Оптические датчики
В оптических датчиках относительного углового положения используются светомодулирующие (кодирующие) диски с симметричными прозрачными и непрозрачными секторами. Для прецизионных датчиков диски стеклянные, для обычных — металлические, которые стоят дешевле. Кодирующий диск освещается с одной стороны, с другой располагают фотоприемники. Кодирующий диск может иметь от 16 до 6000 позиций на оборот. Сектора часто располагают на двух радиусах, смещая их на половину длины отверстия, что в четыре раза увеличивает разрешающую способность. Используется и третья дорожка для размещения маркера. На рис. 2.25 в качестве примера оптического датчика углового положения показан датчик положения рулевого колеса. Датчик содержит вращающийся диск с прорезями и три неподвижных оптоэлектронных пары. Диск вместе с рулем вращается между светодиодами и фототранзисторами. При повороте руля на фототранзисторах вырабатываются последовательности электрических импульсов, по которым ЭБУ определяет угол и скорость поворота. Для определения направления поворота необходимо иметь два фотопрерывателя ST-1 и ST-2. Третий прерыватель ST-N фиксирует центральное положение рулевого колеса.
Рис. 2.25. Датчик положения рулевого колеса
В конце 80-х годов на автомобилях Chrysler (США) и некоторых японских автомобилях в системе зажигания использовались оптические датчики углового положения коленчатого вала и ВМТ. Датчик помещался в распределителе (рис. 2.26) в защитной кассете для уменьшения загрязнения и световых помех. На рис. 2.27 показан кодирующий диск датчика с прорезями на двух радиусах и выходные сигналы датчика. С внешнего радиуса диска снимается информация об угловом положении коленчатого вала шестицилиндрового ДВС, с внутреннего о ВМТ. Светодиоды и фототранзисторы приходится периодически очищать от загрязнения.
Рис. 2.26. Распределитель автомобиля Chrysler с оптическим датчиком: 1 - оптический датчик с интегральной микросхемой, 2 - задающий диск, 3 - прорези, 4 - защитная кассета
Рис. 2.27. Задающий диск оптического датчика в распределителе: 1 - диск, 2 - прорези внешнего радиуса, 3 - прорези внутреннего радиуса, 4 - сигнал с внутреннего радиуса, 5 - сигнал с внешнего радиуса
Выпускаются серийные микросхемы для подключения к оптическим датчикам. Дешифруется относительное угловое положение и направление вращения. Угловое положение измеряется с погрешностью 10...40 минут. При вращении кодирующего диска может возникать погрешность из-за конечной крутизны фронтов сигналов. Типичный частотный диапазон для светодиода не более 100 кГц. При этом, например, для диска со 100 различимыми позициями частота вращения не может быть более 1000 мин-1.
Оптические датчики абсолютного углового положения применяются там, где информация нужна сразу же после подачи питания. Оптические кодирующие диски таких датчиков (рис. 2.28) имеют разрешение от 26 до 216, формат данных — двоичный, двоично-десятичный, код Грея. На диске имеется N концентрических дорожек с секторами, где N — разрядность слова. Считывающее устройство может воспринять часть разрядов из соседнего сектора, тогда возникает ошибка считывания. Для уменьшения ошибок считывания, как правило, используется код Грея. В этом коде при изменении любого числа на единицу меняется только один двоичный разряд.
Рис. 2.28. Кодирующие диски: a - двоичный код, б - код Грея
Выпускаются также оптические датчики относительного линейного положения, например, для регулятора холостого хода с шаговым двигателем. Датчик и излучатели выполняются в виде модулей, количество отсчетов до 8 на миллиметр. Это дает разрешение до 30 микрон.
Исходя из стоимости производства, требований к точности, надежности помехозащищенности, стойкости к внешним воздействиям, датчики магнитоэлектрические и на эффекте Холла получили наибольшее применение и производятся у нас в стране и за рубежом крупными сериями.
Магнитоэлектрические датчики
Наиболее распространенным типом магнитоэлектрического датчика является генераторный датчик коммутаторного типа с пульсирующим магнитным потоком. Принцип действия такого датчика заключается в изменении магнитного сопротивления магнитной цепи, а следовательно, и магнитного потока в ней, при изменении зазора с помощью ферромагнитного зубчатого ротора (коммутатора).
Рис. 2.29. Принципиальная схема коммутаторного датчика и осциллограмма выходного сигнала
На рис. 2.29 показана принципиальная схема магнитоэлектрического датчика коммутаторного типа. При вращении зубчатого ротора в обмотке статора в соответствии с законом электромагнитной индукции возникает переменное напряжение с частотой, соответствующей частоте вращения зубчатого ротора. Напряжение определяется по формуле:
Uout = kwn(dΦ/dα)
где k — коэффициент, зависящий от характеристик магнитной цепи; w — количество витков обмотки; n — частота вращения зубчатого ротора; dΦ/dα — изменение потока Φ в зависимости от угла поворота α.
