Senzori

MEHATRONIKA VOZILA

- SENZORI -

SENZORI - UVOD Zadatak Senzori konvertuju fizičke ili hemijske (obično neelektrične) ulazne veličine u električne izlazne veličine. Senzori omogućavaju detektovanje i merenje parametara za potrebe upravljanja i nadgledanja sistema vozila. Klasifikacija tipičnih ulaznih veličina senzora, : •

mehaničke veličine o geometrijske veličine: položaj, pomeranje, ugao, nivo, nagib o kinematičke veličine: brzina, ubrzanje, oscilacije, protok o naprezanja: sila, moment, pritisak o karakteristike materijala: masa, gustina, viskoznost o akustične veličine: zvučni pritisak, frekvencija i brzina zvuka

•

termičke/toplotne veličine o temperatura

•

električne veličine: o električne veličine stanja: napon jačina struje, električna snaga o električni parametri: otpornost, impendansa, kapacitivnost, induktivnost o promenjive polja: magnetno polje, električno polje

•

hemijske i fizičke veličine: o koncentracija: vlažnost, provođenje toplote, pH vrednost o veličina čestica, sadržaj rastvorene materije, sadržaj prašine o vrsta molekula o optičke veličine: intenzitet, talasna dužina, boja

Klasifikacija izlaznih veličina- signala senzora,, : •

Analogni izlazni signali: o amplitudno modulisani signali (amplituda signala proporcionalna mernoj veličini)  analogni signali napona ili struje - standardno: naponi ±5V ili 0-10 V, jačine struja 0...20 mA o frekventno modulisani signali (frekvencija signala proporcionalna merenoj veličini)  izlazni naponski signal stalne amplitude (npr. 5V) a promenljive frekvencije o PWM modulisani signali (Puls-Width Modulation) - (dužina pulsa proporcionalna merenoj veličini)  pravougli izlazni naponski signali

•

Digitalni izlazni signali  merna veličina predstavljena serijskim ili paralelnim binarnim signalom

U nekim slučajevima u sklopu senzora postoje namenske elektronske komponente za kondicioniranje (pojačanje, filtriranje i sl.) i/ili transformaciju (digitalizaciju) izlaznog signala.

Zahtevi • • • •

pouzdanost (trajnost) niski proizvodni troškovi otpornost na spoljne uticaje tačnost

Uslovi okoline: − temperature: putnički prostor –40°C to +85°C, motorski prostor do +125°C, senzori u izduvnom sistemu motora 800 do 1000°C, čeljust disk kočnice do 2000°C... − mehanička naprezanja: vibracije, udari (vertikalna ubrzanja u putničkom prostoru 1g, podužna ubrzanja 1,2 do 1,5 g, blok motora -regularno do 10g vanredno do 100g, elementi sistema oslanjanja, osovine i točkovi vozila regularno do 10g, senzori udara 50 do 100g). − hemijski uticaji: voda/vlaga, gorivo, ulja, kiseline, soli, deterdženti... − elektromagnetni uticaji: električne smetnje, prekoračenja napona, obrnut polaritet...

SENZORI POLOŽAJA I POMERANJA Najčešće primenjivan tip senzora u vozilima. Služe za određivanje položaja elemenata koji vrše linearno ili rotaciono kretanje - mere pomeranje (dužinu puta), uglove zakretanja i nagiba elemenata i nivoe tečnih (i praškastih) materija. Osnovni tipovi (relevantni za aplikacije u vozilima): Analogni: - potenciometarski senzori - magnetostatički senzori: o Holovi o AMR senzori o GMR senzori - induktivni senzori Digitalni: - mikroprekidači - inkrementalni senzori* (optički, magnetni) - digitalni enkoderi *

