MEHATRONIKA VOZILA
- SENZORI -
SENZORI - UVOD Zadatak Senzori konvertuju fizi ke ili hemijske (obi no neelektri ne) ulazne veli ine u elektri ne izlazne veli ine. Senzori omogu avaju detektovanje i merenje parametara za potrebe upravljanja i nadgledanja sistema vozila.
Klasifikacija tipi nih ulaznih veli ina senzora, [5]: mehani ke veli ine o geometrijske veli ine: položaj, pomeranje, ugao, nivo, nagib o kinemati ke veli ine: brzina, ubrzanje, oscilacije, protok o naprezanja: sila, moment, pritisak o karakteristike materijala: masa, gustina, viskoznost o akusti ne veli ine: zvu ni pritisak, frekvencija i brzina zvuka termi ke/toplotne veli ine o temperatura elektri o o o
ne veli ine: elektri ne veli ine stanja: napon ja ina struje, elektri na snaga elektri ni parametri: otpornost, impendansa, kapacitivnost, induktivnost promenjive polja: magnetno polje, elektri no polje
hemijske i fizi ke veli ine: o koncentracija: vlažnost, provo enje toplote, pH vrednost o veli ina estica, sadržaj rastvorene materije, sadržaj prašine o vrsta molekula o opti ke veli ine: intenzitet, talasna dužina, boja
Klasifikacija izlaznih veli ina- signala senzora,[2], [5]: Analogni izlazni signali: o amplitudno modulisani signali (amplituda signala proporcionalna mernoj veli ini) analogni signali napona ili struje - standardno: naponi ±5V ili 0-10 V, ja ine struja 0...20 mA o frekventno modulisani signali (frekvencija signala proporcionalna merenoj veli ini) izlazni naponski signal stalne amplitude (npr. 5V) a promenljive frekvencije o PWM modulisani signali (Puls-Width Modulation) - (dužina pulsa proporcionalna merenoj veli ini) pravougli izlazni naponski signali Digitalni izlazni signali merna veli ina predstavljena serijskim ili paralelnim binarnim signalom U nekim slu ajevima u sklopu senzora postoje namenske elektronske komponente za kondicioniranje (poja anje, filtriranje i sl.) i/ili transformaciju (digitalizaciju) izlaznog signala.
Zahtevi pouzdanost (trajnost) niski proizvodni troškovi otpornost na spoljne uticaje ta nost Uslovi okoline: temperature: putni ki prostor –40°C to +85°C, motorski prostor do +125°C, senzori u izduvnom sistemu motora 800 do 1000°C, eljust disk ko nice do 2000°C... mehani ka naprezanja: vibracije, udari (vertikalna ubrzanja u putni kom prostoru 1g, podužna ubrzanja 1,2 do 1,5 g, blok motora -regularno do 10g vanredno do 100g, elementi sistema oslanjanja, osovine i to kovi vozila regularno do 10g, senzori udara 50 do 100g). hemijski uticaji: voda/vlaga, gorivo, ulja, kiseline, soli, deterdženti... elektromagnetni uticaji: elektri ne smetnje, prekora enja napona, obrnut polaritet...
SENZORI POLOŽAJA I POMERANJA Naj eš e primenjivan tip senzora u vozilima. Služe za odre ivanje položaja elemenata koji vrše linearno ili rotaciono kretanje - mere pomeranje (dužinu puta), uglove zakretanja i nagiba elemenata i nivoe te nih (i praškastih) materija. Osnovni tipovi (relevantni za aplikacije u vozilima): Analogni: - potenciometarski senzori - magnetostati ki senzori: o Holovi o AMR senzori o GMR senzori - induktivni senzori Digitalni: - mikroprekida i - inkrementalni senzori* (opti ki, magnetni) - digitalni enkoderi *
Napomena: inkrementalni senzori strogo posmatrano ne spadaju u senzore položaja-
Potenciometarski senzori Potenciometri su kontaktni otporni ki senzori koji menjaju otpor zavisno od položaja upravlja kog elementa odnosno kliza a. Rad baziraju na zavisnosti izme u elektri ne otpornosti i dužine provodnika. Merni elementi potenciometara su provodnici propisane otpornosti u obliku metalne žice ili filma od kermeta ili provodljive plastike (kermet - kompozitni materijal komponovan od kerami kih i metalnih materijala). Promena otpora se može vršiti pravolinijskim ili kružnim pomeranjem upravlja kog elementa. Da bi generisali naponski izlazni signal, potenciometri se vezuju u kolo tzv. delitelja napona (Sl.1).
Sl.1 Šema vezivanja potenciometarskog senzora kao delitelja napona U vozilima se potenciometri primenjuju kao senzori položaja leptira motora, pedale gasa i nivoa goriva. Osobine potenciometarskih senzora: + jeftini + jednostavna konstrukcija, bez dodatnih elektronskih komponenti + visok nivo izlaznih signala - otporni na interferencije i smetnje + senzori od provodljive plastike imaju veliku mernu ta nost (ispod 1% od punog opsega, sa preciznim napajanjem ostvaruju rezolucije i ispod 0.01%), + širok merni opseg: linearni potenciometri- od nekoliko milimetara do nekoliko metara, rotacioni od 0° do približno 360° + podnose temperature do 250°C + fleksibilna karakteristika (može se po potrebi promeniti promenom širine provodni ke trake) mehani ko habanje, abrazija greške merenja usled estica koje su produkti abrazije - varijacije u kontaktnoj otpornosti izme u kliza a i merne trake nepogodni za minijaturizaciju.
