Датчики МЭМС для управления и диагностирования автомобиля Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 681.586'33:531.768:629.33

А. И. ОДИНЕЦ Л. Д. ФЕДОРОВА

Омский государственный технический университет

ДАТЧИКИ МЭМС ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЯ

Формулируется некоторые предложения, связанные с датчиками микроэлектромеханических систем, которые позволяют использовать их при диагностировании автомобилей. Цифровая обработка необходимой информации обеспечивает оптимизацию процессов сгорания (топливную эффективность), безопасность при движении автомобиля.

Ключевые слова: микроэлектромеханические системы, датчики.

Техническая оснащенность автомобилей электронными системами возрастает с каждым годом. Электронные системы автомобилей включают в себя: системы управления автомобилем и двигателем, специализированные бортовые системы и локальные вычислительные сети. Каждая из перечисленных систем решает множество задач. Например, электронные системы управления двигателем обеспечивают впрыск, зажигание и пуск двигателя, его надежную работу и высокий КПД [1]. Кратко перечислим типы датчиков, которые используются в основных системах автомобиля.

1. Антиблокировочная тормозная система (ABS) препятствует блокировке колес автомобиля при торможении. Автомобильное колесо в процессе торможения движется относительно дорожного полотна с проскальзыванием. Степень проскальзывания определяется отношением разности скорости автомобиля и окружной скорости вращения колеса к скорости автомобиля. В состав ABS входят датчики скорости колес и блоки вычислений, управления и контроля исправности.

2. Противобуксовочная система автомобиля (система управления силой тяги) предотвращает потери тяги посредством контроля за пробуксовкой ведущих колес, а также поддерживает курсовую устойчивость автомобиля. В состав системы включены датчики: положения дроссельной заслонки, положения педали акселерометра и угловой скорости колес. Датчики угловых скоростей колес позволяют обнаружить пробуксовку ведущих колес.

3. Система управления курсовой скоростью автомобиля (VDC) позволяет сохранить курсовую устойчивость при движении автомобиля. Система VDC управляет скоростью вокруг вертикальной оси и курсовым углом. В состав системы входят следующие датчики: скорости вращения колес, давления в тормозной системе, положения рулевого колеса, угловой скорости относительно вертикальной оси, поперечного ускорения.

4. Система автоматического управления трансмиссией автомобиля реализуется благодаря появлению автоматических коробок перемены передач (АКПП) и обеспечивает бесступенчатое регулирование крутящего момента. В состав системы входят следующие датчики: скорости, частоты вращения двигателя, расхода воздуха, положения дроссельной заслонки, нагрузки двигателя.

5. Система автоматического управления подвеской автомобиля обеспечивает горизонтальное положение кузова при движении по неровным дорогам. В состав системы входят следующие датчики: скорости, ускорения, угловой скорости относительно вертикальной оси, положения кузова автомобиля.

6. Система бортовой самодиагностики автомобиля предназначена для контроля за исправностью следующих систем автомобиля: топливной, зажигания, рециркуляции отработавших газов, улавливания паров бензина, катализаторов и др. На вход процессора самодиагностики поступают сигналы со множества датчиков, установленных в автомобиле.

7. Система климат-контроля обеспечивает автоматическое управление климатом в салоне автомобиля. Основным элементом системы является блок отопи-теля-кондиционера, который получает информацию от различных датчиков.

8. Система управления скоростью автомобиля (круиз-контроль) поддерживает заданную водителем скорость независимо от погодных и дорожных условий. С помощью встроенного радара обеспечивается безопасная дистанция до впереди идущего автомобиля.

Датчики автомобильных электронных систем по принципу действия подразделяются на электроконтактные, потенциометрические, оптические, опто-электронные, электромагнитные, индуктивные, маг-ниторезистивные, пьезоэлектрические и др.

Широкое распространение получили датчики на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС). Их популярность вызвана простотой использования, низкой ценой, высокой надежностью, стабильностью показаний и малыми габаритами. Обычно МЭМС-датчики оснащены схемой цифровой обработки, обеспечивающей предварительную обработку информации. Рассмотрим конструкцию и технические характеристики датчиков, построенных по МЭМС-технологии. Среди них: датчики давления, МЭМС-акселерометры (датчики для измерения ускорения) и МЭМС-гироскопы (приборы для измерения угловой скорости).

