Сензори за автомобилостроенето

Стефан Куцаров

Началото на реалното използване на електронни сензори в автомобилите датира от 70-те години на миналия век. Днес съвременните автомобили са оборудвани с многобройни сензори, свързани с електронни управляващи блокове (ECU) и микропроцесорни подсистеми, с изпълнителни модули, индикатори, дисплеи и т. н. По понятни причини приложението на сензорите стартира в автомобилите с ДВГ, където те продължават да са най-масово използваните и на тях е посветена настоящата статия.

В добиващите популярност електромобили много от сензорите са аналогични на тези в автомобилите с ДВГ, но спецификите на електрозадвижването обуславят използването и на немалко нови видове. В още по-голяма степен това се отнася за разработваните автомобили без водач.

Сензори за двигателя

Характерни за тях са тежките условия на работа като висока температура, значително налягане, замърсявания и необходимост от херметизация. Съществена особеност е, че конструкцията на сензорите трябва да е съобразена с тази на двигателя и затова нерядко те са за даден модел автомобил или няколко сходни модела.
Охлаждане на двигателя. Тъй като при работата на двигателя не трябва да се допуска прегряване, а в същото време трябва да се осъществи бързо достигане на оптималната работна температура, охлаждащият агент се следи от сензор (Engine coolant temperature sensor) ETS, който обикновено е термистор, свързан през резистор към постоянно напрежение. Пропорционалното на температурата напрежение върху термистора се подава на ECU и той задейства вентилатор при температура над определена стойност. Такъв термистор е NTC Type CR1 на Amphenol Advanced Sensors. Достатъчното количество на охладителната течност се оценява чрез друг сензор за нивото й, който задейства индикатор на таблото на водача при намаляването му под определена стойност. Типичен пример е Coolant Level Sensor – Reed на Littelfuse.

Температура на горивото. Плътността на горивото се променя в зависимост от неговата температура, а за оптимална работа на двигателя е необходимо неизменно негово количество в горивната камера. Това се постига чрез промяна количеството на впръскваното гориво в зависимост от температурата, като нейното непрекъснато измерване се реализира чрез Fuel Temperature Sensor (FTS). Той подава на ECU пропорционално на температурата напрежение за изработване на електрически сигнал за осигуряване на желаното количество гориво. Пример за FTS е 0281002471 на Bosch.

Количество на впръскваната горивна смес. Двигателите с вътрешно горене имат дроселова клапа, чието положение определя количеството на въздуха в горивната смес. Към нея има сензор (Throttle position sensor) за следене на големината на отварянето й и колко бързо става то при нейното затваряне. Тези данни постъпват в ECU за определяне на количеството впръсквана горивна смес и на продължителността на запалващата искра. Такъв сензор е MLX90372 на Melexis, който представлява интегрална схема (ИС) с елемент на Хол за превръщане на положението на клапата в постоянно напрежение и електронен блок за неговата обработка.

Състояние на маслото. То също има съществено значение за работата на ДВГ и се контролира от два основни вида сензори. Първият е за нивото му (Oil level sensor) с поплавък и галваничен контакт. При нормално ниво контактът е отворен и се затваря при спадането му под определена стойност. В зависимост от типа на транспортното средство светва индикаторна лампа на таблото на водача или пък ECU с помощта на ИС (например CG270 на Bosch Semiconductor) задейства помпа за масло. Тя допълва количеството му и се изключва при достигане на максималното ниво. Подобно е действието на сензора за налягането на маслото (Oil pressure sensor), което за нормална работа на двигателя трябва да се поддържа над минимално допустимото. При понижено налягане се подава сигнал към ECU и индикация за спиране на автомобила. Маслото в скоростната кутия също се нуждае от контрол, като типичен за целта сензор е ИС SMP142 на Bosch Semiconductor.

Количество на кислорода. Осигуряването на оптимално изгаряне на горивото и съответно минимален разход и ниво на емисиите изисква поддържане на определено съотношение въздух-гориво на горивната смес. За осигуряването му при промяна на температурата трябва в зависимост от нея да се променя количеството на подаваното гориво. Това се постига чрез сензор за кислород (O2 sensor), поставен на мястото на излизане на изгорелите газове. Той има два електрода от платина, изолирани с циркониев диоксид. Получаваното между тях напрежение, пропорционално на количеството кислород, се подава на ECU. При оптимално съотношение типичното напрежение е 0,5 V, по-голямо е при увеличено съотношение и е под 0,5 V при намалено. В последните два случая ECU подава съответния сигнал на помпата за впръскване на гориво и възстановяване на оптималното съотношение. Пример за О2 сензор е LSU 4.9 на Bosch.