a)
b)
c)
Sl.2 Potenciometarski senzor položaja leptira motora sa dve otporne trakea) konstrukcija: 1- osovina leptira; 2 i 3- otporne trake; 4-nosa sa kliznim kontaktima potenciometra, 5- elektri ni priklju ak; b) elektri na šema; c) izlazna karakteristika, Bosch, [2]
Hol senzori Magnetostati ki senzori koji generišu naponski signal u prisustvu magnetnog polja. Zasnivaju se na Holovom (Hall) efektu, (Sl.2): Kada se duga, tanka poluprovodni ka plo ica kroz koju proti e elektri na struja, izloži dejstvu magnetnog polja, javlja se sila koja na elektrone deluje u pravcu koji je upravan na pravac proticanja struje i na pravac magnetnog polja. Pod dejstvom te (Lorencove) sile, elektroni skre u i nagomilavaju se na jednoj stani plo ice, pa ta strana postaje negativno, a druga pozitivno naelektrisana. Ovako generisan, tzv. Holov, napon (VH) direktno je proporcionalan ja ini magnetne indukcije (B) i ja ini struje (I): VH = S · B · I gde je S konstanta koja karakteriše osetljivost materijala senzora. Ako se ja ina struje održava konstantnom, Holov napon se može upotrebiti za merenje magnetne indukcije.
Sl.2 Holov efekat, [2] Tipi an materijal poluprovodni ke plo ice Holovih senzora je silicijum. Kako je Holov napon veoma mali, Holovi senzori se uvek opremaju elektronskim komponentama za poja anje i obradu signala. Za potrebe odre ivanja položaja i pomeranja elemenata, Holovi senzori se primenjuju u dva režima rada: kao (beskontaktni) prekida i, koji generišu digitalni izlaz u okviru složenih digitalnih i inkrementalnih senzora, i, re e, kao analogni senzori koji proizvode napon proporcionalan ja ini magnetne indukcije. Analogni Holovi senzori po pravilu služe za merenje ugaonih pomeranja. Primer primene u vozilima: Senzori položaja pedale gasa ili ko nice (za elektrohidrauli ki ko ni sistem).
Sl.3 Analogni Holov senzor za merenje ugonih pomeranja do 90°, Bosch: a) Konstrukcija: 1- rotor (pemanentni magnet); 2- magnetni polovi; 3- feromagnetni materijal; 4- vazdušni zazor 5- Hol senzor 6- vratilo b) Izlazna karakteristika
AMR otporni ki senzori AMR - (Anisotropic Magnetic Resistance) Pripadaju grupi otporni kih magnetostati kih senzora koji menjaju otpor u zavisnosti od ja ine i pravca magnetnog polja kome su izloženi. Izra uju se od legure nikla i gvož a (Ni81Fe19 , engl. – permalloy), u vidu trakastog provodnika od veoma tankog filma debljine 30...50 nm i širine nekoliko mikrometara. Baziraju se na efektu da je otpor takvog provodnika anizotropan, tj. za nekoliko procenata ve i kada su pravci provodnika i magnetnog polja paralelni, nego ako zaklapaju ugao od 90°. Za NiFe provodnike na sobnoj temperaturi ova promena otpornosti je reda veli ine 2 do 4%.
Sl. 1 Karakteristika AMR elementa, [1] AMR otporni ki senzori se naj eš e upotrebljavaju kao senzori ugaonog zakretanja. U takvim aplikacijama, rade u tzv. zasi enom režimu, u kom se pobu uju magnetnim poljem ija ja ina prelazi grani nu vrednost (tipi no iznad 50 mT) preko koje se otpornost senzora ne menja sa promenom ja ine magnetnog polja, nego samo zavisi od ugla izme u pravaca magnetnog polja i provodnika (toka elektri ne struje). AMR ugaoni senzori se obi no izvode tako da obuhvataju osam AMR elemenata vezanih u dva Vitstonova mosta koja su me usobno zakrenuta za 45°, Sl.2. Ovakvo rešenje obezbe uje poja anje signala i kompenzaciju uticaja temperature. Ugao magnetnog polja se odre uje pomo u posebnih integralnih kola u sklopu senzora, koja kombinuju signale oba mosta (prvi je funkcija sinusa, a drugi kosinusa dvostrukog ugla magnetnog polja). S obzirom da efekat promene otpornosti zavisi samo od ugla koji zaklapaju pravci vektora struje i magnetnog polja, nezavisno od njihovog smera, AMR ugaoni senzori ne mogu da mere zakretanja ve a od 90°, tj. njihov maksimalni opseg merenja je 180°. Ukoliko ipak postoji potreba za merenjem uglova do punog obrtaja (0 do 360°), postoje rešenja u kojima se AMR ugaoni senzori se opremaju još jednim dodatnim ravanskim namotajem. Ovaj namotaj generiše dopunsko polje koje rezultuje malim promenama signala oba mosta, na osnovu kojih elektronika u okviru senzora prepoznaje uglove do i preko 180° i generiše adekvatan izlazni signal.
Sl. 2 AMR senzori ugaonog zakretanja, princip, konstrukcija, izlazi signali [1]
AMR senzori se ponekad primenjuju i kao senzori magnetnog polja Zemlje, kada imaju ulogu tzv. elektronskih kompasa. Osobine: osetljivost 3 do 4 puta ve a nego Hol senzora primena za temperature do 150°C (maksimalno 200°C) kada rade u režimu ugaonih senzora, nisu osetljivi na varijacije u veli ini magnetnog polja nešto su ve i i skuplji od Hol senzora Primena u vozilima: Tipi no se koriste kao senzori ugla zakretanja upravlja a (npr. za potrebe ESP sistema). U režimu elektronskog kompasa se primenjuju za inercijalnu navigaciju vozila.
