Практична робота № 4.

Тема: ДАТЧИКИ АВТОМОБІЛЬНИХ ЕЛЕКТРОННИХ СИСТЕМ

Мета:ознайомлення з будовою та роботою датчиків автомобільних електронних систем

Завдання: вивчити будову та роботу датчиків автомобільних електронних систем

Послідовність виконання роботи

1. Ознайомитись із класифікацією датчиків.

Уся електронна система автоматичного управління (ЕСАУ) включає в свій склад безліч різних перетворювачів неелектричних впливів в електричні сигнали. Такі пристрої прийнято називати датчиками, так як вони задають необхідну вхідну інформацію для роботи ЕСАУ. При цьому одна група датчиків реагує на зовнішні керуючі сигнали і випадкові збурення, а інша сприймає сигнали від самої системи управління та повертає їх назад в систему. Перша група безпосередньо управляє роботою системи і адаптує її до випадкових зовнішніх впливів (збурюванням). Друга - утворює зворотні зв'язки, чим сприяє поліпшенню параметрів і характеристик системи, підвищує ефективність її роботи. У даній главі описуються датчики, які найбільш часто використовуються в автомобільних електронних системах автоматичного управління, а також ряд перспективних датчиків.

Датчики автомобільних електронних систем класифікують за трьома ознаками: принципом дії, основним призначенням і типом енергетичного перетворення.

За принципом дії датчики підрозділяють на електроконтактні, резистивні, оптичні, оптоелектронні, електромагнітні, індуктивні, магніторезістивні, фото- і п'єзоелектричні, датчики на ефектах Холла, тощо.

За призначенням датчики класифікуються за типом керуючого неелектричного впливу: датчики крайових положень, датчики кутових і лінійних переміщень, датчики частоти обертання та числа обертів, датчики відносного або фіксованого положення, датчики механічного впливу, датчики тиску, датчики температури, датчики вологості, датчики концентрації кисню, датчик радіації та інші.

В залежності від типу енергетичного перетворення датчики бувають активними, в яких вихідний електричний сигнал виникає як наслідок вхідного неелектричного впливу без впливу сторонньої електричної енергії за рахунок внутрішнього фізичного ефекту (наприклад фотоефекту), і пасивними, у яких електричний сигнал є наслідок модуляції зовнішньої електричної енергії керуючим неелектричним впливом.

2. Вивчити будову та роботу датчиків частоти обертання і положення колінчастого валу.

Частоту обертання колінчастого вала можна визначити, підрахувавши число зубців спеціального зубчастого диску, закріпленого на колінчастому валу, що проходять за одиницю часу повз індукційний датчик.

Індукційний датчик (рисунок 4.1) складається з котушки індуктивності L з постійним магнітом NS та зубчастого диску, зубці якого виконані із феромагнітного матеріалу. Специфікою індуктивного датчика є конструктивна розрізненість його елементів (сам датчик та зубчастий диск). Таким чином, сам датчик представляє собою лише половину неелектричної величини (кругової частоти колінвала) в електричний сигнал (в частоту проходження електричних імпульсів). Друга половина - зубчастий диск.

Рисунок 4.1 - Індуктивні датчики

1 - постійний магніт N-S; 2 - корпус датчика; 3 - картер зчеплення; 4 - феромагнітний сердечник; 5 — котушка; 6 - зубчастий диск чи вінець маховика; 7 — штифт для ДПВ.

В індуктивному датчику його котушка 5 розміщена навколо постійного магніту 1, полюс якого обернено до об'єкта обертання - зубчастого вінця маховика двигуна, магнітопровід 4 якого встановлено із незначним зазором відносно зубців маховика.

При переміщенні зубців відносно магнітопроводу величина зазору між ними змінюється. Це викликає зміну магнітної індукції і появу змінного електричного імпульсу в індукційній котушці. Нульова точка відповідає центру кожного зуба. Це дозволяє з достатньою точністю визначити положення маховика. Амплітуда вихідного сигналу датчика залежить від повітряного зазору між магнітопроводом і зубом і від швидкості зміни магнітної індукції, що залежить від швидкості переміщення зуба.

