0,1

0,1

0,2

0,2


--,_~'-

YYYYi~

ref

0,3

re

0,3

0,4

0,4

0,5 [ms]

0,5 [ms]

61

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

Inne przykłady stosowanych w mechatronice samochodowej czujników in-dukcyjnych z cewką o ruchomym rdzeniu to czujnik położenia pedału przyspie-szenia i czujnik położenia zaworu, np . biegu jałowego silnika .

Czujniki hallotronowe

44.1 . Zasada działania i rodzajeZasadę powstawania efektu Halla przedstawiono na rysunku 4-1 . Jeśli płytkę pół-przewodnikową wykonaną z półprzewodnika mono- lub polikrystalicznego zasi-laną prądem sterującym Is umieścimy w polu magnetycznym, którego wektorindukcji B skierowany jest prostopadle do płaszczyzny tej płytki, to nośniki prądupod wpływem siły Lorentza zostaną odchylone w kierunku jednego z brzegówpłytki. To odchylenie toru przepływu nośników prądu o pewien kąt 9 spowodujepojawienie się ładunków o różnych znakach na przeciwległych płaszczyznachbocznych płytki . W rezultacie między wyprowadzeniami 3 14 pojawi się napięcieU,,, zwane napięciem Halla od nazwiska odkrywcy tego zjawiska .

UR„I,B

„d

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 wyprowadzićzależność na napięcie Halla przy zadanym prądzie sterującym Is:

I • UH

MOM-

0

•Is

(4.1)

gdzie :RH - 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 półprzewodnikoraz od indukcji zewnętrznego pola magnetycznego .

Zjawisko Halla szczególnie intensywnie występuje w półprzewodnikach z prze-wodnictwem jednego typu (elektronowym lub dziurowym), przy czym jest onotym intensywniejsze, im mniejsza jest koncentracja nośników i im większa jest ichruchliwość .

Czujniki Halla (hallotrony) wykonuje się jako lite lub naparowywane . Lite wy-cina się w postaci płytek o grubości d = 100 . ..500 pm z większego kawałka mo-nokrystalicznego (Ge, Si), lub (częściej) z materiału polikrystalicznego, mniejczułego na wpływ temperatury (InAs, InSb, HgSe, HgTe). Elektrody prądowe obej-mują całe powierzchnie boczne płytki . Elektrody napięciowe są punktowei umieszczone symetrycznie względem bocznych ścianek . Hallotrony naparowy-wane 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) przyB = const oraz UH = f(B) przy Is = const (rys . 4-2) . Charakterystyka Uf, = f(B) od-biega od liniowej przy większych wartościach prądu wskutek nagrzewania się czuj-nika. Błędy tego typu czujników powodowane są głównie zmianami temperatury,niestałością czasową oraz napięciem indukowanym w obwodzie wyjściowymprzez przemienne pole magnetyczne .

a

bUH [mV'

UH Imu]800 -

400 -

400

0

Zasada działania i rodzaje

63

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

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

64

a

1

b

c

uo

uo

min typ max

BWyl

u,yy

0


min typ max

B„,

uo

1

1

B Wyl 0 B„,

VOL

B

Rys. 4-3 . Charakterystykiróżnych typów przełącznikówHalla (B - indukcjamagnetyczna, U,,y - napięciewyjściowe z czujnika,UH - napięcie Hala) [97]a - punkty przełączania(BAI , Bwy , - wartość indukcj imagnetycznej, przy którejnastępuje przełączenie napięciawyjściowego z czujnika ;Uo, U.L - wartości napięciawyjściowego U. y z czujnika ;BHYS - histereza magnetycznaczujnika) ;b - charakterystykaprzełącznika blokującego(latching) ;c - charakterystyka przełącznikajednobiegunowego (unipolar) ;d - charakterystykaprzełącznika dwubiegunowego(bipolar)

pięcie wyjściowe U,,,, które jest mierzone na kolektorze tranzystora, zmniejsza sięskokowo od wartości Uo do UOL (rys . 4-3a) . Gdy natomiast indukcja B zmniejszasię do wartości BWył, napięcie Halla również zmniejsza się do dolnej wartości pro-gowej UH'. Powoduje to wyłączenie tranzystora, a napięcie wyjściowe Uwy rośnieskokowo do Uo . Układ taki rozpoznaje wartości graniczne napięcia Halla i prze-twarza sygnał analogowy na prostokątne impulsy napięciowe . Stosowane są rów-nież układy przełączające z przerzutnikiem Schmitta . W praktyce wartości indukcjiBwyl i B Za l , przy których następuje zmiana napięcia wyjściowego U r zawierają sięw wąskim przedziale min . . . max (rys . 4-3b) .

W działaniu czujnika Halla z układem przełączającym występuje histerezamagnetyczna BHYS (rys . 4-3a), w zakresie której napięcie przełącznika U Y nieulega zmianie. Z tego powodu do zmiany sygnału wyjściowego wymagany jestwyraźny skok wartości indukcji B - około 50 mT.

W zależności od wartości i kierunku pola magnetycznego wywołującego za-działanie układu pomiarowego czujnika przełączniki Halla można podzielić nakilka typów :- blokujące (latching sensors),-jednobiegunowe (unipolar sensors),- dwubiegunowe (bipolar sensors) .

Przełączniki blokujące (latching sensors) wymagają pola magnetycznegoo zmiennym kierunku (rys . 4-3b) . Charakterystyczne dla tych czujników jest, żesygnał wyjściowy z przetwornika nie zmienia się, jeżeli pole magnetyczne zanikado zera. W celu zmiany stanu wyjścia należy przyłożyć do płytki Halla pole mag-netyczne o polaryzacji odwrotnej do działającej uprzednio . Tego typu czujniki sąwykonywane dla symetrycznych zmian wartości pola magnetycznego względemzera, np . ±85 Gs . Spotyka się także czujniki o odwrotnym wyjściu : polaryzacjadodatnia powoduje wzrost napięcia na wyjściu, polaryzacja ujemna - spadek na-pięcia .

Przełączniki jednobiegunowe (unipolar sensors) nie wymagają zmian kierunkupola magnetycznego - polaryzacji, lecz tylko jego wartości (rys . 4-3c) . Na ogółtego typu czujniki wymagają pola magnetycznego o polaryzacji dodatniej, skiero-wanego w stronę oznakowanej krawędzi czujnika . Taki czujnik nie reaguje nazmiany pola magnetycznego o polaryzacji odwrotnej (ujemnej) .

Przełączniki dwubiegunowe (bipolar sensors) są zbliżone w działaniu do prze-łączników blokujących z tym, że nie zawsze jest spełniona zasada stałości sygnałuwyjściowego, gdy pole magnetyczne zanika do zera (rys . 4-3d). W nowych ukła-dach te czujniki są zastępowane przez czujniki blokujące .

Inny rodzaj czujników wykorzystujących zjawisko Halla, to tzw . płytkipolowe(rys . 4-4a) . Podczas oddziaływania pola magnetycznego na płytkę półprzewod-nika, w której płynie prąd, zmienia się jego impedancja pozorna . Dla małych war-tości indukcji B obowiązuje przybliżona zależność [24] :

RH = &(1+kB`)


65

(4.2)

66


gdzie :Ro- rezystancja płytki dla B = 0,k - stała zależna od materiału i wymiarów płytki .

Przy zasilaniu stałym prądem zmiana rezystancja wywołuje zmiany napięciaUR . W celu przesunięcia zakresu pracy takiego czujnika w zakres zbliżony do li-niowego płytka Halla jest poddana oddziaływaniu stałego, szczątkowego pola mag-netycznego o niewielkiej wartości indukcji (rys . 4-4a). W zakresie zbliżonym doliniowego rośnie również czułość czujnika na zmiany indukcji magnetycznej .

Jednym z rozwiązań stosowanych w pojazdach samochodowych są dwuprze-wodowe czujniki Halla, zasilane prądem stałym (rys . 4-4b) . Zmiana natężenia polamagnetycznego działającego na płytkę powoduje indukowanie się napięcia Halla,jak również zmianę rezystancji płytki . Przy stałym napięciu zasilania powoduje topulsacje prądu płynącego przez płytkę Halla . Pulsacje te są rejestrowane przez ste-rownik na podstawie pomiaru zmian napięcia na rezystorze RL (rys . 4-4b) .

a

b

O

Wysokie

Niskie

UR • O

HAL 556HAL 56x

Rys. 4-4 . Płytka polowa (a)i jej charakterystyka RB(B)(B - kąt skręcenia liniiekwipotencjalnych, tj . kąt Halla)(za zgodą wydawnictwa CarlHanser Verlag)oraz dwuprzewodowy czujnikHalla (b) i przetworzony(impulsowy) sygnał wyjściowyz tego czujnika [24], [97]

0 50 100 150


67

Zastosowanie znajdują również przełączniki różnicowe, zbudowane z dwóchpłytek Halla, magnesu stałego i wirnika ze stali magnetycznie miękkiej (rys . 4-5) .W celu uzyskania sygnału wyjściowego o odpowiednim kształcie i mocy, odle-głość między płytkami Halla powinna wynosić połowę podziałki zębów wirnika .Układ elektroniczny oblicza różnicę napięć Halla z obu płytek . Takie rozwiązaniepowoduje, że sygnał wyjściowy z czujnika zależy od różnicy indukcji magne-tycznej działającej na płytki Halla . Tranzystor wyjściowy jest przełączany w za-leżności od różnicy indukcji magnetycznej między płytkami : OB = B ł - Bz .Wartości graniczne tej różnicy Bzał t BWył są definiowane podobnie, jak dla typo-wych jednopłytkowych przełączników Halla . Biegunowość sygnałów wyjścio-wych napięcia nie zależy od wielkości szczeliny między płytkami a wirnikiem .Zmienia się tylko amplituda sygnału. Tego typu czujniki wykorzystywane są do zli-czania liczby impulsów, np . przy pomiarach drogi lub kąta.

Czujniki Halla pracuj ąw szerokim zakresie napięć zasilania : od 4,5 V do 24 VTa cecha pozwala na szerokie ich stosowanie, między innymi w pojazdach samo-chodowych .

Rys. 4-5 . Zasada działania różnicowego czujnika Halla i jego sygnał w zależności od szczelinypowietrznej1 - płytki polowe lub przetwomiki Halla, 2 - podłoże magnetyczne miękkie, 3 - magnes stały,4 - koło zębate ze stali magnetycznie miękkiej [ 11 ]

200 250

u,Y

L=2mm

3 mm

300 350 400

N

450 500B [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


Innym rodzajem czujników wykorzystujących zjawisko Halla są czujniki liniowe .Generują one analogowy sygnał napięciowy proporcjonalny do indukcji magnetycz-nej B, działającej na płytkę Halla (rys . 4-6) . Parametry charakteryzujące ten typ czuj-nika Halla to napięcie wyjściowe Uo przy zerowej indukcji magnetycznej i czułość0U IAB.

VDD

o-

GND0

Zabezpieczenieprzed zmianąpolaryzacji

Polaryzacjazależna odtemperatury

Piytka

PrzełącznikHalls

elektroniczny

i

Kontrolahisterezy

Komparator

Generator

Zabezieczeniezwarciowe

i przepięciowe

Wyjście

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 wy-maga stosowania dodatkowych układów . Zintegrowane czujniki Halla zawierają najednej płytce (single chip) wszystkie układy kompensujące zakłócenia i zwięk-szające dokładność pomiarową czujnika (rys . 4-7) .

4 .2 . Zastosowania czujników hallotronowychW technice samochodowej najczęściej wykorzystuje się czujniki hallotronowe dosterowania pracą modułów zapłonowych, jako czujniki położenia i obrotów wałukorbowego oraz wału rozrządu silnika (tzw. czujniki fazy), a także prędkości obro-towej kół w układach ABS i w układach pokrewnych . Jako czujniki liniowe sto-sowane są one np. do pomiaru kąta otwarcia przepustnicy, położenia pedałuprzyspieszenia (drive-by-wire), kąta obrotu kierownicy, stopnia otwarcia szyb i na-tężenia prądu (rys . 4-8) .

Nadajnik impulsów zapłonowych, czujnik położenia wału i prędkościobrotowejSchemat bezstykowego nadajnika impulsów zapłonowych przedstawiono na przy-kładzie synchronizatora zapłonu (rys . 4-9) . Stalowy wirnik zbudowany z przesłonS i okienek 6 obraca się wraz z wałem rozrządu silnika . Jeśli przestrzeń pomiędzybiegunem elektromagnesu 2 i czujnikiem Halla 3 jest otwarta (okienko 6), wów-czas pojawia się napięcie Halla . Wbudowany w czujnik Halla układ scalony do-datkowo wzmacnia sygnał. Jeśli natomiast w szczelinie powietrznej między

Sygnałwyjściowy0

Zastosowania czujników hallotronowych 69

c

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

70

00 20 40 60


magnesem 2 i płytką Halla 3 znajduje się przesłona stalowa 5, to linie pola mag-netycznego nie oddziałują na czujnik i napięcie Halla jest bliskie zeru (pozostająniewielkie pola rozproszone, których nie można całkowicie wytłumić) . Przebiegnapięcia Halla daje więc jednoznaczny sygnał położenia wału rozrządu, a sygnałyz tego czujnika mogą służyć do wyzwalania zapłonu . Wirnik z przesłonami ob-raca się z prędkością równą połowie prędkości obrotowej wału korbowego, a liczbaokienek odpowiada liczbie cylindrów silnika . Szerokość przesłony 5 jest dostoso-wana do wymaganego kąta zwarcia konkretnego układu zapłonowego . Kąt ten jeststały w okresie eksploatacji pojazdu i nie wymaga regulacji .

Czujnik Halla wbudowany w aparat zapłonowy umożliwia bezstykowe wyzwa-lanie impulsów napięciowych, które sąwykorzystywane przez jednostkę sterującą doprzerywania prądu w obwodzie pierwotnym układu zapłonowego i w efekcie do ge-nerowania iskry pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej .

80

100t [ms]

Rys. 4-9 . Zasada działania nadajnika impulsówzapłonowych wykorzystującego efekt Halla [2611 - wirująca przesłona stalowa z okienkami(b - szerokość segmentu), 2 - biegun magnesu,3 - płytka Halla, 4 - szczelina powietrzna,5 - stalowa przesłona, 6 - okienko

Rys. 4-10 . Przebieg sygnału z czujnikahallotronowego

Na tej samej zasadzie działa hallotronowy czujnik fazy do rozpoznawania kątowegopołożenia wału rozrządu silnika. Różnica w jego budowie polega na tym, że zamiastprzesłony i szczeliny na płytkę Halla oddziałuje ferromagnetyczne koło impulsowe zjednym występem, sprzężone z wałem rozrządu . Przetwornik taki daje na wyjściu pro-stokątny sygnał napięciowy (rys. 4-10), przetworzony przez zintegrowany z nim układelektroniczny z przerzutnikiem Schmitta . Sygnał ten może być wykorzystany do uru-chamiania wtryskiwaczy silnika lub do sterowania kątem wyprzedzenia zapłonu .

Zaletą tego typu czujników w porównaniu z czujnikami magnetoindukcyjnymijest niezmienność wartości impulsu napięcia w funkcji prędkości obrotowej orazznaczna odporność sygnału czujnika na zakłócenia . Do ich wad można natomiast

zaliczyć znaczny wpływ temperatury na efekt Halla oraz konieczność zasilaniaczujników.

Jednym z parametrów wejściowych elektronicznego modułu sterującego ukła-dem zasilania silnika jest prędkość samochodu. W celu obliczenia tej prędkościstosuje się czujnik hallotronowy VSS (Vehicle Speed Sensor), przedstawiony na ry-sunku 4-11 . Zwykle jest on wkręcany w obudowę skrzynki biegów i napędzanymechanicznie od wałka zdawczego skrzynki biegów. Linka lub wałek giętki na-pędza zespół magnesów stałych oddziałujący na czujnik Halla, umieszczonyw stojanie. Układ elektroniczny tego czujnika generuje określoną ilość impulsównapięcia na jeden obrót wałka . Częstotliwość tych impulsów jest proporcjonalnado prędkości obrotowej wałka wyjściowego skrzynki biegów, a przy poślizgu kółpojazdu bliskim zeru jest także proporcjonalna do prędkości liniowej samochodu .

a

b

Sygnał Masa

Zastosowania czujników hallotronowych

71

Rys. 4-11. Hallotronowy czujnik prędkości jazdysamochodu Lublin II (a) i układ podłączeń jegoprzewodów (b) [105]

Czujnik przyspieszeniaW czujnikach tego typu stosuje się układy ze sprężyście zamocowaną masą (rys .4-12a) . Element Halla 4 zamocowany jest do masy sejsmicznej 1 . Masa ta wy-chyla się z położenia równowagi pod działaniem siły bezwładności wywołanejprzyspieszeniem a. Element Halla przemieszcza się wraz z masą I w liniowozmiennym polu magnetycznym . Napięcie generowane w przetworniku Halla jestproporcjonalne do wychylenia masy 1 . Wychylenie to zależy od sztywności sprę-żyny 2 i od przyspieszenia działającego na czujnik . Jedno z rozwiązań konstruk-cyjnych tego typu czujnika przedstawiono na rysunku 4-12b . Do swobodnego

%2


końca sprężyny taśmowej 3 jest przymocowana masa drgająca w postaci magnesutrwałego 2. Nad magnesem znajduje się właściwy przetwornik Halla 1 z elektro-nicznym układem obróbki sygnału . Pod magnesem umieszczona jest wykonanaz miedzi mała płytka tłumika 4, działającego na zasadzie prądów wirowych . Gdyna czujnik oddziałuje przyspieszenie a, zmienia się położenie równowagi układumasa 2 - sprężyna 3. Wychylenie masy 2 jest miarą przyspieszenia . Strumień mag-netyczny 0, przenikający przez płytkę Halla 1, wytwarza w niej napięcie UH. Na-pięcie to zależy od położenia płytki względem magnesu 2, a więc od przyspieszeniaa. Wyprowadzone z płytki 1 napięcie wyjściowe, uformowane przez układ elek-troniczny, zmienia się liniowo wraz z przyspieszeniem (rys . 4-13) . Czujniki te zna-lazły zastosowanie w mechatronice samochodowej, w układachABS i stabilizacjitoru jazdy ESP, do pomiaru wzdłużnego i poprzecznego przyspieszenia pojazdu .

Czujnik wychylenia kątowegoCzujnik ten składa się z dwóch prostopadle umieszczonych płytek Halla i pozwalamierzyć kąt obrotu o zakresie do 360° (rys . 4-14) . Jest on złożeniem dwóch czuj-

a

Le $

\/

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

Un M4

3

2

1

0-1g

ppr,

0


73

lg

UX = kasino

U,, = kBcos ¢

Z obu tych sygnałów można wyznaczyć kąt ¢:

a

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

ników liniowych. Gdy magnes stały 3 obraca się względem płytek Halla 1, to płytkite poddane są działaniu zmiennego pola magnetycznego o indukcji B . Układy Hallausytuowane są równolegle do osi obrotu magnesu trwałego . Przy takim ustawie-niu płytek składowe x i y napięcia Halla UH w funkcji wirującego wektora induk-cji B można opisać za pomocą następujących równań :

0 = arctglUU

'1

(4.4)

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

Rys. 4-14. Budowa czujnika wychyleniakątowego z przetwornikami Halla [ 111- płytki Halla, 2 - wałek obrotowy,3 - magnes trwały

(4.3)

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

74


Halla proporcjonalne do wartości tej indukcji . Powstaje przy tym charakterystykasinusoidalna napięcia w funkcji kąta obrotu magnesu . Charakterystyka ma przebiegzbliżony do liniowego tylko we względnie matym zakresie zmian kąta (p w po-bliżu kąta 90° (rys . 4-15a) . W celu wydłużenia zakresu liniowego element Hallamożna przesunąć względem środka obrotu magnesu (rys . 4-15b) . Czujniki tegotypu znalazły zastosowanie w mechatronice samochodowej do pomiaru kąta obrotupedału przyspieszenia oraz położenia osi wzdłużnej pojazdu w układach automa-tycznej regulacji zasięgu świateł . Dają one sygnał analogowy.

a90 1

Ipibli~ik"irJ-

270°

0°

270°

6030

0

-30-60

6030

0

-30-60

B X [mT]

1

ik I90° 180° 70°

B [mT]

Rys . 4-15 . Zasada działaniaczujnika kąta typu ASR2z ruchomym magnesem i zmianaindukcji magnetycznej działającejna czujnik Halla [11]1 - czujnik Halla, 2 - czujnikHalla przesunięty względempunktu środkowego celemlinearyzacji charakterystyki,3 - obracający się magnes stały,(p - mierzony kąt obrotu

Czujnik kąta obrotu kierownicy

Czujniki kąta o zakresach pomiarowych większych od 360° posiadają kilka ukła-dów Halla rozmieszczonych na obwodzie stojana (rys . 4-16) . Obracająca się tar-cza zębata z miękkiej stali 2 odsłania lub przysłania pola magnetyczne działającena kolejne przełączniki Halla 3, które wytwarzają odpowiedni sygnał napięciowy.Sygnały te następnie zamieniane są na postać cyfrową, a ich suma jest proporcjo-nalna do kąta obrotu np . wału kierownicy.

Pomiar kąta obrotu większego od 360° wymaga kombinacji dwóch układówczujników. Układ dziewięciu magnesów stałych i dziewięciu płytek Halla mierzykąt obrotu w zakresie 360° . Pozostałe pięć przetworników otrzymuje kolejno im-pulsy magnetyczne przez przekładnię zębatą o przełożeniu 4 : 1 i służy do zlicza-nia 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 : mi m + 1 . Na kołach tych naklejone są magnesy stałe 4 . Oddziałują one na dwa nie-


75

Rys. 4-16. Czujnik kąta obrotu kierownicytypu LWS1 [11]1 - pokrywa z magnesami trwałymi, 2 - tarczaz materiału ferromagnetycznego, 3 - płytkaz przełącznikami Halla i mikroprocesorem,4 - napęd, 5 - przełączniki Halla, 6 - tulejkaustalająca

ruchome przetworniki magnetorezystancyjne 5, których rezystancja zmienia sięstopniowo, zależnie od kierunku zewnętrznego pola magnetycznego . Są to pół-przewodnikowe przetworniki typu AMR (Anisotroph Magneto Resistive), wyka-zujące pewien magnetyzm szczątkowy . Jeżeli natężenie zewnętrznego pola jestznacznie silniejsze od magnetyzmu szczątkowego przetwornika 5, to zmiana jegorezystancja zależy wyłącznie od kierunku zewnętrznego pola magnetycznego,czyli od kąta obrotu magnesu stałego 4 . Ponieważ koła zębate z magnesami mająróżną liczbę zębów, każde położenie kątowe wału kierownicy daje inne względneustawienie tych kół i inny kierunek pola magnetycznego od magnesów 4 . Toz kolei odpowiada określonej wartości rezystancja i spadku napięcia na prze-twornikach AMR . Mikroprocesor oblicza według określonego programu kątobrotu wału kierownicy na podstawie analizy spadków napięć na obu przetwor-nikach 5. Dokładność pomiaru kąta wynosi 1 ° obrotu wału kierownicy . W tymrozwiązaniu może być stosowany dodatkowy czujnik z pojedynczym przetwor-nikiem AMR umieszczonym w osi kierownicy . Slu2y on do pomiaru kąta w za-kresie 360°, a jego sygnał jest wykorzystywany przez układ ESP jako parametrkontrolny w stosunku do sygnału z czujnika wieloobrotowego .

76 Czujniki hallotronowe

Rys. 4-17. Zasada działania czujnika kątaskrętu kierownicy typu LWS3z przetwornikami magnetorezystancyjnymi1 - wał kierownicy z kołem zębatym ;2, 3- koła zębate o liczbie zębów m i m+l ;4 - magnesy stałe ; S - przetwornikimagnetorezystancyjne (AMR) ; 6 - układelektronicznego przetwarzania sygnału

Czujnik kąta obrotu w układzie regulacji położenia reflektorów

W układzie kontroli pochylenia wzdłużnego samochodu zastosowano dwa czujnikikąta obrotu, zamocowane do nadwozia z przodu i z tyłu pojazdu (rys . 4-18). Czuj-niki połączone są dźwigniowo z osią kół lub elementami ich zawieszenia . Zmianapołożenia nadwozia względem osi kół zamieniana jest przez układ dźwigniowyna obrót pierścienia magnetycznego w czujniku . Powoduje to zmianę pola mag-netycznego przenikającego przetwornik Halla umieszczony w statorze czujnika .Zmiana indukcji magnetycznej wywołuje zmianę napięcia Halla proporcjonalnądo przemieszczenia dźwigni łączącej czujnik z zawieszeniem, a więc do ugięcia za-wieszenia. Do sterownika docierają sygnały z czujników ugięcia zawieszeniaprzedniego i tylnego. Wartość sygnałów bieżących porównywana jest z sygnałamiugięcia statycznego, obliczana jest też różnica sygnałów z przedniego i tylnegoczujnika. W zależności od wartości różnicy i jej znaku sterownik opracowuje syg-

nastawnik sterownikregulatora regulatora

wi$zki światła ~światła

czujnikzaliggu

wiązlu kmah

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


77

nał wysyłany do silników krokowych regulujących ustawienie reflektorówz uwzględnieniem prędkości samochodu. Przy stałej prędkości jazdy regulacjaustawienia reflektorów odbywa się stopniowo, z dużym tłumieniem, aby nie prze-regulowywać ich ustawienia przy wjeździe na przypadkowe nierówności jezdni(dziury, występy), ale dostosować je do nachylenia. W czasie przyspieszania lubhamowania przechyły wzdłużne nadwozia są uwzględniane natychmiast, dyna-micznie, a regulacja ustawienia reflektorów przez silniki krokowe odbywa się beztłumienia. Taki dynamiczny sposób regulacji jest ważny zwłaszcza przy stosowa-niu świateł z lampami wyładowczymi (tzw . ksenonowymi), w których efekt olśnie-waniajest szczególnie intensywny.

Czujnik prędkości obrotowej w układzie ABSCzujnik ten dokonuje detekcji prędkości obrotowej na podstawie impulsów zmien-nego pola magnetycznego pochodzących od koła z zamontowanym pierścieniem mul-timagnetycznym (rys . 4-19). Zasada działania jako przełącznika napięcia pozwala na

t

b

Rys. 4-19 .Hallotronowy czujnikprędkości obrotowej koław układzie ABSz pierścieniemwielobiegunowyma - budowa [111i sygnał pomiarowy [1211b - widok

7$


pomiar prędkości obrotowej niemal od wartości zerowej . Dodatkową zaletą jest maławrażliwość na wielkość szczeliny powietrznej między czujnikiem a wirnikiem .

Czujnik prędkości obrotowej koła samochodu współpracuje z pierścieniemskładającym się z wielu napylonych minimagnesów . Jest on częścią uszczelnieniapiasty łożysk koła. Pierścień z magnesami obracając się razem z kołem powoduje,że na płytkę Halla (występują także rozwiązania z dwiema płytkami) działa stru-mień magnetyczny o zmiennym kierunku . Ponieważ sygnały otrzymywane z ele-mentu Halla mają małą wartość, powinny najpierw być wzmacniane, a następnieprzesyłane do sterownika. W zastosowaniu do pomiaru prędkości kół samochodustanowi to znaczne utrudnienie . Częściej stosuje się zasadę działania płytek polo-wych Halla (patrz rys . 4-4) . Czujnik połączony jest ze sterownikiem przewodemdwużyłowym i zasilany prądem o stałym napięciu, które może wynosić od 4,5 do20 V. Z zasady działania płytek polowych wynika, że podczas oddziaływaniazmiennego pola magnetycznego na płytkę polową zmienia się jej impedancja, awięc przy stałym napięciu zmianie ulega prąd płynący w obwodzie płytki . Częs-totliwość zmian prądu jest proporcjonalna do zmian pola magnetycznego od seg-mentów pierścienia wielobiegunowego, a więc do prędkości obrotowej koła . Układelektroniczny w sterowniku zamienia sygnał prądowy analogowy na impulsy, na-dające się do dalszej analizy cyfrowej . Możliwy jest również pomiar częstotliwo-ści zmian napięcia na rezystorze dodatkowym RL (patrz rys . 4-4b). Przy stałejwartości napięcia zasilającego czujnik zmiany jego impedancja powodują pulsacjeprądu zasilającego i zmiany napięcia na rezystorze RL z częstotliwością propor-cjonalną do prędkości obrotowej koła samochodu .

Rys. 4-20. Cęgi prądoweo zakresie pomiarowymdo 60 A (z lewej)oraz do 600 A

a [Al6005404804203603002401801206000,0

b[A]

-125-150-175-200-225-250-275-300-325-350-375

0,0

0,2

0,2

0,4

0,4


79

Zaletą czujników Halla jest możliwość pomiaru prędkości obrotowej kół sa-mochodu od wartości bliskiej zeru . Wynika to z faktu, że sygnały z tych czujnikówzależą od indukcji pola magnetycznego, która przy zerowej prędkości obrotowejrównież ma określoną wartość . Czujniki stosowane w układach ABS mogą byćwyposażone w układ różnicowy z dwoma przetwornikami Halla i układ rozpo-znawania kierunku prędkości obrotowej . Jest to funkcja wykorzystywana do uła-twienia ruszania pojazdem pod górę . Jeżeli czujnik prędkości obrotowej kołasygnalizuje jazdę do tyłu, a jednocześnie nie włączono biegu wstecznego, to syg-nał ten uruchamia układ ABS, przyhamowując koła . Możliwe jest również za-działanie elektrycznego hamulca postojowego . Jest to tzw. funkcja hill holder. Ponaciśnięciu na pedał przyspieszenia siła hamująca zanika .

Czujnik natężenia prąduJest to czujnik Halla, zamontowany w tzw. cęgach prądowych, służących do bez-demontażowego pomiaru natężenia prądu w instalacji elektrycznej (rys . 4-20) .Znajdują one zastosowanie w pomiarach natężenia prądu rozruchowego silnikaoraz prądu pobieranego przez inne urządzenia w samochodzie . Zacisk tego przy-

~wZ~1~,r1TJ~~j~~

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4Cęgi prądowe - zakres 600 A

1,6

~ti'1~~1tT~lT~IT~1i1~tI~LT~1~~I1~Ta

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4Cęgi prądowe - zakres 600 A

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

1,6

1,8

1,8

2,0[s]

[s]2,0

80

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

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

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


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

A : [nap . AKUM .] 2 .0 V 1 DIV

A= 13.49VB : p (niewidoczny)C: [Prąd rozruchu] 200 A 1 DIV

C = 0.00 AD: [Obn 1 min] (niewidoczny)

D = . .. Obr.1 min

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

rządu (cęgi) obejmuje przewód, w którym płynie prąd elektryczny. Wokół tegoprzewodu istnieje pole elektromagnetyczne, działające na czujnik Halla umiesz-czony w cęgach. Powstające w czujniku napięcie Halla jest proporcjonalne do in-dukcji pola elektromagnetycznego, a to z kolei do natężenia prądu płynącegow przewodniku. Przykład pomiaru prądu rozruchowego silnika o zapłonie iskro-wym i silnika o zapłonie samoczynnym przedstawiono na rysunku 4-21 . Stoso-wane są cęgi o różnym zakresie pomiarowym, np . do 60 A do pomiaru prąduo mniejszym natężeniu i do 600 A do pomiaru prądu rozruchowego silnika .

ABCD

Czujniki potencjometryczne

5.1 . Zasada działania

Potencjometr jest rezystorem nastawnym, umożliwiającym płynną, wielokrotnązmianę wartości rezystancji . Styk rezystora może poruszać się ruchem postępo-wym, obrotowym lub śrubowym . Do cech charakterystycznych potencjometrównależą: rezystancji znamionowa, własności części oporowej, moc oraz charakterzmian rezystancji w funkcji położenia suwaka .

W potencjometrze ślizgowym (rys . 5-1) do celów pomiaru wykorzystuje sięzależność 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] .

R

i Uo

T

5

Rys. 5-1 . Schemat elektryczny potencjometruUo - napięcie zasilania, R - całkowita rezystancji ścieżkiprzewodzącej, R, - rezystancji ścieżki przewodzącej do miejscapołożenia ślizgacza, Rm - rezystancji wewnętrzna ślizgacza i przyrządupomiarowego, U, - sygnał pomiarowy

Na podstawie rozwiązania szeregowo-równoległego układu rezystorów możnazapisać :

I-Uo-U, oraz I=(U -U)& +R,

(5 .2ab)R-R,

o

R,&

$2


Z powyższych zależności można wyznaczyć związek między sygnałem po-miarowym a rezystancją R, proporcjonalną do położenia suwaka na ścieżce opo-rowej potencjometru :

U, = UoA (5 .3)

R-R,+Agdzie :

A =R,RmR,+k

Prąd płynący przez rezystancję Rm powinien być pomijalnie mały, to znaczyRm »R1 . Dla R.-oo jest :

R,R

R,- R,

(5 .4)R, + R

R, / R,,, + 1

Na podstawie zależności (5 .3) i (5 .4) można zapisać :

U, = UoR

(5 .5)Ponieważ napięcie zasilania Uo wpływa na wynik pomiaru, musi ono być stabili-zowane .

Potencjometry w mechatronice samochodowej są wykorzystywane jako czuj-niki położenia liniowego lub kątowego o maksymalnym kącie obrotu 270° . Jakościeżki przewodzące wykorzystuje się rezystory drutowe, spieki metaloceramicznelub tworzywa przewodzące . Połączenie ślizgowe zwykle realizowane jest za po-mocą drugiej ścieżki stykowej pokrytej materiałem niskorezystancyjnym . Zużyciepotencjometru i błąd pomiaru można zmniejszyć poprzez zminimalizowanie prąduodprowadzenia przez suwak (I < 1 mA), optymalny dobór pary ślizgowej suwak-ścieżka oraz zapewnienie szczelności układu .

W niektórych rozwiązaniach potencjometry są dodatkowo wyposażane w stykizwierające, których sygnał informuje jednostkę sterującą o charakterystycznymstanie pracy układu ; np. dla potencjometru przepustnicy jest to styk biegu jało-wego i styk pełnego obciążenia .

5.2 . Zastosowania czujników potencjometrycznychCzujniki położenia przepustnicy

Typowy czujnik położenia przepustnicy działa na zasadzie potencjometru obroto-wego. 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) . Izolo-wane bieżnie są zasilane stabilizowanym napięciem 5 V. Podczas ruchu przepust-nicy styk ślizgacza 3 przesuwa się wzdłuż ścieżki oporowej 1 . Wraz z obrotemprzepustnicy połączonej z ramieniem ślizgacza następuje zmiana rezystancji

ścieżki 1 na odcinku pomiędzy ślizgaczem 3 a masą . Proporcjonalnie do zmianytej rezystancji zmienia się napięcie mierzone pomiędzy masą a wyjściem ze śliz-gowej ścieżki stykowej 2 . W ten sposób następuje zamiana wielkości mechanicz-nej - kąta obrotu przepustnicy na wielkość elektryczną- napięcie proporcjonalnedo kąta obrotu. Czujnik jest zasilany napięciem stabilizowanym 5 V, a sygnałemwyjściowym z czujnika jest napięcie z zakresu od 0,5 V do około 4,5 V Czujnikma trzy styki wyjściowe oraz styk sygnalizacji położenia biegu jałowego . Jest toczujnik jednościeżkowy, stosowany w układach zasilania silników, w których doobliczeń dawki paliwa wykorzystuje się przede wszystkim pomiar wydatku bądźciśnienia powietrza w układzie dolotowym .

1

lJA0,95

UV 0,8

0,6

0,4

0,20,12

0

Bieg Wy +5 Vjałowy

Zastosowania czujników potencjometrycznych

83

30

60

90

120Kąt otwarcia przepustnicy [°]

O Wyj§cie

O Masa

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 stykowabiegu jałowego

Rys. 5-3 . Typowa charakterystykaczujnika położenia przepustnicyz pojedynczym potencjometrem [105]UA/U„- stosunek napięcia wyjściowegodo napięcia zasilania

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

84

parametrem korygującym dawkę paliwa (czas otwarcia wtryskiwacza) oraz kątwyprzedzenia zapłonu . W przypadku uszkodzenia czujnika pomiaru wydatku po-wietrza lub czujnika ciśnienia w kolektorze dolotowym pomiar położenia prze-pustnicy ułatwia sterowanie dawką paliwa .


+5V

Wyjście 1 Wyjście 2

Masa

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

W zastosowaniach, w których czujnik położenia przepustnicy stanowi głównyczujnik obciążenia silnika (brak przepływomierza), stosuje się czujnik o dwóchpotencjometrach, z dwoma zakresami kąta, w celu uzyskania zwiększonej do-kładności pomiaru małych kątów otwarcia przepustnicy . Pełny zakres otwarciaprzepustnicy, od biegu jałowego aż do pełnej mocy, został podzielony na dwie czę-ści (rys . 5-4) : zakres pomiaru małego wychylenia (ścieżka oporowa 2) i zakres po-miaru dużego wychylenia (ścieżka oporowa 4) . Obydwu ścieżkom oporowymprzyporządkowane są bieżnie prowadzące (ścieżki stykowe) 1 15, tzw. bieżnie ko-lektorowe. Ramię 6 ma cztery ślizgacze odpowiadające dwóm bieżniom pomia-

Rys. 5-5 . Zależność sygnałównapięciowych z czujnika położeniaprzepustnicy od kąta wychyleniaprzepustnicy [1051


85

rowym (oporowym) i dwóm prowadzącym (kolektorowym, stykowym) . Bieżniaoporowa i kolektorowa są połączone poprzez ślizgacz. Pomiar napięcia międzystykami wyjściowymi bieżni 1 i 2 pozwala rozpoznawać otwarcie przepustnicy wzakresie kąta otwarcia od 0° do 24° . Pomiar napięcia między stykami wyjścio-wymi bieżni 4 i 5 pozwala rozpoznawać otwarcie przepustnicy od 18° do 90° . Wzakresie od 18° do 24° obie ścieżki pracują synchronicznie, dając różne sygnały(rys . 5-5) .

W systemach zasilania, w których zastosowano układ elektronicznego stero-wania przepustnicą (układ E-Gas), potencjometr przepustnicy pełni funkcję czuj-nika kontrolującego stopień otwarcia przepustnicy przez silnik krokowy i działaw układzie sprzężenia zwrotnego . Sygnał z tego czujnika służy do kontroli, czyprzepustnica otwierana silnikiem elektrycznym przyjmuje położenie wynikającez kąta obrotu pedału przyspieszenia . Kąt ten również mierzony jest potencjomet-rycznie. Ze względów bezpieczeństwa są zastosowane dwie ścieżki pomiarowe,których charakterystyki rezystancyjne przebiegają przeciwbieżnie (rys . 5-6) . Narysunku 5-7 pokazano przebieg napięcia z takiego czujnika. W przypadku uszko-dzeniajednej ze ścieżek pomiarowych zostaje włączony program awaryjny, w któ-rym do sterowania przepustnicą jest wykorzystywana druga, sprawna ścieżka

mUCfGŃTNNw

0

Stopień otwarcia przepustnicy

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

Ścieżka pom . 1

$cieżka pom . II

111111111I >

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 przepustnicyo przeciwbieżnych charakterystykach [93] ; zakres od biegu jałowego do pełnego otwarciai zamknięcia przepustnicy

86


potencjometru. W celu zapewnienia odpowiedniej dokładności pomiaru położe-nia kątowego przepustnicy podczas długiego okresu eksploatacji silnika, działanieukładu sterowania otwarciem przepustnicy jest kontrolowane . Proces ten polega nazadawaniu przez sterownik znanej wartości sygnału otwarcia do silnika elek-trycznego przepustnicy i sprawdzeniu odpowiedzi w postaci sygnału z potencjo-metru przepustnicy. Sygnał ten powinien posiadać określoną wartość . Jeżeli różnisię od wartości zaprogramowanej, oznacza to, że kąt otwarcia przepustnicy jestniezgodny z zaprogramowanym, a sygnał otwarcia podawany do silnika kroko-wego otwarcia przepustnicy powinien być skorygowany . Jest to tzw. processamoadaptacji . Wartość średnia napięcia z dwóch ścieżek czujnika powinna byćstała i może być parametrem kontrolnym stanu ścieżek potencjometru .

