Датчики управления двигателем автомобиля

К этой группе относятся датчик положения подвески, датчик давления воздуха в амортизаторах, активные и пассивные дверные ключи, датчик тока батареи, датчик доступа к двери без ключа, датчик скорости колеса, датчик силы торможения, датчики положения и некоторые другие (рис. 14).

3. Датчики концентрации кислорода OXYGEN SENSORS (или датчики газа Gas Sensors -- oxygen и NOx sensors).

Сегодня актуальны следующие технологии датчиков oxygen sensors и NOx sensors:

· электрически нагреваемые датчики на основе диоксида циркония ZrO₂ (датчики с диоксидом циркония ZrO₂, нагреваемые выхлопным газом, в настоящее время не актуальны);

· электрически нагреваемые планарные датчики с малой термической массой на основе керамики ZrO₂;

· электрически нагреваемые датчики на основе диоксида титана TiO₂;

· электрически нагреваемые, планарные датчики с малой термической массой, двухкамерные датчики на основе ZrO₂;

· двухкамерные датчики на основе ZrO₂.

Эти датчики определяют состав выхлопных газов, гарантируя, что он остается в пределах норм, и подают сигналы обратной связи к системам контроля двигателя -- для регулирования соотношения ТВС с целью оптимизации сгорания топлива и минимизации эмиссии.

4. Микромеханические датчики массового расхода воздуха MASS AIRFLOW SENSORS (для регулирования ТВС).

5. Датчики температуры TEMPERATURE SENSORS:

o термисторы с отрицательным или положительным температурным коэффициентом;

o резистивные датчики температуры (пленочные платиновые датчики);

o платиновые термопары;

o бесконтактные инфракрасные датчики.

Указанные датчики посылают информацию автомобильному компьютеру об окружающей температуре в различных частях автомобиля. Кроме измерения температуры в салоне, они измеряют температуру масла, воздуха, охлаждающей жидкости -- во впускном патрубке, коробке передач, на коленчатом валу и других частях автомобиля, а также детектируют присутствие или положение пассажира.

6. Датчики давления Pressure Sensors применяют следующие актуальные технологии:

o пьезорезистивные микромеханические датчики;

o пьезорезистивные поликремниевые модули на стали;

o емкостные микромеханические датчики;

o емкостные керамические модули.

Автомобильные датчики положения. Современные технологии и

новые перспективы. Актуальные классические принципы

оптоэлектроники в автоэлектронике

Последнее время в связи с появлением большого числа недорогих и надежных магнитоуправляемых ИС и, главным образом, новых магнитных энкодеров Холла инженеры, занимающиеся вопросами автоэлектроники, стали отрицательно относиться к использованию оптической технологии в таких применениях, как детектирование положения и скорости посредством оптических датчиков. Веским аргументом против оптических компонентов является их чувствительность к загрязнениям и повышенной температуре -- условиям, типичным для автомобильной среды, а также более высокая цена, если сравнивать такие компоненты с новыми угловыми энкодерами Холла.

И все-таки за пределами данных ограничений оптические датчики -- более высокоточные, чем многие электрические измерители, а кроме того, характеризуются высокой разрешающей способностью и высокой надежностью. Базовые принципы технологии разрабатывались и оттачивались многие годы, и именно оптические принципы составляют основу сегодняшних энкодеров, в том числе и магнитных.

Оптические датчики

Все известные оптические (и многие неоптические) схемы детектирования движения сводятся к двум базовым схемам, показанным на рис. 15,16 Схемы работы устройств проиллюстрированы рис. 15



Рис. 15. Базовая схема оптического детектирования движения -- прерыватель а-в -- щелевой оптический (фотоэлектрический) датчик -- оптопрерыватель (оптрон или оптопара): 1 -- корпус датчика; 2 -- светодиод; 3 -- фоточувствительный элемент (фототранзистор или фотодиод); а -- конструкция датчика: 4 -- элементы для монтажа корпуса; 5 -- терминалы для монтажа на печатной плате; б -- линейный прерыватель -- датчик линейной скорости (цифровой индикации определенного линейного положения): 4 -- линейный ротор (линейно перемещающийся элемент) с чередующимися оптически прозрачными и оптически непрозрачными участками; 5 -- терминалы для монтажа на печатной плате; в -- датчик угловой скорости (индикации определенного углового положения); 4 -- вращающийся ротор -- крыльчатка с непрозрачными лопастями; 5 -- вращающийся вал; г -- аналог оптопрерывателя -- щелевой датчик скорости Холла: 1 -- корпус датчика; 2 -- магнит; 3 -- датчик Холла (униполярный ключ); 4 -- магнитопровод; 5 -- терминалы для монтажа на печатной плате; 6 -- вращающийся ротор -- крыльчатка с лопастями из ферромагнитного материала; 7 -- вращающийся вал.

Рис. 15а-в демонстрируют принцип работы типичного щелевого оптического переключателя-оптопрерывателя, или оптрона. В пластмассовом корпусе расположены светодиод и фотодетектор, например фототранзистор, разделенные воздушным зазором в теле корпуса. Свет от светотодиода попадает на фототранзистор, который переходит в состояние насыщения. Если в зазоре появляется непрозрачный элемент -- ротор, путь света между светодиодом и фототранзистором блокируется, что вызывает переключение выхода фототранзистора к высокому уровню.

Излучающие светодиоды могут функционировать как в видимом, так и в инфракрасном спектре. Для работы датчика необходимо, чтобы конструкция корпуса и ширина элементов ротора обеспечивали чередование светопередачи и перекрытия оптического канала. Существенно уменьшить ширину оптических кодовых элементов и повысить разрешение устройства позволяют лазерные диоды. Расстояние от датчика до детектируемого объекта в пределах ширины рабочего зазора несущественно, но если необходим больший рабочий диапазон, также применяются лазерные светодиоды.

Щелевые оптопрерыватели широко используются для детектирования скорости двигателя, на валу которого размещен ротор, периодически блокирующий оптический канал, но в автоэлектронике их применение ограничено чувствительностью к загрязнениям и температурам (обычно 80 °C). Необходимо отметить, что некоторые современные устройства, например инфракрасные диоды и фототранзисторы Honeywell, работают и при температурах до 125 °C.

В значительной степени проблему также решает интерпретация схемы прерывателя на основе датчика Холла (рис. 16г), но, в отличие от оптопрерывателя, к размерам крыльчатки предъявляются требования минимальной ширины лопасти, что в свою очередь ограничивает пространственное разрешение датчика.