Датчики давления. По виду измеряемого давления различают абсолютные (для измерения абсолютного давления), дифференциальные (для измерения разности давлений), относительные (для измерения избыточного над атмосферным давления) и вакуумные (для измерения степени разрежения) датчики

Рис. 1. Датчик давления

Рис. 2. Акселерометр

Рис. 3. Гироскоп

давления. Абсолютные датчики работают в диапазоне давлений 100...700 кПа, а дифференциальные — в диапазоне 4... 1000 кПа. К важнейшим техническим характеристикам микродатчиков давления (МДД) относятся рабочий диапазон измерения, чувствительность к измеряемому давлению, выходное напряжение.

Датчики давления [2] (рис. 1) конструктивно состоят из чувствительного элемента 1 (мембраны), воспринимающего давление, и преобразователей (перемещений, деформации, силы), собранных в корпусе 2, соединительного провода 3, кремниевой пластины 4, стальной пластины 5 и гели 6. Чувствительным элементом датчиков давления является тонкая, чаще кремниевая пластинка, которую условно можно назвать мембраной, как правило прямоугольная или круглая в плане.

Основой чувствительного элемента тензорезис-тивного датчика избыточного давления [2] типа ДДЭ-060 является круглый плоский кремниевый кристалл, содержащий как интегральные тензорезис-торы мостовой схемы, так и не воспринимающий давление терморезистор схемы компенсации ухода чувствительности. Кристалл сформирован по планар-ной технологии и закреплен в металлическом корпусе с помощью ситаллоцемента. На основе аналогичного решения созданы датчики для измерения давления до 300 МПа, когда толщина кремниевого кристалла составляет 700 мкм.

В основе конструкции тензорезистивных датчиков абсолютного давления [3] лежат чувствительные элементы, представляющие собой профилированный кристалл, соединенный со стеклянным основанием. При этом образуется герметичная вакуумированная полость опорного давления. В России созданы по технологии МЭМС датчики абсолютного давления типа ЧЭ Э-024.001, диапазон измерений — 0,05-1 МПа, габариты 5 х 5 мм.

Акселерометр — прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения (разности между истин-

ным ускорением объекта и гравитационным ускорением). Как правило, акселерометр представляет собой чувствительную массу, закреплённую в упругом подвесе. Отклонение массы от её первоначального положения при наличии кажущегося ускорения несёт информацию о величине этого ускорения. Схема простейшего акселерометра приведена на рис. 2 [4].

Первые образцы полностью интегрированных однокристальных датчиков ускорения (акселерометров) 1МЕМ8 были выпущены в 1991 году специально для систем безопасности автомобилей, где они применялись для детектирования столкновений и активации подушек безопасности [5].

Гироскопы играют все увеличивающуюся роль в автомобильных применениях и используются для измерения скорости вращения автомобиля. Основные технологии, реализуемые в гироскопах, включают: камертонные гироскопы, вибрирующее колесо, лазерные гироскопы и др. [6]. Компания Апа-1од-Эеу1сеБ создала технологию 1МЕМ8 и на ее основе производит гироскопы серий АОХЯБ и АЭК. Основной элемент гироскопа серии АЭХКБ — закрепленная на гибких подвесках рамка, внутри которой совершает поступательные колебательные движения некая масса (рис. 3). Причем направления колебаний, как первичных, так и вызванных ускорением Кориолиса, лежат в плоскости подложки.

Компания Апа1одЭеу1сев анонсировала трехосе-вой гироскоп АЭ1816350, в состав которого, помимо трехосевого гироскопа (±320 °С), входит и трехосе-вой датчик линейных ускорений (акселерометр) с диапазоном измерений ±10 д. Сигналы обоих датчиков оцифровываются АЦП с разрешением 14 разрядов. Модуль оснащен вспомогательными 12-разрядными ЦАП и АЦП. Обмен данными возможен через БРЬинтерфейс. Размер модуля (22,7x23,2x22,9 мм).