Індуктивний датчик встановлюється на картері зчеплення так, щоб його магнітний щуп знаходився на відстані 0,3-1,5 мм до феромагнітних зубців вінця маховика. Такий індуктивний датчик називають датчиком частоти обертів двигуна.

Якщо вінець маховика служить в якості зубчастого диску індуктивного датчика частоти обертів двигуна (рисунок 4.1 б) то для визначення точки початку відліку встановлюється другий додатковий індуктивний датчик, який генерує один імпульс за один оберт колінчастого вала. Феромагнітним збуджувачем другого додаткового датчика служить сталевий штифт 7, закручений в маховик у визначеному місці. Це місце відповідає точці положення колінчастого вала, від якої до ВМТ першого циліндра залишається стільки кутових градусів, скільки передбачено мікропроцесором даної системи для обчислення кута випередження запалювання (як пра-вило 45...90°). Цей датчик називається датчиком початку відліку.

Замість двох датчиків для виміру частоти обертання і положення вала можна скористатись одним (рисунок 4.1 а), якщо не використовувати зубчастий вінець маховика, а встановити окремий зубчастий диск і наділити його якою-небудь спеціальною міткою, помітною для датчика, наприклад, відсутність одного або двох зубців в тому місці, де встановлюється спеціальний штифт для датчика початку відліку.

В разі несправності датчика або його електричного кола двигун перестає працювати, а електронно-керуючий пристрій заносить в свою пам'ять код несправності, а також включає лампу сигналізації про несправність.

3. Вивчити будову та роботу колісних датчиків.

В системах автоматичного керування гідравлічними гальмами автомобіля використовуються перетворювачі частоти обертання коліс в електричний імпульсний сигнал. Такі перетворювачі називаються колісними датчиками ABS. По виду перетворення колісні датчики бувають індукційними (магнітоелектричними) та датчиками, що працюють на ефекті Холла. В індукційному колісному датчику, схема якого показана на рисунку 4.2, задатчиком частоти обертання є феромагнітне зубчасте колесо 1 (ротор). Його ставлять на маточині, яка обертається з колесом автомобіля і має від 24 до 90 зубців.

Прикладом конструктивного виконання може служити датчик ЕРО 28879 А фірми " Bosch ", що показаний на рисунку 4.3.

Рисунок 4.2 - Схема індукційного датчика

1 - зубчасте обертальне колесо; 2 - обмотка; 3 – постійний магніт; 4 - вихід обмотки; 5 - сталеве осердя з полюсами; 6 - магнітний потік

Магніт 5 датчика і котушка 3 з'єднані наконечником-стержнем 1 із магнітом'якого матеріалу (каркас 2 котушки запресований в гарячому стані по буртику стержня 1 і складає з ним єдине ціле). Виводи обмотки 3 котушки підключені до циліндричних штирів, котрі разом з південним полюсом магніта 5, латунною фіксуючою трубкою 8 і екранованим двох-жильним кабелем 12 також запресовані високотемпературною пластмасою в корпусі 7. Магніт і обмотка захищені від впливу навколишнього середовища стаканом 4 із немагнітної сталі, завальцьованим через гумовий ущільнювач 6 по буртику на корпусі 7. Вивід кабелю закритий гумовою трубкою 11, котра на датчику кріпиться обтискним кільцем 10 через латунну підкладку 9. Другий кінець трубки притискується до кабелю за допомогою гумового кільця 13.

Рисунок 4.3 - Магнітоелектричний датчик ЕРО 28879А фірми "Bosch"

1 - наконечник-стержень; 2 — каркас котушки; 3 - обмотка; 4 - стакан; 5 - магніт; 6 - гумовий ущільнювач; 7 - корпус; 8 - фіксуюча трубка; 9 - латунна підкладка; 10- обтискне кільце; 11 — гумова трубка; 12 - кабель; 13 — гумове кільце Перевагами такого датчика є його міцність (навіть монолітність), у той час як вивід виконаний м'яким (еластичним), що особливо важливо, враховуючи умови його роботи.

