Текущая линейка Hella, например, включает как относительно простой поплавковый переключатель, так и интеллектуальные термические датчики для непрерывных аналоговых измерений уровня масла (рис. 8а-в).
Любой тип датчиков гарантирует обнаружение отсутствия масла и подачу команды о невозможности запуска двигателя, но конструкции на основе поплавковых переключателей, хотя все еще более предпочтительны, чем масляный щуп, уже несколько устарели, поскольку функциональный принцип поплавковых переключателей предполагает срабатывание датчика только в фиксированных точках переключения.
Тепловые датчики Thermal oil level sensors Hella измеряют уровни в диапазоне примерно 50 мм и могут опционно определять температуру масла (рис. 8в). Согласно термическому принципу уровень масла вычисляется по времени охлаждения сенсорного элемента из линейного соотношения с уровнем при полном заполнении. Датчик с характеристикой аналогового типа по состоянию масла косвенно обеспечивает контроль состояния двигателя, способствуя раннему обнаружению сбоев.
Измерения осуществляются непрерывно в процессе вождения, включая этапы перемещения машины по наклонной поверхности, остановки, боковое и продольное ускорения, допуски, с индикацией минимально необходимого или текущего уровня масла.
Датчики состояния масла
Постоянные изменения в технологиях автомобильных двигателей, основными целями которых являются оптимизация работы двигателя и достижение соответствия новым стандартам эмиссии, сформировали потребность в новых многопараметрических датчиках, располагаемых в двигателе внутреннего сгорания. Многие компании в последние годы активно разрабатывают датчики состояния масла двигателя Oil condition sensors (рис. 9) -- надежный и эффективный в стоимостном выражении способ решения ряда проблем экономического и экологического характера. Эти датчики осуществляют комплексный мониторинг состояния масла (и не только его уровня, давления или температуры) в реальном времени, информируя ECU, с целью:
· максимизировать полезный срок службы масла и фильтра , минимизировать потребление натуральных ресурсов;
· минимизировать цену эксплуатации масла и простои машины, допустить большие интервалы между заменами масла, уменьшая потребительские расходы;
· точно указывать срок замены масла;
· поддерживать необходимый уровень масла;
· регулировать расположение масляного фильтра;
· защищать двигатель;
· уменьшать гарантийные издержки;
Датчик состояния масла помогает защищать двигатель посредством ранней диагностики сбоев, подачи тревоги водителю и невозможности запуска, если падает не только уровень, но и качество масла, что может быть следствием превышения срока службы масла или указанием на проблемы с двигателем. Датчик помогает улучшать характеристики вождения транспортного средства, так как состояние масла может значительно различаться в зависимости от многих условий. С высокой точностью определяется оптимальное время замены масла.
На старение масла влияют различные факторы, такие как:
· индивидуальное поведение водителя при вождении;
· частота холодных стартов;
· качество топлива;
· загрязнения, например, сажа в дизельных двигателях, образование нитратов и окислений в двигателях с искровым зажиганием, а также вследствие утечки топлива, охладителя, воды;
· окружающие условия.
Например, компания Bosch разрабатывает многофункциональный датчик состояния и уровня масла SGM110 (рис. 9а), который измеряет температуру, уровень масла (20-100 мм), а также его вязкость (3-300 мм2/с) и диэлектрическую проницаемость (рис. 10б-г).
Камертонный резонатор и обрабатывающая электроника размещены в многокристальной ASIC. Интегральный датчик способен диагностировать начало деградации масла (уменьшения или загрязнения, например, копотью, или вследствие утечки топлива и охладителя).
Датчик качества топлива для FFV
Двигатель и топливная система FFV-автомобиля должны быть адаптированы к запуску на коррозионном спиртовом топливе. Для анализа топлива используется специальный датчик flex fuel sensor (рис. 12), который измеряет содержание сложных эфиров в топливе и контролирует впрыск.
Датчик SiemensVDO (рис. 10а) работает, измеряя диэлектрическую постоянную и удельную электропроводность, и обеспечивает линейный аналоговый выход с температурной компенсацией. Датчик рассчитан на различные применения: распознавание топлива двигателя, Fuel cell автомобили (вода/метанол), определение качества дизельного топлива.
Система управления FFV-двигателями Bosch (рис. 10б) включает л-датчик концентрации кислорода в выхлопах, по содержанию которого система управления двигателем рассчитывает содержание спирта в топливе и регулирует впрыск и зажигание.
