Автомобильные датчики, назначение и разновидности

Классификация автомобильных датчиков

Ежегодно число датчиков в автомобиле увеличивается. Электронные устройства отличаются по своим техническим параметрам, назначению и особенностям применения. Датчики можно классифицировать по функциональности и условиям эксплуатации.

1. Датчики первого типа отвечают за диагностику и работоспособность тормозов и системы рулевого управления.
2. Приборы второго класса контролируют состояние силового агрегата, трансмиссии, подвески и шин.
3. Третья категория датчиков должна обеспечивать защитные функции транспортного средства и комфортабельность езды.

Современное развитие электроники позволяет изготавливать датчики из долговечных высокотехнологичных материалов. Поэтому по сравнению с первыми приборами, новые электронные устройства работают качественнее и дольше. Инновационные технологии позволили уменьшить и габаритные размеры датчиков, что важно для автомобилей с большим числом дополнительных агрегатов и узлов. Конструктивно можно разделить все автомобильные электронные приборы на две группы.

1. Интегральные датчики с интеллектуальными возможностями снижают нагрузку на блок управления. Приборы соединяются гибкими линиями связи, одновременно можно использовать несколько электронных приборов в связке. Такие датчики способны обрабатывать даже сигналы с малой интенсивностью.
2. Электронные приборы волоконно-оптического типа отличаются высокой чувствительностью к загрязнениям и повышенному давлению. Из-за этого они недолговечны, слабо воспринимают электромагнитные помехи. Такие сенсоры подходят не для всех типов автомобилей, потому что для присоединения их требуются специальные ответвители и разъемы.

Датчики двигателя

Чтобы оптимизировать работу силового агрегата, а также следить за исправностью узлов и механизмов, на двигатели автомобилей устанавливаются следующие датчики.

• Воздушный датчик предназначен для слежения за количеством поступающего во впускной тракт воздуха. Расходомер является надежным прибором, а главным его врагом считается влага. При выходе из строя прибора двигатель неустойчиво работает, появляется эффект «троения», наблюдается повышенный расход топлива. Расходомер встраивается во впускной тракт сразу за воздушным фильтром.
• «Лямбда-зонд» контролирует массовую долю кислорода, выходящего из выпускного коллектора. Прибор дозирует подачу топлива, отталкиваясь от концентрации кислорода. Располагается «лямбда-зонд» в системе выпуска отработанных газов.
• В системе регенерации отработанных газов современных автомобилей устанавливаются электронные приборы, контролирующие концентрацию оксида азота. Они размещаются в дроссельном узле. Как только устройство будет загрязнено, увеличится число повторений циклов регенерации.
• Датчик клапана EGR предназначен для снижения концентрации вредных газов, выбрасываемых в атмосферу. При резком ускорении авто прибор приоткрывает клапан, и выхлопные газы направляются в камеры сгорания. Таким образом, происходит полное сгорание углеводородов.
• В бензиновых моторах находит применение датчик Холла. Прибор устанавливается в задней крышке распредвала и измеряет его угол положения. Полученные сигналы от датчика Холла изменяют скорость перемещения поршней в цилиндрах.
• Датчик дроссельной заслонки снимает показания с педали акселератора. Прибор корректирует работу дроссельной заслонки, исходя из температуры охлаждающей жидкости. Чем холоднее антифриз, тем медленнее вращается коленвал. Датчик монтируется на дроссельном патрубке и взаимосвязан с заслонкой.
• Датчик положения коленвала отвечает на своевременную подачу топлива, связывая дозировку с моментом впрыска или опережением зажигания. Прибор снимает показания с зубчатого шкива, поэтому он крепится внизу блока цилиндров. Как только датчик выйдет из строя, мотор невозможно завести.

Датчики давления

Принцип работы датчиков давления примерно одинаков. А вот устанавливаются они в самых разных узлах и механизмах автомобиля. Различают приборы первостепенного и второстепенного значения.

Датчики первостепенного значения

К приборам первостепенного значения, измеряющим давление, необходимо отнести:

• датчик давления во впускном тракте, который обеспечивает взаимосвязь между частотой вращения коленвала (уровнем нагрузки) и потоком топливной смеси;
• датчик давления воздуха в шинах контролирует заданный диапазон с целью безопасного движения автомобилей. Он встраивается внутри колеса.

Датчики второстепенного значения

датчик давления масла В зависимости от комплектации автомобиля число второстепенных датчиков может существенно отличаться.

• Датчик давления масла присутствует в автомобилях японских производителей. Прибор мембранного типа определяет показатель давления за счет прогиба мембраны. Датчик встраивается в блок цилиндров.
• Датчик давления топлива устанавливается в бензонасосе. При низком показателе прибор дает команду подкачивающему насосу.
• В модуле антиблокировочной системы имеется датчик давления тормозной жидкости.
• Под сиденьями некоторых авто есть сенсоры, которые определяют вес пассажира.

Температурные датчики

Специальные устройства для измерения температуры технических жидкостей и газообразных соединений в автомобиле встречаются во многих системах.

1. Чтобы контролировать температуру охлаждающей жидкости, в термостате или головке блока цилиндров устанавливается специальный датчик. Он определяет температурный режим двигателя, а при выходе за верхний предел дает команду на включение вентилятора. Если контрольная лампочка охлаждающей жидкости загорается на панели приборов, то это указывает на появление неполадок в системе.
2. Для бесперебойной работы мотора важно контролировать температуру масла. Датчик монтируется в корпусе масляного фильтра.
3. Находясь в салоне автомобиля, водителю полезно знать и о температуре атмосферного воздуха. Датчик температуры окружающей среды устанавливается спереди автомобиля.
4. Многие автомобили, укомплектованные системами климатического контроля, оснащаются датчиками температуры воздуха в салоне. Приборы монтируются в торпеде.

Датчики в топливной системе

Чтобы качество и количество топлива соответствовало нагрузке на двигатель, в топливной системе используется ряд датчиков.

• Прибор, контролирующий уровень топлива, монтируется в баке. Он оснащен поплавком с длинной штангой и сенсорным реостатом. Показатель уровня топлива напрямую зависит от величины сопротивления сенсора.
• В топливной системе находится и датчик расхода топлива. Он преобразует количество прошедшего топлива в электрические импульсы. Отличительными чертами прибора являются точность и надежность.
• Электронное устройство альтиметр встраивается в блок управления двигателем. Он регулирует подачу в камеры сгорания отработанных газов в зависимости от атмосферного давления.
• Правильную организацию работы газораспределительного механизма обеспечивает измеритель фаз. Он устанавливается недалеко от воздушного фильтра. При износе датчика происходит избыточное обогащение топливной смеси.
• Датчик детонации предназначен для измерения угла опережения зажигания. Устанавливается измеритель между цилиндрами двигателя. При выходе из строя наблюдается повышение детонации из-за увеличения числа взрывных процессов.

Инновационные технологии позволяют создавать новые электронные приборы для комфортной эксплуатации автомобиля. Например, датчик дождя управляет работой дворников. Прибор монтируется в области лобового стекла, при попадании капель воды сигнал подается в электронную систему, которая включает щетки. Водителю не нужно отвлекаться от езды на включение и выключение стеклоочистителей.

Датчики в современных автомобилях и их функции

24.03.2020

Подавляющее большинство современных автомобилей являются высокотехнологичными устройствами, в которых выполнение практически всех функций завязано на электронику. Своеобразным мозгом всей этой системы является ЭБУ — электронный блок управления, анализирующий данные и принимающий соответствующие решения. А сами данные поступают с множества датчиков, размещенных в различных местах машины. В данной статье мы рассмотрим самые основные датчики.

Датчик кислорода.

Располагается в выпускной системе. Первый датчик обычно располагается перед катализатором, а второй, соответственно, после. Данные с датчиков передаются в ЭБУ для корректировки степени обогащения топливной смеси. Многие современные модели авто бывают оснащены не один, а двумя и более такими модулями — так как производителям приходится не только обеспечивать оценку состояния выхлопа, но соблюдать требования экологии.

Датчик детонации.

Работает следующим образом: датчик определяет уровень детонации в камере сгорания, и на основе полученных данных либо снижает обороты, либо посылает сигнал для водителя о том, что нужно прочистить бак или же провести ремонтные работы.

Датчик положения распредвала.

Нужен для определения положения цилиндров в их верхней точке. С помощью этих данных ЭБУ определяет, как правильно подавать топливно-воздушную смесь в цилиндры и включать зажигание.

Датчик коленвала.

Позволяет рассчитывать обороты и положение коленчатого вала двигателя.

Датчик дроссельной заслонки.

Считывает положение дросселя, а полученные данные ЭБУ использует, чтобы корректировать объемы подачи топлива.

Датчики массового расхода топлива.

Располагается в системе подачи кислорода за воздушным фильтром. Отвечает за подготовку топливно-воздушной смеси, корректировку подачи топлива и подбор оборотов мотора на холостом ходу.

Датчик давления масла.

Нужен для определения уровня и давления в системе, а также для оповещения о нехватке смазки и других подобных проблемах (автовладельцы не должны забывать, что сигнал этого датчика требует немедленного заглушения двигателя).

Датчик скорости.

Получает данные о частоте вращения вала, на выходе отображая скорость на спидометре, а также сообщая данные, которые пригодятся ЭБУ для расчета работы других систем.

Датчик абсолютного давления.