Napomena: inkrementalni senzori strogo posmatrano ne spadaju u senzore položaja-

Potenciometarski senzori Potenciometri su kontaktni otpornički senzori koji menjaju otpor zavisno od položaja upravljačkog elementa odnosno klizača. Rad baziraju na zavisnosti između električne 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 keramičkih i metalnih materijala). Promena otpora se može vršiti pravolinijskim ili kružnim pomeranjem upravljačkog 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 tačnost (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 provodničke trake) − mehaničko habanje, abrazija − greške merenja usled čestica koje su produkti abrazije - varijacije u kontaktnoj otpornosti između klizača 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-nosač sa kliznim kontaktima potenciometra, 5- električni priključak; b) električna šema; c) izlazna karakteristika, Bosch,

Hol senzori Magnetostatički senzori koji generišu naponski signal u prisustvu magnetnog polja. Zasnivaju se na Holovom (Hall) efektu, (Sl.2): Kada se duga, tanka poluprovodnička pločica kroz koju protiče električna 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 skreću i nagomilavaju se na jednoj stani pločice, pa ta strana postaje negativno, a druga pozitivno naelektrisana. Ovako generisan, tzv. Holov, napon (VH) direktno je proporcionalan jačini magnetne indukcije (B) i jačini struje (I): VH = S · B · I gde je S konstanta koja karakteriše osetljivost materijala senzora. Ako se jačina struje održava konstantnom, Holov napon se može upotrebiti za merenje magnetne indukcije.

Sl.2 Holov efekat, Tipičan materijal poluprovodničke pločice Holovih senzora je silicijum. Kako je Holov napon veoma mali, Holovi senzori se uvek opremaju elektronskim komponentama za pojačanje i obradu signala. Za potrebe određivanja položaja i pomeranja elemenata, Holovi senzori se primenjuju u dva režima rada: − kao (beskontaktni) prekidači, koji generišu digitalni izlaz u okviru složenih digitalnih i inkrementalnih senzora, i, ređe, − kao analogni senzori koji proizvode napon proporcionalan jačini magnetne indukcije. Analogni Holovi senzori po pravilu služe za merenje ugaonih pomeranja. Primer primene u vozilima: Senzori položaja pedale gasa ili kočnice (za elektrohidraulički kočni 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 otpornički senzori AMR - (Anisotropic Magnetic Resistance) Pripadaju grupi otporničkih magnetostatičkih senzora koji menjaju otpor u zavisnosti od jačine i pravca magnetnog polja kome su izloženi. Izrađuju se od legure nikla i gvožđa (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 veći 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 veličine 2 do 4%.

Sl. 1 Karakteristika AMR elementa, AMR otpornički senzori se najčešće upotrebljavaju kao senzori ugaonog zakretanja. U takvim aplikacijama, rade u tzv. zasićenom režimu, u kom se pobuđuju magnetnim poljem čija jačina prelazi graničnu vrednost (tipično iznad 50 mT) preko koje se otpornost senzora ne menja sa promenom jačine magnetnog polja, nego samo zavisi od ugla između pravaca magnetnog polja i provodnika (toka električne struje). AMR ugaoni senzori se obično izvode tako da obuhvataju osam AMR elemenata vezanih u dva Vitstonova mosta koja su međusobno zakrenuta za 45°, Sl.2. Ovakvo rešenje obezbeđuje pojačanje signala i kompenzaciju uticaja temperature. Ugao magnetnog polja se određuje pomoću 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 veća 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 AMR senzori se ponekad primenjuju i kao senzori magnetnog polja Zemlje, kada imaju ulogu tzv. elektronskih kompasa. Osobine: − osetljivost 3 do 4 puta veća nego Hol senzora − primena za temperature do 150°C (maksimalno 200°C) − kada rade u režimu ugaonih senzora, nisu osetljivi na varijacije u veličini magnetnog polja − nešto su veći i skuplji od Hol senzora Primena u vozilima: Tipično se koriste kao senzori ugla zakretanja upravljača (npr. za potrebe ESP sistema). U režimu elektronskog kompasa se primenjuju za inercijalnu navigaciju vozila.

