КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Классификация электрических измерений неэлектрических величин

Измерительные преобразователи неэлектрических величин в электрические величины подразделяются как параметрические и генераторные. В параметрических преобразователях выходной величиной является приращение параметра электрической цепи — сопротивления, индуктивности, емкости и взаимоиндуктивности, поэтому при их использовании необходим источник питания.

В генераторных преобразователях выходной величиной являются электродвижущая сила (ЭДС), сила тока или заряд, функционально связанные с измеряемой неэлектрической величиной.

При создании измерительных преобразователей стремятся получить линейную функцию преобразования. Функция преобразования неэлектрической и электрической величины обусловливает погрешности нелинейности, являющейся одной из главных составляющих погрешности измерения неэлектрической величины.

Основные физические принципы измерения неэлектрических величин электрическими методами

В последнее время электроизмерительная техника получает все более широкое распространение благодаря ряду существенных преимуществ электрических методов измерений, таких как точность, чувствительность, возможность измерения на расстоянии и т. д. Быстро развиваются косвенные методы измерения неэлектрических величин. Суть косвенных измерений в том, что измеряемая неэлектрическая величина при помощи специального устройства (датчика) преобразуется в пропорциональную ей электрическую величину, которая измеряется и используется для обеспечения процесса регулирования в ЭСАУ. Таким способом могут измеряться различные механические, физические и химические величины:

• • перемещения;
• • скорости;
• • частоты вращения вала;
• • частоты колебаний;
• • температура;
• • давление;
• • влажность;
• • концентрация вещества;
• • химический состав вещества.

Системы автоматического управления и регулирования агрегатов автомобиля, встроенная диагностика, диагностическое и гаражное оборудование, бурно развивающиеся в последнее время, также требуют устройств, преобразующих контролируемые неэлектрические величины в электрические, так как их значения удобно анализировать, хранить и использовать для управления, диагностики и ремонта. Такими устройствами являются преобразователи — датчики.

Важнейшей характеристикой любого датчика является его чувствительность определяемая как отношение приращения выходной величины Лх_выхк приращению входной Дх_вх:

Ду

о _ ^вых

Физические принципы работы датчиков основаны на следующих физических эффектах Холла, Зеебека, Пельтье, Томсона.

Эффект Холла — возникновение в твердотельном полупроводнике с током, помещенном в магнитное поле, электрического поля в направлении, перпендикулярном направлению тока и магнитного поля. Возникающая разность потенциалов — напряжение Холла (Т1Х) — зависит от величины и направления приложенного магнитного поля и электрического тока.

Большинство датчиков Холла изготавливается из кремния. Поскольку кремний обладает тензорезистивными свойствами, датчики Холла могут реагировать на механические напряжения, поэтому требуется минимизировать нагрузки на корпус датчика и подводящие провода. Кроме того, датчики Холла являются чувствительными к температуре — ее колебания приводят к изменению сопротивления чувствительных элементов.

Термоэлектрические эффекты

Эффект Зеебека — процесс возникновения ЭДС в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при разной температуре. Применяется в таких популярных датчиках температуры, как термопары, а также в термоэлементах для детектирования тепловых излучений.

Эффект Пельтье — процесс выделения или поглощения теплоты при прохождении электрического тока через контактирующие (спаи) двух различных проводника. Это явление характерно, когда ток поступает от внешних источников, и в случае, когда он индуцируется от термопары вследствие эффекта Зеебека.

Тепло Пельтье, в отличие от Джоулева тепла, линейно зависит от силы тока.

В местах соединения двух и более различных металлов, имеющих разную температуру, всегда возникает термоэлектрический ток, что необходимо учитывать при разработке электронных устройств и схем.

Эффект Томсона — процесс поглощения или высвобождения тепла в проводнике при протекании электрического тока, является примерно обратным эффекту Зеебека.

Световое излучение. Это очень эффективная форма энергии, по изменению которой с помощью датчиков можно судить о многих внешних воздействиях — расстоянии, движении, температуре, химическом составе и т. д.