Находится во впускном коллекторе, необходим для корректировки топливно-воздушной смеси (обогащения или обеднения ее состава).

В каталоге Carmod вы найдете как сменные датчики, так и специальные инструменты для работы с ними.

← Новое поступление в каталоге: шиномонтажные станки от TECO График работы на «выходную неделю» →

Признаки неисправности восьми основных датчиков автомобиля

8 основных датчиков автомобиля: признаки неисправности.

Закончились времена, когда большинство автомобилей были оснащены преимущественно механическими технологиями. В автопромышленность уже давно на смену старым технологиям пришла электроника. Сегодня во всех современных автомобилях двигатель и все системы автомобиля управляются компьютером, который взаимодействует с множеством электронных датчиков. Увы, вместе с приходом новых технологий автомобили стали не только технологически сложны, но и менее надежны по сравнению со своими старыми аналогами. И в первую очередь большинство проблем связаны с неисправностью датчиков. Мы отобрали для вас восемь основных автомобильных датчиков, которые чаще всего выходят из строя. 

 

1. Датчик массового расхода воздуха (ДМРВ/MAF)

В настоящее время существуют в основном два типа датчиков массового расхода воздуха (MAF Sensor): датчики потока воздуха, оснащенные резисторами, и датчики потока воздуха с нагревательной пленкой, покрытой керамическим слоем. Как правило, датчик расхода воздуха устанавливается между воздушным фильтром и дроссельной заслонкой. Данным датчиком оснащаются как бензиновые, так и дизельные двигатели. 

 

Какую функцию выполняет датчик: датчик измеряет количество воздуха, всасываемого двигателем. На основе данных с датчика блок управления двигателем автоматически регулирует количество впрыскиваемого топлива в камеру сгорания, которое смешивается с кислородом. 

 

Признаки неисправности: при выходе из строя расходомера (датчика массового расхода воздуха) компьютер в автомобиле не может определить истинное потребление воздуха, что приводит к дисбалансу топливной смеси (в итоге топливная смесь может быть недообогащенная кислородом или, наоборот, излишне обогащенная). Это неизбежно приводит к нестабильной работе двигателя на холостом ходу, потере мощности, черному дыму из выхлопной системы, детонации, осечкам зажигания, а также повышенному расходу топлива. 

При выходе из строя данного датчика на приборной панели может появиться индикатор «Check engine».

 

Смотрите также

 

Датчик давления во впускном коллекторе (МАР Sensor)

Датчик fабсолютного давления всасываемого воздуха, известный также как Manifold Air Pressure Sensor, MAP sensor, – еще один элемент, который используется в электронной системе управления двигателя. Этот датчик замеряет давление всасываемого воздуха. Как правило, датчик устанавливается на впускной коллектор и обычно интегрирован с датчиком массового расхода всасываемого воздуха. В некоторых моделях автомобиля используется единый датчик, который замеряет как количество всасываемого воздуха, так и его давление. 

 

Какую функцию выполняет датчик: определяет абсолютное давление воздуха во впускном коллекторе. Затем датчик преобразовывает данные в сигнал напряжения и отправляет его в блок управления двигателем (ECU). Компьютер автомобиля контролирует необходимую величину впрыска топлива, основываясь на напряжении этого сигнала, поступаемого с датчика. 

 

Признаки неисправности: в случае неисправности датчика давления всасываемого воздуха количество впрыскиваемого топлива в двигатель становится невозможно регулировать правильным образом, из-за чего топливная смесь становится слишком богатой или слишком обедненной, что приводит к ненормальной работе двигателя. В этом случае двигатель будет работать нестабильно на холостом ходу (обороты будут прыгать). Также двигатель может часто глохнуть. Кроме того, могут появиться проблемы с его запуском. Ну и, конечно же, при неисправности данного датчика существенно вырастет расход топлива, несмотря на то что мощность автомобиля, как правило, упадет. 

При выходе из строя данного датчика на приборной панели может появиться индикатор «Check engine».

 

Смотрите также

 

Датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ)

Существует несколько типов датчиков положения дроссельной заслонки: датчик положения дроссельной заслонки контактного типа (контактный датчик), датчик положения дроссельной заслонки с линейным переменным сопротивлением (бесконтактный датчик) и комплексный датчик положения дроссельной заслонки. Датчик положения дроссельной заслонки установлен на дроссельной заслонке и используется для определения степени открытия дроссельной заслонки.

 

Какую функцию выполняет датчик: датчик определяет положение дроссельной заслонки, сообщая информацию блоку управления двигателем, который регулирует точную дозировку впрыска топлива в камеру сгорания. Благодаря этому достигается оптимальный расход топлива в зависимости от положения педали газа. 

 

Признаки неисправности: ненормально работающий двигатель на холостом ходу (например, слишком высокий или слишком низкий холостой ход, неустойчивый холостой ход) или ненормальное ускорение двигателя (двигатель дрожит во время ускорения, замедленная реакция на ускорение при нажатии педали газа, двигатель глохнет при сбросе газа с высоких оборотов, при движении по ровной дороге с одним положением педали газа наблюдаются рывки и т. д.). Также при неисправности датчика может наблюдаться повышенный расход топлива. 

При выходе из строя данного датчика на приборной панели может появиться индикатор «Check engine».

 

Датчик положения распредвала (ДПРВ)

Датчик положения распределительного вала используется для определения углового положения распределительного вала. Модуль управления двигателем (ECU) использует этот сигнал для определения последовательности работы цилиндров двигателя. 

 

Какую функцию выполняет датчик: определение положения распределительного вала двигателя, определение верхней мертвой точки во время такта сжатия в блоке цилиндра. Благодаря датчику контролируется последовательный впрыск топлива и зажигания. 

 

Признаки неисправности: при выходе из строя датчика положения распредвала выходная мощность двигателя уменьшается. Произойдет также сбой зажигания: как правило, при нажатии на педаль газа автомобиль будет дрожать, но разгоняться медленно. Это связано с потерей мощности. Также при выходе из строя датчика на приборной панели может появиться индикатор «Check engine». Внимание! При прогреве двигателя индикация может то пропадать, то снова появляться. 

 

Смотрите также

 

Датчик положения коленчатого вала (ДПКВ)

Датчик положения коленчатого вала ДПКВ является одним из важнейших датчиков в централизованной системе управления двигателем и незаменимым источником сигнала для подтверждения положения коленчатого вала и частоты вращения двигателя.

 

Какую функцию выполняет датчик: модель управления двигателем (ECU) использует сигнал с датчика положения коленвала (ДПКВ) для управления количеством впрыска топлива, моментом впрыска топлива, моментом зажигания (угол опережения зажигания), управлением катушкой зажигания, скоростью холостого хода и работой электрического бензонасоса. Благодаря электромагнитному датчику коленвала синхронизируется работа топливных форсунок и зажигания в системе впрыска топлива. 

 

Признаки неисправности: если датчик положения коленчатого вала выходит из строя, блок управления двигателем перестает получать данные, в результате чего программа в компьютере не знает истинное положение коленчатого вала. В целях защиты двигателя впрыск топлива, как правило, не осуществляется, и двигатель глохнет (не всегда и не на всех автомобилях). Также вы не сможете завести двигатель, пока не установите новый датчик. На некоторых машинах при неисправности датчика положения коленчатого вала может наблюдаться неровный холостой ход, потеря мощности, излишняя детонация, двигатель часто глохнет в процессе движения машины. 

При выходе из строя данного датчика на приборной панели может появиться индикатор «Check engine».

 

Датчик кислорода (лямбда-зонд)

Данный датчик остаточного кислорода (например, в выпускном коллекторе двигателя) используется во всех современных автомобилях.

 

Какую функцию выполняет датчик: благодаря данному датчику блок управления двигателем оценивает точное количество топлива, которое не сгорело в камере сгорания блока двигателя. Так, датчик измеряет количество кислорода в выхлопных газах. Показания лямбда-зонда позволяют приготовлять оптимальную воздушно-топливную смесь, а также регулировать количество вредных веществ в выхлопе автомобиля, уменьшая вредное воздействие продуктов сгорания топлива на человека и окружающую природу. 

 

Признаки неисправности: если выходит из строя кислородный датчик, производительность двигателя падает, регулировка воздушно-топливной смеси не осуществляется, холостой ход становится нестабильным, уровень вредных веществ в выхлопной системе становится ненормальным, расход топлива увеличивается, а на свечах зажигания накапливается углерод. Выход из строя кислородных датчиков – весьма распространенное явление. Особенно в автомобилях, которые часто используют этилированный бензин.

При выходе из строя данного датчика на приборной панели может появиться индикатор «Check engine».

 

Смотрите также

 

Датчик температуры охлаждающей жидкости

Датчик температуры охлаждающей жидкости на самом деле является полупроводниковым термистором. Чем ниже температура охлаждающей жидкости, тем больше сопротивление. С другой стороны, чем меньше сопротивление, тем горячее антифриз и, соответственно, сам двигатель. 

 

Какую функцию выполняет датчик: используется для определения температуры охлаждающей жидкости в двигателе. Электронный блок управления двигателем корректирует время впрыска топлива и зажигания в соответствии с сигналом, поступающим от температуры охлаждающей жидкости. В случае превышения температуры охлаждающей жидкости электронная система предупреждает водителя об опасности перегрева двигателя. В том числе благодаря датчику компьютер включает вентилятор охлаждения, когда температура охлаждающей жидкости начинает расти больше рабочей температуры двигателя. 