Sl.3 Senzor ugla zakretanja upravljača na bazi dva AMR (ili GMR) ugaona senzora (analogni enkoder), Bosch

GMR otpornički senzori GMR - (Giant Magnetic Resistance) je efekat iz područja kvantne mehanike koji se javlja u strukturama u obliku tankog filma koje su komponovane od naizmenčno postavljanjenih feromagnetnih i nemagnetnih ali električno provodnih slojeva. GMR efekat se manifestuje u vidu značajnog pada električne otpornosti u prisustvu magnetnog polja (10–80%, tipično 10-15%). Kada eksterno magnetno polje ne deluje, momenti magnetizacije u feromagnetnim slojevima imaju suprotne smerove usled anti-feromagnetnog sprega između slojeva, što usled magnetnog rasipanja rezultuje velikim otporom proticanju električne struje. U prisustvu spoljašnjeg električnog polja, magnetizacija susednih feromagnetnih slojeva je paralelna, što rezultuje manjim magnetnim rasipanjem i manjom otpornošću.

a)

b) Sl. 1 a) Karakteristika GMR materijala, NVE, b) GMR senzor ugaonog zakretanja, Bosch,

GMR senzori su otpornički magnetostatički senzori. Funkcionalno gledano veoma su slični AMR senzorima. Razlika je prvenstveno u nešto većoj osetljivosti GMR senzora. Primena- kao magnetomeri, tj. analogni senzori za merenje jačine magnetnog polja i kao senzori ugaonog zakretanja, kada se kao i u slučaju 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 ,: − praktično ista mesta aplikacije kao AMR senzori – tendencija: zamenjuju AMR senzore. − maniji od AMR senzora − nivoi izlaznih signala veći nego kod Hol i AMR senzora − 2 do 10 puta veća osetljivost od AMR senzora, pa dopuštaju veće zazore između senzora i elementa čije kretanje se meri (ili, za isti zazor potrebni slabiji (jeftiniji) magneti).

Digitalni enkoderi Enkoderi su uređaji koji registruju rotaciono ili linearno mehaničko pomeranje i prevode ga u digitalni signal u vidu sekvence električnih 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 ograničena na robotiku i numerički upravljane mašine. Prema tipu senzorskih elemenata u okviru enkodera, enkoderi se obično izvode kao optički ili, ređe, kao magnetni. Optički rotacioni enkoderi imaju stakleni, plastični ili perforiranini metalni kodni disk, po čijem obimu se nalaze nizovi naizmenično postavljenih providnih i neprovidnih polja, duž jedne ili više prstenastih traka. Kodni disk se postavlja između svetlosnog izvora (obično LED diode) i fotodetektora (obično fototranzistora) koji ima ulogu digitalnog senzora. Izlazni naponski signal fotodetektora se menja u zavisnosti da li se providno ili neprovidno polje nalazi između njega i svetlosnog izvora. Magnetni enkoderi se izvode sa ozubljenim diskom (zupčanikom) 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 tačnost i ostvaruju manje rezolucije od optičkih, ali su bolje prilagođeni teškim uslovima rada (u pogledu udara, vibracija, nečistoća i sl.).

Sl. 1 Optički rotacioni inkrementalnog enkoder, principijena šema Apsolutni digitalni enkoderi Apsolutni enkoderi sadrže n digitalnih (optičkih 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 reči. Apsolutni enkoder sa n digitalnih izlaza može da razlikuje 2n položaja - primera radi, enkoder sa 8 digitalnih senzora može da razlikuje 28 = 256 različitih pozicija i tako ostvari ugaonu rezoluciju od 360°/256 =1,41 stepeni.

