KURZUS: Járművillamosság és elektronika 2.

MODUL: II. modul: Jelfeldolgozás és szenzorok a gépjárművekben

6. lecke: Szenzorok a gépjárművekben

| A lecke tanulásának a célja: A lecke célja, hogy bevezetést nyújtson alegalapvetőbb ismereteibe. Járműiparban használt érzékelőknek az érzékelt fizikai mennyiség szerinti csoportosítása és a szenzorok típusainak megismerése. Több szenzor a későbbi Motorelektronika I. és II. fejezetekben kerül ismertetésre.
Szükségesen elsajátítandó: A lecke elsajátítása után a hallgatók megismerik a fontosabb fizikai mennyiségek mérésére alkalmas érzékelők típusait és azok felépítését, működését.
Bánlaki Pál, Lovas Antal - Szenzorika és anyagai Maróti Kiadó - Szenzorok a gépjárművekben (Bosch füzetek)
Lecke elsajátításának időtartama: A lecke elsajátításához kb. 90 perc szükséges.
Szenzorok
Általános értelemben a szenzor egy olyan eszköz, ami valamely természeti mennyiséget jobban kezelhető, jobban kiértékelhető jellé alakít át. A megfigyelendő, mérendő jel egyaránt lehet fizikai, kémiai, biológiai, technológiai stb. jellegű. A szenzor kimeneti jele ma általában elektromos, de lehet pneumatikus, hidraulikus, vagy más mennyiség is. A magyar nyelvű szakirodalomban a szenzor, és az érzékelő, ill. ritkábban a detektor elnevezés egyaránt használatos.
Szenzorok funkcionális modellje
1. ábra
A Φ jelöli a mérendő tulajdonságot, mennyiséget, E pedig az érzékelő kimeneti jelét. Az érzékelő lehet aktív, ekkor a kimeneti jel energiáját az érzékelő a mérendő rendszerből veszi. A passzív érzékelőknek a működésükhöz független segédenergiára, tápforrásra is szükségük van.
Fontos szempont, hogy a mérendő tulajdonság, és az érzékelő által szolgáltatott jel egymásnak kölcsönösen egyértelmű függvényei legyenek, és ezt a kapcsolatot más paraméter lehetőleg ne befolyásolja. A gyakorlatban ez ritkán valósítható meg, mert a szenzor kimeneti jelét általában, zavaró hatások is befolyásolják kisebb-nagyobb mértékben. Gyakori befolyásoló tényező pl. a hőmérséklet, vagy passzív szenzorok esetében a tápellátás ingadozása, vagy a környezetben jelenlévő elektromágneses zavarok.
A szenzor jele tovább vezethető, erősíthető, szűrhető és feldolgozható. A szenzor egyben egy energia átalakító is lehet.
Az érzékelők csoportosítása
A szenzorokat nagyon sokféle szempont szerint lehet osztályozni, csoportosítani. Jelen esetben az érzékelőket az általuk mért tulajdonság, jellemző szerint fogjuk csoportosítani.
Szenzorok osztályozása a mért jellemző alapján
2. ábra
Legfontosabb elvárások a szenzorokkal szemben:
A szenzor érzékenyen reagáljon a bemenő jel változására. A szenzor kimenete ne - ill. a gyakorlatban alig - változzon a bemeneti jelen kívül semmilyen más hatásra. A szenzor működése rövid és hosszú távon időben legyen stabil.