Czujnik zwykle zamontowany jest na zespole przepustnicy, stanowiąc z nimcałość (rys. 5-8 i 5-9)

Rys. 5-8 . Widokjednościeżkowegoczujnika położeniaprzepustnicy

Rys. 5-9 . Dwuścieżkowy czujnik położenia przepustnicy w zespole wtryskowym BoschMono-Motronic [105, 9411 - płytka przepustnicy, 2 - pokrywa czujnika, 3 - zespół wtryskowy, 4 - ślizgacz,5 - oś przepustnicy, 6 - łożyska osi przepustnicy

Przepływomierz powietrza z tarczą spiętrzającą

W niektórych systemach wtrysku benzyny (np . wersje układu L-Jetronic, wczesnewersje układu Motronic) ocena obciążenia silnika dokonywana jest poprzez pomiarobjętości zasysanego powietrza za pomocą tzw . przepływomierza z tarczą spięt-rzającą, umieszczonego między filtrem powietrza a przepustnicą. Mierzy onobjętościowe natężenie przepływu powietrza (stąd nazwa : przepływomierzobjętościowy) . Uwzględniając aktualną gęstość powietrza można na tej podstawieobliczyć masowe natężenie przepływu . Ten parametr pozwala na obliczenie pod-stawowej dawki paliwa przez program sterujący układem wtryskowym . Pomiar na-tężenia przepływu powietrza umożliwia również korekcję dawki paliwauwzględniającą zmiany stanu technicznego silnika podczas jego eksploatacji .Zmiany luzów zaworowych i czasów otwarcia zaworów, zmiana oporów przepływupowietrza przez filtry oraz zużycie mechaniczne układu tłok-cylinder-zawory mająwpływ na wartość podciśnienia w układzie dolotowym silnika i na natężenie prze-pływu powiettza. Pomiar tego parametru pozwala uwzględnić stopień zużycia sil-nika przy obliczaniu dawki paliwa tak, aby utrzymać skład mieszanki w zakresieoptymalnym ze względu na toksyczność spalin . Mówiąc ogólnie, układ taki mamożliwość adaptacji składu mieszanki do aktualnego stanu technicznego silnika .

Schemat i przykład konstrukcji przepływomierza powietrza z tarczą spiętrza-jącą przedstawiono na rysunkach 5-10 i 5-11 . Powietrze zasysane przez silnik od-chyla tarczę spiętrzającą 2, pokonując siłę sprężyny powrotnej . Ruchomy stykpotencjometru obracający się wraz z osią tarczy spiętrzającej zmienia rezystancjęukładu pomiarowego. Zmiana rezystancji i związana z nią zmiana napięcia na wyj-ściu z potencjometru pozwala jednostce sterującej rozpoznać położenie tarczyspiętrzającej i obliczyć objętość zasysanego powietrza . Tarcza kompensacyjna 7wraz z objętością tłumiącą 6 zapobiega nadmiernym drganiom tarczy pomiarowej2, spowodowanym pulsacjami zasysanego powietrza lub gwałtownymi zmianamiobciążenia silnika. Jej powierzchnia jest równa powierzchni przesłony spiętrzają-cej. Wkręt regulacyjny składu mieszanki biegu jałowego 1 umożliwia korekcję

Rys. 5-10 . Schemat budowyprzepływomierza powietrzaz tarczą spiętrzającą [34]1 - wkręt regulacyjny składumieszanki biegu jałowego(w silnikach bez sondy lambda),2 - przesłona (tarcza)spiętrzająca, 3 - zawór zwrotny(bezpieczeństwa), 4 - czujniktemperatury powietrza,5 - wyjścia potencjometrupomiarowego, 6 - komoratłumienia drgań przesłonypomiarowej, 7-przesłonakompensacyjna


ó%

$$


ilości powietrza, które przechodzi przewodem obejściowym przepływomierza (bezpomiaru). W ten sposób możliwa jest zmiana zawartości CO w spalinach podczaspracy na biegu jałowym . Ta regulacja wykorzystywana jest w silnikach bez sondylambda. W pojazdach z układem regulacji z sondą lambda wkręt 1 służy tylko dowstępnego (fabrycznego) wyregulowania natężenia przepływu powjetrza na biegujałowym. W przesłonę spiętrzającą 2 wbudowany jest zawór zwrotny 3 . Jego za-danie to zabezpieczenie przesłony spiętrzającej przed uszkodzeniem w przypadkunagłego wzrostu ciśnienia w kolektorze dolotowym silnika .

Rys. 5-11 . Widok objętościowego przepływomierza powietrza po zdjęciu pokrywy bocznejz potencjometrem (a) [26] (1 - tarcza kompensacyjna, 2 - objętość tłumiąca, 3 - kanał obejściowy,4 - tarcza spiętrzająca, 5 - wkręt regulacji składu mieszanki biegu jałowego) ; widokpotencjometru przepływomierza powietrza firmy Bosch (b)

Ćm mUO pN N ac€o2a2Yv a)0.

Eą;

UAUv

SygnałZasilanie +5 V

wyjściowy1

02

30 04 05

Rys. 5-12 . Schemat elektrycznyprzepływomierza powietrzaz potencjometrem [1051

W układzie elektrycznym przepływomierza znajduje się rezystor kompensa-cyjny (styk 5 na rys . 5-12). Pomjar zmjan rezystancji tego rezystora pozwala naczęściowe wyeliminowanie wpływu zmian temperatury na działanie potencjo-metru .

Dokładne dawkowanie ilości wtryskiwanego paliwa wymaga wyznaczeniamasy zasysanego powietrza podczas obliczeń dokonywanych przez jednostkę ste-rującą, ponieważ przebieg procesu spalania zależny jest bezpośrednio me od ob-

jętości, którą mierzy przepływomierz, lecz od masy powietrza . W tym celu w prze-pływomierz wbudowany jest czujnik temperatury powietrza (patrz rozdz . 6) - ter-mistor typu NTC (rzadziej PTC) . Pomiar temperatury pozwala na wyznaczeniegęstości zasysanego powietrza . Następnie, na podstawie sygnału z przepływo-mierza objętościowego i informacji o gęstości powietrza, obliczana jest wartośćproporcjonalna do masy powietrza zasysanego .

UA 1Uv

0,8

0,6

0,4

0,2

0 100

Przepływomierz

200


89

300 400 500Q [M 3/hl

Rys. 5-13 . Charakterystyka objętościowegoprzepływomierza powietrzaz potencjometrem o układzie pomiarowymprzedstawionym na rys . 5 .12 [105]UA/Uv - stosunek napięcia sygnałuwyjściowego 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 przepły-womierza o zwiększonej niezawodności . Jeżeli nastąpiłoby przerwanie ścieżkiprzewodzącej potencjometru głównego r„ to zadanie przewodzenia prądu przej-muje równolegle podłączony rezystor r, . Taki układ zapewnia przesyłanie sygnałunapięciowego 1 nawet w przypadku uszkodzenia ścieżki rezystora głównego rf .

Napięcie zasilania wynosi 5 V. Sygnał napięciowy z potencjometru zmniejsza sięprzy wychylaniu tarczy pomiarowej przepływomierza, czyli w miarę wzrostu na-tężenia przepływu powietrza . W układzie elektrycznym przepływomierza znajdujesię również wyłącznik zasilania pompy paliwa . Przy unieruchomionym silniku(brak przepływu powietrza) styki wyłącznika są otwarte i mimo włączonego za-

90


plonu zasilanie pompy paliwa jest przerwane . Podczas uruchamiania silnika, gdywystąpi przepływ powietrza, wychylenie tarczy spiętrzającej powoduje zwarciestyku wyłącznika pompy.

W zakresie niewielkiego uchylenia tarczy spiętrzającej w celu uzyskania sta-bilnej pracy silnika na biegu jałowym konieczne jest zwiększenie czułości poten-cjometru przepływomierza . W tym celu stosuje się ścieżki pomiarowe o zmiennejszerokości . Taki potencjometr posiada charakterystykę krzywoliniową, np . hiper-boliczną (rys. 5-15) .

6

4

2

0 10 20

30 40 50 60 70 80 90 100Kąt wychylenia tarczy spiętrzającej a [°]

01

Rys. 5-15. Sygnał napięciowy potencjometru przepływomierza powietrza o charakterystycehiperbolicznej [26]

UMA5,0-5,4-4,8-4,23,6-3,0-2,4-1,8-1,2-0,6-

1

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 [ms]

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

Przykładowy przebieg sygnału napięciowego z przepływomierza powietrzaz tarczą spiętrzającą przedstawiono na rysunku 5-16 . Poziom napięcia około 1 Vodpowiada natężeniu przepływu powietrza na biegu jałowym silnika . Podczasprzyspieszania napięcie wzrasta proporcjonalnie do natężenia przepływu powiet-rza. Pik napięciowy o wartości około 4 V spowodowany jest właściwościami dy-namicznymi tarczy spiętrzającej . Pulsacje napięcia wynikają z pulsacji przepływupowietrza w kolektorze dolotowym i drgań tarczy spiętrzającej . Przy szybkim za-mykaniu przepustnicy i zmniejszaniu prędkości obrotowej silnika napięcie mie-rzone gwałtownie obniża się . Wartość napięcia po zamknięciu przepustnicy zależy


91

od tego czy układ zasilania ma zawór powietrza dodatkowego uruchamiany przezsterownik, czy jest to układ bez tego zaworu . Jeżelj w układzie zasilania znajdujesię taki zawór, to utrzymuje on niewielkie otwarcie przepustnicy po zdjęciu nogiz pedału przyspieszenia, co powoduje przepływ powietrza, wychylenie tarczy po-miarowej i sygnał napięcjowy wyższy niż przy biegu jałowym silnika . Napięcie tostopniowo maleje wraz z zamykaniem zaworu powietrza dodatkowego, aż do war-tości odpowjadającej natężeniu przepływu na biegu jałowym . Wartość napięciaprzy zamkniętej przepustnicy zależy również od aktualnej prędkości obrotowejsilnika .

Czujnik położenia pedału przyspieszenia

W układach zasilania silników z automatycznie sterowanym otwarciem przepust-nicy, w których brak jest mechanicznego połączenia pedału przyspieszenia z prze-pustnicą, stosowany jest czujnik położenia pedału przyspieszenia . Czujnik tenprzekazuje do systemu sterowania sygnał analogowy o wartości zależnej od kątaobrotu pedału . Jest to sygnał wskazujący na zamjar zmiany wielkości obciążeniasilnika przez kierowcę . W celu zapewnienia niezawodności działania i związanegoz tym bezpieczeństwa jazdy stosuje się równolegle dwa czujniki położenia pedałuprzyspieszenia : dwa niezależne od siebie potencjometry pracujące w układzie rów-noległym (rys. 5-17) . Charakterystyki tych potencjometrów (rezystancje w funk-cji kąta obrotu pedału przyspieszenia) różnią się od siebie . Do wyznaczenia kątaobrotu pedahz wykorzystuje się wartość średnią napięcia z dwóch potencjomet-rów. Pozwala to na obliczenie kąta obrotu z większą dokładnością, niż przy po-miarze z pojedynczego potencjometru . Porównanie zmierzonej różnicy napięćmiędzy tymi potencjometrami z wartością zadaną dla sprawnego układu może byćparametrem diagnostycznym pozwalającym wykryć uszkodzenie czujnika . W sa-mochodach z automatyczną skrzynką biegów stosowany jest dodatkowy styk ma-

Łącznik

UC

TNNo_

Czujnik 1Czujnik 2

Położenie pedałuprzyspieszenia

Czujnik położeniapedału przyspieszenia

Pedał przyspieszenia

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

92


ksymalnego wciśnięcia pedału przyspieszenia (tzw . styk kick-down) . Sygnał na-pięciowy 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 obupotencjometrów pedału przyspieszenia. Obliczenie wartości średniej tych sygna-łów pozwala zminimalizować wpływ przypadkowych zakłóceń .

W nowych rozwiązaniach oddzielny czujnik położenia pedału przyspieszeniajest zastępowany przez zintegrowany moduł pedału przyspieszenia (rys . 5-19) .Moduł taki stanowi całość konstrukcyjną, zawierającą pedał przyspieszenia orazczujnik jego kątowego położenia. Do zalet takiego rozwiązania należy zaliczyć

5,44,84,2

3,6

3,0

2,41,8

1,2

0,6

9 ∎0

0,2

Czujnikpełnego

wciśnięciapedału

przyspieszenia

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 biegujałowego do pełnego otwarcia i zamknięcia przepustnicy

Pokrywamodułu

Rys. 5-19. Schemat zintegrowanego modułupedału przyspieszenia [105]

Zastosowania czujników potencjometrycznych 93

zwartą konstrukcję, lekkość, niewielki koszt montażu oraz niższy koszt produkcjiw porównaniu z oddzielnie wykonywanymi pedałem i czujnikiem jego położenia .

Przykładowe parametry czujnika położenia przepustnicy podano w tablicy .

Parametry czujnika położenia przepustnicy

Czujniki poziomu paliwa i kąta obrotu kierownicyCzujniki potencjometryczne w sygnalizatorach poziomu paliwa (rys. 5-20) są zbu-dowane z rezystora drutowego lub ciągłej ścieżki oporowej . Charakterystyka na-pięciowa tego czujnika musi uwzględniać kształt zbiornika paliwa . Sygnał

z czujnika powinien być proporcjo-nalny do zmian objętości paliwa, a niedo zmian jego poziomu . Przy skompli-kowanych kształtach zbiornika wymagato stosowania ścieżki oporowej o nieli-niowo zmieniającej się rezystancji .

W potencjometrycznym czujnikupołożenia (kąta obrotu) kierownicy(rys. 5-21) konieczne jest dodanie syg-nalizatora liczby obrotów koła kierow-nicy oraz kierunku obrotów lub zasto-sowanie przekładni zmniejszającej licz-bę obrotów między wałem kierownicya osią suwaka potencjometru . To drugierozwiązanie zmniejsza dokładność po-miaru kąta obrotu .

Czujniki wykorzystujące potencjo-metryczną zasadę pomiaru mają wielezalet, takich, jak : prosta konstrukcja,dobra odporność na zakłócenia, dużadokładność, szeroki zakres pomiarowy,szeroki zakres temperatur pracy orazbrak konieczności stosowania elemen-tów elektronicznych. Tym zaletom to-warzyszą jednak także pewne wady -

Rys. 5-20. Zintegrowany zespół pompy paliwar regulatorem ciśnienia i potencjometrycznym:zujnikiem poziomu paliwa z pływakiem-amieniowym

Rezystancja 1 . . .5 k0

Błąd nieliniowości 1 . . .3%Zakres temperatur pracy Od -40 do 160°C

Trwałość 10 mln pełnych cykli otwarcia100 mln częściowych cykli (R,<10 kn-m/2 ms i 30 Hz)

Zasilanie 5 V DC ±10%Napięcie wyjściowe 5 . . .95% napięcia zasilania

Prąd 1 . . .5 mA

94

Rys. 5-21 . Wygląd zewnętrznypotencjometrycznego czujnika kąta skrętu kołakierownicy układu stabilizacji toru jazdy ESP


zużycie cierne i związane z tym po-wstawanie błędów pomiarowych, ogra-niczona możliwość miniaturyzacji orazgenerowanie zakłóceń (szumów) .

Inne przykłady zastosowań czujni-ków potencjometrycznych w technicesamochodowej to :- pomiar ciśnienia powietrza w układziedolotowym (barometr),- pomiar położenia zębatej listwy regu-lacyjnej rzędowej pompy wtryskowej,- pomiar kątowego położenia nastaw-nika dawki paliwa rozdzielaczowejpompy wtryskowej,- pomiar położenia zaworu układu re-cyrkulacji spalin EGR .

Czujniki termistorowe


W mechatronice samochodowej do pomiaru temperatury wykorzystuje się czujnikirezystancyjne o rezystancji zmieniającej się wraz z temperaturą . Są to elementyprodukowane jako zwoje drutowe, spieki ceramiczne, folie cienko i grubowar-stwowe lub monokryształy.

Do przekształcenia charakterystyki rezystancyjne-temperaturowej w charakte-rystykę napięciowe-temperaturową stosuje się zwykle dwie metody :- przetwarzanie napięciowe,- wymuszenie prądem zasilającym .Przetwarzanie napięciowe polega na zasilaniu czujnika stałym napięciem Uo i po-miarze spadku napięcia UA na rezystorze pomiarowym (rys . 6-1). W obwodzieczujnika znajduje się dodatkowy, neutralny temperaturowe rezystor Rv lub układrezystorów. Znając wartość rezystancji R l, można obliczyć napięcie UA zależne odoporności R, a pośrednio od temperatury T

UA (T) = UoR(T) (6.1)

R(T) + Rv

Zadaniem rezystancji R, jest również dostrojenie charakterystyki czujnika docharakterystyki wymaganej i zapewnienie odpowiedniej wartości rezystancjiw temperaturze odniesienia . Dostrojenie to można uzyskać za pomocą układu re-zystorów: szeregowego i równoległego .

Metoda wymuszenia prądem zasilającym polega na zasilaniu czujnika prądemo ściśle określonej wartości I o i pomiarze napięcia UA (rys . 6-2) .

UA (T) = I0R(T)

(6.2)

96

5,0

4,0

3,0

2,0

1,0

0

Rv

R(T)

0

UA(T)

Rys. 6-1 . Przetwarzanie napięciowecharakterystyki termistora [11]U0- napięcie zasilające,R(T) - rezystor pomiarowy,U4(T) - napięcie wyjściowe,R, - neutralny temperaturowe rezystordodatkowy lub układ rezystorów


Taki czujnik, konstrukcyjnie prostszy, wymaga stosowania rezystorów pomia-rowych R(T) o ściśle określonej, powtarzalnej charakterystyce oraz układu stabi-lizacji prądu zasilania.

Termistor' jest rezystorem półprzewodnikowym, którego rezystancji silnie za-leży od temperatury. Wartość bezwzględna współczynnika temperaturowego re-zystancji dla termistora jest znacznie większa od współczynnika temperaturowegorezystancji dla metali (rys . 6-3) .

0 200 400 600 ['Cl 800

O

•

O

R(T)

Rys . 6-2 . Przetwarzanie charakterystykitermistora przez wymuszanie prądemzasilającym [11]10 - prąd zasilający,Ua (T) - napięcie wyjściowe,R(T) - rezystor pomiarowy

Rys. 6-3 . Charakterystykatemperaturowa termistora typu NTCw porównaniu z charakterystykamitypowych rezystorów metalowych [ 16]

Podstawowymi parametrami termistorów są : rezystancji znamionowa, współ-czynnik temperaturowy rezystancji, maksymalna temperatura pracy i maksymalna

' Nazwa „termistor" (z ang . thermistor) jest połączeniem dwóch słów: „termiczny" + „rezystor"(thermal + resistor)

\,<Termistor

moc. W zależności od przebiegu charakterystyki rezystancyjno-temperaturowej(rys. 6-4) termistory dzielą się na :- termistory typu NTC (Negative Temperature Coefficient) o ujemnym współ-czynniku temperaturowym rezystancji,-termistory typu PTC (Positive Temperature Coefficient) o dodatnim współczyn-niku temperaturowym rezystancji,-termistory CTR (Critical Temperature Resistor) o skokowej zmianie rezystancji .

W samochodowej technice pomiarowej dwa pierwsze rodzaje termistorów wy-korzystywane są do pomiarów temperatury, a termistory typu CTR jako przełącz-niki .

10 000R [knl

1000

100

10

1

0,1

0,01

0,00120

kL, wwF'

wild_•3

2

60 100 140

Zasada działania

9%

180

220T ['Cl

Rys. 6-4 . Zależność rezystancjitermistorów od temperatury [16]1 - termistor NTC, 2 - termistor PTC,3 - termistor CTR

Termistory NTC

Tego typu termistory wykorzystuje się najczęściej w pojazdach samochodowychjako czujniki temperatury. Wykonuje się je ze spieków tlenków metali takich, jak :mangan, nikiel, kobalt, tytan, miedź, żelazo, glin i wanad . Są one spiekane w kształtperełkowy lub płytkowy, mają strukturę polikrystaliczną i są bezpośrednio łączonez przewodami ze stopów platyny . Drugą grupę stanowią termistory z metalizowa-nymi powierzchniami stykowymi. Dzięki dużej czułości pomiarowej, trwałości orazniskim kosztom wytwarzania, najczęściej używane są rezystory półprzewodnikowez tlenków metali ciężkich . Ich charakterystyka rezystancyjno-temperaturowa zależyod składu i proporcji zastosowanych tlenków oraz od technologii ich formowania .

Charakterystykę termometryczną termistora NTC można opisać zależnością :

R(T) = Roe r r°

gdzie :R(T) - rezystancji w temperaturze T [K],Ro - rezystancji w temperaturze odniesienia,

(6.3)

98


fl - stała zależna od rodzaju materiału termistora,T - temperatura pracy [K],To - temperatura odniesienia równa 273,15 K .

Producenci termistorów podają wartość stałej /3 w kilku zakresach temperatury,np .: 0 . . .50°C, 25 . . .85°C, 25 . . .125°C. Z zależności (6 .3) można wyznaczyć zależ-ność temperatury od zmian rezystancji :

T =

InR(T)

+ 1

(6 .4)Ro

To

Współczynnik temperaturowy rezystancji definiowany jest jako względnazmiana rezystancji przypadająca na jednostkę zmiany temperatury :

1 dR

a Ro dT

(6 .5)

Podstawiając za R wartość R(T) z zależności (6.3) i różniczkując otrzymuje się :

a = - p

(6 .6)T

Z powodu nieliniowości tej charakterystyki podawane wartości współczynnikaa odnoszą się do konkretnej wartości temperatury lub wąskiego jej przedziału . Zewzrostem temperatury współczynnik ten silnie maleje . Typowa wartość współ-czynnika temperaturowego rezystancji zawiera się w granicach od-2 do -8 %/°C .Silna zależność temperaturowa i nieliniowość powodują, że termistor wykorzys-tuje się zwykle w określonym przedziale jego charakterystyki o szerokości dookoło 200°C (rys . 6-5). Termistory typu NTC mają bardzo szerokie zastosowaniejako czujniki rezystancyjno-temperaturowe . Stosowane są również w układach za-bezpieczeń prądowe-czasowych lub napięciowe-prądowych .

40 80

120

Rys. 6-5 . Charakterystyka temperaturowaT [°C]

termistorów NTC [1241

Zasada działania

99

Termistory PTC

Elementy te wykonuje się jako metalowe, np . platynowe, niklowe, miedziane lubkrzemowe (półprzewodnikowe) . Charakterystykę metalowego termistora PTCmożna opisać ciągiem [ 111 :

R(T) = AJ I + a0T + P(AT)2 + . . .]

(6 .7)

gdzie :!1T - przyrost temperatury (!1T= T- To ),To - temperatura odniesienia,a, p - współczynniki temperaturowe .

Współczynnik /3 termistorów wykonanych z metali jest mały, jednak wystę-puje niewielka nieliniowość charakterystyki R(T) . Dla tego typu przetwornikówpodawana jest średnia wartość współczynnika temperaturowego w przedziale0 . ..100°C, obliczanego jako :

a

R(T,,) - R(TO )

(6.8)PT`=

100R(To )

Termistory metalowe typu PTC w porównaniu z termistorami NTC charaktery-zują się następującymi własnościami : dobrą dokładnością i stabilnością czasową,mniejszą czułością temperaturową (a z 0,8%/°C), korzystniejszą charakterystyką li-niowości i dobrą powtarzalnością. Charakterystyka rezystancyjno-temperaturowatermistora PTC zależy od przyłożonego napięcia . Z tego powodu napięcie zasilaniaczujnika musi mieć określoną, stałą wartość . Czujniki te wykonuje się na wspólnejpłytce drukowanej, integrującej cienkowarstwowe rezystory metalowe i rezystorywyrównawcze . Dzięki zastosowaniu odpowiedniego materiału nośnika ceramicz-nego lub z tworzywa sztucznego i warstwy ochronnej odpornej na wpływ agresyw-nego środowiska czujniki te mogą być stosowane w trudnych warunkach pracy .

Termistory typu PTC są również wykonywane jako krzemowe . Mają one wów-czas czułość pomiarową około dwa razy większą od metalowych, ale ich charak-terystyka jest bardziej nieliniowa (progresywna - rys. 6-6) . Zakres pomiarowytych czujników jest ograniczony i na ogół wynosi do około 150°C, a w wykona-niach specjalnych do 300°C [11] .

Termistory PTC mogą być wykonywane jako klasyczne czujniki temperatury,lub jako przełączniki (termistory typu CTR) . W tym przypadku są zbudowanez polikrystalicznych, ceramicznych materiałów ze specjalnymi domieszkami (np .itru, manganu, tantalu) . Termistory tego typu mają niewielki, ujemny współczyn-nik temperaturowy w zakresie niskich temperatur (rys . 6-7) . Natomiast w miaręwzrostu temperatury następuje bardzo szybki wzrost oporności . Temperatura przej-ścia TTR termistora CTR definiowana jest jako temperatura, w której oporność ter-mistora osiąga odpowiednią wartość w stosunku do oporności minimalnej : RTR =kRmi n (np . k = 2, 10 - w zależności od założeń producenta) . Temperatura przejściaTTR odpowiada zgrubnie punktowi Curie materiału, z którego wykonany jest ter-mistor. Termistory typu CTR, ze względu na dynamiczną zmianę rezystancji z tem-

100

Crujniki termistorowe

R [kQ]

2,0

1,6

0 100 200T ['C]

Czujnik temperatury cieczy chłodzącej silnika zbudowany jest z termistora typuNTC umieszczonego w metalowym korpusie (rys . 6-8) . Termistor ma określoną re-

zystancję w temperaturze 25°C (np .10 6 równą R,5 = 2,9 kn) . Charakterystyka

R [n]

takiego termistora opisana jest rów-naniem T = -aln(R„)+b, gdzie R r to

105

rezystancja termistora [kf2] w tempe-raturze T, a a i b - stałe. Gdy dokład-ność wykonania rezystora pomia-rowego jest niewystarczająca, do-

104 puszcza się dostrojenie przetwornikaza pomocą dodatkowych rezystorów,których zadaniem jest zapewnienie

10 3 odpowiedniej wartości rezystancjaw temperaturze odniesienia, zmianawartości temperaturowego współ-

102

czynnika rezystancja oraz zmiana po-chylenia charakterystyki . Czujnik

T

temperatury zasilany jest napięciem10

80 T

1R20 160

5 V z centralnego urządzenia sterują--

-40 0

40 80cego. Sterownik otrzymuje z czujnika

ys. 6-7 . Charakterystyka rezystancyjno-

sygnał (napięcie), którego wartośćmperaturowa termistora typu CTR o skokowej

zmienia się wraz ze zmianą tempera-mianie rezystancja- temperatura rze ścig (skoku o umości)

tury cieczy chłodzącej .

200

Tra

P J

p

Rp(25°C) 4„,i„

C1 20

T ['Cl

R-tez

Rys . 6-6. Charakterystyka temperaturowakrzemowego termistora PTC [ 11 ]

peraturą, mogą być stosowane np. w bezpiecznikach prądowych, układach rozru-chowych silników elektrycznych, układach zmiany pola elektromagnetycznegocewek (demagnetyzacyjnych), bezpiecznikach ze zwłoką czasową (time delay)oraz termostatach .

6.2 . Zastosowania czujników termistorowych

b

Zastosowania czujników termistorowych

101

Podstawowe dane techniczne czujnika temperaturysilnika o zapłonie iskrowym z układem wtryskowym Multec [941

Rys. 6-8. Termistorowy czujniktemperatury silnikaa - schemat (1 - uszczelka,2 - część gwintowana,3 - złącze elektryczne,4 - korpus,5 - rezystor pomiarowy,6 - ciecz chłodząca)b - widok czujnika temperaturycieczy chłodzącej(1 - sygnalizacja temperaturydo sterownika silnika,2 - sygnalizacja temperaturysilnika na tablicy rozdzielczej)

Informacja z czujnika wykorzystywana jest przez jednostkę sterującą do celówregulacji (korekcji) wielkości dawki wtryskiwanego paliwa oraz regulacji kąta wy-przedzenia zapłonu . Korekcja wielkości dawki wtryskiwanego paliwa w zależno-ści od temperatury silnika polega głównie na :maksymalnym wzbogacaniu dawki w fazie zimnego rozruchu,utrzymywaniu zwiększonej dawki w fazie nagrzewania silnika,

Temperatura pracy od -40 do +130°C

Błąd pomiaru 2 . . .5%

Maksymalny prąd zasilania 1 mA

Napięcie zasilania < 5 V

1 02


- optymalizacji dawki paliwa po osiągnięciu przez silnik określonej temperaturypracy (np . 68°C), od której regulacja dawki paliwa odbywa się w pętli zamknię-tej, w sprzężeniu z sygnałem z sondy lambda o zawartości tlenu w spalinach .

Korekcja kąta wyprzedzenia zapłonu w zależności od temperatury cieczy chło-dzącej odnosi się do trzech zakresów temperatury. W zakresie niskich temperaturzwiększanie kąta wyprzedzenia zapłonu ma na celu podwyższenia temperaturyspalin i przyspieszenie rozgrzewania katalizatora . Zmniejszanie kąta wyprzedze-nia zapłonu umożliwia poprawę stabilności pracy nierozgrzanego silnika, jeżeliten pracuje nierównomiernie. Jeżeli natomiast temperatura płynu chłodzącego jestzbyt wysoka, kąt wyprzedzenia ulega zmniejszeniu w celu uniknięcia spalania stu-kowego .

W przypadku, gdy z czujnika temperatury otrzymywany jest błędny sygnał (naskutek usterki czujnika albo przerwy lub zwarcia w obwodzie), jednostka sterującaprzyjmuje temperaturę zastępczą zapisaną w programie i sterowanie pracą silnikaodbywa się w trybie awaryjnym .

Czujnik temperatury cieczy chłodzącej silnik umieszcza się w kolektorze do-lotowym (jeśli jest on podgrzewany cieczą chłodzącą), w kadłubie silnika lub przytermostacie .

Rys . 6-9. Wygląd zewnętrznytermistorowych czujnikówtemperaturya - czujnik temperatury cieczychłodzącej, b - czujnik temperaturypowietrza zasysanego

a b

Przykłady zastosowań czujników termistorowych w samochodach :- pomiar temperatury silnika (cieczy chłodzącej),- pomiar temperatury powietrza w przewodzie dolotowym,- pomiar temperatury oleju silnikowego,- pomiar temperatury paliwa,- pomiar temperatury wnętrza pojazdu,- pomiar temperatury na zewnątrz pojazdu .

Czujniki termoelektryczne (termopary)


Zależnie od rodzaju zjawiska termoelektrycznego rozróżnia się dwa rodzaje tegotypu czujników .

Pierwszy to czujniki termoelektryczne, w których wykorzystuje się zjawi-sko Peltiera . Zjawisko to polega na pochłanianiu lub wydzielaniu się ciepław miejscach połączeń dwóch różnych przewodników, przez które płynie prądelektryczny. Moc pochłaniana lub wydzielana N jest proporcjonalna do natęże-nia prądu I:

N = jrI

(7.1)

gdzie :n - współczynnik Peltiera .

Czujniki te znalazły zastosowanie w chłodnictwie i w technice komputero-wej .

Drugi rodzaj to czujniki termoelektryczne, w których wykorzystuje się zja-wisko Seebeka . Zjawisko to polega na powstawaniu siły elektromotorycznej mię-dzy końcami metalowego przewodnika, gdy końce te mają różne temperatury :

U = cAT

(7.2)gdzie :U - napięcie termoelektryczne,c - współczynnik Seebeka (stała termoelektryczna charakterystyczna dla mate-

riału przewodnika),OT - różnica temperatur między końcami przewodnika .

Ponieważ pomiar napięcia U między punktem pomiaru temperatury i drugimkońcem przewodu na ogół jest niemożliwy, stosuje się dwa przewody z różnychmetali, połączone na końcu (rys . 7-1 i 7-4) . Końcówki przewodów łączone są

104


przez spawanie lub zgrzewanie. Umieszczone w punkcie pomiaru temperaturytworzą tzw . termoparę. Natomiast napięcie AU mierzone jest między „zimnymi"końcami tych przewodów. Układ taki stanowi złącze dwóch różnych metali. Mię-dzy ich końcami „gorącymi" i „zimnymi" występują różne spadki napięcia U,i U2 . Pozwala to zmierzyć różnicę potencjałów między „zimnymi" końcami tychdwóch przewodów będącą różnicą spadków napięć na poszczególnych przewo-dach z uwzględnieniem znaków napięć : AU = U I - U2 . Jeżeli połączylibyśmydwa przewodniki z tego samego metalu, to spadki napięć U I i U2 byłyby równe,a różnica potencjałów DUna „zimnych" końcach wynosiłaby zero . W celu osiąg-nięcia większej wartości napięcia na „zimnych" końcach termopary, kojarzy sięmateriały o różnych znakach stałej termoelektrycznej, np . żelazo/konstantan(tabl . 7-1) . Jeżeli połączymy te dwa materiały, to uzyskamy napięcie termoelek-tryczne na „zimnych" końcach równe 5,28 mV/100°C . Złącze wykonane z NiCri NiAI generuje napięcie 12,2 mV, przy różnicy temperatur 300°C między „zim-nymi" i „gorącymi" końcami tych przewodów (rys . 7-1). Tego typu czujniki sto-sowane są zwłaszcza do pomiaru wysokich temperatur, rzędu kilkuset i więcejstopni C .

Chromel (NiCr)

300°C

Alumel (NiAI)

0

12,2 mV

0

7.2 . Rodzaje i charakterystyka termopar

Przykładowe wartości napięcia termoelektrycznego wybranych metali i krzemuprzedstawiono w tabl . 7-1 . Napięcie to odnosi się do połączenia materiał/pla-tyna .

Tabl . 7-1 . Napięcie termoelektryczne wybranych materiałów [11]

Rys. 7-1 . Termopara chromel/alumel(NiCr/NiA1) [1161

Materiał Napięcie termoelektryczne [mV/100°ClKonstantan -3,4Nikiel -1,9Pallad -0,28Platyna 0Manganin 0,6

Miedź 0,75

Żelazo 1,88

Krzem 44,8

70 00060 000

S 50 000140 000

w 30 000Q

Z 20 000

-300

10 000

0-10 000

-250

Rodzaje i charakterystyka termopar

500

1000Temperatura [°C]

Temperatura [°C]

-200

-150

-100

1500

-50

0

Rys. 7-2 . Charakterystyki termopar dla wysokich i niskich temperatur ;oznaczenia według tabl . 7-2 [116]

Tabl. 7-2 . Rodzaje termopar oraz ich parametry termiczne elektryczne [118]

2000

-1000-2000-3000-4000-5000-6000-7000-8000-9000

-10 000

Si

UN

f0Z

105

Oznaczenietermopary

Rodzaj materiału Zakres temperatur, napięcietermoelektryczne

B Platyna 30%/Rod (+) 1370 . . .1700°C,Platyna 6%/Rod (-) 41 µV/°C

C WSRe (Tungsten 5%/Ren) (+)W26Re (Tungsten 26%/Ren) (-)

1650 . . .2315°C

E Chromel/Konstantan 95 . . .900°C,68 µV/°C

J Żelazo/Konstantan 95 . . .760°C

K Chromel/Alumel (NiCh/NIAI) 95 . . .1260°C

N Nicrosil (Ni/Sil) 650 . . .1260°C,10 µV/° C

Platyna 13%/Rod (+) 870 . . .1450°C,10 µV/°C

Platyna 10%/Rod (+) 980 . . .1450°C,<I0 µV/°C

Miedź/Konstantan od -200 do +350°C

106

Um [MVI

40

30

20

10

400


WERAFW,Am

F/,Am800 1200 T 1°Cl

Przewody stanowiące termoparę mają niewielką długość, natomiast przedłu-żenie do miejsca odbioru sygnału wykonuje się przewodami kompensacyjnymi,np . miedzianymi (rys . 7-4) . Obydwa przewody kompensacyjne muszą być wyko-nane z takich samych materiałów. Końce tych przewodów, zarówno od strony ter-mopary, jak i od strony pomiaru napięcia, powinny znajdować się w takiej samejtemperaturze . Temperatura ta stanowi temperaturę odniesienia i powinna byćznana. Zmierzone napięcie odpowiada różnicy temperatur między punktem po-miaru (położenia „gorących" końców), a końcami przewodów kompensacyjnych .W celu pomiaru temperatury bezwzględnej układ pomiarowy termopary wypo-saża się w dodatkowe elementy. Zwykle jest to dodatkowy termistor mierzący tem-peraturę odniesienia. Pozwala to na uzyskanie bezwzględnej wartości mierzonejtemperatury. Sama termopara mierzy bowiem różnicę temperatur między punktempomiarowym a miejscem odbioru sygnału .

Zwiększenie napięcia pomiarowego można uzyskać przez połączenie wielu ter-moelementów w szereg i umieszczenie ich „gorących" końców w miejscu pomiaru .Jest to tzw. stos termoelektryczny. „Zimne" końce termopar umieszcza się w takiejsamej temperaturze odniesienia .

l-09

RRys. 1-3 . Charakterystykitermopar [ 1111 - miedż/konstantan,2 - żelazo/konstantan,3 - chromonikiel/nikiel,4 - platynorod/platynaU„, - napięcie termoelektryczne

B

2

3

4Rys. 7-4 . Układ pomiarowy termopary [11]1 - miejsce pomiaru („gorące złącze"), 2 - przyłącza, 3 - przewody kompensacyjne, 4 - miejsceodbioru sygnału, 5 - przewody układu pomiarowegoA i B - przewody termopary, Uth - napięcie termoelektryczne, TM - temperatura mierzona,TR - temperatura odniesienia

Rzeczywista zależność napięcia termoelektrycznego od temperatury nie jestidealnie liniowa . Linearyzacja sygnału i jego wzmocnienie realizowane są przezzintegrowany z termoparą układ elektroniczny . Układ ten w postaci karty pomia-rowej pozwala automatyzować komputerową rejestrację pomiaru .

Rodzaje i charakterystyka termopar

107

Rys. 7-5 . Termopara igłowa Fe/CuNi firmy Czaki z przewodami kompensacyjnymii elementem mocującym

W mechatronice samochodowej tego typu czujniki temperatury stosowane sąrzadko. Wykorzystuje się je natomiast w pracach badawczych i kontrolnych, np .w badaniach silników spalinowych na hamowniach .

Przykłady zastosowań to :- pomiar temperatury spalin,- pomiar temperatury okładzin ciernych hamulców,- pomiary temperatury elementów silnika .

Czujniki masowego natężeniaprzepływu (termoanemometry)

88.1 . Zasada działaniaTermoanemometry są czujnikami masowego natężenia przepływu czynnika . Ichzasada działania polega na pomiarze natężenia prądu potrzebnego do utrzymaniastałej temperatury elementu grzanego elektrycznie, omywanego przez strugę prze-pływającego czynnika lub na pomiarze różnicy temperatur rezystorów, umiesz-czonych w strudze powietrza, a podgrzewanych oddzielnym grzejnikiem .

Termoanemometr z „gorącym drutem"Gdy przez element grzejny (cienki drut lub płytkę) płynie prąd elektryczny, roz-grzewa się on do temperatury zależnej od rezystancji drutu R i prądu I. Jeśli ele-ment ten jest równocześnie opływany przez jakieś medium (czynnik), np .powietrze, to powstaje równowaga pomiędzy mocą doprowadzaną N (prądu)a mocą odprowadzanąN (chłodzenia) :

gdzie :ż 1 - przewodność cieplna przepływającego czynnika [J/(m •s•K )],4T- różnica temperatur elementu grzanego i opływającego go czynnika,c l -współczynnik proporcjonalności zależny od wymiarów elementu grzejnego* .

* Prawo przewodnictwa cieplnego ogrzewanego materiału można wyrazić równaniem :

Q,=k,TsAT

gdzie :Qc - ilość ciepła przepływającego przez powierzchnię S,1 1

- współczynnik przewodzenia ciepła ogrzewanego materiału [J/(m •s-K)l,r

- czas przewodzenia,s

powierzchnia przewodząca materiału ogrzewanego,d

grubość części przewodzącej,OT

różnica temperatur między żródłem ciepła a powierzchnią pobierającą ciepło .

Stąd moc przewodzenia ciepła można wyrazić równaniem : N, = Q` = c, X, AT , gdzie c, = S/d.T

N = N (8.1)I=R = c l ż, AT (8.2)

Zasada działania

109

Doprowadzana moc prądu jest więc proporcjonalna do różnicy temperatur ele-mentu grzejnego i opływającego go czynnika oraz do przewodności cieplnej czyn-nika. Według pracy [111 pomiędzy mocą grzewczą a natężeniem przepływuczynnika Qm w przybliżeniu zachodzi związek :

I2R-c,( Qm +cz)AT

(8.3)

gdzie c2 to stała reprezentująca straty ciepła na skutek konwekcji przy nierucho-mym medium .

Natomiast w pracy [32] podany jest związek :

PR - AT(c, +~21rdc,Qm )

(8.4)

gdzie :c, - przewodność cieplna powietrza,d - średnica grzanego drutu,c, - pojemność cieplna powietrza,Qm - wydatek powietrza .