Сензори за трансмисията и ходовата част

Сензори за обороти, скорост и изминато разстояние. Най-често те са ИС от елемент на Хол и електронен блок, закрепвани неподвижно на 1-2 mm от въртящия се обект (фиг. 1), който съдържа по периферията си магнити с редуващи се северен и южен полюс. Преминаването на всеки полюс покрай сензора създава електрически импулс и оборотите се оказват пропорционални на броя на магнитите, което е принципът на сензорите за обороти (Wheel speed sensor). Важно предимство е, че замърсяванията между диска и сензора не пречат на функционирането му. Пример за измерването оборотите на вал е сензорът TLE4922 на Infineon. Поставянето по подходящ начин на два сензора на Хол в една ИС позволява измерване и на посоката на въртене (Sensor for rotation speed and direction), какъвто е TLE4966V-1G на същия производител. Връзката между оборотите и диаметъра на колелата на автомобила позволява на основата на оборотомери да се реализират скоростомери (Tachometer) и одомери (Odometer) за изминатия път.

Акселерометри (Accelerometer). Този термин вече е утвърден вместо българския “сензор за ускорение”. Тъй като ускорението на физическо тяло се измерва в определена посока, съществуват акселерометри за една посока (Single axes), перпендикулярна на плоскостта на сензора, за две взаимно перпендикулярни посоки (Dual axes), които съвпадат с плоскостта му и за три посоки (Triple axes). Последните са най-популярни в автомобилите, тъй като могат да измерват ускорение в произволна посока. През последните години преобладава използването на акселерометри, базирани на MEMS технология, поради високата им надеждност и малки размери.

Сред характерните приложения на акселерометрите са системите за поддържане посоката на движение и стабилността на автомобила (Electronic Stability Program – ESP, Electronic Stability Control – ESC), за задействане на въздушните възглавници, в антиблокиращите спирачни системи (ABS) и при активните окачвания (Active suspension system). Акселерометърът при последните регистрира вибрациите вследствие неравности на пътя, с което се регулира окачването за намаляването им и съответно осигуряване комфорт на пътуващите. ИС на такъв акселерометър е SMB437 на Bosch. Типични примери за ИС на акселерометри за три посоки са ADXL372 на Analog Devices, SCA3300-D01 на Murata, FXLS8962AF на NXP Semiconductor и AIS3624DQ на STMicroelectronics.

Жироскопи (Gyroscope). Независимо от сложното им по принцип устройство вече масово се използват техни реализации като ИС на основата на MEMS технология (MEMS Gyroscope). Жироскопите съдържат бързо въртящ се диск с основен параметър ъгловата му скорост. При липса на външно въздействие върху диска ъгловата скорост е постоянна, а при прилагането му се променя пропорционално на неговата сила. Това показва възможността за ползване на жироскопите като сензори, а промяната на ъгловата скорост определя второто наименование сензори за ъглова скорост (Angular rate sensor). Именно нейното регистриране се ползва в автомобилите. На постоянната й стойност при нормално тяхно движение, т.е. без нежелани външни въздействия, съответства определен изходен сигнал (обикновено напрежение) на сензора и ECU “разбира, че всичко е наред”. При наличието на такова въздействие или въздействия, чийто вид зависи от типа на свързания към сензора блок, сигналът се променя и това води до стабилизация на движението.

Един от примерите за ползване на жироскопите са вече споменатите ESP и ESC. Сред функциите на ESC е контролът на сцеплението (Traction control) на колелата в пътната настилка и при увеличени обороти на едно от тях автоматично се задейства спирачката му. Сред ИС на жироскопи са ADIS16060 на Analog Devices с вграден сензор за температура, SCC1300-D04 на Murata, комбиниран с вграден акселерометър за три посоки, XV-8000CB на Seiko Epson и A3G4250D на STMicroelectronics с размери 4x4x1,1 mm.

