Датчик продольного ускорения для чего нужен

Датчик ускорения

Датчик ускорения (другое название – акселерометр) измеряет ускорение или в соответствии со вторым законом Ньютона силу, вызывающую ускорение инерционной массы. В системе курсовой устойчивости датчик ускорения измеряет силы, действующие на автомобиль и стремящиеся изменить заданную водителем траекторию движения. Датчик ускорения используется, как правило, совместно с датчиком угловой скорости.

В зависимости от оцениваемых сил различают датчики поперечного и продольного ускорения. Датчик поперечного ускорения измеряет силы, вызывающие боковой снос автомобиля. Данный датчик является обязательным элементом системы курсовой устойчивости.

Датчик продольного ускорения используется на автомобилях с полным приводом. На переднеприводных автомобилях продольное ускорение оценивается косвенным путем (давление в тормозной системе, частота вращения колес, режим работы двигателя). Конструктивно датчик продольного ускорения аналогичен датчику поперечного ускорения, но устанавливается под прямым углом к последнему.

Кроме системы динамической стабилизации датчик ускорения применяется в других автомобильных системах: системе пассивной безопасности (датчики удара), адаптивной подвеске, системе защиты пешеходов, системе контроля давления в шинах, системе адаптивного освещения, охранной сигнализации. Используемые в системах датчики различаются величиной измеряемого ускорения и способом измерения.

В системе курсовой устойчивости используются датчики ускорения емкостного типа, которые отличает простота конструкции и широкий температурный диапазон работы. Принцип действия емкостного акселерометра основан на изменении емкости чувствительного элемента при перемещении инерционной массы под действием ускорения.

Конструкция датчика ускорения объединяет два параллельных конденсатора, включающих две фиксированные обкладки и одну общую подвижную обкладку, находящуюся между ними. Ускорение, действующее на датчик, изменяет расстояние между обкладками и, тем самым, изменяет емкость конденсаторов. По изменению емкости конденсаторов система распознает направление и величину, действующего на автомобиль ускорения.

На самом деле чувствительный элемент датчик ускорения более сложный и представляет собой кремниевую микромеханическую систему. Она объединяет две гребневидные структуры, входящие зубьями друг в друга и образующими несколько пар конденсаторов.

Точность измерения требует расположение датчика ускорения как можно ближе к центру тяжести автомобиля. Конкретное место установки датчика различается в зависимости от марки и модели автомобиля (в тоннеле между передними сидениями, под сидением водителя, под рулевой колонкой и др.).

Для сокращения числа компонентов, экономии внутреннего пространства автомобиля используется блочное расположение датчиков. Так, в один сенсорный блок может быть интегрировано два датчика ускорения и датчик угловой скорости.

Источник

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Датчики ускорения и вибрации

Датчики ускорения и вибрации могут использоваться для включения системы пассивной защиты автомобиля, выявления детонации и управления работой двигателя, а также контроля поперечных ускорений и изменений скорости полноприводных автомобилей с ABS. Вот о том, какими бывают датчики ускорения и вибрации, мы и поговорим в этой статье.

Что измеряют датчики ускорения

Все датчики ускорения измеряют силы, воздействующие на (инертные) массы m путем ускорения а согласно основному закону механики:

Как и в случае с измерением силы, существуют системы для измерения и положения и механического напряжения. Первые особенно широко используются в области малых ускорений. Системы измерения положения также позволяют использовать компенсационный метод, в котором вызванное ускорением системное отклонение компенсируется эквивалентной восстанавливающей силой, так что в идеале система практически всегда работает очень близко к нулевой точке (высокая линейность, минимальная перекрестная чувствительность, стойкость к высоким температурам). Эти системы с управлением по положению также имеют большую жесткость и частоту отсечки, чем системы перемещения того же типа. Здесь можно электронно создать любой недостаток механической амортизации.

Примеры типичных значений ускорений в автомобиле

Все датчики ускорения крепятся через пружины прямо к гравитационному маятнику (см. рис. «Датчики ускорения, измеряющие смещение«). Иными словами, инертная масса эластично соединяется с кузовом, ускорение которого требуется измерить. Это означает, что в статическом случае сила ускорения находится в равновесии с восстанавливающей силой, воздействующей на пружину, отклоненную на х:

где с — постоянная пружины.