Сам індукційний датчик встановлюється нерухомо над зубчастим колесом з повітряним зазором не більше 2 мм.

3. Вивчити будову та роботу магнітоелектричного датчика та датчика Холла.

В ролі безконтактних датчиків з механічним приводом від розподільчого вала ДВЗ були досліджені магнітоелектричні, індукційні, електромагнітні, генераторні, оптичні та інші перетворювачі механічного обертання в електричний сигнал.

Спочатку як більш простий і достатньо надійний, широке впровадження отримав магнітоелектричний датчик. Але з розробкою датчика, що працює на ефекті Холла, останній став основним елементом для всіх наступних електронних систем запалювання, що серійно випускаються за кордоном.

Принципову схему магнітоелектричного датчика наведено на рисунку 4.4. Під час обертання зубчастого магніта в обмотці статора згідно із законом індукції виникає змінна напруга. Коли один із зубців магніта наближається до обмотки, напруга в ній швидко зростає, досягає максимуму, потім зубець розміщується на середній лінії обмотки, після цього, коли він віддалиться, швидко змінює знак і збільшується в протилежному напрямі до максимуму. Напруга дуже швидко змінюється від позитивного максимуму до негативного, тому нульовий перехід між ними можна використати для керування системою запалювання. Зубчастий магнітний якір встановлено у звичайний корпус переривача. Кількість зубців залежить від кількості циліндрів і тактності двигуна. Напруга, яку виробляє генераторний датчик, залежить від частоти обертання якоря та його конструкції, і має забезпечити надійність а запалювання навіть за малої частоти для чотири циліндрового двигуна:обертання під час пуску двигуна.

Рисунок 4.4 - Принципова схема магнітоелектричного датчика

1 -магніт, 2 - статор, 3 - обмотка

Як було сказано вище, останнім часом в усьому світі на автомобілях широко застосовують датчики, принцип дії яких ґрунтуєтьсяна ефекті Холла. Ефект Холла виникає в пластині, через яку протікає струм, коли під прямим кутом на неї діє магнітне полеЕРС.

Максимально виявляється цей ефект у пластинах із напівпровідникового матеріалу (германію, кремнію, арсеніду галію, індію).

Рисунок 4.5. Схема безконтактного мікроперемикача, що працює на ефекті Холла

1 - магніт; 2 -ротор; 3 – чутливий елемент; 4 - підсилювач; 5 – тригер Шмітта; 6 - вихідний транзистор; 7 - стабілізатор напруги

Величина ЕРС Холла дуже мала і тому має бути підсилена поблизу пластини для того, щоб усунути вплив радіоелектричних перешкод. Тому конструктивно і технологічно елемент Холла і підсилювальна схема містять підсилювач 4, тригер Шмітта 5, вихідний транзистор 6 та стабілізатор напруги 7, які виготовлені у вигляді інтегральної мікросхеми (рисунок 4.5).

Якщо обертається вал розподільника, а з ним і ротор 2, то магнітне поле, створене постійним магнітом 1, закривається екраном чи відкривається при проходженні прорізу. Якщо магнітне поле потрапляє на поверхню пластини, створюється ЕРС Холла, яка підсилюється підсилювачем 4 і надходить до бази вихідного транзистора 6, який відкривається. При закриванні екраном магнітного потоку в пластині не виникає ЕРС Холла і вихідний транзистор закривається.

Отже, на виході мікросхеми знімаються сигнали прямокутної форми.

5. Вивчити будову та роботу датчиків температури.

За допомогою цих датчиків контролюється температура охолоджуючої рідини двигуна, повітряного та газового потоку у впускному тракті, температура масла двигуна та охолоджуючої рідини кондиціонера. Більшість цих датчиків це напівпровідникові резистори (термістори). Опір терморезисторів суттєво змінюється з ростом температури. Від'ємний температурний коефіцієнт опору мають спечені керамічні на-півпровідникові маси. їх формують в гранули, пластини, таблетки або стержні. Температура, яка вимірюється такими датчиками, лежить в межах - 40...800 °С, точність досягає 0,05 °С.