Рис. 16. Оптический (фотоэлектрический) датчик рефлективного типа 1 -- корпус датчика; 2 -- светодиод; 3 -- фоточувствительный элемент (фототранзистор или фотодиод); 4 -- терминалы для монтажа на печатной плате; а -- конструкция датчика; б -- датчик линейной скорости (индикации определенного линейного положения): 5 -- линейный ротор с чередующимися участками с высокой отражательной способностью и низкой отражательной способностью (оптически прозрачными); в -- датчик угловой скорости (индикации определенного углового положения); 5 -- вращающийся ротор -- крыльчатка с чередующимися участками с высокой отражательной способностью и низкой отражательной способностью (оптически прозрачными); 6 -- вращающийся вал; г -- датчик угловой скорости со специальной конструкцией ротора: 5 -- вращающийся ротор с низкой отражательной способностью фона (черного цвета); 6 -- чередующиеся полосы ротора с высокой отражательной способностью; 7 -- вращающийся вал.

На рис. 16а-г проиллюстрирована работа рефлективного оптического датчика, который функционирует аналогично, но конструктивно отличается тем, что фототранзистор в рефлективном датчике переключается светом, отраженным от детектируемой поверхности.

Светодиод и фототранзистор рефлективного датчика расположены с одной стороны поверхности детектируемого объекта. Рефлективные датчики обеспечивают большую гибкость монтажа, но характеризуются фокусным расстоянием (оптимальным расстоянием от датчика до детектируемого объекта), на котором он должен быть помещен (обычно в пределах 2,54-12,7 мм) и относительно которого варьируется рабочий диапазон устройства.

При конструировании рефлективного датчика важнейшим требованием к детектируемой поверхности является ее отражательная способность и качество отражения. Например, для задач детектирования скорости цвет вала двигателя и ротора выбирается черный (рис. 16г), тогда полосы отражающего материала на валу обеспечивают периодическое переключение датчика.

Луч, отраженный от стандартной поверхности, не сфокусирован и представляет собой усеченный конус с основанием на рефлективной поверхности, образованным отражаемым коническим световым пучком светодиода, что не позволяет с высокой точностью обнаруживать малые отражающие объекты, и ограничивает пространственное разрешение датчика. Для того чтобы уменьшить диаметр отражаемого луча, в качестве источников света применяются лазерные светодиоды, а для фокусировки луча на его пути от светодиода к фотодетектору в датчик встраиваются линзы.

Производным от рефлективного типа датчиков является волоконно-оптический датчик перемещения, содержащий две группы волоконной оптики: передающие волокна, подключенные к источнику света, и принимающие сигнал волокна, которые подсоединены к фотодетектору (фотодиоду) и объединены в одном корпусе. Свет от источника передается через оптоволокна на поверхность цели и отражается обратно, часть отраженного света улавливается принимающими оптоволокнами и попадает на фотодетектор, регистрирующий интенсивность отражения, которая представляет собой нелинейную функцию свойств поверхности и расстояния до цели. Этот тип датчиков может потребовать периодической калибровки.

Рефлективные датчики используются во многих сферах -- в промышленности или компьютерах (датчики для компьютерных мышей). В автоэлектронике данный тип устройств применяется достаточно широко -- например, для контроля положения пассажира, в датчиках дождя и в энкодерах, а кроме того, становится базовой схемой, интересной для преобразования измерительных концепций по отношению к другим типам датчиков.

Особенности схемотехники оптических устройств

Оптический датчик -- это устройство, измеряющее интенсивность электромагнитных волн в диапазоне от ультрафиолетового до близкого к инфракрасному.

Свет представляет собой пучок дискретных фотонов, каждый из них является носителем кванта энергии, зависящей от источника света.

При взаимодействии с атомами кремния фотоны, в зависимости от длины волны (что эквивалентно количеству энергии), увеличивают проводимость фотодиода. В нем при смещении генерируется электрический ток, и его можно измерить.

С физической точки зрения базовое измерительное устройство -- это именно фотодиод, который при объединении с функциональной электроникой будет представлять собой пиксель (pixel -- PIcture ELement).

Другой базовый тип фотодетектора -- фототранзистор, под действием света он функционирует аналогично, но обеспечивает переключаемый логический выход.

Фотодиоды и фототранзисторы закладываются в линейные оптические массивы, CMOS-камеры.

Промышленностью (Optek, Vishay и др.) выпускаются также готовые щелевые и рефлективные датчики. Стоимость обоих типов менее $1, причем щелевые датчики дешевле. Могут использоваться и дискретные оптические эмиттеры/ресиверы -- светодиоды и фоточувствительные элементы -- фототранзисторы, фотодиоды, а также фототиристоры.

Щелевые и рефлективные датчики (а также оптоизоляторы¹) функционируют одинаково с идентичными характеристиками, важнейшей из которых является коэффициент передачи тока.

Поскольку фототранзистор, при воздействии светового луча переходящий в состояние насыщения, обеспечивает готовый цифровой выход, в большинстве коммерчески доступных оптопрерывателей и рефлективных датчиков используется именно данный тип фотоэлектрического преобразователя. Для включения датчика во внешнюю цифровую схему потребуется только токоограничивающий резистор в цепи светодиода и внешний резистор между плюсом питания и выходом транзисторного ключа (рис. 17а).

Рис. 17. Типичные принципиальные электрические схемы для включения оптопрерывателя и рефлектора а-- схема на основе фототранзистора с цифровым выходом; б-- схема на основе фотодиода с аналоговым импульсным выходом; в-- схема на основе фотодиода с цифровым импульсным выходом; VD1 -- светодиод; VD2 -- фотодиод; VT1 -- фототранзистор, R1, R2 -- токоограничивающие резисторы.

Пара «светодиод-фототранзистор» характеризуется усилением менее 1. Сумма выходного тока коллектора фототранзистора, отнесенная к величине входного тока светодиода, называется коэффициентом передачи тока (КПТ, или CTR -- Current transmission ratio). Типичный ток светодиода 10-20 мА с типичным CTR щелевого переключателя порядка 0,1 соответствует 1-2 мА выходного тока коллектора.