Датчики для газовых двигателей
Чтобы успешно применять топливо CNG, необходимо достаточное число датчиков давления, которые предлагает, например, Kavlico Количество топлива в баке может быть измерено комбинированным датчиком давления и температуры Kavlico на основе тонкопленочной технологии в герметичном корпусе (с целью предотвращения утечки топлива). Датчики меньших давлений подходят для систем прохождения топлива.
Керамический емкостной датчик давления Kavlico) скомбинирован с NTC датчиком температуры и специально разработан для альтернативно питаемых двигателей (CNG/LPG).
Датчики тока и температуры батарей для гибридных автомобилей
Значительными потребителями электрической энергии являются электрические и гибридные автомобили, которые включают интегрированные стартеры/генераторы, электронно-нагреваемые каталитические конвертеры, электромагнитные клапаны, электронное торможение, электронное рулевое управление, HVAC-системы.
Для удовлетворения растущей потребности в электроэнергии в автомобиле становится актуальным переход от батарей 14 В к батареям 42 В (для средних гибридов может потребоваться и более -- до 60 В, а для полных -- порядка 450 В). Увеличение спроса на электроэнергию вызвано не только увеличением числа гибридных автомобилей, но также и тем, что многие менее эффективные механические и гидравлические системы Powertrain, Carbody & Chassis замещаются или дополняются электрическими и электронными системами (например, электрического рулевого управления EPS/EPAS). Электрическое питание требуется для систем телематики, АБС, контроля динамики -- ESP, ABS, электронного торможения (EPB), электронно-управляемых скользящих дверей, натяжителей ремней безопасности, приводов автоматизированных ручных передач, а также развлечений -- систем и приборов Entertainment.
Увеличение потребления электроэнергии в транспортном средстве обосновывает применение автомобильных датчиков тока -- для проверки доступной энергии и реализации функциональности управления батарейной энергией, а также температуры батарей -- для оптимального заряда и регулирования перегрева (рис. 11). В связи с актуальностью электрических двигателей в гибридах датчики тока и температуры мигрируют из группы электрооборудования автомобиля, относившейся согласно ранним классификациям к системам корпуса и ходовой части, в группу датчиков Powertrain.
Так, SiemensVDO разработала инновационное семейство бесконтактных датчиков тока (рис. 11в), использующих эффект Холла или ГМР, специально для контроля систем стартер/генератор и гибридных транспортных средств.
MLH - новая серия датчиков давления Honeywell
Компания Honeywell выпустила уникальную по своим технико-экономическим показателям серию датчиков давления MLH Чем же примечательно это новое семейство?
Во-первых, благодаря использованию передовой тонкопленочной технологии ATF (Advanced Thick Film) при производстве чувствительного элемента (рис.12) и упрощенному процессу сборки стоимость этой серии была снижена в 2 раза по сравнению с пьезо-резистивной серией ML и на 15-20% по сравнению с аналогичной продукцией других производителей. Суть технологии ATF заключается в непосредственном монтаже керамической подложки с тензорезистивным мостом на обратную сторону металлической диафрагмы датчика, к которой прикладывается давление. Вместе с этим инженерам Honeywell удалось увеличить диапазон измерения до 560 атм, расширить диапазоны рабочих температур и термокомпенсации до границ -40…+125 °С и при этом повысить точность измерения до ±0,25% при температуре +25 °С и ±1,0% во всем диапазоне рабочих температур. (Для справки: рыночная стоимость датчика давления такого класса при мелкооптовых партиях колеблется в пределах $70-90. А датчики серии MLH при тех же количествах будут стоить около $45.)
Рис. 12. Чувствительный элемент датчиков давления MLH, выполненный по технологии ATF
Вторым важным преимуществом серии MLH является очень широкий выбор диапазонов измерения (от 3,5 до 560 атм) с удобным шагом, причем разработчик сам может выбрать диапазон в удобной для него единице измерения -- PSI (фунт силы на квадратный дюйм), бар, МПа, кг/см2, а также вид измеряемого давления (избыточное или абсолютное). Избыточное давление измеряется по отношению к атмосферному давлению, абсолютное -- по отношению к вакуумной полости, сформированной с обратной стороны мембраны датчика.
1. Датчики систем управления двигателем и основными узлами и агрегатами, обеспечивающими передвижение автомобиля Powerdrivetrain:
o датчики топливной системы двигателя, зажигания и трансмиссии;
o датчики бортовой диагностики ONBOARD DIAGNOSTICS (OBD) в системах POWER TRAIN.