В разных диапазонах светового спектра используются различные свойства света. Свет может преломляться, отражаться, поглощаться, интерферировать, поляризоваться, распространяться.

При разработке методов и систем управления светом в датчиках задача заключается в том, чтобы определить количественное изменение параметров, характеризующих свет, и соотнести это изменение с величиной внешних воздействий.

Коэффициенты отражения, ослабления и пропускания, коэффициент преломления, характеристики пропускания света различными средами, спектральный диапазон излучений и многие другие характеристики как источника излучения, так и сред, взаимодействующих со световым потоком или лучом, требуется учитывать при разработке соответствующих датчиков.

Звуковые волны — периодические расширения и сжатия среды — продольные механические волны (инфразвуковые и ультразвуковые).

Детектирование инфразвуковых волн применяют при исследовании строительных конструкций, предсказании землетрясений, изучении других объектов, обладающих большими геометрическими размерами.

Скорость звука в среде зависит от упругости, температуры и инерционных свойств среды распространения звука, что положено в основу работы, например, бесконтактных акустических термометров.

Ультразвуковые волны применяют в системах безопасности автомобилей, например в электронных системах автоматической парковки автомобиля и т. д.

Электрические заряды, поля, потенциалы, электроемкость также используются в работе датчиков, предназначенных для измерения различных величин.

Так, конденсатор часто используется в составе датчиков расстояния, давления, силы, объема, площади и т. д.

Для плоского конденсатора используется формула

где є — диэлектрическая проницаемость воздуха. Для цилиндрического конденсатора:

С = 2к ? є • є

о

1п

Я

Я

Л’

V "I У

где е — относительная диэлектрическая постоянная; е₀ = 8,854185 • КГ¹² — диэлектрическая постоянная; Я — линейная длина конденсатора;

Я, — малый внутренний радиус, его может не быть; Я₂ — большой радиус обкладки конденсатора.

Если внутренний цилиндр может двигаться относительно внешнего цилиндра, то на основании такой конструкции можно реализовать датчик перемещений по линейной зависимости величины емкости С от длины Ь.

Диэлектрическая проницаемость е, связанная с тем, что у некоторых материалов наблюдают зависимость величины диэлектрической проницаемости от температуры либо частоты. Например, для воды е уменьшается с ростом температуры, если какая-либо характеристика конденсатора зависит от внешнего воздействия, на основе этой зависимости можно построить датчик.

Явление магнетизма — на основе магнитных явлений реализуют большое число датчиков. На основе постоянных магнитов строятся датчики движения, перемещения, положения и др. Используется также явление электромагнитной индукции и формулы (табл. 1.1).

Из табл. 1.1 следует, что величина ЭДС индукции зависит от:

• • движения источника магнитного поля;
• • изменения тока в катушке;
• • изменения ориентации контура в поле;
• • изменения геометрии контура.

На этих зависимостях можно построить датчики для измерения различных величин.

Эффект Поккельса — линейный электрооптический эффект, изменение показателя преломления света в кристаллах, помещенных в электрическое поле. Показатель преломления света пропорционален приложенной разнице потенциалов или напряженности поля в точке расположения кристалла. Наблюдается только у пьезоэлектриков. Требует высоких напряжений 10...500 кВ для получения заметного действия. Используется в лазерной технике для модуляции света. Обладает малой инерционностью.

При этом величина разности фаз расщепленных лучей пропорциональна первой степени напряженности поля (линейный электрооптический эффект, а также продольный электрооптический эффект). Наиболее ярко эффект реализуется в кристалле дигидрофосфата калия.

Эффект Поккельса по сравнению с эффектом Керра имеет меньшую зависимость от температуры.

Эффект Керра — квадратичный электрооптический эффект — явление изменения показателя преломления оптического материала пропорционально квадрату напряженности приложенного электрического поля.

