Датчики силы и момента являются неотъемлемым компонентом измерительной системы автомобиля. Они являются поставщиком исходных данных в системах автоматического управления. Процесс измерения включает в себя ряд последовательных операций, которые протекают как на физическом, так и на электрическом уровнях. Вот о том, какими бывают датчики силы и момента в автомобиле, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

Что измеряют датчики силы и момента

 

Датчики силы и моменты используются в ав­томобилях для определения многочисленных переменных:

• Сила сцепления между тягачом и прице­пом или полуприцепом для регулируемого торможения без воздействия сил (отсут­ствие сил растяжения и сдвига на сцепке при торможении);
• Сила амортизации для электронных си­стем управления подвеской;
• Осевая нагрузка для систем электронного управления распределением тормозного усилия для автомобилей большой грузо­подъемности;
• Усилие на педали для систем ­управляемых электроникой тормозных систем;
• Тормозное усилие для управляемых электроникой тормозных систем;
• Крутящий момент привода и тормозной момент;
• Крутящий момент на рулевом колесе или в усилителе рулевого управления;
• Защита пальцев пассажиров в стеклоподъ­емниках и люках с электроприводом;
• Силы на колесах;
• Вес пассажиров автомобиля (для систем защиты пассажиров).

 

Во многих случаях начальные разработки не привели к ожидаемым результатам из-за чрезмерных затрат на достижение заявлен­ной точности систем, в которых нужно было устанавливать датчики. Вопреки ожиданиям, оказалось невозможным снизить затраты на производство хороших датчиков крутящего момента ниже уровня затрат на датчики дав­ления и ускорения. На самом деле датчики крутящего момента стоят дороже. Дело усложняется, и это особенно относится к датчикам крутящего момента, когда изме­ряемый параметр должен передаваться бес­контактными методами с вращающегося вала (например, рулевого или приводного вала) на датчик, установленный на шасси. Токо­сборные контактные кольца неприемлемы в автомобиле.

Поскольку любая форма измерения лишь части силы и момента очень проблематична и легко может привести к искажению ре­зультатов, датчики силы и момента должны непосредственно подключаться к потоку энергии (иными словами, через них должна проходить полная измеряемая переменная). Для этого нужно отсечь компоненты, не­сущие силу и момент, чтобы можно было установить ранее проверяемые датчики. Это часто приводит к проблемам. Но даже если не нужно отсекать компоненты, несущие силу и момент, а механические элементы использу­ются в качестве измерительных пружин, ко­торые требуют модификации для установки чувствительных элементов, то все равно не­обходима четкая договоренность с изготови­телем этих компонентов.

В силу конструкции размер датчиков силы напрямую зависит от диапазона измерения. Хотя, благодаря запросам автопромышленно­сти, и существуют компактные датчики силы и момента, они обеспечивают достаточную точность измерений только при воздействии сил на датчик точно определенным образом, что обычно имеет место лишь в лабораторных условиях. Допуски и нарушение регулировки, обычно встречающиеся на практике, диктуют необ­ходимость подключения гомогенизирующих элементов, которые в свою очередь делают датчики слишком большими.

 

Принципы измерения датчиков силы и момента

 

Говоря о датчиках силы и момента, следует различать статический и динамический принципы измерения, а также принципы измерения, основанные на смещении и ме­ханическом напряжении. До сих пор были востребованы, большей частью, статические датчики, при этом для датчиков силы пред­почтительными были принципы измерения неупругих нагрузок. В настоящее время для измерения момента на рулевом колесе при­емлемы системы с «мягкими» упругими датчиками, которые также могут содержать датчики измерения угла. Это возможно, в частности, потому, что эта характеристика показала себя приемлемой в более ранних гидравлических системах, не имевших дат­чиков. Для определения силы и крутящего момента, в том числе и в промышленности, чаще всего используются магнитно-эффек­тивные катушечные системы.

Однако в последнее время стали использо­ваться и магнитостатические датчики Холла, измеряющие смещение (например, определение веса пассажира), так что здесь можно использовать массово производимые микро- структурированные элементы. Несмотря на общеизвестные проблемы с загрязнением и затраты на установку, рассматриваются также оптоэлектронные датчики (например, для электронных систем усиления рулевого управления), позволяющие определять угол поворота с высоким разрешением одновре­менно с определением крутящего момента.