Apsolutni enkoderi se najčešće (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 optičkom disku) se usvaja tako da svaki položaj bude okarakterisan (kodiran) jedinstvenom kombinacijom izlaza digitalnih senzora. U široj primeni su dva principa numeričkog 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 između 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 slučaju binarno kodiranih diskova postoji opasnost od generisanja pogrešnog koda u trenucima kada se senzori nalaze na granici između dva susedna polja.

bit 3

bit 3

bit 2

bit 2

bit 1

bit 1

bit 0

bit 0 0°

Decimal ni kod Binarni kod

360°

0

1

2

3

4

5

0°

6

7

360°

8

9

10

11

12

13

14

15

000 000 001 001 010 010 011 011 100 100 101 101 110 110 111 111 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

000 000 001 001 011 011 010 010 110 110 111 111 101 101 100 100 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 Dijapazo 0 22. 45 67. 90 112 135 157 180 202 225 247 270 292 315 337 n uglova 22. 5 67. 5 112 .5 157 .5 202 .5 247 .5 292 .5 337 .5 [°] 5 45 5 90 .5 135 .5 180 .5 225 .5 270 .5 315 .5 360 Grej kod

Sl.2 Četvorobitni apsolutni enkoder- kodni diskovi i odgovarajući izlazni signali senzora, za slučaj binarnog i Grej kodiranja

Inkrementalni enkoderi Inkrementalni enkoderi, koji se nazivaju i relativnim enkoderima, jednostavnije su konstrukcije od apsolutnih. U osnovnom izvođenju sadrže samo dva digitalna senzora sa odgovarajućim kodnim trakama čiji izlazi se nazivaju i kanalima A i B. Trake senzora A i B imaju toliko polja kolika je rezolucija enkodera. Često, inkrementalni enkoderi imaju i treći 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 čiji su broj i frekvencija proporcionalni položaju i brzini osovine. Signali kanala A i B su smaknuti za 1/4 ciklusa1, pa je u zavisnosti od toga koji kanal "prethodi" drugom, moguće odrediti smer rotacije osovine. Ovo je važna prednost inkrementalnih enkodera u odnosu na obične inkrementalne brojače (sa samo jednim digitalnim senzorom), kod kojih takva mogućnost ne postoji. Sa druge strane, u poređenju sa apsolutnim enkoderima, kod kojih je to rešeno "hardverski" na nivou senzora, inkrementalni enkoderi su zahtevniji u pogledu prateće elektronike i softvera, koji za potrebe određivanja položaja moraju da omoguće 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 često rešenje sa samo jednom zajedničkom trakom za senzore kanala A i B, koji su u tom slučaju postavljeni tako da su fazno smaknuti za četvrtinu 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 načina izvođenja kodnog diska, b) izlazni signali senzora, c) određivanje smera rotacije Različitim načinima brojanja promena signala A i B mogu se ostvariti tri različite 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 četiri. 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 određuju 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 omogućavaju beskontaktno merenje, pa nisu podložni habanju i odgovarajućoj promeni tačnosti. Odlikuje ih robustan dizajn i, u opštem slučaju, niska proizvodna cena. U široj primeni su dva osnovna tipa elektormagnetnih senzora brzine – induktivni senzori (tzv. senzori promene reluktanse) i magnetostatički senzori sa Holovim ili magnetorezistivnim elementima. Induktivni senzori (senzori promene reluktanse) : Senzori ovog tipa rad baziraju na pojavi indukcije električne 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 (gvožđe, sintetički magnetni materijal ferit i sl.). Magnetna reluktansa je mera otpora materijala uspostavljanju magnetnog polja. Reluktansa magnetnog kola je obrnuto proporcionalna magnetnoj permabilnosti ("propustljivosti") materijala obuhvaćenih kolom. Gvožđa i čelici imaju nekoliko hiljada puta veću 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 uvođenjem 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 prizmatičnim 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 rotirajućeg diska u prostor između 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 najveći kada se zub nalazi tačno naspram feromagnetnih polova). Sa udaljavanjem zuba iz vazdušnog procepa magnetnog kola reluktansa se povećava, a magnetni fluks pada (najmanji je kada nema zuba u blizini feromagnetnih polova). Na ovaj način, kretanje diska rezultuje periodičnim promenama magnetnog fluksa čiji je period proporcionalan brzini obrtanja diska. Da bi se ova pojava okarakterisala električnim 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 između feromagnetnih polova senzora, indukovani napon raste i dostiže maksimum dok je zubac još u delimičnom zahvatu, ali je promena fluksa najveća, nakon čega opada i na kratko pada na nulu kada se zub nađe 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 električnog signala se dakle menja proporcionalno brzini obrtnog diska i to je osnovni izlaz induktinog senzora. Međutim, s obzirom da je veličina 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. potkovičastog tipa induktivnog senzora, u praksi se daleko češće sreću induktivni senzori u obliku štapa, Sl.2., koji rade na istom principu, ali su jeftiniji i jednostavniji za montažu, pri čemu ostvaruju nešto manju mernu osetljivost. Induktivni senzori se u vozilima primenjuju za određivanje brzine obrtanja elemenata motora i automatskih menjača, u razvodnicma u sistemu za paljenje goriva, kao i na mestu ABS senzora u točkovima. Rotori induktivnih senzora koji su namenjeni merenju ugaonih brzina imaju veći 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 (zupčanik); 6- referentna oznaka, ,