 

Признаки неисправности: когда датчик температуры охлаждающей жидкости выходит из строя (обычно плохой контакт, короткое замыкание, разомкнутая цепь, но в большинстве случаев плохой контакт), на приборной панели, как правило, появляется индикатор неисправности двигателя «Check engine». Датчик температуры охлаждающей жидкости на приборной панели всегда показывает максимум 120 градусов Цельсия. При этом мощность и тяга двигателя существенно падают, поскольку блок управления двигателем должен включить аварийную программу (есть не во всех моделях автомобилей). При сканировании ошибок с помощью диагностического сканера в электронной системе считается код неисправности P003D. Также, если датчик температуры выходит из строя, автомобиль может испытывать трудности с запуском в холодном состоянии. Кроме того, может наблюдаться ненормальный расход топлива. 

 

Датчик детонации (ДТОЖ)

И, наконец, еще один важный датчик в современных автомобилях, без которого работа двигателя была бы невозможна. Речь идет о датчике детонации, который необходим для контроля степени детонации при сгорании топлива. Датчик устанавливается на блоке цилиндров силового двигателя. Этот датчик – один из важных компонентов системы управления двигателем.

 

Какую функцию выполняет датчик: датчик детонации используется для обнаружения возникновения детонации двигателя внутреннего сгорания во время сгорания топлива. Сигнал детонации посылается в компьютер, который осуществляет управление двигателем. В соответствии с данными, которые поступают с датчика детонации, блок управления двигателем регулирует угол опережения зажигания.

 

Признаки неисправности: при выходе из строя датчика детонации двигатель дефлагрирует (наблюдается сильная детонация в работе двигателя). Из-за неисправности датчика зажигание будет неправильным. В том числе будет наблюдаться большой расход топлива, снижение мощности, трудности с запуском и грубая работа двигателя.

Датчики автомобильных электронных систем

Современные системы электронного автоматического управления раз­личными всевозможными техническими объектами, а также автомобильными бортовыми устройствами, имеют почти одинаковую похожую структуру.

Принцип работы различных датчиков ЭСАУ примерно одинаковый, — преобразование информации о значениях, которые преобразовываются из неэлектрических параметров в электрический сигнал — напряжение, ток, частоту, фазу и т. д. Полученные сигналы перевоплощаются в цифровой код и поступают в специальный микроконтроллер.

Микроконтроллер на основании значений этих сигналов и в соответствии с заложенным в него программным обеспечением принимает реше­ния, управляет через исполнительные механизмы (реле, соленоиды, электродвига­тели) объектом.

Возможность совершенствования автомобильных электронных систем во мно­гом зависит от наличия надежных, точных и недорогих датчиков.

В 60-х годах автомобили были оборудованы датчиками давления масла, уровня топлива, температуры, охлаждающей жидкости. Их выходы были подключены к стрелочным или ламповым индикаторам на щитке приборов.

В 70-х годах автомобильные компании начали бороться за уменьшение ко­личества токсичных выбросов из глушителя автомобиля — потребовались до­полнительные датчики для управления силовой установкой, которые необходи­мы для обеспечения нормальной работы электронного зажигания, системы впрыска топлива, трехкомпонентного нейтрализатора, для точного задания со­отношения воздух/топливо в рабочей смеси, для минимизации токсичности выхлопных газов.

В 80-х годах начали уделять больше внимания безопасности водителя и пасса­жиров — появились антиблокировочная система торможения (ABS) и воздушные мешки безопасности.

В силовом агрегате (в ДВС) датчики используются для измерения температуры и давления большинства текучих сред (температура всасываемого воздуха, абсо­лютное давление во впускном коллекторе, давление масла, температура охлажда­ющей жидкости, давление топлива в системе впрыска).

Почти ко всем движущимся частям автомобиля подключены датчики скорости или положения (скорость автомобиля, положение дроссельной заслонки, положе­ние коленчатого вала, положение распределительного вала, положение и скорость вращения вала в коробке переключения передач, положение клапана рециркуля­ции выхлопных газов).

Другие датчики определяют уровень детонации, нагрузку двигателя, пропуски воспламенения, содержание кислорода в выхлопных газах.

Есть датчики, которые определяют положение сидений.

В системе управления климатом (в климат-контроле) используются различные датчики в кондиционере для определения давления и температуры хладагента, температуры воздуха в салоне и за бортом.

После появления антиблокировочной системы торможения и активной подвес­ки потребовались датчики для определения скорости вращения колес, высоты ку­зова по отношению к шасси, давления в шинах.

Датчики удара и акселерометры нужны для правильного функционирования фронтальных и боковых воздушных мешков безопасности. Для переднего пасса­жирского сиденья с помощью датчиков определяют наличие пассажира, его вес. Эта информация используется для оптимального наддува мешка безопасности на переднем сиденье. Другие датчики используются для боковых и потолочных воз­душных мешков безопасности, а также специальных воздушных мешков для за­щиты шеи и головы.

На современных автомобилях антиблокировочные системы торможения заме­няются более сложными и эффективными системами управления стабильностью движения автомобиля. Возникает необходимость в новых датчиках. Разрабатыва­ются и уже имеются датчики скорости вращения автомобиля вокруг вертикальной оси, датчики для предупреждения столкновений (например радарные), датчики для определения близости других автомобилей, датчики положения рулевого ко­леса, бокового ускорения, скорости вращения каждого колеса, крутящего момента на валу двигателя и т. д. Управление тормозной системой автомобиля становится частью более общей и эффективной системы электронного управления курсовой устойчивостью и стабильностью движения.

Из сказанного ясно, что сегодня датчики устанавливаются практически во всех системах автомобиля.

На рис. 2.1, а показано наиболее рациональное расположение различных дат­чиков на автомобиле.

► Датчики автомобильных электронных систем можно классифицировать по трем признакам: принципу действия, типу энергетического преобразования и ос­новному назначению.

По принципу действия датчики подразделяют на электро контактные, потенци­ометры ческие, оптические, оптоэлектронные, электромагнитные, индуктивные, магниторезистивные, магнитострикционные, фото- и пьезоэлектрические, датчи­ки на эффектах Холла, Доплера, Кармана, Зеебека, Вигоида.

В зависимости от энергетического преобразования (рис. 2.1, б) датчики (Д) бывают активными (поз. 2 на рис. 2.1, б), в которых выходной электрический сигнал (ЭС) возникает как следствие входного неэлектрического воздействия (НВ) без приложения сторонней электрической энергии за счет внутреннего физического эффекта (например фотоэффекта), и пассивными (поз. 3 на рис. 2.1, б), в которых электрический сигнал (ЭС) есть следствие модуляции внешней электрической энергии (ВЭ) управляющим неэлектрическим воздейст­вием (НВ). Например, потенциометрический датчик, показанный па рис. 2.1, б (поз. 5), является пассивным преобразователем угла поворота оси потенциомет­ра (чувствительного элемента ЧЭ) в электрический сигнал. Электрический сиг­нал (ЭС) появится на выходе потенциометра только после того, как на резистивную дорожку (П) будет подано внешнее напряжение (ВЭ). Следует отме­тить, что внутри датчика, посредством чувствительного элемента (ЧЭ), всегда имеет место внутреннее преобразование внешнего неэлектрического воздействия (НВ) в промежуточный неэлектрический сигнал (НС), что показано на рис. 2.1, б (поз. 1). Применительно к датчику угла поворота, угловое положение оси потенциометра является неэлектрическим сигналом (НС) на выходе чувствительного элемента. Этому неэлектрическому сигналу (НС) соответствует выходной электрический сигнал (ЭС) датчика, если поданное па резистивную дорожку (П) внешнее напряжение (ВЭ) постоянно (рис. 2.1, б, поз. 4). Линей­ная характеристика преобразования (рис. 2.1, б, поз. 6) может быть легко изме­нена на квадратичную, ступенчатую и любую нелинейную с заданной крутиз­ной, что достигается подбором конструктивных размеров (длины, ширины, тол­щины) резистивной дорожки.

 Рис. 2.1, а. Расположение датчиков на автомобиле

1 — датчик конфигурации впускного коллектора с управляемой геометрией, 2 — датчик тахометра, 3 — датчик положения распределительного вала, 4 — датчик нагрузки двигателя, 5 — датчик положения коленчатого вала, 6 — датчик крутящего момента двигателя, 7 — датчик количества масла, 8 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 9 — датчик скорости автомобиля,10 — датчик давления масла, 11— датчик уровня охлаждающей жидкости, 12 — радарный датчик системы торможения, 13 — датчик атмосферного давления, 14 — радарный датчик системы предотвращения столкновений, 15 — датчик скорости вращения ведущего вала коробки передач, 16 — датчик выбранной передачи в коробке передач, 17 — датчик давления топлива в рампе форсунок, 18 — датчик скорости вращения руля, 19 — датчик положения педали, 20 — датчик скорости вращения автомобиля относительно вертикальной оси, 21 — датчик противоугонной системы, 22 — датчик положения сиденья, 23 — датчик ускорения при фронтальном столкновении, 24 — датчик ускорения при боковом столкновении, 25 — датчик давления топлива в баке, 26 — датчик уровня топлива в баке, 27 — датчик высоты кузова по отношению к шасси, 28 — датчик угла поворота руля, 29 — датчик дождя или тумана, 30 — датчик температуры забортного воздуха, 31 — датчик веса пассажира, 32 — датчик кислорода, 33 — датчик наличия пассажира в сиденье, 34 — датчик положения дроссельной заслонки, 35 — датчик пропусков воспламенения, 36 — датчик положения клапана рециркуляции выхлопных газов, 37— датчик абсолютного давления в впускном коллекторе, 38 — датчик азимута, 39 — датчик скорости вращения колес, 40 — датчик давления в шинах.