Следовательно, чувствительность измерения S будет равна:

Другими словами, большая масса вместе с небольшой жесткостью пружины (или постоянной пружины) дают высокую чувствительность измерения. Если же уравнение записать полностью для статического и динамического случаев, то станет очевидно, что необходимо учитывать не только эластичность пружины, но и силу трения, и силу инерции:

Эти компоненты пропорциональны логическим выводам в отношении времени перемещения х (р — коэффициент трения). Получающееся дифференциальное уравнение описывает колеблющуюся (резонирующую) систему. Если трение считать ничтожно малым (р ≈ 0), то резонансная частота системы будет равна:

Таким образом, чувствительность измерения S напрямую связана с резонансной частотой ω₀:

Иными словами, можно ожидать, что при увеличении резонансной частоты вдвое чувствительность уменьшится в четыре раза. Конечно, такие пружинно-массовые системы демонстрируют адекватную пропорциональность между измеренной переменной и амплитудой только при частоте, которая ниже их резонансной частоты.

В случае чисто амплитудных систем необходимо обеспечить амортизацию, которая должна быть как можно точнее определена и как можно меньше зависима от температуры для получения как можно более унифицированного отклика частоты (рис. «Амплитудно-резонансная кривая» ) и предотвращения разрушительной остроты резонанса, которая может легко вывести систему из строя. Если коэффициент трения р нормализовать, то получим стандартизированный коэффициент амортизации D.

D = (p/2·c)·ω₀ =p/(2· √ c·m)

Этот коэффициент амортизации в значительной степени определяет переходную и резонансную характеристики. В то время как при периодическом возбуждении с коэффициентами амортизации D > √ 2/2 ≈ 0,707 большей остроты резонанса уже не возникает (рис. «Амплитудно-резонансная кривая» ), любое колеблющееся переходное состояние в случае ступенчатого возбуждения исчезает при коэффициенте D > 1. Для достижения как можно более широкой полосы пропускания на практике обычно используют компромиссные значения D = 0,5-0,7.

Применение датчиков ускорения

Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические биморфные упругие элементы (двухслойная пьезокерамика) используются в пусковых устройствах аварийных натяжителей ремней безопасности, подушек безопасности и штанг против опрокидывания автомобиля (рис. «Пьезоэлектрический датчик» ). Их инерционная масса под действием ускорения вызывает деформацию, обеспечивающую достаточный динамический сигнал с благоприятными для обработки характеристиками (обычно предел по частоте равен 10 Гц).

Чувствительный элемент датчика расположен в герметичном корпусе, содержащем также предварительный усилитель сигнала. Иногда в целях физической защиты его помещают в гель. Принцип активации датчика можно также инверсировать. Дополнительный активирующий электрод упрощает проверку датчика (бортовая диагностика).

Продольные элементы используются в качестве датчиков детонации (датчиков ускорения) в отслеживающих системах зажигания. С их помощью измеряется вибрационный шум в блоке двигателя (измеряемый диапазон ускорений составляет приблизительно 10g при обычной частоте колебаний 5-20 кГц). Некапсулированное пьезокерамическое кольцо измеряет силы инерции, воздействующие на сейсмическую массу той же формы. Однако сегодня для обнаружения детонации почти исключительно используются более современные поверхностно- микромеханические датчики.

Емкостные кремниевые датчики ускорения

Первое поколение микромеханических датчиков основывалось на анизотропии и селективных методах травления для получения необходимых свойств системы «пружина- масса» в пластине (объемная кремниевая микромеханика) и необходимого профиля пружины (рис. «Объемный кремниевый датчик ускорения» ).

Емкостные датчики оказались особенно эффективны при высокоточных измерениях отклонения инерционной массы. В конструкции используются вспомогательные кремниевые или стеклянные пластины с противоположными электродами выше и ниже подпружиненной инерционной массы. Создается трехслойная конструкция, позволяющая защитить пластины и противоположные электроды от перегрузок. Заполнение герметично запаянной колебательной системы датчика точно отмеренным количеством воздуха — очень компактная, недорогая форма амортизации, которая также отличается низкой температурной чувствительностью. В существующих конструкциях для непосредственного соединения трех кремниевых пластин почти всегда используется процесс плавления. Ввиду разного теплового расширения у различных компонентов, их необходимо устанавливать на кассетную подложку. Это имеет решающее значение для точности измерений. Используется практически прямолинейный монтаж со свободной поддержкой в чувствительном диапазоне.

Датчики этого типа в основном используются для определения ускорений низкого уровня ( Эта статья размещена в главе Автомобильная электроника и называется Датчики ускорения и вибрации. Добавьте в закладки ссылку.

Источник

AutoXS.ru — Авто Энциклопедия

Датчик ускорения (другое название – акселерометр) измеряет ускорение или в соответствии со вторым законом Ньютона силу, вызывающую ускорение инерционной массы. В системе курсовой устойчивости датчик ускорения измеряет силы, действующие на автомобиль и стремящиеся изменить заданную водителем траекторию движения. Датчик ускорения используется, как правило, совместно с датчиком угловой скорости.