КПТ зависит от характеристик светодиода и фототранзистора и различен для оптических датчиков в широких пределах, поэтому значение резистора R2 должно гарантировать насыщение фототранзистора и стекание тока, достаточного для получения действительных амплитуд логических уровней при подключении оптического датчика к микроконтроллеру. Например, при токе светодиода 10мА и КПТ=0,1 значение резистора R2 должно быть выбрано приближенно равным 5 кОм. (Меньшее значение допустимо для оптического переключателя с высоким КПТ или с большим током светодиода и будет обеспечивать лучшую шумовую устойчивость (меньший импеданс) и более высокую скорость переключения.)

Скорость переключения фототранзистора в любом оптическом датчике довольно медленная, что ограничивает максимальную детектируемую скорость устройства и должно учитываться программой, считывающей выход датчика. Типичные значения времени включения (перехода в состояние насыщения) -- 8 мс, времени выключения -- 50 мс.

Рефлективные датчики также характеризуются КПТ, который в отличие от оптопрерывателей не постоянен и зависит от силы отраженного света, типа поверхности и расстояния от поверхности до датчика. КПТ рефлективного датчика специфицируется производителем со стандартной белой рефлективной поверхностью, помещенной на фокусном расстоянии от датчика. В реальном проекте вычисляется или измеряется фактический КПТ.

Поскольку КПТ рефлективного оптического датчика варьируется в широком диапазоне, аналоговый выход (рис. 17б) может быть более предпочтительным, поскольку пользователю предоставляется возможность самостоятельно подсоединять выход датчика к АЦП и программно отслеживать изменения в выходном уровне сигнала, что, как показано далее, полезно и для интерполяции сигналов инкрементальных энкодеров, но в этом случае необходимо больше времени для выборки АЦП.

Датчики рефлективного типа в большей степени подвержены воздействию механической нестабильности системы. К примеру, при вибрации, если остановка ротора соответствует краю отражающей полосы в рабочей области датчика, рефлективный датчик непрерывно генерирует прерывания. В аналогичной ситуации с щелевым датчиком получение неоднозначного выхода при частичном затемнении фототранзистора позволяет избежать гистерезис в схеме компаратора, но рефлективный датчик потребует дополнительных аппаратных и программных средств. Для обнаружения необычных условий программа может иметь таймер, отслеживающий время между прерываниями, при несогласовании которого подпрограмма обслуживания прерываний может их игнорировать.

Для правильности и безопасности системы необходима и гарантия того, что сбойные датчики будут локализованы. Так, сбойный или отсоединенный светодиод позволяет фототранзистору предоставлять системе информацию об остановке двигателя, закрытом капоте или двери. Ту же самую информацию может предоставлять засоренный фототранзистор.

Первый способ решения проблемы -- применение двух датчиков с инверсными выходами. Один из них блокируется при открытом капоте, второй -- при закрытом. Одновременно анализируется состояние двух датчиков, которые для верификации состояния или функциональности системы должны оба находиться в правильном состоянии.

Метод обнаружения отсоединенного светодиода -- определение напряжения на аноде светодиода. Когда светодиод включен, падение напряжения, определяемое компаратором, составит около 1,2 В (типично), и выход компаратора будет высоким. Если светодиод открывается, напряжение на аноде возрастет до Ucc (более 3 В).

Для детектирования сбойных условий закорачивания можно добавить второй компаратор. Опорное напряжение в этом случае выбирается порядка 0,6 В, программное обеспечение объявляет ошибку, если напряжение падает ниже опорного.

Оптические энкодеры

Угловые оптические энкодеры

Принципы работы угловых энкодеров проиллюстрированы рис. 18, 19.

Рис. 18. Инкрементальный энкодер -- датчик относительного положения, скорости и направления а-б -- угловой инкрементальный энкодер; в -- конструкция измерительной головки: 1 -- корпус датчика; 2 -- светодиод -- источник света для инкрементальных каналов А и Б; 3, 4 -- ординарные фотодетекторы (фототранзисторы или фотодиоды); 5 -- светодиод -- источник света для индексного канала; 6 -- фотодетектор индексной метки; 7 -- терминалы для монтажа на печатной плате; 8 -- элементы для монтажа корпуса; 9 -- 4-битный (2⁴ = 16 положений) перфорированный ротор с прорезями; 10 -- прорези для инкрементальных каналов; 11 -- прорезь -- индексная метка; 12 -- вращающийся вал; г -- вариант исполнения 4-битного инкрементального ротора из стекла; д-е -- варианты сигналов инкрементального энкодера: д -- цифровой инкрементальный энкодер (инкрементальные каналы А и Б, индексный выход В фототранзисторов, канал скорости);

Угловой оптический энкодер состоит из тонкого оптического диска и стационарного блока -- измерительной головки, включающей источник света и фотодетектор. Измерительная головка может быть построена как по принципу прерывателя, так и рефлектора, но прерыватель проще реализуется и используется чаще.

Оптический диск прерываемого энкодера включает кодированную последовательность прозрачных и непрозрачных участков. Маркеры могут представлять собой, например, отверстия в металлическом листе или метки на стеклянном диске. При вращении диска, в зависимости от его типа, маркеры пропускают или перекрывают луч света, направленный от светового источника к фотоприемнику (фотодиоду или фототранзистору).

Фотодетектор генерирует сигнал частотой, равной частоте следования кодовых элементов, в цифровой форме (фототранзистор) или аналоговый импульсный сигнал, который также может быть усилен и оцифрован. При подключении внешнего счетчика прямоугольных импульсов оптический метод позволяет измерять угловую скорость вращения диска. Посредством нанесения специальной индексной отметки, индицирующей начальное положение диска, уже можно измерять относительное угловое положение вала в диапазоне 360° (рис. 18). Этот тип датчиков представляет собой так называемые инкрементальные энкодеры -- самые простые и наименее дорогие оптические устройства.

При добавлении второй пары «светодиод-фототранзистор» с угловым смещением относительно первой, соответствующим четверти периода сигнала, может быть получена вторая последовательность импульсов -- канал Б с фазовым смещением относительно канала А на 90° (рис. 19д-ж). Инкрементальный энкодер, который использует три оптических датчика (один для детектирования положения фазы 0° -- канал В, два других -- для формирования инкрементальных каналов с фазовым смещением сигналов в 90°), позволяет одновременно удваивать разрешение при измерении положения и скорости и детектировать направление.