Na podstawie zależności (8 .3) związek między prądem grzejnym 1 i wydat-kiem Qm przybiera postać :

I - R ( Q7, + c, )AT

(8.5)

Jeżeli przyjąć, że strata ciepła przez konwekcję jest mała w stosunku do stratchłodzenia pneumatycznego (c 2 z 0), to masowy wydatek przepływającego czyn-nika Q,,, będzie zależał od czwartej potęgi prądu grzewczego :

I4 RZQm = c_AT2

(8.6)

Podobny związek otrzymujemy po przekształceniu zależności (8.4) .Powyższa zależność stanowi matematyczny zapis zasady działania termoane-

mometru .Natężenie przepływu czynnika oblicza się na podstawie pomiaru prądu I ko-

niecznego do utrzymania stałej, zadanej różnicy temperatur OT elementu grzej-nego i otaczającego go medium. Jeżeli temperatura napływającego czynnikazmienia się, to powinna zmieniać się również temperatura elementu grzanego, abywartość AT pozostała stała . Takie rozwiązanie uwzględnia wpływ temperaturyczynnika i jego gęstości na pomiar wydatku masowego . Realizuje się to przezciągłe porównywanie rezystancji elementu grzanego i kompensacyjnego, utrzy-mywanego w strudze przepływającego medium (rys . 8-la). W praktyce stałośćróżnicy temperatur ATuzyskiwana jest za pomocą układu mostkowego, w którymznajdują się rezystor grzany i kompensacyjny . Wysokooporowy i niepodgrzewanyrezystor kompensacyjny wykonany z tego samego materiału, co element grzany,umieszczony jest w strudze powietrza . Prąd płynący przez „gorący element" RlI jesttak regulowany, aby uzyskać stałą zadaną nadwyżkę temperatury AT w stosunkudo temperatury rezystora kompensacyjnego Rh. ( stałą różnicę rezystancji) .

110

a

R

Czujniki masowego natężenia przepływu (termoanemometry)

b

RT

4T

Układgrzewczy

RT

Rys. 8-1 . Zasada pomiaru natężenia przepływu przy użyciu termoanemometrówa - z „gorącym drutem", h - kalorymetrycznego ;RH - rezystor grzany - pomiarowy, RK - rezystor kompensacyjny, R, i R, - rezystory pomiarowe

Przepływomierz kalorymetrycznyTego typu przepływomierze budowane są z rozdziałem funkcji grzewczej i po-miarowej (rys . 8-1 b) . Rezystor grzewczy H ogrzewa przepływające powietrze,a to z kolei nagrzewa rezystor R Z . Rezystor R, spełnia rolę rezystora kompensa-cyjnego, uwzględniającego temperaturę napływającego powietrza . Różnica tem-peratur rezystorów R, i R, jest proporcjonalna do masowego natężenia przepływupowietrza. Zmiana ilości ciepła przepływającego przez przekroje, w których znaj-dują się te rezystory może być wyznaczona z zależności :

OQ,. = cPmAT

(8.7)

gdzie :cp - ciepło właściwe powietrza

Ta ilość ciepła otrzymywana jest z grzanego elektrycznie rezystora H. W sta-nie równowagi cieplnej doprowadzana energia prądu jest równoważna ilości ciepłaOQc . Równanie bilansu mocy można zapisać jako :

I'R cpmAT

(8.8)T

Masowe natężenie przepływu wynosi :

m I Z RQ,„ = i = c AT

(8.9)

Warunkiem poprawności pomiaru jest stała moc dostarczana do grzejnika,a dokładność metody zależy od dynamiki przepływu powietrza .

8.2 . Rodzaje i zastosowania termoanemometrówPrzepływomierz powietrza z termoanemometrem drutowym

W pojazdach samochodowych termoanemometry znalazły zastosowanie do po-miaru natężenia przepływu powietrza w układach dolotowych silników . W ukła-

a

b1,

/////%//////%//

PIP

PIP

%/////~~D>

Erom

Rodzaje i zastosowania termoanemometrów ill

Rys. 8-2 . Widok i budowa przepływomierzamasowego z „gorącym drutem" R. BoschGmbH (a) oraz jego schemat elektryczny (b)[11,3411 - płytka przyłączy elektrycznych, 2 - obwódhybrydowy obejmujący układ elektrycznymostka, układ kompensacji temperatury orazukład eliminacji zakłóceń, 3 - rurawewnętrzna, 4 - rezystor precyzyjny,5 - element z „gorącym drutem", 6 - rezystorkompensacji temperatury, 7- siatka ochronna,8 - obudowaQM - przepływ powietrza, RH- rezystor grzany(„gorący drut"), RK -rezystor kompensacjitemperatury, R, i R, - rezystory wyrównawczemostka, R „ - rezystor pomiarowy, IH - prądgrzewczy, Uu - napięcie pomiarowe,t,~ - temperatura powietrza

dach tych prawie zawsze występuje przepływ turbulentny (liczba Reynoldsa**Re > 1200) . Przepływomierze analizujące sygnały elektryczne mierzą przepływyszybkozmienne znacznie precyzyjniej od przepływomierzy spiętrzających : zwęż-kowych lub klapowych . Z tych powodów oraz ze względu na mniejszą masę i ilośćzajmowanego miejsca, w kolejnych generacjach systemów wtryskowych benzynyzastępuje się mechaniczne przepływomierze elementami elektronicznymi . Przy-kładowo, 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


mierz powietrza przepływomierzem masowym z „gorącym drutem" (układ LH--Jetronic, rys . 8-2) . Jest on umiejscowiony pomiędzy filtrem powietrza a prze-pustnicą . Mierzy masowe natężenie przepływu powietrza pobieranego przez silnik,będące najwłaściwszą miarą obciążenia silnika . Na tej podstawie wyznaczany jeststan obciążenia silnika oraz precyzyjnie dobierana dawka paliwa (czas otwarciawtryskiwacza paliwa) . Zasysane powietrze przepływa wokół podgrzewanego elek-trycznie platynowego drutu oporowego 5 o średnicy 0,07 mm, ochładzając go .Drut jest podgrzewany tak, by jego temperatura była zawsze o 130 . . .150°C wyższaod temperatury zasysanego powietrza . Temperatura powietrza jest obliczana napodstawie pomiaru rezystancji rezystora 6 umieszczonego przed „gorącym dru-tem". Zgodnie z zasadą działania termoanemometru wartość prądu podgrzewają-cego drut jest miarą natężenia przepływu powietrza, więc stanowi informacjęo aktualnym obciążeniu silnika. Natężenie prądu jest tym większe, im intensyw-niejsze jest chłodzenie drutu, a tym samym im większa jest masa zasysanego po-wietrza. Zanieczyszczenia i osady na drucie pomiarowym mogą fałszować wynikpomiaru. Dlatego po każdorazowym unieruchomieniu silnika temperatura drutuzostaje na krótko podniesiona do około 1000°C w celu wypalenia zanieczyszczeń .Zaletą tego przepływomierza jest szybkość reakcji . Może on identyfikować pul-sacje 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 słu-żący do kompensacji wpływu temperatury powietrza zasysanego 2. Różnica tem-peratur między tymi rezystorami powinna być stała . Ze wzrostem przepływupowietrza zmniejsza się temperatura rezystora grzanego i zmienia się jego rezys-tancja, co powoduje nierównowagę mostka . Wzmacniacz różnicowy 3 mierzy róż-nicę spadków napięć na rezystorach 1 12 i reaguje na niewyrównoważenie przezpodniesienie napięcia polaryzacji tranzystora zasilającego 4 . Obwód regulacyjnytak dawkuje prąd grzewczy do rezystora 1, aby utrzymać stałą różnicę spadków na-

zasilanie

Rys. 8-3 . Schemattermoanemometruz gorącym drutem1 - rezystor nagrzewany,2 - kompensatortemperatury powietrza,3 - wzmacniaczróżnicowy, 4 - tranzystormocy,U4 - sygnał wyjściowy

Un M5

1

0 0

a

500

Rodzaje i zastosowania termoanemometrów

113

i1000

1500Q [kg/h]

pięć na rezystorze grzanym 1 i rezystorze 2 o temperaturze przepływającego po-wietrza. Prąd grzewczy wytwarza na precyzyjnym rezystorze 1 sygnał napięcia,który w określonym zakresie natężenia przepływu można przyjąć jako proporcjo-nalny do masowego wydatku powietrza (rys . 8-4). Sygnał ten jest przekazywanydo sterownika. Taka zasada pomiaru uwzględnia wpływ temperatury i gęstości po-wietrza, które współdecydują o ilości ciepła oddawanego przez gorący drut .

Większość termoanemometrów generuje tzw . napięciowy sygnał wyjściowy .Spotykane są też czujniki z częstotliwościowym sygnałem wyjściowym, bardziejodpornym na zakłócenia elektromagnetyczne . Sterowany napięciowe oscylator za-mienia wahania napięcia na sygnał częstotliwościowy, który jest kierowany dourządzenia sterującego . W celu ustalenia częstotliwościowej charakterystyki po-miarowej przepływomierze są kalibrowane w dwóch punktach krańcowych . Przy-kładowo, w algorytmie obliczeniowym dolny zakres przedziału częstotliwości

b

Rys. 8-4 . Charakterystykaprzepływomierza powietrzaz termoanemometrem drutowym [ 1051

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

1 14

Czujniki masowego natężenia przept~ (termoanemometn ,)

wynosi 2475 Hz t4%, co odpowiada przepływowi powietrza około 5 g/s . Górnagranica częstotliwości wynosi 8140 Hz ±4%, co w przybliżeniu odpowiada prze-pływowi powietrza 80 g/s . Ponieważ w przewodzie dolotowym występują silnepulsacje oraz asymetria przepływu powietrza, przepływomierze są kalibrowane wwarunkach ich rzeczywistej zabudowy w układzie dolotowym silnika .

Przykładowy przebieg sygnału napięciowego z przepływomierza powietrzaz „gorącym drutem" przedstawiono na rysunku 8-6 . Poziom napięcia około 1 V od-powiada natężeniu przepływu powietrza na biegu jałowym silnika . Podczas przy-spieszania napięcie wzrasta proporcjonalnie do natężenia przepływu powie-trza. Następnie widoczny jest spadek napięcia spowodowany dynamiką przepływupowietrza. W dalszej części charakterystyki, przy ustalonym otwarciu przepust-nicy i stopniowym wzroście obrotów silnika, napięcie wzrasta stopniowo, propor-cjonalnie do wzrostu natężenia przepływu . Pulsacje napięcia wynikają z pulsacjiprzepływu powietrza w kolektorze dolotowym . Przy szybkim zamykaniu prze-pustnicy i zmniejszaniu prędkości obrotowej silnika gwałtownie maleje natężenieprzepływu powietrza, a napięcie mierzone obniża się do wartości, która wynikaz zadziałania (otwarcia) zaworu powietrza dodatkowego . Przy otwartym zaworzeprzepływ powietrza jest większy niż na biegu jałowym, co można stwierdzić napodstawie wartości napięcia . Napięcie to stopniowo maleje, aż do wartości odpo-wiadającej natężeniu przepływu na biegu jałowym .

5,0

4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,50,0

0,0

avVVv'~1i~%vvLv4.A.v4vMt.~

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

2,0t [s]

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

Przepływomierz powietrza z termoanemometrem warstwowymPrzepływomierze termoanemometryczne z „gorącym drutem" (HLM, patrz rys . 8-2) są podatne na drgania oraz uszkodzenia mechaniczne pochodzące od przepły-wającego powietrza . W związku z tą wadą zastępowane są przez bardziej zwartei trwalsze termoanemometry warstwowe (HFM) . W przepływomierzu z termoa-nemometrem warstwowym wszystkie trzy elementy (drut platynowy, czujnik tem-


115

peratury i precyzyjny rezystor pomiarowy) są zespolone jako rezystory warstwoweumieszczone na spieku ceramicznym . Rezystor w postaci gorącej warstwy możeznajdować się w głównym strumieniu powietrza (typ HFM2, rys . 8-7), lub bocz-nikowe, poza strumieniem głównym (typ HFM5, rys . 8-9) . W przypadku umiesz-czenia bocznikowego jest on mniej narażony na zanieczyszczenia i pulsacjeprzepływu 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 za-pewnia szybką reakcję na zmjany natężenia przepływu powietrza .

Czujnik warstwowy z płytką pomiarową (rys . 8-8) jest bardziej odporny nawstrząsy i zakłócenia elektromagnetyczne w porównaniu z czujnikiem z cienkiegodrutu platynowego . Element pomiarowy przepływomierza warstwowego zostajepodgrzany do temperatury 180°C powyżej temperatury zasysanego powietrza .W tych warunkach nie ma potrzeby dodatkowego wypalania zanieczyszczeń, po-nieważ następuje samooczyszczanie powierzchni . Cecha charakterystyczna tegoprzepływomierza 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

a

QM


UM

Rys. 8-8 . Schemat płytki pomiarowej przepływomierza z termoanemometrem warstwowymR. Bosch GmbH (a - strona czołowa płytki pomiarowej, b - strona tylna płytki) i schematelektryczny przepływomierza (c) [ 1111 - podłoże ceramiczne, 2 - nacięcia izolacji termicznej, 3 - stykiR, - grzejnik, RS - rezystor czujnika przepływu ogrzewany przez grzejnik RH (pomiar spadkunapięcia), RA. - 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 sięwraz z temperaturą . Spadek napięcia na tym rezystorze jest miarą jego temperatury .Układ mostkowy utrzymuje temperaturę grzejnika Rtt i rezystora RS na stałym po-ziomie względem rezystora kompensacyjnego Rh . Podczas ochładzania elementugrzejnego przez przepływające powietrze maleje rezystancja tego elementu, co po-woduje wzrost płynącego prądu i silniejsze ogrzewanie. Wartość prądu podgrze-wającego rezystor Rtł lub spadek napięcia na rezystorze R bezpośrednio zależą odmasowego natężenia przepływu powietrza .

Przepływomierz powietrza z termoanemometrem warstwowymrozpoznającym kierunek przepływu

Nowszym typem czujnika przepływu działającego na zasadzie termoanemometrujest przepływomierz warstwowy na bazie krzemowej wykonany w technologii mi-kromechanicznej (typ HFMS). Pozwala on na pomiar przepływu z uwzględnie-niem 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 układachwtryskowych Motronic, pokazano na rysunku 8-9. Przepływomierz ma kanał po-miarowy, przez który przepływa część zasysanego powietrza . W kanale znajdujesię czujnik pomiarowy wykonany z płytki ceramicznej, na której centralnie umiesz-czono element grzewczy S (rys . 8-10). Z przodu i z tyłu strefy grzanej 4 umiesz-czono rezystory pomiarowe 3 . W sytuacji braku przepływu powietrza ciepło

wytwarzane przez element grzewczy jest równomiernie przekazywane do obu re-zystorów pomiarowych, które wskazują taką samą rezystancję, co świadczy o tejsamej ich temperaturze (T, = Tz ) . Natomiast w sytuacji przepływu powietrza wokółpłytki pomiarowej ciepło jest intensywnie odbierane od przedniego rezystora(punkt M,) . Temperatura T, rezystora przedniego w punkcie Mi ulega znacznemuobniżeniu, natomiast temperatura Tz drugiego rezystora ulega znacznie mniejszymzmianom (punkt MZ) . W konsekwencji wystąpi różnica rezystancji rezystorów po-miarowych w punktachMi i MZ wskazująca na różnicę ich temperatur OT . Różnicata, niezależnie od bezwzględnej temperatury napływającego powietrza, zależy odmasowego natężenia przepływu powietrza . Z kolei odwrócenie kierunku prze-pływu powoduje, że teraz tylna część płytki oddaje ciepło napływającemu po-wietrzu, a w przedniej części płytki temperatura tylko nieznacznie się zmienia .W układzie pomiarowym jest to interpretowane jako przepływ zwrotny w kierunkufiltra powietrza . Ponieważ element grzejny 5, jak również rezystory pomiarowe 3mają małe wymiary (są wykonane w technice mikromechanicznej), czujnik reagujebardzo szybko na zmiany prędkości przepływu « 15 ms) [ 11 ]. Różnica rezystan-cji przedniego i tylnego rezystora 3 (punkty Mi i MZ) jest przekształcana w ukła-a

b


117

Rys. 8-9. Przepływomierzpowietrza z termoanemometremwarstwowym typu HFM5- wygląd zewnętrzny (a)i widok przepływomierzazamontowanego w układziedolotowym silnika (h)

118


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

5

4

3

2

Przepływ zwrotnyPrzeptyw normalny

200

400

600 Q [kg/h]

Rys. 8-10 . Zasada działaniaprzepływomierza powietrza typu HFMS(R. Bosch GmbH) [7611 - przebieg temperatury bez przepływupowietrza, 2 - przebieg temperaturyz przepływem powietrza, 3 - rezystorypomiarowe, 4 - strefa nagrzewana,5 - element grzejny (przepona),6 - czujnik HFMS umieszczonyw przewodzie przepływu powietrza,7 - strumień powietrzami i M2 - punkty pomiaru rezystancji,T, i T2 - temperatury w punktachpomiarowych M, i M2 , OT- różnicatemperatur w punktach Ti i T2

Rys. 8-11 . Charakterystykaprzepływomierza warstwowego typu HFMrozpoznającego kierunek przepływu(R. Bosch GmbH) [761

a


119

b

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

Sygnał pomiarowy masowego przepływomierza powietrza jest podstawowąwielkością wskazującą na obciążenie silnika o zapłonie iskrowym . Wykorzysty-wany jest przez sterownik do regulacji dawki wtryskiwanego paliwa, kąta wy-przedzenia zapłonu oraz do kontroli przepływu par paliwa ze zbiornika . Z powodusurowych wymagań dotyczących toksyczności spalin skład mieszanki paliwowo-powietrznej musi być precyzyjnie ustalany, a błąd pomiaru masy powietrza zasy-sanego przez silnik nie może przekraczać 1 . . .2% [11] . W przypadku braku sygnałuz przepływomierza powietrza sterownik silnika przechodzi do pracy w trybie awa-ryjnym i odłącza układ usuwania par paliwa ze zbiornika, a do obliczenia pozos-tałych funkcji wykorzystuje sygnał z potencjometru przepustnicy .

Czujniki tensometryczne

99.1 . Zasada działaniaTensometrami nazywamy elementy rezystancyjne w postaci cienkich drutów, sia-tek lub folii, wykonane z metalu lub półprzewodnika (rys . 9-1) . Poddane działaniusił zewnętrznych ulegają one odkształceniu zarówno w kierunku wzdłużnym, jaki prostopadłym do kierunku działania wypadkowej sił oraz zmieniają wymiarygeometryczne i rezystancję . Względne odkształcenie wzdłużne w kierunku dzia-łania siły e = Al / l jest znacznie większe od względnego odkształcenia w kierunkuprostopadłym do kierunku siły er = 4d / d .

Tensometry są czujnikami rezystancyjnymi, w których rezystancja zmienia sięproporcjonalnie do ich odkształcenia. Najstarsze i najszerzej stosowane tensometryto metalowe tensometry rezystancyjne (rys . 9-1) . Zbudowane są z bardzo cienkich

a

b

-------- ----------/.

2 1

ii

1Rys. 9-1 . Metalowe tensometry oporowe [67]a - tensometr kratowy1 - druty oporowe, 2 - odcinki taśmy miedzianej, 3 - podkładka nośnai nakładka, 4 - przewody odprowadzające, 5 - warstwa kleju, 6 - powierzchnia badanab - tensometr wężykowy1 - nośnik, 2 - cienkie druty oporowe, 3 - część aktywna, 4 - znaki do osiowego naklejaniatensometru, 5 - przyłącza

Zasada działania

121

przewodów lub folii, ułożonych w kształcie siatki o liniach równoległych . Takieułożenie zwiększa długość czynną przewodu poddanego odkształceniom . Nato-miast przekrój poprzeczny tensometru jest minimalizowany w celu zmniejszeniawpływu odkształceń poprzecznych na pomiar. Siatkę nakleja się na cienkie pod-łoże (nośnik), a nośnik bezpośrednio na powierzchnię badanego odkształcającegosię elementu . Dlatego bardzo ważne jest dokładne naklejenie tensometru na badanąpowierzchnię w kierunku interesującego nas odkształcenia . Typowe wartości re-zystancji tensometrów metalowych wynoszą 120, 350 i 1000 52 , .

Rezystancja drutu, z którego wykonany jest tensometr wyraża się zależnością :

R=p1

(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

(9.4)R

,0

1

SUwzględniając, że S = 7rd214 oraz pomijając jako małe wyrażenie Ad 21d 2 otrzymu-jemy zależność :

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 .

OS (9.5)=-2Ad

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

Ad / d

v =(9.6)

41 / lWprowadzając współczynnik Poissona do zależności (9.5) otrzymujemy :

OS= -2v 41 (9.7)

S

1Po podstawieniu do (9.3) i przekształceniach otrzymujemy :

1Op-=-(1+2v)+ (9.8)

P

122


orazOR /R1 OpOl/l_ (1+2v)+

Ol/1 p

WyrażenieAl I R

jest tzw . stałą tensometryczną k~ . Wprowadzając tę stałą

do zależności (9.9) można zapisać :

A=k,Ol

-k E

(9 .9)

(9.10)

gdzie E =Al

jest względnym wydłużeniem tensometru odpowiadającym jedno-

wymiarowemu stanowi odkształcenia .Znając wartość odkształcenia e w punkcie pomiarowym można obliczyć na-

prężenie w tym punkcie. Dla jednowymiarowego stanu naprężeń jest :

Q=EE=EAR 1R k,

(9.11)

gdzie E to moduł Younga .Zależność (9.10) stanowi zasadnicze równanie tensometri wiążące mecha-

niczne i elektryczne parametry pracy tensometru . Współczynnik k nazywany stałątensometru oznacza względną zmianę rezystancji OR/R odniesioną do względnejzmiany długości Ol/1 tensometru (rys . 9 .2). Dla tensometrów metalowych stała k,wynosi około 2 i zależy od materiału, z którego wykonany jest tensometr. Określaona czułość tensometru . Człon (1+2v) w równaniu (9 .9) określa wpływ zmian roz-miarów geometrycznych (średnicy) na wartość współczynnika kr i jest znaczący w

przypadku tensometrów metalowych . Człon 1 Op ujmuje wpływ zmian włas-E p

pości elektrycznych i ma znaczenie w przypadku tensometrów półprzewodniko-wych .

Spośród wielu metali przebadanych pod względem ich przydatności w tech-nice tensometryczne] praktycznie wykorzystuje się platynę oraz stopy : konstan-tan (60% Cu+40% Ni), nichrom (80% Ni + 20 % Cr) i elinwar (36% Ni + 8%Cr + 55% Fe + 0,5% Mo). Konstantan odznacza się najmniejszym współczynni-kiem termicznej zmiany rezystancji, a nichrom stałością własności fizycznych wpodwyższonych temperaturach . Tensometry metalowe wykonywane są jako dru-towe lub foliowe, nakładane na nośnik izolujący tensometr od badanej po-wierzchni .

Do budowy tensometrów półprzewodnikowych stosuje się najczęściej krzemi german z odpowiednimi domieszkami typu n lub p . Tego typu tensometry wy-konywane są jako cienkowarstwowe lub monokrystaliczne w postaci cienkich,krótkich pasków naklejanych bezpośrednio na powierzchnię badaną. W tenso-metrach półprzewodnikowych wykorzystuje się zjawisko piezorezysty~n ci

kryształów krzemu lub germanu, czyli zmiany rezystancji względnej materiału podwpływem działania odkształceń . Dla materiałów półprzewodnikowych ogólnerównanie dla stałej tensometrycznej przyjmuje postać :

k, =1+2v+ pE

(9.12)

gdzie p jest współczynnikiem piezorezystywności .Ponieważ dla materiałów półprzewodnikowych jest 1+2v << pE , można zapi-sać :

k,-pE

Zasada działania

123

Współczynnik czułości odkształceniowej k (stała tensometru) tensometrów pół-przewodnikowych ma wartość od 40 do 200, czyli kilkadziesiąt razy większą niż ten-sometrów metalowych i wzależności od typu przewod- %o ARnictwa może być dodatni lub

Rujemny. Materiały półprze-

22

wodnikowe wykazują mocną

20 -anizotropię, dzięki czemu

18 _można uzyskiwać z nich ele-menty tensometryczne wyko-

16

nane w postaci beleczek lub

14 -pręcików, czułe na odkształ-

12 -cenia wzdłużne, natomiastbardzo mało czułe na od-

10

kształcenia poprzeczne i ką-

8 -towe. Przykład czujnika

6z elementem piezorezystyw-nym przedstawiono na ry-

4

Rys. 9-2 . Zależność względnychzmian rezystancji od odkształceńwzględnych dla metalistosowanych w technicepomiarowej [701A - konstantan, B - manganin,C - platyna, D - nikiel

2

-6

Tabl . 9-1 . Wartości współczynnika k, dla tensometrów wykonanych z różnych materiałów [111

(9.13)

Rodzaj tensometruWspółczynnik k,

Wzdłużny PoprzecznyFoliowyMetalowy grubowarstwowyMetalowy cienkowarstwowyKrzemowy cienkowarstwowyKrzemowy monokrystaliczny

1,6 . . .2,012 . . .151,4 . . .2,025 . . .40100 . . .150

-012 . . .15-0,5 . . .0-25 . . .-40-100 . . .150

124


sunku 9-10 . Tensometry półprzewodnikowe wykazują liniowość tylko w wąskim za-kresie odkształceń, nie przekraczających 0,05% . Poza tym zakresem odkształceń ko-niecznejest stosowanie tablic z charakterystyką stałej tensometru k, która zmienia sięnieliniowo . Wadą tych tensometrów jest również znaczna wartość termicznej zmianyrezystancji .

Do głównych zalet tensometrów należą : duża czułość i dokładność pomiaru, dużaniezawodność, małe wymiary i bardzo niewielka masa, niewrażliwość na wstrząsyoraz zdolność do pomiarów odkształceń szybkozmiennych dzięki znikomej bez-władności. Tensometry dają niewielkie sygnały wyjściowe . Przykładowo, odkształ-cenie względne 500 µm/m dla tensometru o stałej k = 2 wywołuje względne zmianyrezystancji o wartości 2 •(500 . 10-6)-100% = 0,1%. Dla tensometru o rezystancji120 S2 zmiana oporności wynosi tylko 0,12 0. Pomiar tak małych zmian opornościwymaga stosowania układu mostka Wheatstone'a (rys . 9-3) .

a

b

Rys . 9-3 . Mostek Wheatstone'a [102]a - schemat, b - tensometr rezystancyjny (RG+AR) w układzie '/4 mostka Wheatstone'a

Zakładając, że napięcie zasilania jest stałe i wynosi Uo napięcie wyjściowe namostku wg rysunku (9-3) wynosi :

R3

RU =-UoR3 + R, R, + R,

Jeżeli R~/R,= R~ R3, to mostek będzie w równowadze, a napięcie U= 0. Jeżelirezystor R4 zastąpimy tensometrem rezystancyjnym (rys . 9-3b), to zmiany jego re-zystancji spowodują zmianę równowagi mostka . Jeżeli nominalna oporność ten-sometru wynosi RG' to zmiana jego rezystancji określona jest wyrażeniem4R = RGk E. Zakładając, że pozostałe rezystory mostka mają taką samą rezystan-cję : R, = R, i R 3 = RG równanie (9 .14) można zapisać jako :

(9.14)

Z tej zależności wynika, że analiza odkształceń w układzie `/̀4 mostka Wheats-tone'a daje nieliniową zależność między napięciem wyjściowym U a odkształce-

u &, 1(9 .15)UO 2RG +dR 2

oraz

(9.16)U = U0,k,E

4-2k,E

a

b

Zasada dzialania

125

niem e. Tę nieliniowość można wyeliminować stosując dwa aktywne tensometryw układzie półmostka (rys . 9-4a) . Wtedy napięcie wyjściowe U dla układu zgina-nego zależy liniowo od odkształcenia e :

U = Uo •

= Uo kE

(9.17)

W takim połączeniu uzyskuje się również zwiększenie czułości układu pomia-rowego . Dalsze zwiększanie czułości układu możliwe jest przez zastosowanie ten-sometrów we wszystkich ramionach mostka (rys . 9-4b). Dla tego układu przyzałożeniu jednakowych zmian rezystancji wszystkich tensometrów AR napięciewyjściowe wynosi :

U = -UoA _ -Uok,e

(9.18)

Powyższe równania zostały wyprowadzone przy założeniu początkowego wy-równoważenia mostka Wheatstone'a (U= 0) . W praktyce rezystancje znamionowetensometrów różnią się, co powoduje pewne wstępne niewyrównoważenie mostka .Niewyrównoważenie to można zlikwidować dwoma sposobami : wprowadzającrezystor dodatkowy (regulacyjny) równoważący mostek - jest to tzw. zerowaniemostka, lub mierząc napięcie wstępne mostka przy braku odkształceń tensometrówi kompensując go w układzie obliczeniowym .

Rys . 9-4. Tensometry w układzie półmostka (a)do pomiaru naprężeń przy zginaniu i w układziepełnego mostka (b) [ 10211 - tensometr rozciągany, 2 - tensometrściskany

W powyższej analizie pominięto wpływ rezystancji przewodów łączącychi doprowadzających zasilanie . W praktyce pominięcie tych rezystancji może po-wodować duże błędy pomiarowe . Na przykład połączenie tensometrów pomiaro-wych z mostkiem dwoma przewodami o długości 15 m wywołuje zmianę

126


rezystancji pojedynczej gałęzi mostka około 1 S2 . Powoduje to niewyrównoważe-nie mostka i zmniejszenie czułości pomiarowej . Dlatego wpływ przewodów połą-czeniowych powinien być uwzględniany przy zerowaniu mostka .

Wadą czujników tensometrycznych o małych wymiarach jest to, że mierzą do-kładnie tylko lokalne naprężenia mechaniczne w miejscu ich umieszczenia . Uśred-nianie wyniku na większych obszarach odkształconego ciała wymaga stosowaniawielu tensometrów naklejanych na powierzchnię tak, aby uzyskać obraz od-kształceń badanego obszaru . Stosuje się również tensometry specjalnego kształtu .np. naklejane na membrany czujników ciśnienia .

Odkształcenia tensometrów rezystancyjnych związane są nie tylko z działa-niem sił i momentów na badany element, ale również z odkształcaniem elementupod wpływem zmian temperatury . Zmiana temperatury otoczenia lub temperaturybadanych elementów powoduje zmianę rezystancji tensometru . Zmiana rezystan-cji pod wpływem temperatury wynika z oddziaływania kilku czynników, z któ-rych najważniejszymi są zmiana rezystywności materiału tensometru wraz ztemperaturą oraz różnica rozszerzalności cieplnej materiału tensometru i materiałubadanego elementu. Jest to wada tej metody pomiarowej .

Ograniczenie wpływu temperatury na wyniki pomiarów można uzyskać kil-koma metodami. Jeżeli w układzie pełnego mostka wszystkie tensometry jedno-cześnie poddawane są działaniu temperatury, co powoduje taką samą zmianę ichrezystancji OR(T), to równowaga mostka pozostanie nienaruszona. Ograniczeniewpływu temperatury można uzyskać również stosując tensometry kompensacyjnelub układy samokompensujące . Tensometry kompensacyjne praktycznie nie pod-legają odkształceniom związanym z działaniem obciążeń, lecz tylko odkształce-niom pochodzącym od zmian temperatury (rys . 9-5) . Zasady ich stosowania sąnastępujące :- tensometr kompensacyjny powinien pochodzić z tej samej serii, co czynny, tzn .posiadać taką samą wartość stałej k, i rezystancji, co tensometr czynny i powinienbyć wykonany z tego samego materiału ;- tensometr kompensacyjny powinien być naklejany na nieobciążonym elemenciewykonanym z tego samego materiału, co element badany i znajdować się w tychsamych warunkach termicznych ; można nakleić tensometr kompensacyjny na ob-ciążanym elemencie, ale w kierunku prostopadłym do kierunku odkształcenia mie-rzonego tensometrem czynnym (rys . 9-5) ;- przewody łączące tensometry czynny i kompensacyjny z aparaturą pomiarowąpowinny mieć jednakową długość .

Rys . 9-5. Zasada ograniczania wpływutemperatury na pomiary tensometryczneprzez stosowanie tensometrówkompensacyjnych [1021I - tensometr czynny, 2 - tensometrkompensacyjny, niepodlegającyodkształceniom związanymz obciążeniem siłą F

Sposób włączenia tensometru kompensacyjnego w układ pomiarowy pokazanona rysunku 9-6 .

Układy samokompensujące polegają na specjalnym połączeniu kilku iden-tycznych tensometrów czynnych i mogą być stosowane dla wybranych stanów na-prężenia i odkształcenia .

c

Zasada działania

Rys. 9-6 . Sposoby pomiaru zmian rezystancjitensometrua - metoda mostka niezrównoważonego,b - metoda równoważenia mostka poprzezzmianę rezystancji w układzie szeregowym,c - równoważenie mostka poprzez zmianęrezystancji w układzie równoległymG - przyrząd pomiarowy, AR - zmianarezystancji tensometru pomiarowego,R - rezystancja pozostałych gałęzi mostka,R, - rezystancja rezystora nastawianego

127

Określenie zmiany rezystancji tensometru czynnego 0 4R możliwe jest na pod-stawie bezpośredniego wskazania galwanometru G (metoda mostka niezrówno-ważonego - wychyłowa), lub przez ponowne doprowadzenie układu mostka dostanu równowagi, przy wykorzystaniu rezystora regulowanego Rr lub potencjo-metru ślizgowego (metoda zerowa - mostka zrównoważonego) . W metodzie wy-chyłowej o zmianie rezystancji tensometru czynnego wnioskujemy na podstawieróżnicy wskazań galwanometru G, odpowiadających odkształconemu i nieod-kształconemu tensometrowi czynnemu (rys . 9-6a). W metodzie zerowej o zmia-nie rezystancji tensometru czynnego wnioskujemy na podstawie zmianyrezystancji rezystora regulowanego Rr, niezbędnej do ponownego zrównoważeniaukładu mostka po odkształceniu tensometru czynnego . Regulacja rezystancji wukładzie szeregowym (rys . 9-6b) jest trudna technicznie, wymaga bowiem bardzomałych i precyzyjnych zmian rezystancji, porównywalnych z rezystancją dopro-wadzeń, styków itp . Łatwiejsza technicznie jest regulacja rezystorem w układzierównoległym (rys. 9-6c), ponieważ wielkość rezystancji rezystora Rr może byćduża, rzędu MSZ . W tym przypadku rezystancje złącz i dodatkowych przewodówmogą być pominięte .

128


Metody mostka zrównoważonego mogą być stosowane przy pomiarach statycz-nych, tzn. do pomiaru przyrostu odkształceń wywołanych przyłożeniem stałego ob-ciążenia, bez możliwości określenia zależności odkształcenia od czasu tj . funkcji c(t) .Do pomiarów dynamicznych stosowana jest metoda mostka niezrównoważonego -wychyłowa. Skala przyrządów pomiarowych (przyrządu wskaźnikowego, cyfrowegolub potencjometru) umożliwia wprost odczyt odkształcenia tensometru czynnego wodpowiednich jednostkach, np . promilach. Podczas pomiarów dynamicznych zamiastgalwanometru G włącza się w obwód przyrząd rejestrujący, obecnie najczęściej kom-puterowy układ rejestracji danych z odpowiednim oprogramowaniem .

Bardzo małe zmiany oporności tensometrów wymagają stosowania układówwzmacniających . Dobierając wzmacniacz do danego zadania pomiarowego należyzwrócić uwagę na :- rodzaj układu, w którym ma pracować wzmacniacz (półmostek, pełny mostekWheatstone' a) ;- rodzaj zasilania mostka - typowe napięcie stałe wynosi od 3 do 10 V, wyższe na-pięcie zasilania generuje wyższe napięcie wyjściowe, ale należy pamiętać o moż-liwości powstania błędu z powodu samonagrzewania tensometru ;- częstotliwość fali nośnej, istotną przy zasilaniu zmiennoprądowym ;- odległość tensometrów pomiarowych od wzmacniacza i źródła zasilania orazwpływ przewodów łączących;- wielkość wzmocnienia: większość mostków tensometrycznych daje sygnał wyj-ściowy mniejszy od 10 mV/V zasilania mostka, typowo od I do 2 mV/V ;- filtrację zakłóceń elektromagnetycznych z sygnału pomiarowego za pomocą fil-tra dolnoprzepustowego (np . filtra Butterwortha) ;- sposób wyrównoważania (zerowania) mostka poprzez regulację rezystancyjną(hardware) lub uwzględnianie niezrównoważenia w programie obliczeniowym(software) - w tym przypadku należy zmierzyć niewyrównoważenie mostka przedpomiarami zasadniczymi (ten sposób, w przypadku dużego niewyrównoważenia,może ograniczać wzmocnienie i zakres dynamicznych pomiarów mostka) ;- sposób kalibracji układu, czyli symulację znanej wartości odkształcenia i odczytwskazań układu pomiarowego (kalibracji może być realizowana przez zmianęoporności AR w gałęzi pomiarowej mostka, pomiar sygnału wyjściowego z mostkai porównanie z wartością oczekiwaną) .

Przykład danych wzmacniacza pomiarowego z możliwością rejestracji kom-puterowej przedstawiono w tablicy 9-2 .

Podstawowy układ mostka Wheatstone'a jest jednakowy dla pomiarów realizo-wanych przy zasilaniu zarówno prądem stałym, jak i zmiennym . Istotną wadą układustałoprądowego jest tworzenie się termoogniw w miejscach połączenia tensomet-rów z przewodami zasilającymi . Połączenie typu konstantan (tensometr) - miedź(przewód) tworzy termoparę o sile elektromotorycznej około 0,5 mV/10°C . Jest towielkość porównywalna z sygnałem wyjściowym z mostka Wheatstone'a . Jeżelipodczas pomiaru temperatura złącza zmienia się, to może to fałszować wynik za-sadniczy pochodzący od odkształceń tensometru . W układach stałoprądowych czę-ściowe wyeliminowanie tego wpływu jest możliwe przez wprowadzenie elementów

kompensujących . W układzie zmiennoprądowym wpływ termoogniw jest elimino-wany na skutek przemienności przepływu prądu . Zaletą jest tu również niższy kosztwzmacniacza prądu zmiennego . Wadę układu zmiennoprądowego stanowi ograni-czenie od góry częstotliwości przenoszonych przebiegów dynamicznych . Wynika toz faktu, że mierzone przebiegi dynamiczne nakładają się na przebieg o częstotliwo-ści podstawowej - falę nośną, tworząc falę zmodulowaną (rys . 9-7). Aby przebiegmierzony można było wyodrębnić, częstotliwość fali nośnej musi być większa około10 razy od częstotliwości przebiegu badanego . Częstotliwość nośna w układach dopomiarów tensometrycznych zawiera się w granicach od 5 do 10 kHz. Umożliwiaona pomiar przebiegów dynamicznych o częstotliwościach od 1 do 1,5 kHz .

Obecnie produkowane systemy pomiarowe mają charakter uniwersalny i skła-dają się z modułów : zasilacza prądu stałego, modułu równoważenia i kalibracjioraz modułu wzmacniacza prądu stałego . W podobny sposób zestawia się układyzmiennoprądowe pracujące na fali nośnej .

b

c

Zasada daialania

1 29

v

Rys. 9-7 . Zasada modulacji amplitudowej fali nośneja - fala nośna o częstotliwości podstawowej, b - napięcie odpowiadające dynamicznemuprzebiegowi mierzonemu, c - fala zmodulowana po nałożeniu na falę nośną sygnału przebiegumierzonego

Na rysunkach 9-8, 9-9 19- 10 pokazano różne rozwiązania tensometrów : meta-lowe foliowe, natryskiwane na nieprzewodzącą powierzchnię, półprzewodnikowe,cienkowarstwowy, na płytce krzemowej, naniesiony dyfuzyjnie na powierzchnięodkształcaną.