 

Датчики силы

 

Датчики измерения механической нагрузки

 

Магнитоэластичный принцип Ферромагнитные материалы под влиянием магнитного поля изменяют свою длину в на­правлении поля (эффект магнитострикции). Обратный эффект — изменение магнитных свойств при растягивании и сжатии — назы­вают магнитоэластичным эффектом. Этот эффект выражается в анизотропическом (на­правленном) поведении относительной маг­нитной проницаемости μ_r (отношение маг­нитной индукции В к напряженности магнитного поля H). Если она сохраняет оди­наковое значение в случае, когда отсутствуют силы во всех направлениях (изотропия), то под воздействием силы F она принимает за­висящее от материала значение (μ_ri), не­сколько отличающееся по направлению силы, чем поперек направления силы (μ_rq) (рис. «Магнитоэластичный анизотропический эффект» ).

На самом деле изменение магнитной про­ницаемости по направлению силы истинно отражает знак силы. Несмотря на то, что этот эффект демонстрируют практически все ферромагнитные материалы, его можно оптимизировать путем использования опре­деленного сплава. К сожалению, материалы с хорошей линейностью, низким гистерезисом и низкой температурной чувствительностью не идентичны материалам, имеющим хоро­ший измерительный эффект. Таким обра­зом, эффект для метрологически оптими­зированных материалов все еще находится в диапазоне нескольких процентов и требует электронного усиления.

Преимуществом магнитоэластичного эффекта, с одной стороны, является боль­шой диапазон температур (около 300 °С). С другой стороны, это дает выраженный объ­емный эффект. Это означает, что катушки, используемые для обнаружения изменений, не только регистрируют локальное измене­ние проницаемости, вызванное воздействием силы (как, например, у тензометрических датчиков), но на показания в большей или меньшей степени влияет на все поперечное сечение катушки. Это делает датчик чуть ме­нее чувствительным к возможности ассиметричного воздействия силы.

Поскольку изменения проницаемости в ре­зультате воздействия силы практически всегда регистрируются с помощью переменных по­лей, то необходимо соблюдать глубину про­никновения этих полей, которая очень сильно зависит от частоты. Чтобы максимально ис­пользовать измерительный эффект, магнит­ноактивный воздушный зазор должен быть как можно меньше. Часто это означает, что магнитноактивный измерительный контур за­мыкается ферромагнитным материалом, даже если он не включен в магнитный поток.

Для использования эффекта напряжен­ность поля H питающей катушки не должна быть параллельна воздействующей силе. Под воздействием силы она изменяет не только магнитную индукцию В, но и ее направление (из-за анизотропии проницаемости). Если ис­ходить из того, что при отсутствии силы Н и В направлены параллельно, то при воздей­ствии силы и ее возрастании они будут при­нимать все более разные направления Это можно использовать как особое преимуще­ство для регулирования индуктивной связи двух катушек, пересекающихся под углом 90° для измерения (рис. «Магнитоэластичный датчик силы растяжения сжатия, работающий по принципу кроссдуктора» ).

 

Принцип тензометрического (пьезорезистив­ного) датчика

 

Тензометрические резисторы представляют собой наиболее распространенный и, пожа­луй, самый надежный и точный метод измере­ния силы и момента (рис. «Тензометрические датчики силы» ). Их принцип дей­ствия основан на наличии в измеряемой зоне эластичного элемента, к которому применим закон Гука, пропорциональной связи между механическим напряжением в этом элементе а, вызванным воздействием силы, и возника­ющей деформацией е. Согласно закону Гука:

ε = Δl/l = σ/E

где: Е — модуль упругости.