Autóipari szenzorok fontosabb jellemzői és követelményei:
Adott alkalmazásra specializálják és optimalizálják Hosszú fejlesztési és tesztelési fázis Kereskedelmi forgalomban többnyire nem vásárolhatók meg Tömeggyártásban kedvező költségűnek kell lennie Gyors, egyszerű cserélhetőség, csereszabatos pótalkatrészek, Gyorsan bontható és zárható, szétcsúszás ellen biztosított, környezeti káros hatások ellen védett, össze nem téveszthető, és helytelen pozícióban nem összedugható csatlakozók, Reprodukálhatónak és öregedésállónak kell lennie Automotív szabványoknak való megfelelés kötelező (hőmérséklet, méret, beépíthetőség, rezgések, tápfeszültség, fogyasztás, megbízhatóság
Szenzorok integráltsági fokai
Szenzorok integráltsági fokai
3. ábra
Egyszerű szenzorok: az érzékelők túlnyomó többsége egyetlen bemeneti mennyiség átalakítására szolgál. Integrált szenzorok: a mérési célra szolgáló érzékelőn kívül egyszerűbb jelfeldolgozási feladatokat (pl. hőmérséklet-kompenzációt, erősítést, A/D-átalakítást stb.) is ellátnak. Intelligens szenzorok: Az intelligens szenzorok a szenzorban meglévő (statikus és dinamikus) pontosság kihasználását a mikroelektronika eszközeivel lényegesen magasabb színvonalon teszik lehetővé, mint a hagyományos szenzorok. A szenzor információkat, különösen a multiszenzor struktúrákból származó komplex információkat, a további feldolgozással az adott pontban tömöríteni lehet, vagyis ezáltal magasabb szintre hozni anélkül, hogy ehhez külső csatlakozások sokaságára lenne szükség. A vezérlőegységet tehermentesítik, illetve akár busz kommunikációra is képesek lehetnek. A szenzor eltérések helyesbíthetők a mérési helyen, valamint lehetséges a szenzor és az elektronika közös kiegyenlítése és kompenzációja a PROM-ban tárolt egyedi korrekciós információk révén.
Intelligens szenzorok működése
4. ábra
Kiegyenlítés: A szenzormodell normális esetben mindig tartalmaz néhány szabad paramétert, amelyekkel megfelelő kiegyenlítési folyamatban a modell az egyedi szenzorpéldány valóságos tulajdonságaihoz illeszthető. Ezek a modell-paraméterek rendszerint programozható, nem törölhető tárolóban (PROM) kapnak helyet. Segítségével az analóg kompenzációval szemben akár a nemlineáris befolyások is jól helyesbíthetők azáltal, hogy a szenzorral mért és a referencia mérés közötti különbségből kiszámításra kerülnek a korrekciós tényezők, amelyeket interpolálnak a teljes mérési tartományra, majd tárolásra kerülnek.
Szenzorok a gépjárművekben
A következőkben a fontosabb gépjárművekben alkalmazott szenzorokat és azok felépítését, működését tekintjük át a teljesség igénye nélkül.
Hőmérséklet érzékelés
A hőmérséklet egy kitüntetett irány nélküli, adott közeg energiaállapotát tükröző mérőszám, mely helytől és időtől is függhet: T = T(x,y,z,t), ahol x, y, z térkoordináták, t idő, T a Celsius- vagy Kelvin-skála szerint mért hőmérséklet.
A leggyakrabban alkalmazott hőmérséklet-szenzoroknál a szenzor közvetlen kapcsolatban kell legyen a mérendő közeggel, ezáltal pontosan át tudja venni az adott közeg hőmérsékletét.
A gyors reagálóképesség érdekében kisméretűnek kell lennie, ami csekély hőkapacitást biztosíthat.
Ellenállás (rezisztív) szenzorok:
A hőmérsékletfüggő elektromos ellenállások kétpólusú elemként különösen alkalmasak hőmérséklet mérésére, kiviteltől függetlenül.
Az ellenállás változás analóg feszültségjellé alakításához egy állandó RV (hőmérséklettől független előtét ellenállás) értékű ellenállással feszültségosztót alakítanak ki, vagy áramgenerátorosan (állandó árammal) táplálják a szenzort.
Ellenállás feszültségjellé alakítása feszültségosztós, illetve áramgenerátoros kapcsolással
5. ábra
Feszültségosztó esetén:
U( T )= U 0 * R(T) R( T )+R V
Áramgenerátor esetén:
U( T )= I 0 *R(T)
NTC/PTC
Félvezető alapú hőmérséklet érzékelők, amelyek erősen csökkenő vagy növekvő hőmérsékleti jelleggörbével rendelkeznek. Termisztor néven is ismertek.