Magnetostatički senzori brzine Magnetostatički senzori brzine su inkrementalni magnetorezistivnim (AMR, GMR) prekidačima.

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 Izvođenja magnetostatičkih 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, Magnetostatički senzori su po koncepciji su isti kao induktivni senzori - generišu signal čija je frekvencija proporcionalna brzini obrtanja diska. Razlika i osnovna prednost magnetostatičkih u odnosu na induktivne senzore je da se amplituda njihovog izlaznog signala ne menja sa promenom brzine rotacije rotora, već zavisi samo od jačine magnetnog polja. Ovo praktično znači da ovaj tip senzora može da registruje i male brzine obrtnih elemenata, uključujući i njihovo mirovanje. Druga prednost magnetostatičkih senzora je da dopuštaju veće zazore i veće varijacije zazora između senzora i obrtnog diska u odnosu na induktivne.

a)

b)

Sl. 4 Holovi magnetostatički senzori: a) inkrementalni sa aktivnim rotorom, i b) sa gradijentnim (diferencijalnim) senzorom,

Senzori apsolutne ugaone brzine zakretanja/zanošenja vozila (Yaw rate senzori) , Senzori brzine zakretanja (skretanja) vozila su žiroskopski uređaji 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 uređaja za zaštitu putnika u slučaju prevrtanja vozila (kada mere ugaonu brzinu valjanja, tj. bočnog naginjanja vozila), kao i u okviru sistema za inercijalno navođenje. U primeni su dva osnovna tipa senzora brzine zakretanja – pijezoelektrični i mikroelektromehanički. Pijezoelektrični senzori brzine zakretanja se izvode u obliku vertikalne oscilujuće viljuške sa dva para kvarcnih pijezo elemenata – dva pijezo elementa su postavljena u korenu oba kraka viljuške i imaju ulogu aktuatora koji saglasno dovedenim električnim impulsima pobuđuju viljušku na (osnovno) oscilovanje. Drugi par pijezo elemenata su senzori koji generišu elektricitet čija veličina je proporcionalna veličini 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 kočenja vozila se poništava odgovarajućim 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 različite strane te ravni). Kada vozilo započne 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 skreće ulevo ili udesno.

Sl.1 Pijezoelektrični 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 pobuđuju osnovne oscilacije,

I mikroelektromehanički (MEMS1) senzori brzine zakretanja rade na istom principu - u njima takođe postoje elementi koji se pobuđuju na oscilovanje, koji tokom skretanja, usled Koriolisove sile, napuštaju ravan osnovnog oscilovanja, što registruju odgovarajući elementi senzora. Oscilatorni sistem senzora- oscilujući elementi, elementi za njihovo vođenje i opruge, po pravilu 1

MEMS – mikroelektromehanički sistem (engl. Micro-Electro Mechanical System)

se izrađuju u komadu od tankih pločastih struktura od silicijuma ili stakla (debljine 160÷ 300µ m), često izjedna i sa senzorskim elementima i elementima za pobuđivanje oscilacija. Mikromehanički senzorski elementi u okviru MEMS senzora brzine zakretanja su najčešće kapacitivnog tipa i mere promenu kapacitivnosti usled promene rastojanja između elemenata senzora. Pobuđivanje oscilacija oscilatornih elemenata se može ostvariti na više načina- elektrostatičkim silama, minijaturnim pijezo elementima, ili, kao u primeru u nastavku, uz pomoć permanentnog magneta i provodnika na oscilujućem elementu kroz koji se propuštaju strujni impulsi, što izaziva indukovanje bočne elektrodinamičke (Lorencove) sile.