Sl.3 Senzor ugla zakretanja upravlja a na bazi dva AMR (ili GMR) ugaona senzora (analogni enkoder), Bosch
GMR otporni ki senzori GMR - (Giant Magnetic Resistance) je efekat iz podru ja kvantne mehanike koji se javlja u strukturama u obliku tankog filma koje su komponovane od naizmen no postavljanjenih feromagnetnih i nemagnetnih ali elektri no provodnih slojeva. GMR efekat se manifestuje u vidu zna ajnog pada elektri ne otpornosti u prisustvu magnetnog polja (10–80%, tipi no 10-15%). Kada eksterno magnetno polje ne deluje, momenti magnetizacije u feromagnetnim slojevima imaju suprotne smerove usled anti-feromagnetnog sprega izme u slojeva, što usled magnetnog rasipanja rezultuje velikim otporom proticanju elektri ne struje. U prisustvu spoljašnjeg elektri nog polja, magnetizacija susednih feromagnetnih slojeva je paralelna, što rezultuje manjim magnetnim rasipanjem i manjom otpornoš u. [6][8]
a)
b) Sl. 1 a) Karakteristika GMR materijala, NVE, [6] b) GMR senzor ugaonog zakretanja, Bosch, [1]
GMR senzori su otporni ki magnetostati ki senzori. Funkcionalno gledano veoma su sli ni AMR senzorima. Razlika je prvenstveno u nešto ve oj osetljivosti GMR senzora. Primena- kao magnetomeri, tj. analogni senzori za merenje ja ine magnetnog polja i kao senzori ugaonog zakretanja, kada se kao i u slu aju AMR senzora koristi struktura sa dva Vitstonova mosta. Ugaoni GMR senzori mogu direktno da mere uglove zakretanja do 360° (ne zahtevaju dopunske namotaje i elektroniku kao AMR senzori). Osobine [1],[6]: prakti no ista mesta aplikacije kao AMR senzori – tendencija: zamenjuju AMR senzore. maniji od AMR senzora nivoi izlaznih signala ve i nego kod Hol i AMR senzora 2 do 10 puta ve a osetljivost od AMR senzora, pa dopuštaju ve e zazore izme u senzora i elementa ije kretanje se meri (ili, za isti zazor potrebni slabiji (jeftiniji) magneti).
Digitalni enkoderi Enkoderi su ure aji koji registruju rotaciono ili linearno mehani ko pomeranje i prevode ga u digitalni signal u vidu sekvence elektri nih pulseva. Na osnovu broja generisanih pulseva ili dekodiranjem seta više pulseva, signal se prevodi u informaciju o relativnom ili apsolutnom položaju. Postoji dva osnovna tipa enkodera – apsolutni i inkrementalni (relativni) enkoderi. Apsolutni enkoderi svaki položaj opisuju jedinstvenim višebitnim digitalnim signalom, dok inkrementalni položaj prikazuju preko broja registrovanih impulsa. Enkoderi se po pravilu izvode kao rotacioni. Oblast primene linearnih enkodera (za registrovanje pravolinijskih kretanja) je prvenstveno ograni ena na robotiku i numeri ki upravljane mašine. Prema tipu senzorskih elemenata u okviru enkodera, enkoderi se obi no izvode kao opti ki ili, re e, kao magnetni. Opti ki rotacioni enkoderi imaju stakleni, plasti ni ili perforiranini metalni kodni disk, po ijem obimu se nalaze nizovi naizmeni no postavljenih providnih i neprovidnih polja, duž jedne ili više prstenastih traka. Kodni disk se postavlja izme u svetlosnog izvora (obi no LED diode) i fotodetektora (obi no fototranzistora) koji ima ulogu digitalnog senzora. Izlazni naponski signal fotodetektora se menja u zavisnosti da li se providno ili neprovidno polje nalazi izme u njega i svetlosnog izvora. Magnetni enkoderi se izvode sa ozubljenim diskom (zup anikom) ili sa višepolnim aktivnim magnetnim diskom. Na mestu senzora u njima se primenjuju Holovi ili magnetorezistivni (AMR ili GMR) senzori. Magnetni enkoderi generalno imaju manju ta nost i ostvaruju manje rezolucije od opti kih, ali su bolje prilago eni teškim uslovima rada (u pogledu udara, vibracija, ne isto a i sl.).
Sl. 1 Opti ki rotacioni inkrementalnog enkoder, principijena šema Apsolutni digitalni enkoderi Apsolutni enkoderi sadrže n digitalnih (opti kih ili magnetnih) senzora koji paralelno generišu set od n digitalnih izlaza koji zajedno opisuju položaj vratila. Set od n digitalnih izlaza naziva se n-bitnom digitalnom re i. Apsolutni enkoder sa n digitalnih izlaza može da razlikuje 2n položaja - primera radi, enkoder sa 8 digitalnih senzora može da razlikuje 28 = 256 razli itih pozicija i tako ostvari ugaonu rezoluciju od 360°/256 =1,41 stepeni.
Apsolutni enkoderi se naj eš e (mada ne i obavezno) rešavaju tako da svaki senzor ima zasebnu traku na kodnom disku. Raspored polja duž traka na disku (raspored providnih i neprovidnih polja na opti kom disku) se usvaja tako da svaki položaj bude okarakterisan (kodiran) jedinstvenom kombinacijom izlaza digitalnih senzora. U široj primeni su dva principa numeri kog kodiranja položaja – binarno (tzv. prirodno) kodiranje i Grej (Grey) kodiranje. Binarno kodiranje primenjuje standardnu sekvencu kojom se prirodni brojevi prevode u binarne. Grej kôd se formira tako da izme u dva susedna položaja samo jedan bit (jedan senzor) menja stanje. S obzirom da je veoma teško obezbediti (sinhronizovati) istovremenu promenu stanja dva ili više senzora, u slu aju binarno kodiranih diskova postoji opasnost od generisanja pogrešnog koda u trenucima kada se senzori nalaze na granici izme u dva susedna polja.