Разрешение инкрементальных энкодеров измеряется в импульсах за оборот (pulses per revolution, ppr). В дальнейшем разрешение может быть увеличено посредством нанесения большего числа линий на оптический диск и добавления пар «светодиод-фотодетектор» в измерительной головке. Максимальное число счетов за вращение представляет собой функцию диаметра энкодерного диска и характеристик светопередачи, определяющих допустимый размер кодовых элементов.

Существуют различные способы нанесения маркеров на оптический диск. В ранних системах чаще использовались металлические диски с перфорацией (рис. 18а-б), но максимальная площадь отверстий для повышения разрешающей способности и точности датчика ограничена -- должно оставаться некоторое количество материала, обеспечивающее форму и прочность диска. Современные диски изготавливаются из стекла, маркеры на котором вытравливаются (рис. 18г, рис. 19г). Этот метод позволяет получить типично 100-6000 сегментов, что соответствует разрешению в 3,6-0,06°.

Одним из главных недостатков инкрементального энкодера является то, что последовательность импульсов запасается во внешнем буфере или счетчике. При сбое в подаче питания счет будет потерян. Кроме того, если машина с инкрементальным энкодером предполагает отключение на ночь, то на следующий день энкодер не сможет предоставить информацию о точном положении вала, пока не будет активирован внешний переключатель (home-detection switch) или программа подключения, вращающая вал до прохождения индексной отметки, которая затем каждый раз обнуляет буфер счетчика, начиная отсчет относительного положения.

Решение данной проблемы предоставляют абсолютные энкодеры (рис. 19), которые используют более точный метод определения положения, основанный на кодировании абсолютного положения посредством множественных групп сегментов, размещенных на диске по линиям концентрических окружностей.



Рис. 19. Абсолютный энкодер -- датчик абсолютного положения и скорости а-б -- 4-битный угловой абсолютный энкодер; в -- конструкция измерительной головки: 1 -- корпус датчика; 2 -- массив светодиодов; 3 -- массив фотодетекторов (фототранзисторов или фотодиодов); 4 -- терминалы измерительной головки; 5 -- 4-битный ротор с кодом Грэя; 6 -- вращающийся вал; г -- вариант исполнения 4-битного абсолютного ротора с двоичным кодом из стекла; д -- выходной цифровой код двоичного абсолютного энкодера; е, ж -- линейный 4-битный абсолютный энкодер с двоичным кодированием и оцениванием посредством V-выборки; 1 -- корпус измерительной головки; 2 -- измерительная линейка; 3 -- массив фотодетекторов V-выборки; е -- оценивание посредством V-выборки: AB₀, A₁…A₄, B₁…B₄ -- фотодетекторы в составе двух линеек V-выборки (выбираемые для оценивания подсвечены желтым); ж -- иллюстрация линейного абсолютного энкодера.

Концентрические окружности начинаются в центре энкодерного диска, при этом каждая следующая окружность характеризуется количеством сегментов, удвоенным по сравнению с предыдущей. Первое кольцо будет иметь только один прозрачный и один непрозрачный сегмент, второе -- два прозрачных и два непрозрачных, третье -- по четыре тех и других и т. д. Число окружностей определяет разрядность энкодера: 4 окружности соответствуют 4-разрядному энкодеру (2⁴ = 16 положений), 16 -- 16-разрядному устройству с 32 767 сегментами и угловыми положениями.

Для считывания двоичного кода посредством абсолютного энкодера необходим один источник света и один фотоприемник для каждой линии на энкодерном диске. В измерительной головке светодиоды и, что более важно, фотодетекторы объединяются в линейные массивы (рис. 19в).

Поскольку абсолютный энкодер образует последовательность битов, различную для каждого углового положения, он всегда предоставляет информацию об угловом положении системы, при включении и выключении не нуждается в переключателе нулевого положения и программе подключения и более устойчив к шумам, так как следующее за сбойным положение будет прочитано правильно.

В энкодере на рис. 19а-б четыре оптических датчика детектируют маркеры диска с четырехбитным кодом Грэя, который позволяет закодировать 16 положений диска без опорной отметки: для каждого перехода сигнал изменяется только на один бит. Код Грея характеризуется отсутствием ошибок, но его недостаток -- применение различных схем кодирования, более сложное оценивание сигналов и неоднозначность сигнала при неожиданном сбросе.

Другой вариант -- использование стандартного бинарного (двоичного) кода, но на практике этот тип энкодеров имеет один недостаток: при переходе от 1111 к 0000 все четыре бита изменяются одновременно, и если переход в реальной системе выполнен не одновременно, это может приводить к ошибкам.

Для минимизации ошибок в двоичном коде предназначена так называемая V-выборка, принцип которой для диска, развернутого в прямую линию, проиллюстрирован на рис. 19е. Две линейки светодиодов и фотодетекторов размещаются в V-образной форме, для которой фотодетектор AB₀ является общим. Для оценки V-выборки разработан специальный алгоритм, согласно которому логическое значение «0» или «1» для данного положения детектора, выбранного в линии i, определяет, какой детектор -- «B» или «A» -- должен быть активирован в линии (i+1). Если AB₀ соответствует логическая «1», во второй линии анализируется A₁, если AB₀ соответствует логический «0», анализируется B₁. Поскольку A₁ на рис. 19е -- «0», в линии 3 берется детектор B₂. Последовательность выбранных фотодетекторов на рис. 19е подсвечена желтым цветом.

Многооборотные угловые энкодеры

Преимуществом абсолютного энкодера является то, что частота вращения может быть понижена до одного оборота энкодерного диска в течение полного углового пути машины. Это позволяет с повышенной точностью детектировать реальные угловые перемещения менее 360°. Если же требуется отслеживать угловые перемещения более 360° -- например, в несколько полных оборотов вала, применяется многооборотный угловой энкодер, который обычно представляет собой несколько энкодерных дисков, соединенных между собой цепочкой передач. Данный принцип проиллюстрирован рис. 78. Для грубой оценки вращения -- подсчета числа оборотов -- используется малый энкодер, в пределах которого положение отслеживает более точно 4-битный энкодер. Малый энкодер совершает только одно вращение, например, за 2000°, преодолеваемых большим энкодером. Для дальнейшего повышения точности оценки число энкодеров может быть увеличено.