Сензори за ъгъл (Angle Sensor). Действието им се основава на промяната на електрическо съпротивление под въздействието на магнитно поле, което определя термина магниторезистивни (magnetoresistance - MR). Ползват се реализираните като ИС разновидности GMR Angle Sensor (Giant MR) и TMR Angle Sensor (Tunnel MR), които могат да са два типа. Първият съдържа два разположени перпендикулярно един спрямо друг MR и електронен блок с изходно напрежение, чиято стойност и полярност са пропорционални на ъгъл между 0° и 360°. Тези от втория са мост от MR без електронен блок, като предимството им е работа при максимална околна температура между 150°С и 170°С. Сред приложенията в автомобилите са отчитане ъгъла на завиване на колелата, положението на педала на газта, на чистачките и вече споменатото на клапаните и в EPS системите на безколекторни постояннотокови електродвигатели. Характерни представители на сензорите за ъгъл са HGAR на Alps Alpine, TLI5012B E1000 на Infineon, KMZ60 на NXP и TAS2143-AAAA (без електронен блок) на TDK Micronas.

Сензори за налягане. От тази категория с най-голямо приложение са предназначените за измерване налягането на гумите. Ползваното означение TPMS е от Tire Pressure Monitoring Sensor, като те са част от системата за измерване на налягане (Tire Pressure Monitoring System) с аналогична абревиатура. Сензорът се свързва на входа на системите, реализирани като MEMS ИС, предназначени за обработка на постоянното му напрежение и формиране от него на сигнал с честота 434 МHz. Последният се изпраща веднъж в минута при нормално налягане и на всеки 15 s при намалено под долната граница. Приема се от блок, който задейства индикатор за намалено налягане на таблото на водача. Съвкупността от сензора и неговото закрепване върху гумата, обработващия блок с батерия за захранване и антена за излъчване обикновено представлява модул със специфична конструкция за модела автомобил.

Сензорът е мостова схема от четири пиезокристала, монтирани върху силициева мембрана. Под въздействие на налягането тя се огъва пропорционално на големината му, което променя напрежението на пиезокристалите и напрежението в единия диагонал на моста, свързан към входа на MEMS ИС. Предназначените за автомобили (какъвто е FXTH87EG02DT1 на NXP Semiconductor с вграден акселерометър) измерват налягане между 100 и 900 Ра. Сензорите за камиони и автобуси са за максимално налягане до 1800 Ра - типичен пример е FXTH8718116T1 на същия производител.

Описаните TPMS са известни като Direct TPMS, докато другата разновидност Indirect TPMS ползва антиблокиращата спирачна система (ABS). При понижаване на налягането в някоя от гумите оборотите на съответното колело се променят, това се регистрира от ABS и на таблото се получава индикация.
Друга разновидност са сензорите за измерване силата на натиск на дисковите спирачки, които съдържат тензорезистор за превръщането на това усилие в постоянно напрежение. Пример е Brake Force Sensor на Sensata с максимално измервано налягане 30 kN.

Сензори за безопасност и комфорт

Предназначени са за повишаване сигурността на пътуващите и създаване улеснения на водача при шофиране и паркиране.

Сензори за въздушните възглавници. Повишаването на сигурността в случай на катастрофа на превозното средство става чрез въздушните възглавници (Airbag), задействани от създадените за тях системи. Те могат да реагират на удари от произволна страна и преобръщане на превозното средство. Системите са с 4 до 12 входа за сензори, а изборът на подходящ модел зависи от конструкторите на превозното средство. Управляващият блок на системите (Airbag Control Unit) ACU обикновено е ИС на специализирани производители на електроника за превозни средства. Сигналът за задействане на възглавниците се осъществява от сензори за удар (Airbag sensor, Crash sensor, Impact sensor). Те реагират на рязкото намаляване на скоростта при челен удар, докато за по-малката й промяна при удар отстрани или отзад могат да се ползват и сензори за ускорение или за ускорение с жироскоп, в чиято документация е отбелязана възможността за задействане на въздушни възглавници.