Из приведенного примера ясно, что любой датчик всегда состоит, как мини­мум, из двух частей — из чувствительного элемента (ЧЭ), способного восприни­мать входное неэлектрическое воздействие (НВ), и из преобразователя (П) проме­жуточного неэлектрического сигнала (НС) от чувствительного элемента в выход­ной электрический сигнал (ЭС).

По назначению датчики классифицируются по типу управляющего неэлектри­ческого воздействия: датчики краевых положений, датчики угловых и линейных перемещений, датчики частоты вращения и числа оборотов, датчики относитель­ного или фиксированного положения, датчики механического воздействия, датчи­ки давления, датчики температуры, датчики влажности, датчики концентрации кислорода, датчик радиации и др.

► Датчики подключаются к ЭБУ или средствам индикации для передачи ин­формации о параметрах контролируемой среды. В автомобильных системах цепа и надежность имеют огромное значение и при прочих равных условиях всегда вы­бирают датчик с наименьшим числом соединителей. Если к датчику следует под­ключить 5—6 проводов (например, ЛДТ), целесообразно разместить микросхему обработки сигнала непосредственно на датчике и передавать данные контроллеру через последовательный интерфейс.

При подключении датчиков к ЭБУ следует иметь в виду, что шасси (масса) ав­томобиля не может быть использована в качестве измерительной земли. Между точкой подключения ЭБУ к массе и датчиком напряжение может падать до I В за счет токов силовых элементов по массе, что недопустимо как при штатной работе датчика, так и при его диагностике.

Подавляющее большинство датчиков из числа вышеперечисленных уже доста­точно широко используется на современных импортных и отечественных автомо­билях. Их устройство, работа и принципы диагностирования подробно описаны в [3] и [4|. Но есть и такие, которые появились относительно недавно и находятся на стадии внедрения в новейшие автомобильные системы. Описанию именно та­ких датчиков уделено наибольшее внимание в данной главе.

{jcomments on}

Виды и назначения автомобильных датчиков

Виды и назначения автомобильных датчиков

Практически все узлы современного автомобиля оснащены датчиками для контроля и информирования водителя об их состоянии.

Датчики уровней жидкостей в автомобилях
Контроль над количеством технических жидкостей, а именно: моторного масла, стеклоомывающей и охлаждающей жидкостей выполняют датчики уровня. По принципу работы они разделяются на следующие:
— поплавковые;
— температурные;
— емкостные и ультразвуковые.
Наиболее давно и часто используются поплавковые датчики. Поплавок находится в контролируемой жидкости и способен перемещаться вместе с нею вверх либо вниз в зависимости от уровня. При падении уровня ниже допустимого срабатывает электрический контакт датчика, и приборная панель информирует водителя о возникшей неполадке.

Достоинством такого типа датчика является простота их изготовления и проверенная временем конструкция, что выражается в невысокой стоимости и легкости диагностирования неисправностей.
Недостатки заложены в самом принципе работы – это вероятность застревания поплавка вследствие загрязнения или перекоса, а также невозможность контролировать и отображать фактический уровень жидкости (срабатывание происходит только при минимальном уровне).

Температурные датчики контроля за уровнем состоят из металлического корпуса, в который помещена платиновая нить. Корпус датчика погружен в контролируемую жидкость некоторой частью корпуса. Нить нагревается от протекающего через нее электрического тока, затем фиксируется скорость ее остывания. Скорость остывания зависит от количества жидкости, в которую погружен корпус датчика. Получив данные о времени остывания нити датчика, бортовой компьютер автомобиля по заранее заложенному алгоритму рассчитывает и отображает фактическое количество жидкости.

Достоинствами температурных датчиков являются надежность (за счет отсутствия движущихся частей), простота конструкции, невысокая стоимость прибора.

Недостатки температурных датчиков выражаются в необходимости измерения температуры контролируемой жидкости (для уточнения показаний). Информацию данных датчиков обрабатывает бортовой компьютер, что требует наличия надежного контакта в цепи от датчика к компьютеру. Точность измерений обычно составляет 5-15%.

Емкостные и ультразвуковые датчики контроля за уровнем жидкости обычно устанавливают на автомашины премиум-класса и спортивные авто. Они представляют собой сложные устройства, часто с собственным микрокомпьютером, позволяют точно измерять уровень, а зачастую определяют и качество жидкости.

Датчики состояния тормозных накладок
Тормозные накладки в процессе эксплуатации изнашиваются, и возникает необходимость их замены. Скорость износа зависит от многих факторов: стиля вождения, состояния дорожного покрытия, качества и материала изготовления накладок, состояния подвески.

Сильный износ тормозной накладки приводит к износу тормозного диска, увеличению времени торможения и длины тормозного пути, что значительно увеличивает риск попадания в ДТП.

Для контроля за состоянием тормозных накладок служат датчики износа. В зависимости от типа автомобиля их количество варьируется от одного до четырех. Распространение получила установка двух датчиков: один на переднем колесе, второй на заднем. Датчики износа устанавливаются на внешней тормозной накладке.
Конструктивно датчик износа состоит из пластикового корпуса и сердечника из мягкого металла. Сердечник датчика устанавливается на уровне предельного износа тормозной накладки. При касании тормозного диска сердечником совершается замыкание цепи, и на приборную панель выводится сигнал о неисправности. Для снижения количества ложных срабатываний из-за попадания влаги, химических реагентов сигнал датчика, как правило, обрабатывается бортовым компьютером.

Последнее поколение датчиков устанавливается непосредственно в тормозную накладку и способно определять примерную степень износа. При этом сначала выводится предупреждающий сигнал о величине износа тормозных накладок, а затем аварийный сигнал.

Датчики контроля дверей
Для контроля состояния дверей автомобиля и обеспечения подсветки салона, багажника при открытии применяются датчики состояния.

Как правило, используют концевые выключатели, которые при закрытой двери нажаты и их цепь разомкнута. При открывании двери шток концевого выключателя освобождается, и контакт датчика замыкается. Длина штока подобрана таким образом, чтобы при неплотно закрытой двери контакт датчика оставался замкнутым. Информация о состоянии датчиков контроля двери или непосредственно выводится на панель приборов, или обрабатывается бортовым компьютером.

Подсветка салона и багажника включается реле, которое управляется контактом датчика состояния. Задержка по времени выключения, плавное выключение света реализуется специализированными реле: таймерами и димерами.

Подпишись на полезные статьи!

Датчики систем безопасности при движении автомобиля

 

Развитие технологий производства датчиков, позволило их применять в интеллектуальных системах безопасности, к которым относятся системы помощи водителю. В стремлении обеспечить конкурентоспособность своих автомобилей, производители поддерживая передовые технологии, внедряют их на новые машины. Вот о том, какими бывают датчики для систем повышения безопасности при движении автомобиля, мы и поговорим в этой статье.

 

Содержание

 

Ультразвуковая технология

 

В современных системах, помогающих при движении задним ходом и парковке (см. «Системы парковки автомобилей») исполь­зуются ультразвуковые датчики малой даль­ности действия (порядка 2,5 м). Они встраи­ваются в бамперы автомобилей и служат для вычисления расстояний до препятствий с целью контроля пространства при парковке и маневрировании. При приближении к пре­пятствию система выдает водителю звуковые и световые сигналы.

Более новые датчики с дальностью дей­ствия до 4,5 м позволяют использовать си­стему помощи при парковке, которая либо выдает водителю инструкции по оптималь­ной парковке, либо осуществляет руление при въезде на парковочное место, а водителю остается лишь следить за перемещением ав­томобиля в продольном направлении.

 

 

Конструкция ультразвукового датчика

 

Ультразвуковой датчик (рис. «Вид ультрозвукового датчика в разрезе» ) состоит из пластмассового корпуса со встроенным штырьковым разъемом, ультразвукового преобразователя (алюминиевого блока с диа­фрагмой, на внутреннюю часть которой при­клеен пьезокерамический элемент) и печатной платы с передающей и оценивающей электро­никой. Они электрически соединены с ЭБУ с помощью трех выводов, два из которых — пи­тающие. Третий, служащий в качестве двуна­правленной сигнальной линии, используется для активизации функции передачи сигналов и принятия возвращенного сигнала.

Принцип работы ультразвукового датчика

 

Ультразвуковой датчик принимает от ЭБУ циф­ровой импульс. Затем электроника заставляет колебаться алюминиевую диафрагму с прямоу­гольными импульсами на резонансной частоте (около 48 кГц) с типичным периодом порядка 300 мкс, в результате чего испускаются ультра­звуковые импульсы. Отраженный от препят­ствия звук снова заставляет колебаться диа­фрагму, между тем уже успокоившуюся (прием невозможен в течении периода успокоения, порядка 900 мкс). Эти колебания выводятся пьезоэлектрическим элементом в виде анало­гового электрического сигнала, который затем усиливается и преобразуется в цифровой.

Обычно ультразвуковые датчики для опи­санной области применения имеют селектив­ную характеристику испускания с широким диапазоном чувствительности по горизон­тали (для определения как можно большего количества объектов) и узким диапазоном чувствительности по вертикали (во избежа­ние отражений от земли).