Рис. 20. Многооборотный абсолютный энкодер а -- конструкция: 1 -- корпус датчика положения в пределах 360°; 2 -- массив светодиодов; 3 -- массив фотодетекторов; 4 -- 4-битный ротор с двоичным кодом; 5 -- вращающийся вал; 6 -- редуктор; 7 -- 2-битный ротор с двоичным кодом; 8 -- измерительная головка -- счетчик числа оборотов; б-в -- сравнение принципов функционирования однооборотного и многооборотного энкодера: б -- однооборотный энкодер; в -- многооборотный энкодер.

Метод интерферометрии Муара

Метод интерферометрии Муара применяется для измерения положения в пределах значительных линейных расстояний -- от нескольких сантиметров до нескольких метров. Технология, реализованная, например, немецкой фирмой Heidenhain, использует длинные перемещающиеся стеклянные пластины с очень тонкими линиями, выполненными методами микроструктурирования с малым постоянным периодом C. Свет проникает сквозь щели пластины, остальная поверхность которой металлизирована (рис. 20, 21).

Рис. 21. Инкрементальный линейный энкодер на основе интерферометрии Муара а-- конструкция: 1-- подвижная стеклянная пластина; 2-- лампа; 3-- линза; 4-- неподвижная пластина с прорезями 5; 6-- массив инкрементальных фотодетекторов смещенных синусоидальных сигналов; 7-- массив фотодетекторов индексной отметки; б-- принцип работы устройства

Измерительная головка датчика включает источник света, которым в отличие от лазерного интерферометра может быть любая лампа, чей свет проникает сквозь прорези малой фиксированной пластины-коллиматора, размещенной между лампой и подвижной пластиной (рис. 79а). Период прорезей и период линий подвижной пластины C согласованы (рис. 20б). Фотодетекторы, размещенные с другой стороны стеклянной пластины, определяют светопередачу устройства.

При движении измерительной линейки и достижении фазового совпадения прорезей неподвижной пластины с подвижной обеспечивается максимально высокая светопередача, в противофазе фотодетектор полностью затемнен, а между этими точками сигнал фототока детектора представляет собой синусоидальную функцию:

Для определения положения в инкрементальной системе используются 5 фотодетекторов (или массивов фотодетекторов), предоставляющих 4 синусоидальных сигнала каждый и один индексный сигнал (рис. 20в). Четыре решетки в пластине измерительной головки с одинаковым периодом C сдвинуты на 1/4 периода так, что синусоидальные сигналы также сдвинуты по фазе на 1/4 периода.

Разрешение данной системы составляет 1/4 периода C (2,5 мкм для C = 10 мкм), увеличение которого до <0,5 мкм возможно посредством интерполяции.

Дифференциальные синусно-косинусные сигналы с фазовым смещением в 90°, полученные при взаимном вычитании сигналов фотодетекторов, позволяют определять направление движения. Поскольку сигналы имеют точку нулевой передачи, они легко оцифровываются.

Инкрементальные интерферометрические измерители позволяют детектировать расстояния до 30 м с шагами до 0,1 мкм.

На основе принципа интерферометрии Муара может быть создан и абсолютный энкодер, позволяющий получить информацию об абсолютном положении (рис. 22).

Рис. 22. Абсолютный линейный энкодер на основе интерферометрии Муара 1 -- подвижная стеклянная пластина со строками линий с различными периодами C0-C6; 2 -- лампа; 3 -- линза; 4 -- неподвижная пластина со строковыми прорезями; 5 -- массив строковых фотодетекторов (для формирования четырех смещенных синусоидальных сигналов в строке).

В конструкции абсолютного энкодера каждая строка подвижной стеклянной пластины характеризуется различным периодом линий, размещенных в соответствии со специальным алгоритмом. Каждой строке соответствует четыре фиксированных набора прорезей неподвижной платы, позволяющих получить в каждой строке 4 смещенных сигнала, отслеживаемых массивом фотодетекторов.

Метод интерферометрии Муара предоставляет возможность реализовать измерение абсолютного положения с шагами порядка 0,1 мкм в пределах длины до 3 м.

Методы линейной интерферометрии могут быть преобразованы также для детектирования углового положения.

Оптические энкодеры в автоэлектронике

Угловые оптические энкодеры могут быть эффективно использованы в автоэлектронике как датчики цифровых систем обратной связи с двигателем или как цифровые элементы контроля скорости, положения, крутящего момента.

Ограничения при использовании оптических технологий в автоэлектронике требуют минимизации факторов воздействия загрязнений. Для автомобильных условий будут приемлемы уплотненные исполнения устройства, в корпусе которого размещается и измерительная головка, и оптический диск или линейка.

Для компенсации производственных допусков оптические энкодеры часто нуждаются в подстройке потенциометром. Если абсолютные энкодеры выполняются на основе пикселей, то для компенсации старения светодиода может потребоваться периодическая калибровка.

Другие недостатки оптоэлектронных устройств -- рабочий температурный диапазон и подверженность оптических дисков и волоконно-оптических соединений сильным ударным воздействиям. Поскольку в автоэлектронике большинство датчиков положения работает в условиях повышенных температур, вибраций или ударов, оптоэлектроника более подходит для систем с менее жестким режимом, например, положения педали акселератора или тормоза, рулевого управления или линейных систем -- детектирования положения сиденья или подвески. Оптические энкодеры находят применение как цифровые элементы управления приборной панели: для систем климат-контроля, контроля зеркал, аудиоконтроля, контроля солнечного люка.

Некоторые примеры разработок оптических датчиков для автоэлектроники содержатся в описаниях патентов.

Магнитостриктивные преобразователи - актуальные измерители линейных и нелинейных перемещений и детекторы крутящего момента

В последние годы интерес многих автомобильных производителей и инженеров-разработчиков вызывают магнитостриктивные датчики, применение которых в автоэлектронике и промышленности обычно связано с предоставляемой ими возможностью детектирования значительных линейных перемещений. Линейные датчики обычно отличаются значительной длиной (потенциометры, LVDT, энкодеры). За исключением потенциометров, реализация многих линейных систем связана также с важнейшим конструктивным ограничением, которым является значительная длина цели и, следовательно, цена. Уменьшение длины цели накладывает сопутствующие функциональные ограничения, такие как компромисс измерительного диапазона и разрешения (датчики Холла и некоторые другие известные концепции индуктивных, емкостных, оптических преобразователей и т.д).