Когда зубцы ротора 4 приближаются к полюсам 5 статора, в обмотках 2, включенных последовательно и согласованно, нарастает напряжение Uout. При совпадении фронтов зубцов ротора с полюсами статора (со средней их линией) напряжение Uout достигает максимума, затем быстро меняет знак и при удалении зубцов увеличивается в противоположном направлении снова до максимума. Такие датчики еще и по настоящее время применяются в распределителях зажигания, в которых зубчатый ротор устанавливается на распределительный валик и изготавливается из мягкой сзади. Число зубцов зависит от числа цилиндров двигателя. Необходимое магнитное поле создают постоянные магниты 1.
Интересно отметить, что в данной симметричной магнитной системе для каждого положения ротора обеспечивается усредненное значение зазора 3, за счет чего компенсируются погрешности изготовления отдельных деталей и биение ротора.
Датчики на эффекте Холла
Благодаря развитию микроэлектроники широкое распространение получили датчики углового положения на эффекте Холла. Эффект Холла возникает в плоской полупроводниковой пластине, внесенной в магнитное ноле, при пропускании через нее электрического тока. Если поместить пластинчатый элемент толщиной h в магнитном поле таким образом, чтобы направление индукции В магнитного поля было перпендикулярно плоскости пластины, и пропустить ток I через пластину в продольном направлении, то в поперечном направлении между противоположными гранями пластины возникнет ЭДС Холла:
EX = klB/h
где k — постоянная Холла, м2/А.
Чувствительность элемента Холла зависит от соотношения между длиной и шириной пластины и повышается при уменьшении ее толщины. Для пленки толщина h достигает 10-6 м, для пластины из полупроводникового кристалла — 10-4 м. Для изготовления элементов Холла используются германий, кремний, арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb).
Электродвижущая сила самоиндукции Холла очень мала и поэтому должна быть усилена вблизи кристалла для того, чтобы устранить влияние электромагнитных помех. Конструктивно элемент Холла и преобразовательная схема, содержащая усилитель, пороговый элемент, выходной каскад и стабилизатор напряжения, выполняются в виде интегральной микросхемы, которая называется магнитоуправляемой интегральной схемой.
Такие интегральные схемы (ИС) с датчиками Холла выпускаются дискретными и аналоговыми. Дискретные ИС применяются в датчиках относительного положения и скорости. Аналоговые — в датчиках абсолютного положения вместо контактных потенциометрических. Дискретные датчики Холла, работающие в условиях подкапотного пространства, имеют погрешность менее 0,5% и используются, как правило, в качестве датчиков положения коленчатого или распределительного валов, в системах зажигания.
Выходное напряжение аналоговых датчиков Холла пропорционально магнитной индукции поля и напряжению питания, что упрощает их сопряжение с АЦП. На практике для определения углового положения может применяться аналоговый датчик Холла, конструкция которого показана на рис. 2.30. При повороте кольцевого магнита относительно статоров, между которыми размещен датчик Холла, выходное напряжение датчика меняется. В диапазоне 150° характеристика линейна, погрешность преобразования менее 1%. В подобных датчиках нет трущихся частей, кроме подшипников, они безынерционны и имеют высокую надежность.
Рис. 2.30. Датчик абсолютного углового положения с чувствительным элементом Холла
Однако стоимость аналоговых датчиков Холла высокая, кроме того, на их чувствительность влияет температура (порядок 0,001/°C). Стоимость — очень существенный фактор для автомобильных датчиков, поэтому в датчиках Холла применяются более дешевые магнитные материалы с низкой температурной стабильностью: ферриты и сплавы AlNiCo (0,002...0,02/°C). Приходится вводить внешние компенсирующие элементы, программировать характеристики датчика через интерфейс.
Сельсины и дифференциальные трансформаторы
В качестве датчиков абсолютного углового положения на автомобилях начинают применяться вращающиеся трансформаторы (сельсины). Ранее они считались слишком дорогостоящими. Сельсины характеризуются высокой разрешающей способностью (до 7'), работают в тяжелых внешних условиях. Обмотки возбуждения запитываются напряжением с частотой 400...20000 Гц, обычно для автомобилей 2...5 кГц. Угловое положение ротора декодируется по сигналам с синусной и косинусной обмоток специальной микросхемой в цифровой код (R-D — convertor).
В качестве датчиков абсолютного линейного положения находят применение линейные дифференциальные трансформаторы. Выходной сигнал может быть декодирован специализированной ИС.
Магниторезистивные датчики
В магниторезистивных датчиках используется способность некоторых материалов, например, сплава FeNi, менять свое сопротивление под воздействием изменения напряженности магнитного поля. Такие датчики, как и датчики Холла, безынерционны, также могут работать на нулевой частоте. В рабочем диапазоне магниторезистора его сопротивление меняется в пределах 2,5% по квадратичному закону функции косинуса. Магниторезисторы встраивают в интегральную схему, где размещают и цепи обработки сигнала. Имеются также магниторезисторы с большей чувствительностью: 4...15%.