Tabl. 9-2 . Dane wzmacniacza tensometrycznego SCXI firmy National Instrument

Liczba kanałów pomiarowych 8Multiplekser do 333 kS/sWzmocnienie od 1 do 1000Zasilanie od 0 do 10,0 V (przyrosty 0 .635 V)Prąd zasilania 29 mAPomiar w układzie półmostka takZerowanie takKalibracja takKompensacja długości przewodów tak

130

Rys. 9-8 . Przykłady rozwiązań tensometrów [ 102]a - tensometr foliowy siatkowy - wzdłużny, b - tensometr poprzeczny, c - tensometr dobezpośredniego naklejania na membranę wykonaną z materiału nieprzewodzącego, d - tensometrrozetowy do pomiarów odkształceń w trzech kierunkach

a

b

c

d

a

b

2


C d

Rys . 9-9 . Sposoby łączeniatensometrów z elementemodkształcanym [113]a - tensometr metalowy(foliowy, naklejany), b - tensometrpółprzewodnikowy (płytkapiezorezystywna naklejana),c - tensometr cienkowarstwowymolekularnie spajany z płytkąceramiczną z SiO, napawaną(deposited) na elementodkształcany, d - tensometrpółprzewodnikowy dyfuzyjnienaniesiony bezpośredniona powierzchnię odkształcaną1 - element poddawany obciążeniu(odkształcany), 2 - warstwa kleju,3 - tensometr foliowy,4 - warstwa kleju epoksydowego,5 - płytka półprzewodnikowapiezorezystywna, 6 - warstwaceramiczna z cienkowarstwowymelementem spajanym molekulamie(tensometr), 7 - warstwa SiO2(izolacyjna), 8 - dyfuzyjnienaniesiony elementpółprzewodnikowy (tensometr)

a

bPólprzewodnik Podłoże

ill

Końcówki_zasilające

Zasada działania

Rys . 9-10 . Schemat (a) i przykład zastosowania (b) tensometru półprzewodnikowego [102]1 - membrana, 2 - szklane uszczelnienie, 3 - płytka krzemowa, 4 - otwór przyłączadoprowadzenia Mnieniap, 5 - dyfuzyjnie naniesiony półprzewodnikowy elementpiezorezystywny typu p, 6 - płytka z dwutlenku krzemu, 7 i 8 - powierzchniametalizowana-przyłącze

9.2 . Zastosowania czujników tensometrycznych

Czujniki ciśnienia

Tensometria elektrooporowa znalazła powszechne zastosowanie do pomiaru ciś-nienia różnych mediów w samochodach . Głównie wykorzystuje się ją do określe-nia odkształcenia membrany czujnika, które to odkształcenie jest miarądziałającego ciśnienia. We wnętrzu czujnika ciśnienia znajduje się stalowa prze-pona z tensometrami (rys. 9-11), której ugięcie zmienia rezystancję tensometróww elektrycznym mostku pomiarowym . Zakres pomiarowy czujnika zależy od gru-bości przepony 3. Wysokie ciśnienie paliwa działa na przeponę od strony kanału4. Ugięcie przepony (np . 20 jtm przy 150 MPa) zmienia wartość rezystancji ten-sometrów naniesionych na przeponę . Napięcie wyjściowe elektrycznego mostkapomiarowego o zakresie 0 . ..80 mV jest przekazywane przewodami łączącymi doobwodu przetwarzania sygnału, wzmacniającego sygnał mostka do wartości0 . . .5 V i przekazującego go do sterownika silnika, w którym za pomocą zawartejw pamięci charakterystyki zostaje obliczone ciśnienie paliwa w zasobniku .

Inną odmianą czujnika, często stosowaną do pomiaru ciśnienia w kolektorzedolotowym silnika, jest czujnik ciśnienia bezwzględnego z „próżnią" w komorzebazowej (rys . 9-12). Płytka krzemowa 6 z wytrawioną komorą 5 przyklejona jestszczelnie do szklanego cokołu 3 . W komorze 5 panuje stałe, bardzo niskie ciśnie-nie. Na płytce (chipie) 6 naklejone są (lub dyfuzyjnie naniesione) tensometry wukładzie pełnego mostka. Całość umieszczona jest na podłożu ceramicznym 4 .Przewody mostka tensometrycznego są przylutowane do ścieżek przewodzącychznajdujących się na podłożu 4 . Ciśnienie powietrza p oddziałuje na górną po-wierzchnię płytki 6 z tensometrami. Ponieważ wewnątrz komory 5 panuje stałe, ni-

131

132 Czujniki tensometryczne

Rys. 9-11 . Budowa i charakterystyka czujnika wysokiego ciśnienia paliwa w zasobniku układuCommon Rail [1II - złącze elektryczne, 2 - obwód przetwarzania sygnału, 3 - membrana stalowa z tensometrami,4 - kanał wysokiego ciśnienia 5 - złącze gwintowane, p - działające ciśnienie, max . 160 MPa

skie ciśnienie („próżnia"), odkształcenie membrany 6 jest jednokierunkowe, pro-porcjonalne do działającego ciśnienia p . Powierzchnia membrany 6 i układ elek-troniczny są zabezpieczone specjalnym żelem w celu ochrony elementówelektronicznych przed wpływami otoczenia . Jest to czujnik ciśnienia bezwzględ-nego. Jego sygnał pozwala uwzględnić w algorytmie sterowania dawką paliwawysokość nad poziomem morza, na jakiej aktualnie znajduje się pojazd . Sygnał zczujnika ciśnienia w kolektorze dolotowym może być wykorzystany jako infor-macja o obciążeniu silnika, zamiast informacji o natężeniu przepływu powietrza .

a

Rys. 9-12 . Czujnik ciśnienia z komorą próżniową (a - przekrój, b - widok) [ 1111 - żel ochronny, 2 - obudowa, 3 - cokół szklany, 4 - podłoże ceramiczne, 5 - komoraniskociśnieniowa (próżniowa), 6 - płytka krzemowa z naniesionymi tensometrami (chip),7 - połączenia elektryczne, p - ciśnienie mierzone

Zastosowania czujników tensometrycznych

133

Czujniki ciśnienia z przetwornikami tensometrycznymi wykorzystywane sąw mechatronice samochodowej do pomiarów :- ciśnienia w zasobniku paliwa silników o zapłonie samoczynnym (w układzieCommon Rail),- ciśnienia w przewodzie dolotowym silnika,- ciśnienia doładowania,- ciśnienia otoczenia,- ciśnienia płynu hamulcowego,- ciśnienia w układach pneumatycznych .

Czujniki siły i momentu obrotowego (na kole kierownicy)Tensometry pomiarowe naklejone są bezpośrednio na skręcanym wale, pod kątem45° w stosunku do jego osi (rys . 9-13). Pod tym kątem występują maksymalne na-prężenia skręcające . Mierząc zmiany rezystancji układu tensometrycznego możemyobliczyć wartość odkształcenia e oraz wartość naprężenia o w analizowanym ob-szarze badanego elementu. Zależności między jednowymiarowym stanem napręże-nia elementu a i zmianami rezystancji tensometru ujmuje równanie (9-11) .Obliczenie naprężenia u pozwala wyznaczyć wartość działającej siły lub momentusiły.

Na wale znajduje się mostkowy układ tensometryczny zasilany poprzez pro-stownik. Z kolei prostownik zasilany jest transformatorowe ze źródła prądu zmien-nego Uo . Dalsze układy elektroniczne nawale umożliwiają wzmocnienie sygnałupomiarowego i jego przetworzenie w po-

MC. istać prądu przemiennego, np . w sygnałczęstotliwościowy. Sygnał ten jest prze-kazywany transformatorowe z cewkiruchomej na wale na cewkę stałą,a następnie do układu rejestracyjnego 1 .Z uwagi na trudności wykonania wzmac-niacza prądu stałego układ pomiarowyzwykle zasilany jest prądem zmiennym .Na wale badanym mocuje się z regułycztery tensometry połączone w układziemostka Wheatstone'a. Jeśli na skutekskręcenia dwa tensometry zostały roz-ciągnięte, a dwa pozostałe ściśnięte,oznacza to, że wartości dwóch rezystan-cji zwiększyły się, a dwóch zmniejszyły .Na podstawie tych sygnałów układ po-miarowy i urządzenie sterujące ustala,jaki moment obrotowy jest przyłożonydo koła kierownicy i w którą stronę jestobracany wał kierownicy .

1

Rys. 9-13 . Momentomierz tensometrycznyz bezstykowym, transformatorowymodbiorem sygnału [ 1111 - wskaźnik momentu obrotowego,Uo - napięcie zasilające, a - naprężeniaskręcające, R, . . .R4 - tensometry, M- momentobrotowy

134

W innym rodzaju czujników do ustalania wielkości skręcenia pręta zastosowanotensometry w technologii grubowarstwowej (rys . 9-14). Pod pojęciem wykonanegow ten sposób układu rozumie się układ scalony naniesiony w kilku warstwach napłytkę ceramiczną techniką sitodruku lub wypalania . W praktyce ścieżki przewodzącei rezystory nadrukowuje się w kilku warstwach, a pozostałe podzespoły montuje nanośniku za pomocą takich metod montażowych, jak lutowanie, klejenie czy bonding(mikromontaż) . Ponieważ podczas ich produkcji używa się wielu metod, a na podłożusą umieszczone różne podzespoły, to przyjęła się nazwa „układy hybrydowe" .

Czujniki siły i momentu obrotowego z przetwornikami tensometrycznymi sto-sowane są w samochodach także do :- bezstykowego pomiaru momentu napędowego i momentu hamowania,- pomiaru obciążenia poszczególnych osi pojazdu w celu elektronicznego roz-działu sił hamowania,- pomiaru sił hamowania w elektrycznym obwodzie uruchamiania i regulacji ha-mulców,-pomiaru sił nacisku przy elektrycznym uruchamianiu szyb okien bocznych i oknadachowego,

ARp


Rys. 9-14. Czujnik momentuobrotowego z tensometramiwykonanymi w technologiigrubowarstwowej

Ro2

03

-25 Rys. 9-15 . Charakterystyki różnych

materiałów przy nacisku prostopadłym [ 11 ]

-6 I - stop srebrowo-manganowy (84,5% Ag ++15,5% Mn), 2 - manganin (86% Cu + 12%

-8 Mg + 2% Ni), 3 - miedź, 4 - złoto,5 - srebro, 6 - warstwa węglowa,

-100

400

800 p [bar] 7 - cermet, 8 - tworzywo przewodzące(conductive plastic)

- pomiaru siły sprzęgającej ciągnik i przyczepę lub naczepę w celu regulacji sił ha-mowania,- bezstykowego pomiaru momentu na kole kierownicy albo momentu wspomaga-jącego obrót kierownicy.

Czujniki siły nacisku (tensometry o nacisku prostopadłymi tablice tensometryczne)Rezystory warstwowe zmieniają swą rezystancję nie tylko pod działaniem naprę-żeń rozciągających, lecz także przy nacisku ortogonalnym (prostopadłym) . Naj-większą czułość wykazuje tzw. tworzywo przewodzące (conductive plastic),a także cermet i warstwy węglowe (rys . 9-15). Odwracalne zmiany rezystancjiosiągają wartości podobne, jak pod działaniem naprężeń rozciągających . Ograni-czenia maksymalnego nacisku wynikają na ogół z wytrzymałości podłoża, a niemateriału rezystora. Mierniki siły działające na zasadzie pomiaru ortogonalnegomają formę podkładek (rys. 9-16). Rezystory pomiarowe 4 umieszczone są natwardym (np . stalowym) podłożu 6 i poddawane naciskowi poprzez pierścień 1 .Poszczególne elementy są sklejone lub zespolone szkliwem .

Rezystory czułe na działanie nacisku mogą być także naniesione na folię nośną(rys. 9-17). Takie układy tensometrów na folii pozwalają na tworzenie wielokrot-nego układu przetworników, tzw . tablicy (maty) tensometrycznej . Są one stoso-wane w układach rozpoznawania zajęcia miejsca przez pasażera pojazdu . Zapomocą maty tensometrycznej OC (Occupant Classification) można mierzyć za-równo całkowite obciążenie, jak i powierzchniowy rozkład nacisków . W syste-mach tzw. inteligentnych poduszek powietrznych pozwala to analizować, czy foteljest zajęty przez pasażera i o jakiej masie oraz pole nacisków i rozstaw bioder .

aSzczegól A

Zastosowania czujników tensometrycznych

135

b

Rys. 9-16. Tensometryczny czujnik siły o nacisku prostopadłym [ 11 ]a - budowa, b - widok czujnika siły nacisku na pedał hamulca1- pierścień poddawany działaniu siły, 2 - izolacja, 3 - warstwa klejowo-szklana,4 - piezorezystancyjna warstwa czynna przetwornika, 5 - izolacja, 6 - pierścień nośny-sztywne podłożeF- działająca siła

136

a

b

aMinus


Rys . 9-17 . Mata oklejona rezystorami czułymi na naciski (a) oraz położenie sterownika mat 1i sterownika poduszek powietrznych 2 (b) [ 11 ]

Te parametry umożliwiają optymalne sterowanie procesem uruchamiania poduszkipowietrznej w przypadku zderzenia .

Elastyczna folia przejmuje często również funkcję elektrycznego włącznika,który pod działaniem siły zwiera się i włącza rezystory pomiarowe . Maty tenso-metryczne mogą być też wykonane w postaci dwóch warstw przewodzącej elek-tryczność folii . Jedna z nich jest wykonana z jednolitego tworzywa sztucznegoprzewodzącego prąd, na drugiej umieszcza się obwody elektryczne, przerwane wwielu miejscach licznymi końcówkami przewodów o dodatniej i ujemnej biegu-nowości (rys . 9-18). Przy braku nacisku na folię rezystancja między końcami prze-wodówjest duża . Pod naciskiem folie przylegają do siebie i rezystancja maleje, costanowi sygnał wyjściowy (mówiący np. o zajęciu fotela przez kierowcę) .

bMinus

jffi

r F/,Ak7/Plus

Rys . 9-18 . Zasada działania elastycznej folii jako włącznikaa - folia tensometryczna z otwartym obwodem, b - folia po obciążeniu i zmniejszeniu rezystancjamiędzy końcówkami przewodów

Tego typu czujniki stosowane są w mechatronice samochodowej do sygnali-zacji zajęcia fotela, pomiaru ciężaru pasażera i do oszacowania rozkładu naciskówna fotel .

Czujniki pojemnościowe

1010.1 . Zasada działaniaCzujniki pojemnościowe zmieniają swoją pojemność elektryczną C pod wpływemzmiany wielkości nieelektrycznej (np . zmiany wymiarów lub środowiska pomię-dzy elektrodami) . Są to kondensatory powietrzne lub zawierające różnego rodzajudielektryki . Pojemność kondensatora płaskiego dwupłytkowego, przy pominięciuefektu brzegowego powiększającego pojemność, oblicza się ze wzoru :

s E AC o

0 r (10.1)d

gdzie :eo - stała elektryczna (przenikalność elektryczna próżni),er - przenikalność elektryczna względna dielektryki,A - powierzchnia czynna jednej płytki,d - grubość dielektryki między płytkami .

W czujnikach tych można wpływać na zmianę pojemności przez zmianę wymia-rów A i d kondensatora oraz zmianę przenikalności elektrycznej względnej eY W za-leżności od sposobu zmiany pojemności można je podzielić na trzy zasadnicze grupy :- czujniki o zmiennej powierzchni czynnej A elektrod,- czujniki o zmiennej odległości d między elektrodami,- czujniki o zmiennej wartości przenikalności elektrycznej względnej er-

W pojazdach samochodowych jak dotychczas znalazły zastosowanie dwa ostat-nie rodzaje czujników.

10.2. Zastosowania czujników pojemnościowychPojemnościowe czujniki ciśnienia i przyspieszeniaCzujniki pojemnościowe o zmiennej odległości między elektrodami znalazły za-stosowanie w samochodach do pomiaru ciśnień o niewielkich wartościach (rys .10-1) . Mierzone ciśnienie zostaje doprowadzone do komory 1 powodując od-

138

kształcenie puszki 2, której dwie ścianki stanowią okładziny kondensatora . Skut-kiem odkształcenia puszki jest zbliżenie płytek kondensatora, co powoduje zmianęjego pojemności (rys . 10-2) .

Rys. 10-1 . Pomiar ciśnienia przy zastosowaniu czujnikapojemnościowego [111I - komora ciśnieniowa, 2 - puszka z okładzinamikondensatora, p - działające ciśnienie

pFX10-3

4,0

3,2

c2,4

1,6

0,8

0 2 4 6d


8 x10 -2cmRys. 10-2 . Zależność pojemnościkondensatora płaskiego C od odległości dmiędzy płytkami

Pojemnościowe czujniki ciśnienia są stosunkowo słabo rozpowszechnione,mimo że charakteryzują się dobrą dokładnością . Wadą ich jest fakt, że dielek-tryczne własności ośrodka, w którym się znajdują, w praktyce wpływają na do-kładność pomiaru. Z tego powodu wymagają one kalibracji w tym ośrodku .Uniezależnienie od własności mierzonego medium wymaga znacznej komplikacjitechnicznej i podnosi koszty czujnika .

Innym przykładem zastosowania czujnika pojemnościowego o zmiennej odle-głości elektrod jest pomiar przyspieszenia poprzecznego, niezbędny w układziestabilizacji toru jazdy (rys . 10-3) . W przypadku występowania przyspieszeń bocz-

Zastosowania czujników pojemnościowych

139

nych siła bezwładności oddziałuje na układ masa-sprężyna powodując jego od-chylenie, a tym samym zmianę odległości między płytkami kondensatora oraz jegopojemności . Sygnał zmiany pojemności jest odpowiednio uformowany przez układelektroniczny czujnika i w postaci napięciowej kierowany do jednostki sterującej .Ustawienie czujnika w kierunku osi wzdłużnej pojazdu powoduje, że nie mierzyon przyspieszenia wzdłużnego .

Przyspieszenie poprzeczne pojazdu

Kierunekjazdy

i ,

ńElementsprężystyiMasaiiiDetektor

pojemnościowy

•Czujnik

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

Interfejsczujnika Sygnał wyjściowy

Rys . 10-3 . Zasada działania czujnika przyspieszenia poprzecznego z przetwornikiempojemnościowym [24](za zgodą wydawnictwa Carl Hanser Verlag)

Pojemnościowe mikromechaniczne czujniki bezwładnościowe drgańi przyspieszeniaCzujniki te funkcjonują zgodnie z drugą zasadą dynamiki Newtona . W ich budo-wie wykorzystuje się układ masa-sprężyna-tłumik . Siła bezwładności działająca napojazd podczas przyspieszania lub hamowania oddziałuje na masę sejsmicznączuj-nika, powodując jej przesuw lub nacisk na element pomiarowy (rys . 10-4). W przy-padku czujnika, w którym mierzony jest przesuw masy sejsmicznej, jeżeli nieuwzględnimy tłumjenia (k = 0, rys . 10-4), można zapisać :

gdzie :m. _ -cx + max (t)

(10.2)

m - masa ruchoma,c - sztywność elementu sprężystego,x - wychylenie masy m,a x - przyspieszenie działające na czujnik w kierunku ruchu masy m (wymuszenie) .

Są to drgania wymuszone siłą bezwładności F = max , nietłumione .W praktyce przyspieszenie lub opóżnienie działające na pojazd ma określony

czas narastania oraz wykazuje pulsacje . W dalszej analizie stosowane jest okre-ślenie „opóżnienie" . Jego przebieg można opisać szeregiem Fouriera . Jeżeli dlauproszczenia przyjąć, że opóżnienie zmienia się okresowo według zależności :

ax = a osin(o t

(10.3)gdzie :ao - amplituda opóżnienie,co l -częstość pulsacji opóżnienie (częstość wymuszenia),

140

X f'

to rozwiązanie równania (10.2) ma postać :

x(t) =C,sincoot+C,coscoat+a,z 1 Z sinco,t~o - col

gdzie (oo =Vm to częstość drgań własnych masy m czujnika .m

Trzeci człon tego równania reprezentuje całkę szczególną równania (10 .2)i opisuje drgania wymuszone siłą ma , (t) . Amplituda drgań wymuszonych wynosi :

Z zależności (10 .5) wynika, że wartość amplitudy drgań wymuszonych nietłu-mionych zależy od częstości drgań własnych czujnika mo oraz od stosunku częs-tości drgań siły wymuszającej do częstości drgań własnych : co l/coo . Zależność tęprzedstawiono na rys . 10-5 .

Jednoznaczne określenie maksymalnego opóźnienia pojazdu a o wymaga zna-jomości amplitudy drgań wymuszonych A, częstości drgań własnych czujnika co ooraz stosunku częstości wymuszenia co, do częstości drgań własnych co o. Jeżeli sto-

Rys. 10-5 . Zależność amplitudy drgańwymuszonych od stosunku częstości siływymuszającej do częstości drgańwłasnych (czujnik bez tłumienia)

A=1

ao z

zcoo - (.U,


ao

1

wo 1

colz- zC00

Rys. 10-4 . Schemat układudrgającego z czujnikiempojemnościowym1 - obudowa, 1- sprężyna,3 - masa drgająca, 4 - tłumik drgań,5 - przetwornik pojemnościowy,6 - układ przetwarzania sygnału

(10.4)

(10.5)


1 4 1

sunek co,lcoo będzie możliwie mały, tzn . częstość drgań własnych będzie co naj-mniej jeden rząd wielkości większa od częstości wymuszenia : co l /co o < 0,1 to napodstawie zależności (10 .5) można zapisać :

A - a o 1

(10.6)00

Amplituda A drgań masy ruchomej opóżnieniomierzajest wtedy proporcjonalnado maksymalnego opóżnienia pojazdu ao. Należy jednak pamiętać, że zwiększanieczęstości drgań własnych czujnika powoduje szybki spadek jego czułości pomia-

rowej : s = rn =1 . Tę niedogodność można złagodzić stosując czujnik z tłumie-c wo

niem. Równanie ruchu drgającego z tłumieniem proporcjonalnym do prędkości mapostać :

mź = -cx - kż + mao sinco,t

(10.7)

gdzie k to współczynnik tłumienia .Można zapisać :

x + 2EŻ + coo'x = aosincolt

(10.8)

gdzie 2E = km

Dla przypadku tłumienia małego : coo > E rozwiązanie ogólne tego równania mapostać :

x(t)=e "asin(Vcoó -E2 t+cp o )

Jest to równanie ruchu drgającego, bez wymuszenia, tłumionego siłą propor-cjonalną do prędkości, gdzie :

funkcja opisująca zmianę amplitudy drgań tłumionych w czasie t,(po - kąt fazowy drgań swobodnych,

vwo -Ez -częstość drgań tłumionych .

Zależność x(t) przedstawiono na rysunku 10-6 .Rozwiązanie szczególne równania (10 .8) przyjęto jako :

x z = Asin(co,t-oj

(10.10)

gdzie :co, - częstość siły wymuszającej,00 - kąt fazowy drgań wymuszonych ; w dalszej analizie przyjęto & = 0, q9„ = 0

Po podstawieniu do (10.8) otrzymamy zależność na amplitudę drgań wymu-szonych :

A = ao1

(coa -CO1 ) +4E ct71

(10.9)

Z zależności (10 .10) i (10 .11) wynika, że drgania wymuszone x,(t) są drga-niami harmonicznymi o częstości siły wymuszającej co„ Amplituda tych drgań

142


A zależy od maksymalnego opóźnienia a o , częstości wymuszenia co, i tłumieniaczujnika e. Przy e 0 wartość amplitudy pozostaje zawsze skończona, niezależnieod częstości siły wymuszającej (rys . 10-7) .

Dla w, = 0 i co, = co o jest odpowiednio :

A(a) = 0) =a2 = mao i A(w, =w,)= a°

(10.12)lew

wo0

c

Ekstrema amplitudy drgań wymuszonych, jako funkcji częstości w,, możnawyznaczyć przez przyrównanie do zera pochodnej wyrażenia (10 .11). Pochodna

amplitudy drgań dA/dw, jest równa zeru dla w, = 0 i w, =ywoz -2e2 .

Na rysunku 10-7 przedstawiono zależność unormowanej amplitudy drgań

wymuszonych A od stosunku 2' , dla różnych wartości współczynnikamao / c

wotłumienia e. Aby osiągnąć możliwie płaską charakterystykę amplitudowo-ezęsto-ściową i zmniejszyć wpływ częstości wymuszenia w, na pomiar amplitudy drgańkonieczne jest właściwe przyjęcie tłumienia w czujniku .

Rys. 10-6. Charakterystyka drgań thamionych

i=21r/co,=2nlvwo -e 2

Gdycuo

<r , czyli współczynnik tłumienia k ma wartość małą: k = 2 em < mwo v2,

występujeprzewyższenie rezonansowe, tzn . A > 1 . Maksimum amplitudymao l c

drgań występuje wówczas przy częstości wymuszenia w, = llwoz -tez .

Gdycvo > -

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

i maleje wraz ze wzrostem częstości wymuszenia w, . Dla tego zakresu zjawisko re-

zonansunie występuje . Tłumienie odpowiadające wartości e = wo / V 2 nazywane jesttłumieniem krytycznym .

Amap/c

5

4

3

2

1

0

0,5


143

E_ \`\2w0

1E=0

0

1,0 1,5 2,0

W1

COO

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

W praktyce czujniki drgań (opóźnienia) posiadają układ tłumiący o wartości sw zakresie od 0,5% do 0,7%, Uniezależnia to w znacznym stopniu pomiar am-plitudy drgań od częstości wymuszenia .

W czujnikach przyspieszeń stosowane jest tłumienie powietrzne (w niewielkimstopniu zależne od temperatury) lub elektrodynamiczne. Równocześnie stosuje sięzabezpieczenia przeciążeniowe w postaci ogranicznika przemieszczenia masy m . Za-stosowanie tłumienia o odpowiednich parametrach pozwala na stosowanie czujnikóww szerszym zakresie drgań, również powyżej wartości drgań własnych czujnika.Dzięki temu nie zachodzi konieczność znacznego zwiększania częstości rezonanso-wej, co powoduje, że nie pogarsza się czułość pomiarowa czujnika s = m /c .

Przykład mikromechanicznego czujnika przyspieszeń przedstawiono na ry-sunku 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. Płytkiruchome 3 związane z masą 1 oraz płytki stałe 6 stanowią okładziny dwóch kon-densatorów połączonych szeregowo : 1/CM = 1/C , + 11C2 . Gdy na masę 1 działaprzyspieszenie a, powoduje to ruch płytek 3 i zmianę pojemności kondensatorów

utworzonych z płytek ruchomych i stałych : C,,, =C'CZ Ta zmiana pojemno-C, + Cz

ki, proporcjonalna do przyspieszenia a, jest zamieniana na sygnał napięciowywzmacniany i przesyłany do sterownika . Tego typu czujnik przyspieszeń może

144


być stosowany w układach sterowania poduszek powietrznych oraz w układachABS i ESP. Ze względu na małą pojemność kondensatorów (około I pF) układwzmacniający oraz układ obróbki sygnału znajdują się we wspólnej obudowiez przetwornikiem. Jest to specjalizowany układ scalonyASIC (Application Speci-fic Integrated Circuits) .

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 - obudowaz tlenku krzemua - kierunek działania przyspieszenia

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

5

6

u

7-E

11 It

4 5

1 23 4 C

4 -a~

It lr11

6

,fit

Rys. 10-9 . Schemat grzebieniowego czujnikaprzyspieszenia poprzecznego układustabilizacji toru jazdy z pojemnościowymprzetwarzaniem sygnału przyspieszenia [74]1 - komórka elementarna, 2 i 3 - płytkinieruchome, 4 - płytki ruchome,5 - masa sejsmiczna, 6 - płaskie sprężyny,7 - mocowaniaa - przyspieszenie poprzeczne,C- pojemność elementarna

C [nF]

100

10

1

0,10

C

20 40

0


145

Pojemnościowe czujniki wilgotności powietrza

Tego rodzaju czujniki wykorzystywane są do pomiaru wilgotności powietrza wewnątrzpojazdu . Zawierają one warstwy higroskopijne, które w zależności od wilgotnościwzględnej pochłaniają lub odparowują wodę w sposób odwracalny, co wywołuje wy-rażne zmiany pojemności elektrycznej (rys . 10-10) . W czujnikach pojemnościowychcienki film polimerowy lub z tlenku metalu (np . tlenku glinu) umieszczony jest po-między dwiema elektrodami . Powierzchnia aktywna pokryta jest porowatym meta-lem. Jedna z elektrod może przepuszczać wodę lub też elektrody mają strukturęgrzebieniową. Przy rosnącej wilgotności dielektryk umieszczony między płyt-kami kondensatora nabiera wody i jego pojemność silnie wzrasta (rys . 10-10) .

60 80 100 RH [%]

Rys. 10-10 . Zależność pojemnościkondensatora z dielektrykiemhigroskopijnym od zmianwilgotności [11]

Stała dielektryczna wody wynosi około 81, natomiast powietrza około 1 . Zależnośćstałej dielektrycznej tak zbudowanego kondensatora od zmian względnej wilgotnościotoczenia czujnika jest bliska proporcjonalnej . Zmiany pojemności są rzędu 0,2 . . .0,5 pF na 1% zmiany względnej wilgotności RH . Nominalna pojemność tego typuczujników zawiera się w przedziale 100 . . .500 pF przy 0% wilgotności. Czujniki temogą pracować do temperatury 200°C, zmienność ich charakterystyki wraz z tem-peraturąjest niewielka. Stała czasowa tego typu czujnika (czas odpowiedzi na 63%skokową zmianę wilgotności) wynosi od 30 do 60 s. Dokładność pomiaru wilgotno-ści jest rzędu f2% wilgotności względnej RH dla zakresu 5 . . .95% RH (przy dwóchpunktach kalibracji) . Pewne ograniczenie stosowania tych czujników to odległośćprzesyłania sygnału z powodu występowania efektu pojemnościowego przewodówwobec niewielkich względnych zmian pojemności czujnika . W praktyce długość tychprzewodów nie powinna przekraczać 3 m .

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

146


C [pF]250230210190170150130110907050

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 pojazduCzujnik pojemnościowy wykorzystywany jest także w układzie pomiaru pochyle-nia pojazdu, będącym częścią składową instalacji alarmowej (rys . 10-13) .

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

Czujnik ten rozpoznaje wyjściowe położenie samochodu za pomocą dwóch kon-densatorów płytkowych, których pojemność zależy od względnego położenia pły-tek i cieczy umieszczonej w czujniku . Kształt płytek jest tak dobrany, że zmianakąta pochylenia samochodu powoduje stopniowe zalewanie cieczą powierzchnipłytek. Wywołuje to zmianę przenikalności elektrycznej kondensatora, a tymsamym zmianę jego pojemności .

Czujniki piezoelektryczne

a

1111 .1 . Zasada działaniaW 1880 r. J . i P. Curie wykryli pewne właściwości kryształów pochodzenia mine-ralnego. Poddane siłom ściskającym lub rozciągającym stawały się spolaryzowaneelektrycznie, tzn . wykazywały różnicę potencjałów między powierzchniami ob-ciążanymi (rys . 11-1). Występuje również zjawisko odwrotne : kryształ poddanydziałaniu pola elektrycznego po przyłożeniu napięcia ulega wydłużeniu lub skró-ceniu, w zależności od kierunku polaryzacji . Te zjawiska nazwano efektem pie-zoelektrycznym, od greckiego słowa piezein oznaczającego ściskanie, zgniatanie .W materiałach krystalicznych naturalnych, np . kryształach kwarcu, efekt piezoe-lektryczny powstaje bez wcześniejszego przygotowania . Materiały wytworzonesztucznie muszą być w tym celu wstępnie polaryzowane w silnym polu elektrycz-nym. Takie właśnie materiały (np . piezoceramiczne) są stosowane w pojazdachsamochodowych .

Z makroskopowego punktu widzenia piezoelement w stanie nieobciążonymjest elektrycznie neutralny .

b F X

F,

Rys . 11-1 . Powstawanie efektupiezoelektrycznego [24]a - kryształ nieobciążony,b - podłużny efektpiezoelektryczny(za zgodą wydawnictwa CarlHauser Yerlag)

148

Czujniki piezoelektvczne

Momenty dipolowe poszczególnych kryształów skierowane są przypadkowo .Element jako całość nie jest spolaryzowany . Nacisk wywierany na kryształ, w gra-nicach sprężystości, skierowany równolegle do jego osi elektrycznej lub mecha-nicznej, powoduje powstanie ładunku elektrycznego na obciążanych ściankach(rys. 11-1). Podczas obciążania elementy siatki (dipole) przesuwane są wzajemniei zajmują położenie ukierunkowane . Wskutek tego między zewnętrznymi po-wierzchniami piezoelementu pojawia się różnica potencjałów . Przy nacisku i roz-ciąganiu kryształu powstaje napięcie o odwrotnej biegunowości. Napięcie to jestproporcjonalne do wywieranego obciążenia. Oprócz piezoelektrycznego efektupodłużnego mogą występować efekty piezoelektryczne : poprzeczny i ścinania . Po-legają one na powstawaniu ładunków na powierzchniach bocznych w stosunku dopowierzchni przyłożenia siły .

Zjawisko odwrotne polega na odkształceniu elementu piezoelektrycznego pod-danego działaniu napięcia elektrycznego . Pole elektryczne ukierunkowuje usta-wienie dipoli kryształów, zmieniając całkowitą długość elementu . Zanik napięciapozostawia szczątkową polaryzację dipoli . Ponowne przyłożenie napięcia o bie-gunowości odpowiadającej polaryzacji szczątkowej powoduje skrócenie elementu,a przyłożenie napięcia o kierunku przeciwnym wydłuża element . Ta zasada wy-korzystywanajest np . w silnikach piezoelektrycznych i w membranach głośników.

Wartość ładunku elektrycznego powstającego na elektrodach przyłożonych doobciążanej pojedynczej płytki piezoelektrycznej, w przypadku korzystania z efektuwzdłużnego 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 geomet-rycznych płytki, w celu zwiększenia czułości czujnika stosuje się łączenie płytekw 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-++AK-- +

Rys. 11-2. Zasada budowy czujnikawielopłytkowego o zwiększonej czułości [701

Zasada działania

149

W przypadku korzystania z efektu poprzecznego wartość ładunku indukowa-nego na elektrodach bocznych pod wpływem przyłożonej siły wynosi :

Q=-bkF

(11 .3)a

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

Rys . 11-3 . Zasada powstawaniapiezoelektrycznego efektu poprzecznego [701

Znak „minus" w zależności (11 .3) wskazuje, że znaki ładunków są przeciwnedo kierunku dodatniego osi x (rys . 11-3) . Czułość takiego przetwornika możnazwiększyć przez zmianę stosunku b/a, co praktycznie uzyskuje się przez wydłu-żenie prostopadłościanu w kierunku osi y do granicy określonej jego dopuszczal-nym wyboczeniem i wytrzymałością mechaniczną.

Z efektu piezoelektrycznego wzdłużnego korzysta się na ogół przy pomiarzeprzyspieszeń i sił wzdłużnych, z efektu poprzecznego natomiast przy pomiarze siłi momentów zginających oraz ciśnienia .

Należy pamiętać, że efekt piezoelektryczny zanika powyżej temperatury około340°C (temperatura Curie) . Poniżej tej temperatury kryształy mają budowę tetra-gonalną i moment dipolowy, co po przyłożeniu pola elektrycznego wywołuje efektpiezoelektryczny. Powyżej tej temperatury kryształy mineralne (np . perowskitCaTiO3 ) charakteryzują się prostą, symetryczną, sześcienną budową, bez momentudipolowego . Aby uniknąć depolaryzacji kryształów, temperatura piezoelementówpodczas eksploatacji nie powinna przekraczać 160°C .

Napięcie powstające na zaciskach elektrod piezoelementu obciążonego siłą za-leży od jego własnej pojemności CP :

U = Q

(11 .4)C,

Czujniki piezoelektryczne posiadają dużąrezystancję wewnętrzną . Napięcioweprzetwarzanie sygnału wymaga wbudowania wzmacniacza możliwie blisko czuj-nika, bowiem długie przewody doprowadzające zmieniają rezystancję i pojemnośćukładu, zafałszowując sygnał z czujnika . Możliwość rozdzielenia czujnika i wzmac-niacza występuje przy pojemnościowym przetwarzaniu sygnału (rys . 11-4) . Ładu-nek Q wytworzony w czujniku gromadzi się na kondensatorze pomiarowym

150


C,N stanowiącym część wzmacniacza. Napięcie mierzone na tym kondensatorze jestproporcjonalne do wytworzonego ładunku :

UM = Q

(11 .5)

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

rW materiałach piezoelektrycznych występuje zjawisko histerezy, analogicznie

jak w materiałach ferromagnetycznych. Na rysunku 11-5 pokazano typową pętlęhisterezy jako zależność względnej zmiany długości elementu 01/41mar od napię-cia elektrycznego przykładanego do ścianek tego elementu .

2 Rys. 11-4 . Przetwarzanie pojemnościowesygnału z czujnika piezoelektrycznego [ 11 ]1 - element piezoelektryczny, 2 - przewódłączący, 3 - układ pomiarowyCp - pojemność własna elementupiezoelektrycznego, F- siła mierzona,C,f - pojemność pomiarowa, Q - ładunekelektryczny

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

Jako materiał piezoelektryczny w budowanych obecnie czujnikach pomiaro-wych stosuje się kwarc (SiO.), rzadziej tytanian baru (BaTio> W porównaniuz innymi materiałami kwarc charakteryzuje się wieloma zaletami: znaczną wy-trzymałością mechaniczną, dużą liniowością, pomijalną histerezą, odpornością nadziałanie podwyższonych temperatur, znaczną stabilnością temperaturową orazdużą rezystywnością. Stosuje się również specjalne mieszanki tlenków metali, pod-dawane obróbce cieplnej, przez co uzyskują strukturę krystaliczną . Po ochłodze-niu elementy te cięte są na odpowiednie kształty w zależności od przeznaczeniai wyposażane w elektrody. Na przetworniki piezomechaniczne, zamieniające przy-

kładane napięcie na odkształcenie elementu, stosuje się materiały ceramiczne oło-wiowo-cyrkonowe-tytanowe (PZT ceramics - Pb/Zr/Ti) . Oprócz materiałów krys-talicznych ceramicznych, właściwości piezoelektryczne wykazują także specjalnecienkie folie wykonane z tworzyw sztucznych, które również znalazły zastosowa-nie w pojazdach samochodowych . Są to materiały tanie, jednakże ich właściwo-ści w zastosowaniu do czujników są znacznie gorsze . Dodatkowo materiały tewykazują tzw. efekt piroelektryczny, polegający na tym, że wskutek zmian tem-peratury wytwarzają ładunek powierzchniowy, który nakłada się na ładunek wy-twarzany podczas oddziaływań siłowych .

Efekt piezoelektryczny występuje przy dynamicznym oddziaływaniu na po-wierzchnię elementu . Przy statycznym działaniu siły ładunki elektryczne przepły-wają przez rezystancję obwodu pomiarowego czujnika i efekt piezoelektrycznyzanika. Stałą czasową takiego rozładowania oblicza się jako :

t = (~,

(11 .6)

gdzie R jest rezystancją całkowitą przetwornika .Wysokiej jakości czujniki piezoelektryczne mają stałą czasową liczoną w mi-

nutach, zaś typowe, stosowane w pojazdach - w sekundach .

11 .2. Zastosowania czujników piezoelektrycznych

Piezoelektryczne czujniki przyspieszenia

Przy zastosowaniu czujników piezoelektrycznych do pomiaru przyspieszenia ele-ment piezoelektryczny może służyć jednocześnie jako masa sejsmiczna i jako ele-ment sensoryczny, który przez odkształcenie przetwarza przyspieszenie a nawielkość elektryczną (rys . 11-6) . Indukowany ładunek elektryczny Q jest propor-cjonalny do działającej siły bezwładności, a więc do przyspieszenia a :

Q= ku ma

(11 .7)gdzie :m - masa sejsmiczna,a - mierzone przyspieszenie,kv - współczynnik piezoelektryczny .

a

1

1U=0

a=0

Zasada działania

151

b

! 1

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

152


Zasadniczą częścią czujnika jest zginany element piezoelektryczny składającysię z dwóch sklejonych, przeciwnie spolaryzowanych warstw . Przyspieszenie adziałające na belkę 1 powoduje powstanie siły bezwładności zginającej belkę . W re-zultacie na zewnętrznych powierzchniach warstw gromadzą się ładunki elektryczne,a napięcie U jest sumą piezoefektu w obu warstwach . Elektrody zamocowane dobelki 1 umożliwiają pomiar napięcia wywołanego efektem piezoelektrycznym, pro-porcjonalnego do działającego przyspieszenia . Zginane piezoelementy dają mie-rzalny sygnał napięciowy przy dużych opóźnieniach, rzędu kilkudziesięciu m/s',występujących w sytuacjach zderzeniowych . Mogą sygnalizować przyspieszeniegraniczne zarówno przy zderzeniach czołowych, jak i bocznych . Sygnał wyjściowyjest sygnałem zmiennonapięciowym (około 10 Hz) i wymaga filtracji większychczęstotliwości .

uuo10

0

-10

-20 110-2 10° 10l 102 10 3 104 f [Hzl

Rys. 11-7 . Przykładowa charakterystykaczęstotliwościowa piezoelektrycznegoczujnika przyspieszenia [24](za zgodą wydawnictwa Carl HanserVerlag)

Rys. 11-8. Wygląd zewnętrznymikromechanicznego czujnikaprzyspieszenia poprzecznegoi prędkości kątowej firmy Bosch [127]

Czujniki piezoelektryczne do pomiarów przyspieszenia znajdują zastosowaniew 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 po-wietrznej i napinaczy pasów bezpieczeństwa .

t

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 powo-dowały zmiany ładunku na jego elektrodach . Siła nacisku na kryształ będzie pro-porcjonalna do przyspieszenia, a więc napięcie powstające w czujniku będziemiarą przyspieszenia . Na tej zasadzie opiera się działanie czujnika spalania stu-kowego w silniku. Jest on sztywno przymocowany do górnej części kadłuba, wpobliżu głowicy silnika . Drgania tych elementów wywoływane są przez pulsacjeciśnienia spalania w cylindrach silnika. Przenoszą się one na masę sejsmiczną 2czujnika (rys . 11-9) . Siły bezwładności wywoływane tymi drganiami oddziałująna pierścieniowy element piezoceramiczny 1 . Na powierzchniach tego elementupowstają 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 gra-nicznych 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 silnikówczterocylindrowych stosuje się jeden czujnik ; w przypadku większej liczby cy-lindrów 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 drgającaobciążająca element piezoelektryczny,3 - obudowa, 4 - śruba mocująca, S - tulejadystansowa, 6 - styk elektryczny, 7 - kadłub silnikaF- siły pochodzące od drgań kadłuba silnikadziałające na czujnik i masę 2,v - kierunek przenoszenia drgań

Zastosowania czujników piezoelektrycznych

153

Zastosowanie w silniku czujnika fazy, otrzymującego impuls co jeden obrót wałurozrządu, pozwala przyporządkować przebieg drgań z czujnika spalania stuko-wego do konkretnego cylindra. Dzięki temu otrzymujemy informację, w którymcylindrze proces spalania przebiega nieprawidłowo i tylko w tym cylindrze zapłonjest opóźniany, aby ograniczyć w nim spalanie stukowe . Każdy cylinder ma

154 Czujniki piezoelektryczne

własny poziom odniesienia, względem któregojest oceniany sygnał z czujnika spalania stuko-wego (rys. 11-10) . Czujniki tego typu przysto-sowane są do pracy w temperaturach od -40 do150°C, w warunkach zapylenia i dużych zmianwilgotności .