Теория магнитостриктивных датчиков

Магнитострикция -- это свойство некоторых кристаллических, обычно ферромагнитных материалов, таких как железо, никель и кобальт, изменять размер и (или) форму при взаимодействии с внешним магнитным полем. Явление изменения размера и формы материала в магнитном поле представляет собой магнитостриктивный эффект.

Явление магнитострикции было открыто Дж. Джоулем в 1842 году. Наибольших значений магнитострикция достигает в ферро и ферримагнетиках (Fe, Ni, Со, Gd, Tb и других, а также ряде сплавов и ферритах). Эта характеристика материала не изменяется со временем.

Считается, что материал характеризуется положительной магнитострикцией, если он расширяется при помещении в магнитное поле, и отрицательной магнитострикцией, если размеры материала уменьшаются. Средняя величина магнитострикции в основных металлах и простых магнитострикционных сплавах небольшая -- порядка 1 мкм/м.

Рис. 23. Иллюстрация теории и принципа действия магнитостриктивных преобразователей: а, б -- иллюстрация магнитостриктивного эффекта в ферромагнитном стержне под действием внешнего магнитного поля B: а -- хаотичное распределение магнитных моментов доменов в отсутствие поля; б -- упорядочение магнитных моментов доменов при намагничивании внешним полем; L₀ -- начальная длина стержня при B = 0; ДL-- удлинение при намагничивании; в, г-- иллюстрация магнитостриктивного эффекта в ферромагнитном проводнике с током I; в-- распределение магнитных моментов доменов под действием магнитного поля тока B; г-- скручивание магнитных моментов доменов под действием аксиального магнитного поля: 1-- доменный стержень; 2-- аксиальный постоянный магнит; д-- измерительный принцип магнитостриктивных датчиков MTS: 1-- волновод; 2-- постоянный магнит-цель; 3-- измерительная лента; 4-- сенсорная обмотка; 5-- постоянный магнит, смещающий обмотку; 6-- изоляционная трубка; 7-- демпфер; I-- импульсный ток; B-- скручивающий импульс (направление распространения импульса показано стрелками); е-- типичный магнитостриктивный датчик абсолютного линейного положения: 1-- сенсорный стержень (волновод в защитной трубке); 2-- постоянный магнит-цель; 3-- электронный блок -- магнитостриктивный датчик и интегрированная электроника обработки сигнала в корпусе; 4-- терминалы преобразователя; 5-- элемент крепления устройства

Для того чтобы объяснить явление магнитострикции, ферромагнитный материал рассматривается как физическая совокупность доменов -- областей из многих атомов -- малых постоянных магнитов, характеризующихся магнитными моментами. В отсутствие магнитного поля магнитные моменты доменов в пространстве располагаются хаотично. При намагничивании материала домены выстраиваются вдоль своих легких осей намагниченности так, что магнитные моменты стремятся к параллельности друг другу и внешнему магнитному полю (рис. 23а, б).

На рис. 23б показано, что напряженность магнитного поля H при B>0 вызывает изменение размеров тела (длины стержня L₀) вследствие выравнивания магнитных моментов доменов.

Таким образом, магнитостриктивные материалы преобразуют магнитную энергию в механическую, и наоборот. Намагничивание вызывает механическое напряжение магнитостриктивного материала, которое и приводит к изменению длины.

Поскольку приложение магнитного поля вызывает механическое напряжение, которое изменяет физические свойства магнитостриктивного материала, существует и обратный магнитостриктивный эффект, называемый эффектом Виллари: приложение внешней силы, образующей напряжение в магнитостриктивном материале (растяжение, кручение, изгиб и т. д.), изменяет магнитные свойства (магнитную проницаемость) материала.

Это двунаправленное сочетание магнитных и механических свойств обеспечивает преобразовательную способность и используется для создания как магнитостриктивных датчиков, так и исполнительных устройств.

Для создания магнитостриктивных датчиков положения применяются и прямой магнитостриктивный эффект, и эффект Виллари.

Магнитостриктивный эффект, представляющий собой взаимодействие внешнего магнитного поля с доменами, зависит от свойств материала -- состава и способов обработки сплава (термического отжига, холодной обработки), а также от напряженности магнитного поля. Управление упорядочением доменов может быть оптимизировано правильным подбором перечисленных свойств и параметров.

Ферромагнитные материалы, используемые в магнитостриктивных датчиках положения, -- это переходные металлы: никель, железо, кобальт. В переходных металлах третья электронная оболочка, удаленная от ядра, не заполнена на 100%, что допускает образование магнитного момента электрона. Магнитное поле вызывает изменение энергетического состояния электронов и увеличение расстояний между узлами в кристаллической решетке. Для того чтобы возвратить состояние низкой энергии электронов на поверхности, в кристалле возникает механическое напряжение.

Для создания датчиков линейного положения на основе проводов с током, изготовленных из магнитостриктивного материала, используется обусловленный магнитострикцией эффект Видемана -- механическое закручивание ферромагнитного магнитостриктивного стержня с протекающим вдоль стержня электрическим током при одновременном действии на него кругового магнитного поля, созданного током, и продольного (спирального) магнитного поля (рис. 23 в, г).

На рис. 23г проиллюстрирован эффект Видемана, который состоит в скручивании вследствие аксиального магнитного поля, приложенного к ферромагнитному стержню, по которому протекает электрический ток.

Известен также эффект, обратный эффекту Видемана, -- эффект Матисси (Matteucci), сходный с эффектом Виллари. Он состоит в создании магнитного поля, когда материал подвержен крутящему моменту.

На практике способность магнитостриктивных материалов преобразовывать механическую энергию в магнитную используется в датчиках крутящего момента, а способность преобразовывать магнитную энергию в механическую делает их подходящими для создания исполнительных устройств.

Если к магнитостриктивному стержню приложить импульс тока короткой длительности в 1 или 2 мкс, будет получено скручивание в месте локализации аксиального магнитного поля, обычно от постоянного магнита, вследствие взаимодействия магнитного поля магнита с полем тока в стержне. Минимальная плотность тока наблюдается вдоль центра проводов, максимальная (вследствие скин-эффекта) -- на поверхности проводов. Интенсивность магнитного поля также наибольшая на поверхности проводов. Поскольку к стержню прикладывается импульсный ток, механические скручивания распространяются в стержне, вызывая ультразвуковую волну, для которой магнитостриктивный стержень является волноводом. Скорость распространения волны составляет приблизительно 3000 м/с.