bit 3
bit 3
bit 2
bit 2
bit 1
bit 1
bit 0
bit 0 0°
Decimalni kod
360°
0
1
2
3
4
5
0°
6
7
360°
8
9
10
11
12
13
14
15
Binarni kod
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
Grej kod
0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000
Dijapazon uglova [°]
0 22.5
22.5 45
45 67.5
67.5 90 112.5 135 157.5 180 202.5 225 247.5 270 292.5 315 337.5 90 112.5 135 157.5 180 202.5 225 247.5 270 292.5 315 337.5 360
Sl.2 etvorobitni apsolutni enkoder- kodni diskovi i odgovaraju i izlazni signali senzora, za slu aj binarnog i Grej kodiranja
Inkrementalni enkoderi Inkrementalni enkoderi, koji se nazivaju i relativnim enkoderima, jednostavnije su konstrukcije od apsolutnih. U osnovnom izvo enju sadrže samo dva digitalna senzora sa odgovaraju im kodnim trakama iji izlazi se nazivaju i kanalima A i B. Trake senzora A i B imaju toliko polja kolika je rezolucija enkodera. esto, inkrementalni enkoderi imaju i tre i tzv. Z (ili INDEX) kanal, koji generiše jedan puls po obrtaju, što se koristi za definisanje referentnog, "nultog", položaja, kao i za registrovanje celih obrtaja. Tokom rotacije osovine, senzori generišu nizove pulseva iji su broj i frekvencija proporcionalni položaju i brzini osovine. Signali kanala A i B su smaknuti za 1/4 ciklusa 1, pa je u zavisnosti od toga koji kanal "prethodi" drugom, mogu e odrediti smer rotacije osovine. Ovo je važna prednost inkrementalnih enkodera u odnosu na obi ne inkrementalne broja e (sa samo jednim digitalnim senzorom), kod kojih takva mogu nost ne postoji. Sa druge strane, u pore enju sa apsolutnim enkoderima, kod kojih je to rešeno "hardverski" na nivou senzora, inkrementalni enkoderi su zahtevniji u pogledu prate e elektronike i softvera, koji za potrebe odre ivanja položaja moraju da omogu e brojanje impulsa i identifikaciju smera obrtanja. Primer kodnog diska inkrementalnog enkodera sa 16 podela je prikazan na slici 3. Na toj slici je prikazano i u praksi esto rešenje sa samo jednom zajedni kom trakom za senzore kanala A i B, koji su u tom slu aju postavljeni tako da su fazno smaknuti za etvrtinu perioda. Takvo rešenje je jednostavnije i jeftinije za proizvodnju.
a) kretanje u smeru kazaljke na satu
b)
kretanje suprotno od smera kazaljke na satu
c)
Sl.3 Inkrementalni enkoder- a) dva na ina izvo enja kodnog diska, b) izlazni signali senzora, c) odre ivanje smera rotacije Razli itim na inima brojanja promena signala A i B mogu se ostvariti tri razli ite rezolucije izlaznog signala inkrementalnog enkodera: 1X, 2X i 4X. U režimu 1X kodiranja enkoder daje jedan puls po jednom ciklusu signala A (ili B), u režimu 2X kodiranja dva, a u režimu 4X kodiranja etiri. 1X kodiranje se ostvaruje registrovanjem samo npr. uzlazne ivice jednog signala (npr. A), 2X kodiranje registrovanjem i uzlazne i silazne ivice istog signala (A ili B), a 4X kodiranje registrovanjem i uzlazne i silazne ivice oba signala (A i B). 1
otuda i engleski naziv quadrature encoders, quadrature – u teoriji signala se odnosi na dva signala fazno smaknuta za 90°
SENZORI BRZINE Senzori brzine u vozilima uglavnom služe za merenje ugaonih brzina. Brzine se odre uju metodom direktnog merenja ili diferenciranjem signala senzora za merenje pomeranja. Elektromagnetni senzori su osnovni tip senzora za merenje ugaonih brzina elemenata u vozilima. Njihova važna karakteristika je da omogu avaju beskontaktno merenje, pa nisu podložni habanju i odgovaraju oj promeni ta nosti. Odlikuje ih robustan dizajn i, u opštem slu aju, niska proizvodna cena. U široj primeni su dva osnovna tipa elektormagnetnih senzora brzine – induktivni senzori (tzv. senzori promene reluktanse) i magnetostati ki senzori sa Holovim ili magnetorezistivnim elementima. Induktivni senzori (senzori promene reluktanse) [4][1]: Senzori ovog tipa rad baziraju na pojavi indukcije elektri ne struje pri promeni fluksa u magnetnom kolu senzora. Variranje magnetnog fluksa se izaziva promenom reluktanse magnetnog kola senzora. Magnetna kola su zatvorene putanje linija magnetnog polja kroz magnetne materijale (gvož e, sinteti ki magnetni materijal ferit i sl.). Magnetna reluktansa je mera otpora materijala uspostavljanju magnetnog polja. Reluktansa magnetnog kola je obrnuto proporcionalna magnetnoj permabilnosti ("propustljivosti") materijala obuhva enih kolom. Gvož a i elici imaju nekoliko hiljada puta ve u magnetnu permabilnost od vazduha, pa je i njihova reluktansa u toj meri manja od reluktanse vazduha. Ovo je upravo okolnost koja se koristi u induktivnim senzorima - variranje magnetnog fluksa se izaziva uvo enjem metalnih elemenata u vazdušni prostor magnetnog kola senzora. Princip rada induktivnih senzora može se objasniti na osnovu prikaza na slici u nastavku. Osnovni elementi senzora su: rotor - gvozdeni disk sa zupcima ili prizmati nim ispustima (naziva se i reluktor) permanentni magnet sa feromagnetnim (metalnim) elementima za prenos i usmeravanje magnetnog fluksa indukcioni kalem koji je obmotan oko feromagnetnog elementa
Sl. 1 Induktivni senzor - osnovni elementi, princip rada
