1. Понятие датчика.

Человек глазами воспринимает форму, размеры и цвет окружающих предметов, ушами слышит звуки, носом чувствует запахи. Обычно говорят о пяти видах ощущений, связанных со зрением, слухом, обонянием, вкусом и осязанием. Для формирования ощущений человеку необходимо внешнее раздражение определенных органов - "датчиков чувств". Для различных видов ощущений роль датчиков играют определенные органы чувств:

Зрение......Глаза Слух........Уши Вкус........Язык

Обоняние....Нос Осязание....Кожа

Однако, для получения ощущения одних только органов чувств недостаточно. Например, при зрительном ощущении совсем не значит, что человек видит только благодаря глазам. Общеизвестно, что через глаза раздражения от внешней среды в виде сигналов по нервным волокнам передаются в головной мозг и уже в нем формируется ощущение большого и малого, черного и белого и т.д. Эта общая схема возникновения ощущения относится также к слуху, обонянию и другим видам ощущения, т.е. фактически внешние раздражения как нечто сладкое или горькое, тихое или громкое оцениваются головным мозгом, которому необходимы датчики, реагирующие на эти раздражения.

Аналогичная система формируется и в автоматике. Процесс управления заключается в приеме информации о состоянии объекта управления, ее контроле и обработке центральным устройством и выдачи им управляющих сигналов на исполнительные устройства. Для приема информации служат датчики неэлектрических величин. Таким образом, контролируется температура, механические перемещения, наличие или отсутствие предметов, давление, расходы жидкостей и газов, скорость вращения и т.п.

2. Датчики контрольных приборов

Понятиям «датчик» обычно обозначают приемник и преобразователь измеряемой физической величины. Датчик состоит, по меньшей мере, из чувствительного элемента, воспринимающего изменения измеряемой физической величины, и элемента, преобразующего неэлектрический сигнал чувствительного элемента в электрический.

Датчики появились уже на первых автомобилях Даймлера и Бенца: здесь в системе зажигания применялся контактный датчик момента искрообразования. В 20-х годах прошлого века на автомобилях появились первые датчики, позволяющие контролировать работу основных агрегатов и систем, например датчики указателей уровня топлива и температуры охлаждающей жидкости. У современных автомобилей количество датчиков различного назначения исчисляется десятками: технологии и материалы позволяют выпускать датчики достаточно надежные, недорогие в производстве и обладающие приемлемой точностью.

По назначению датчики современных легковых автомобилей можно разде­лить на четыре группы: датчики контрольных приборов, датчики аварийных режимов, датчики систем зажигания и датчики электронных систем управления двигателем.

Датчики контрольных приборов являются элементами информационно-измерительной системы, обеспечивающей водителя информацией о ре­жиме движения, работоспособности или о состоянии агрегатов и автомо­биля в целом.

Датчик вместе с указателем (приемником) и элементами электрической связи между ними составляют контрольный измерительный прибор.

Датчик устанавливается в месте измерения и преобразует измеряемую физическую величину в пропорциональный электрический сигнал. В приемнике этот сигнал испытывает обратное преобразование.

В зависимости от назначения контрольного прибора используются различ­ные типы датчиков; температуры, давления, уровня топлива и скорости автомобиля (датчик спидометра). Типы датчиков отечественных легковых автомобилей приведены в табл. 1.1.

Датчики температуры охлаждающей жидкости

Принцип действия. В датчиках температуры охлаждающей жидкости используются свойства металлов и полупроводников менять свое сопротивление при изменении температуры окружающей среды. Современные автомобили оснащены датчиками температуры, представляющими собой полупроводниковые резисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), — их сопротивление уменьшается с увеличением температуры окружающей среды. По сравнению с металлическими терморезисторами полупроводниковые обладают примерно в 10 раз большим значением ТКС, т.е. изменение температуры вызывает резкое изменение их сопротивления.

Датчик включается в электрическую цепь контрольного прибора (рис. 1.2). При изменении температуры ток, проходящий через датчик, изменяется, что вызывает отклонение стрелки указателя контрольного прибора. Сопротивле­ние терморезистора датчика нелинейно зависит от температуры.

Рис. 1.2. Схема включения датчика температуры в цепь контрольного прибора:

Д - датчик; У - указатель; 11бс - напряжение бортовой сети; 1д - ток, протекающий через датчик

У стройство, работа, характеристики. Во всех отечественных автомобилях применяются указатели температуры охлаждающей жидкости (термометры) логометрического типа (рис. 1.3), принцип действия которых основан на взаимодействии поля постоянного магнита 6, соединенного со стрелкой 2, с результирующим магнитным полем трех измерительных обмоток (1, 3, 4), по которым протекает ток, причем величина тока в обмотке 1 зависит от сопротивления датчика.

Рис. 1.3. Логометрический термометр:

1,3,4- обмотки указателя термометра;

2 - стрелка;

5 - термокомпенсационный рези­стор;

6 - постоянный магнит;

7 - датчик;

8 - терморезистор;

9 - токоведущая пружина

Датчик термометра (рис. 1.4) представляет собой латунный или бронзовый баллон (корпус) 3, на трасширенной верхней части которого выполнены шестигранник под ключ и коническая резьба для крепления датчика. К плоскому донышку баллона прижат терморезистор 1, выполненный в виде таблетки. Между зажимом датчика и таблеткой установлена токоведущая пружина 2, которая изолирована от стенки баллона. При низкой температуре охлаждающей жидкости сопротивление датчика велико, поэтому ток в обмотке 1 (см. рис. 1.3) и ее магнитный поток будут малы. