Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti AUTOMOBILOVÁ MECHATRONIKA 5.přednáška SMAD Ing. Gunnar Künzel
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Senzory Cíl přednášky: Seznámit studenty s úlohou a rozdělením senzorů Ukázat principy vybraných senzorů a shrnout obecné požadavky, kladené na senzory Vysvětlit vybrané senzory a jejich použití v automobilu
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Osnova přednášky Rozdělení senzorů podle druhu fyzikální veličiny Senzory v moderním vozidle Požadavky kladené na senzory Induktivní, kapacitní, magnetické, optické, ultrazvukové senzory Použití senzorů v automobilu
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Senzory Senzory (snímače) jsou zařízení, které informují řídicí systém o stavu určitého systému Snímají velikost fyzikální veličiny a převádějí ji na elektrickou, která je signalizována obsluze nebo zavedena do řízení systému Jsou nedílnou součástí spolu s akčními členy automatizačních systémů Jsou smyslovými orgány řídicích systémů
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Rozdělení senzorů podle druhu zpracovávaného signálu analogové, digitální, pulsní podle generovaného signálu pasivní (potřebuje přívod energie), aktivní podle fyzikálního principu odporové, kapacitní, induktivní, indukční, piezoelektrické, Hallův senzor, potenciometrické, aj. podle měřené fyzikální veličiny viz dále. podle aplikačního použití regulační činnost, pro bezpečnost, palubní diagnostika
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Rozdělení senzorů podle druhu fyzikálních veličin kinematické –poloha, úhel natočení, rychlost otáčivá a posuvná, zrychlení síly, kroutícího momentu, tlaku a tlakové diference průtoku hladiny tepelných veličin –teplota, tepelný tok, tepelné množství fyzikálních a chemických vlastností kapalin a plynů –vlhkost, vodivost, chemické složení, pH optických veličin magnetických veličin
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Senzory moderního vozidla Pohon vozidla - senzory –tlaku (řízení převodovky, Motronic) –plnícího tlaku (elektronické řízení motoru) –hmotnosti vzduchu –vysokého tlaku (přímé vstřikování benzínu) –lambda sonda –otáček (řízení převodovky) –tlaku v nádrži (palubní diagnostika) –pedálu akcelerace (elektrohydraulické brzdy) –úhlu a polohy
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Senzory moderního vozidla Bezpečnost –radar odstupu vozidel (ACC, precrash) –naklonění (nastavování světel, bezpečnostní systémy) –vysokotlaký snímač (ESP) –točivého momentu (posilovač) –natočení volantu (ESP) –zrychlení (airbag, ABS) –rychlosti otáčení (ESP) –otáček (ABS)
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Senzory moderního vozidla Komfort –rychlosti otáčení (navigace) –kvality vzduchu (regulace klimatizace) –vlhkosti a teploty (regulace topení a klimatizace) –tlaku (centrální zamykání) –deště (řízení stěračů) –vzdálenosti - ultrazvukový (sledování zadního prostoru)
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Stupeň integrace senzorů
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Inteligentní senzor, struktura
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Požadavky kladené na senzory jednoznačná závislost výstupní veličiny na veličině vstupní přesnost senzoru a reprodukovatelnost výsledku měření lineární tvar statické charakteristiky optimální dynamické parametry (časová konstanta, šířka přenášeného frekvenčního pásma) minimální závislost na parazitních vlivech (teplota, tlak, vlhkost, chvění) minimální signálové zatěžování měřeného objektu jednoduchá konstrukce, snadná údržba a dostupná cena
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Kontaktový senzor nejjednodušší případ odporového senzoru při změně sledované veličiny dochází ke skokové změně odporu v okamžiku sepnutí nebo rozepnutí kontaktů pevný kontakt je umístěn na obalu senzoru a pohyblivý na membráně aktivní části senzoru, pohyblivý můstek brzdová světla, zpětný světlomet, výška hladiny brzdové kapaliny u jednoduchých teplotních kontaktních senzorů je využíváno tepelné roztažnosti dvojkovu (bimetal)
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Odporové senzory polohy slouží k průběžnému sledování polohy využitím proměnného rezistoru v zapojení měřícího potenciometru použití při měření výšky hladiny v nádrži jezdec potenciometru je ovládán mechanickým systémem odporová dráha může být lineární nebo kruhová specifické funkce se dociluje mechanickým převodem
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Odporové senzory teploty využívají principu změny odporu s teplotou můžou být kovové a polovodičové kovové - Pt, Ni, Cu polovodičové - termistory (pozistory, negastory) použití pro měření teploty motoru a dalších prvků pro řízení automobilu, komfortu