Sl.2 Mikroelektromehanički senzor brzine zakretanja, Bosch, tip MM, 1- deo ploče koji je profilisan tako da ima ulogu opruge, 2- permanentni magnet, 3-pravac osnovnih oscilacija, 4- oscilujući element, 5- deo ploče koji ima ulogu kapacitivnog senzora, 6- Koriolisovo ubrzanje, 7- deo ploče koji služi kao opruga za vođenje oscilujućih elemenata,

MEMS senzori su veoma kompaktni (veličine su do svega nekoliko milimetara), pa se po pravilu proizvode u obliku jednog čipa, zajedno sa svim pratećim elektronskim kolima za pojačanje 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, zatezača pojaseva i sl.), za merenje podužnih i bočnih 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 krađe. Merenje ubrzanja u standardnim akcelerometrima se zasniva na merenju sile koja deluje na elastično oslonjen element senzora, tzv. seizmičku masu. Veličina ove sile se određuje preko ugiba elastičnog elementa preko kog se seizmička masa oslanja na kućište senzora. Ubrzanja se mogu i posredno odrediti diferenciranjem signala senzora za merenje brzina ili pomeranja. U savremenim vozilima se primenjuje dva tipa senzora ubrzanja- mikroelektromehanički (MEMS) senzori i pijezoelektrični 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. Mikroelektromehanički senzori ubrzanja se izrađuju kao minijaturne strukture od silicijuma čija veličina često ne prelazi nekoliko desetih delova milimetra. Jednom delu silicijumske strukture dodeljuje se uloga seizmičke mase. Delovi te strukture preko kojih se ostvaruje veza seizmičke mase sa nepokretnim delovima senzora profilišu se tako da poprimaju ulogu elastičnih oslonaca tačno propisane krutosti (osetljivost i merni opseg senzora određeni su odnosom veličine seizmičke mase prema krutosti elastičnog oslonaca). Merenje ubrzanja MEMS akcelerometri po pravilu ostvaruju merenjem promene kapacitivnosti koja nastaje zbog promene rastojanja između pokretnih i nepokretnih delova senzora usled pomeranja seizmičke mase.

1

g- ubrzanje zemljine teže

a)

b)

Sl.1 Dva primera mikroelektromehaničkih akcelerometara, Bosch, : a) kapacitivni akcelerometar sa konzolnim oslanjanjem seizmičke mase:1-gornja silicijumska ploča, 2centralna silicijumska ploča (seizmička masa), 3- izolacija (silicijum oksid), 4- donja silicijumska ploča,5- staklena podloga b) kapacitivni akcelerometar sa seizmičkom masom u obliku češlja: 1- elastično oslonjena seizmička masa sa elektrodama, 2-opruga, 3- prva nepokretna elektroda, 4- aluminijumski provodnik nanet štampanjem, 5- priključci, 6- druga nepokretna elektroda, 7- izolacija (silicijum oksid)

Pijezoelektrični akcelerometri, - u prisustvu vibracija seizmička masa unutar senzora usled inercije stvara sile koje pritiskaju prstenasti pijezokeramički element u istom ritmu kao vibracije koje ih proizvode. Kao rezultat tih sila, u keramičkom elementu dolazi do preraspodele elektriciteta i stvaranja naponske razlike između gornje i donje strane keramičkog elementa. Generisani napon se putem kontaktnih podloški odvodi i stavlja na raspolaganje kao merni signal. U nekim slučajevima signal se filtrira i obrađuje u okviru samog senzora. Vibracioni senzori se zavrtnjima pričvršćuju za objekat (npr. blok motora) čije 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 pločastog oblika (pijezo element je ujedno i seizmički element).