Поскольку из­меряется не непосредственно напряжение в результате воздействия силы, а возникающая деформация, то тензометрический метод можно рассматривать как метод косвенного измерения. Например, при уменьшении мо­дуля эластичности на 3% при температуре более 100 К, что нормально для металлов, сила, выдаваемая тензометрическим мето­дом 3% слишком велика. Тензометрические резисторы соединяются как пленочные ре­зисторы — в отличие от постоянно открытых тензометров — с поверхностью выбранного эластичного элемента таким образом, чтобы они в точности следовали его поверхност­ной деформации. Изменение сопротивления вследствие деформации резистора опреде­ляется коэффициентом К данного резистора (см. «Датчики давления»):

ΔR/R = σ/E

У металлооксидных резисторов коэффи­циент К обычно не превышает 2. Реакция температуры резистора устраняется за счет того, что тензометры обычно крепятся к эла­стичному элементу полумостом или мостом. Поскольку воздействия температуры приво­дят к таким же изменениям направления на тензометре, выходной сигнал отсутствует. Несмотря на высокий уровень точности и на­дежности, поскольку деформация и, соответ­ственно, изменения сопротивления нахо­дятся лишь в процентном диапазоне исходного состояния, тензометрические дат­чики генерируют выходное напряжение только в милливольтовом диапазоне. Они обычно требуют локального усиления.

 

Области применения датчиков силы

 

Как правило, чтобы измерить силу, нужно прикрепить очень маленькие тензометриче­ские резисторы к более крупным деталям, на которые воздействует сила, или эластичным элементам. Традиционный пленочный способ крепления тензометрических резисторов к эластичному элементу (применяется в таких устройствах, как высокоточные весы) недо­статочно дешев для экономичного производ­ства крупными партиями. Поэтому делаются первые попытки для применения недорогих, приемлемых для массового производства технологий пленочного/послойного нане­сения тензометрических резисторов на ма­ленькие металлические пластинки, которые затем впрессовываются или ввариваются в эластичный элемент.

 

Ортогональные печатные резисторы

 

Практически все электрические пленочные резисторы изменяют свое сопротивление не только под воздействием боковой дефор­мации, но и при вертикальном (ортогональ­ном) сжатии пленки. Так называемый «про­водящий пластик», широко используемый в потенциометрах, отличается здесь очень высокой чувствительностью. Также очень высокой чувствительностью обладают ме­таллокерамика и угольные слои. До опреде­ленного предела сопротивление упомянутых выше материалов большей частью умень­шается с ростом силы сжатия. Значения, которых можно достигнуть без постоянного изменения сопротивления, похожи на те, что применимы к боковой деформацию. Конечно, датчики этого типа подходят почти исключительно для нагрузки только путем сжатия, а не поперечной деформации.

 

Датчики силы, измеряющие смещение

 

В случае с уже подпружиненными автомо­бильными сиденьями не важно, имеет ли установленный датчик массы, измеряющий смещение, небольшую дополнительную упругость или нет.

 

Датчик веса на базе датчика Холла

 

На рис. «Датчик Холла для определения веса переднего пассажира» показано использование такого дат­чика силы, измеряющего смещение, при кото­ром с помощью датчика Холла измеряется эла­стичное отклонение в несколько десятых, миллиметра (принцип вращающегося тока). Датчик измеряет вес переднего пассажира, чтобы оптимально раскрывалась подушка безо­пасности. Для этого чисто механический болт, которым сиденье через поворотный рычаг кре­пится к направляющей, во всех четырех углах сиденья заменяется на «болт-датчик» (iBolt). Общий вес F в этом случае больше не переда­ется непосредственно от поворотного рычага на направляющую сиденья; вместо этого он пере­дается сначала через цилиндрический «стакан» и параллельно-направленную, вилкообразную фасонную двойную пружину. Конец, соединен­ный со стаканом, отклоняется пропорционально весу на несколько десятых миллиметра (<1 мм). На отклоняющемся конце находится интеграль­ная схема Холла, которая, при отсутствии на­грузки, расположена точно по центру перед маленьким постоянным магнитом, намагничен­ным в осевом направлении. Этот магнит распо­ложен на кончике штырька, закрепленном в основании пружины. Аналогичным образом расположенный в осевом направлении датчик Холла чувствителен только к магнитным полям, направленным перпендикулярно продольной оси. Когда вес отсутствует (F = 0), в месте рас­положения датчика магнитные поля равны нулю и увеличиваются пропорционально весу с ро­стом возникающего отклонения.