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Odporové senzory proudění slouží pro měření proudícího vzduchu, např. nasávaného do motoru anemometr se žhaveným drátkem, případně se žhavenou vrstvou k měření může být využit platinový senzor teploty
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Tenzometry Převodník deformace na elektrickou veličinu
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Vyhodnocovací obvody
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Induktivní (indukční, indukčnostní) senzory Princip senzoru je založen na změně impedance cívky vlivem vířivých proudů indukovaných ve snímaném předmětu Pracují bezdotykově Bez zpětného působení Jsou odolné vůči vlivům provozního prostředí Vysoká spolehlivost
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Uspořádání senzoru
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Blokové schéma
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Řez indukčním senzorem
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Kapacitní senzory Kapacita senzoru se mění v závislosti na měřené fyzikální veličině Měří bezdotykově, bez zpětného působení, s polovodičovým výstupem Dají se s nimi detekovat kovové i nekovové materiály Aplikace: snímání nekovových předmětů, hlídání kapalin a sypkých hmot
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Princip Aktivním prvkem kapacitního senzoru je kotoučová elektroda uvnitř válcového pouzdra, které působí jako stínění Obě tyto elektrody vytvářejí kondenzátor Přiblížením clonky ke snímací ploše senzoru se změní kapacita kondenzátoru Kondenzátor je součástí RC oscilátoru, jehož výstupní napětí je závislé na aktivní kapacitě mezi elektrodou senzoru a stíněním –ε r – relativní permitivita prostředí
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Konstrukční uspořádání
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Konstrukční uspořádání
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Rušivé vlivy Hlavní zdroje rušení jsou elektromagnetická střídavá pole Ta indukují do vysokoimpedančního vstupu oscilátoru přes snímací elektrodu rušivá napětí, která vybudí jeho kmitání Zdroje těchto polí jsou zářivky, magnetické ventily, tyristorové regulátory nebo radiové vysílače Rušení se dají odstranit změnou frekvence oscilátoru, pokud síla pole není příliš velká
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Magnetické senzory Jsou založeny na principech známých z měření magnetického pole Zdrojem magnetického pole bývá trvalý magnet, který je umístěn na snímaném předmětu Magnet můžu být i součástí senzoru, pak musí být snímaný předmět feromagnetický Aplikace: –Snímání poloh pneumatických válců –Snímání hladin kapalin a sypkých materiálů (magnet je v plováku) –Jednoduché identifikační systémy
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti S Hallovým efektem princip Hallova jevu spočívá v působení magnetického pole kolmo na procházející proud destičkou na vývodech vzniká Hallovo napětí tímto napětím lze řídit klopný obvod
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Optické senzory Přeměna elektrického proudu na elektromagnetické vlnění (světlo) a naopak Pod pojmem světlo se rozumí elektromagnetické vlnění od ultrafialové oblasti spektra přes oblast viditelného světla až po infračervené oblasti Důležité moderní vysílací prvky jsou luminiscenční diody (LED) a polovodičové laserové diody Jako přijímací prvky se používají fotodiody, fototranzistory a diody s laterálním efektem (PSD)
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Luminiscenční diody Jsou polovodičové prvky, které mají jeden PN přechod Přiložením napětí v propustném směru přechodu dochází ke vzniku proudu (tj. elektronů do pásma P a děr do pásma N) Aby se dostal elektron z energetické úrovně valenčního pásma E1 na vyšší energetickou úroveň E2, musí se mu dodat minimální energie
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Laserové diody Polovodičové lasery obsahují v každém případě vysoce dotovaný přechod PN na bázi GaAs Vstřikováním nosičů náboje je vytvořen předpoklad pro vyzařující rekombinaci Indukovaná emise a optická rezonance v polovodičovém krystalu propůjčují laseru jeho typickou vlastnost – emitovat koherentní světlo. Koherence znamená, že jednotlivá kvanta světla mají stále stejnou frekvenci a stále stejnou fázi