Sa ulaskom zuba rotiraju eg diska u prostor izme u feromagnetnih polova, deo vazdušnog procepa (visoke reluktanse) biva "premošten" tim zubom, pa ukupna reluktansa magnetnog kola pada, a "protok" magnetnog fluksa kroz kolo raste (fluks je najve i kada se zub nalazi ta no naspram feromagnetnih polova). Sa udaljavanjem zuba iz vazdušnog procepa magnetnog kola reluktansa se pove ava, a magnetni fluks pada (najmanji je kada nema zuba u blizini feromagnetnih polova). Na ovaj na in, kretanje diska rezultuje periodi nim promenama magnetnog fluksa iji je period proporcionalan brzini obrtanja diska. Da bi se ova pojava okarakterisala elektri nim signalom, u senzor se uvodi kalem koji obuhvata feromagnetni element. Promene magnetnog fluksa (prema Faradejevom zakonu indukcije) rezultuju pojavom elektromotorne sile u namotajima kalema. Pri tome indukovani napon je proporcionalan brzini promene fluksa u magnetnom kolu senzora. Tokom prilaska zupca prostoru izme u feromagnetnih polova senzora, indukovani napon raste i dostiže maksimum dok je zubac još u delimi nom zahvatu, ali je promena fluksa najve a, nakon ega opada i na kratko pada na nulu kada se zub na e naspram polova senzora (u tim trenucima magnetni fluks ima maksimalnu vrednost, ali je brzina njegove promene jednaka nuli). Tokom izlaska zuba iz magnetnog polja senzora, promena napona ima isti karakter, ali je suprotnog polariteta. Frekvencija generisanog elektri nog signala se dakle menja proporcionalno brzini obrtnog diska i to je osnovni izlaz induktinog senzora. Me utim, s obzirom da je veli ina indukovanog napona proporcionalna brzini obrtnog diska, sa promenom brzine elementa menja se i amplituda izlaznog signala, što je jedna od osnovnih mana ovog tipa senzora – za male brzine i amplitude izlaznih signala su male, pa se induktivni senzori ne mogu upotrebiti za merenje malih brzina. Iz tih razloga, ovi senzori mogu da registruju samo kretanje, ali ne i prisustvo metalnih elemenata. Umesto prikazanog, tzv. potkovi astog tipa induktivnog senzora, u praksi se daleko eš e sre u induktivni senzori u obliku štapa, Sl.2., koji rade na istom principu, ali su jeftiniji i jednostavniji za montažu, pri emu ostvaruju nešto manju mernu osetljivost. Induktivni senzori se u vozilima primenjuju za odre ivanje brzine obrtanja elemenata motora i automatskih menja a, u razvodnicma u sistemu za paljenje goriva, kao i na mestu ABS senzora u to kovima. Rotori induktivnih senzora koji su namenjeni merenju ugaonih brzina imaju ve i broj zubaca nego rotor na Sl.1 - primera radi, reluktorski diskovi induktivnih ABS senzora imaju oko 40 zubaca, dok se za senzor brzine obrtanja kolenastog vratila motora koristi zamajac na kom ima oko 60 zuba.
a)
b)
Sl. 2 Štapni induktivni senzor- a) primer ugradnje i b) struktura: 1- permanentni magnet; 2- feromagnetna osovinica; 3- indukcioni kalem; 4- vazdušni zazor; 5feromagnetni ozubljeni disk (zup anik); 6- referentna oznaka, [4],[2]
Magnetostati ki senzori brzine Magnetostati ki senzori brzine su inkrementalni magnetorezistivnim (AMR, GMR) prekida ima.
senzori
bazirani
na
Holovim
ili
Kombinuju se sa pasivnim ozubljenim ili perforiranim rotorima od feromagnetnog materijala, ili sa aktivnim višepolnim permanentno namagnetisanim diskovima, Sl.3.
a)
b)
c)
Sl. 3 Izvo enja magnetostati kih senzora brzine a) sa tangencijalnim senzorom i pasivnim rotorom;b) sa gradijentnim (diferencijalnim) senzorom i pasivnim rotorom i c) sa aktivnim rotorom i radijalnim senzorom, [2] Magnetostati ki senzori su po koncepciji su isti kao induktivni senzori - generišu signal ija je frekvencija proporcionalna brzini obrtanja diska. Razlika i osnovna prednost magnetostati kih u odnosu na induktivne senzore je da se amplituda njihovog izlaznog signala ne menja sa promenom brzine rotacije rotora, ve zavisi samo od ja ine magnetnog polja. Ovo prakti no zna i da ovaj tip senzora može da registruje i male brzine obrtnih elemenata, uklju uju i i njihovo mirovanje. Druga prednost magnetostati kih senzora je da dopuštaju ve e zazore i ve e varijacije zazora izme u senzora i obrtnog diska u odnosu na induktivne.
a)
b)
Sl. 4 Holovi magnetostati ki senzori: a) inkrementalni sa aktivnim rotorom, i b) sa gradijentnim (diferencijalnim) senzorom, [2]
Senzori apsolutne ugaone brzine zakretanja/zanošenja vozila (Yaw rate senzori) [8],[2] Senzori brzine zakretanja (skretanja) vozila su žiroskopski ure aji kojima se meri apsolutna ugaona brzina rotacije vozila oko vertikalne ose. Merenje zasnivaju na Koriolisovom efektu. Ovi senzori se u vozilima primenjuju u okviru ESP sistema, a koriste se i za aktiviranje ure aja za zaštitu putnika u slu aju prevrtanja vozila (kada mere ugaonu brzinu valjanja, tj. bo nog naginjanja vozila), kao i u okviru sistema za inercijalno navo enje. U primeni su dva osnovna tipa senzora brzine zakretanja – pijezoelektri ni i mikroelektromehani ki. Pijezoelektri ni senzori brzine zakretanja se izvode u obliku vertikalne osciluju e viljuške sa dva para kvarcnih pijezo elemenata – dva pijezo elementa su postavljena u korenu oba kraka viljuške i imaju ulogu aktuatora koji saglasno dovedenim elektri nim impulsima pobu uju viljušku na (osnovno) oscilovanje. Drugi par pijezo elemenata su senzori koji generišu elektricitet ija veli ina je proporcionalna veli ini deformacije usled savijanja krakova viljuške u ravni koja je upravna na ravan osnovnog oscilovanja. Pri kretanju vozila na pravcu, kraci viljuške osciluju samo u osnovnoj ravni, pa pijezo senzori na kracima viljuške ne proizvode signal. Efekat deformacija usled ubrzanja ili ko enja vozila se poništava odgovaraju im vezivanjem ovih senzora, koje je rešeno tako da im se naponski signali oduzimaju kada su kraci viljuške povijeni na istu stranu u odnosu na ravan osnovnog oscilovanja (a sabiraju kada su povijeni na razli ite strane te ravni). Kada vozilo zapo ne skretanje, usled pojave Koriolisove sile, kraci viljuške tokom oscilovanja napuštaju osnovnu ravan i povijaju se i u pravcu koji je upravan na nju i to tako da se svaki povija na drugu stranu ravni, pa se signali pijezo senzora na kracima sabiraju. Znak izlaznog signala se menja u zavisnosti od smera zakretanja vozila, odnosno od toga da li vozilo skre e ulevo ili udesno.