Используемый датчик Холла, после уста­новки, может быть компенсирован чисто электронно в плане смещения и градиента его характеристической кривой. При усилии бо­лее F > 1000 Н стакан (см. рис. Датчик Холла для определения веса переднего пассажира) соприкаса­ется с краем ножки измерительной пружины, что обеспечивает очень простую защиту от перегрузки. По общему виду всех четырех измерительных болтов можно определить не только вес переднего пассажира, но в опре­деленной степени его положение на сиденье.

Оптоволоконный датчик силы Датчики для измерения смещения также включают в себя оптоволоконные датчики, работающие по принципу микроизгиба (при­менение: например, системы защиты паль­цев при действии стеклоподъемников). Эти датчики уже протестированы с аналогичным успехом, как и контактные и деформаци­онные датчики, в панелях автомобильных дверей, где их можно использовать для своевременной инициации системы защиты пассажиров при боковом ударе.

 

Датчики момента

 

В случае с измерением момента, по существу, различают два процесса: измерение угла и ме­ханического напряжения. В отличие от методов измерения механического напряжения с исполь­зованием тензорезисторов или магнитоупругих датчиков, методы измерения углов (например, с помощью вихревых токов) требуют наличия вала определенной длины, работающего на кручение. Замеряются углы закручивания вала (приблизительно, в диапазоне 0,4…4,0°). Воз­никающее при этом механическое напряжение о, пропорциональное моменту, направлено под углом 45° к оси вала (рис.»Основные принципы измерения крутящего момента» ).

Все описанные ниже принципы подходят для бесконтактной передачи измеряемых значений, даже с вращающихся валов. В слу­чае с измерением момент на рулевом колесе также желательно, чтобы используемая си­стема очень точно измеряла угол поворота рулевого колеса (на полный оборот в 360°). Это отвечает духу модульной интеграции, и изменения при реализации должны быть незначительными.

 

Датчики измерения механической нагрузки. Тензометрические датчики

 

Здесь почти исключительное признание снискал тензометрический принцип (рис. «Тензодатчик крутящего момента с бесконтактным преобразователем» ). Для измерения механической нагрузки используется тензометрический мост, за­питываемый от преобразователя (выпрями­тель и управляющая электроника на валу, независимо от воздушного зазора). Другие локальные электронные компоненты на валу позволяют усилить измеряемый сигнал и преобразовать в сигнал переменного тока, не зависящий от воздушного зазора (напри­мер, частотно-аналоговый), который затем также может быть выведен с использова­нием бесконтактного преобразователя.

При крупных партиях электронные цепи на валу можно легко встроить в один чип. Датчики деформации можно без значительных затрат штамповать на готовой стальной болванке (например, по тонкопленочным техноло­гиям), которая затем приваривается к валу. Два кольцевых преобразователя, необходи­мых для передачи энергии и сигнала, можно недорого изготавливать из магнитомягкого формовочного материала. При такой схеме за счет приемлемых затрат может быть до­стигнут высокий уровень точности.

Датчик крутящего момента на базе этого принципа был разработан для электроусилителя руле­вого управления уровня образца А.

 

Датчики для измерения углов (торсионное измерение). Оптоэлектронные (магнитные) датчики

 

Определить угол скручивания относительно легко, если на каждом конце секции, подвер­гаемой измерению кручения (длиной 5-10 см) имеются два взаимно-инкрементных дат­чика скорости вращения или бесконтактный датчик абсолютного измерения (аналоговый или цифровой) углового перемещения. Раз­ность их выходных сигналов Ф₂-Ф₁ опреде­ляет угол скручивания:

M=const·L-(Ф₂— Ф₁)

где L — длина торсионной секции.

Этот метод до сих пор считался слишком сложным, поскольку для адекватной точ­ности требуются исключительно точные подшипники, а также соответственно точное угловое или инкрементное деление по всей пе­риферии. Тем не менее, продолжаются пои­ски путей решения этой проблемы (магнитно или оптически, рис. «Оптоэлектронный датчик, измеряющий момент на рулевом колесе по разности углов» ), потому что такая система имела бы два явных преимущества:

• Возможность одновременного измерения угла поворота в этой же системе;
• Возможность измерения без необходимо­сти значительных модификаций торси­онного вала, так чтобы датчик мог быть сменным (вставным), с обеспечением эффективного интерфейса для поставляе­мых компонентов.