NTC és PTC szenzorok
6. ábra
Hőmérsékletmérési tartomány: -40...+250 °C, hőmérsékleti együtthatójuk -2...-7 %/K
NTC és PTC szenzorok hőmérséklet/ellenállás karakterisztikája
7. ábra
RTD
Nagyon erősen növekvő hőmérsékleti jelleggörbével rendelkező fém ellenállás hőmérők, amelyek fém ellenálláshőmérő néven is ismertek.
Hőmérsékletmérési tartomány: -260 - +850 °C-ig, hőmérsékleti együtthatójuk fém alapanyag esetén +0.5 %/K, kerámia alapanyag esetén ~5..75 %/K, ami anyagfüggő jellemző.
PT100 fém ellenálláshőmérő hőmérséklet/ellenállás karakterisztikái
8. ábra
Hőelemek
A Seebeck-effektus alapján működnek, mely szerint ha két különböző fémet két helyen összekapcsolnak, és a kapcsolódási pontok különböző hőmérsékletűek (T1 és T2), akkor elektromos feszültség jelentkezik. Ez a hőfeszültség (Uth) a vezető végei közötti Δ T hőmérsékletkülönbségtől és c anyagfüggő arányossági állandótól (Seebeck-együttható) függ.
U t h=c( T 2−T 1 )=c Δ T
Hőelem mérési elrendezése
9. ábra
Általában 1000 °C feletti hőmérsékletek mérésére alkalmazzák. A termofeszültséget mindig a platinára, mint referenciaanyagra vonatkozóan adják meg.
Hőelem típusok hőmérséklet/feszültség karakterisztikái
10. ábra
Bimetál
A mechanikus hőmérséklet érzékelők közé tartoznak. Az ikerfém, vagy bimetálszalag két különböző fém összeragasztásával, vagy hengerlésével jön létre. A két fémszalag mindegyike adott hőmérséklet-változás hatására más-más mértékben változtatja hosszát, nyúlik meg. Mivel eltérő hőmérsékleti együtthatóval rendelkeznek, ezért hőmérséklet hatására a szalag köríven görbül. Vékony lemezek összehengerlése érzékeny, vastag lemezek összehengerlése nagy állító erejű bimetált eredményez.
Alkalmazási területek:
időzített hőmérsékletkapcsoló termosztát mutatós kijelző
Bimetálos érzékelők típusai és felépítésük
11. ábra
Helyzet és elmozdulás érzékelés
A helyzetszenzorok az egy- és többdimenziós út- és szöghelyzetek legkülönbözőbb fajtáit foglalják magukban. Ide tartoznak a távolságok, az elmozdulások, a töltöttségi szint, a kicsiny hosszméretváltozások. Lehetőleg érintkezésmentes szenzorok kialakítására törekednek, költségkímélési okokból mégis gyakran csúszóérintkezős kiviteleket alkalmaznak.
Potenciométer
A csúszó potenciométer, melyet szögszenzorként vagy útszenzorként képeznek ki, a huzal vagy rétegellenállás hosszváltozását használja fel a mérés céljára. A mérőpálya szélesség kialakítása befolyásolja a jelleggörbét. A csúszka csatlakozás rendszerint egy második érintkező pályán át történik, kis ellenállású vezetőpálya anyaggal. A túlterhelés elleni védelem céljából a feszültség többnyire előtét ellenálláson át kerül a mérőpályára.
Olcsó, egyszerű felépítésű szenzorok készíthetők belőle. Hátránya, hogy idővel a mechanikus kopás következtében mérési hibák jelentkezhetnek a változó átmeneti ellenállás miatt, ami végső soron zajossá, vagy akár értékelhetetlenné teheti a jelet a kimeneten.
Felhasználási területek:
Gázpedál szenzor Tüzelőanyag tartályszint jeladó szenzor Torlasztólapos levegőmennyiség mérő (L-jetronic) Fojtószelep pozíció érzékelés Otto motoroknál
Fojtószelep potenciométer felépítése
12. ábra
Üzemanyagtartály szintjelző felépítése
13. ábra
Mágneses induktív jeladók
Ha egy tekercsben mágnest mozgatunk, akkor változik a tekercs által körülfogott mágneses tér, a fluxus. A fluxus-változás a nyugalmi indukció elvén a tekercsben:
u i =−N× Δ Φ Δ t
nagyságú feszültséget indukál, ahol ui = induktív feszültség, N =menetszám, Δ Φ = fluxusváltozás, Δ t = időváltozás.
Felhasználási területek:
Kerék és motor főtengely fordulatszám érzékelés és vonatkoztatási jel Közelítés kapcsoló Gyújtáselosztó
Az főtengely indukciós jeladó esetén a fogazott, ferromágneses anyagból készült impulzuskerék mozgása a záródó mágneses kör mágneses ellenállásának változását idézi elő, így a tekercsben változik a feszültség nagysága. Ha nagyobb a fordulatszám, nagyobb a keletkezett feszültség.
Főtengely induktív jeladó felépítése és kimeneti jelalakja
14. ábra
Rövidrezáró gyűrűs szenzor
Ha egy elektromosan vezetőképes sík vagy hajlított felületű tárcsát nagyfrekvenciás váltakozó árammal átjárt tekercshez közelítünk, akkor ez annak ohmikus ellenállását és induktivitását egyaránt befolyásolja. Ennek az oka a csillapító tárcsában a növekvő mágneses csatolás miatt keletkező örvényáram. A csillapítótárcsa pillanatnyi helyzete jeleníti meg a mérendő elmozdulást.
Rövidrezáró gyűrűs szenzor felépítése
15. ábra
Reed kapcsoló
A mechanikus érzékelők csoportjába tartozik. Alaphelyzetben egy nyitott kontaktussal rendelkező kapcsolónak tekinthető, amely egy kisméretű, védőgázzal töltött zárt üvegcső, amelyben két, egymáshoz közel lévő, de egymással nem érintkező ferromágneses elektróda található. Mágneses tér hatására a két fémlap egymás felé hajlik, majd összeér és a kapcsoló zárt állapotba kerül.
Reed kapcsoló felépítése
16. ábra
Hall jeladók
Hall effektus: Ha mágneses térbe áramjárta vezetőlapkát helyezünk, akkor arra erő hat, amelynek nagysága:
F=B×I v×I×sin⁡α
A képletben F = erő, B = mágneses tér ereje, Iv = gerjesztőáram, l = erővonal hossza, α = mágneses tér és az áram iránya által bezárt szög.
Az úgynevezett Lorentz erő - mivel mágneses kölcsönhatásból adódik - közvetlenül a mozgó töltésekre - tehát az elektronokra - fejti ki hatását, ezért az töltésmegosztást létesít az anyagon belül. A villamos töltésmegosztás hatására az áramra és a mágneses térre is merőleges irányban feszültség mérhető. Az úgynevezett Hall feszültség nagyságát az alábbi összefüggéssel határozhatjuk meg:
U H = R H ×B×I v×sin⁡α
Hall feszültség létrejötte
17. ábra
A gépjárművekben alkalmazott Hall-érzékelők (Hall-jeladók) nem önmagukban használatosak, hanem Hall IC-ben vannak elhelyezve elektronikával kiegészítve az egyszerűbb jelfeldolgozás érdekében.
Hall jeladó belső felépítése
18. ábra
Alkalmazási területek:
motor főtengely gyújtáselosztó pedálérzékelők kardántengely kerékfordulatszám fékbetét kopás árammérés
Hall érzékelő a gyújtáselosztóban
19. ábra
Hall szenzoros kerékfordulatszám érzékelő
20. ábra
Gázszenzorok
A koncentráció fogalma azt adja meg, hogy egy anyag mekkora tömeg- illetve térfogati hányadban van jelen egy másik anyagban. A koncentráció szenzoroknál arra van szükség, hogy a mérendő anyaggal szemben kifejezetten érzékeny, viszont más anyagokkal szemben teljesen közömbös legyen. Azoknál a gázszenzoroknál, amelyek a mérendő közegnek közvetlenül és védelem nélkül ki vannak téve, fennáll az irreverzibilis károsodás veszélye.