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

Rys. 11-11 . Piezoelektrycznyczujnik spalania stukowego(widok)

Piezoelektryczne czujniki ciśnienia

W diagnostyce urządzeń samochodowych mają zastosowanie piezokwarcowe czuj-niki do pomiaru dynamicznych zmian ciśnienia w przewodzie dolotowym silnikaspalinowego (rys . 11-12a) lub reagujące na odkształcenie przewodu ciśnienio-wego, np. przewodu wysokiego ciśnienia w układach wtryskowych (rys . 11-14)albo przewodu hamulcowego w hamulcach hydraulicznych (rys . 11-12b) . W przy-padku dynamicznych zmian ciśnienia paliwa lub ciśnienia płynu hamulcowegozmianom ulega średnica przewodu, przez który przepływa płyn . Dwa elementypiezokwarcowe czujnika obejmują ściśle ten przewód (rys . 11-12b) . Na skuteksprężystego odkształcania ścianek przewodu hydraulicznego elementy piezo-kwarcowe podlegają działaniu sił . Zmiana wartości tych sił jest proporcjonalna dozmian ciśnienia w przewodzie . Ładunek elektryczny indukowany w elemencie pie-zokwarcowym wywohxje różnicę potencjałów na powierzchniach połówek piezo-kwarcowych obejmujących przewód. Napięcie to po wzmocnieniu jestrejestrowane i reprezentuje czasowy przebieg zmian ciśnienia hydraulicznego .

Na rysunku 11-13a przedstawiono przebieg czasowy prędkości zmian napięciaz czujnika piezokwarcowego mierzącego pulsacje przewodu hamulcowego pod-czas działania układu przeciwblokującego ABS oraz porównawczo sygnał zmian


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

ciśnienia w tym przewodzie, które równocześnie mierzone było czujnikiem ten-sometrycznym (rys . 11 -13b) . Metoda pomiaru odkształceń przewodów hamulco-wych z zastosowaniem czujników piezokwarcowych może być stosowana dodiagnostycznych badań zmian ciśnienia podczas działania układu ABS .

Piezokwarcowe czujniki ciśnienia stosowane są również do analizy przebieguciśnienia wtrysku paliwa w silnikach o zapłonie samoczynnym (rys . 11-14) . Wy-korzystuje się je również w przyrządach do pomiaru kąta wyprzedzenia wtrysku .W tym przypadku montowane są na przewodzie wysokiego ciśnienia pompyw podobny sposób, jak pokazano to na rys . 11-12b .

155

156

a

0,40D,2D0,00-0,20-0,40-0,60-0,80-1,00-1,20-1,40-1,60-1,80

b

0,16 U0,140,120,100,080,060,040,020,00-0,02-0,04

v~t~lll~llllllll~~~llll

t [s]OOO

MYO

mcoO

ON

"i t [s]0OO

rnO

O0)O

N


b ć 4 act M ńN N M M M 7 a

NvON

MM

NO)M

Z,e

OO7

22N

Rys. 11-13. Przebieg czasowy napięciaa - z piezokwarcowego czujnika pulsacji przewodu hamulcowego, b - z tensometrycznegoczujnika ciśnienia

Rys. 11-14 . Widokpiezokwarcowychczujników ciśnieniazamocowanych doprzewodów wysokiegociśnienia pompywtryskowej


157

-l- -i-

-l-

-l-

-l- 1

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

Piezoelektryczne czujniki prędkości kątowejAnalizując ruch pojazdu jako bryły sztywnej (rys. 11-16) prędkość bezwzględnąpunktu A poruszającego się wewnątrz nadwozia, które również jest w ruchu możnaopisać równaniem :

d'r'v,,-vo +coxr+

-ve +v,

(11 .8)dt

Jest to suma geometryczna wektorów prędkości unoszenia ve i prędkościwzględnej vr*

Prędkość unoszenia ve jest prędkością, którą miałby punkt A, gdyby byłsztywno związany z nadwoziem . Prędkość unoszenia równa się sumie geomet-rycznej prędkości liniowej v o środka masy pojazdu O w nieruchomym układziewspółrzędnych Otxyz i prędkości punktu A w ruchu obrotowym względem chwi-lowej osi obrotu z' (rys . 11-16) :

ve=vo +coxr'

(11 .9)

Prędkość vr jest prędkością względną, czyli prędkością punktu A w układzieruchomym Ox'y' z' (rys. 11-16) :

d'r 'vr-

( 11 .10)dt

Jest to pochodna lokalna wektora r' wyznaczona w układzie ruchomymOx'y'z' .

158

ac = 2wiv sin a


Rys. 11-16 . Ruch płaski ciała sztywnego

Przyspieszenie bezwzględne punktu A nadwozia w nieruchomym układzie od-niesienia O,xyz wynosi :

dv,adt

(11 .11)

Po zróżniczkowaniu zależności (11 .8) i odpowiednich przekształceniach [41]można zapisać następującą sumę geometryczną :

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

dt

c(11 .12)

gdzie :

- a, -dvo

+ dw r' +w x (w x r') jest przyspieszeniem unoszenia, równym przy-da dt

spieszeniu, które miałby punkt A, gdyby był sztywno związany z układem rucho-mym Ox'y'z'(gdyby nie przemieszczał się względem nadwozia) ;

- a,.dt

fiest przyspieszeniem względnym punktu A, wynikającym z prze-

mieszczania się tego punktu w ruchomym układzie współrzędnych Ox'y'z' i zmianprędkości względnej vr tego punktu (to pochodna lokalna prędkości względnej vrw układzie ruchomym Ox'y'z' ; reprezentuje ruch punktu A wewnątrz nadwozia) ;- ac = 2w xv r jest przyspieszeniem punktu A wynikającym z prędkości kątowejnadwozia w i prędkości względnej tego punktu vr (przyspieszenie Coriolisa) .

Wektor przyspieszenia Coriolisa jest prostopadły do prędkości względnej v rpunktu A i do wektora prędkości kątowej w. Wartość tego przyspieszenia wy-nosi :

(11 .13)

gdzie a to kąt między wektorami vr i (0 -Z zależności (11 .13) wynika, że gdy prędkość kątowa co ruchomego układu od-

niesienia Ox'y'z' (nadwozia pojazdu), równa jest zeru, czyli gdy pojazd porusza sięruchem postępowym, wówczas i przyspieszenie Coriolisa a C równe jest zeru . Przy-spieszenie a c równe jest także zeru gdy prędkość względna vr punktu A wynosizero, lub gdy prędkość vr jest równoległa do wektora prędkości kątowej co, czyliwartość kąta a = 0 .


159

Te właściwości ruchu bryły sztywnej wykorzystuje się do pomiaru prędkościkątowej pojazdu. Jeżeli ruch samochodu po jezdni potraktujemy jako ruch płaski,to prędkość kątowa nadwozia pojazdu wokół osi pionowej wynosi :

CO=

(11 .14)2v,acsina

Prędkość względną vr punktu A, w którym na pojeździe umocowany jest czuj-nik, uzyskuje się za pomocą wymuszanego elektrodynamicznie ruchu drgającegomasy sejsmicznej czujnika :

v, = vo sinwa t

(11 .15)Drgania masy w czujniku zamocowanym w nadwoziu mają kierunek prosto-

padły do kierunku wektora prędkości co, stąd kąt a = n/2 . Dla takiego przypadkuna podstawie równań (11 .14) i (11 .15) można zapisać :

co =

ac

(11 .16)2vo sincoo t

gdzie % to częstość wymuszanych elektrodynamicznie drgań masy czujnika .W przypadku obrotu nadwozia przyspieszenie Coriolisa ac działające na masę

drgającą czujnika m zamontowaną sprężyście powoduje jej wychylenie, zależne odwartości tego przyspieszenia . Kierunek wychylenia x jest prostopadły do wektoraprędkości kątowej co i wektora prędkości względnej v r (zgodny z kierunkiem ac ) .Mierząc wartość tego wychylenia można obliczyć wartość chwilową przyspiesze-nia Coriolisa ac z zależności :

2ac(t)= 'xc

(11 .17)

Z kolei znając charakter drgań wymuszonych masy czujnika (w o, vo) można zzależności (11 .16) obliczyć prędkość kątową pojazdu w wokół osi pionowej lubwzdłużnej .

Techniczne rozwiązania tego typu czujników zawierają układy filtrujące, po-zwalające oddzielić przebieg przyspieszenia Coriolisa wynikający z obrotu pojazduod zakłóceń powstających np . wskutek drgań nadwozia. Należy również wyraźnieoddzielić wpływ drgań masy czujnika m, związanych z drganiami nadwozia i po-wstającego przy tym przyspieszenia unoszenia a , oraz wpływ przyspieszeniawzględnego a, wywołanego wymuszonymi drganiami elektromagnetycznymi odpomiaru przyspieszenia Coriolisa . W tym celu przyspieszenie od drgań elektrycz-nych wymuszonych a r jest kilka rzędów większe od przyspieszenia Coriolisa i prze-sunięte w fazie : a r = d'v,l dt = vow ocoswo t, a, = 2wvosinwo t. Wpływ przyspieszeniaa, na pomiar przyspieszenia Coriolisa jest również eliminowany przez odpowied-nią modulację oraz montaż kierunkowy w pojeździe. Wymagane jest również prze-sunięcie fazowe sygnału mierzonego ac wobec przyspieszeń zakłócających .

Przykładem tego typu czujników są kamertonowe i mikromechaniczne czuj-niki prędkości obrotowej stosowane w pojazdach samochodowych .

W czujniku kamertonowym (rys. 11-17) widełki 3 są pobudzane do drgań poprzyłożeniu napięcia zmiennego do dolnych piezoelementów 6. Powoduje to rów-

160


nież drgania górnych elementów piezometrycznych 5 . Przy jeździe prostolinio-wej, gdy czujnik nie podlega obrotowi, pobudzone elektrodynamicznie widełkidrgają w płaszczyźnie widełek 3 (rys . 11-17a) . Przymocowane do nich górne pie-zoelementy 5 drgają w przeciwfazie . Ponieważ piezoelementy 5 czułe są tylko naoddziaływanie sił w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny widełek, siły bez-władności będące wynikiem drgań w płaszczyźnie widełek 3 nie wywołująw nichefektu piezoelektrycznego . Podczas jazdy po torze krzywoliniowym czujnik za-mocowany 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 przyspie-szenia Coriolisa ac- 2covr To przyspieszenie, prostopadłe do pierwotnego kierunkudrgań widełek, powoduje ich wychylenie w kierunku prostopadłym do ich płasz-czyzny (rys . 11-17b) . Ten kierunek wychylenia wywołuje efekt piezoelektrycznyw piezoelementach 5 . Po wzmocnieniu i obróbce sygnału z tych piezoelementówotrzymujemy napięcie zmienne, którego amplituda jest proporcjonalna do przy-spieszenia Coriolisa . Mierząc amplitudę tego napięcia i znając postać drgań wy-muszonych widełek (v,), można obliczyć prędkość kątową nadwozia co . Kieruneknapięcia wskazuje na kierunek prędkości kątowej nadwozia .

Tego typu czujniki są wykorzystywane w systemach nawigacji GPS . Na pod-stawie sygnału napięciowego z czujnika programowo obliczany jest promień łuku,po którym porusza się pojazd . Po uwzględnieniu prędkości samochodu i jego po-łożenia 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 torzekrzywoliniowym1 i 2 - kierunek obrotu widełek (skrętu pojazdu), 3 - widełki kamertonu, 4 - kierunek działaniaprzyspieszenia Coriolisa i kierunek odchylenia widełek przy ruchu obrotowym pojazdu, 5 - górnepiezoelementy, 6 - dolne piezoelementy wymuszające drgania, 7 - kierunek drgań widełek przyjeździe prostoliniowej62 - kąt obrotu

Mikromechaniczny czujnik prędkości kątowej (rys. 11-18) mocowany jestw nadwoziu w pobliżu środka masy pojazdu . Dwie masy 2 wykonane z płytek pół-przewodnikowych, zamocowane sprężyście w obudowie czujnika, pobudzane sąelektrycznie do drgań o przeciwnych fazach z częstotliwością rezonansową ponad2 kHz . Wymuszenie drgań v realizowane jest poprzez zmianę wartości prądu do-prowadzanego przewodem do mas 2 . Ponieważ masy znajdują się w stałym polumagnetycznym B, doprowadzany prąd wytwarza siłę Lorentza powodującą drga-nia. Prędkość tych drgań mierzy się poprzez pomiar siły elektromotorycznej wy-indukowanej w drugim przewodzie, umieszczonym na masie drgającej . Na każdejz mas umieszczony jest czujnik przyspieszenia 3, czuły na przyspieszenie działa-jące w kierunku prostopadłym do kierunku wymuszonych drgań masy 2 . Gdy po-jazd obraca się wokół osi pionowej, na masę 2 działa przyspieszenie Coriolisa .Jest ono wynikiem prędkości kątowej co pojazdu i czujnika zamocowanegosztywno do nadwozia samochodu oraz prędkości względnej v masy 2, wywołanejwymuszonym elektrycznie ruchem drgającym . Przyspieszenie Coriolisa działa wkierunku prostopadłym do wektorów prędkości kątowej co i prędkości v (rys . 11-18). Mikromechaniczne czujniki przyspieszenia 3 umieszczone na masach 2 mie-rzą jego wartość. Znając prędkość drgań wymuszonych mas 2 i przyspieszenieCoriolisa 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 zadanieczujnika przyspieszenia poprzecznego . Masy 2 wychylają się bowiem z położeniarównowagi nie tylko pod wpływem sił Coriolisa, ale również pod wpływem przy-spieszenia dośrodkowego co x(coxr) . Dzięki różnicy częstości pulsacji przyspie-


161

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

162


szenia Coriolisa i przyspieszenia dośrodkowego działającego na masę 2 oraz fil-tracji sygnałów można wyróżnić sygnał napięciowy przyspieszenia poprzecznegooraz reprezentujący przyspieszenie Coriolisa. Przedstawiony układ jest więc zin-tegrowanym czujnikiem podwójnego działania . W celu odizolowania czujnika odwpływów atmosferycznych i zachowania stałej jego charakterystyki w różnychwarunkach pracy jest on umieszczony w szczelnej obudowie metalowej wypeł-nionej azotem .

Jak przedstawiono powyżej, czujniki do pomiaru prędkości kątowej nie rea-gują na tę wielkość bezpośrednio . Zasada działania czujnika prędkości kątowejjest oparta na zjawisku powstawania i oddziaływania sił Coriolisa na poruszającysię element czujnika . Jeśli w pojeździe, który porusza się ruchem obrotowym znaj-duje się czujnik z masą drgającą, to działa na nią przyspieszenie Coriolisa, zakłó-

Rys. 11-19 . Piezoelektryczny czujnik prędkościkątowej układu stabilizacji toru jazdy [74]1 . . .4 - pary elementów piezoelektrycznych,5 - trzpienie połączeniowe, 6 - cylinderdrgający, 7 - płyta montażowaco - prędkość kątowa czujnika (pojazdu)

refRys. 11-20 . Zasada działaniapiezoelektrycznego czujnika prędkościkątowej [ 111]-]'i 2-2'-pary piezoelementówwzbudzających drgania cylindra, 3-3'-parapiezoelementów reagujących na zakłóceniedrgań cylindra (na prędkość kątową co),4-4'- para piezoelementów kompensującychzakłócenie drgań cylindra, 5 i 6 - układprzełączający i filtr pasmowy, 7 - wzorzecfazowy (punktu odniesienia), 8 - prostownik(selektywny fazowo)UA -napięcie wyjściowe, U er -napięcieodniesienia na piezoelementach 3-3'


163

Gające drgania tej masy. Sygnał potrzebny do przywrócenia pierwotnej postacidrgań może służyć jako miara prędkości kątowej, ponieważ wraz ze wzrostemprędkości kątowej pojazdu drgania masy czujnika są coraz bardziej zakłócane . Jestto drugi sposób pomiaru prędkości kątowej . Drgania masy czujnika wywoływanesą elektrycznie, sygnał korygujący te drgania jest również sygnałem elektrycznym .Przykład piezokwarcowego czujnika do pomiaru prędkości kątowej, działają-cego na powyższej zasadzie i stosowanego w systemach stabilizacji toru ruchu po-jazdu ESP przedstawiono na rysunku 11-19 . Niewielkich rozmiarów cylinder 6z zamocowanymi elementami piezoelektrycznymi pobudzany jest do drgań pro-mieniowych o regulowanej amplitudzie i częstości akustycznej . Drgania te wy-wołują dwie pary elementów piezoelektrycznych : ]-]'i 2-2', umieszczone naśrednicach prostopadłych względem siebie (rys. 11-20) . Jeżeli czujnik jako całośćnie podlega obrotowi, to w węzłach 3-3' i 4-4'nie występują oddziaływania naelementy piezokwarcowe . Gdy pojawia się ruch obrotowy pojazdu i czujnika co,drgania cylindra zostają zakłócone, a w węzłach 3-3'pojawia się wychyleniei efekt piezoelektryczny. Ten efekt jest kompensowany przez oddziaływanie elek-trodynamiczne pary piezoelementów 4-4' . Sygnał doprowadzany do piezoele-mentów 4-4', potrzebny do wyzerowania sygnałów z pary piezoelementów 3-3',stanowi miarę prędkości kątowej co pojazdu . Układ pomiarowy tego typu czujnikawyposażony jest w układ kompensacji temperatury .

Czujniki ultradźwiękowe

12 .1 . Zasada działaniaUltradźwiękami nazywamy drgania o częstotliwości wyższej od górnej granicy sły-szalności ucha ludzkiego tj . od około 16 . . .20 kHz i niższej od 10 GHz, powyżejktórej występuje tzw. pasmo hiperdźwięków. Różnica między ultradźwiękami,

dźwiękami słyszalnymi, infradźwiękami i hiper-dźwiękami polega tylko na innej ich częstotliwości(rys. 12-1). Natomiast mechanizm powstawania

Hiperdźwięki

i rozchodzenia się tych fal jest oparty na tych sa-mych prawach fizyki. Fale ultradźwiękowe, o częs-

10 GHz totliwościach do 6 . 10 5 Hz, mogą rozchodzić sięw ośrodkach stałych, ciekłych i gazowych . Wyka-zują one podobne własności jak fale świetlne, tzn .uginają się wokół przeszkód znajdujących się naich drodze, załamują się i odbijają na granicy

Ultradźwięki dwóch ośrodków; można je też skupiać pod posta-cią wąskich wiązek . Najczęściej wykorzystywanesą ultradźwięki rozchodzące się w postaci fal pod-łużnych. W tym ruchu cząstki ośrodka pobudzanesą do drgań o kierunku zgodnym z kierunkiem roz-chodzenia się fali. Występuje wówczas na prze-

16 kHz

mian zagęszczanie i rozrzedzanie cząstek ośrodka .Ten typ ultradźwięków jest wykorzystywany w za-

Dźwięki

stosowaniach motoryzacyjnych .Drgania o częstotliwości ultradźwiękowej wy-

16 Hz

twarzy się za pomocą przetworników, które umoż-liwiają przetwarzanie energii elektrycznej na me-

Infradźwięki

0 Hz

12

Rys . 12-1 . Widmo fal dźwiękowych

chaniczną i na odwrót (rys . 12-2) . Źródło fal ultradźwiękowych stanowi zwykleelement lub układ drgający, który jest pobudzany do drgań za pomocą zmiennegopola magnetycznego, elektrycznego lub elektromagnetycznego . Jako przetwornikiultradźwiękowe stosuje się elementy piezoelektryczne, najczęściej kwarcowe . Częs-totliwość napięcia wywołującego drgania powinna być zgodna z częstotliwościądrgań własnych przetwornika . Częstotliwości podstawowe przetworników piezoe-lektrycznych kwarcowych wynoszą od 50 do 200 kHz, a mikromechanicznych krze-mowych (MEMS) do 5 MHz [89] . Elementy te mogą być naklejane na membranyaluminiowe . Po przyłożeniu zmiennego napięcia piezoelementy drgają odkształca-jąc membranę. Przez krótkotrwałe pobudzenie membrany do drgań wysokoczęs-totliwościowych powstaje impuls nadawczy, składający się z sekwencji drgań (rys .12-3). Jeżeli impuls ten, przemieszczając się w danym ośrodku z prędkościądżwięku, natrafi na przeszkodę w postaci obiektu o innej gęstości, to odbija się odniego i wraca do przetwornika w postaci impulsu echa (rys . 12-3). W zastosowa-niach motoryzacyjnych stosuje się przetworniki, które generują i odbierają fale ul-tradżwiękowe w zakresie dolnych częstotliwości ultradźwiękowych : 20 . . .250 kHz .

Ponieważ efekt piezoelektryczny jest odwracalny, ten sam element przetwor-nika daje się zastosować zarówno do wysyłania, jak i do odbierania impulsów .

,_,nB A Przetwornik

ultradźwiękowy

Przełączniknadawanie/odbieranie

Oo--

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)

AmplitudaImpuls

Impulsnadany

echa

t

Zasada działania

165

PrzygotowanieWzmacniacz

sygnału Iodbioru

: Licznik

1I

-LI

+1

Opracowywanie1

(analizowanie) III

1I IIII

Sterowanie

1przebiegiem ~

I

IWzmacniacz Generator 1 Timernadawania

LMikrokontroler

Cykl nadawaniar4

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

Czas

166


Zasadę działania czujnika ultradźwiękowego wraz z układem przetwarzaniaprzedstawiono na rysunku 12-2 . Jednostka sterująca włącza przetwornik krótko-trwale na nadawanie fal ultradźwiękowych (przez około 300 gs) i uruchamia jed-nocześnie pomiar czasu (na przykład przez zliczanie impulsów z generatoraczęstotliwości wzorcowej) . Natychmiast po wysłaniu sekwencji drgań następujeokres wygaszania - uspokojenia membrany, trwający około 900 gs . W tym czasieodbiór sygnału nie jest możliwy. Po tym okresie układ pomiarowy jest przełączanyna odbiór, a sygnał akustyczny powracający w postaci echa jest odbierany . Ode-brane echo przebiega przez wzmacniacz i układ przygotowania sygnału. Tenostatni składa się co najmniej z filtra pasmowego (ochrona przed błędnymi po-miarami wskutek obcego dźwięku) dopasowanego do częstotliwości nadawaniai wyzwalacza . Sygnał wyjściowy wyzwalacza („echo odebrane") zatrzymuje zli-czanie impulsów pomiaru czasu . Następnie liczba impulsów jest odczytywanai obrabiana .

Znając częstotliwość f i długość fali i można obliczyć prędkość sygnału wdanym 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 obli-czyć odległość czujnika od przeszkody :

s=vAt/2=2, fAt/2

(12 .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 ul-tradźwiękowym . Kształt tego pola jest zależny od postaci i wymiarów przetwor-nika wysyłającego fale oraz długości fali rozchodzącej się w ośrodku, a jegonatężenie I,_ . od wysyłanej energii E , powierzchni fali S i czasu t, w którym falaprzepływa :

I _ E,

(12 .3)St

W przypadku fali kulistej rozchodzącej się w ośrodku bez zakłóceń natężenie1 wynosi :

Ic, = E,,

(12 .4)4nr`t

Dla źródła drgań o stałej mocy (Eu/t = const) natężenie fali kulistej jest od-wrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości od źródła dźwięku r .

Bezpośrednio przed źródłem drgań tworzy się strefa z oscylującym rozkłademnatężenia promieniowania . Długość r o tego bliskiego pola (strefa Fresnela) wy-nosi w przybliżeniu [24] :

ro =

(12 .5)4,k

gdzie D to średnica ultradźwiękowego elementu drgającego .W odległości r >> ro (dalekie pole lub strefa Fraunhofera) natężenie promie-

niowania maleje z kwadratem odległości r od źródła fali . W obszarze tym prawiecałkowita wypromieniowana energia jest koncentrowana w stożku o połowie kątarozwarcia a :

a = arcsin 06 D 1

Zasada działania

167

(12 .6)

Kąt ten zależy od długości fali ź . i średnicy membrany przetwornika D. W więk-szości przetworników ultradźwiękowych stosuje się wąskie wiązki promieniowa-nia (małe kąty a), aby zapobiegać odbiciom zakłócającym . Na rysunku 12-4przedstawiono model wiązki promieniowania ultradźwiękowego z płaskiego na-dajnika o dużej średnicy. Zakres i kształt wiązki przetwornika (kąt rozwarcia stożkapromieniowania) jest zależny od długości fali dźwiękowej ź .. Im krótsza długośćfali, tym węższy jest stożek fali i dłuższa strefa promieniowania .

W zależności od celu stosowania czujnikiultradźwiękowe mogą służyć do wykrywaniaprzemieszczających się elementów i np . zlicza-nia ich ilości (są to tzw. czujniki zhlUeniowe-proximity sensors), lub do pomiarów odległo-ści w zakresie od kilku (ok . 5) cm do kilkunastu(ok. 12) m - distance transducers . Ich niepew-ność pomiarowa wynosi do 0,05% . Dobór czuj-nika do określonego celu powinien uwzglę-dniać obszar, jaki ma być pokryty przez sygnałz przetwornika oraz odległość, na jaką ma do-cierać .

Jako materiał przetwornika stosuje się ma-teriały piezoelektryczne z kwarcu, siarczanulitu lub tytanianu baru . Istnieją też przetwor-niki na bazie piezoelektrycznych polimerów(PVDF). Częstotliwość rezonansowa f prze-tworników zależy od ich grubości g. Częstotli-wości te oblicza się z następujących zależności[108] :- dla kwarcuf= 2880/g [kHz],- dla siarczanu litu f= 2360/g [kHz],- dla tytanianu baruf= 2200/g [kHz],gdzie g [mm] to grubość przetwornika .

Stosowanie czujników ultradźwiękowych wymaga analizy wpływu różnychczynników zewnętrznych na wynik pomiaru .

Rys . 12-4 . Rozkład przestrzennypoziomów ciśnienia akustycznegoprzetwornika ultradźwiękowego1ł00ł

168


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

v = vo l+T273

*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 przybli-żeniu następujący związek [24] :

(12 .7)

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 siępomiary, układ czujnika ultradźwiękowego wyposażony jest w czujnik temperatury .

Wpływ częstotliwości . Podczas wyboru częstotliwości wzbudzenia przetwor-nika konieczny jest kompromis między rozdzielczością pomiaru a pochłanianiemdźwięku. Częstotliwości wysokie pozwalają na wyższą rozdzielczość . Ze wzros-tem częstotliwości rośnie jednak pochłanianie dźwięku w ośrodku, w którymdźwięk się rozprzestrzenia . Dlatego dobór częstotliwości fali ultradźwiękowej za-leży od mierzonej odległości i środowiska . Przy dużych długościach pomiarowychkorzystne są niskie częstotliwości. Natomiast wysokie częstotliwości pozwalająuzyskać małe kąty rozwarcia, a to z kolei umożliwia lepsze skupianie fali (ogni-

Zasada działania

169

skowanie) na obiekcie pomiarowym . W czujnikach stosowanych w budowie ma-szyn należy unikać zakresu około 40 kHz, ponieważ w tym zakresie występujemaksimum promieniowania ultradźwięków przez pracujące i drgające urządzeniamechaniczne [24] . Stosowanie tej częstotliwości pracy czujnika powodowałobyduży wpływ zakłóceń na pomiar .

Wpływ właściwości materiałowych i geometrii nadajnika fal . Jeźeli fala ul-tradźwiękowa pada na granicę ośrodka, to część dźwięku wchodzi do przylegają-cego ośrodka (podlega transmisji), część zaś jest odbijana (podlega odbiciu) .

Decydujący o zakresie pomiaru odległości współczynnik odbicia Ru obliczasię z zależności :

R, _ Wz-WI

(12.8)Wz+WI

gdzie W, i WZ oznaczają oporność falową ośrodków, odpowiednio dla transmisjii 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 .) wy-stępuje duże pochłanianie dźwięku (przetwarzanie w ciepło) z powodu ich struk-tury powierzchni . Odbijana jest tylko niewielka część energii . Dlatego są onetrudne do wykrycia, a do ich identyfikacji potrzebne są przetworniki o dużej ener-gii promieniowania . Także niektóre gazy (np . CO2 ) mają właściwości silnego po-chłaniania dźwięku . Dlatego czujniki ultradźwiękowe nadają się głównie doanalizy położenia lub prędkości obiektów o dużej gęstości .

12 .2. Zastosowania czujników ultradźwiękowychJednym z zastosowań tego typu czujników są zestawy nadajnik-odbiornik monto-wane w zderzakach pojazdu, określające odległość od przeszkód i nadzorujące prze-strzeń wokół pojazdu, np . podczas parkowania i manewrowania (rys . 12-6 i 12-8) .Czujnik działa według zasady impuls-echo. Krótki impuls prądowy trwający około300 gs wzbudza drgania w elemencie piezokwarcowym 7, pobudzając przeponę 2do drgań rezonansowych . Drgania te wywołująpowstawanie ultradźwięków . Po wy-słaniu impulsu przez przeponę następuje wygaszenie jej drgań przez około900 gs i oczekiwanie na impuls echa . Czas wygaszania drgań jest wykorzystywanydo kontroli poprawności działania czujnika . Powracająca odbita fala ultradźwiękowawywołuje ponownie drgania przepony 2 i elementu piezokwarcowego 7 . Na skutektych drgań element 7 wytwarza impulsy prądowe przesyłane do sterownika . W ste-rowniku analizowany jest czas powrotu echa (rys . 12-7) i obliczana odległość czuj-nika od przeszkody, np . wg zależności : s =~ fAt/2 . Uwzględnia się również wpływ

170

110

temperatury. Aktywacja układu czujników parkowania odbywa się przez włączeniebiegu wstecznego. Na ogół montowane są cztery czujniki w zderzaku tylnym sa-mochodu. W celu uzyskania jak największego zakresu wykrywania kąt obserwacjiw płaszczyźnie poziomej jest duży. W płaszczyźnie pionowej kąt penetracji jestznacznie mniejszy, by uniknąć zakłóceń spowodowanych odbiciem fal dźwięko-wych od nawierzchni drogi . Przy dużym kącie obserwacji w płaszczyźnie poziomeji zastosowaniu od 4 do 6 czujników w zderzaku samochodu można „obserwować"przestrzeń za pojazdem i na zasadzie triangulacji obliczać odległość od przeszkodyw zakresie około 1,5 . ..0,25 m, przy różnym kątowym ustawieniu przeszkód .

Czujniki ultradźwiękowe stosuje się także w celu oceny odległości od innychpojazdów i przeszkód na drodze oraz w systemach bezpieczeństwa czynnego .

c

3mmmc v

Czas powrotu echa t2


vij

Rys. 12-6 . Ultradźwiękowy czujnikułatwiający parkowanie [2511 - korpus czujnika, 2 - przepona drgająca,3 - przyłącze wodoszczelne, 4 - otwórkompensacyjny, 5 - układ kompensacjitemperatury, 6 - odprzężenie akustyczne,7 - element piezoelektryczny

t

t

1

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

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

a

b

Zastosowania czujników ultradźwiękowych

171

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

napięciem przemiennym o wysokiej częstotliwości, które wywołuje drgania ele-mentu piezoelektrycznego . Emitowane przez nadajnik fale ultradźwiękowe o częs-totliwości 20 lub 40 kHz są odbijane od wewnętrznych ścian samochodu i trafiajądo detektora (odbiornika) ultradźwięków w postaci echa . Wszelkie zakłócenia wy-tworzonego w ten sposób pola, wywołane np . rozbiciem szyby lub wsunięciem ja-kiegoś przedmiotu do wnętrza, powodują zmiany w rozchodzeniu sięultradźwięków, a zatem zmianę postaci sygnału echa odbieranego przez detektor .Elektroniczny układ analizujący uruchamia natychmiast alarm w razie zmianyprzesunięcia fazowego, zmiany częstotliwości lub amplitudy odbieranych faldźwiękowych, które to parametry są porównywane z zapamiętanym stanem po-czątkowym (echem) odbieranym zaraz po włączeniu alarmu . W celu polepszeniaochrony moźna ta"e regulować graniczną wartość zadziałania alarmu (jego prógczułości) .

.11

172 Czujniki ultradźwiękowe

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

Rys. 12-9. Nadajnik ultradźwiękówdo ochrony wnętrza pojazdu [75]1 - doprowadzenie napięcia, 2 - elektrody,3 - drgająca płytka kryształu, 4 - komorapowietrza, 5 - powierzchnia kryształuemitująca ultradźwięki, -- faleultradźwiękowe

Rys. 12-11 . Układ czujnikówultradźwiękowych do rozpoznawaniapołożenia pasażera na fotelu przednimsamochodu, stosowanyw „inteligentnych" systemachpoduszek powietrznych [81]1 - czujniki ultradźwiękowe,2 - czujniki położenia i obciążeniafotela, 3 - czujnik zapięcia pasówbezpieczeństwa, 4 - poduszkapowietrzna pasażera, 5 - poduszkapowietrzna kierowcy, 6 - sterownik

Q->

Zastosowania czujników ultradźwiękowych

173

W tzw. „inteligentnych" systemach bezpieczeństwa biernego pojazdów są sto-sowane czujniki ultradźwiękowe rozpoznające położenie pasażera względempoduszki gazowej (rys . 12-11) . Sygnały z tych czujników, łącznie z sygnałamiobciążenia fotela i zapięcia pasów bezpieczeństwa, służą do optymalizacji czasuuruchamiania i ciśnienia napełniania poduszki gazowej . Czujniki ultradźwiękoweumożliwiają utworzenie trójwymiarowego obrazu odnawialnego co 50 ms, co po-zwala na dopasowanie charakterystyki napełniania poduszki do aktualnego poło-żenia pasażera tuż przed zderzeniem .

Czujniki ultradźwiękowe stosowane są również w przepływomierzach (rys .12-12 i 12-13) . Piezoelektryczny nadajnik 2 generuje w płynie przemieszczają-cym się w przewodzie I falę o częstości ultradźwiękowej . Dwa piezoelektryczneodbiorniki fal 4 i 5 są umieszczone symetrycznie przed i za nadajnikiem 2 (rys .12-12a) . Przepływający płyn wywołuje efekt Dopplera, zmieniając częstotliwośćfal ultradźwiękowych docierających do odbiorników 4 i 5. Różnica częstotliwościfal odbieranych przez odbiorniki 4 i 5 jest miarą prędkości przepływu płynu . Narysunku 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 zmianaczęstotliwości fal nadawanych spowodowana przez cząstki stałe .

Podstawowe równanie definiujące efekt Dopplera w układzie z pojedynczymodbiornikiem (rys . 12-12b) oraz prawo załamania fali są następujące :

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

b3 /1

Q>

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

Af = fT .vF

sinevS. (12 .10)

sine,T sinev,. vs (12.11)

a

b

iii!~01FAA01AII

C-~~~~Lki~LLcaciźv~Lek~~e .

Rys. 12-13 . Zasada działania (a) orazwidok (b) przepływomierzaultradźwiękowego mocowanego na rurzeprzepływowej wraz z mikroprocesorowymukładem przetwarzania sygnału [95]1 - nadajnik fal T T w kierunku zgodnymz przepływem czynnika i odbiornik fal Rsw kierunku przeciwnym do przepływu,2 - nadajnik fal T , w kierunku przeciwnymdo przepływu czynnika i odbiornik fal Rsw kierunku zgodnym z przepływem,3 - rura z płynem, 4 - wiązka falultradźwiękowych, 5 - podstawaprzepływomierza, 6 - przetwornikmikroprocesorowy

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 proporcjo-nalna do prędkości przepływu płynu :

vF = Af .vT = KAƒ

(12.12)J T sin O, .

Znając średnicę przewodu D można obliczyć objętościowe natężenie przepływupłynu :

Q=v •nD2 /4

(12.13)

Na rysunku 12-13 przedstawiono zasadę działania przepływomierza z pomia-rem czasu propagacji sygnału w kierunku przepływu płynu i w kierunku przeciw-nym. Obydwa czujniki spełniają rolę nadajnika i odbiornika wzajemniewysyłanych fal. Różnica czasów przepływu sygnału ultradzwiękowego w kierunkuprzepływu czynnika mierzonego i w kierunku przeciwnym ATjest proporcjonalnado średniej prędkości płynu v

v= KAT, AT= T2-TI

(12.14)gdzie :K - stała kalibracyjna przepływomierza,T, - czas przepływu sygnału od przetwornika 1 do 2,TZ - czas przepływu sygnaha od przetwornika 2 do 1 .

Czujniki radarowe i udarowe

1313 .1 . Zasada działania radaru i udaruRadiolokacją nazywana jest dziedzina techniki zajmująca się wykrywaniem i okre-ślaniem położenia obiektów, od których odbijają się fale radiowe lub obiektów,które są źródłem tego typu fal . W pierwszym przypadku mówi się o radiolokacjiczynnej, w drugim - o radiolokacji biernej . W technice motoryzacyjnej do wy-krywania, określania pozycji i zdalnego mierzenia prędkości pojazdów wyko-rzystuje się urządzenia z grupy radarów oraz udarów . Obydwa typy urządzeńbazują na promieniowaniu elektromagnetycznym (rys . 13-1) jako medium .

Pojęcie „promieniowanie poprzez przestrzeń" odnosi się do przemieszczaniaenergii w formie fal lub strumienia cząsteczek . W przypadku energii przenoszonejw formie fal mamy do czynienia z promieniowaniem elektromagnetycznym lubbiologicznym .

Radar (z ang . Radio Detection And Ranging) jest urządzeniem służącym dowykrywania obiektów oraz określania odległości poprzez zastosowanie promie-niowania mikrofalowego (promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali po-między podczerwienią a falami radiowymi, czyli fale o długości od 1 mm do30 cm i częstotliwości od 1 do 300 GHz) . Radary czynne wysyłają wiązkę mi-krofal i odbierają sygnał odbity od obiektu . Radary bierne tylko odbierają pro-mieniowanie wysyłane przez obiekt (np . samolot) . Radary powstały podczas 11wojny światowej i były wykorzystywane do celów militarnych przez armię bry-tyjską i amerykańską, a także marynarkę niemiecką. Odmiana tego przyrząduzwana radarem dopplerowskim jest przeznaczona do pomiaru prędkości obiektu,który znajduje się w ognisku wiązki mikrofal . Radary można podzielić ze względuna długość fali drgań emitowanych . Pasma te zostały nazwane w czasie 11 wojnyświatowej jako L, S, C, X i K oraz pasmo milimetrowe i submilimetrowe .

Długości fal oraz częstotliwości zostały sklasyfikowane przez IEEE (The In-stitute of Electrical and Electronics Engineers) .

176

10-4-

A A

1•

Pasma radarowe

Czujniki radarowe i lidarovve

Promienie X

PromienieGamma

10-6-

v

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 dobliskich i dalekich badań meteorologicznych (prognozowania pogody) ; głównąwadą takich radarów jest wymóg stosowania anten o wielkich czaszach (do 8 mśrednicy) oraz siłowników dużej mocy do ich przestawiania ;- w paśmie C radary pracują na falach 4 . . .8 cm przy częstotliwości 4 . . .8 GHz; przytych częstotliwościach średnica czaszy anteny radaru może być mniejsza i dlategoto pasmo jest wykorzystywane przez stacje telewizyjne ; z uwagi na wyższą tłu-mienność przy obserwacji zjawisk meteorologicznych radary tego pasma stosujesię 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 sto-sowane do badań nad powstawaniem i rozwojem chmur, ponieważ można przyich pomocy wykrywać kropelki wody lub płatki śniegu; stosowane są do bliskichobserwacji ze względu na podatność na tłumienie sygnału ; w lotnictwie w wersji

Pasmo L: 15 . . .30 cm1o12- 1 km Pasmo S: 8 . . .15 cm

Fale Pasmo C : 4 . . .8 cmradiowe Pasmo X: 2,5 . . .4 cm

1010- Pasmo K: 1,7 . . .2,50,75 . . .1,2 cm

1m

108 - Fale krótsze należądo pasma milimetrowego

Mikrofale

lub submilimetrowego

106 - 1mm •

v -Promieniowanie42 104 - podczerwone

Światfo widzialneo

- 1 gm (400 . . .700 nm)p 100 - Promieniowanie

ultrafioletowe

1 1 nm

dopplerowskiej stosowane są do wykrywania turbulencji i innych zjawisk meteo-rologicznych; pasmo to jest wykorzystywane ponadto w radarach policyjnych ;- w paśmie K radary pracują na falach 1,11 . . .1,67 cm przy częstotliwości odpo-wiednio 18 . . .27 GHz; to pasmo ma podobne ograniczenia jak pasmo X, ale radarysą bardziej czułe ; wykorzystywane są przez policję i służby meteorologiczne ;- używane są ponadto subpasma Ku (długość fali 1,67 . ..2,5 cm, częstotliwość12 . ..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 częstotliwości300 . . .3000 GHz, stosowane m .in. w samochodowych radarach unikania kolizji i wdiagnostyce medycznej .