Принцип действия магнитостриктивного датчика линейного положения проиллюстрирован рис. 23г, д.

Аксиальное магнитное поле обеспечивается целью -- постоянным магнитом, связанным с детектируемым объектом, например, гидравлическим цилиндром. Положение цели изменяется и детектируется.

Волновод представляет собой стационарную часть датчика, размещенную внутри корпусазащитной изоляционной трубки, изолирующей волновод (экранирующей) от внешней среды. Присутствие магнита определяется при первом приложении токового импульса к волноводу, поскольку благодаря возникающему в стержне эффекту Видемана отраженная волна достигает импульсного измерительного блока в концевой части волновода. Для точного измерения положения момент подачи токового импульса регистрируется микроконтроллером, который включает таймер до момента регистрации датчиком отраженного импульса, после чего микроконтроллер выключает таймер. Зафиксированное таймером время распространения волны на известной скорости соответствует расстоянию между магнитом и датчиком, или абсолютному положению магнита.

На рис. 83д показан индуктивный импульсный измеритель в сенсорном блоке датчика, который функционирует на основе эффекта Виллари. В индуктивном измерителе лента из магнитостриктивного материала приваривается к волноводу близ одного его конца. Магнитостриктивная лента является сердечником для обмотки, смещаемой постоянным магнитом. Ультразвуковая волна распространяется, достигая окончания ленты, и механическое напряжение, наводимое в ленте волной, вызывает волну изменения магнитной проницаемости ленты -- эффект Виллари, что приводит к изменению в плотности магнитного потока обмотки и образованию импульса выходного напряжения на терминалах обмотки (эффект Фарадея).

В качестве детектора ультразвуковой волны может быть использован и любой другой подходящий тип измерителя -- например, пьезоэлектрический, пьезорезистивный или емкостной датчик, а также другие конфигурации. Так, компания MTS Temposonics использует индуктивные измерители, показанные на рис. 25д, а компания Spinix на основе комбинации магнитостриктивных и пьезоэлектрических преобразователей разработала линейку пассивных регистраторов импульсного магнитного поля PSSM -- датчиков скорости, тока и расхода.

Ультразвуковая волна распространяется также и в противоположном направлении. Для того чтобы избежать интерференции сигнала с волнами, распространяющимися в противоположном направлении, их энергия абсорбируется демпфером (рис. 25д).

Внешний вид типичного магнитостриктивного преобразователя, известного также как MLDT (magnetostrictive linear displacement transducers), показан на рис. 25е. Подвижный элемент MLDT-- постоянный магнит -- создает скручивающий импульс в металлическом волноводе с импульсным током. Импульс тока, сгенерированный в сенсорном блоке, перемещается по волноводу на известной скорости до цели и обратно к волновому детектору. Измеряя время отклика, MLDT образует выход, пропорциональный положению магнита относительно детектора¹.

Магнитостриктивные датчики в автоэлектронике

В последние годы увеличивается спрос на магнитостриктивные преобразователи в автоэлектронике. Основное применение автомобильные магнитостриктивные датчики находят в детектировании линейных перемещений -- это подвески, линейные системы рулевого управления, переключение передач и контроль положения колес, где в первую очередь для повышения точности желательна минимизация числа угловых преобразователей с механизмами преобразования одного вида движения в другой.

Рис. 24. Иллюстрация концепции модульности MTS Temposonics линейки датчиков серии C и примеры разработок линейных автомобильных систем на основе встраиваемых модульных преобразователей: а-- базовый модуль -- сенсорный элемент CSE; б-- типичная функциональная диаграмма электронного модуля датчика; в-- типичный внешний вид модульных датчиков серии С для высокообъемных сфер применения; г-- датчик серии C в защитном металлическом корпусе для жестких условий эксплуатации; д-- типичные датчики семейства CSP на основе модуля CSE; е , ж-- иллюстрация применения датчиков MTS в гидравлических цилиндрах автомобилей Mercedes.

Актуальность магнитостриктивных датчиков положения в автоэлектронике во многом обусловлена (или определена) их физической природой и конструктивными и функциональными особенностями, являющимися следствием базового измерительного принципа.

Поскольку магнитостриктивные преобразователи относятся к типу устройств, работающих по принципу измерения времени распространения волны от цели до датчика и обратно, цель не отличается значительной длиной и ценой. Принцип измерения времени распространения отраженной волны позволяет получить абсолютный тип датчиков положения, который, в отличие от инкрементальных оптических и магнитных энкодеров, характеризуется устойчивостью к шумам и не требует индексной отметки и/или программы подключения или обучения.

В противоположность ультразвуковым радарам, измеряющим время распространения ультразвуковой волны в воздухе, магнитостриктивные преобразователи используют ферромагнитный стержневой волновод, обеспечивая таким образом ход цели по определенной траектории, экранирование, увеличение скорости распространения, высокую линейность и точность измерения расстояния от датчика до цели, пропорционального длине волновода. Кроме того, минимизируются потери энергии, амплитуды и точности вследствие рассеяния волны на соседние объекты. С помощью магнитостриктивных датчиков можно получить практически бесконечное разрешение, ограниченное только цифровой обрабатывающей электроникой и шумами.

Выходной сигнал после обработки ASIC может быть как аналоговым, ШИМ, так и еще более простым -- в виде двух цифровых импульсов старт-стоп, время между которыми для идентификации положения измеряет микроконтроллер. Включение Smart-ASIC в сенсорный блок датчика позволяет программировать измерительный диапазон, детектировать дополнительные параметры движения (механическое нулевое положение, смещение, чувствительность) и формировать любой энкодерный интерфейс. Магнитные и ферромагнитные сенсорные компоненты нечувствительны к влажности и загрязнениям, типичным для автомобильных окружающих условий. Временные допуски (старение) практически не оказывают влияния на измерительную точность датчика. Датчики на основе ферромагнитных материалов практически не нуждаются в повторной и периодической калибровке. Температурные допуски вследствие расширения металла могут быть скомпенсированы, например, за счет встраивания в сенсорный блок или ASIC интегрированного датчика температуры.