 

Высокоточное измерение углового положе­ния можно выполнить, например, по прин­ципу Вернье. Здесь окружность вала отме­чается синусоидальной меткой, при этом на окружности умещается общее количество периодов синусоиды, равное N. В отличие от чисто инкрементной метки, которая обеспе­чила бы лишь разрешение 1/N длины окруж­ности при том же количестве периодов, эта синусоидная структура сигнала теоретически допускает любое разрешение по окружности путем применения функции арксинуса в от­дельных синусоидальных периодах. Однако это разрешение можно использовать, только если известно, в каком из N периодов мы на­ходимся.

Однозначности можно добиться путем до­бавления в окружность второй метки с чуть меньшей пространственной частотой, в кото­рой только N—1 синусоидальных периодов умещаются на окружности. Хотя два сигнала не могут обеспечить четких сигналов для из­мерения углового положения, можно по фа­зовой разности Δφ между двумя сигналами определить синусодальный период, в кото­ром мы находимся. Это происходит потому, что фазовая разность между двумя сигналами изменяется по всей длине окружности ровно на 360°. Это можно увидеть на рис. «Датчик углового положения, работающий по принципу Вернье» на при­мере N = 10. Если фазовая разность между двумя сигналами, к примеру, находится в ди­апазоне 36-72°, то мы находимся во втором синусоидальном периоде: если она находится в диапазоне 216—252° то мы находимся в шестом периоде. Точный угол измерения Ф в этом случае получается путем добавления в первом случае угла 36°, а во втором — 216° к измеренному, yj еще не четкому сиг­налу φ.

Однако на практике функция арксинуса не используется для высокого разрешения от­дельных синусоидальных периодов, так как для этого пришлось бы гарантировать посто­янную и нормализованную амплитуду сигнала. Вместо этого рядом с синусоидальной меткой вводится вторая, косинусоидальная метка, на­ходящаяся точно в квадратуре с первой (сдвиг по фазе на 90°). Из-за пространственной бли­зости можно допустить что обе метки считы­ваются с одинаковой амплитудой й таким об­разом, чтобы угол φ можно было определить в пределах синусоидального периода с помо­щью функции арктангенса по двум отдельным сигналам u₁ и и₂ независимо от и:

φ = arctan (u₁/u₂),

где:

u₁ = й·sinφ

u₂ = й·cosφ.

Таким образом, для отделения точного и однозначного угла поворота Ф всего требу­ется четыре метки. Поэтому датчику момента и угла поворота на рулевом колесе (TAS, рис. «Оптоэлектронный датчик, измеряющий момент на рулевом колесе по разности углов» ) в общей сложности требуется восемь оптоэлектронно считываемых меток для из­мерения двух углов Ф₁ и Ф₂ Его точность в диапазоне 360° составляет 1°, угловое раз­решение равно 0,0055» и разрешение диф­ференциального угла Δφ равно 0,0044° с диапазоном измерение ≠ 9°.

 

Датчики вихревых токов

 

К обоим концам достаточно длинной секции измерительного вала лепятся две втулки из токопроводящего алюминия с прорезями. Они вставляются одна в другую (рис. «Датчик измерения крутящего момента на основе вихревых токов» ).

Каж­дая втулка имеет два ряда прорезей, чтобы при повороте вала его выло лучше видно че­рез один ряд прорезей и хуже через другой. Это приводит увеличению или уменьшению затухания у двух высокочастотных обмоток (около 1 МГц), расположенных над каждым рядом прорезей, так что соответственно ме­няется и индуктивность обмоток.

Для дости­жения заданной точности втулки с прорезями должны изготавливаться и собираться с со­ответственно высокой точностью. Электронику следует размещать как можно ближе к обмоткам.

Этот принцип был разработан для автопромышленности, но затем нашел применение только в электроинстру­ментах (определение крутящего момента в профессиональных шуруповертах). Однако одна японская компания, доработала этот принцип для ис­пользования в автомобилях.