Sl.1 Pijezoelektri ni senzor brzine zakretanja: a) pri kretanju na pravcu i b) prilikom skretanja vozila; 1, 2 - ugaona brzina zakretanja vozila; 3 - oscilacije u osnovnoj ravni; 4 - Koriolisove sile; 5 - pijezo senzori; 6 - piezo aktuatori; 7-sile koje pobu uju osnovne oscilacije, [1]
I mikroelektromehani ki (MEMS1) senzori brzine zakretanja rade na istom principu - u njima tako e postoje elementi koji se pobu uju na oscilovanje, koji tokom skretanja, usled Koriolisove sile, napuštaju ravan osnovnog oscilovanja, što registruju odgovaraju i elementi senzora. Oscilatorni sistem senzora- osciluju i elementi, elementi za njihovo vo enje i opruge, po pravilu 1
MEMS – mikroelektromehani ki sistem (engl. Micro-Electro Mechanical System)
se izra uju u komadu od tankih plo astih struktura od silicijuma ili stakla (debljine 160 300 m), esto izjedna i sa senzorskim elementima i elementima za pobu ivanje oscilacija. Mikromehani ki senzorski elementi u okviru MEMS senzora brzine zakretanja su naj eš e kapacitivnog tipa i mere promenu kapacitivnosti usled promene rastojanja izme u elemenata senzora. Pobu ivanje oscilacija oscilatornih elemenata se može ostvariti na više na inaelektrostati kim silama, minijaturnim pijezo elementima, ili, kao u primeru u nastavku, uz pomo permanentnog magneta i provodnika na osciluju em elementu kroz koji se propuštaju strujni impulsi, što izaziva indukovanje bo ne elektrodinami ke (Lorencove) sile.
Sl.2 Mikroelektromehani ki senzor brzine zakretanja, Bosch, tip MM, 1- deo plo e koji je profilisan tako da ima ulogu opruge, 2- permanentni magnet, 3-pravac osnovnih oscilacija, 4- osciluju i element, 5- deo plo e koji ima ulogu kapacitivnog senzora, 6- Koriolisovo ubrzanje, 7- deo plo e koji služi kao opruga za vo enje osciluju ih elemenata, [1]
MEMS senzori su veoma kompaktni (veli ine su do svega nekoliko milimetara), pa se po pravilu proizvode u obliku jednog ipa, zajedno sa svim prate im elektronskim kolima za poja anje i kondicioniranje signala.
SENZORI UBRZANJA Senzori ubrzanja se nazivaju i akcelerometrima. U vozilima se primenjuju za detektovanje udara radi aktiviranja sistema za pasivnu zaštitu putnika (vazdušnih jastuka, zateza a pojaseva i sl.), za merenje podužnih i bo nih ubrzanja vozila i nagiba puta u sistemima za dinamiku vozila, za merenje vibracija i udara u motoru, kao i u okviru sistema za zaštitu vozila od kra e. Merenje ubrzanja u standardnim akcelerometrima se zasniva na merenju sile koja deluje na elasti no oslonjen element senzora, tzv. seizmi ku masu. Veli ina ove sile se odre uje preko ugiba elasti nog elementa preko kog se seizmi ka masa oslanja na ku ište senzora. Ubrzanja se mogu i posredno odrediti diferenciranjem signala senzora za merenje brzina ili pomeranja. U savremenim vozilima se primenjuje dva tipa senzora ubrzanja- mikroelektromehani ki (MEMS) senzori i pijezoelektri ni senzori. MEMS senzori se primenjuju kao senzori za detekciju sudara (za ubrzanja 20 do 250 g1) i kao senzori u sistemima za upravljanje dinamikom vozila (za ubrzanja 1 do 2 g), dok se pijezo akcelerometri u prvom redu koriste kao vibracioni senzori u motorima sa unutrašnjim sagorevanjem. Mikroelektromehani ki senzori ubrzanja se izra uju kao minijaturne strukture od silicijuma ija veli ina esto ne prelazi nekoliko desetih delova milimetra. Jednom delu silicijumske strukture dodeljuje se uloga seizmi ke mase. Delovi te strukture preko kojih se ostvaruje veza seizmi ke mase sa nepokretnim delovima senzora profilišu se tako da poprimaju ulogu elasti nih oslonaca ta no propisane krutosti (osetljivost i merni opseg senzora odre eni su odnosom veli ine seizmi ke mase prema krutosti elasti nog oslonaca). Merenje ubrzanja MEMS akcelerometri po pravilu ostvaruju merenjem promene kapacitivnosti koja nastaje zbog promene rastojanja izme u pokretnih i nepokretnih delova senzora usled pomeranja seizmi ke mase.