Съществуват два типа сензори в зависимост от принципа на действие и съответно конструкцията. По-старият и продължаващ да се използва са механичните сензори, които при задействане затварят електрическия си контакт. Вторият тип са електронните сензори, представляващи съвкупност от сензор и АCU. Едната им разновидност е ACU със свързан на входа му пиезокристал, докато втората, с нарастващ относителен дял, са MEMS ИС. Електронните сензори обикновено са с цифров изход, данните от който се подават на ECU най-често чрез интерфейса PSI5.

Типични примери за ИС на сензори са ADXL251 на Analog Devices, CG902 на Bosch, PKGS-00GXP-1R на Murata и ASM330LHH на STMicroelectronics.

Сензори за предпазни колани. Двете им основни разновидности са за установяване на поставен колан и на седнал пътник. Сензорът на първата представлява ключалката на колана с монтиран в нея реагиращ на поставянето елемент – механичен ключ, рийд контакт или безконтактен, например елемент на Хол. Такъв елемент е ползван в Seat Belt Buckle Sensor на Littelfuse. Със същите три елемента се реализира и втората разновидност сензори, които се поставят на седалката и се задействат при сядане на пътник. Такъв с рийд контакт е Seat Occupancy Sensor отново на Littelfuse.

Сензори за паркиране. Принципът на действието е излъчване на ултразвук или електромагнитна вълна и приемане на отразената от автомобила, пред който се паркира. По-голям е относителният дял на сензорите, ползващи ултразвук, които се състоят от две части. Едната, с точно наименование ултразвуков преобразувател (Ultrasonic transducer), преобразува електрически сигнал в излъчван ултразвук, а приетия - в електрически сигнал. Другата част е електронен блок за създаване на електрически сигнал с достатъчна мощност за осигуряване на обхвата на излъчване и за усилване на този от приетия ултразвук.

Предимство на тези сензори е работата им и при лошо време, тъй като дъжд, сняг и мъгла не влияят на разпространението на ултразвука. Ползваните честоти обикновено са между 25 kHz и няколко стотици kHz, като по-висока честота осигурява по-голям обхват на действие, но за сметка на излъчване в по-малък ъгъл.

При работата си сензорите излъчват серия от импулси, разпространяващи се със скоростта v=340 m/s на ултразвука, всеки от които се отразява от приближавания обект и се приема от сензора след време t. Разстоянието между автомобила и обекта е d=0,5vt. Типичният обхват на сензорите е максимално d между 5 и 10 m, а минималното d за действието им е от 3 до 15 cm.

Съществуват три вида структури на сензорите, две от които са представени на фиг. 2. Третата структура представлява ИС на електронния блок, например СА271 на Bosch и PGA460-Q1 на Texas Instruments, и отделни преобразуватели.

Подобен е принципът на действие на радарните сензори (Radar sensor), които вместо ултразвук ползват електромагнитни вълни в обхватите 24 GHz и 77 GHz (по-често). Реализират се като ИС с вградена или външна антена, а недостатък е невъзможността за отразяване на вълните от неметални обекти. Пример за сензор с външна антена е RXN7740 на Infineon.

Температура в купето. Осигуряването удобство на пътуващите чрез поддържане на желана температура не се нуждае от коментар. Пример за такъв сензор е SACT Series на Sensirion, оформен като прибор за директен монтаж. Той е с температурна точност ±0,5°С, има вграден безшумен циркулационен вентилатор и размери 52x31x31 mm.

Ключове. Много са местата, където е необходимо чрез ключ да се регистрира достигането до определено положение на механична движеща се част. Ключовете обикновено са включени в каталозите на сензори, а примери са задействането на педалите на спирачките и съединителя, регистриране на закопчан колан и на положението на седалките. За осигуряване на сигурно действие най-често ключовете ползват ефекта на Хол. Такива прибори са AN3769Q-P-A (част от серия от 28 модела) на Diodes Inc., MLX92211 (5 модела) на Melexis, MH04-10S-300W на Standex Meder Electronics и HAL1503 на TDK Micronas (17 модела). Последният ключ е с програмиране на 4 параметъра, сред които силата на натиск за задействане и хистерезиса между включено и изключено състояние. За ключове се ползват и релета с рийд контакти, които някои производители означават като Reed Sensor. Сред приложенията им е регистриране достигнатото ниво на течност (например масло), а типичен техен представител е LS04-2A66-PA на Standex Meder.