 

 

Радарная технология на автомобиле

 

Радарная технология используется, помимо прочего, в адаптивном круиз-контроле (АСС) для определения движущихся впереди ав­томобилей и соответственной адаптации скорости движения. Излучаемые радаром электромагнитные волны отражаются от металлических поверхностей и других отра­жающих материалов и затем регистрируются приемной частью радара. Расстояние до объ­ектов в диапазоне чувствительности можно измерить на основании времени распростра­нения этих волн. Для измерения относитель­ной скорости используется эффект Допплера.

Благодаря своим превосходным свойствам в плане быстрого и точного измерения рас­стояния и относительной скорости радар также очень хорошо подходит для исполь­зования в системах активной и пассивной безопасности. Примерами таких систем являются прогнозирующие системы аварий­ного торможения и раннего распознавания столкновений.

Методы испытаний

 

Принимаемые сигналы сравниваются с пере­даваемыми по времени распространения или частоте. Используемые методы значительно различаются по способу сравнения сигналов. Передаваемые волны модулируются, чтобы принимаемый сигнал можно было уникально сопоставить передаваемому. Самыми рас­пространенными формами модуляции яв­ляются импульсная, где генерируются им­пульсы в 10-30 нс, что соответствует длине волны 3-10 м, и частотная, где вовремя пере­дачи мгновенная частота волн изменяется в зависимости от времени.

У всех радарных датчиков измерение рас­стояния основано на прямом или косвенном измерении времени распространения сиг­нала с момента его передачи и до момента его приема в виде отраженного сигнала.

 

 

Импульсная модуляция

 

В случае импульсной модуляции измеряется время распространения τ сигнала от его передачи до его приема. Принятый волновой пакет нужно демодулировать, чтобы извлечь нужную информацию. Учитывая скорость света, можно вычислить расстояние до дви­жущегося впереди автомобиля по разности времени. При прямом отражении оно опреде­ляется как двойное расстояние d до отража­теля, поделенное на скорость света с:

τ = 2d/с

Для расстояния d = 150 м и с ≈ 300 000 км/с время распространения τ≈1,0 мкс.

Импульсный радар испускает очень ко­роткие импульсы. Эти сигналы отражаются от предметов и возвращаются к датчику. Требуется измерить время распространения этих сигналов. На рис. «Блок-схема импульсного радара» показана блок-схема импульсного радара. Генератор с частотой, к примеру, 24 ГГц, передает сигналы на дели­тель мощности. Его выходные сигналы по­даются на два высокоскоростных переключа­теля в двух каналах, изображенных на схеме. В верхнем тракте (передающем) сигналы от генератора импульсов сначала модулируются и затем выдаются на высокоскоростной пере­ключатель (высокочастотный модулирую­щий переключатель). Из этого блока сигналы проходят на передающую антенну. В нижнем параллельном тракте (принимающем) ре­гулируемая задержка генерирует опорные сигналы, подаваемые на высокоскоростной переключатель в передающем тракте. При­нятый отраженный сигнал смешивается с выходным сигналом генератора, что слу­жит когерентным опорным значением для определения измерений частоты в принятом отраженном сигнале. Когерентность в этом контексте означает, что фаза переданного импульса остается сохраненной в опорном сигнале. Изменение определяется фильтром Допплера.

 

 

Излучаемая пиковая мощность в 20 дБм EIRP (уровень мощности при опорном зна­чении 1 мВт) дает расстояние измерения 20-50 м, в зависимости от размера и отражающих свойств данного предмета. Минимальное рас­стояние измерения составляет около 25 см.

Модуляция FMCW

 

На рис. «Блок-схема 4-х канального радара с частотно-модулированной незатухающей гармонической волной FMCW» показана блок-схема радара FMCW (частотно-модулированная незатухающая гар­моническая волны). Генератор на диоде Ганна в эхорезонаторе или новый генератор на базе SiGe параллельно подает сигналы, к примеру, на четыре патч-антенны, расположенные ря­дом друг с другом и также служащие для од­новременного приема отраженных сигналов. Установленная спереди пластмассовая линза Френеля фокусирует передаваемые и прини­маемые лучи, относительно оси автомобиля, в горизонтальном и вертикальном направле­ниях. Характеристики антенны в плане пере­дачи и приема имеют веерообразную форму в четырех разных направлениях из-за смещения антенн от центра. По расстоянию а до транс­портных средств, движущихся впереди, и по их относительной скорости Δv можно оценивать изменение ситуации относительно той, при которой они были обнаружены. Этот метод используется для обнаружения нескольких автомобилей.

 

 

Направленные ответвители разделяют передаваемые и принимаемые отраженные сигналы. Путем смешивания частоты приема и частоты передачи, находящиеся далее мик­шеры переносят частоту приема на более низ­кие частоты (0-300 кГц). Чтобы оценить их, низкочастотные сигналы оцифровываются и проходят высокоскоростной (гармонический) анализ Фурье для определения частот.

Метод работы разъясняется ниже на при­мере генератора Ганна. Частота генератора на основе диода Ганна непрерывно сравнивается с эталоном частоты диэлектрического резо­нансного генератора (DRO) и регулируется до определенной заданной величины. В данном случае напряжение питания диода Ганна изме­няется до тех пор, пока частота снова не будет соответствовать заданной. Через эту цепь с обратной связью, с пилообразными колеба­ниями, частота передачи f_s генератора Ганна кратковременно повышается и понижается на 300 МГц каждые 100 мс (частотная модуляция). Сигнал, отраженный от впереди идущей ма­шины, изменяется в соответствии со временем его прохождения, как показано на рис. 4, т.е., при увеличении расстояния до впереди идущей машины — путем понижения частоты, а при уменьшении расстояния — путем повышения частоты f_e на ту же величину Δf. Разность ча­стот Δf является прямой мерой расстояния а:

Δf = (f_s -f_е) = c₁·а 

(например, с₁ = 2 кГц/м).

Если же между двумя движущимися автомо­билями будет дополнительная относительная скорость Δv, то принимаемая частота f_е уве­личивается (при приближении) или уменьша­ется, на основании эффекта Допплера, как при возрастании, так и при снижении расстояния между машинами пропорционально величине:

Δf_d= c₂·Δv

(например, с₂ = 512 Гц на м/с).

Иными словами, имеются две дифферен­циальных частоты Δf₁ и Δf₂. Их сумма соот­ветствует расстоянию между автомобилями, а разность — относительной скорости Δv их движения (рис. «Измерение расстояния и скорости с помощью радиолокационной установки с частотно-модулированной незатухающей гармонической волной FMCW» ). При увеличении расстоя­ния:

Δf₁ =f_s-f_e = Δf-Δf_d = c₁·а-c₂·Δv

При уменьшении расстояния:

Δf₂ =f_s-f_e = Δf+Δf_d = c₁·а+c₂·Δv

Это значит, что:

a= (Δf₂ -Δf₁)/2c₁

Δv = (Δf₂ -Δf₁)/2c₂

 

 

Определение угла смещения объекта

 

Третьей основной величиной, помимо рас­стояния и относительной скорости, явля­ется боковое смещение (угол) объекта. Единственный способ измерить его — путем испускания луча радара в нескольких на­правлениях. Затем по отраженным сигна­лам определяется направление, из которого принят самый сильный отраженный сигнал. Чтобы определить угол, под которым радар находит объект, либо направляется один луч (сканирование), либо параллельно испуска­ются и анализируются несколько лучей.

Для измерения угла требуются не менее двух перекрывающихся лучей. Усиления амплитуд, измеряемых для определенного объекта в соседних лучах, позволяют сделать вывод об угле обзора. На практике сегодня используется четыре луча, с угловым разре­шением 1-2°.

Радар малой дальности (24 ГГц)

 

Используются два типа радаров малой даль­ности: узкополосные датчики и ультра широкополосные датчики (UWB). Диапазон узко­полосных датчиков составляет несколько МГц в диапазоне ISM (промышленность, наука и медицина) при 24 ГГц и они отли­чаются низкой разделяемостью объектов. Разделяемость объектов у датчика UWB с типичным диапазоном 5 ГГц — высокая, по­рядка нескольких сантиметров при удаленно­сти объектов около 1,5 м. Функции безопас­ности, реализованные с помощью датчиков этого типа (например, датчиков раннего рас­познавания столкновения) требуют коротких циклов измерения, порядка 2 мс и менее.

Диапазон типичных радарных датчиков ма­лой дальности составляет от 2 до 20-50 м, в зависимости от функции помощи водителю.

Датчики этого типа были впервые пред­ставлены в 2005 году в системах адаптивного круиз-контроля (АСС) с помощью при дви­жении в пробках. Здесь используются два радарных датчика малой дальности. Если с помощью этой сенсорной технологии потре­буется реализовать дополнительные функ­ции, то спереди и сзади автомобиля потребу­ется установить до четырех датчиков.

Радар большой дальности

 

Радар большой дальности (LRR), используе­мый для адаптивного круиз-контроля (АСС), сканирует зону перед движущимся автомоби­лем на расстояние до 250 м. Рабочая частота 76,5 ГГц (длина волны λ = 3,8 мм) допускает относительно низкопрофильные конструк­ции, необходимые в автомобилях.

