senzori pentru autovehicule - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~tarnovan/senzori integrati in...
TRANSCRIPT
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.
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 2
Senzori pentru autovehicule
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 3
Senzori pentru autovehicule
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 4
Senzori pentru autovehicule
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 5
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 6
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 7
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 8
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 9
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 10
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 11
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 12
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 13
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.
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 14
Senzori de poziţie liniara si unghiulara
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 15
Senzori de poziţie liniara si unghiulara
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”
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 16
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 17
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 18
Controlul activ al combustiei
Controlul activ al combustiei (ACC) la un arzător cu gaz
10
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 19
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 20
Controlul punctului de operare
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 21
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 22
Controlul punctului de operare
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 23
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 24
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 25
Tehnici pentru controlul combustiei
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 26
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 27
Tehnici pentru controlul combustiei
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 28
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 29
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 30
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 31
Senzori pentru mişcare de rotaţie
Măsurarea vitezei unghiulare cu senzori cu reluctanţa variabila Senzor cu reluctanţa variabila – tensiune de
ieşire
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 32
Senzori pentru mişcare de rotaţie
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 33
Forţa Lorentz:
Tensiunea Hall:
kH – constanta Hall
Ic – intensitatea curentului de comanda
B – modulul inducţiei magnetice
Senzori pentru mişcare de rotaţie
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 34
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 35
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 36
Senzori pentru mişcare de rotaţie
Domenii de utilizare ale senzorilor galvanomagnetici
19
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 37
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
18 mai 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 38
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