Основные эффекты, явления и свойства, используемые в датчиках ЭСАУ, сведены в табл. 2.1, а в табл. 2.2 и в приложении П2 — основные формулы электромагнетизма и их математическое описание.

Таблица 2.1. Эффекты, явления, свойства и физическая сущность преобразований, используемые в датчиках ЭСАУ

Окончание табл. 2.1

Таблица 2.2. Основные формулы электромагнетизма

Материалы, применяемые для датчиков

Кремний (51) — второй в количественном отношении материал на Земле (весовая концентрация в земной коре 25,7 %). 51 является относительно инертным веществом — вступает в реакцию только с галогенами и растворами щелочей. Большинство кислот, кроме фтористоводородной кислоты, не оказывают никакого влияния на кремний.

• 51 пропускает ИК-излучение, поэтому используется для изготовления окошек в ИК-датчиках.
• 51 является недорогим материалом, технология его производства позволяет контролировать его чистоту и качество.

Свойства 51, как чистого, так и легированного различными атомами других веществ, хорошо изучены, поэтому он широко применяется для изготовления датчиков и других компонентов электроники.

Большинство физических эффектов, свойственных Бц — эффект Холла, Зеебека, пьезорезистивный — носят ярко выраженный характер. В то же время температурная зависимость параметров Б1 также ярко выражена, что необходимо учитывать при создании датчиков и систем на основе кремния. Следует предусматривать цепи температурной компенсации.

Кремний обладает уникальными механическими свойствами, которые используются при изготовлении датчиков давления, силы, температуры, прикосновений и пр.

Тонкопленочная и фотолитографическая технологии, традиционно используемые при производстве интегральных микросхем, позволяют формировать прецизионные механические микроструктуры, т. е. налаживать серийное производство датчиков с такими структурами.

Пластмассы (полимеры) — это материалы, сформированные из мономеров, которые при полимеризации образуют длинные цепочки из повторяющихся звеньев. Например, полиэтилен, полистирол и пр.

Полимеры состоят из атомов углерода, связанных между собой и с атомами других элементов. В основном в состав полимеров входят атомы 8 элементов — углерод, водород, кислород, азот, кремний, сера, хлор и фтор, что позволяет создавать тысячи разных пластмасс.

Для полимеров очень важной характеристикой является молекулярный вес (длина цепочки полимера), от которого зависят жесткость, прочность, температура плавления материала, вязкость материала в расплавленном состоянии, а также сложность процесса его обработки.

Другой важной характеристикой полимеров является плотность полимерных цепочек. Увеличение плотности ведет к повышению жесткости и прочности и к усложнению процесса обработки.

Наиболее часто используемые в датчиках материалы:

• • А1 и сплавы, Ве и сплавы, М^, N1 и сплавы, Си и сплавы, РЬ и сплавы, Р1, Аи, Ag, — используются в основном сплавы, палладий, иридий, родий, молибден, вольфрам;
• • из сплавов с содержанием железа изготавливают магнитные датчики и экраны.

К керамикам в электронных технологиях относятся карбиды некоторых материалов, а также нитриды некоторых металлов.

Обладают кристаллической структурой, высокой прочностью, температурной устойчивостью, низким весом, устойчивостью ко многим химическим реактивам, отличными электрическими характеристиками, высокой жесткостью, вследствие чего требуют особых методов обработки.

При выборе материала необходимо руководствоваться не только его свойствами, но и способами его обработки и стоимостью.

В общем случае перед разработкой или выбором датчика необходимо определиться со следующими вопросами, например:

• • величина и тип измеряемых датчиком величин;
• • требуемая точность и разрешающая способность датчика;
• • материал, из которого изготовлен или состоит датчик (металл, пластмасса, жидкость, ферромагнетик, биологическая ткань и пр.);
• • потребляемая мощность датчика;
• • размер пространства, отведенный под монтаж датчика;
• • срок службы датчика;
• • количество датчиков, которое необходимо производить и стоимость одного датчика.