Radary w samochodowych systemach wspomagania kierowcy pracują w paś-mie milimetrowym przy częstotliwościach 76 . . .77 GHz. Przy tych długościach falanteny mogą mieć niewielkie rozmiary .

Czujniki radarowych systemów samochodowych są układami zintegrowanymi .We wspólnej obudowie zabudowane są : radarowy czujnik odległości pracujący wzakresie fal milimetrowych, układy elektroniczne przetwarzające sygnały pocho-dzące od innych współpracujących czujników (prędkości obrotowej kół pojazdu,kąta obrotu koła kierownicy i in .), układy obróbki sygnałów i sterownika mikro-procesorowe . Radarowy czujnik odległości składa się z generatora Gunna (źródłomikrofal), obwodów do rozdzielania sygnału na trzy wiązki oraz obwodów roz-dzielających sygnały nadawane i odbierane . Sygnał odebrany jest przetwarzanydo postaci cyfrowej przez 12-bitowy przetwornik analogowe-cyfrowy a przekazy-wany 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 półprzewodnikowejpłytki o grubości ok . 0,5 mm (arsenek galu AsGa), naniesiona jest metodą epitak-sji cienka warstwa półprzewodnika typu N (także AsGa) o niskiej rezystancja . Postronie anodowej, czyli po przeciwległej stronie płytki, znajduje się metalowy ra-diator. Elektroda od strony warstwy epitaksjalnej jest katodą. Przy polaryzacjidiody odpowiednio wysokim napięciem stałym powstają oscylacje prądu wielkiejczęstotliwości (zjawisko Gunna) . Zależność prąd/napięcie diody Gunna jest nieli-niowa (rys . 13-2) . Po połączeniu diody z rezonatorem można uzyskać napięcie si-

Napięcie

Zasada działania radaru i łidaru

177

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

178

Czujniki radarowe i udarowe

nusoidalne. Jednym z wariantów diod Gunna są diody wykonane z silnie do-mieszkowanego 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 zazwy-czaj funkcję nadajnika i odbiornika fal odbitych . Antena wysyła sygnał w postacipromieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości 77 GHz poprzez specjalnąsoczewkę, 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 rada-rem, które wykorzystuje diody laserowe jako źródła światła w paśmje podczer-wieni oraz fotodiody jako odbiorniki sygnału . W zastosowaniach motoryzacyjnychobydwa rozwiązania (radar i udar) mają zalety i wady. Systemy radarowe nie sąwrażliwe na wpływy atmosferyczne (deszcz, mgła), natomiast udar działa bardziejselektywnie . Radar może odbierać sygnały odbite od obiektów z otoczenia drogi(wiadukty, drzewa, tablice reklamowe, znaki drogowe) . W złych warunkach at-mosferycznych błędy w określeniu pozycji obiektu przy pomocy udaru mogą byćznaczne .

1

Obiekt nadający nieruchomy

2

Obydwaj obserwatorzy odbierająfaleo tej samej długości

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

z prędkościąv

Obserwator 1 odbiera fale krótszeObserwator 2 odbiera fale dłuższe

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

Działanie radarów typu dopplerowskiego oparte jest na zmianach częstotli-wości sygnału odbitego w odniesieniu do sygnału wysłanego, które występująwówczas, gdy wykrywany obiekt porusza się względem radaru (rys . 13-3). Wy-korzystywane są one między innymi do określania prędkości pojazdów . Radary,jako urządzenia służące do dokonywania radiolokacji czynnej, składają się z na-dajnika, odbiornika, anteny kierunkowej oraz układów synchronizacji, przełą-czania i zapisu (rys . 13-4). Część nadawczą urządzenia stanowi generatorimpulsowy wielkiej częstotliwości, umożliwiający uzyskiwanie krótkich impul-sów dużej mocy. Impulsy te przez urządzenie przełączające przekazywane są doanteny kierunkowej radaru . Fala elektromagnetyczna wypromieniowana przezantenę po odbiciu od napotkanego po drodze obiektu powraca do niej i przez

Zasada działania radaru i lidaru

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

urządzenie przełączające jest przekazywana do odbiornika, skąd po odpowied-nim przetworzeniu trafia do urządzenia zapisującego (wskaźnika) . Czas, któryzużywa fala na przebycie drogi od anteny do obiektu odbijającego i z powrotemjest miarą odległości tego obiektu od radaru . Aby pomiar czasu i obliczenie od-ległości były wystarczająco dokładne, praca całego urządzenia musi być syn-chronizowana . Chwilowe położenie anteny kierunkowej umożliwia ustaleniewspółrzędnych kątowych sondowanego obiektu . Do generacji impulsów wiel-kiej częstotliwości w urządzeniach tego typu wykorzystywane są przeważniemagnetrony, a do obserwacji wyników - lampy obrazowe o odchylaniu koło-wym tzw. radaroskopy.

Magnetron, urządzenie do emisji mikrofal, został wynaleziony w 1940 r . przezJ . Randalla i H.A. Boota. Zamienia on prąd elektryczny na fale radiowe o częstot-liwości mikrofalowej . Jego budowa jest zbliżona do lampy elektronowej . Składasię z podgrzewanej katody oraz cylindrycznej anody z wnękami . Anoda ma po-tencjał dodatni względem katody . Gorąca katoda emituje elektrony, których tory sązakrzywiane 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 nacho-dzącej fali radiowej, a więc do zlokalizowania źródła promieniowania trzeba ko-rzystać co najmniej z dwóch różnych, oddalonych od siebie odbiorników . Przytego typu radiolokacji można wykorzystywać promieniowanie podczerwone . Pro-mieniowanie takie wysyłają bowiem praktycznie wszystkie obiekty na skutekemisji termicznej . Radiogoniometria jest też wykorzystywana szeroko w celu usta-lania położenia własnego (radionawigacja) na drodze namierzania kierunków falradiowych nadchodzących od źródeł promieniowania o znanych położeniach .

W mechatronice samochodowej radar wykorzystywany jest do określenia stanuinnego obiektu (odległości, położenia, prędkości), którego obecność ma wpływ nareakcję 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 impul-sowe sygnału do chwili jego odebrania :

tcd = -

(13.1)2

Dzielnik 2 uwzględnia przebieg sygnału do 1 od przeszkody .

179

180

Czujniki radarowe i lidarowe

Prędkość obiektu można obliczyć wykorzystując zjawisko Dopplera, polega-jące na zmianie obserwowanej częstotliwości fali wywołanej względnym ruchemźródła fali (nadajnika) i odbiornika . W ujęciu nierelatywistycznym (gdy prędkośćwzględna źródła i obserwatora jest dużo mniejsza od prędkości światła) obserwo-wana częstotliwość fdana jest wzorem [ 128] :

(1 -P,coso')

(13 .2)% - fo

(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 źródłai 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 od-dala, 0, = 0, a częstotliwość obserwowana fali wynosi :

.f = .fo(1 -A)

(13 .3)

Częstotliwość obserwowana fali jest mniejsza od emitowanej fo . Natomiast gdyobserwator 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 (vo= 0, p, = 0). Wówczas częstotliwość przy oddalaniusię źródła (0,_ n) maleje :

Różnica częstotliwości f-fojest proporcjonalna do względnej prędkości źródłafali i odbiornika .

Kątowe położenie namierzanego obiektu można zidentyfikować wówczas, gdypromienie radarowe są emitowane w różnych kierunkach . Kierunek położeniaobiektu odpowiada największej sile sygnału odbitego . Do identyfikacji kierunkupołożenia obiektu jest niezbędny nadajnik o szybkim ruchu obrotowym albo wy-posażony w kombinację anten kierunkowych .

.f -f

o(13.5)

a przy jego zbliżaniu

1 + fil

się (¢ 2 = 0) rośnie :

(13.6)= f0/~f1 - N2

Zastosowanie radaru Dopplera do pomiaru prędkości i drogi

181

13.2. Zastosowanie radaru Dopplera do pomiaru prędkościi drogi

Do pomiaru prędkości jazdy względem nawierzchni drogi v F. są stosowane krót-kodystansowe układy radarowe Dopplera o paśmie częstotliwości 24 . ..35 GHz[20] . Głowicę nadawczą i odbiorczą czujnika należy skierować na nawierzchnięukośnie względem kierunku jazdy, pod kątem a (rys . 13-5) .

Prędkość samochodu

Czujnik prędkości

Rys. 13-5. UsytuowanieKąt odchylenia wiązki a

głowicy radaru Dopplerapodczas pomiaruprędkości pojazdu [20]

Rys . 13-6 . Widok głowicyDopplera z układemmocowania [20]

Zasadę działania czujnika przedstawjono na rysunku 13-7 . Poruszający sięz prędkością vF nadajnik S wysyła sygnały o częstotliwości pierwotnej fo. Ulegająone przesunięciu częstotliwości i odbierane są przez nieruchomy odbiornik R jakofala o częstotliwości f . Zależność częstotliwoścj fali odbieranej od prędkościprzedstawia poniższa zależność :

f = fc (13 .7)c - vF_ cos a

gdzie :c - prędkość śwjatła,vF- prędkość ruchu nadajnika,a - kąt pomiędzy kierunkiem ruchu a kierunkiem fall (rys . 13-5) .

182


Jeżeli w miejscu odbiornika R znajdzie się nieruchoma przeszkoda W (rys . 13-7b), to sygnał z głowicy nadawczej S odbija się od niej i powraca do głowicy od-biorczej R ulegając kolejnemu przesunięciu dopplerowskiemu . Głowica R odbierasygnał o częstotliwości f2 :

C+v cosa

c+ v . cosaf2=f

c

=fOC-v,Cosa

(13 .8)

a VF

fa

b

100

E' 80E

60Yp„ 40v

20

VF

sRf2

0

cf, = fo• c-VF

) >,, > >~ II

C+VFf2 =f,

C

i

Uzyskany przyrost częstotliwości sygnału wyniesie :

oƒ = ƒz - ƒa fa2vF cosa

(13.9=

)C-vF cosa

Z tej zależności można wyznaczyć prędkość obiektu ruchomego :

vF _ Cf2-fa

(13.10)cosa f, + fa

a po przybliżeniu C-vFcosa z c zależność uproszczoną : vF = 1 c Of (13 .11)2 cosa fa

Z powyższej zależności wynika, że prędkość obiektu ruchomego jest propor-cjonalna do zmiany częstotliwości 4f.

Droga przejechana w czasie t, = kAt wynosi:k

k

s, _ vF;At = cOf

4t_,

_, 2ƒ,cosaTa metoda pomiaru prędkości jest porównywalna pod względem dokładności

z pomiarem przy użyciu głowicy optycznej Correvit (rys . 13-8) .

REM_~m_-~OF

5

(II(ccc<<

10 15

wf,

f,

20

25Czas [s]

Rys. 13-7 . Schemat powstawaniaefektu Doppłera w przypadku sygnałunadawanego z ruchomego obiektui odbieranego przez obiektnieruchomy (a) oraz w przypadkusygnału nadawanego z obiekturuchomego i odbieranego przez tenobiekt (b) [20]

Rys. 13-8 . Porównanie pomiarówprędkości samochodu podczasrozpędzania wykonanychkrótkodystansowym układemradarowym Doppłera i głowicąoptyczną Correvit

(13 .12)

13.3. Zastosowanie czujników radarowych i lidarowychw układzie adaptacyjnej regulacji prędkości jazdy ACC

13 .3.1 . Budowa i działanie układu ACCUkład ACC (Adaptive Cruise Control) po raz pierwszy w masowo produkowa-nym pojeździe wprowadziła firma Toyota w roku 1998 . Kolejno wprowadzająACC producenci europejscy (BMW, Mercedes) . W USA, wobec szerokiego roz-powszechnienia konwencjonalnego układu Cruise Control zwanego tempomatem(urządzenie utrzymujące w sposób automatyczny stałą prędkość pojazdu w róż-nych warunkach: podjazdy, podmuchy wiatru, jazda po płaskiej nawierzchni),układy ACC wprowadzono z pewnym opóźnieniem .

Adaptacyjne układy Cruise Control bazują na jednym z dwóch typów czujni-ków do wykrywania przeszkód drogowych : radarze lub lidarze. Lidar jest tańszyw produkcji i łatwiejszy w eksploatacji, ale jego skuteczność przy padającymdeszczu lub śniegu jest mocno ograniczona . Wiązka światła laserowego jest węż-sza niż krople deszczu lub płatki śniegu, co powoduje, że deszcz lub śnieg tłumiąstrumień światła laserowego . W efekcie stosunek sygnał/szum przy złej pogodzieokazuje się bardzo niski . Ponadto zanieczyszczenia (błoto, kurz, śnieg) groma-dzące się na powierzchni pojazdu skutecznie blokują promień laserowy . Dlategorozwiązania bazujące na radarze są popularniejsze . Radarowy układ ACC wykrywapojazd poprzedzający w odległości 150 m nawet w gęstej mgle lub przy padającymmocnym deszczu, podczas gdy pole widzenia kierowcy może być ograniczone do10 m lub mniej .

Zastosowanie czujników radarowych i lidarowych w układzie ACC

183

OCO

Y 0)C yÓ 2CDU

.ńOlm

tt∎Za stosowaniem lidaru przemawia pogląd, według którego systemy ostrzegania

przed kolizją nie powinny działać przy odległościach znacznie przekraczającychpole widzenia kierowcy, co miałoby skłaniać kierowców do ostrożniejszej jazdyw warunkach złej widoczności. Wytwórcy reprezentują również odmienny pogląd,że kierowca powinien mieć zapewnione maksymalne wspomaganie ze strony au-tomatycznych urządzeń w warunkach złej widoczności, a więc i ostrzeganie przezukład radarowy o przeszkodach niewidocznych, znajdujących się w znacznej odle-głości .

Uiw-0o

p Ć V) 38

.2o2 C N 7 a

ccC

~'OLM

Ń

N C 07

J) o0 o

CI- :3M Rys . 13-9 . Schemat blokowy układu

Adaptive Cruise Control

184


Schemat blokowy układu ACC przedstawiono na rysunku 13-9 . Czujnik rada-rowy (moduł nadawczo-odbiorczy) jest umieszczony w obudowie chroniącej goprzed wpływami atmosferycznymi oraz uderzeniami mechanicznymi . Wiązki pro-mieniowania są wysyłane w kierunku jazdy samochodu poprzez specjalną so-czewkę, podgrzewaną elektrycznie w celu zapobiegania osadzaniu się na niej lodulub śniegu. W celu ustalenia kąta, pod jakim radar określa położenie obiektu, czuj-nik wysyła kilka wiązek promieniowania o kącie rozsyła w zakresie kilku stopni,np . f4°. Poprzez tę samą soczewkę do modułu odbiorczego powracają odbite wiązkipromieniowania . Sterownik systemu ACC jako parametry wejściowe otrzymujesygnały analogowe fal odbitych, które po przetworzeniu do postaci cyfrowej są ob-rabiane metodą szybkiej transformaty Fouriera (FFT). W wyniku przetwarzaniaotrzymuje się informacje o odstępie, prędkości i kącie obiektu w odniesieniu do po-jazdu, w którym zamontowany jest czujnik układu ACC . Te informacje przekazy-wane są do sterownika, którego zadaniem jest oddziaływanie na elementy układusterowania pojazdem (przepustnicę silnika, układ hamulcowy, przekładnię) .

Układy ACC oparte na radarze pracują typowo w zakresie częstotliwości76 . . .77 GHz, czyli w zakresie fal milimetrowych . Przy tak krótkich falach możnastosować anteny niewielkich rozmiarów . Rozmiar radaru jest wówczas niewielki(wg Boscha : 14x7x10 cm). Urządzenia pracujące z wyższymi częstotliwościami(krótsze fale) są bardzo kosztowne .

Prawidłowa praca układu ACC może odbywać się jedynie w powiązaniu z in-nymi układami sterowania w samochodzie, w szczególności zarządzającymi dy-namikąjazdy oraz działaniem silnika spalinowego i przekładni . Na podstawierozpoznania przez układ ACC parametrów ruchu (odległość, prędkość) pojazdupoprzedzającego, układ sterowania oblicza parametry podejmowanej akcji (przy-

Rys. 13-10 . Czujniki radarowe ACC firmyBosch [R3]

Zastosowanie czujników radarowych i lidarowych w układzieACC

185

spieszenie, opóźnienie) . Dane te są przetwarzane na sygnały sterujące dla układusterowania silnikiem w przypadku przyspieszania lub układu hamulcowego i ste-rowania silnikiem w przypadku konieczności opóźnienia (zwolnienia) pojazdu .Komunikacja (wymiana danych) pomiędzy różnymi systemami sterowniczymi od-bywa się poprzez wewnętrzną sieć komunikacyjną pojazdu (np . CAN). W przy-padku współpracy ACC z układem napędowym konieczne jest uzyskaniemożliwości zmiany nastaw parametrów sterowniczych napędu (momentu obroto-wego, przyspieszenia) . W przypadku konieczności zmniejszenia prędkości pojazdupodejmowane są działania dwukierunkowe : w początkowej fazie zmniejszenieprędkości uzyskuje się poprzez hamowanie silnikiem (współpraca z układem ste-rowania silnikiem spalinowym), a następnie poprzez użycie układu hamulcowego(współpraca z układami ABS i ESP) .

Adaptacyjne układy Cruise Control określają stan dynamiki pojazdu bazując nasygnałach uzyskanych z układów ABS i ESP za pośrednictwem sieci CAN. Jest topraktyczna realizacja koncepcji wykorzystania wspólnych czujników przez różnesystemy sterownicze . Ocena warunków drogowych (stan nawierzchni, przyczep-ność) jest dokonywana we współpracy z układami dynamiki pojazdu .

Dla potrzeb realizacji funkcji ACC do sterownika docierają sygnały z :- czujników prędkości obrotowej kół,- czujnika obrotu pojazdu wokół osi pionowej,- czujnika kąta obrotu koła kierownicy,- czujników przyspieszenia wzdłużnego i poprzecznego,- czujnika prędkości obrotowej silnika spalinowego .

Z kolei dane dotyczące krzywizn toru jazdy uzyskiwane są za pośrednictwemsystemów nawigacyjnych, np . GPS .

Automatyczna regulacja odstępu pomiędzy pojazdami wymaga m.in. znajo-mości współczynnika przyczepności przylgowej lub ślizgowej nawierzchni, poktórej odbywa się ruch pojazdu . Metody szacowania przyczepności pod kołamipojazdu polegają na analizie nachylenia krzywej współczynnika przyczepnościw funkcji poślizgu koła napędzanego lub hamowanego . Zależność ta wyznaczanajest na bieżąco podczas jazdy z wykorzystaniem zasad filtracji wyników pomiarówsformułowanych przez R . Kalmana. Opracowano również metodę obliczaniawspółczynnika przyczepności na podstawie analizy różnicy pomiędzy prędkościąkoła co wyliczaną z modelu samochodu i mierzoną oraz różnicy pomiędzy pręd-kością kątową samochodu yr względem osi z, wyliczaną z modelu i mierzoną spe-cjalnym czujnikiem . W ruchu prostoliniowym wykorzystuje się różnicę prędkościAw, a w ruchu krzywoliniowym różnice Aqr i Aw z odpowiednimi wagami .

13.3 .2 . Przykłady rozwiązań układów ACCMercedes klasy S - Distronic (Adaptive Cruise Control)

Distronic (Adaptive Cruise Control) jest w stanie automatycznie utrzymywać na-stawiony odstęp od pojazdu poprzedzającego na bazie sygnału z czujnika radaro-wego. Podobnie, jak w konwencjonalnym układzie Cruise Control, układ ustawia

186


pozycję pedału przyspieszenia, ale może także użyć układu hamulcowego w za-kresie do 20% maksymalnej siły hamowania. W przypadku, kiedy potrzebna jestwiększa siła hamowania, kierowca zostaje ostrzeżony za pomocą sygnałów świetl-nego i dźwiękowego. Odległość pomiędzy pojazdami jest wyświetlana na tablicyrozdzielczej w postaci piktogramu . Ten typ ACC stosuje się w samochodach Mer-cedes klasy S (rys . 13-11, 13-12) .

Rys . 13-12 . Wyświetlacz układu ACC [72]

Audi A6 - ACC

Rys . 13-11 . ACC w samochodzie Mercedesklasy S [72]

Układy ACC oparte są na cechach funkcjonalnych konwencjonalnych układówCruise Control (tempomat), a ponadto przy określonych ograniczeniach w sposóbautomatyczny utrzymują stały odstęp od pojazdu poprzedzającego . Jako elementypomiarowe stosowane są czujniki radarowe lub lidarowe . Jeżeli odstęp pomiędzypojazdami jest mniejszy od wymaganego, układ ACC zmniejsza stopniowo pręd-kość pojazdu poprzez oddziaływanie na położenie przepustnicy, a ponadto możeuruchomić układ hamulcowy w zakresie do 25% siły maksymalnej . Kiedy drogaprzed pojazdem jest wolna, układ ACC ponownie używa siłownika przepustnicyw celu przyspieszenia pojazdu do nastawionej prędkości . W przypadku, kiedyukład hamulcowy w dopuszczalnym zakresie pracy nie jest w stanie wystarcza-jąco zmniejszyć prędkości pojazdu, generowane są sygnały ostrzegawcze, któresugerują kierowcy konieczność reakcji nadzwyczajnej (użycie hamulca przez kie-

rowcę). Jedną z ważnych cech układów ACC jest możliwość wyboru dynamikiruchu, tzn . kierowca może wybrać jeden z kilku schematów jazdy (sportowa, stan-dardowa, komfortowa itp .) . Dla każdego z tych trybów ACC utrzymuje inny od-stęp od pojazdu poprzedzającego, np . w trybie sportowym utrzymuje małąodległość i szybko przyspiesza po zwiększeniu się dystansu od pojazdu poprze-dzającego . Tryb standardowy jest zalecany w warunkach dużego ruchu na drogachprzeznaczonych do szybkiej jazdy. Z kolei tryb komfortowy stosowany jest na dro-gach lokalnych lub gdy pojazd ciągnie przyczepę . Włączenie układu ACC niezwalnia kierowcy ze stałej odpowiedzialności za śledzenie warunków ruchu,w szczególności prędkości samochodu i odstępów pomiędzy pojazdami . ACC niereaguje na obiekty stacjonarne (mosty, znaki drogowe, drzewa) . Zalecane jest nie-stosowanie ACC w złych warunkach pogodowych (silny wiatr, gęsta mgła, śnie-życa, itp .) .


187

Rys . 13-13 . Usytuowanie radaru ACCw samochodzie Audi A6 [82]

Honda - Cornering Speed Control System

W czasie pokonywania zakrętu układ bazuje na informacjach o krzywiżnie drogipochodzących z systemu nawigacyjnego (GPS) i na tej podstawie wylicza odpo-wiednią prędkość pojazdu . W przypadku, kiedy pojazd jedzie szybciej niż wyli-czona prędkość, następuje automatyczne jej zmniejszenie (poprzez użyciesiłownika przepustnicy oraz układu hamulcowego) . Kiedy pojawią się nieprzewi-dziane okoliczności (inny pojazd, zamknięty pas ruchu, roboty drogowe), nie-uwzględnione przez system nawigacyjny, prędkość pojazdu będzie adekwatna doodległości od pojazdu poruszającego się z przodu (rys . 13-14) .

W trakcie jazdy na drodze z zakrętami może zaistnieć sytuacja, kiedy pojazdpoprzedzający (lub dwa pojazdy) znajduje się poza zasięgiem radaru . Wówczasukład Hondy znany pod nazwą IVCS (Inter-Vehicle Communication System)określa warunki zmniejszenia prędkości pojazdu (rys . 13-15) . Układ „komunika-cji międzypojazdowej" IVCS służy do wymiany informacji pomiędzy pojazdami .Każdy z pojazdów biorących udział w wymianie informacji o pozycji, prędkościi kierunku jazdy musi być wyposażony w układ IVCS . W przypadku stwierdzeniaprzez układ możliwości zaistnienia kolizji, na tablicach rozdzielczych współpra-

188


aEo

Dane o krzywiżnie łukudrogi z systemu nawigacji

Prędkość pojazduzmniejszona

Dane do zmniejszenia prędkościuzyskane za pośrednictwem

systemu IVCS

Obliczanie prędkości pojazdupoprzedzającego na podstawie

informacji z systemu IVCS

Rys. 13-14. Współpraca systemu nawigacyjnego i układu ACC [98]

Zwolnienie

Zwolnienie

Pojazd poprzedzającyzwalnia

(przeszkoda, wypadek)

Rys. 13-15. Reakcja na zatrzymanie się pojazdu poprzedzającego [98]

cujących pojazdów pojawi się alarm świetlny, a ponadto zostanie wyemitowanyostrzegawczy sygnał dźwiękowy. Informacje z układu IVCS są wykorzystywanerównolegle z sygnałem z czujnika radarowego .

Denso -Adaptive Cruise Control System

Układ ACC firmy Denso bazuje na laserowym radarze (lidarze) pracującymw zakresie fal milimetrowych . Wykrywa on obiekt, określa czy obiekt jest porusza-jącym się pojazdem i numerycznie określa pozycję pojazdu poprzedzającego,a następnie odpowiednio dostosowuje prędkość jazdy . Producent podaje następującecechy charakterystyczne tego rozwjązania [84] :

Niższa prędkośćna tuku


189

- wykorzystanie diody laserowej o podwyższonej trwałości, emitującej wiązkęświatła w kierunku poprzedzającego pojazdu ; radar laserowy odbiera wiązkę światłaodbitą od obiektu ;- precyzyjne określanie statusu wykrytego obiektu (pojazd poruszający się, wia-dukt, znak drogowy) poprzez zastosowanie dwuwymiarowego skanowania lasero-wego przy wykorzystaniu wielokątowego, obrotowego zwierciadła o różnychkątach nachylenia powierzchni ;- dokładne określanie odległości pomiędzy pojazdami z wykorzystaniem precy-zyjnego układu pomiaru czasu (błąd maksymalny kilka cm przy odległości 100 m) ;- precyzyjne monitorowanie warunków ruchu i warunków drogowych oraz dosto-sowywanie prędkości w sposób łagodny ;- wykrywanie przeszkody w płaszczyżnie poziomej w szerokim zakresie kątowym(do 20°) z wysoką dokładnością (0,5°) ;- duży zakres mierzonych odległości uzyskany w wyniku zastosowania diody la-serowej dużej mocy (34 W) ;- małe rozmiary i masa .

Rys . 13-17 . Schematy działania układu ACC Denso [84]

Rys. 13-16. Rozkład wiązek promieniowania radaru laserowego Denso w płaszczyżniepionowej [84]

100 km/h

100- 80 km/h

80 km/h

80-100 km/h

DostosowanieStała prędkość Zwalnia Przyspieszenieprędkości

Brakpoprzedzającego

pojazdu Wolnapoprzedzającego

jazda pojazdu Jazdapoprzedzającym

za pojazdem Pojazd poprzedzającyzmienia pas ruchu

80 km/h80 km/h I ® I

® ® I I

,

® 1 ®l

190


Toyota - ACCW celu zmniejszenia obciążenia uwagi kierowców w warunkach jazdy przydużym natężeniu ruchu pojazdów Toyota opracowała adaptacyjny układ CruiseControl działający również przy niskich prędkościach (do 30 km/h) [119] . Układutrzymuje odstęp do poprzedzającego pojazdu przy prędkościach mniejszych niż30 km/h (rys . 13-18) . W przypadku zatrzymania pojazdu poprzedzającego ge-neruje sygnały ostrzegawcze, wizualne i dźwiękowe, sugerujące kierowcy uży-cie hamulców w celu zatrzymania pojazdu. W przypadku braku wystarczającejreakcji kierowcy układ samoczynnie zwolni pojazd, aż do całkowitego zatrzy-mania .

- Aktuator przepustnicyAktuator hamowania

Sterownik układu hamulcowego- Sterownik

odstępupojazdu

Sterownik silnika

"PP~

-- Czujnik prędkościCzujnik

kątowej kołalaserowy

Efektywny zakres pracy radaru

(LIDAR)

przy prędkościach normalnych(40 . . .100 kmlh)

Rys. 13-18 . Struktura systemu ACC firmy Toyota [119]

Podstawowym elementem pomiarowym układu jest czujnik laserowy o zwięk-szonej zdolności wykrywania obiektów . Do uzyskania odpowiednich efektówprzyczynia się także układ hamulcowy (zwłaszcza przy niskich prędkościach) .

Hells - ALASCA

Efektywny zakres pracy radaruprzy niskich prędkościach

(do 30 km/h)

Układ Automotive Laser Scanner (ALASCA) został opracowany wspólnie przezfirmy Ibeo AS oraz Hella KG na bazie szerokokątnego skanowania uzyskanego po-przez rotację strumienia światła podczerwonego [38] . Zastosowany czujnik cha-rakteryzuje się szerokim poziomym polem widzenia (do 240°) z kątowąrozdzielczością od 0,25° do 1 ° w zależności od częstotliwości rotacji promienia,która może się zmieniać w zakresie od 10 do 40 Hz . Zasięg dla wykrywania obiektuwynosi od 0,30 do 80 m w trybie standardowym . Obiekt o 5% stopniu odbiciaświatła może być wykryty z odległości 30 m nawet w złych warunkach atmosfe-rycznych. Cztery płaszczyzny skanowania tworzą pionowy kąt 3,2° w kierunku

ALASCA


191

jazdy (rys . 13-19) . Układ ALASCA został opracowany z myślą o współpracy z na-stępującymi elementami pojazdu :- automatycznym hamulcem awaryjnym (AEB) z elektryczną pompą utrzymującąstałe ciśnienie płynu hamulcowego w układzie na poziomie od 14 do 16 MPa ;- układem ESP, którego sterownik na podstawie informacji z systemu ALASCA obli-cza wartości ciśnienia niezbędne do wyhamowania indywidualnie dla każdego z kół ;- układem Pre-Crash ;

Rys . 13-19 . Czterostrumieniowy laser ALASCA (Hells) [38]

Rys. 13-20 . Czujnik laserowy ALASCA w pojeździe [38]

- układem ACC Stop&Go szczególnie przydatnym w warunkach dużego natęże-nia ruchu i jazdy powolnej ; wyhamowuje on pojazd aż do całkowitego zatrzyma-nia, przy ciągłym uwzględnianiu odstępu od poprzedzającego pojazdu i uruchamianapęd w celu przyspieszania pojazdu ;- systemem ochrony przechodniów ;- układem wspomagania parkowania (PA) .

Na rysunku 13-21 pokazano zakresy pracy układu opartego o laserowy skanerALASCA pierwszej generacji . Czujnik zamocowany centralnie z przodu pojazdu wy-korzystywany jest w 5 aplikacjach : ACC Stop&Go, Pre-Crash, wykrywania prze-chodniów, unikania kolizji oraz automatycznego hamulca awaryjnego . Na lewymnarożniku z tyłu pojazdu umieszczono dodatkowy czujnik o zakresie 20 m do obsługimartwego pola widzenia kierowcy. Po zamontowaniu na prawym narożniku dodat-

192

Zasięg 80 m

Stop & Go

Hamowanieawaryjne

Detekcjapieszych

Pre-Crash

Unikaniekolizji

Rys . 13-21. Zakres pracy systemu ALASCA 1 generacji [38]

ACC

Unikaniekolizji

Zasięg 230 m

Detekcjapieszych

1Pre-CrashiAlarm

kolizyjnyAsystent zawracania

Monitorowaniemartwego pola

J` Wspomaganiezmiany pasa ruchu


Detekcja mgły

Asystent przekraczaniapasa ruchu

Rys. 13-22. Zakres pracy układu ALASCA 11 generacji [38]

kowego czujnika system może realizować funkcję wspomagania parkowania . Na ry-sunku 13-22 pokazano funkcje i zakresy układu 11 generacji . Maksymalny zasięg zos-tał zwiększony do 230 m, podwyższono zdolność wykrywania obiektów w gęstejmgle do poziomu co najmniej porównywalnego z percepcją ludzkiego oka oraz wpro-wadzono funkcję rozpoznawania linii rozgraniczających pasy ruchu na jezdni .

Rynek czujników samochodowych do zastosowań w systemach wspomaganiakierowcy obejmuje znaczącą ilość wielostrumieniowych czujników laserowych

Asystentparkowania

Zastosowanie czujników radarowych i udarowych w układzie ACC

193

Rys. 13-23 . Wielostrumieniowe czujniki laserowe (Conti Temic) oraz IDIS (Hella) [38]

(udarów). Na rysunku 13-23 pokazano dwa przykładowe czujniki laserowe . Są toczujniki przystosowane do konkretnego rozwiązania (ACC, CA itp .) . Aktualne ten-dencje rozwojowe zmierzają do opracowania czujników przeznaczonych do wy-krywania, śledzenia i klasyfikacji obiektów, które mogą być zastosowanew różnych systemach wspomagających kierowcę .

Czujniki fotoelektryczne (optyczne)*

1414.1 . Zasada działania czujników optoelektronicznych

i światłowodowychZjawiska elektryczne zachodzące pod wpływem promieniowania świetlnego na-zywa się ogólnie zjawiskami fotoelektrycznymi . Mogą one mieć charakter ze-wnętrzny lub wewnętrzny. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne występujewówczas, gdy energia fotonów jest na tyle duża, że pobudzone optycznie elek-trony opuszczają powierzchnię ciała, a więc następuje ich fotoemisja. Jeżeli ener-gia fotonów jest mniejsza na tyle, że nie jest możliwa fotoemisja, a jedynie zmianastanu energetycznego elektronów ciała, to zjawisko fotoelektryczne określa sięjako wewnętrzne . Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne może przejawiać sięwzrostem przewodnictwa elektrycznego półprzewodnika lub dielektryki - nazywasię je wówczas zjawiskiem fotoprzewodnictwa, lub powstaniem siły elektromoto-rycznej w półprzewodniku o wyrażnie ukształtowanym złączu p-n ; nazywane jestwówczas zjawiskiem fotowoltaicznym . Elementy fotoelektryczne są czułe naświatło i dlatego ich parametry zależą od rodzaju światła.

Pasma obejmujące część spektrum promieniowania elektromagnetycznego odługościach fal od 10 nm do 10 6 nm należą do zakresu fal świetlnych . Pasmo fal,na które reaguje oko ludzkie jest pasmem światła widzialnego i obejmuje fale odługościach od 390 nm do 770 nm (rys . 14-1) . Fale krótsze niż światło widzialnenależą do pasma promieniowania ultrafioletowego, natomiast dłuższe należą dopasma promieniowania podczerwonego .

Budowa półprzewodnikowych elementów fotoelektrycznych oparta jest na za-stosowaniu półprzewodników o szczególnych właściwościach . Najczęściej wyko-rzystywanym półprzewodnikiem jest arsenek galu (GaAs) . Ponadto stosuje sięgerman (Ge), krzem (Si), telurek kadmu (CdTe), arsenofosforek galu (GaAsP),azotek galu (GaN) oraz azotek indowo-galowy i luminofor (InGaN/YAG) [711 .

* Nazwy czujników optycznych, optoelektronicznych i fotoelektrycznych występują zamiennie . Każdy z nichzawiera część optyczną i elektroniczną .

1o12-

1010-

10 8 -

1

10-2 -

10-4 -

Zasada działania czujników optoelektronicznych i światłowodowych

195

1 km

1m

1 mm

1µm

lnm

Faleradiowe

Mikrofale

Promieniowaniepodczerwone

Promieniowanieultrafioletowe

Promienie X

PromienieGamma

dr-.2Nv.30

3

Długośćfali (nm)-770

Czerwone

-622

Pomarańczowe

-597

Żóke

-577

Zielone

-492

Niebieskie

-455

Fioletowe-390

Rys. 14-1 . Światło widzialne jako część spektrum promieniowania elektromagnetycznego [59]

Fotorezystory. Rezystor, którego wartość rezystancji maleje pod wpływem stru-mienia światła nazywa się fotorezystorem . Światło (fotony) wytwarza w półprze-wodniku swobodne nośniki ładunku, gdy energia fotonu stanie się równa energii,która wiąże te nośniki w sieci krystalicznej (wewnętrzne zjawisko fotoelektryczne) .Strumień światła o odpowiedniej długości fali wywołuje tworzenie się par elektron--dziura. Ta dodatkowa liczba elektronów i dziur zwiększa konduktywność, czyli

0

200 400 600 800 1000 E L [Ix]

Rys. 14-2 . Charakterystyka fotorezystora [47]

196

Czujniki fotoelektryczne (optyczne)

przewodność właściwą półprzewodnika, co w rezultacie powoduje zmniejszenie re-zystancji fotorezystora .

Materiały, które są najczęściej stosowane do budowy fotorezystorów to siarczekołowiowy (PbS), telurek ołowiowy (PbTe), samoistny albo odpowiednio aktywo-wany german (Ge), antymonek rodowy (InSb) oraz siarczek kadmowy (CdS) .

Charakterystykę rezystancyjno-oświetleniową przedstawia zależność rezys-tancjr RE fotorezystora od natężenia oświetlenia E', (rys . 14-2) . Zależność ta możebyć w przybliżeniu opisana wzorem empirycznym :

9

RE = R° (E°

(14.1)E,

gdzie :R° - rezystancja fotorezystora przy natężeniu oświetlenia E ° (zwykle 10 lx) ;g - stała, której wartość zależy głównie od rodzaju materiału półprzewodniko-

wego (dla CdS g = 0,5 . . . 1,0) .Fotodiody półprzewodnikowe . Fotodioda jest diodą półprzewodnikową,

w której wykorzystano zjawisko fotowoltaiczne . Padające światło wyzwala elek-trony z wiązań sieciowych . Wskutek tego powstają dodatkowe nośniki ładunku(wolne elektrony oraz dziury) .

Prąd fotodiody (rys . 14-3) w kierunku zaporowym rośnie proporcjonalnie dowzrostu natężenia światła zogniskowanego na złączu p-n . Przy naświetleniu złączap-n nośniki ładunku przedostają się przez złącze i w obwodzie z zewnętrznym ob-ciążeniem R wywołują przepływ prądu o wartości proporcjonalnej do natężeniaświatła padającego na złącze p-n . Całkowity prąd I płynący przez złącze p-n poddane

a

b

n

11

n p

Rys. 14-3 . Praca diody fotoelektrycznej [391a - złącze p-n diody oświetlonej, b - diodawłączona w obwód elektryczny

napięciu zewnętrznemu U („plus" napięcia od strony obszaru n) i oświetlone stru-mieniem świetlnym O L wyraża się zależnością [39] :

I -l o ev kr ~-1

i

-SOS

(14.2)

gdzie :Io - prąd cieplny (wsteczny) o kierunku przeciwnym do prądu dyfuzji ID

(dla U= 0 jest Io = ID),

e - ładunek elektronu,k - stała Boltzmanna,T - temperatura bezwzględna,S - czułość fotoelektryczna złącza p-n .

Jeżeli strumień świetlny OL = 0, to prąd I diody fotoelektrycznej zależy od na-pięcia, jak dla zwykłej diody półprzewodnikowej . Gdy OL > 0, to prąd I diody fo-toelektrycznej w obszarze dodatniego napięcia zasilania („plus" od strony obszarup) bardzo szybko wzrasta wraz ze wzrostem napięcia, a ponadto zależy od natęże-nia światła . Natomiast w obszarze ujemnego napięcia („minus" od strony obszarup) prąd I ma wartość ujemną (rys . 14-4) i w niewielkim stopniu zależy od napięciaU. Prąd ten jest wówczas prawie proporcjonalny do strumienia 05, a więc i natęże-

1,5

1,0

0,5

OL= 0 Im

10 IM

0

20 Im

2500


197

5000

u

7500 EL [Ix]

Rys. 14-4 . Charakterystyki prądowo-napięciowe diodfotoelektrycznych oświetlonych strumieniemświetlnym OL [39]

Rys . 14-5 . Charakterystyki I =f(EL) diodyfotoelektrycznej krzemowej dla kilku wartościnapięcia zasilającego U i rezystancjizewnętrznej Rz = 0 [39]

Ó ,b

~~.

198


nia oświetlenia, jak to przedstawiono na rysunku 14-5 dla kilku napięć zasilającychU. Nachylenia tych charakterystyk określają czułość fotoelektryczną diody .