В России, в Зеленоградском нанотехнологическом центре, разработан ряд датчиков системы учета потребления и регулирования энергоресурсов на основе

МЭМС-сенсоров. Среди них — датчики расхода газа, жидкости, температуры, давления, ускорения, углового положения, оборотов для спидометров. Автомобильные датчики построены на основе нано-размерных магниторезистивных структур. Кратко перечислим сферы их применения: навигация, контроль движения автотранспорта, измерение электрического тока с полной гальванической развязкой цепей, измерение линейного и углового положения, определение скорости вращения, положения дроссельной заслонки.

Таким образом, в системах управления и диагностирования автомобиля все большее распространение получают датчики, построенные по МЭМС-техноло-гиям и связанные с процессорами автомобиля цифровыми шинами. Цифровая обработка информации обеспечивает: оптимизацию процессов сгорания (топливную эффективность), минимизацию эмиссии, обеспечение безопасности при движении автомобиля, комфортабельность в салоне автомобиля для водителя и пассажиров.

Библиографический список

1. Коваленко, О. Л. Электронные системы автомобилей : учеб. пособие / О. Л. Коваленко. — Архангельск : ИПЦ САФУ, 2013. - 80 с.

2. Сысоева, С. Ключевые сегменты рынка МЭМС-компо-нентов. Акселерометры / С. Сысоева // Компоненты и технологии. - 2010. - № 3. - С. 20-26.

3. Козин, С. Микроэлектронные датчики физических величин на основе МЭМС-технологий / С. Козин, А. Федулов,

B. Пауткин // Компоненты и технологии. - 2010. - № 3. -

C. 24-27.

4. Акселерометры [Электронный ресурс]. - Режим доступа :Ы1р://ги.™к1реШа.огд/ %В0%90%Б0%БЛ%Б1%81% Б0%Б5% Б0%ББ%В0%Б5%В1%80%В0%БЕ%Б0%БС% Б0%Б5%Б1%82% Б1%80 (дата обращения: 03.04.2014).

5. Власенко, А. Лиа1одВеу1се8: обзор датчиков ¡МЕМ8 с цифровым выходом [Электронный ресурс] / А. Власенко. - Режим доступа : http://www.kit-e.ru/assets/fi1es/pdf/2008_01_36.pdf (дата обращения: 18.03.2015).

6. Сысоева, С. Автомобильные гироскопы [Электронный ресурс] / С. Сысоева. - Режим доступа : http://www.kit-e.ru/ artic1es/sensor/2007_1_40.php (дата обращения: 18.03.2015).

ОДИНЕЦ Александр Ильич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры радиотехнических устройств и систем диагностики. ФЕДОРОВА Людмила Дмитриевна, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры электрической техники, секция промышленной электроники.

Адрес для переписки: dm.90@bk.ru

Статья поступила в редакцию 31.03.2015 г. © А. И. Одинец, Л. Д. Федорова

УДК «1.317.39:536.53 Д. б. МАРТЕМЬЯНОВ

В. В. ПШЕНИЧНИКОВА С. К. КРУТЬКО

Омский государственный технический университет

НЕДОСТАТКИ МЕТОДИКИ ПОВЕРКИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ_

Для современной промышленности все большее значение приобретает точность измерений, от которых зависит успех всего производственного процесса. Температурные показатели играют важную роль в таких сферах как нефтегазовая промышленность, атомная энергетика, жилищно-коммунальное хозяйство и многие другие. Сегодня этот параметр можно довольно точно измерить с помощью термоэлектрических преобразователей температуры. Однако со временем точность термопар может снизиться. Для предотвращения этого время от времени приборы должны проходить своевременную поверку.

Ключевые слова: термоэлектрический преобразователь, термопара, поверка.

В современной промышленности все более строгие требования предъявляются к точности измерения параметров технологических процессов, и в частности температуры (от 40 до 60 %). Значительная часть всех температурных измерений в промышленности и научных исследованиях приходится на долю термоэлектрических преобразователей, чувствительными элементами которых являются термопары. Ши-

рокому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики. К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Это и объясняет повышение интереса к проблеме калибровки данных устройств [1].