Лидар

 

Лидары (лазерные локаторы ИК-диапазона) для адаптивного круиз-контроля (АСС) уже несколько лет используются в Японии. В принципе, лидары работают так же, как и радары, но отличаются от последних тем, что используют электромагнитные волны в инфракрасном диапазоне 800-1000 нм, а не микроволны в миллиметровом диапазоне. Лучи лидара могут иногда значительно за­глушаться туманом и условиями плохой видимости, особенно брызгами. Это может, соответственно, уменьшить дальность из­мерения. Поэтому они подходят для систем безопасности хуже, чем радары.

Инфракрасное излучение модулируется по интенсивности, но не по частоте. Блок-схема лидара показана на рис. «Блок-схема лидара«. Лидар создает модулированное инфракрасное излучение, отражаемое от предметов и принимаемое одним или несколькими фотодиодами в дат­чике. Модуляция может иметь следующие формы: прямоугольные волны, синусои­дальные колебания или импульсы. Модуля­тор передает информацию о модуляции на приемник. Таким образом, принятый сигнал можно сравнить с переданным, чтобы опре­делить либо фазовую разность сигналов, либо время их распространения, и на основа­нии этого вычислить расстояние до объекта. Отношение «сигнал-шум» очень сильно зависит от типа модуляции, наилучшие ре­зультаты достигаются при импульсной моду­ляции. Поэтому импульсная модуляция ис­пользуется на практике для лидаров большой дальности. Типичные значения длительности импульсов находятся в наносекундном диа­пазоне. Соответственно, длина импульсов со­ставляет порядка 1 метра. Для достижения точности измерения сантиметрового порядка можно использовать подходящие методы об­работки сигналов.

Горизонтальное и вертикальное разреше­ние достигается либо путем многолучевой конфигурации, либо путем механического сканирования. Преимущество механического сканирования состоит в очень высоком угло­вом разрешении при использовании всего одного приемно-передающего блока. Луче­вое сканирование реализуется либо путем использования поворотного зеркала, либо путем перемещения оптического элемента передатчика или приемника вперед-назад.

В отличие от большинства радарных дат­чиков, лидар не измеряет непосредственно скорость объекта. Скорость вычисляется путем дифференцирования сигнала расстоя­ния, в результате происходит определенная задержка и ухудшается качество сигнала. С другой стороны, хорошее горизонтальное разрешение сканирующего лидара намного превосходит разрешение типичного совре­менного радарного датчика.

 

 

Видеотехнология

 

Изображения несут в себе наибольшую часть информации, воспринимаемой чело­веком. Следовательно, очевидным методом в контексте разработки систем повышения безопасности при движении (DAS) является запись изображений, извлечение из них нуж­ных деталей и выявление опасных ситуаций посредством обработки изображений.

На первом этапе на рынок были выведены функции на основе видео — например, систем ночного видения, систем слежения за дорож­ной разметкой и распознавания дорожных знаков. На втором этапе функции, корректи­рующие динамику автомобиля через тормоза, рулевое управление и дроссельную заслонку (прежде всего при взаимодействии несколь­ких датчиков) открывают новые, эффектив­ные перспективы для надежного предотвра­щения ДТП и смягчения их последствий.

В этом контексте в автомобильной системе выполняются две различные задачи. Когда требуется создать особенно контрастное, яркое изображение, необходимое в системах ночного видения, производится обработка изображе­ния. Затем обработанное изображение выво­дится непосредственно на дисплей. Вторая за­дача предусматривает извлечение конкретного содержания изображения с помощью специ­альных алгоритмов (например, распознавание дорожных знаков). Принятую информацию можно затем использовать для предупрежде­ния водителя сигналами на дисплее или актива­ции соответствующих исполнительных органов.

Основные принципы фотосчитывания

 

Когда полупроводник освещается фотонами, создаются пары «электрон-дырка». Они, в свою очередь, генерируют электрическое поле, рекомбинируют и создают фотоэлек­трический ток. Здесь показатель «квантовая эффективность η» описывает количество пар «электрон-дырка», создаваемых одним фотоном.

Практически все проникающие в полупро­водник фотоны преобразуются в электри­ческие заряды. Однако существует сильная спектральная зависимость от средней длины поглощения, в которой возникает это фото­преобразование. Коротковолновый свет в принципе поглощается на поверхности по­лупроводника, а длинноволновый проникает глубоко внутрь него. Поэтому изображения с большим содержанием волн красного и инфракрасного диапазонов (например, си­стемы улучшения ночного видения) имеют гораздо меньший контраст, чем изображе­ния, записанные в коротковолновой части спектра. Поэтому для систем ночного виде­ния важно обрабатывать изображения в сто­рону улучшения контрастности. В системах любительского уровня перед камерой часто устанавливаются оптические фильтры для отсечки инфракрасной части спектра.

Фотоэлектрический ток растет пропор­ционально, на много порядков, падающему световому потоку и строго линеен в широ­ком динамическом диапазоне. Именно это делает полупроводниковые фотодатчики такой привлекательной перспективой для многочисленных систем массового спроса и измерительных систем.

Двумя наиболее важными фоточувствительными полупроводниковыми структурами являются фотодиод (рис. «Фотодиод» ) и металло­оксидный полупроводниковый конденсатор (МОП-конденсатор, рис. «МОП-канденсатор, работающий как интегрирующий фотодатчик» ), используемый в ПЗС-датчиках приборах с зарядовой связью. Обе эти полупроводниковых структуры изго­тавливаются по стандартным полупроводни­ковым технологиям.

Фотодиод состоит из сочетания полупрово­дниковых материалов с различными проводя­щими свойствами. В области пространствен­ного заряда на стыке двух полупроводниковых материалов существует электрическое поле. В то же время область пространственного за­ряда имеет определенную емкость, обратно пропорциональную ее толщине. Фотодиоды типично заряжаются до определенного по­тенциала и затем подвергаются воздействию света. Теперь фотоэлектрически генерируе­мые заряды распространяются по всей области пространственного заряда и накапливаются в фотодиодном конденсаторе. Остаточное на­пряжение измеряется сразу после облучения фотодиода светом. Разница между этим на­пряжением и напряжением сброса является мерой падающего света.

МОП-конденсатор (рис. «МОП-канденсатор, работающий как интегрирующий фотодатчик» ) состоит из по­лупроводникового материала, покрытого тонким оксидным слоем. На оксидный слой наносится металлический проводящий слой. При подаче положительного напряжения на металлический электрод МОП-элемента под изолирующим оксидным слоем создается область пространственного заряда стацио­нарных положительных зарядов. В случае падения света через прозрачный изолиро­ванный электрод (переднее облучение) или через подложку (заднее облучение) в этой зоне собираются фотоэлектрически генери­руемые электроны без возможности реком­бинирования и опока.

Типичное значение емкости фотодиода и МОП-конденсатора составляет 0,1 фФ/мкм.

ПЗС-матрицы

 

Для изготовления датчиков формирования изображений многие фотодиоды или МОП-конденсаторы соединяются в матрицы с большим числом пикселов. В то время как выходные сигналы фотодиодов соответ­ствуют мгновенным значениям светового потока (освещенности), следующие две структуры являются, по своей сути, интегри­рующими. Их сигнал соответствует общему количеству фотонов, проникших в датчик за время освещения. Такие датчики, в основном, нужны для изготовления линейных или одно­плоскостных матриц по принципу ПЗС (при­боры с зарядовой связью, CCD).

В случае с этими р-гс-фотодиодами лишь небольшая часть р-я-перехода чувствительна к излучению из-за экрана с вакуумным напы­лением. Но фотоэлектрически генерируемые заряды распространяются по всей области пространственного заряда и накапливаются там (в МОП-конденсаторе). Когда каналь­ный полевой униполярный МОП-транзистор закрыт, они могут опекать к совместно ис­пользуемой сигнальной линии (видеовыходу). МОП-транзистором управляет генератор син­хронизирующих импульсов через сдвиговый регистр (рис. «Линейное расположение фотодиодов с линией последовательного вывода«). Заряды, последовательно протекающие через видеовыход, являются мерой дозы излучения фотодиодов, активи­руемых в каждом случае.

Чтобы после облучения можно было сместить измерительный заряд по горизонтали, рядом с освещаемой зоной или коллекторным электро­дом располагаются дополнительные электроды, как показано на рис. «МОП-конденсатор с задней подсветкой и передающими электродами для переноса заряда«; вовремя интеграцион­ной фазы они находятся на нулевом потенциале. Если затем увеличить потенциал бокового пере­ходного электрода на положительное значение при одновременном уменьшении потенциала коллекторного электрода, то заряд можно сме­стить на соседний МОП-элемент, защищенный экраном от падения света.

Этот принцип переноса заряда формирует основу приборов с зарядовой связью. Со­гласно этому принципу аналоговые заряды можно смещать или передавать через мно­гие станции до полного преобразования в конце цепочки преобразований посредством усилителя заряда, к примеру, в сигнал напря­жения, который можно подать на быстрый аналогово-цифровой преобразователь.

Этот метод передачи заряда, который можно также рассматривать как аналоговый сдвиго­вый регистр, обеспечивает простую настройку длинных линейных множественных структур, а также матричных структур. Мельчайший элемент этих структур также называют пиксе­лом (pixel, сокращение от picture element). На данный момент максимально возможное ко­личество пикселов для линейных датчиков со­ставляет около 6000, а у матричных — порядка 2000-2000, т.е. четыре миллиона. Сегодняш­ние датчики для формирования изображе­ний в автомобилях работают с разрешением менее одного миллиона пикселов. Для более сложных автомобильных систем желательно иметь гораздо большее количество писелов. В камерах уровня потребительской электроники используются датчики с более чем 10 миллио­нами пикселов.