Fototranzystory. Podobne zjawisko jak w fotodiodzie występuje także w fo-totranzystorze . Światło padające na bazę zmienia przewodnictwo obszaru emiter--kolektor tak, że przez tranzystor może płynąć prąd proporcjonalny do natężeniapadającego światła . Fototranzystory wykonywane są jako elementy dwukońców-kowe z wyprowadzonymi końcówkami emitera i kolektora, natomiast baza po-zostaje niewyprowadzona (rys. 14-6) .

a

b

u

n

1

u

p n

2,5

7,5

10

Rys. 14-6. Dwuzłączowy fototranzystor typun p-n [39]

I

a - układ połączeń, b - wykres skokówpotencjałów na złączach

Przy braku oświetlenia przez fototranzystor płynie prąd zerowy (ciemny), zwią-zany z termiczną generacją nośników ; jest to prąd zaporowo spolaryzowanego złączap-n na granicy obszarów bazy i kolektora . Oświetlenie obszaru bazy promieniowa-niem o odpowiedniej długości fali powoduje w wyniku efektu fotoelektrycznego we-

12,5 UCe M

Rys . 14-7 . Rodzina charakterystykwyjściowych fototranzystora dlaróżnych wartości oświetlenia E L .

wnętiLuego pojawienie się w bazie fototranzystora dodatnich i ujemnych nośnikówprądu: dziur i elektronów.

Zaporowa polaryzacja złącza baza-kolektor powoduje rozdzielenie nośników(analogicznie, jak ma to miejsce w zaporowo spolaryzowanej fotodiodzie) . Nośnikimniejszościowe pod wpływem pola elektrycznego na granicy baza-kolektor zostają"przerzucone" do kolektora. Nośniki większościowe gromadzą się w bazie, co po-woduje obniżenie bariery potencjału na złączu baza-emiter, a to z kolei umożliwiaprzejście nośników większościowych z obszaru emitera do obszaru bazy . Nośniki tew obszarze bazy stają się nośnikami mniejszościowymi, zaporowa polaryzacja złą-cza baza-kolektor powoduje ich przejście do obszaru kolektora i zwiększenie prądukolektora.

Charakterystyki wyjściowe I = f(UCE) są analogiczne, jak dla normalnych tran-zystorów bipolarnych (rys. 14-7), parametrem jednak nie jest prąd bazy, ale natę-żenie oświetlenia obszaru bazy . Najczęściej spotyka się fototranzystory typu n -p-n .

Dioda elektroluminescencyjna (LED). Działanie diody elektroluminescen-cyjnej (LED - z ang . Light Emitting Diode) jest oparte na zjawisku rekombinacjinośników, które ma miejsce podczas przechodzenia elektronów z wyższego po-

Rys. 14-8 . Zasada emisji fotonu [58]

n


199

Złącze p-n

p Rys . 14-9 . Pasma energetyczne w złączup-n [58]

200

Czujnikifotoelektryczne (optyczne)

ziomu energetycznego na niższy. W trakcie zmiany poziomu energetycznegoz pasma przewodzenia do pasma walencyjnego kwant energii elektronu zostajewypromieniowany w postaci fotonu (rys . 14-8) . Taka sytuacja ma miejsce pod-czas przepływu prądu przez spolaryzowane w kierunku przewodzenia złącze p-nzbudowane z pewnych rodzajów półprzewodników (rys . 14-9) . Działanie diodyLED polega więc na zamianie energii elektrycznej w energię promieniowania elek-tromagnetycznego o odpowiedniej długości fali . W diodach elektroluminescen-cyjnych wykorzystuje się związki arsenku galu (GaAs), w których zachodzi tzw .przejście proste . W innych półprzewodnikach zachodzą przejścia zarówno proste,jak i skośne .

Długość fali światła emitowanego przez diodę elektroluminescencyjną (a więci jego barwa) zależy od składu zastosowanych materiałów półprzewodnikowychi udziału w nich materiałów domieszkowych :- GaAs (arsenek galu) : podczerwień do światła czerwonego (długość fali od 950do 650 nm),- GaAsP (arsenofosforek galu) : światło od czerwonego do żółtego (długość faliod 630 do 590 nm),- GaN (azotek galu): światło niebieskie (długość fali 430 nm),- InGaN/YAG (azotek indowo-galowy i luminofor) : światło białe .

Intensywność świecenia zależy od wartości prądu płynącego przez diodę elek-troluminescencyjną (rys . 14-10) .

1,5

1,0

0,5

Jimax

Zielona, żółta

CzerwonaRys. 14-10 . Charakterystyka światłości diody LED [61 ]

0 10 20 30 40 50 60 I F [mA] J- światłość, Jax - światłość max, IF - prąd przewodzenia

Wiązka emitowanego przez diodę LED światła nie jest spójna i najczęściej niejest monochromatyczna . Podobną budowę i działanie jak dioda LED ma laser pół-przewodnikowy, czyli dioda laserowa, w którym energia elektryczna jest także za-mieniana na światło widzialne lub promieniowanie podczerwone . Źródłem emisjiświetlnej jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia złącze półprzewodnikowep-n . Emisja światła zachodzi w następstwie pobudzenia nośników ujemnych (elek-tronów) w paśmie przewodzenia do rekombinacji z nośnikami dodatnimi (dziu-rami) w paśmie walencyjnym. Gdy zachodzi to zjawisko, elektrony oddają energięw ilości odpowiadającej energii pasma zabronionego w postaci promieniowaniaelektromagnetycznego (świecenie) . Do wytwarzania diod laserowych stosuje sięte same materiały (arsenek galu, azotek galu) lub cienkie warstwy półprzewod-nika. Aby powstał laser, należy tak uformować układ, aby otrzymać rezonatoroptyczny, który wzmacnia efekty działania diody . Do złącza p-n pompuje się dużeładunki elektryczne, co wymusza liczne przejścia elektronów z pasma przewod-


201

nictwa do pasma walencyjnego, w wyniku czego generuje się spójna wiązkaświatła. Zwierciadłami lasera mogą być krawędzie kryształu . W przypadku mi-niaturowych laserów półprzewodnikowych (długość do 1 mm) wiązka może niebyć skupiona, a moc będzie niewielka .

Światłowody . Optyczny przewód transmisyjny, nazywany światłowodem, jestwykonywany ze szkła kwarcowego . W przekroju światłowodu można wyodrębnićnastępujące warstwy (rys. 14-11) :- rdzeń (jedno lub większa ilość włókien),- płaszcz okrywający włókno,- zewnętrzna warstwa ochronna .

Rdzeń (element przewodzący światło)

Płaszcz

Płaszcz (element odbijający światło)

Czynnikami ograniczającymi długość stosowanych światłowodów są dyspersja,czyli rozproszenie oraz tłumienie . Zjawisko dyspersji wywołuje różne czasy prze-biegu przez światłowód poszczególnych promiem światła . Prorojeń świetlny ulegarozogniskowaniu i rozmyciu, a to wpływa przede wszystkim na częstotliwośćpracy i zmniejsza szerokość pasma przenoszenia . Światłowody dzieli się na jed-nomodowe i wielomodowe, co wynika z ilości przesyłanych modów (fal) . Ś'wiat-łowódjednomodowy (rys. 14-12) transmituje tylko jeden mod, co oznacza, żestrumień światła jest odbijany od powierzchni płaszcza pod tym samym kątem .Wynika stąd, że wszystkie promienie pokonują taką samą drogę wewnątrz świat-łowodu w takim samym czasie .

Rdzeń

Rys. 14-12 . Budowa światłowodujednomodowego

ppp--Miq"

Rys. 14-11 . Budowa i zasadadziałania światłowodu

W światłowodach wielomodowych transmituje się wiele modów (fal) o różnejdługości, co oznacza różne kąty odbicia (rys. 14-13) . W związku z tym występujązniekształcenia impulsu wyjściowego. Ogranicza to prędkość i zasięg transmisji .Światłowody wielomodowe występują w dwu typach, o skokowej lub gradiento-wej zmianie współczynnika załamania światła pomiędzy rdzeniem a płaszczem(rys . 14-13 i 14-14) .

202

Rdzeń

Płaszcz

Rdzeń

Płaszcz


41

Rys. 14-13 . Światłowódwielomodowy o skokowejzmianie współczynnikazałamania światła

Rys. 14-14 . Światłowódwielomodowy o płynnejzmianie współczynnikazałamania światła(gradientowy)

Światłowody gradientowe (rys . 14-14) są typem najbardziej rozpowszechnio-nym. Rdzenie światłowodów wielomodowych mają większe średnice (około50 gm), a rdzenie światłowodów jednomodowych-mniejsze (5 . . .10 gm) . W świat-łowodach jednomodowych nie występuje dyspersja poza dyspersją naturalną, czylimożliwymi zmianami współczynnika załamania światła w szkle . Natomiast maona istotne znaczenie w światłowodach wielomodowych . Zarówno tłumienie, jaki dyspersja zależą od długości fali i rodzaju materiału, z jakiego zbudowany jestświatłowód . Lepsze parametry pracy mają światłowody jednomodowe . Zasięgtransmisji bez konieczności wzmacniania sygnału świetlnego wynosi do 100 km,a szybkość transmisji sięga 3 Tb/s. Jako nadajnik (źródło światła) w światłowodachjednomodowych stosuje się lasery półprzewodnikowe .

14.2 . Wykorzystanie optoelektronicznych zasad pomiaruw mechatronice

Czujniki optyczne przeznaczone są do pomiarów bezstykowych . W miejsce bez-pośredniego kontaktu z powierzchnią obiektu optyczne techniki pomiarowe ba-zują na wysłanych i odbitych wiązkach światła . Z uwagi na prędkość światłametody te są bardzo szybkie. Najwyższą dokładność pomiarów uzyskuje się wy-korzystując interferencję światła . Do pomiarów odległości służy metoda triangu-lacji . W najprostszym rozwiązaniu jako źródło światła (nadajnik) stosuje się diodęświecącą LED, a jako detektor (odbiornik) fotodetektor (PD) w formie matrycy.

W czujnikach optycznych światło może być wykorzystane na wiele sposobów.Niektóre z nich przedstawiono poniżej .

Oświetlenie - doprowadzenie energii świetlnej do powierzchni aktywnejprzedmiotu oświetlanego, w wyniku czego występują zjawiska odbicia, pochla-

Wykorzystanie optoelektronicznych zasad pomiaru w mechatronice

203

niania i przenikania (transmisji) w zależności od własności materiału i rodzaju po-wierzchni materiału (rys . 14-15a) .

Pomiar - czujniki optyczne dostarczają podstawowych informacji o wielko-ściach fizycznych, takich, jak siła, temperatura, ciśnienie i naprężenie, lub wiel-kościach geometrycznych, jak kąt, droga itp . Informacje są uzyskiwane przezczujniki przy zastosowaniu różnych metod, takich jak odbicie, interferencja orazdyfrakcja . Konwencjonalne czujniki optyczne zbudowane są ze źródła światła, de-tektora światła, a także innych elementów optycznych, jak soczewki, dzielniki stru-mienia światła, zwierciadła i światłowody (rys . 14-15b) .

Przechowywanie danych - dane w postaci binarnej mogą być zapisywane naodpowiednim nośniku, a następnie odczytywane metodami optycznymi . Zasadazapisu optycznego polega na wywołaniu przy użyciu światła zmian struktury po-wierzchni w określonych miejscach nośnika . Odczytywanie jest dokonywane przezsprawdzanie zdolności odbicia światła od tej powierzchni z zastosowaniem optycz-nych czujników laserowych (rys . 14-15c) .

Transmisja danych - światło jest bardzo dobrym nośnikiem informacji z racjiwysokiej odporności na zakłócenia i szerokiego pasma przenoszenia . Jako źródłaświatła w optycznej technice transmisji danych stosuje się lasery lub diody lase-rowe. Dane transmitowane są w postaci binarnej . Sygnał świetlny jest przesyłanywewnątrz włókna szklanego (światłowodu), co przy wykorzystaniu całkowitegoodbicia oznacza bardzo niskie straty (rys . 14-15d) .

Wyświetlanie danych - dane są przedstawiane użytkownikowi w postaci ob-razów lub wykresów. W tym celu wykorzystuje się różne typy wyświetlaczyoptycznych: kineskop CRT (z ang . Cathode Ray Tube), wyświetlacz ciekłokrysta-liczny LCD (z ang . Liquid Crystal Display), dioda LED, wyświetlacz plazmowyPDP (z ang . Plasma Display Panel). W wyświetlaczach barwnych kolory uzys-kuje się poprzez kombinację trzech barw podstawowych : czerwonej, zielonej i nie-bieskiej (rys . 14-15e) .

Zmiany cech materiału - laserowy strumień światła zogniskowany przez ele-ment optyczny wywołuje zmiany fizycznego kształtu lub stanu materiału na któryoddziahuje (rys . 14-15f) .

Przyrząd do pomiaru pozycji wykorzystujący promień laserowy i czujnik po-zycji zbudowany z czterech fotodiod przedstawiono na rysunkach 14-16a i 14-16b . Odchylenie plamki promienia laserowego od pozycji centralnej czujnika jestokreślane na podstawie analizy czterech fotoprądów cząstkowych według poniż-szych równań :

dX = (I ] +13 )-(12 +14 )(14.3)

dy=(,I+IZ)-(13+I4)

gdzie :dX - odchyłka plamki lasera od położenia centralnego w kierunku poziomym,dy - odchyłka plamki lasera od położenia centralnego w kierunku pionowym,1,, 12, 13 , 14 - fotoprądy cząstkowe .

204

SygnałelektrycznyWE

e

d

Powierzchniawyświetlacza

C

R - czerwonyG - zielonyB - niebieski


a

b

Rejestracja (zapis)

Światłowód

Laser. 11

Odczyt danych

Laser

Sensorpółprzewodnikowy

optoelektryczny

f

Laserz układem

Obiekt

optycznym

Sygnał.-, elektryczny

WY

Rys. 14-15 . Typy i podstawy działania czujników optycznych [581a - oświetlanie, b - wykrywanie (detekcja), c - rejestracja danych, d - transmisja danych,e - wyświetlanie danych, f - zmiany cech materiału

Wvkorzvstanie optoelektronicznych zasad pomiaru w mechatronice

205

Przyrząd jest często stosowany do precyzyjnego pozycjonowania laserowychczytników optycznych . Przy prawidłowej pozycji obracającego się dysku pro-mień światła laserowego powinien być zogniskowany na jego powierzchni . Pro-mień odbity od dysku jest ogniskowany przez soczewki : wypukłą i cylindryczną.Plamka świetlna na powierzchni czterokwadrantowego czujnika pozycji makształt kołowy tylko wówczas, gdy promień padający na dysk jest zogniskowany

a

Fotodiody

Plamkaświatłalasera

Fotodiody

Czterokwadrantowyczujnik pozycji

Rys. 14-16. Zastosowania elementów optoelektronicznych w mechatronice [581(opis w tekście)

206

Czujniki fotoelektryczne (optyczn e)

na jego powierzchni . W innym przypadku plamka ma kształt eliptyczny. Odchyłkaod pozycji zogniskowanej może być określona na podstawie różnicy pomiędzydwoma sygnałami uzyskanymi z fotodiod umieszczonych względem siebie poprzekątnej .

Podobną zasadę stosuje się w metodzie triangulacyjnej (rys . 14-16c) . Światłolaserowe odbija się od chropowatej powierzchni obiektu . Odbity promień ulega

a

c

d

Dioda LED

Tworzenierównoległej

wiązkipromieni

Podziałka główna

Podziałka indeksowa

Detektoryfotoelektryczne

Laser

w

~ Zwierciadłoreferencyjne

Rozdzielaczpromienia

>

I I Fotodetektor

Światłowódoświetlenia

I~

~NGiętka częśó sondy

Aktuator SMA

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

Zwierciadłoobiektowe

Wykorzystanie optoelektronicznych zasad pomiaru w mechatronice

207

rozproszeniu i dociera do czujnika pozycji poprzez soczewkę . Przemieszczenieobiektu jest określane na podstawie miejsca plamki świetlnej na powierzchni prze-twornika pozycji (rys . 14-16c) .

Liniowe enkodery optyczne wykorzystują efekt „mory" * . Promień światładiody LED jest przetwarzany na wiązkę równoległą i przepuszczany przez głównąsiatkę dyfrakcyjną oraz siatkę indeksową (rys . 14-17a) . Transmitowane światłozmienia się prawie sinusoidalnie wraz z rosnącym przemieszczeniem obiektu .Siatka indeksowa składa się z czterech pól w celu uzyskania możliwości wykry-wania kierunku ruchu obiektu .

Zasadę działania innego typu enkodera wykorzystującego efekt dyfrakcyjnyoraz interferencję promieni dyfrakcyjnych przedstawiono na rysunku 14-17b . Pro-mienie światła odbierane przez fotodetektor są przesunięte w fazie względem sie-bie. Wielkość tego przesunięcia zależy od przemieszczenia obiektu .

Do pomiaru przemieszczeń stosuje się także inne przyrządy optyczne, zwaneinterferometrami (rys . 14-17c) . Wiązka światła laserowego jest rozdzielana na dwapromienie przez optyczny rozdzielacz wiązki. Jeden promień zostaje odbity przezzwierciadło zamocowane na powierzchni obiektu, którego przemieszczenie jestmierzone, a drugi promień przez zwierciadło stanowiące część przyrządu i umiesz-czone w odległości odniesienia . Obydwa odbite promienie interferują, po czymjako wspólny strumień świetlny są wykrywane przez detektor . Na podstawie ma-tematycznego określenia intensywności interferencji promieni wyznacza się prze-mieszczenie obiektu .

Technikę optoelektroniczną wykorzystuje się również w przyrządach inspek-cyjnych do kontroli stanu trudno dostępnych przestrzeni . Posiadają one często ele-ment z pamięcią kształtu (SMA- Shape Memory Alloy) umożliwiający penetracjęprzestrzeni ciasnych, zakrzywionych . Zawierają sondy optyczne o zakresie do2000 pikseli. Jako część transmisyjną stosuje się światłowody (rys . 14-17d) . Uży-wane są w diagnostyce silników spalinowych (tzw . endoskopy) .

14.3. Zastosowania czujników optoelektronicznychW technice motoryzacyjnej czujniki optoelektroniczne znajdują zastosowania jako :- czujniki oświetlenia otoczenia, których sygnał jest wykorzystywany do auto-

matycznej regulacji intensywności podświetlania wskaźników na tablicy roz-dzielczej, zapewniając kierowcy komfort odczytu urządzeń sygnalizacyjnychi wydłużając ponadto żywotność źródeł światła stosowanych do podświetlania(rys. 14-18) ;

Prążki mory powstają na skutek nakładania się promieni przechodzących przez układ dwóch sia-tek przesuniętych względem siebie . Wzory prążków mory tworzą różne obrazy .Enkoder jest to urządzenie impulsowe, które przyporządkowuje położeniom liniowym lub kątowymobiektu odpowiednie wartości liczbowe . Enkoder absolutny określa wartości położenia na podstawieaktualnej pozycji tarczy kodowej lub liniowego przymiaru kodowego .Enkoder przyrostowy zlicza impulsy odpowiadające drodze liniowej lub kątowej przebytej przezobiekt od położenia początkowego .

208


mY ĆC

(1)Ń N

(j 3. .2ó 0

Sterownikmcu

Sterowaniepodświetlaniem

Rys. 14-18. Zastosowanie czujnika oświetlenia otoczenia

Tablicarozdzielcza

podświetlana

czujniki wykrywania deszczu, stosowane w trybie wykrywania światła odbi-tego, dające sygnał obecności kropel wody na przedniej szybie i wykorzysty-wane czasami do sterowania automatyczną pracą wycieraczek ;elementy lusterek elektrochromatycznych, w których wykorzystuje się sygnałczujnika wykrywający światło padające od pojazdu jadącego z tyłu do automa-tycznego przyciemnienia obrazu w lusterku ;optoelektroniczne czujniki zajęcia fotela, których sygnał jest wykorzystywanyw układzie sterowania poduszek powietrznych, a także do automatycznej regu-lacji położenia fotela lub pasa bezpieczeństwa ;czujniki pozycji różnorodnych dźwigni ;optoelektroniczne enkodery do określania kątowej pozycji koła kierownicyz dokładnością do 0,01 ° .Czujniki te dzielą się na kilka podstawowych typów :przetwornik światło/napięcie, w którym powstaje liniowo zmieniające się na-pięcie w funkcji natężenia światła ;przetwornik światło/częstotliwość, w którym natężenie światła zamieniane jestna impulsy o określonej częstotliwości - wielkość łatwo akceptowalną przezcyfrowe układy sterowania ;czujnik natężenia oświetlenia otoczenia, który odbiera („widzi") światło tak jakoko ludzkie ;czujnik barwy światła, w którym następuje dyskryminacja, określenie i pomiarbarwy światła z wykorzystaniem filtra RGB (czerwony/zielony/niebieski) ;czujnik światła odbitego, w którym następuje zamiana natężenia światła odbi-tego na sygnał napięciowy .

Czujniki prędkości obrotowej i położenia kątowego

Przykładem praktycznego zastosowania elementów fotoelektrycznych może byćtzw. przełącznik świetlny, używany do określenia prędkości jazdy (rys . 14-19) .

a

Zastosowania czujników optoelektronicznych

209

b5V

Rys. 14-19. Układ elektrycznyprzełącznika świetlnego [39]a - schemat ideowy przełącznikab - sygnał wyjściowy1 - fototranzystor, 2 - diodaLED, 3 - koło z nacięciami,T, - tranzystor, R - rezystory

Między diodą 2 emitującą światło a fototranzystorem 1 (który jest jego od-biornikiem) umieszczone jest obracające się koło 3 z nacięciami . Koło jest połą-czone z linką prędkościomierza i wraz ze zwiększaniem prędkości jazdysamochodu następuje zwiększenie jego prędkości obrotowej . Wirujące koło z na-cięciami przerywa promień światła przechodzący od diody LED do fototranzys-tora, włączając i wyłączając fototranzystor i jednocześnie przełączając tranzystorT, . Na wyjściu tranzystora T, powstaje pulsujący sygnał, którego częstotliwośćjest 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 IntronPoznań do precyzyjnych pomiarów prędkościobrotowej, położenia i przemieszczenia

Do precyzyjnych pomiarów przemieszczeń, a także położenia kątowego częstostosuje się enkodery optoelektroniczne . Ich obrotowa tarcza wykonywana jest naj-częściej ze szkła, ale może być także z innego materiału (np . ceramiczna) . Jakoźródła światła stosuje się półprzewodnikowe diody świecące LED, natomiast od-biornikami sygnału są fotodiody lub fototranzystory. W chwili, kiedy pomiędzynadajnikiem i odbiornikiem znajduje się przezroczysty fragment płytki obrotowej,odbiornik generuje sygnał odpowiadający logicznej jedynce . Kiedy światło z na-dajnika nie przedostaje się przez nieprzezroczyste fragmenty tarczy, wyjście od-biornikajest w stanie logicznego zera . Zliczanie kolejno występujących impulsówprzy znajomości modułu (kątowej odległości pomiędzy kolejnymi impulsami) dajew efekcie sumaryczny kąt obrotu tarczy. Wraz z systemem wykrywania kierunku

210


obrotu taki czujnik stanowi optoelektroniczny enkoder przyrostowy (inkremen-talny) . Zasadę działania enkodera optycznego typu przyrostowego pokazano narysunku 14-21 . Wadą tego typu rozwiązań jest brak naturalnej pamięci położenia .Inny typ enkodera optycznego, zwany enkoderem absolutnym, posiada naturalnąpamięć położenia, tzn. w chwili rozpoczęcia pomiaru (np . po włączeniu urządze-nia) znane jest kątowe położenie sprzężonego z enkoderem wałka, dzięki zastoso-waniu tarczy kodowej . W enkoderach absolutnych wykorzystuje się tarczę kodowąGraya .

W kodzie Graya zmiana położenia o jeden moduł skutkuje zmianą sygnałutylko na jednej pozycji wyjściowej liczby binarnej, w przeciwieństwie do zapisubinarnego (tabl . 14-1). Długość słowa kodowego (liczba bitów liczby binarnej) za-leży od przyjętej rozdzielczości pomiaru . Wyższa rozdzielczość oznacza zwięk-szenie dokładności określania położenia kątowego . W praktyce enkodery optyczne

mrn~N J

.2C omz

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

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

CCW - kierunek obrotu niezgodnyz ruchem wskazówek zegara

Zapis dziesiętny Zapis binarny Zapis w kodzie Graya

0 0000 00001 0001 00012 0010 00113 0011 00104 0100 01105 0101 01116 0110 01017 0111 0100R 1000 11009 1001 110110 1010 1111

Sygnały odebrane1 - .1 .

1 CCW2 2

c ^,rn TN o2 1

a 0v

0CW

O 2- .0.

CW - kierunek obrotu zgodnyz ruchem wskazówek zegara


211

A45 b

Rys. 14-22 . Budowa fotoelektrycznego czujnikakąta obrotu koła kierownicy [251a - dioda elektroluminescencyjna, b - tarczaz przesłonami, N49 - mikroprocesor,A45 - ścieżka stykowa

znajdują zastosowanie w czujnikach do pomiaru kątowego położenia koła kie-rownicy samochodu. Stosuje się w tym celu optoelektroniczny czujnik z diodamiświecącymi, który za pomocą wielu przesłon rejestruje zmiany kąta obrotu kołakierownicy o 2,5° . Na rysunku 14-22 przedstawiono schemat tego typu czujnika zdziewięcioma diodami świecącymi a, które wraz z umieszczonymi naprzeciw fo-todiodami tworzą bramki świetlne .

Pomiędzy diodami i fotodiodami znajduje się ruchoma tarcza b o ośmiu prze-słonach różnej długości. Powoduje to przesłanianie bramek świetlnych, zależneod kątowego położenia koła kierownicy. Położenie środkowe koła ma określonyukład bramek świetlnych, zapamiętany przez mikroprocesor . W celu analizy po-szczególnych położeń obracanego koła kierownicy, czyli analizy obrazu sygnałów,:jasno/ciemno" z dziewięciu fotokomórek, na pomiarowym pierścieniu sygnali-zacyjnym są zainstalowane dwa mikroprocesory . Rejestracja sygnałów odbywasię co 2,5°, w zakresie ±720° kąta obrotu kierownicy. Kąt skrętu może być reje-strowany również po wyłączeniu zapłonu .

Zbudowany na zasadzie enkodera absolutnego czujnik kątowego położeniakoła kierownicy ma tzw. zdolność pracy wieloobrotowej (rys . 14-23). Czujnik niewymaga inicjalizacji po włączeniu napięcia zasilania (zapamiętuje poprzednie po-łożenie). Przy kodowaniu 3-bitowym charakteryzuje się rozdzielczością kątowąponiżej 1 ° . W czujniku zastosowano powielanie informacji (redundancja) w celuzwiększenia pewności działania. Jest on przystosowany do współpracy z samo-chodowymi sieciami CAN oraz LIN .

Optoelektroniczny czujnik położenia kątowego koła kierownicy może wcho-dzić w skład zintegrowanego modułu sensorycznego kierownicy (rys . 14-24) .Składa się on z kompletu przełączników oraz obrotowego konektora poduszki po-wietrznej o zakresie do 2,5 obrotów koła kierownicy w obydwu kierunkach .

212


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

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

Czujniki stopnia przepuszczalności światła przez szyby

Czujnik zanieczyszczenia szyb służy do automatycznego rozpoznawania stopniaobniżenia przepuszczalności światła przez szkła rozpraszające reflektorów i przezszyby pojazdu. Umożliwia to automatyczne uruchamianie urządzeń do ich oczysz-czania .

Główne elementy czujnika zanieczyszczeń reflektorów to źródło światła (diodaLED) i odbiornik światła (fototranzystor) . Są one umieszczone po wewnętrznejstronie szyby reflektora, w obszarze, który znajduje się poza bezpośrednim bie-giem strumienia światła mijania (rys . 14-25) . Gdy szyba jest czysta, tylko znikomomała część strumienia ulega odbiciu i powraca do odbiornika światła (fototran-zystora) . Gdy na zewnętrznej powierzchni szyby reflektora znajdą się cząstki za-nieczyszczeń, światło zostaje rozproszone proporcjonalnie do stopnia zabrudzeniai odbite . Gdy natężenie światła odbitego osiągnie określoną wartość, uruchamianejest automatycznie urządzenie oczyszczające szyby reflektorów . Gdy szkła re-


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, wyemitowaneświatło podczerwone (IR) nie napotyka na dostateczną przeszkodę i przenika przezszybę, a natężenie światła odbitego jest zbyt małe, aby układ sterujący mógł uru-chomić spryskiwacz szyby.

Na podobnej zasadzie działa czujnik deszczu (rys. 14-26 i 14-28) . Promieńświatła wysyłany jest przez nadajnik (dioda LED - IR) pod odpowiednim kątemw stosunku do powierzchni szyby . Jeżeli szyba jest sucha, promień odbija się podtakim kątem, że trafia na aktywną powierzchnię sensoryczną fotodiody . Jeżeli wmiejscu padania promienia na szybie pojawi się kropla wody lub inne zanieczysz-czenie, promień ulega rozproszeniu i do odbiornika nie dociera wcale lub docieraw formie mocno osłabionej . Odebrany sygnał poddany jest obróbce w układachanalogowych i cyfrowych kondycjonowania sygnału w celu określenia jego natę-żenia w stosunku do natężenia światła odbitego od szyby suchej . Czujnik ma cechyadaptacji do rodzaju szkła, a mikrokontroler sterujący jest wyposażony w opro-gramowanie bazujące na zaawansowanym algorytmie sterowania . Czujnik przed-stawiony na rysunku 14-28 jest przystosowany do współpracy z siecią magistralnąwg standardów CAN i J 1850 .

Czujnik deszczu służy do automatycznego sterowania pracą wycieraczek szyb .Może być także wykorzystany do automatycznego zamykania szyb bocznych i od-suwanego okna dachowego, a w przyszłości planowane jest wykorzystanie czuj-ników deszczu do informowania o aktualnej pogodzie na określonym odcinku

214

a

bStrumień światła jest rozpraszany

przez kroplę wody

10M8

6

4

2

00l- l l

2 4 6


10M8

6

4

2

8

10

0 0[ms]

20

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

40 60 80

100[ms]

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


215

Rys. 14-28. Zasada działania czujnikadeszczu [75]I - kropla deszczu, 2 - szyba przedniapojazdu, 3 - zwierciadło wklęsłe,4 - przesłona, 5 - odbiornik światła(fotodioda), 6-źródło światła (diodaLED), 7 - zwierciadło płaskie

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

drogi za pośrednictwem systemu telemetrycznego (rys . 14-29). Wyposażenie sa-mochodu w dodatkowy czujnik mierzący natężenie światła zewnętrznego pozwalana sterowanie włączaniem świateł mijania przy określonym stopniu ciemności .

Inne zastosowania elementów fotoelektrycznych w mechatronice samochodo-wej 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

1515.1. Zasada działaniaCzujniki elektrolityczne-rezystancyjne znalazły zastosowanie w technice samo-chodowej do wykrywania zawartości tlenu w spalinach, a także do sygnalizacjiobecności toksyn w powietrzu napływającym do wnętrza pojazdu oraz do okre-ślania poziomu wilgotności powietrza . Wykorzystywana jest przy tym zarównometoda pomiaru spadku napięcia na przetworniku wykonanym z rezystora cera-micznego zasilanego prądem stałym, jak i metoda bezprądowego pomiaru siłyelektromotorycznej SEM ogniwa galwanicznego ze stałym elektrolitem .

Zasada działania czujników rezystancyjnych polega na skokowej zmianie ichrezystywności wskutek pojawienia się pewnych jonów w materiale, z którego zbu-dowany jest czujnik. Rezystancja wyjściowa takiego czujnika R (przy stałej tem-peraturze) zależy od zawartości jonów badanego gazu w materiale czujnika, cowpływa na rezysty~ne p oraz od jego wymiarów geometrycznych :

R = p 1

(15 .1)S

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 byćstwierdzona poprzez pomiar napięcia wyjściowego z czujnika . W tej metodzie po-miarowej czujnik musi być zasilany, a wartość napięcia wyjściowego zależy odzawartości badanej substancji w otoczeniu czujnika .

Druga metoda oceny zawartości tlenu w otoczeniu czujnika polega na pomia-rze siły elektromotorycznej ogniwa wykonanego z elektrolitu stałego (rys . 15-1) .Jeżeli stężenie badanego czynnika po obu stronach elementu z elektrolitu stałegojest różne, to występuje przepływ jonów tego czynnika bez przykładania napięciazewnętrznego . Powstaje więc ogniwo galwaniczne . Różnica potencjałów między

Zasada działania

217

elektrodami obejmującymi elektrolit stały, mierzona gdy ogniwo jest otwarte (gdynie płynie przez nie prąd wypadkowy), nazywa się siłą elektromotoryczną ogniwai oznaczana jest symbolem SEM lub ESEM. Definiuje się ją jako różnicę poten-cjałów 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 NernstaSEM półogniwa (jednej elektrody względem elektrolitu) zależy od aktywnościjonów w elektrolicie i od procesów elektrodowych. Wartość potencjału elektroche-micznego, który pojawia się na granicy faz metal-roztwór, można obliczyć korzys-tając z równania [91] :

RTĘ = Eo -

Klna

zFgdzie :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 badanejsubstancji po obu stronach przetwornika z elektrolitu stałego i dla analizy zawar-tości tlenu wynosi :

E = g In P`

(15 .4)4F PO' 2

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

SEM

i00+~++~~1>iDii

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

.aaaaaaaaa •

W~

:

rStężenie

gazum%

Stężeniegazun%

Temperatura

(15.3)

Rys. 15-1 . Zasada działaniaczujnika z elektrolitem stałymi pomiarem SEM ogniwa1 i 2 - porowate elektrody,3 - elektrolit stałym% i n% - procentowe stężeniagazu w przestrzeni odniesienia mi po stronie badanej n (m >n),p' i p" - odpowiadająceim ciśnienia cząstkowe

218

Czujniki elektrolityczne-rezystancyjne

Jeżeli znane jest ciśnienie cząstkowe tlenu pO2 , to na podstawie pomiaru siłyelektromotorycznej ogniwa E można obliczyć ciśnienie cząstkowe tlenu po stro-nie badanej i określić jego zawartość . Ta zasada jest wykorzystywana do ocenyzawartości badanego gazu w kontrolowanej przestrzeni w stosunku do znanegostężenia 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 bada-nych gazach spalinowych. Tego typu sonda lambda jest czujnikiem półprzewodni-kowym z przetwornikiem z dwutlenku tytanu (TiO,) . Dwutlenek tytanu wchodziw reakcje chemiczne ze składnikami spalin, utlenia zawarte w nich węglowodoryna 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 powstajeponownie TiO, .

Reakcje redukcji TiO 2 i pobierania tlenu przez TiO powodują znaczną zmianęrezystancji czujnika (rys . 15-2a) . W przypadku spalin z mieszanki bogatej (małailość tlenu) rezystancji maleje, przy spalinach z mieszanki ubogiej rezystancjiwzrasta. Rezystancja ta gwałtownie zmienia się przy przechodzeniu z mieszankibogatej na ubogą (rys . 15-2a) . Tego typu sondy wymagają precyzyjnego ustala-nia napięcia zasilania, ponieważ wpływa ono na spadek napięcia mierzony narezystorze czujnika, a ten parametr jest sygnałem wskazującym na skład mie-szanki .

Sposób pomiaru spadku napięcia przedstawiono na rysunku 15-2c . Czujnik za-silany jest napięciem stabilizowanym (np . 1 V) z elektronicznego modułu sterują-cego. W moduł wbudowany jest komparator, który porównuje spadek napięcia narezystorze dodatkowym R z napięciem odniesienia (0,45 V) . Jeżeli spadek napięciana rezystorze R jest wyższy od napięcia odniesienia (rezystancja sondy mała), to jestto sygnał, że mieszanka jest bogata . Jeżeli napięcie mierzone jest niższe od napię-cia odniesienia (duża oporność sondy) oznacza to, że mieszanka jest uboga . Przy za-silaniu czujnika napięciem 5 V zmiana współczynnika składu mieszanki ż od 0,9 do1,1 powoduje spadek napięcia na rezystorze pomiarowym w zakresie około3,85 . . .0,4 V.

Rezystancja sondy lambda zmienia się znacznie z jej temperaturą, co wpływana pomiar spadku napięcia (rys . 15-3a) . Sondy tego typu muszą więc być wypo-sażone w grzałkę, utrzymującą stałą temperaturę pracy czujnika . Optymalna tem-peratura pracy wynosi 500 . . .900°C .

Sondy lambda o tej zasadzie działania mogą być używane do regulacji składumieszanki w zakresie A = 0,7 . . .2,5, ale najczęściej wykorzystywane są do regula-cji dwustanowej : mieszanka bogata-uboga .

a

b

c

Powietrze

Spaliny0

Rodzaje i zastosowania czujników elektrolityczne-rezystancyjnych

219

•

RezystancjaTi02

i

Niskazawartość

tlenu

bogata

1

uboga

H H M

Wysokazawartość

tlenu

Elektronicznymoduł

sterującyRys. 15-2 . Budowai działanie rezystancyjnejtytanowej sondy lambda[112, 120]a - charakterystyka sondyw funkcji składu mieszankiw silniku, b - schemat sondyc - zasada pomiaru spadkunapięciaI - 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 zewnętrznaogniwa wykonanego z dwutlenku cyrkonu ZrO 2 jest omywana spalinami. Po-wierzchnia wewnętrzna styka się z powietrzem atmosferycznym lub gazem od-niesienia (tlenem) zamkniętym w komorze referencyjnej . Jeżeli stężenie tlenuz obu stron przetwornika jest różne, to między elektrodami przymocowanymi do

220

ogniwa ZrO 2 powstaje siła elektromotoryczna SEM o wartości maksymalnie około1 V W przypadku silnika wielocylindrowego stężenie tlenu w spalinach jest war-tością średnią dla cylindrów, a więc i wskazania sondy dają informację o średniejzawartości tlenu w spalinach .

a

RezystancjaT10 2

b

UM •5,0-4,5- i14.03,53,02,52,0 -1,51,0 -0,50,001

[0l

1 m

1000 k

10k

1k

500

2

Mieszankauboga

600

700 800

900 T -'C[

3


4

Spaliny

n

Rys. 15-3 . Charakterystykirezystancyjne] tytanowej sondylambda [25, 87]a - rezystancja sondy w zależnościod temperatury i składu mieszanki,b - przebieg czasowy napięcia sondy(wykres pracy w silniku o zapłonieiskrowym)

r--, r1

5

6

7

8

9

10 t [s]

--

v

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

Rodzaje i zastosowania czujników elektrolityczne-rezvstancvjnych

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

Platynowa elektroda zewnętrzna stykająca się ze spalinami jest pokryta poro-watą ochronną warstwą ceramiczną (rys . 15-4). Ponieważ przepływ spalin z silnikama charakter dynamiczny, a ich temperatura zmienia się, wpływa to na wiązanietlenu przez azot w tlenki azotu . W rezultacie bezpośrednie oddziaływanie spalin naelement pomiarowy sondy znacznie zmieniałoby jego temperaturę i warunki pracy .Zadaniem porowatej zewnętrznej warstwy jest uzyskanie równowagi termodyna-micznej pomiędzy składnikami spalin, które po przejściu przez tę warstwę i pla-tynową elektrodę stykają się z elektrolitem stałym sondy. Elektroda platynowaoddziałuje katalitycznie na spaliny przechodzące przez jej pory. Powoduje to spa-lenie CO i CH oraz redukcję tlenków azotu NO>' zawartych w spalinach w pobliżuelektrody platynowej . W efekcie do elementu pomiarowego sondy dociera tlen,który pozostaje w spalinach po katalitycznym utlenieniu CO oraz CH i po reduk-cji tlenków azotu oraz tlen wolny (jeżeli był w spalinach) . Te procesy powodują,że stosunek ilości tlenu pozostałego po spaleniu mieszanki ubogiej do ilości tlenupozostałego po spaleniu mieszanki bogatej jest o kilka rzędów wyższy, niż gdybytego oddziaływania nie było . Dzięki temu występuje duży skok napięciowy na ele-mencie pomiarowym w punkcie stechiometrycznym, tzn . przy zmianie współ-czynnika nadmiaru powietrza wokół wartości = 1 (rys. 15-6) . Bez procesukatalitycznego 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, za-mkniętego z jednej strony . Jest to tzw. kubkowa sonda lambda (rys. 15-5). „Kubek"wykonany jest z dwutlenku cyrkonu (ZrO2) i stabilizowany tlenkiem itru . Domieszkatlenku wapnia CaO wytwarza w strukturze ZrO 2 wakanse (luki), przez które migrująjony tlenu. Powierzchnie tulejki ZrO 2 pokryte są porowatą warstwą platyny, działa-jącą katalitycznie. Pod wpływem wysokiej temperatury masa ceramiczna z dwu-tlenku cyrkonu staje się elektrolitem stałym, przepuszczalnym dla jonów tlenu . Poobu stronach elementu cylindrycznego ZrO 2 panuje różne ciśnienie cząstkowe tlenu:po stronie atmosfery stałe ciśnienie odniesienia p~ , a po stronie spalin ciśnienie pówynikające ze stężenia tlenu w spalinach . Ilość cząstek tlenu wchodzących w reak?