Sl.2 - Pijezoelektrični akcelerometar- senzor detonativnog sagorevanja motora, Bosch: 1- seizmički element, 2- kućište, 3- pijezokeramički element, 4- zavrtanj, 5- kontakt, 6- električni priključak, 7- blok motora, Obe opisane vrste akcelerometara (MEMS i pijezo) se proizvode kao jednoosni, dvoosni ili troosni. Višeosni senzori služe za istovremeno merenje podužnih, poprečnih i vertikalnih ubrzanja vozila. Dobijaju se ugradnjom dva ili tri jednoosna senzorska elementa unutar istog čipa.

SENZORI ZA MERENJE PRITISKA Služe za merenje pritiska u gasovima i tečnostima. Primeri primene u vozilima- u motoru: za merenje pritiska na usisnoj grani, pritiska ulja i pritiska goriva; u kočnoj instalaciji: za merenje pritiska u glavnom kočnom cilindru, u napojnom vodu hidrauličke jedinice ABS/ESP sistema, u pneumatičkoj kočnoj instalaciji, u sistemu vazdušnog oslanjanja, u hidrauličkoj upravljačkoj jedinici automatskih menjača, za merenje pritiska ambijenta (atmosferskog pritiska), itd. Kada su vozila u pitanju, najčešće se izvode sa mikroelektromehaničkim mernim elementom. U osnovi tog elementa je silicijumska membrana sa četiri deformaciona otpornika povezana u Vitstonov most radi pojačanja signala i kompenzacije uticaja temperature. Sa jedne strane te membrane se dovodi medijum (tečnost ili gas) čiji 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 mehaničkom naprezanju kojem su izloženi. Postavljaju se tako da tokom deformisanja membrane otpornici u susednim granama Vitstonovog mosta trpe raznoimena opterećenja, pa su dva otpornika izložena istezanju, a druga dva sabijanju. Prečnik i debljina membrane se usklađuju sa opsegom pritisaka koje treba meriti- za veće pritiske primenjuju se membrane veće debljine i manjeg prečnika i obrnuto. Mikromehanički merni element se u jednom čipu integriše zajedno sa elektronikom za pojačanje 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- čip senzora; b) Čip senzora: 1-membrana, 2- silicijumska membrana sa deformacionim otpornicima, 3- zaštitni gel, 4- osnova od stakla