В зависимости от оцениваемых сил различают датчики поперечного и продольного ускорения. Датчик поперечного ускорения измеряет силы, вызывающие боковой снос автомобиля. Данный датчик является обязательным элементом системы курсовой устойчивости.

Если Вы заметили ошибку, неточность или хотите дополнить материал, напишите об этом в комментариях, и мы исправим статью!

Источник

Изучаем датчики ускорения: традиционная ориентация

Точная оценка ускорения либо замедления автомобиля для систем активной и пассивной безопасности или навигации так же важна, как вестибулярный аппарат — для человека. Эти силы имеют несколько направлений, поэтому применяют датчики различных конструкций.

КРУТИТСЯ-ВЕРТИТСЯ

Поворот автомобиля вокруг вертикальной оси обычно измеряют гиродатчики. Сейчас наиболее распространены датчики вибрационного типа. По сравнению с привычными роторными гироскопами они более просты и дешевы, но при этом точность у них сопоставимая.

В системах курсовой устойчивости и навигации используют датчики на пьезоэлектрическом эффекте. Пьезокристаллы могут деформироваться под действием электрического напряжения (топливные пьезофорсунки) и, наоборот, создавать напряжение при деформации (датчики детонации). В гиродатчиках использованы оба этих свойства.

Треугольная стойка гиродатчика

Гиродатчик навигации состоит из треугольной стойки и расположенных на каждой грани пьезодатчиков: одного возбуждающего и двух приемных. При подаче напряжения на возбуждающий датчик он заставляет вибрировать всю стойку. Приемные датчики преобразуют эту вибрацию в выходное напряжение. Первоначальная вибрация необходима для калибровки и снижения искажений сигналов, дополнительно обеспечивая постоянный выходной сигнал от гиродатчика. Под действием сил при повороте автомобиля приемные стороны стойки деформируются. Два приемных пьезодатчика преобразуют деформацию в электрические сигналы для определения угла поворота.

В системе курсовой устойчивости (ESP) применяют гиродатчик камертонного типа, в котором тоже использован пьезоэлектрический эффект. Двойной камертон изготовлен из пьезокристалла и состоит из трех частей (рис. А): средней, возбуждающей и измерительной. Средняя часть закреплена внутри датчика. Камертон возбуждения при подводе напряжения создает первоначальную вибрацию (рис. В). Измерительный камертон под воздействием сил при повороте деформируется. Его скручивание меняет распределение заряда, и это фиксируется электроникой датчика (рис. С) для определения момента вращения автомобиля вокруг вертикальной оси.

Схема камертонного гиродатчика

В ПРОФИЛЬ И АНФАС

Датчики продольного и поперечного ускорений применяются для систем курсовой устойчивости и пассивной безопасности. Устроены они по одному принципу: в зависимости от способа установки один и тот же датчик способен измерять ускорения в разных направлениях.

Ускорение или замедление определяют по перемещению подвижно закрепленной массы внутри датчика. В пьезодатчиках изгибается упругая пьезопластина, а в механических датчиках дополнительный элемент (датчик Холла) отслеживает перемещение подпружиненного груза. Другим видом стал аналог, в котором механическая часть выполнена из кремния. Все эти датчики имеют внутреннюю схему измерений и передают уже обработанный сигнал.

Проще устроен емкостный датчик ускорения. Он состоит из двух одноименно заряженных пластин и подвижно закрепленной между ними пластины с противоположным зарядом, которая перемещается при ускорении/замедлении автомобиля. Работа датчика основана на зависимости емкости конденсатора от расстояния между пластинами. Одновременно это расстояние

соответствует разности потенциалов между пластинами: чем ближе пластины друг к другу, тем больше напряжение. По его изменению определяется перемещение подвижной части датчика.

Схема емкостного датчика ускорения

ВОССТАНОВЛЕНИЮ НЕ ПОДЛЕЖИТ

В случае отказа датчика загорится индикация неисправности связанной с ним системы безопасности. Код и описание ошибки можно извлечь только с помощью компьютерной диагностики. Без необходимости датчики лучше не трогать и самостоятельно не заменять. Они требуют тщательной установки и контролируемого момента затяжки крепежа, иначе пострадает точность измерений. После замены некоторым датчикам необходима инициализация с помощью компьютера. При всей своей сложности они очень надежны, и меняют их обычно из-за механических повреждений. Ремонт не предусмотрен, а пострадать они могут даже от падения на пол.

КОМБИНАЦИЯ

Часто датчик поперечного ускорения устанавливают в одном корпусе с датчиком вращения вокруг вертикальной оси. Такой комбинированный элемент стал одним из «органов чувств» для систем курсовой устойчивости.

Источник