ЯКОВЛЕВ В.Ф., АФАНАСЕНКО К.С. ДАТЧИКИ УСКОРЕНИЯ НА АВТОМОБИЛЯХ


ЯКОВЛЕВ В.Ф., АФАНАСЕНКО К.С. ДАТЧИКИ УСКОРЕНИЯ НА АВТОМОБИЛЯХ


Библиографическая ссылка на статью:
// Современная техника и технологии. 2012. № 8 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2012/08/1267 (дата обращения: 01.10.2017).

УДК 681.3.06

 Вадим Фридрихович Яковлев, доцент

Константин Сергеевич Афанасенко, студент 3-ЭТ-5

Самарский государственный технический университет

Некоторые твердотельные материалы обладают электрической чувствительностью к механическим воздействиям. Такие материалы часто используются для преобразования механических величин в электрические. Их можно разбить на два основных класса: материалы активного типа, в которых приложенная сила генерирует электрический заряд, и материалы пассивного типа, в которых приложенная сила вызывает лишь изменение электрических характеристик материала.

Пьезоэлектрические материалы относятся к первому классу. Они, кроме того, испытывают механическую деформацию под воздействием электрического сигнала. Пьезоэлектрический эффект обусловлен тем, что при искажении несимметричной кристаллической решетки происходит внутреннее перераспределение зарядов, при котором положительные и отрицательные заряды смещаются к противоположным поверхностям кристалла.

К материалам второго типа относятся полупроводниковые тензорезисторы.

Пьезоэлектрические акселерометры широко используются для вибрационных измерений, т.к. это точные, надежные и простые устройства. На рисунке 3 показана базовая конструкция акселерометра, работающая в компрессионном режиме, широко используемая в автомобильной промышленности. Чувствительность автомобильных акселерометров составляет около 20 мВ/g.

 

Рис.1.Базовая конструкция акселерометра

При деформации пьезокристалла на его гранях появляется заряд, пропорциональный в данном случае ускорению. Рабочий диапазон частот 5…100000 Гц. Для обработки сигнала от пьезоэлектрических датчиков используется усилитель заряда.

Пьезорезистивные акселерометры выпускаются в интегральном исполнении. После принятия мер по термокомпенсации датчики имеют погрешность не хуже 0.5% в температурном диапазоне –40…+110°С.

Акселерометры для воздушных мешков безопасности. Механические датчики должны располагаться не далее 40 см от места удара. Используются обычно 3÷5 датчиков.

Конкретное исполнение датчиков зависит от производителя системы, но все они работают по одному и тому же принципу. В обычных обстоятельствах выходные контакты акселерометра разомкнуты, они замыкаются, когда датчик испытывает отрицательное ускорение в диапазоне 15 – 20 g, что соответствует наезду автомобиля на твердое препятствие со скоростью 12 – 20 миль в час. Существует несколько конструкций акселерометров, применяемых в системах безопасности, рассмотрим некоторые из них.

Акселерометр с постоянным магнитом . Эта механическая конструкция (Рис.2) состоит из чувствительной массы ( металлического шара) , которая прочно удерживается в задней части небольшого цилиндра мощным постоянным магнитом. Во время обычной езды выходные электрические контакты датчика разомкнуты. При столкновении сила инерции металлического шара преодолевает притяжение магнита, шар катится по цилиндру вперед и замыкает контакты, сигнал поступает в ЭБУ.

Рис.2.Акселерометр с постоянным магнитом

 

Динамические характеристики механических акселерометров описываются дифференциальным уравнением 2-го порядка. Такие параметры, как жесткость пружины, масса шарика, сила притяжения магнита, демпфирование и т.д. должны быть увязаны с динамикой автомобиля при ударе. Эти параметры подбирают под конкретную модель автомобиля с учетом его веса, конструкции корпуса, места расположения датчика.

В последнее время начали применяться интегральные акселерометры на основе полупроводниковых или пьезоэлектрических тензорезисторов. Они более надежны, программируются, их характеристики воспроизводимы с более высокой точностью. Интегральные датчики располагаются примерно в центре салона. Порог срабатывания их ниже, чем для механических из-за амортизации корпуса. Используется один датчик для фронтального удара с диапазоном ±50g. Могут применяться датчики боковых ударов, пьезорестивные или емкостные. Погрешность менее 5%, частотный диапазон 0…750 Гц.

Акселерометры используются также в активной подвеске для определения изменения нагрузки на колеса. Рабочий диапазон ±2g, погрешность менее 5%, диапазон частот 0…10 Гц.

В некоторых недорогих системах ABS используются акселерометры для определения предельных значений ускорения при которых возможно проскальзывание колес. Рабочий диапазон ±1g, погрешность менее 5%, диапазон частот 0.5…50 Гц.

Датчик детонации

Датчик детонации используется для обнаружения явления детонации при сгорании рабочей смеси в цилиндрах. Контроль за детонацией особенно актуален в современных двигателях с высокой компрессией, так как для их эффективной работы угол опережения зажигания в них близок к предельному, за которым начинается детонация.

Обнаружение детонации можно производить различными способами: измерением давления непосредственно в цилиндре, измерением ионизационного тока через электроды свечи после воспламенения и т.д. На практике используется метод измерения вибрации цилиндров с помощью пьезоэлектрического датчика детонации. На рисунке 3 схематично показан датчик детонации . Датчик выполнен таким образом, что его резонансная частота совпадает с частотой детонации двигателя (обычно в диапазоне 6…12 кГц). Датчик закрепляется на блоке цилиндров и реагирует даже на слабую детонацию.

Рис.3.Датчик детонации. 1 – пьезоэлемент, 2 – шунтирующий резистор

 

При появлении детонации вибрация двигателя приводит к генерации сигнала на выходе датчика (Рис.4). ЭБУ двигателя фильтрует сигнал с датчика детонации, производит аналого-цифровое преобразование. После момента зажигания (вероятное время появления детонации) производится сравнение сигнала с датчика детонации с заданным уровнем (Рис.5). При обнаружении детонации ЭБУ уменьшает угол опережения зажигания во всех цилиндрах или только в одном. При выходе датчика детонации из строя ЭБУ устанавливает безопасное значение угла опережения зажигания. При исчезновении детонации ЭБУ начинает постепенно увеличивать угол опережения до появления детонации и т.д. Таким образом, ЭБУ удерживает двигатель в эффективном режиме работы на грани детонации, но без опасности поломок и выхода из строя.

Рис.4.Выходной сигнал датчика детонации

Рис.5.Определение детонации

 

Литература

1. Соснин Д.А., Яковлев В.Ф.Новейшие автомобильные электронные системы.  М.: Солон-Пресс, 2005. 256 с.

2. Ютт В.Е., Электрооборудование автомобилей, 2-е издание. М.: Транспорт, 2003. 365 с.

3. Ribbens W. B. Understanding automotive electronics.Burlington,USA: Newnes publications, 2009. 481 с.



Все статьи автора «Яковлев Вадим Фридрихович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: