senzori pentru autovehicule - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~tarnovan/senzori integrati in...

1

18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 1

Senzori pentru autovehicule

Cerinţe generale: Erori ≤ 3% in toata gama de operare:

Temperatura

Neliniaritate

Histerezis

Repetabilitate

Condiţii de lucru: Temperatura: -40 … +125 °C;

Vibraţii: ±10 g (timp de 30 de ore);

Interferente electromagnetice

Compatibilitate electromagnetica

Caracteristici: Precizie;

Robusteţe;

Fabricaţie simpla;

Inter-schimbabilitate

Preţ scăzut.



Domenii principale de aplicaţie ale senzorilor pentru autovehicule

-Cerinţe ocupanţi

-Siguranţa ocupanţi

-Securitate

-Confort

-Informaţii

HABITACLU

-Manevrare vehicul

-Siguranţa

-Direcţie

-Suspensie

-Frânare

-Stabilitate

ŞASIU

-Utilizare energie

-Manevrabilitate

-Performante

-Motor

-Transmisie

-Diagnostic on-board

TRACTIUNE

Funcţii de control principale COMPONENTE IMPLICATE

DOMENII DE APLICATIE

2



Senzori → variabile măsurate: poziţie a clapetei de acceleraţie: reglează debitul de aer in motor si controlează puterea de ieşire

debit de aer masic

evacuare gaze – oxigen

recirculare gaze de evacuare

Actuatoare (elemente de execuţie) ← variabile de control

Schema bloc a unui sistem electronic de control al motorului



Mărimi măsurate ← senzori

Debit de aer masic

Poziţie unghiulara:

clapeta de acceleraţie

arbore cotit

Temperatura:

lichid de răcire

temperatura aer la admisie

Presiune:

absoluta - amestec carburant

diferenţiala - gaze de evacuare

Concentraţie de oxigen in gazele de evacuare

Viteza vehicul

Poziţie schimbător de viteze

Schema bloc a unui sistem electronic de control al motorului

Comutatoare de control:

Conectare aer condiţionat

Frâne ON/OFF

Clapeta acceleraţie complet

deschisa

Clapeta acceleraţie închisa

3


Senzori pentru debitul de aer

Element sensibil: film metalic depus pe un substrat

încălzire electrica la o temperatura constanta, mai mare decât a aerului

Circuit de măsurare – punte Wheatstone dezechilibrata

Echilibru: va = vb

Circulaţia aerului raceste rezistoarele din punte

v0 – variază astfel incit sa menţină constanta temperatura senzorului

Senzor de debit cu “fir cald” si circuitul de măsurare

Caracteristica neliniara tensiune-debit


Senzori de viteza a fluidelor

Principiul tubului Pitot

Măsurarea vitezei unui fluid: detectarea diferenţei dintre presiunea statica a fluidului in fata senzorului si presiunea dinamica in jurul senzorului

Diferenţa de presiune produce deflexia unei diafragme de Si, care serveşte ca electrod al unui senzor capacitiv integrat

Senzor de viteza pentru fluide

4


Măsurarea vitezei fluidelor

Măsurarea vitezei unui fluid printr-o conducta

Efect Doppler:

Senzor de debit masic, cu dioda laser LD

12

0 1 2cos cos

c vv

v

Δv12 – abaterea frecventei Doppler

v – viteza fluidului

c – viteza luminii in vid

v0 – frecventa laser centrala

Daca se măsoară densitatea gazului (metoda absorbţiei) si viteza (metoda Doppler), se poate estima direct debitul masic al fluidului


Senzori de presiune

Domeniu de presiune măsurata: 10 kPa … 180 MPa (gama dinamica: 1 … 18 000)

Senzori piezorezistivi: Element sensibil: diafragma de Si

Circuit de măsurare: punte Wheatstone

Construcţie integrata: senzor

condiţionare semnal

calibrare programabila (amplificare, ofset)

compensare termica

Aplicaţii: Măsurare presiuni in motor

Măsurare presiune la pierderea combustibilului prin evaporare

Senzori capacitivi: Element sensibil: diafragma de Si (armatura mobila), construcţie ceramica

Aplicaţii: Măsurare presiune pneuri in mişcare

Măsurare presiune ulei in motor

Măsurare presiune lichid de frâna

Măsurare presiune sistem hidraulic

5


Senzori de presiune piezorezistivi

Piezorezistivitate: modificarea rezistivităţii unui semiconductor sub acţiunea tensiunilor mecanice

Măsurarea presiunii absolute a amestecului combustibil

Presiune absoluta → deplasare diafragma

Diafragma:

Dimensiune: ~ 3×3 mm

Grosime: ~ 25 μm

Montare: tub cu diametru mic Senzor piezorezistiv cu diafragma de Si


Senzori de presiune

Punte echilibrata (diafragma nedeformata, presiune = 0): vA = vB

Punte dezechilibrata (diafragma deformata, presiune ≠ 0):

R1, R3 – se modifica

R2, R4 – se modifica in sens contrar

v0 – proporţionala cu presiunea care deformează diafragma

Punte Wheatstone dezechilibrata cu senzori piezorezistivi

6


Senzori de presiune integraţi

Fasciculul optic incident (i) este reflectat parţial de capătul fibrei optice (1)

Fasciculul transmis parţial este reflectat de diafragma supusa la presiune 2

Fasciculele 1 si 2 interferează si produc franje de interferenta in fasciculul rezultant (r), care descriu deformarea diafragmei

Senzor optic de presiune


Senzori de temperatura

Senzori integraţi cu Si:

Cristal de Si, sensibil la temperatura

Temperatura de lucru: -50 … +150 °C

Aplicaţii:

Măsurare temperatura aer, gaze, fluid

Termistori:

Oxizi ceramici, cu variaţie neliniara in raport cu temperatura

Temperatura de lucru: -55 … +1 000 °C

Aplicaţii:

Măsurare temperatura de răcire a motorului

Măsurare nivel lichid de răcire, combustibil, ulei, lichid servo:

Diferenţa de temperatura la autoîncălzire, intre senzorul imersat sau nu in fluid

Măsurare temperatura la catalizator (1 050 °C)

Senzori rezistivi:

Element sensibil: Pt

Aplicaţii:

Măsurare temperaturi înalte

7


Senzori de poziţie liniara si unghiulara

Domeniu deplasări: 1 μm … 200 mm (gama dinamica: 1 … 200 000)

Senzori rezistivi (potenţiometre):

Variaţia rezistentei cu lungimea

Deplasare liniara sau unghiulara

Aplicaţii: Măsurare nivel combustibil

Măsurare poziţie la pedala de acceleraţie

Măsurare poziţie in cutia de viteze

Senzori rezistivi: a) liniar; b) circular.



Domeniu deplasări: 1 μm … 200 mm (gama dinamica: 1 … 200 000)

Senzori Hall:

Aplicaţii: Măsurare poziţii liniare sau unghiulare

Măsurare poziţie la clapeta de acceleraţie

Măsurare apăsare şasiu-roti

Detectare legare centuri de siguranţa

Senzori magnetorezistivi:

Aplicaţii: Aceleaşi cu senzorii rezistivi si Hall:

Întrefier mare

Variaţii mari de temperatura

8



Senzori optici:

Fanta prin care

trece/nu trece un

fascicul optic

Deplasare relativa

Aplicaţii:

Determinarea rotirii

volanului

Montare in poziţii

in care sunt

protejaţi in raport

cu factorii de

mediu

Senzor digital de tip “bariera de lumina”


Senzori pentru controlul combustiei

Stadiu actual:

Control in bucla deschisa, fara informaţie de reacţie de la sistemul de injecţie;

Nu permite optimizarea procesului;

Motoare pentru autovehicule:

Utilizează conceptul de “bucla închisa”;

Senzori pentru monitorizarea gazelor de ardere:

Combustia biomasei

Turbine cu gaz

Senzori:

Monitorizarea proceselor de combustie;

Probleme de discuţie:

Principii;

Caracteristici;

Limitări;

Aplicaţii.

9


Concepte de control al combustiei

Controlul proceselor de combustie:

Combustia are loc intre reactivi reci (cel puţin combustibilul), furnizaţi de injectoare care măsoară debitul;

Controlul activ al combustiei (ACC – Active Combustion Control): Imbunatatirea activa a combustiei (ACE - Active Combustion Enhancement) –

optimizarea caracteristicilor combustiei;

Controlul activ al instabilităţii (AIC - Active Instability Control) – modelarea proceselor de curgere pentru reducerea oscilaţiilor de presiune in timpul combustiei;

Exemplu – arzător cu gaz: Optimizare debit combustibil;

Măsurare bioxid de carbon

Controlul punctului de operare (OPC – Operation Point Control) Optimizarea caracteristicilor combustiei

Reglarea injecţiei de combustibil pentru controlul parametrilor arderii

Strategii de control – frecvente de operare: AAC – 20 Hz … 1 kHz;

OPC – 1 … 100 Hz


Controlul activ al combustiei

Controlul activ al combustiei (ACC) la un arzător cu gaz

10


Controlul punctului de operare

Controlul punctului de

operare - OPC: Conversie stoichiometrica

Sonda Lambda ( λ – raport

echivalent aer-combustibil):

răspunde la prezenta oxigenului

Eficienta de conversie a

catalizatorului standard cu 3

trepte (TWC – Three Way

Catalyst):

Hidrocarburi

Monoxid de carbon

Oxizi de azot

Dioxizi de carbon si azot Eficienta conversiei unui catalizator cu 3

trepte



Sistem convenţional de control al motorului unui autovehicul

Cea mai mare parte a emisiilor se produc in faza de încălzire a

motorului (≈ 40 s după pornirea la rece)

Senzori de oxigen cu viteza mare de răspuns

Senzori de temperatura: ~1 000 °C

11


Senzori pentru controlul punctului de operare

Controlul punctului de operare (OPC) la un motor cu benzina clasic – funcţionare la λ=1 pentru eficienta maxima a catalizatorului, cu sonda lambda pentru măsurare

stoichiometrica



Sistem de control pentru motoare cu injecţie directa de benzina

Reducerea timpului de răspuns – montarea senzorilor si a

catalizatorului cit mai aproape de motor pe sistemul de evacuare

(eşapament)

Descreşterea cantităţii totale a emisiilor poluante

Scăderea consumului de combustibil

12


Senzori pentru controlul combustiei

Controlul punctului de operare (OPC) la un motor cu injecţie directa de benzina – sistem de management al motorului si catalizatorului, cu senzori pentru O2 si pentru măsurarea

temperaturii


Tehnici pentru controlul combustiei

Tehnici optice de diagnostic: Rezoluţie spaţiala si temporala buna

Necesita acces optic

Ferestre optice: Rezistenta la presiune si temperatura

Este necesara răcirea si curatarea ferestrei

Senzori si tehnici de diagnostic pentru controlul combustiei

13



Utilizarea fibrelor optice: Disponibile in UV sau IR, cu secţiune transversala mica

Rezistenta mecanica buna (teaca protectoare)

Instalare la distanta de motor (simplificare a montajului)

Obturarea fasciculului luminos, datorita fumului si depunerii particulelor solide – afectează direct intensitatea luminoasa

Operare fiabila pentru intervale mari de timp (autovehicule ~160 000 km)

Senzori si tehnici de diagnostic pentru controlul combustiei


Senzori pentru emisie optica

Lumina emisa de o flacăra poate fi folosita pentru monitorizarea si controlul arderii

Lungimi de unda: UV … IR

Spectrul de emisie corespunde reacţiilor chimice

Componente detectate: H2O, CO2, CO

Măsurarea emisiei optice la ardere

Detectarea emisiei optice:

Acces optic la proces

Filtru optic

Lentila colectoare

Fotodetector (fotodioda)

14



Surse optice: diode laser

Sistem de detecţie: izolatori optici, fibre si fotodetectoare (fotodiode)

Ical – conversia semnalului din domeniul timp in domeniul frecventa

Iref – semnal de referinţa

Cuplor optic – multiplexarea fasciculelor laser

Reţea de difracţie – separarea lungimilor de unda ale fasciculului transmis pe mai multe fotodetectoare

Spectroscop cu diode laser, bazat pe absorbţie in spectru IR-apropiat


Senzori pentru gaze

(a) Celula potentiometrica cu zirconiu: fracţiunea molara →t.e.m. intre electrozii localizaţi pe ambele parti ale stratului de zirconiu, supus la presiuni parţiale diferite ale gazului detectat

(b) Senzor cu depunere de oxid: fracţiunea molara → modificarea rezistentei semiconductorului in prezenta gazului detectat

(c) Sonda catalitica: in prezenta gazului detectat, căldura este transferata electrodului cu înveliş catalitic, iar fracţiunea molara este detectata ca o modificare a rezistentei senzorilor rezistivi RTD

Gaze detectate: O2, NOx, CO

Senzori de gaze: (a) celula potentiometrica cu zirconiu; (b) dispozitiv cu depunere de oxid; (c) sonda catalitica