Lambda szonda
A motorból kilépő kipufogógáz összetételét (oxigéntartalmát) vizsgálja. Az érzékelő cella két oldalán porózus kivezető elektródák találhatók, ezek anyaga esetünkben platina. A két elektróda között elektrolit van, a lambda szonda esetén ez szilárd cirkónium-dioxid, amely 300 °C hőmérséklet felett viselkedik elektrolitként. A cella két oldalán eltérő oxigén koncentrációjú közeg van. Az oxigénmolekula a platina elektródán disszociál. Az elektroliton belül az oxigén ionok a magasabb koncentrációjú helyről az alacsonyabb koncentrációjú hely felé vándorolnak. A két elektródán az eltérő ionkoncentráció miatt elektromos feszültség jelenik meg, arányos a koncentráció különbséggel.
Lambda szonda felépítése
21. ábra
A szonda a motor indulásakor még nem üzemképes, amíg az elektrolit kialakulásához szükséges hőmérsékletet el nem éri. Kívánatos már az induláskor a szabályozás megvalósítása, ezért a szondákba gyors fűtőbetétet is be szoktak építeni. Az eszköz kb. 800 °C hőmérsékletig működőképes, de ennél magasabb hőmérsékletet is elvisel károsodás nélkül. Katalizátor előtt és után építik be a kipufogó rendszerbe, hogy annak a hatásfokát ellenőrizni lehessen vele. az elsőt szabályzó, a másodikat monitor szondának nevezik.
Szondafeszültség/légviszonya karakterisztika
22. ábra
Piezoelektromos szenzorok
A piezoelektromos kristályok olyan anyagok, amelyek külső mechanikai behatásra (nyomásra, húzásra, hajlításra, csavarásra) villamos töltést választanak szét, amely töltésmennyiség nagysága arányos lesz a rá ható erő nagyságával. Ha ez az erő a piezokristályra megfelelő irányból hat, akkor az abban az irányban szétválasztott töltésmennyiség azzal arányos feszültséget hoz létre. Több kvarckristály (SiO2) egymásra helyezésével a hatás fokozható.
Piezoelektromos jelenség
23. ábra
Kopogásszenzor
Az előgyújtásszög nem megfelelő megválasztása rendellenes égéslefolyást (kopogásos égést) - nagyfrekvenciás nyomáslengést - okozhat a hengerekben. A motorblokkon mért zajokat (5-10 kHz közötti általában) a kopogásszenzor elektromos jellé alakítja, amit a motorvezérlő elektronika érzékel. Kopogásos égés esetén a gyújtásszög átállításával szünteti meg a káros motorkopogási folyamatot. A motorvezérlő mindig a kopogás határán próbálja üzemeltetni a belsőégésű motort.
Kopogásszenzor felépítése
24. ábra

| Önellenőrző kérdések
1. Az intelligens szenzorok...?
| olyan szenzorok, amelyek egynél több elemi szenzort tartalmaznak, ezáltal új érzékelési információt ("dimenziót") nyújtanak.
| olyan szenzorok, amelyek a közvetlen érzékelésen túl több funkciót tartalmaznak (pl.kommunikáció, részleges jel kiértékelés, kiegyenlítés).
| képesek külső energiaforrás nélkül is jelátalakítást végezni.
| a mérési célra szolgáló érzékelőn kívül egyszerűbb jelfeldolgozási feladatokat (pl. hőmérséklet-kompenzációt, erősítést, A/D-átalakítást stb.) is ellátnak.
2. Milyen jellegű az NTC típusú érzékelő hőmérséklet/ellenállás karakterisztikája?
| Emelkedő hőmérséklet esetén növekszik az ellenállása.
| Csökkenő hőmérséklet esetén csökken az ellenállása.
| Nem hőmérsékletfüggő az ellenállása.
| Emelkedő hőmérséklet esetén csökken az ellenállása.
3. Milyen jellegűek az RTD típusú érzékelők hőmérséklet/ellenállás karakterisztikája?
| Egy analóg jel frekvenciájának meghatározása.
| Adott időközönként az analóg jelből mintát veszünk.
| A folytonos értéktartományt alakítjuk véges értékkészletűvé úgy, hogy a mintavételi időpontokhoz diszkrét feszültségértéket rendelünk.
| Az analóg jelből a nagyfrekvenciás zavar komponensek kiszűrése.