Рис. 13. Датчики систем POWER DRIVE TRAIN управления двигателем и основными узлами и агрегатами: а -- индуктивный датчик скорости двигателя или активный датчик скорости Bosch для регистрации скорости и угла вращения коленчатого вала (внешний вид идентичен); б -- датчик положения распределительного вала SiemensVDO на эффекте Холла ; в -- программируемый датчик углового положения дроссельной заслонки AN1011 Cherry; г -- датчик положения педали акселератора Alps Automotive; д -- датчики массового расхода воздуха Hitachi; е -- датчик давления воздуха во впускном патрубке Manifold Air Pressure (MAP) sensor Kavlico; ж -- датчик трансмиссии Bosch на основе эффекта Холла; з -- датчики входной и выходной скорости коробки передач SiemensVDO; и -- датчик температуры воздуха, охладителя и масла Bosch; к -- датчик температуры воздуха во впускном патрубке, а также масла, воды и головок цилиндров SiemensVDO; л -- датчик детонации SiemensVDO; м -- датчик уровня топлива SiemensVDO; н -- датчик уровня и температуры масла Hella; о -- датчик состояния масла Hella; п -- датчик давления в цилиндрах Incylinder Pressure Sensor Honeywell.
В эту группу входят датчики положения -- например, распределительного и коленчатого валов, дроссельной заслонки, педали акселератора, датчик массового расхода воздуха, датчик давления воздуха во впускном патрубке, датчик скорости автомобиля, датчики температуры (в частности, температуры охладителя), датчик детонации, датчики уровня топлива и масла. Кроме того, в указанную группу входят и новые типы, например многопараметрические и мультисенсорные датчики контроля процесса горения в цилиндрах (давления и температуры) или состояния масла двигателя (рис. 13).
2. Датчики систем контроля эмиссии, к которым относятся: датчик концентрации кислорода, датчик положения клапана системы рециркуляции отработавших газов, датчик эмиссии летучих паров, датчик газа, датчик температуры отработавших газов и некоторые другие. Среди новых применений датчик концентрации мочевины, которая помогает в очистке выхлопов дизеля рис. 14
3. Датчики систем контроля корпуса и колес:
o полуактивная или активная подвеска;
o электронно контролируемая подвеска ECS (ELECTRONICALLY CONTROLLED SUSPENSION);
o АБС, TPMS (TIRE PRESSURE MONITORING SYSTEM) -- система контроля давления шин;
o электронные системы контроля доступа в кабину;
o контроль положения окон, дверей, сидений, солнечной крыши, стеклоочистителей, зеркал.
Рис.14. Датчики систем контроля эмиссии, включая Powerdrivetrain: а -- лямбда=зонд для измерения концентрации кислорода Bosch LSM11; б -- датчик концентрации кислорода Denso; в -- датчик положения клапана системы рециркуляции отработавших газов SiemensVDO; г -- датчик Kavlico для контроля уровня топлива в текущих и будущих применениях (с целью минимизации эмиссии летучих паров) независимо от содержания этанола, метанола и топливных аддитивов; д -- датчики газа NOx и соотношения воздух/топливо SiemensVDO; е -- датчик температуры отработавших газов SiemensVDO; ж, з -- датчики уровня и концентрации мочевины Kavlico (ж) и SiemensVDO (з), и -- дифференциальный датчик давления Kavlico для регулирования расхода (скорости процессов) EGR -- для снижения образования NOx; к -- датчик давления паров топлива в бензиновом баке Kavlico (для определения утечки согласно OBDII).
К этой группе относятся датчик положения подвески, датчик давления воздуха в амортизаторах, активные и пассивные дверные ключи, датчик тока батареи, датчик доступа к двери без ключа, датчик скорости колеса, датчик силы торможения, датчики положения и некоторые другие (рис. 14).
3. Датчики концентрации кислорода OXYGEN SENSORS (или датчики газа Gas Sensors -- oxygen и NOx sensors).
Сегодня актуальны следующие технологии датчиков oxygen sensors и NOx sensors:
· электрически нагреваемые датчики на основе диоксида циркония ZrO2 (датчики с диоксидом циркония ZrO2, нагреваемые выхлопным газом, в настоящее время не актуальны);
· электрически нагреваемые планарные датчики с малой термической массой на основе керамики ZrO2;
· электрически нагреваемые датчики на основе диоксида титана TiO2;
· электрически нагреваемые, планарные датчики с малой термической массой, двухкамерные датчики на основе ZrO2;
· двухкамерные датчики на основе ZrO2.
Эти датчики определяют состав выхлопных газов, гарантируя, что он остается в пределах норм, и подают сигналы обратной связи к системам контроля двигателя -- для регулирования соотношения ТВС с целью оптимизации сгорания топлива и минимизации эмиссии.