На рисунку 4.6 показані датчик температури охолоджуючої рідини ДВЗ, де термістор 1 розташований в теплопровідному корпусі 2 з різьбою для кріплення на двигуні в потрібному місці. У міру прогрівання двигуна омічний опір чутливого елементу такого датчика зменшується і, відповідно, зменшується спад напруги в розетці 4 електричного розняття. Температура вводиться в ЕБК як додатковий параметр, що поряд з частотою обертання і навантаженням двигуна дозволяє визначити кут випередження запалювання.

Рисунок 4.6 - Датчик температури охолоджуючої рідини

1 - термістор; 2 - ізолятор; 3 - ущільнювач; 4 - електричне розняття

7. Вивчити будову та роботу датчиків детонації.

В основі роботи цих датчиків лежить явище п'єзоелектричного ефекту, тобто виникнення електричних зарядів при деформації кристалів із кварцу (двоокису кремнію).

Стискування кварцевої пластини забезпечується інерційною масою, яка вібрує разом з деталями двигуна.

П'єзокристалічний елемент в датчику може бути різної форми: прямокутним бруском, плоскою пластиною, круглою шайбою або трубчастим циліндром, що визначається конструкцією опори та місцем прикладання зовнішнього зусилля до п'єзоелемента.

П'єзокристалічний елемент в датчику може бути різної форми: прямокутним бруском, плоскою пластиною, круглою шайбою або трубчастим циліндром, що визначається конструкцією опори та місцем прикладання зовнішнього зусилля до п'єзоелемента.

Прикладом датчика детонації може служити датчик, представлений на рисунку 4.7. Він представляє собою шайбу 7, яка за допомогою гайки 4 та інерційної маси (металевого диска) 6 через стакан 3 притиснута до полірованої площадки на блоці циліндрів. Місце установки датчика визначається експериментально на етапі конструювання двигуна.

Рисунок 4.7 - Датчик детонації

1 - електричний контакт; 2 - корпус; 3 - стакан; 4 - гайка; 5 – конусне притискне кільце; 6 — інерційна маса; 7 - п 'єзоелемент; 8 – кільце

При роботі двигуна його деталі вібрують. Вібрація передається інерційній масі 6 датчика, яка діє на п'єзоелемент 7 з відповідним зусиллям та частотою. При виникненні детонації амплітуда електричних сигналів датчика різко зростає. Блок керування порівнює амплітуду з допустимим рівнем і при перевищенні заданого корегує (зменшує) кут випередження запалювання до припинення детонації.

Методичні рекомендації по складанню звіту

Звіт повинен містити:

- назву лабораторної роботи;

- мету роботи;

- класифікація датчиків;

- схему датчиків частоти обертання і положення колінчастого валу; принцип дії;

- схему колісного індукційного датчика; принцип дії;

- схему магнітоелектричного датчика та датчика Холла; принцип дії;

- схему датчиків температури; принцип дії;

- схему датчика детонації; принцип дії;

Контрольні питання:

1. Назвіть класифікацію автомобільних датчиків.

2. Розкажіть про можливості підвищення техніко-економічних, екологічних та показників безпеки роботи автомобіля, які відкриває застосування датчиків.

3. Наведіть схему та принцип дії датчиків частоти обертання і положення колінчастого валу.

4. Наведіть схему та принцип дії колісного індукційного датчика.

5. Наведіть схему та принцип дії магнітоелектричного датчика та датчика Холла.

6. Наведіть схему та принцип дії датчиків температури.

7. Наведіть схему та принцип дії датчика детонації.

Література, що рекомендується:

1. Соснин Д.А. Электрическое, электронное и автотронное оборудование легковых автомобилей (Автотроника-3): Учебник для вузов. М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2010, 384 с.

2. Сажко В.А. Електрообладнання автомобілів і тракторів: Підручник. – К.: Каравелла, 2009. – 400 с.

3. Кисликов В.Ф., Лущик В.В. Будова й експлуатація автомобілів: Підручник. – 5-те вид. – Київ.: Либідь, 2005. – 400 с.