4. Mit nevezünk hőelemnek?
| Egy olyan eszköz, amely képes egy adott hőmérséklet tartására hosszabb ideig.
| Egy hőmérsékletmérő szenzor. A Seebeck-effektus alapján működnek, mely szerint ha két különböző fémet két helyen összekapcsolnak, és a kapcsolódási pontok különböző hőmérsékletűek (T1 és T2), akkor elektromos feszültség jelentkezik..
| Egy hőmérsékletmérő szenzor, amely a hőmérséklet növekedésére hosszváltozással reagál.
| A lambda szondák fűtését ez az eszköz biztosítja a szenzoron belül.
5. Mi az a bimetál?
| A Reed kapcsolók érintkezői, melyek két különböző fémből készülnek.
| Két különböző fémszalag összeragasztásával, vagy hengerlésével jön létre. A két fémszalag mindegyike adott hőmérséklet-változás hatására más-más mértékben változtatja hosszát, nyúlik meg, amelyet felhasználva hőmérséklet kapcsolókat, illetve hőmérsékletfüggő eszközöket lehet létrehozni.
| A Seebeck-effektus alapján működnek, mely szerint ha két különböző fémet két helyen összekapcsolnak, és a kapcsolódási pontok különböző hőmérsékletűek (T1 és T2), akkor elektromos feszültség jelentkezik.
| A belsőégésű motorok kopogásos égésének vizsgálatára alkalmazzák, kihasználva a két fém különböző, frekvenciafüggő viselkedését.
6. A potenciométer...
| egy három kivezetéssel rendelkező áramköri elem, amelyet általában feszültségosztóként alkalmaznak. A kivezetések közül kettő között egy ellenálláspálya található, a harmadik pedig egy csúszkán keresztül érintkezik ezzel az ellenálláspályával.
| egy három kivezetéssel rendelkező áramköri elem, amely két kivezetése közötti feszültség mérésére alkalmas, amelyet a harmadik kimenetén jelenik meg.
| egy hőmérsékletmérésre alkalmas eszköz, amely során az eszköz deformálódik.
| egy árammérésre alkalmas eszköz, amely két kivezetéssel rendelkezik és nagy hőmérsékletváltozás esetén is csak kismértékben változik meg az ellenállása.
7. Hogyan működik a Reed-kapcsoló?
| Mágneses tér hatására a Reed-kapcsoló alaphelyzetben nyitott érintkezői összeérnek, ami egy zárt kapcsolót eredményez.
| 200 °C feletti hőmérséklet esetén a Reed-kapcsoló alaphelyzetben nyitott érintkezői összeérnek, ami egy zárt kapcsolót eredményez.
| Nagy fényerősség hatására a Reed-kapcsoló alaphelyzetben nyitott érintkezői összeérnek, ami egy zárt kapcsolót eredményez.
| 5 V feszültséget kapcsolva rá Reed-kapcsoló alaphelyzetben nyitott érintkezői összeérnek, ami egy zárt kapcsolót eredményez.
8. Milyen mérésre használják a Hall-jeladókat?
| Mágneses tér érzékelés.
| Hőmérsékletmérés.
| Légtömegmérés.
| Optikai távolságmérés.
9. Melyik állítás igaz a lambda-szondára?
| A motorból kilépő kipufogógáz hőmérsékletét méri.
| A motorból kilépő kipufogógáz összetételét (oxigéntartalmát) vizsgálja. A keverékképzésben játszik fontos szerepet.
| A motor kopogásos égését figyeli és a kimeneti jele alapján képes a motorirányítás a gyújtási időpontot változtatni.
| Az utastér levegőjének összetételét figyeli és szükség esetén a légkondicionáló berendezés a jele alapján friss levegőt juttat be.
10. Milyen típusú érzékelő a kopogásszenzor?
| Piezoelektromos.
| Induktív.
| Rezisztív.
| Optikai.