a)
b)
Sl.1 Dva primera mikroelektromehani kih akcelerometara, Bosch, [2]: a) kapacitivni akcelerometar sa konzolnim oslanjanjem seizmi ke mase:1-gornja silicijumska plo a, 2centralna silicijumska plo a (seizmi ka masa), 3- izolacija (silicijum oksid), 4- donja silicijumska plo a,5- staklena podloga b) kapacitivni akcelerometar sa seizmi kom masom u obliku ešlja: 1- elasti no oslonjena seizmi ka masa sa elektrodama, 2-opruga, 3- prva nepokretna elektroda, 4- aluminijumski provodnik nanet štampanjem, 5- priklju ci, 6- druga nepokretna elektroda, 7- izolacija (silicijum oksid)
1
g- ubrzanje zemljine teže
Pijezoelektri ni akcelerometri, [2] - u prisustvu vibracija seizmi ka masa unutar senzora usled inercije stvara sile koje pritiskaju prstenasti pijezokerami ki element u istom ritmu kao vibracije koje ih proizvode. Kao rezultat tih sila, u kerami kom elementu dolazi do preraspodele elektriciteta i stvaranja naponske razlike izme u gornje i donje strane kerami kog elementa. Generisani napon se putem kontaktnih podloški odvodi i stavlja na raspolaganje kao merni signal. U nekim slu ajevima signal se filtrira i obra uje u okviru samog senzora. Vibracioni senzori se zavrtnjima pri vrš uju za objekat (npr. blok motora) ije se vibracije mere, tako da se osigura njihovo direktno prenošenje na senzor. Pored opisanih, u primeni su i pijezo akcelerometri u kojima se signal generiše na osnovu savijanja konzolno oslonjenog pijezo elementa plo astog oblika (pijezo element je ujedno i seizmi ki element).
Sl.2 - Pijezoelektri ni akcelerometar- senzor detonativnog sagorevanja motora, Bosch: 1- seizmi ki element, 2- ku ište, 3- pijezokerami ki element, 4- zavrtanj, 5- kontakt, 6- elektri ni priklju ak, 7- blok motora, Obe opisane vrste akcelerometara (MEMS i pijezo) se proizvode kao jednoosni, dvoosni ili troosni. Višeosni senzori služe za istovremeno merenje podužnih, popre nih i vertikalnih ubrzanja vozila. Dobijaju se ugradnjom dva ili tri jednoosna senzorska elementa unutar istog ipa.
SENZORI ZA MERENJE PRITISKA Služe za merenje pritiska u gasovima i te nostima. Primeri primene u vozilima- u motoru: za merenje pritiska na usisnoj grani, pritiska ulja i pritiska goriva; u ko noj instalaciji: za merenje pritiska u glavnom ko nom cilindru, u napojnom vodu hidrauli ke jedinice ABS/ESP sistema, u pneumati koj ko noj instalaciji, u sistemu vazdušnog oslanjanja, u hidrauli koj upravlja koj jedinici automatskih menja a, za merenje pritiska ambijenta (atmosferskog pritiska), itd. Kada su vozila u pitanju, naj eš e se izvode sa mikroelektromehani kim mernim elementom. U osnovi tog elementa je silicijumska membrana sa etiri deformaciona otpornika povezana u Vitstonov most radi poja anja signala i kompenzacije uticaja temperature. Sa jedne strane te membrane se dovodi medijum (te nost ili gas) iji pritisak se meri, dok se sa njene druge strane nalazi komora sa vakuumom (za senzore apsolutnog pritiska) ili se dovodi atmosferski ili drugi referentni pritisak (za senzore relativnog pritiska). Deformacioni otpornici su pijezorezistivni elementi koji menjaju otpornost proporcionalno mehani kom naprezanju kojem su izloženi. Postavljaju se tako da tokom deformisanja membrane otpornici u susednim granama Vitstonovog mosta trpe raznoimena optere enja, pa su dva otpornika izložena istezanju, a druga dva sabijanju. Pre nik i debljina membrane se uskla uju sa opsegom pritisaka koje treba meriti- za ve e pritiske primenjuju se membrane ve e debljine i manjeg pre nika i obrnuto. Mikromehani ki merni element se u jednom ipu integriše zajedno sa elektronikom za poja anje signala i temperaturnu kompenzaciju.
a)
b)
Sl.1 – Senzor za merenje relativnog pritiska, Bosch: a) Merni element: 1- zaštitni gel, 2- mereni pritisak, 3- referentni pritisak, 4- ip senzora; b) ip senzora: 1-membrana, 2- silicijumska membrana sa deformacionim otpornicima, 3- zaštitni gel, 4- osnova od stakla
Temperaturni senzori [7],[2]: Termoparovi Termoparovi su jedni od naj eš e primenjivanih senzora za merenje temperature s obzirom da su relativno jeftini i dovoljno ta ni i da mogu da rade na širokom opsegu temperatura. Nazivaju se i termoelektri nim senzorima. Termopar se formira kada god se dva razli ita metala dovedu u dodir (lemljenjem, zavarivanjem ili jednostavnim me usobnim uvrtanjem provodnika). U takvoj situaciji u ta ki dodira dolazi do stvaranja male elektromotorne sile ija veli ina je funkcija temperature (i vrste materijala) i koja se može registrovati kao napon na drugom kraju ovih provodnika. Napon koji generišu termoparovi se naziva i Sibekovim naponom (Seebeck) po fizi aru koji ga je otkrio. Zavisnost napona od temperature za termoparove je izrazito nelinearna, pa se za potrebe o itavanja ova karakteristika po pravilu aproksimira polinomima. Za uske dijapazone promene temperatura ona se prema potrebi ipak može prikazati kao linearna. Iako su sami temoparovi jednostavni, jeftini i robusni, merenje sa njima zahteva posebne procedure i/ili ure aje. Ovo se prvenstveno odnosi na potrebu za kompenzacijom uticaja tzv. hladnih spojeva koji nastaju u spoju provodnika termopara sa provodnicima za vezu sa mernim ure ajem. Za merenje apsolutne temperature oni zahevaju merenje temperature tzv. referentnog spoja drugim tipovima temperaturnih senzora. U pore enju sa drugim temperaturnim senzorima, oni nisu posebno ta ni izme u ostalog zato što su podložni