221

222

Czujniki elektrolityczne-rezvstancyjne

cję elektrochemiczną z Zr02 i tworzących jony tlenu O -- jest różna po stronie po-wietrza atmosferycznego i po stronie spalin. Powoduje to, że pomiędzy dwiema po-wierzchniami elementu cylindrycznego Zr0 2 powstaje różnica potencjałów Eproporcjonalna do logarytmu naturalnego stosunku ciśnień cząstkowych tlenu w spa-linach p i w powietrzu atmosferycznym p", o wartości wynikającej z równaniaNernsta (zależność 15 .4). Ponieważ ciśnienie cząstkowe tlenu w powietrzu p, jestznane i prawie stałe, na podstawie potencjału takiego ogniwa można określić ciś-nienie cząstkowe tlenu w spalinach i zawartość tlenu w spalinach .

W układach sterujących składem mieszanki paliwowe-powietrznej w silnikachspalinowych wartość napięcia między elektrodami sondy wykorzystuje się do pre-cyzyjnej regulacji składu mieszanki (rys . 15-6). Przy zmianie składu mieszankiz bogatej na ubogą i pojawieniu się zwiększonej ilości tlenu w spalinach napięciemiędzy elektrodami sondy gwałtownie zmniejsza się . Ten skok napięciowy wy-korzystuje się do utrzymywania składu mieszanki w pobliżu wartości stechiomet-rycznej (1 = 1) . Jeżeli napięcie sondy przekracza wartość napięcia odniesienia U .jest to sygnał o nadmiernym wzbogaceniu mieszanki . Reakcją sterownika silnikana taką wartość napięcia jest skrócenie czasu otwarcia wtryskiwacza paliwa . Jeżeli

a

U [mul^ Mieszanka

Mieszankabogata

> ,, uboga

b

1000

800

600Uo =4501

24

400

200

00,80

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

0,90 1,00 1,10

1,20 k

~U M1,0 -0,9 -0,8 -0,70,60,50,40,30,2-0,1-

t [s]0,0 1111111111

0,0

0,5 1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5 5,0

Rys. 15-6. Charakterystyka wąskopasmowej dwustanowej sondy lambda U= f(1.) dla temperaturyokoło 600°C (a) [49] i przebieg czasowy napięcia dwustanowej sondy lambda ZrO 2 w ustalonychwarunkach 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 zubożeniemieszanki paliwowa-powietrznej . Sterownik silnika po otrzymaniu sygnałuz sondy o wartości mniejszej od Uo wydłuża czas otwarcia wtryskiwacza paliwa .Precyzyjne sterowanie dawką paliwa pozwala na utrzymanie składu mieszanki sil-nika o zapłonie iskrowym w bardzo wąskim przedziale współczynnika nadmiarupowietrza ~ = 0,99 . . .1,01 .

Prawidłowe działanie czujnika tlenu w układzie wylotowym silnika spalino-wego wymaga odpowiedniej jego temperatury . Na rysunku 15-7 pokazano zmianęcharakterystyki czujnika dla kilku wartości temperatur elektrolitu stałego :T,> Tz> T3 . Wzrost temperatury sondy zwiększa gradient zmian napięcia występu-jący przy zmianie zawartości tlenu w spalinach oraz znacznie skraca czasy reak-cji sondy na skokową zmianę składu spalin . Pozwala to precyzyjniej ustalić składmieszanki w obszarze mieszanki stechiometrycznej (~ = 1) i w efekcie ograniczyćtoksyczność spalin . Dla sprawnej sondy lambda czas odpowiedzi na skokowązmianę składu mieszanki wynosi około 0,35 s (według danych firmy NGK/NTK) .

TZ

T

Rys. 15-7 . Zależność charakterystykidwustanowej sondy lambda

1

od temperatury pracy, T, >T,>T, [91]

Optymalna temperatura pracy elementu pomiarowego sondy powinna wynosićokoło 600°C . Należy jednak pamiętać, że zbyt wysoka temperatura pracy skracatrwałość sondy. Z tego powodu nie powinna ona pracować w temperaturze powy-żej 850°C . Jeśli sonda lambda nie jest wyposażona w element grzejny, to elementpomiarowy ogrzewany jest tylko przez przepływające spaliny, a czas dochodzeniado temperatury pracy sondy wynosi około 1 min lub d1u2ej. Taka sonda musi byćmontowana blisko kolektora wylotowego, aby omywały ją gorące spaliny . Przydłuższej pracy silnika na biegu jałowym oraz przy niewielkich obciążeniach silnikawzględnie niska temperatura spalin powoduje, że element pomiarowy nie osiągaminimalnej temperatury pracy lub po pewnym czasie pracy w tym zakresie obcią-żeń temperatura sondy spada poniżej minimalnej temperatury pracy. To nieko-rzystne zjawisko potęguje się tym bardziej, im dalej od silnika zamontowana jestsonda. W celu przyspieszenia osiągania przez czujnik właściwej temperatury sto-suje się elektryczne podgrzewanie elementów sondy, zwykle za pomocą cera-

224


micznego elementu grzejnego. Umożliwia to uzyskanie minimalnej temperaturypracy elementu pomiarowego sondy po 30 . . .60 s od rozruchu silnika, a następniejej utrzymanie niezależnie od temperatury spalin i miejsca montażu w układziewylotowym. Dlatego też ogrzewana sonda lambda przekazuje sterownikowi pra-widłowy sygnał, również po dłuższej pracy silnika na biegu jałowym .

SS MS SS ZG ZG SS

Zr

-

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

ZG ZG MS SS

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) jestprzyłączony bezpośrednio do sterownika . Przewód sygnałowy sondy powinien byćekranowany, aby nie indukowało się w nim napięcie wywołane ewentualnymizmianami natężenia pola elektromagnetycznego . Źródłem pola elektromagne-tycznego o zmiennym natężeniu są np . przewody układu zapłonowego . Ekran prze-wodu sygnałowego jest łączony z „masą" nadwozia samochodu . Sondy lambdaz dwoma lub czterema przewodami połączeniowymi mają „masę" własną, dopro-wadzoną przewodem ze złącza masowego nadwozia lub ze sterownika . Przeważ-nie potencjał „masy" własnej, doprowadzonej przewodem do sondy lambda, jestrówny potencjałowi „masy" akumulatora . Są jednak rozwiązania, w których po-tencjał „masy" własnej sondy lambda jest wyższy o 0,3 lub 0,7 V od potencjału„masy" akumulatora . Jeśli sonda lambda ma doprowadzoną od sterownika „prze-suniętą 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. „Przesunięciemasy" doprowadzonej oddzielnym przewodem od sterownika do sondy lambdapozwala sterownikowi rozpoznać dwie różne sytuacje :- jeżeli wartość sygnału wysyłanego przez sondę lambda względem „masy" po-

jazdujest bliska wartości „przesunięcia masy" (np . 0,7 V) oznacza to, że sygnałwysyłany przez sondę lambda osiągnął najniższą wartość, np . wskutek zasilaniasilnika 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 jestzwarty do „masy" nadwozia samochodu .Grzałki sond mogą być zasilane dwoma podstawowymi sposobami . Pierwszy

sposób to zasilanie grzałki doprowadzone od przekaźnika pompy paliwa [50] przez


225

bezpiecznik. „Masa" grzałki sondy lambda jest stale połączona z „masą" nadwoziasamochodu. Włączenie pompy paliwowej, o czym decyduje sterownik, jest rów-noznaczne z włączeniem grzałki . Jest ona zasilana napięciem w sposób ciągły, bezmożliwości wyłączenia zasilania . Grzałka jest wykonana z elementu ceramicznego,którego rezystancja zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury. Zaraz po włącze-niu, gdy grzałka jest „zimna", płynie prąd o większym natężeniu, szybko ją na-grzewający, a wraz z upływem czasu i ze wzrostem temperatury grzałki wzrasta jejrezystancja i maleje natężenie płynącego prądu (rys . 15-9a) .

Drugi sposób zasilania polega na zasilaniu impulsowym grzałki (rys . 15-9b) . Za-silanie do grzałki sondy jest doprowadzone od przekażnika pompy paliwa przez bez-piecznik. Natomiast połączenie grzałki sondy z „masą" odbywa się przez tranzystor,którym steruje (włącza go i wyłącza) sterownik . W innych wykonaniach grzałkamoże być połączona z „masą" za pośrednictwem przekażnika włączanego przez ste-

b

0

10

20

30

40 t [s]

Ig [A]

ARys. 15-9 . Sposoby zasilania grzałki

l3

sondy lambda [50]~~

a - grzałka zasilana w sposób ciągłyTss

>

< Tss

(zmiana natężenia prądu płynącego

t.Ytw,

twy tw,

w obwodzie grzałki), b - grzałka zasilana•

< • 4 impulsoweA - okres pracy grzałki ze zwiększonąmocą, B - okres pracy grzałki ze

H

zmniejszoną mocą, TSS - okres sygnałusterującego grzałką, tw , - czas włączenia

•

zasilania grzałki, twy - czas wyłączenia0

10

20

30

40

t [s]

zasilania grzałki

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

2261


O średniej mocy grzałki, a więc o temperaturze sondy decyduje stosunek czasu włą-czenia prądu do czasu wyłączenia, który reguluje sterownik na podstawie informa-cji o wartości prądu i napięcia w okresie twł . Wartość prądu przepływającego przezgrzałkę oraz napięcia pozwala określić jej rezystancję i pośrednio temperaturę. Po-miar 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 nad-miaru powietrza ż. < 1), czy ze spalania mieszanki ubogiej (ż, > 1) . Charakterystykatakiej sondy przebiega w sposób skokowy (patrz rys . 15-6a) . Dla spalin pocho-dzących z mieszanki o współczynniku nadmiaru powietrza ż, zmieniającym się od1_00' do l+o .o' następuje gwałtowny skok potencjału elektrycznego sondy, o warto-ści do 900 mV Taka charakterystyka pozwala bardzo precyzyjnie sterować skła-dem mieszanki, tak, aby miała ona skład bliski stechiometrycznemu . Przy takimskładzie 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 ulecprzesunięciu, a stałe czasowe narastania i spadku napięcia mogą ulec wydłużeniu(rys . 15-10) . Wielkość przesunięcia charakterystyki zależy zarówno od temperaturysondy, jak i procesów starzenia elektrolitu stałego tego czujnika . Statycznym pa-rametrem oceny sondy lambda jest przesunięcie charakterystyki sondy CSD (Cha-racteristic Shift Down) . Jest to zmiana wartości współczynnika ż, odpowiadającanapięciu odniesienia U0. Napięcie to odpowiada napięciu generowanemu przezsprawną, nagrzaną sondę lambda przy spalinach z mieszanki stechiometrycznej(ż, = 1) . Jest to tzw. próg referencyjny o wartości około 0,45 V Wartość progu re-ferencyjnego nie jest średnią arytmetyczną minimalnego i maksymalnego napię-cia odpowiadającego mieszance bogatej i ubogiej, lecz stałą wartością dla danegotypu sondy. W miarę eksploatacji charakterystyka sondy przesuwa się w kierunkumieszanek ubogich (rys . 15-10) . Przy stałej wartości progu referencyjnego U0 , za-pisanej w programie sterującym, powoduje to regulację składu mieszanki w kie-runku mieszanek zubożonych, o większej zawartości tlenków azotu . Dlategoniektóre firmy dla nowych sond podają wartość napięcia referencyjnego odpo-wiadającego minimalnie wzbogaconej mieszance (np . ż. = 0,99) . Dzięki temu popewnym okresie eksploatacji i przesuwie charakterystyki wywołanej starzeniemczujnika zubożenie mieszanki jest mniejsze, niż przy wstępnym ustawieniu na-pięcia referencyjnego dla mieszanki o % = 1 . Dokładność utrzymywania wartościCSD wynosi około 0,5% ż, .

Parametry maksymalnego i minimalnego napięcia sondy nie są na ogół poda-wane . Natomiast producenci samochodów w instrukcjach serwisowych podają in-formacje, że amplituda zmian napięcia dla dwustanowej, sprawnej sondy lambdawynosi 0,7 . . .0,8 V, a dolna wartość graniczna tej amplitudy wynosi 0,5 V.

Parametrami dynamicznymi pracy sondy są czasy narastania i obniżania napięciaprzy zmianach składu mieszanki (rys. 15-10) . Czasy te powinny umożliwiać uzyska-nie 8 . . .10 cykli zmian napięcia na 10 sekund dla nagrzanej nowej sondy. Charaktery-styczne jest wydłużanie czasów reakcji sondy po pewnym okresie jej eksploatacji .


227

14 ; 16

18 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 zużytaCSD - przesunięcie wartości stosunku masy powietrza do masy paliwa AFR dla napięciaodniesienia (referencyjnego), T IL

- czas zmniejszania napięcia, TLR - czas narastania napięcia,Tc - czas trwania cyklu, UR i UL - napięcie maksymalne i minimalne odpowiadające mieszancebogatej i ubogiej, U O - napięcie odniesienia

Wartość graniczna, świadcząca o nadmiernym zużyciu sondy, to wydłużenie czasówreakcji powodujące działanie sondy z częstotliwością około 5 cykli na 10 sekund .

12

Planarna (płaska) sonda lambda

Zasada działania tych sond jest taka sama, jak sond kubkowych z elementemz dwutlenku cyrkonu. Różnica polega na zmianie konstrukcji i technologii ele-mentu pomiarowego . W tego typu sondach jest to płytka składająca się z kilkuwarstw ceramicznych (rys . 15-12) . Warstwy te, nałożone kolejno, spełniają zada-nie elektrod, elektrolitu stałego, przestrzeni z gazem odniesienia, grzałek i warstwizolujących. Gazem odniesienia jest otaczające powietrze lub tlen zamkniętyw szczelnej komorze wewnątrz sondy. Takie rozwiązanie daje konstrukcję bardziejzwartą, mniejszą i lżejszą od kubkowej . Wymaga też mniejszej mocy do nagrze-wania, ponieważ grzałka z metalu szlachetnego jest zintegrowana z niewielkimelementem pomiarowym . Czas nagrzewania wynosi około 20 s . Konstrukcja takapozwala 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 D4

8

9

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

Szerokopasmowa sonda lambdaDwustanowa sonda lambda nie pozwala na ocenę stopnia wzbogacenia lub zu-bożenia mieszanki paliwowe-powietrznej ze względu na jej płaską charaktery-stykę w zakresie wartości współczynnika ~ znacznie różniących się od 1 . Do tegocelu wykorzystuje się tzw. sondy szerokopasmowe, oznaczane symbolem UEGO(Universal Exhaust Gas Oxygen) lub LSU (Lambda Sonda Universal) . Pozwa-lają one mierzyć zawartość tlenu w spalinach pochodzących zarówno ze spalaniamieszanki bogatej, jak i ubogiej, dla % _ (0,7 . . .00), czyli dla A/F (AFM) od 11 dox. Są to czujniki tlenu zbudowane na bazie cyrkonu, z planamym elementem po-miarowym. Zewnętrznie identyfikowane są na podstawie pięciu lub więcej prze-wodów wyjściowych z czujnika. Sondy te składają się z dwóch układów :potencjometrycznego ogniwa Nernsta 7 oraz tzw. amperometrycznej pompyjonów tlenu 8 (rys . 15-13). Pompa tlenu jest to również element z elektrolitu sta-łego przewodzącego jony tlenu . Różnica w stosunku do ogniwa Nernsta polegana tym, że do elektrod 12 obejmujących element ceramiczny przykładane jest na-pięcie U (rys. 15-13) . Zmiana wartości tego napięcia powoduje zmiany w natę-żeniu przepływu jonów przez elektrolit stały, a zmiana kierunku napięciawywołuje zmianę kierunku przepływu jonów, np . jonów tlenu - stąd nazwapompy tlenowej .

W celu umożliwienia pomiaru składu mieszanek zarówno ubogich, jak i bo-gatych połączono własności pompy tlenowej 8 z klasycznym ogniwem Nernsta7 (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, którama kontakt ze spalinami poprzez otwór dolotowy 10 . W obszarze przestrzeni dy-fuzyjnej 6 znajdują się dwie porowate elektrody platynowe 12 i 13, odpowied-nio dla pompy jonów (12) i dla ogniwa Nemsta (13) . Druga elektroda ogniwaNernsta znajduje się w referencyjnym kanale powietrznym 5, połączonym z oto-czeniem. Zasada pracy tego układu polega na utrzymywaniu zawartości tlenuw komorze dyfuzyjnej 6 na stałym poziomie, odpowiadającym ilości tlenu, jaka

znajduje się w spalinach z mieszanki stechiometrycznej (~ = 1) . Takiej zawarto-ści tlenu w komorze dyfuzyjnej 6 odpowiada napięcie Uref między elektrodami13 ogniwa Nernsta 7 równe napięciu odniesienia około 0,45 V . Ponieważ do ko-mory 6 przenika różna ilość tlenu w zależności od składu spalin, pompa tlenu 8„wpompowuje" jony tlenu do przestrzeni dyfuzyjnej lub „wypompowuje" jez niej tak, by na ogniwie Nernsta utrzymać napięcie U możliwie bliskie napię-ciu zadanemu Uef Odbywa się to poprzez przyłożenie odpowiedniego napięciaU do elektrod 12 pompy 8 .

Przy zasilaniu ubogą mieszanką napięcie na ogniwie Nernsta 7 jest mniejszeod napięcia odniesienia U ef, co powoduje przyłożenie do pompy tlenu napięciaU1 „wypompowującego" tlen z przestrzeni dyfuzyjnej 6 . Przy zasilaniu mie-szanką bogatą napięcie na ogniwie Nernsta jest większe od napięcia Uef Do elek-trod pompy 8 przykładane jest napięcie U, o kierunku odwrotnym -„wpompowujące" jony tlenu do przestrzeni 6 . Napięciem tym steruje układ elek-troniczny, wykorzystujący informację o odchyłce bieżącego napięcia na ogniwieNernsta 7 od napięcia referencyjnego Uef Przemieszczanie się jonów tlenuw odpowiednim kierunku jest powodowane przez prąd sterujący I o odpowied-niej polaryzacji, generowany przez układ elektroniczny w zależności od wartościi kierunku napięcia pompowania U. W zakresie mieszanki ubogiej wzrost za-wartości tlenu w spalinach i spadek napięcia na ogniwie Nernsta powoduje przy-rost prądu sterującego Ip, a dla mieszanki bogatej prąd ten przyjmuje kierunekprzeciwny (rys . 15-14). Wartość prądu I może zatem być miarą wartości współ-czynnika i zawartości tlenu w spalinach . Ponieważ wartość prądu pompowania

4e


229

r4

1o- -'

Ip

UH

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 warstwaochronna, 10 - kanał dolotowy spalin do przegrody dyfuzyjnej, 11 - porowata przegrodadyfuzyjna, 12 - elektrody pompy tlenowej, 13 - elektrody ogniwa Nernsta

230

Czujniki elektrolityczne-rerystancljne

1

Ip [MA]

Rys. 15-14. Prąd pompowania 1-21 szerokopasmowej sondy lambda w funkcji0,7 1

2

3

współczynnika nadmiaru powietrza ń [ 111

zależy również od pola powierzchni i grubości warstwy dyfuzyjnej, temperaturyogniwa i zawartości jonów tlenu w komorze odniesienia 5, parametry te powinnybyć ustalone, aby wartość prądu pompowania zależała tylko od zawartości jonówtlenu w spalinach . Natężenie graniczne prądu pompowania wynosi :

Imax =4FDS C(0)

(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 Nem-sta jest równe napięciu referencyjnemu U, ł. (np . 450 mV), co wskazuje, że spalinyw warstwie dyfuzyjnej pochodzą z mieszanki o współczynniku - 1. W tym szcze-gólnym 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 se-kundach . Płaska budowa grzałki powoduje, że do ogrzania sondy wystarczającajest moc 10 . . .15 W.

Rys. 15-15 . Przekrój przez szerokopasmową sondę lambda [106]1 - element pomiarowy (kombinacja ogniwa Nemsta i pompy tlenu), 2 - podwójna osłonastalowa, 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

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 szerokopas-mowa sonda lambda wykorzystująca pompę tlenu . Schemat czujnika przedsta-wiono na rysunku 15-17 . Spaliny przepływają przez kanał 1 do komory dyfuzyjnejl . Przyłożenie napięcia do elektrod obejmujących elektrolit stały 1 powoduje, żejony tlenu pompowane są od anody do katody zgodnie z kierunkiem strzałki . Jestto działanie pompy tlenu . Wartość przepływającego prądu pompowania p I jest re-gulowana tak, aby w komorze dyfuzyjnej 1 ilość tlenu odpowiadała składowi ste-chiometrycznemu mieszanki paliwowe-powietrznej, tzn . aby napięcie na ogniwieNernsta 3 odpowiadało wartości referencyjnej około 0,45 V Jest to działanie sze-

Elektrolitstały 1

Komoradyfuzyjna 1 \

Kanałdyfuzyjny 1 \

Spaliny

OgniwoNernsta 3

Kanałdyfuzyjny 2

Komoradyfuzyjna 2

Elektrolitstały 2

Rodzaje i zastosox,ania czujników elektrolityczne-rezvstancyjnych

231

r'ww/wwonww'/,'""11,11r//////////%

Powietrze

1

Rys. 15-17 . Schemat czujnika tlenków azotu [94ł

232

Czujniki elektrolityczne-rerystancyjne

rokopasmowej sondy lambda . Z komory dyfuzyjnej 1 przez elektrolit 1 dyfundująjedynie jony tlenu . Niezdysocjowane tlenki azotu dyfundują poprzez kanał dyfu-zyjny 2 do komory dyfuzyjnej 2 . W tej komorze tlenki azotu dysocjują na czystyazot N z i tlen O z . Jony tlenu przenikają przez elektrolit stały 2 pomiędzy elektro-dami, do których również przyłożono napięcie . Wartość przepływającego prądu1v , zależy od zawartości tlenu powstałego z dysocjacji NO„, czyli od zawartościtlenków azotu w spalinach . Na rysunku 15-18 przedstawiono schematycznie prze-biegi prądu Ip i w funkcji zawartości tlenu i prądu Ipz w funkcji zawartości tlenkówazotu. Tego typu czujnik może być używany do kontroli sprawności działania ka-talizatora tlenków azotu .

0 2 1%1Rys. 15-18 . Charakterystyki czujnika

NO>, [%]

tlenków azotu [94]

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

Rys. 15-19 . Sonda lambdaz czujnikiem tlenu i czujnikiemtlenków azotu firmy NGK/NTKdo silnika VW FSI

Czujnik jakości powietrza w układzie przewietrzania pojazduZadaniem tego czujnika jest pomiar zawartości tlenku węgla (głównie w samocho-dach z silnikiem o zapłonie iskrowym) oraz tlenków azotu (w samochodach z silni-kiem o zapłonie samoczynnym) . Czujnik tlenku węgla mierzy zawartość w zakresie10 . . .100 ppm (parts per milion), a czujnik tlenków azotu w zakresie 0,5 . . .5 ppm. Za-sada działania polega na zmianie rezystancji grubowarstwowych rezystorów zawie-rających tlenek cyny, zachodzącej w otoczeniu tlenku węgla lub tlenku azotu . Zmianata jest znaczna i wynosi 1 . . .100 M. Czujnik tego typu przedstawiono na rysunku15-20. Osłona 2 stanowi ochronę mechaniczną. Teflonowa przepona 1 przepuszczado komory przetwornika gazy i parę wodną, a zatrzymuje wodę . Przetwornik 3 za-wiera zarówno rezystor do analizy zawartości tlenku węgla, jak i rezystor do wy-krywania tlenku azotu. Czas reakcji przetwornika jest rzędu kilku milisekund .

III

Sygnał napięciowy z czujnika przesyłany jest do sterownika . Gdy stężenieszkodliwych gazów wpływających do wnętrza pojazdu przez układ wentylacjiprzekroczy dopuszczalny poziom, sygnał napięcia osiąga wartość graniczną, a ste-rownik jakości powietrza poprzez przekaźnik uruchamia siłownik zamykającyprzesłonę wlotu powietrza do wnętrza pojazdu .

a

b


233

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

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

Czujnik wilgotnościSterownika jakości powietrza są wyposażone w czujnik wilgotności i czujnik tem-peratury wewnątrz pojazdu . Umożliwia to obliczenie punktu rosy, który ma wpływna zawilgocenie szyb samochodu. Wilgotność powietrza można zdefiniować jakozawartość 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 wod-nej, np. na szybach samochodowych . Wilgotność bezwzględna określona jest jako :

Z = m" = Mw • P- • 100%

(15.6)m.,g MSG P - P„

gdzie :m,,, - masa wody,msg - masa suchego gazu,Mw -masa cząsteczkowa wody (Mw = 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 wodnejw gazie do ciśnienia pary wodnej w punkcie rosy :

= p" • 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 znacznezmiany ich rezystancji . Rezystancja warstwy czynnej zmienia się od 1 kQ do10 MQ (rys . 15-23) . Zasadę budowy tego typu czujnika przedstawiono na rysunku15-24. Pomiędzy elektrodami 3 i 5 z metalu szlachetnego (platyny) znajduje sięizolowane podłoże 4, na które nanosi się higroskopijną sól (np . chlorek litu LICI)

a

b

k ,C% as& gloom

Rys. 15-22 . Czujniki wilgotnościa - 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

10 000

1000

100

10

1


235

Ikbbm'-Ikbbm'-20 30 40 50 60 70 80 90

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

Rys. 15-24 . Schemat warstw płytkipomiarowej czujnika wilgotności[110]1 - zanieczyszczenia,2 - polimerowi warstwa chroniącaprzed zanieczyszczeniami,3 - porowata elektroda platynowa,4 - warstwa pomiarowazmieniająca rezystancję,5 - elektroda platynowa,6-podłoże silikonowe

o konsystencji pasty. Przewodność elektryczna tej warstwy zmienia się wraz z wil-gotnością względną. Płytka pomiarowa zbudowana jest z kilku warstw, z którychzewnętrzne powinny zapewnić odpowiednią trwałość i stałość charakterystykiczujnika. Nie są to czysto rezystancyjne czujniki, ponieważ zmiany wilgotnościwywołują również zmiany pojemności warstwy aktywnej . Zmianie ulega więc im-pedancja takiego czujnika .

Zmianę rezystancji tego czujnika wywołują także wahania temperatury ze-wnętrznej . Niezbędna jest więc odpowiednia jej kompensacja . Czujnik temperatury,np. termistor typu NTC, umieszcza się możliwie blisko płytki pomiarowej . Poprzezpomiar wilgotności i temperatury powietrza można ustalić punkt rosy i np . automa-tycznie regulować nawiew powietrza na szyby . Zakres pracy tego typu czujnikówwynosi od-40° do 100°C . Stała czasowa czujnika jest stosunkowo duża i wynosi od10 do 30 s, a dokładność pomiaru jest rzędu f2% wilgotności względnej [64] .

W przypadku ciągłego pomiaru wilgotności względnej RH powyżej 90% naelementach pomiarowych może kondensować się woda, co z kolei może wprowa-dzać błąd pomiaru i wydłużać czas odpowiedzi (rys . 15-25) . Aby temu zapobiec,stosuje się wymuszony przepływ powietrza, hydrofobowe osłony osłabiające efektnasycenia, osłony chroniące czujnik przed spryskiwaniem lub podgrzewanie płytkipomiarowej. Ten ostatni sposób wymaga kalibracji czujnika w stanie nagrzanym .

Do pomiarów wilgotności w wyższych temperaturach stosowane są czujnikikonduktancyjne, mierzące wilgotność bezwzględną . Zasada pomiaru polega na wy-znaczaniu różnicy między konduktywnością gorącego suchego powietrza 1 po-

236


RH100908070605040302010

t [min]0

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

wietrza zawierającego parę wodną. Czujnik tego typu zawiera dwa termistory typuNTC w obwodzie mostka (rys . 15-26) . Termistor I jest hermetycznie zamkniętyw suchym azocie, a termistor 2 znajduje się w otaczającym czujnik środowisku .Prąd przepływający przez termistory podnosi ich temperaturę do ponad 200°C . Ilośćciepła rozproszonego przez termistor zamknięty w azocie jest większa niż przeztermistor znajdujący się w otaczającej atmosferze, ponieważ przewodność cieplnapary wodnej jest mniejsza niż suchego azotu . Ta różnica przewodności powodujeróżną temperaturę pracy termistorów i różną ich rezystancję. Różnica rezystancjijest proporcjonalna do wilgotności bezwzględnej środowiska otaczającego termis-tor 2. Jako parametr wilgotności mierzony jest spadek napięcia U na mostku po-miarowym. Kalibracja czujnika polega na umieszczeniu termistora pomiarowegow suchym powietrzu lub azocie o określonej temperaturze .

Tego typu czujniki wykazują dużą trwałość i możliwość pracy w temperaturachdo około 300°C. Dzięki stosowanym w ich konstrukcji materiałom (szkło, pół-

5 10 15

20

Rys. 15-26 . Schemat konduktancyjnego (termistorowego) czujnika wilgotności [11011 - termistor typu NTC w suchym azocie, 2 - termistor NTC w badanym otoczeniuU- sygnał wyjściowy

∎

∎-'

.RMdo p,-

.0,.0, MA M

20

Rodzaje i zastosowania czujników elektrolityczne-rerystancyjnych

237

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130AH [g/m3 ]

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

przewodniki, aluminium) są odporne na pary związków chemicznych. Mogą miećzastosowanie w monitorowaniu skuteczności reakcji w ogniwach paliwowych,gdzie produktem spalania jest para wodna. Dokładność pomiaru wilgotności bez-względnej wynosi 3 g/m3 , co odpowiada dokładności f5% wilgotności względnej .

Oprócz wilgotności mierzonej w celu sterowania jakością powietrza wewnątrzpojazdu, pomiarom podlegają także :- wilgotność w pneumatycznych układach uruchamiania hamulców (nadzorowa-

nie osuszacza powietrza),- wilgotność zewnętrzna (ostrzeganie przed oblodzeniem) .

Czujnik zawodnienia płynu hamulcowegoPodczas intensywnych, częstych lub długotrwałych hamowań temperatura zaciskówhamulcowych silnie wzrasta i może przekraczać wartość 150°C . Płyn hamulcowyznajdujący się wewnątrz zacisku musi posiadać temperaturę wrzenia wyższą od tem-peratury zacisku . Gdyby bowiem doszło do osiągnięcia przez ten płyn temperaturywrzenia i powstania korków parowych, spowodowałoby to gwałtowny zanik sił ha-mowania i zwiększone prawdopodobieństwo wypadku . W okresie eksploatacji ha-mulców temperatura wrzenia płynu obniża się . Jest to związane przede wszystkim zewzrostem zawartości wody w płynie hamulcowym (rys. 15-28). Płyn nowy nie za-wiera wody, ale w okresie eksploatacji pochłania wilgoć z otoczenia, ponieważ jegogłównym składnikiem są etery poliglikolowe, które mają własności higroskopijne .

Jedną z metod pośredniej oceny temperatury wrzenia płynu jest pomiar spadkunapięcia na sondzie umieszczonej w płynie na skutek zmian jego przewodnościi stałej dielektrycznej . Parametry te zmieniają się w zależności od zawartości wodyw płynie. Wzrost zawartości wody zwiększa przewodność elektryczną płynu . Sche-mat układu obrazujący zasadę pomiaru stopnia zawilgocenia płynu przedstawionona rysunku 15-29. Elementy R, i C2 , połączone równolegle, modelują schema-

238 Czujniki elektrolityczne-rezystancyjne

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

tycznie własności elektryczne płynu (zmianę przewodności i stałej dielektrycz-nej). Napięcie zasilania układu U ma stałą wartość . Wartością mierzoną jest spa-dek napięcia na rezystorze R, :

UY = U- Uz

(15 .8)Przy zasilaniu prądem stałym można wyznaczyć wartość napięcia U C :

UX = U && + R2

Jeżeli układ jest zasilany napięciem przemiennym, to

= U

R.li,

i

(15.9)

F 2

1

2

(15.10)

+ (2nfC2 ~

Tw pqDOT 5260

- - - DOT 4 DOT3254

249243238232227221 \215 \2102041991931881821T7171166160 • \154

•\

149 ` \

•143 •

.138 •

\132 \126 .121 \115110104 0% 1% 2% 3% H O

9993

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

u

0

0

0O


0,5

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

Rys. 15-30 . Widok przyrządu do pomiarustopnia zawodnienia płynu hamulcowegowraz z sondą pomiarową

3,0 3,5

- - - - TutelaMercedes

ShellTexaco

- - - Mobil- • - • - Organika DOT4

1,0

1,5

2,0

2,5Zawartość wody [%]

Rys. 15-31 . Wpływ zawartości wody na przewodność elektryczną płynów hamulcowych klasyDOT4 (pomiar spadku napięcia UI ) [ 33]

239

G „

240 Czujniki elektrolityczne-rezystancyjne

0 10 20 30

40

50 60Temperatura [°C1

70 80

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 mię-dzy elektrodami sondy. Powoduje to wzrost mierzonego napięcia U, co wynikaz 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 . Powodujeto bowiem zbliżenie się temperatury wrzenia płynu do niebezpiecznej granicy150°C. Badania wykazały, że metoda oceny stopnia zawodnienia płynu na pod-stawie analizy zmian jego przewodności elektrycznej nie ma charakteru uniwer-salnego, ponieważ wyniki pomiarów zależą nie tylko od zawartości wody, alerównież od rodzaju badanego płynu oraz jego temperatury (rys . 15-31 i 15-32) .Metoda ta wymaga więc znajomości rodzaju płynu stosowanego w badanym sa-mochodzie i jego charakterystyki przewodnościowej . Przyrząd pokazany na ry-sunku 15-30 ma ośmiostopniową skalę diodową oraz metryczkę z wartościamigranicznymi dla najczęściej stosowanych płynów hamulcowych .

Literatura

[1]

Bieżąca kontrola ciśnienia w ogumieniu . Auto Ekspert 10/2001 .[2] Bishop R. H . : The Mechatronics Handbook. CRC Press 2002 .[3] Body Control Systems 2005 . Materiały firmowe TRW Automotive.[4] Bolton W. : Mechatronics, Electronic Control Systems In Mechanical And Electrical

Engineering. Longman 1999 .[5]

Bucholz K . : SKF makes by-wire business case . Automotive Engineering 2/2006 .[6] Burdka M . : Oscyloskop w diagnostyce samochodowej . Auto Moto Serwis 5/2001 .[7] Burdka M . : Oscyloskop w diagnostyce samochodowej, cz. 4. Auto Moto Serwis 3/2003 .[8] Burdka M . : Oscyloskop w diagnostyce samochodowej . Poradnik Serwisowy 3, 4/2003 .[9] Chwaleba A ., Poniński M ., Siedlecki A. : Metrologia elektryczna . Warszawa, WNT 1994 .[10] Clutton B . : Peiker developing OEM Bluetooth system . Automotive Engineering 6/2005 .[11] Czujniki w pojazdach samochodowych . Warszawa, WKL 2002, Informatory techniczne Bosch .[12] De Silva C . : Control Sensors and Actuators. Prentice Hall 1989 .[13] Denton T. : Automobile Electrical And Electronic Systems . Elsevier2004.[14] Doebelin E . : Measurement Systems. McGraw-Hill 1990 .[15] (The) Electronic, Diagnostic and Driveability Resource. Wells Counter Point, April 2000, Vol.4,

Issue 2 .[16] Encyklopedia techniki. Elektronika . Praca zbiorowa,Warszawa, WNT 1983 .[17] Fabian J . : Bosch Pre-crash sensing for air bag deployment . Automotive Engineering 6/2002 .[18] Findeisen W. : Poradnik inżyniera . Automatyka . Warszawa, WNT 1973 .[19] Fodemski R . : Pomiary cieplne. Warszawa, WNT 2001 .[20] Gajek A ., Strzępek P. : Pomiar prędkości samochodu z wykorzystaniem czujnika radarowego .

Konmot Autoprogress 2004, Kraków-Zakopane 2004 .[21] Gajek A., Woś, A . : Problemy eksploatacji płynów hamulcowych . Materiały VII Konferencji

Hamulcowej, Łódź 2004 .[22] Garret P. : Układy analogowe w systemach cyfrowych . Warszawa, WNT 1981 .[23] Gilbert J . : Understanding bipolar Hall effect sensors. Allegro Micro Systems Inc .[24] Heimann B ., Gerth W., Popp K. : Mechatronika. Komponenty, metody, przykiady. Warszawa, PWN

2001 .[25] Herner A . : Elektronika w samochodzie. Wybrane układy. Warszawa, WKL 2001 .[26] Herner A . : Elektrotechnika i elektronika w pojazdach samochodowych . Warszawa, WKL 2002 .[27] Holejko K . : Precyzyjne elektroniczne pomiary odlegiości i kątów WNT 1981 .[28] Jost K . : Delphi's adaptive cruise control technology featured on Cadillac XLR .

Automotive Engineering 11/2003 .

242 Literatura

[29] Jost K. : Denso electronics aid efficiency, safety . Automotive Engineering 1/2004 .[30] Jost K. : Siemens develops color HUD for S series . Automotive Engineering 11/2003 .[31] Jost K., Trego L . : Advanced braking by Delphi . Automotive Engineering 6/2002 .[32] Jurgen R. K . : Automotive Electronics Handbook . McGraw Hill, 1994 .[33] 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 wpojazdach. 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 243

[69] System kontroli ciśnienia TSS - praktyczne wskazówki . Auto Moto Serwis 3/2003 .[70] Szumielewicz B ., Słomski B ., Tyburski W. : Pomiary elektroniczne w technice.

Warszawa, WNT 1982 .[71] Śliwiński A . : Ultradźwięki i ich zastosowanie . Warszawa, WNT 2001 .[72] Technical Information for the Collision Industry . I-CAR Advantage Online 2/2004.[73] Trzeciak K. : Diagnostyka samochodów osobowych . Warszawa, WKL 2001 .[74] Uklad stabilizacji toru jazdy ESP. Warszawa, WKL 2000, Informatory techniczne Bosch .[75] Uklady bezpieczeństwa i komfortu jazdy. Warszawa, WKL 2000, Informatory techniczne Bosch .[76] Uklady wtryskowe Unit Injector System/unit Pump System. Warszawa, WKL 2000, Informatory

techniczne Bosch .[77] Wrbanek J ., Fralick G., Hwang D . : New air-mass-flow sensor . NASA Glenn Research

Center 2003 .[78] Wróblewski A ., Zakrzewski J ., Wstęp dofizyki. Tom 1 . Warszawa, PWN 1984 .[79] Zawadzki J ., Trzeciak K . : Diagnozowanie nowoczesnych silników . Poradnik Serwisowy 2/2002 .[80] 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.com .[86] Advanced automotive accessories, backup sensors. Sigma Automotive .

www.sigmaautomotive.com .[87] Air Flow Meter (hot wire) waveform notes . Pico technology. wwwpicotech.com.[88] (The) Basics Of Fiber Optic Cable . ARC Electronics . wwwarcelect.com/jibercable.htm.[89] Cittadine A . : MEMS Reshapes Ultrasonic Sensing. wwwsensorsmag.com .[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.com .[93] Electronic Throttle Control . wwwauto-solve.com.[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 .

wwwpiezomechanik. com .[97] Hall effect sensors. Micronas Semiconductor Holding AG . wwwmicronas.com .[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 elektryczne . 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 .com.

[103] MicroChemical Systems -MiCS . Materiały i nformacyjne . wwwmicrochemical.com .[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. www.sensorsmag.com.[111] Sensors Online Magazine . wwwsensorsmag.com/articles/1201/40/main.shtm L[112] Sondas Lambda: Dioxido de Titanio Sonda de Circonio.

wwwcentras5. cnice. mecd. es/auto/Apuntes. htm .[113] (The) Strain Gauge. wwwomega .com.[114] Temperature Data logger. Advanced Instrumentation Group. wwwaigproducts.com.[115] Termoanemometr. wwwelektro.interia .pl.[116] Thermocouple application note . Pico technology. wwwpicotech.com .[117] (The) Thermocouple Effect . www.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.com .[128] Zjawisko Dopplera . Encyklopedia WIEM . wwwwiem.onet.pl.

MICHAIRINIKA v SAMOCHODOWAMechatronika samochodowa to szybko rozwijająca sięinterdyscyplinarna dziedzina techniki motoryzacyjnej, a także nowy,przyszłościowy kierunek kształcenia techników i inżynierów .Łączy w sobie elementy mechaniki, elektroniki, automatykii 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, fotoelektrycznychi elektrolityczne-rezystancyjnych ;

•

rozwiązania konstrukcyjne czujników stosowanychwe współczesnych pojazdach samochodowych .

Wydawnictwa f'-Komunikacji i L`Wz

Or vli vwwkl.com.pi

Czujniki Mechatronika Samochodowa - Andrzej Gajek, Zdzisław Juda

Documents

Transcript of Czujniki Mechatronika Samochodowa - Andrzej Gajek, Zdzisław Juda