Размер пикселов, принимающих свет от традиционной линзы для передачи изобра­жений, сегодня варьируется в диапазоне 5-20 мкм. Соответственно, площадь матрицы составляет порядка 1 см². Если требуется уменьшить размер отдельных пикселов для увеличения разрешения или стоимости ма­трицы, важно помнить, что повлечет за собой уменьшение количества фотонов, попадаю­щих на пиксел. Таким образом, ограничения по уменьшению размера пикселов диктуются неизбежным ухудшением соотношения «сигнал/шум»; с увеличением разрешения растет уровень цифрового шума.

Ограничивается даже заряд, поглощаемый отдельными, интегрирующими ячейками. При превышении этого предела заряд может «перетечь» в соседние ячейки. Это также называют эффектом расплывания изобра­жения, который в принципе ограничивает динамическую реакцию «светлый/темный» в ПЗС-технологии. Даже с дополнительными мерами против расплывания изображения эту динамическую реакцию едва удается уве­личить сверх величины около 50 дБ без до­полнительных мер, таких как регулируемые экран и время выдержки.

Как показано на рис. «Принцип работы ПЗС-матрицы«, создаваемые в фотодиоде фотоэлектрические заряды сна­чала смещаются из зоны экспозиции посред­ством перемещающихся электродов и управ­ляющих сигналов в сторону, в столбцовую структуру. Затем заряды всех столбиков по тому же принципу одновременно смещаются вниз, где они рядами перетекают в горизон­тальный «сдвиговый регистр». Оттуда они последовательно считываются и обрабаты­ваются.

 

 

Сегодня ПЗС-матрицы — наиболее распро­страненная полупроводниковая технология с датчиками для формирования изображений. Однако ограниченная реакция «светлый/тем­ный», относительно высокая потребляемая мощность по сравнению с другими техноло­гиями при трех разных рабочих напряжениях, и ограниченный диапазон температур не по­зволили им получить широкого распростра­нения в автомобилях.

 

 

КМОП-матрицы

 

Сегодня КМОП-матрицы являются более перспективным решением по сравнению с ПЗС-матрицами, и уже широко используются во многих областях. Здесь понятие «КМОП- матрица» может внести путаницу, потому что КМОП (сокращение от «комплементар­ный металлооксидный полупроводник») — это особая полупроводниковая технология. С другой стороны, ПЗС-матрица тоже со­держит МОП-структуры (структуры металлооксидных полупроводников). КМОП-матрицы существенно отличаются от ПЗС-матриц не только технологией изготовления, но и рядом особенностей.

Пикселы здесь считываются не последо­вательно, а по аналогии с ячейкой памяти в оперативном запоминающем устройстве, мо­гут активироваться по-отдельности, так как расположены в матричной структуре. С этой целью для каждого пиксела также интегри­рована активная электроника (APS, активный датчик пиксела).

Интегрирующие фотодиоды не исполь­зуются. Вместо них используются те, что в большой степени не зависят от времени вы­держки.

Значения яркости не пропорционально преобразуются в электрические сигналы, а логарифмируются. Поэтому они имеют схо­жую характеристику с человеческим глазом. Только это позволило увеличить динамиче­скую реакцию «светлый/темный» до более чем 100 дБ без дополнительных мер.

КМОП-матрицы реализуются не на основе стандартной КМОП-технологии. Вместо этого используется КМОП-технология, оптимизи­рованная до фотоэлектрического элемента, который, благодаря гораздо меньшей потре­бляемой мощности, чем у ПЗС-матриц, по­зволяет добавлять на матричный чип другую активационную и оценочную электронику.

Поскольку время доступа к отдельным пик­селам составляет порядка нескольких десят­ков нс, КМОП-матрицы допускают несколько более высокую частоту смены кадров, осо­бенно при использовании возможности счи­тывания только фрагментов изображения (субфрейминг), чего не позволяют сделать ПЗС-матрицы.

На рис. «КМОП-матрица» показан фрагмент структуры КМОП-матрицы. Отдельный пиксел состоит из фотодиода и канального полевого униполяр­ного МОП-транзистора (M0SFET) в качестве переключающего элемента. Каждый пиксел можно индивидуально активировать и считы­вать с него сигналы через матричную структуру.

Все фотодиоды заряжаются до противодей­ствующего напряжения смещения величиной около 5 В. Отдельные пикселы разряжаются до определенного напряжения под влиянием падающего света. Сигнал пискеля считывается путем активации соответствующих формиро­вателей строк и столбцов, в результате чего создается проводное соединение от пиксела к выходному усилителю. Затем пиксел снова заряжается через это соединение до ис­ходного противодействующего напряжения. Усилитель измеряет необходимый заряд для каждого пиксела. Это точно соответствует фотозаряду, накопленному пикселом. Таким образом, каждый пиксел можно считывать ин­дивидуально, а время выдержки можно опре­делить через внешнюю схему выборки адреса.

Эта APS-технология, при которой в ма­трицу интегрируется транзистор MOSFET, обеспечивает низкий уровень шумов. Самый простой пиксел APS состоит из фотодиода и трех MOSFET. Fla рис. «Схема пиксела HDRC в разрезе»  схематично изо­бражена структура пиксела HDRC (КМОП — технология с расширенным динамическим диапазоном). Светочувствительным элемен­том этого варианта КМОП-матрицы является фотодиод, поляризованный в направлении блокировки, последовательно соединенный с р-канальным МОП-транзистором (М1), работающим ниже напряжения открывания. Диодный ток, пропорциональный освещен­ности, также должен протекать через блоки­рованный транзистор. Напряжение его по­токового перехода U_Gs в широком диапазоне практически идеально логарифмически за­висит от протекающего фототока. Два других транзистора М2 и М3 служат для развязки сигнала, подаваемого через мультиплексор на быстрый 10-битный аналого-цифровой преобразователь.

Технология определения дальности

 

Формирователи изображений для определе­ния дальности — это датчики, все еще нахо­дящиеся на стадии разработки, сочетающие характеристики лидаров и видеокамер. Их можно считать видеодатчиками с дополни­тельной функцией измерения расстояния до ближайшего объекта каждым пикселом камеры. Наиболее известной технологией в современном автомобилестроении является фотонное смешивающее устройство (PMD).

Находящийся перед автомобилем объект подвергается модулированному облучению светодиодами в диапазоне, близком к инфра­красному. Для принятого фоточувствительным датчиком сигнала также оценивается время его распространения. Это создает трехмерное изображение окружающей автомобиль обстановки. Если все еще суще­ствующие проблемы можно преодолеть, то технологию PMD следует рассматривать как серьезную альтернативу другим датчикам в коротком и среднем диапазонах дальности.

В следующей статье я расскажу о мехатронике.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Датчики двигателя внутреннего сгорания. Как работают!

Совсем недавно наткнулся на очень интересное видео, в котором рассказывается о том, какие датчики устанавливаются на двигатели внутреннего сгорания, за что они отвечают и как они работают. Данная система не характеризует все варианты двигателей одновременно, но, по сути, показанная схема работы примерно такая во всех ДВС с возможными небольшими отклонениями в силу их модификации. Могу поспорить что это видео будет очень интересно тем, кто только начал знакомиться с устройством автомобиля и интересуется как работает двигатель современного атмосферного авто.

В этом ролике Вы узнаете информацию о следующих датчиках:

1. Датчик массового расхода воздуха (ДМРВ) — этот датчик обычно устанавливается сразу же за воздушным фильтром в системе впуска, он измеряет количество воздуха, поступающего в двигатель. Иногда в данном датчике совмещен датчик температуры воздуха. Показания датчика отправляются в электронный блок управления двигателем (он де “мозги” и он же ЭБУ). Датчик необходим для правильного расчета топливовоздушной смеси.
2. Датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ) — располагается на самой дроссельной заслонке. Он сообщает ЭБУ о положении заслонки и динамики ее движения. Положение заслонки напрямую привязано к педали газа, чем сильнее жмем на газ, тем больше она открывается и пропускает больше количество воздуха.  
3. Датчик положения коленчатого вала (ДПКВ) — один из самых важных датчиков в двигателе, обычно располагается рядом со шкивом коленвала или около маховика. Он определяет положение и скорость вращения коленчатого вала. Для определения скорости вращения на шкиве предусмотрен зубчатый диск, а для определения его положения на диске есть метка, пропущенный зубчик. На основе показания с этого датчика устанавливается момент впрыска ТВС (топливовоздушной смеси) и угол опережения зажигания. 
4. Датчик положения распределительного вала (ДПРВ) располагается в районе головки блока цилиндров, рядом с распредвалом. Как не сложно понять, он определяет положение распределительного вала ДВС. В самом примитивном его исполнении он показывает положение верхней мертвой точки поршня первого цилиндра в такте сжатия. На его основе ЭБУ узнает, когда нужно производить впрыск топлива форсунками и зажигает ТВС.
5. Датчик детонации (ДД) располагается на блоке цилиндров, обычно располагается в его верхней части между вторым и третьим цилиндром в “четырех горшковом” блоке. Этот датчик очень важен, он улавливает металлические стуки в двигателе, которые характерны детонации ТВС в камере внутреннего сгорания. По показаниям данного датчика ЭБУ может корректировать угол опережения зажигания ТВС, чтобы предотвратить детонацию в двигателе, если это возможно. Обычно при этом двигатель теряет часть мощности.
6. Датчик температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ), находится недалеко от выхода жидкости из блока цилиндров (или термостате или тройниках системы охлаждения). Сам датчик измеряет температура антифриза, что вполне логично. По показаниям данного датчика ЭБУ корректирует работу двигателя при его запуске “на холодную”. Будут повышенные обороты двигателя, а также ЭБУ формирует более богатую топливно-воздушную смесь. В случае превышения нормы температуры охлаждающей жидкости, ЭБУ включает вентиляторы радиатора.
7. Датчик кислорода (ДК), он же лямбда зонд, устанавливается в выпускной системе до катализатора. В авто под “Евро 2” устанавливался всего один датчик, в авто под “евро 4” и выше устанавливается два или три датчика. Эти датчики показывают количество кислорода в выхлопных газах двигателя. На основе первого регулирующего датчика ЭБУ корректирует подачу топлива форсунками, обогащает или обедняет ТВС, в зависимости от показаний лямбда-зонда. Второй (третий) датчик играет диагностическую роль и может давать оценку работы катализатора, а также влиять на формирование ТВС.
8. Датчик скорости автомобиля (ДСА) обычно находиться на коробке передач автомобиля или он может быть совмещен с датчиком АБС, располагаясь на ступице в районе ШРУСА. Данные о скорости также влияют на формирование и подачу ТВС в камеры сгорания ДВС.
9. Датчик давления масла (ДДМ) необходим для определения давления масла в системе смазки двигателя. Хочется сказать, что в некоторых современных автомобилях он просто отсутствует в силу победы маркетологов над инженерами. Показания данного датчика являются информативными и не влияют на работу ДВС. Нужно знать, что данный датчик не показывает уровень масла в системе, и обычно, когда загорается масленка на панели приборов водителя, то уже слишком поздно подливать масло, так как в ДВС в это время уже начался износ трущихся поверхностей.
10. Датчик температуры всасываемого воздуха (ДТВВ). О нем я уже писал чуть выше, он может быть совмещен с датчиком 1 (ДМРВ) или же быть как обособленный датчик в системе впуска. Данные датчика позволяют определять плотность всасываемого воздуха для корректировки ТВС.
11. Датчик абсолютного давления (ДАД) помогает ЭБУ рассчитать правильную пропорцию ТВС. Зная температуру воздуха и его давление можно рассчитывать ТВС без ДМРВ, но обычно данный датчик работает в паре с ним и с датчиком температуры воздуха.
12. Датчик неровной дороги (ДНД) устанавливается далеко не на каждом автомобиле, он располагается на чашке стойки и амортизатора переднего колеса. Он улавливает колебания кузова при движении автомобиля по неровной поверхности. Данные показания отправляются в ЭБУ, которое в свою очередь отключает диагностику пропусков зажигания вследствие неравномерного вращения коленчатого вала, что может быть последствием движения по неровной дороге. 

В случае выхода из строя почти всех перечисленных датчиков, электронный блок управления автомобиля перейдет в аварийный режим работы двигателя, а данные с вышедшего из строя датчика будут замещаться усредненными показателями заложенными в ЭБУ. Но в случае выхода из строя датчика положения коленчатого вала, двигатель может перестать работать. Обычно выход из строя датчиков сопровождается индикацией лампочкой “CHECK ENGINE” на панели приборов, но это не факт. Для каждого автомобиля индикация может показываться, а может и не показываться. Если, к примеру взять мою Шкоду Октавию, то отключение датчика ДМРВ никак не показывается на приборке, но если диагностическим сканером прочитать ошибки, то она будет записана в память.

Материалы данной статьи были взяты из самого видео.

Что такое автомобильные датчики и как они работают?

• Дом
• Категории
  • Принадлежности
    • Аксессуары для интерьера
    • Внешние аксессуары
    • Игрушки
  • Очистка и детализация
  • Электроника
    • Аудио
  • Двигатель и производительность
  • Инструменты
  • Шины и диски
  • Мотоциклы и велосипеды
  • Уход на дому
  • Кемперы на колесах
  • Внедорожники
  • Гарантии
    • Расширенные гарантии
    • Заводские гарантии
• Блог
• Инструменты
  • Калькулятор размера шин
  • Поиск колес и шин
• О нас
• Связаться

• Дом
• Категории

.

типов автомобильных датчиков, используемых в автомобильных двигателях

Современные автомобили оснащены множеством датчиков. Вы можете слышать о некоторых из них, таких как: датчик положения дроссельной заслонки, датчик TPMS,…. Эти датчики, встроенные в их двигатель, позволяют владельцу определять и предотвращать возможные проблемы до того, как они приведут к поломке, и могут привести к дорогостоящему ремонту. Эти датчики автомобильного двигателя также гарантируют, что автомобиль работает с максимальной эффективностью. Многие владельцы даже не знают, сколько датчиков встроено в двигатель их автомобилей и какую ценность они добавляют.Это список основных автомобильных датчиков и их функций, составленный автомобильным экспертом Car From Japan .

Датчик массового расхода воздуха (MAF)

Датчик массового расхода воздуха важен для водителей

Из различных типов датчиков, используемых в автомобилях, датчик массового расхода воздуха (MAF) представляет собой управляемый компьютером датчик, который вычисляет объем и плотность воздуха, всасываемого двигателем. Это, в свою очередь, гарантирует использование правильного количества топлива для оптимальных условий эксплуатации.Если этот датчик неисправен, автомобиль может заглохнуть, и расход топлива будет выше необходимого.

Датчик оборотов двигателя

Датчик частоты вращения двигателя поможет автовладельцам лучше управлять своими автомобилями

Датчик скорости двигателя прикреплен к коленчатому валу и контролирует скорость вращения коленчатого вала, который контролирует впрыск топлива и синхронизацию двигателя. Есть много способов внезапной остановки двигателя автомобиля, и этот датчик предотвратит это для водителей.

Датчик кислорода

Датчики кислорода также используются в противогазах.

Датчик кислорода измеряет количество свободного кислорода, который присутствует в выхлопной трубе, и показывает, горит ли топливо богатым или бедным.Неисправный кислородный датчик приведет к плохой работе автомобиля на холостом ходу и рывкам, а также к высокому расходу топлива.

Датчик абсолютного давления в коллекторе

Датчик абсолютного давления в коллекторе — еще один мощный инструмент.

Датчик абсолютного давления в коллекторе, или MAP, определяет нагрузку на двигатель. Поскольку он установлен на впускном коллекторе, он может измерять разницу между давлением во впускном коллекторе и внешним давлением. Это важно для двигателя, чтобы иметь возможность регулировать впрыск топлива в зависимости от изменения давления.

>> Ищете для себя подходящий недорогой подержанный автомобиль в Японии? нажмите здесь <<

Датчик детонации

Искровой датчик детонации гарантирует, что топливо горит плавно и не детонирует (беспорядочно взрывается). Детонация может привести к выходу из строя прокладки головки, поломке поршневых поверхностей и разрыву колец, а также к повреждению подшипников штока.

Посмотрите видео, чтобы узнать больше об обычных автомобильных датчиках и их функциях.

Датчик температуры топлива

Перегрев топлива и двигателя может быть очень опасным

Датчик температуры топлива — это еще один датчик, который обеспечивает максимальный расход топлива вашим автомобилем. Чем холоднее топливо, тем плотнее и медленнее оно горит, а теплое топливо горит быстрее. Многие автомобильные детали будут повреждены, когда в автомобиле закончится топливо, поэтому этот датчик обеспечивает впрыск нужного количества топлива для обеспечения плавной работы автомобиля и максимальной эффективности.

ПОДРОБНЕЕ:

Датчик напряжения

Маленький, но мощный

Другой важной частью в списке автомобильных датчиков является датчик напряжения. Этот датчик управляет скоростью холостого хода автомобиля и обеспечивает увеличение или уменьшение скорости по мере необходимости.

С таким большим количеством датчиков водителям может потребоваться много денег, чтобы купить все из них, а некоторые могут даже не оказаться необходимыми для их нужд. Владельцы автомобилей Experience выберут только те датчики, которые подходят для их автомобилей, и с этой статьей вы теперь поймете, что нужно вашему любимому автомобилю.

Список автомобильных датчиков

Автовладельцам очень важно знать, как работает это оборудование. Чтобы вам было легче понять определение и функцию, вот список популярных датчиков двигателя автомобиля , используемых в современных транспортных средствах:

СТТ	Датчик	Основная функция
1	Датчик массового расхода воздуха	Рассчитывает плотность и объем воздуха, всасываемого двигателем.
2	Датчик оборотов двигателя	Контролирует скорость вращения коленчатого вала
3	Датчик кислорода	Измеряет количество свободного кислорода, присутствующего в выхлопной трубе.
4	Датчик абсолютного давления в коллекторе	Измеряет давление в коллекторе внутри и снаружи
5	Датчик искрового детонации	Обеспечивает правильное сжигание топлива
6	Датчик температуры топлива	Обеспечивает впрыск необходимого количества топлива для плавного движения
7	Датчик напряжения	Управляет скоростью автомобиля и обеспечивает ее управляемость

>> Нажмите, чтобы узнать больше полезных советов по обслуживанию автомобиля!

.