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Dioda PIN Je tvořena přechodem, který má vrstvu s vlastní vodivostí uzavřenou mezi vrstvy P a N Tím dojde k převaze driftových proudů a PIN dioda získá na rychlosti Má vyšší mezní kmitočet a kratší dobu náběhu Širší zóna prostorového náboje u PIN diody působí zmenšení kapacity přechodu v závěrném směru, která ve spojení se zamýšlenou zátěží představuje dolnofrekvenční propust Tím se podstatně zrychlí dynamické chování systému
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Fototranzistory Jsou to fotodiody s tranzistorem jako zesilovačem fotonového proudu Dynamické chování je ve srovnání s fotodiodou relativně horší Proti fotodiodám není u fototranzistorů závislost mezi dopadajícím světelným výkonem a z toho plynoucím proudem fotonů již zcela lineární, a v rozsahu čtyř dekadických řádů se odchyluje od přímky až o 20% Nepříznivá je i teplotní závislost
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Optoelektrické senzory principem činnosti je přerušení záření od zdroje světla (žárovka, LED) k senzoru záření (fotodioda) přerušení může být provedeno prstencem s vhodnými výběžky impulsy tohoto senzoru mají konstantní amplitudu nezávislou na otáčkách
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Inkrementální čidlo rychlosti s fotoelelektrickým senzorem
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Inkrementální čidlo rychlosti s fotoelelektrickým senzorem
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Ultrazvukové senzory Ultrazvukem označujeme akustické vlny ve frekvenčním rozsahu nad hranicí lidské slyšitelnosti Horní hranice ultrazvuku se dnes bere 1 GHz Zvuk vzniká chvěním hmoty, která toto chvění předává hmotným částicím prostředí, například vzduchu Zvukové vlny se mohou šířit jen hmotou, vzduchoprázdnem se nešíří Ve vzduchu nastává zhušťování a zřeďování částic
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Princip činnosti Senzory pro měření vzdálenosti pracují na principu měření času odezvy (echa) Poněvadž se vyhodnocení odezvy provádí na stejném místě jako byl ultrazvukový signál vyslán, označuje se takový způsob snímání jako reflexní nebo difuzní podle analogie s optickými senzory Měnič vyšle v časovém okamžiku t 0 několik impulzů, které se šíří daným prostředím rychlostí zvuku c Narazí-li tato dávka na nějaký předmět, část vlnění se odrazí a dojde po době návratu zase zpátky k senzoru
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Lambda sonda slouží k měření obsahu zbytkového kyslíku ve výfukových plynech spalovacího motoru základním principem je vytvoření galvanického článku z pevného keramického elektrolytu, vznikající na oddělené přepážce, která odděluje dva prostory s různým obsahem kyslíku prostředí tvoří O 2 (srovnávací) a výfukový plyn (měřený) pevným elektrolytem je obvykle oxid zirkoničitý
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Struktura Lambda sondy 1 – krytka s výřezy 2 – těleso snímače 3 – pouzdro 4 – keramická vložka 5 – průchodka 6 – keramické těleso sondy 7 – vodivá vložka 8 – pružná podložka 9 - vodič
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Výstupní charakteristika sondy
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Použití infračervené spektrometrie k analýze teplotních polí v dopravním prostředku
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Použití infračervené spektrometrie k analýze teplotních polí v dopravním prostředku
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Použití senzorů v automobilu
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Použití senzorů v automobilu
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Závěr V této přednášce byla ukázána bloková schémata klasického měřícího řetězce, následné integrace senzorů až do moderního provedení, tzv. inteligentních (SMART) senzorů včetně rozdělení senzorů dle různých hledisek. U vybraných senzorů byly uvedeny jejich principy a požadavky, kladené na jejich chování a provedení. Poslední část byla věnována využití konkrétních senzorů v činnosti automobilů.
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Použitá literatura GREGORA, S. Elektronické a mechatronické systémy v konstrukci silničních vozidel, Univerzita Pardubice, Pardubice, 2008, 223 s, ISBN: ŠŤASTNÝ, J. REMEK B. Autoelektrika a autoelektronika, Nakladatelství T. Malina, Praha, 1995, 276 s, ISBN: GSCHEIDLE, R. a kol. Příručka pro automechanika, SOBOTÁLES, Praha, 2001, 629 s, ISBN: X. MAIXNER, L. a kol. Mechatronika – Učebnice pro střední školy, Computer Press, Praha, 2006, ISBN: SCHMID, D. a kol. Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku, SOBOTÁLES, Praha, 2005, 420 s, ISBN: TUŠA, S. Snímače v motorových vozidlách, AOS, Liptovský Mikuláš, 2009, 140, ISBN:
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Děkuji za pozornost