15


Senzori de poziţie unghiulara – arbore cotit

Volant – disc cilindric din otel, solidar cu arborele cotit

Poziţia unghiulara = unghiul dintre linia de referinţa si axa semnului de pe volant

Ciclu complet = 2 rotaţii ale arborelui cotit = 720°

Măsurarea poziţiei unghiulare a arborelui cotit


Senzori pentru mişcare de rotaţie

Senzori cu reluctanţa variabila: Senzori inductivi

Ieşire: impulsuri sincrone cu variaţiile in timp ale fluxului magnetic, produse de mişcarea de rotaţie a unor componente mecanice

Avantaje: cost scăzut,

dimensiuni reduse,

simplitate in generarea semnalelor

stabilitate cu temperatura

Dezavantaje: lipsa de semnal in lipsa miscarii

variaţii ale intensităţii si fazei semnalului in funcţie de viteza

Întrefier: max. 2 mm

Aplicaţii: Control cuplu motor

Control axe cu came pentru generarea scânteii la aprindere

Control al timpului de injecţie al combustibilului

Măsurare viteza motor

Control electronic al schimbării vitezelor

Măsurare viteze roti (ABS, control tracţiune, control stabilitate)

Măsurarea vitezei unghiulare cu senzori cu reluctanţa variabila

Senzor cu reluctanţa variabila – circuit magnetic

16



Măsurarea vitezei unghiulare cu senzori cu reluctanţa variabila Senzor cu reluctanţa variabila – tensiune de

ieşire



Senzori magnetorezistivi: Modificarea rezistentei electrice sub

acţiunea unui flux magnetic exterior

Circuit integrat: senzor+procesare semnal

Avantaje:

Operare la viteza zero

Sesizare direcţie de rotaţie

Precizie: ±0,025 °

Întrefier: max. 3 mm

Temperatura de operare: max. 200 °C

Dezavantaje:

Dimensiuni medii

Cost mediu

Necesitatea unui curent de polarizare

Aplicaţii:

Măsurarea poziţiei unghiulare a bielei

Măsurarea vitezei roţilor in sistemele de navigaţie pentru vehicule

Variaţia rezistentei electrice la senzori magnetorezitivi

Măsurarea vitezei unghiulare cu senzori magnetorezistivi

17


Forţa Lorentz:

Tensiunea Hall:

kH – constanta Hall

Ic – intensitatea curentului de comanda

B – modulul inducţiei magnetice


Senzori Hall: Efect Hall: apariţia unei tensiuni electrice (tensiune Hall) intre 2 puncte ale unei

placi semiconductoare, parcursa de curent electric si situata intr-un câmp magnetic perpendicular pe planul placii

Dispozitive semiconductoare active, care necesita un curent de polarizare

Ieşire: tensiune proporţionala cu variaţiile fluxului magnetic

Senzor Hall: principiu de funcţionare

BveF nL

BikU cHH


Senzori pentru mişcare de rotaţie – senzori Hall

Senzor de poziţie cu efect Hall

Senzor de poziţie cu efect Hall, cu ecranarea senzorului in raport cu câmpul magnetic.

18


Senzori pentru mişcare de rotaţie: senzori Hall

Metode de măsurare a vitezei unghiulare

Senzor de viteza pe transmisie

Senzori Hall:

Avantaje: cost scăzut, dimensiuni reduse, operare la viteza zero, liniaritate,

precizie: ±0,5 °

Dezavantaje: temperatura de operare maxima: 175 °C; întrefier: max. 2,5 mm;

sensibilitate la presiune exterioara



Domenii de utilizare ale senzorilor galvanomagnetici

19


Senzori Hall: sistem de poziţionare

Sisteme de poziţionare cu senzori Hall

Varianta (a): 4 senzori Hall digitali, acţionaţi fiecare de către un magnet permanent;

Varianta (b); 4 senzori Hall digitali, acţionaţi de magneţi cu poli alternativi


Senzori galvanomagnetici in sisteme ABS

ABS - Antilock Braking System 1 – modulator hidraulic, controlat de computerul de bord

- reduce periodic presiunea saboţilor pe discurile sau tamburii de frânare şi nu permite blocarea roţilor

2 – senzori galvanomagnetici

Distanta dintre 2 dinţi consecutivi: 2,5 mm

Frecventa maxima a impulsurilor: 2 500 Hz

Dispunerea si componentele unui sistem ABS

Ansamblu senzor-disc

senzori pentru autovehicule - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~tarnovan/senzori integrati in...

Documents