4. Микромеханические датчики массового расхода воздуха MASS AIRFLOW SENSORS (для регулирования ТВС).
5. Датчики температуры TEMPERATURE SENSORS:
o термисторы с отрицательным или положительным температурным коэффициентом;
o резистивные датчики температуры (пленочные платиновые датчики);
o платиновые термопары;
o бесконтактные инфракрасные датчики.
Указанные датчики посылают информацию автомобильному компьютеру об окружающей температуре в различных частях автомобиля. Кроме измерения температуры в салоне, они измеряют температуру масла, воздуха, охлаждающей жидкости -- во впускном патрубке, коробке передач, на коленчатом валу и других частях автомобиля, а также детектируют присутствие или положение пассажира.
6. Датчики давления Pressure Sensors применяют следующие актуальные технологии:
o пьезорезистивные микромеханические датчики;
o пьезорезистивные поликремниевые модули на стали;
o емкостные микромеханические датчики;
o емкостные керамические модули.
Автомобильные датчики положения. Современные технологии и
новые перспективы. Актуальные классические принципы
оптоэлектроники в автоэлектронике
Последнее время в связи с появлением большого числа недорогих и надежных магнитоуправляемых ИС и, главным образом, новых магнитных энкодеров Холла инженеры, занимающиеся вопросами автоэлектроники, стали отрицательно относиться к использованию оптической технологии в таких применениях, как детектирование положения и скорости посредством оптических датчиков. Веским аргументом против оптических компонентов является их чувствительность к загрязнениям и повышенной температуре -- условиям, типичным для автомобильной среды, а также более высокая цена, если сравнивать такие компоненты с новыми угловыми энкодерами Холла.
И все-таки за пределами данных ограничений оптические датчики -- более высокоточные, чем многие электрические измерители, а кроме того, характеризуются высокой разрешающей способностью и высокой надежностью. Базовые принципы технологии разрабатывались и оттачивались многие годы, и именно оптические принципы составляют основу сегодняшних энкодеров, в том числе и магнитных.
Оптические датчики
Все известные оптические (и многие неоптические) схемы детектирования движения сводятся к двум базовым схемам, показанным на рис. 15,16 Схемы работы устройств проиллюстрированы рис. 15
Рис. 15. Базовая схема оптического детектирования движения -- прерыватель а-в -- щелевой оптический (фотоэлектрический) датчик -- оптопрерыватель (оптрон или оптопара): 1 -- корпус датчика; 2 -- светодиод; 3 -- фоточувствительный элемент (фототранзистор или фотодиод); а -- конструкция датчика: 4 -- элементы для монтажа корпуса; 5 -- терминалы для монтажа на печатной плате; б -- линейный прерыватель -- датчик линейной скорости (цифровой индикации определенного линейного положения): 4 -- линейный ротор (линейно перемещающийся элемент) с чередующимися оптически прозрачными и оптически непрозрачными участками; 5 -- терминалы для монтажа на печатной плате; в -- датчик угловой скорости (индикации определенного углового положения); 4 -- вращающийся ротор -- крыльчатка с непрозрачными лопастями; 5 -- вращающийся вал; г -- аналог оптопрерывателя -- щелевой датчик скорости Холла: 1 -- корпус датчика; 2 -- магнит; 3 -- датчик Холла (униполярный ключ); 4 -- магнитопровод; 5 -- терминалы для монтажа на печатной плате; 6 -- вращающийся ротор -- крыльчатка с лопастями из ферромагнитного материала; 7 -- вращающийся вал.
Рис. 15а-в демонстрируют принцип работы типичного щелевого оптического переключателя-оптопрерывателя, или оптрона. В пластмассовом корпусе расположены светодиод и фотодетектор, например фототранзистор, разделенные воздушным зазором в теле корпуса. Свет от светотодиода попадает на фототранзистор, который переходит в состояние насыщения. Если в зазоре появляется непрозрачный элемент -- ротор, путь света между светодиодом и фототранзистором блокируется, что вызывает переключение выхода фототранзистора к высокому уровню.
Излучающие светодиоды могут функционировать как в видимом, так и в инфракрасном спектре. Для работы датчика необходимо, чтобы конструкция корпуса и ширина элементов ротора обеспечивали чередование светопередачи и перекрытия оптического канала. Существенно уменьшить ширину оптических кодовых элементов и повысить разрешение устройства позволяют лазерные диоды. Расстояние от датчика до детектируемого объекта в пределах ширины рабочего зазора несущественно, но если необходим больший рабочий диапазон, также применяются лазерные светодиоды.