Temperaturni senzori ,: Termoparovi Termoparovi su jedni od najčešće primenjivanih senzora za merenje temperature s obzirom da su relativno jeftini i dovoljno tačni i da mogu da rade na širokom opsegu temperatura. Nazivaju se i termoelektričnim senzorima. Termopar se formira kada god se dva različita metala dovedu u dodir (lemljenjem, zavarivanjem ili jednostavnim međusobnim uvrtanjem provodnika). U takvoj situaciji u tački dodira dolazi do stvaranja male elektromotorne sile čija veličina 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 fizičaru koji ga je otkrio. Zavisnost napona od temperature za termoparove je izrazito nelinearna, pa se za potrebe očitavanja 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 uređaje. Ovo se prvenstveno odnosi na potrebu za kompenzacijom uticaja tzv. hladnih spojeva koji nastaju u spoju provodnika termopara sa provodnicima za vezu sa mernim uređajem. Za merenje apsolutne temperature oni zahevaju merenje temperature tzv. referentnog spoja drugim tipovima temperaturnih senzora. U poređenju sa drugim temperaturnim senzorima, oni nisu posebno tačni između ostalog zato što su podložni starenju. Oblast primene termoparova su prvenstveno visoke temperature preko 1000°C. Termoparovi se ponekad serijski vezuju radi pojačanja mernog signala što je slučaj primer u radijacionim beskontaktnim termometrima – pirometrima. Postoji više standardnih tipova termoparova čija kompozicija se označava velikim slovom prema konvenciji koju je uveo američki institut za standardizaciju (ANSI), a koja je sada opšte prihvaćena. Primera radi, često se primenjuju termoparovi tipa J koje čine jedan provodnik od gvožđa 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 otpornički temperaturni senzori. Rad im se bazira na činjenici da električna otpornost metala raste približno linearno sa porastom temperature. Pri propuštanju električne struje kroz metalni otporni element senzora, dolazi do pada napona koji je proporcionalan njegovom trenutnom otporu. Za poznatu struju pobude, merenjem ovog napona određuje se otpor senzora, a preko poznatog koeficijenta (ili funkcionalne zavisnosti) i tražena temperatura. Za tačnost ovih senzora, dakle, od vitalne je važnosti obezbediti što precizniju i konstantniju veličinu struje pobude. Kao materijal otpornog elementa najčešće se koristi platina (Pt), zbog širokog temeperaturnog opsega, tačnosti i stabilnosti koji karakterišu takve senzore. Platinski RTD senzori se koriste za temperature do 850°C. Pored platinskih, izrađuju se i RTD senzori na bazi nikla (Ni) ili bakra (Cu), ali je njihova primena daleko ređa. U pogledu konstrukcije, otporni elementi RTD senzora se izvode u obliku kalema od tanke žice, ili u vidu veoma tankog metalnog filma na plastičnoj foliji ili na sloju keramičkog supstrata. Konstrukcija sa metalnim filmom se šire primenjuje zato što je jeftinija i obezbeđuje veće nominale otpornosti.

Sl. 1. RTD temperaturni senzor, RTD senzore karakteriše velika stabilnost i, u poređenju 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 obično kategorizuju prema nominalnoj otpornosti na 0°C. Tipične nominalne vrednosti otpora se kreću između 100 i 1000 Ω . Jedno od najčešćih izvođenja RTD senzora su tzv. Pt100 sonde sa otporničkim elementom od platine i nominalnom otpornošću od 100 Ω na 0°C. RTD senzori se karakterišu koeficijentom linearizovane zavisnosti otpora od temperature. Ipak, za preciznija merenja, obično je, umesto linearne, potrebno primeniti parboličku ili kubnu aproksimaciju ove zavisnosti.

Sl. 2. Primer krive zavisnosti otpora od temperature za RTD senzor od platine nominalne otpornosti 100 Ω , Termistorki senzori Slično kao i RTD senzori i termistori su otpornički temperaturni senzori. U njima se kao otporni elemenati koriste temperaturno osetljivi poluprovodnici čija otpornost varira sa temperaturom. Izvode se u vidu poluprovodničkih metalnih oksida zatvorenih u kućište ispunjeno staklom ili epoksi smolama. Postoji dva osnovna tipa termistora- NTC i PTC. NTC (negative temperature coefficient) termistore karakteriše negativni temperaturni koeficijent, što znači 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 ograničenje struje u strujnim kolima (na mestu osigurača). U vozilima se NTC termistori standardno primenjuju kao digitalni termostati za nadzor termperature motora. Termistori imaju značajno veću nominalnu otpornost nego RTD senzori (u rasponu između 2000 i 10000 Ω ), pa za pobuđivanje zahtevaju struje manje jačine. Karakteriše ih veoma velika osetljivost, kako u pogledu promene otpornosti (koja je reda veličine 200 Ω /°C), tako i u pogledu brzine reagovanja. Ovo, zajedno sa malom strujom pobude, čini termistore veoma pogodnim za precizna merenja temperatura. Sa druge strane, temistore karakteriše nešto uži temperaturni opseg – njihova primena je ograničena na temperature do 300 °C. Relacija između 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 trećeg reda: 1 B C =A+ + 3 T R R

gde je T temperatura u Kelvinima, R izmerena otpornost, dok su A, B i C konstante koje obezbeđuje proizvođač 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