Рис. 25. Некоторые уникальные идеи по применению датчиков MTS Temposonics: а-- идеи по применению датчиков положения MTS в коробке передач; б-- датчик серии C с гибким валом для криволинейных измерений; в-- датчик серии C с поплавком для детектирования уровней жидкости



Рис. 26. Магнитостриктивный датчик положения клапана и/или ротора клапана двигателя внутреннего сгорания Ford Global Technologies: 1 -- статор клапанной сборки; 2 -- ротор; 3 -- клапан; 4, 5 -- подшипники; 6 -- защитное ограждение; 7 -- центрирующая пружина; 8 -- вращающийся постоянный магнит для индикации углового положения ротора; 9 -- магнитостриктивный датчик аксиального положения клапана 2 и/или углового положения ротора 1 электромеханической клапанной сборки; 10 -- стек многослойного листового металла статора; 11 -- центральное отверстие статора; 12 -- обмотки статора; 13 -- кольцевой магнит ротора; 14 -- шаровая гайка; 15, 16 -- сегменты магнита; 17 -- цилиндрическая часть тела шаровой гайки; 18 -- центральное отверстие шаровой гайки; 19, 20 -- плечи для опоры; 21 -- спиральная канавка цилиндрического тела; 22 -- плоские участки -- разделители спиральной канавки; 23 -- возвратный канал для кольцевой прокатки примыкающих шаровых подшипников 24; 25 -- апертура в головной части двигателя для установки клапанного штока; 26 -- седло клапана; 27 -- клапанный шток; 28 -- антискручивающий волновод; 29 -- спиральная канавка клапанного штока; 30 -- плоские участки -- разделители спиральной канавки клапанного штока; 31 -- верхнее опорное плечо; 32 -- отверстие для клапанного штока; E -- ось вращения ротора (по часовой стрелке или против часовой стрелки); 33 -- звуковой канал радиусом R; G -- зазор в звуковом канале; и_M -- детектируемое угловое положение; L -- соответствующая длина пути; U_OSC, U_TEMP, U_TR, U_R -- сигналы напряжения; P₁, P₂ -- точки схемы (с нулевой длиной проводника); Z -- детектируемое аксиальное положение

Магнитоупругие датчики крутящего момента

Точное измерение крутящего момента -- одна из важнейших задач в автомобильной электронике. Сферы применения включают контроль крутящего момента выходного вала двигателя, входного и выходного валов автоматической коробки передач, типичные задачи рулевого управления (рис. 91).

Рис. 27. Примеры применения магнитостриктивных датчиков крутящего момента в автоэлектронике: а-ж-- магнитоупругие датчики крутящего момента Magnetoelastic Devices: а-- классический вариант датчика: 1-- датчик крутящего момента; 2-- магнитоупругий преобразователь; 3-- датчик магнитного поля (датчик Холла); 4-- вал, соединяемый с детектируемым объектом; A-- ось вращения; M-- крутящий момент; Hост -- круговое тангенциальное направление остаточного намагничивания; 5-- проводные выводы датчика; б-- выходная характеристика датчика Холла; в-- спиральное намагничивание магнитоупругого кольца; г-- версия с поляризованным магнитоупругим кольцом с двумя противоположно намагничиваемыми областями: 1-- конструкция датчика; 2, 3-- два противоположно поляризованных кольца; 4, 5-- один или два датчика магнитного поля; 6-- вал; 7-- непрерывная поверхность материала колец; Mr1(+), Mr2(-) -- остаточная намагниченность колец; д-- версия с зубчатым кольцом, модулирующим магнитное поле для измерения скорости вращения: 6-- модулирующее кольцо; е-- типичный внешний вид сенсорного модуля датчика, установленного на валу; ж-- применение датчика MDI для детектирования крутящего момента вала коробки передач; з-- магнитостриктивный датчик крутящего момента в системе рулевого управления Suzuki: 1-- цилиндрическое прямозубое колесо; 2-- шестерня; 3-- выходной рулевой вал, управляемый двигателем; 4, 5-- подшипники; 6-- рулевая колонка; 7-- датчик крутящего момента; 8-- вал датчика; 9-- рулевой вал; 10 -- соединительная часть рулевого вала с валом датчика; 11 -- двигатель; 12 -- соединительная часть вала рулевого управления; 13 -- корпус датчика; 14, 15 -- шпоночные соединения; 16 -- кабельный соединитель датчика 7; 17 -- люк рулевой колонки для вывода соединителя; 18 -- пространство для установки датчика; и-- магнитостриктивный датчик крутящего момента Aisin Seiki: 1-- магнитостриктивное устройство; 2-- группа обмоток; 3, 4-- подшипники; 5-- корпус; 6-- печатная плата; 7-- вал; 8, 9-- участки с магнитной анизотропией; 10 -- бобина; 11, 12 -- возбуждающие обмотки; 13, 14 -- детектирующие обмотки; 15, 16 -- проводные выводы; 17 -- терминалы печатной платы; к, л-- магнитоупругий датчик крутящего момента Siemens VDO с низким гистерезисом, производимый методом термического распыления: к-- конструкция датчика: 1-- магнитоупругий элемент; 2-- немагнитный вал; A-- продольная ось вращения; л-- внешний вид; м, н-- магнитостриктивный датчик крутящего момента для автоматической коробки передач: 1-- входной вал коробки передач; 2-- магнитостриктивный датчик; 3-- статор; 4-- цилиндрическая часть статора для установки датчика; 5-- гильза, удерживающая датчик крутящего момента в статоре; 6-- канавка для проводных выводов датчика; 7-- цилиндрический полый корпус датчика; 8, 9 -- части корпуса для вывода и прохода проводов; 10, 11, 12 -- детектирующие обмотки; 13 -- сегментированный магнитостриктивный материал; 14, 15 -- шарикоподшипники; 16 -- проводные выводы; о-- устройство электрического рулевого управления с механизмом детектирования крутящего момента Honda: 1-- вращающийся вал, соединяемый с рулевым колесом; 2, 3, 4-- нижняя, верхняя, средняя части вала, соответственно; 5, 6-- магнитостриктивные мембраны; 7-- механизм шестерен; 8-- ведущая шестерня; 9-- зубчатая рейка; 10 -- вал рейки; 11 -- первый подшипник; 12 -- второй подшипник; 13, 15 -- схемы возбуждения переменным напряжением магнитостриктивных мембран; 14, 16 -- схемы детектирования; 17 -- двигатель; 18 -- ведущий вал; 19 -- механизм редуктора; 20 -- ведущий червяк; 21 -- червячное колесо; 22 -- корпус; 23, 24 -- верхняя и нижняя части корпуса устройcтва, соответственно