starenju. Oblast primene termoparova su prvenstveno visoke temperature preko 1000°C. Termoparovi se ponekad serijski vezuju radi poja anja mernog signala što je slu aj primer u radijacionim beskontaktnim termometrima – pirometrima. Postoji više standardnih tipova termoparova ija kompozicija se ozna ava velikim slovom prema konvenciji koju je uveo ameri ki institut za standardizaciju (ANSI), a koja je sada opšte prihva ena. Primera radi, esto se primenjuju termoparovi tipa J koje ine jedan provodnik od gvož a i drugi od konstantana (legure bakra i nikla). Ostali tipovi termoparova su B, E, K, N, R, S, i T. RTD senzori RTD (Resistance Temperature Detector) su otporni ki temperaturni senzori. Rad im se bazira na injenici da elektri na otpornost metala raste približno linearno sa porastom temperature. Pri propuštanju elektri ne struje kroz metalni otporni element senzora, dolazi do pada napona koji je proporcionalan njegovom trenutnom otporu. Za poznatu struju pobude, merenjem ovog napona odre uje se otpor senzora, a preko poznatog koeficijenta (ili funkcionalne zavisnosti) i tražena temperatura. Za ta nost ovih senzora, dakle, od vitalne je važnosti obezbediti što precizniju i konstantniju veli inu struje pobude. Kao materijal otpornog elementa naj eš e se koristi platina (Pt), zbog širokog temeperaturnog opsega, ta nosti i stabilnosti koji karakterišu takve senzore. Platinski RTD senzori se koriste za temperature do 850°C. Pored platinskih, izra uju se i RTD senzori na bazi nikla (Ni) ili bakra (Cu), ali je njihova primena daleko re a. U pogledu konstrukcije, otporni elementi RTD senzora se izvode u obliku kalema od tanke žice, ili u vidu veoma tankog metalnog filma na plasti noj foliji ili na sloju kerami kog supstrata. Konstrukcija sa metalnim filmom se šire primenjuje zato što je jeftinija i obezbe uje ve e nominale otpornosti.
Sl. 1. RTD temperaturni senzor, [7] RTD senzore karakteriše velika stabilnost i, u pore enju sa svim ostalim temperaturnim senzorima, najlinearnija zavisnost signala od temperature. Sa druge strane, oni su skuplji od alternativa zbog precizne izrade i upotrebe platine. U mane ovih senzora ubrajaju se i relativna sporost (dugo vreme odziva), mala osetljivost i sklonost samozagrevanju usled struje za pobudu. RTD senzori se obi no kategorizuju prema nominalnoj otpornosti na 0°C. Tipi ne nominalne vrednosti otpora se kre u izme u 100 i 1000 . Jedno od naj eš ih izvo enja RTD senzora su tzv. Pt100 sonde sa otporni kim elementom od platine i nominalnom otpornoš u od 100 na 0°C. RTD senzori se karakterišu koeficijentom linearizovane zavisnosti otpora od temperature. Ipak, za preciznija merenja, obi no je, umesto linearne, potrebno primeniti parboli ku ili kubnu aproksimaciju ove zavisnosti.
Sl. 2. Primer krive zavisnosti otpora od temperature za RTD senzor od platine nominalne otpornosti 100 , [7] Termistorki senzori Sli no kao i RTD senzori i termistori su otporni ki temperaturni senzori. U njima se kao otporni elemenati koriste temperaturno osetljivi poluprovodnici ija otpornost varira sa temperaturom. Izvode se u vidu poluprovodni kih metalnih oksida zatvorenih u ku ište ispunjeno staklom ili epoksi smolama. Postoji dva osnovna tipa termistora- NTC i PTC. NTC (negative temperature coefficient) termistore karakteriše negativni temperaturni koeficijent, što zna i da im otpornost pada sa porastom temperature. Za PTC (positive temperature coefficient) termistore važi obrnuto –otpornost im raste sa porastom temperature. NTC termistori
imaju širu primenu kada je u pitanju merenje temperature, dok se PTC termistori uglavnom koriste kao elementi za ograni enje struje u strujnim kolima (na mestu osigura a). U vozilima se NTC termistori standardno primenjuju kao digitalni termostati za nadzor termperature motora. Termistori imaju zna ajno ve u nominalnu otpornost nego RTD senzori (u rasponu izme u 2000 i 10000 ), pa za pobu ivanje zahtevaju struje manje ja ine. Karakteriše ih veoma velika osetljivost, kako u pogledu promene otpornosti (koja je reda veli ine 200 /°C), tako i u pogledu brzine reagovanja. Ovo, zajedno sa malom strujom pobude, ini termistore veoma pogodnim za precizna merenja temperatura. Sa druge strane, temistore karakteriše nešto uži temperaturni opseg – njihova primena je ograni ena na temperature do 300 °C. Relacija izme u otpora i temperature za termistore nije idealno linearna, pa je za precizna merenja na širem opsegu temperatura neophodno primeniti funkcije koje aproksimiraju R(T) karakteristiku termistora. Jedna od standardnih je Štajnhart-Hartova (Steinhart-Hart) aproksimacija thermistora tre eg reda: 1 T
A
B R
C R3
gde je T temperatura u Kelvinima, R izmerena otpornost, dok su A, B i C konstante koje obezbe uje proizvo termistora.
Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]
Sensors for Automotive Applications. (Sensors Applications Volume 4), Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2003 Automotive sensors, Robert Bosch GmbH, 2002 Bonnick, Allan W.M., Automotive computer controlled systems: diagnostic tools and techniques, Butterworth-Heinemann, 2001 Ribbens W. B., Understanding Automotive Electronics, Sixth Edition, Butterworth– Heinemann, 2003 Isermann R., Mechatronic systems: fundametals, Springer - Verlag, London, 2005 GMR sensors data book, NVE Corporation, 2003 www.ni.com – web prezentacija firme National Instruments http://Wikipedia.org
