2 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.

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.

Из сказанного ясно, что сегодня датчики устанавливаются практически во всех системах автомобиля[3, с.329].

На рисунке 2.1 показано наиболее рациональное расположение различных датчиков на автомобиле.

Д атчики 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 (рисунке 2.2) датчики (Д) бывают активными (позиция 2 на рисунке 2.2), 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 (позиция 3 на рисунке 2.2), в которых электрический сигнал (ЭС) есть следствие модуляции внешней электрической энергии (ВЭ) управляющим неэлектрическим воздействием (НВ). Например, потенциометрический датчик, показанный па рисунке 2.2 (позиция 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 рисунке 2.2, (позиция 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 (рисунок 2.2, позиция 4). Линейная характеристика преобразования (рис. 2.2, позиция 6) может быть легко изменена на квадратичную, ступенчатую и любую нелинейную с заданной крутизной, что достигается подбором конструктивных размеров (длины, ширины, толщины) резистивной дорожки.

Рисунок 2.1 – Расположение датчиков в автомобиле

На рисунке показаны:

– датчик конфигурации впускного коллектора с управляемой геометрией 1;

– датчик тахометра 2;

– датчик положения распределительного вала 3;

– датчик нагрузки двигателя 4;

– датчик положения коленчатого вала 5;

– датчик крутящего момента двигателя 6;

– датчик количества масла 7;

– датчик температуры охлаждающей жидкости 8;

– датчик скорости автомобиля 9;

– датчик давления масла 10;

– датчик уровня охлаждающей жидкости,— радарный датчик системы торможения 12;

– датчик атмосферного давления 13;

– радарный датчик системы предотвращения столкновений 14;

– датчик скорости вращения ведущего вала коробки передач 15;

– датчик выбранной передачи в коробке передач 16;

– датчик давления топлива в рампе форсунок 17;

– датчик скорости вращения руля 18;

– датчик положения педали 19;

– датчик скорости вращения автомобиля относительно вертикальной оси 20;

–датчик противоугонной системы 21;

– датчик положения сиденья 22;

–датчик ускорения при фронтальном столкновении 23;

– датчик ускорения при боковом столкновении 24;

– датчик давления топлива в баке 25;

– датчик уровня топлива в баке 26;

– датчик высоты кузова по отношению к шасси 27;

– датчик угла поворота руля 28;

– датчик дождя или тумана 29;

– датчик температуры забортного воздуха 30;

– датчик веса пассажира 31;

– датчик кислорода 32;

– датчик наличия пассажира в сиденье 33;

– датчик положения дроссельной заслонки 34;

– датчик пропусков воспламенения 35;

– датчик положения клапана рециркуляции выхлопных газов 36;

– датчик абсолютного давления в впускном коллекторе 37;

– датчик азимута 38

–датчик скорости вращения колес 39;

– датчик давления в шинах 40.

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

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. Но есть и такие, которые появились относительно недавно и находятся на стадии внедрения в новейшие автомобильные системы.

Рисунок 2.2 – Модели датчиков ЭСАУ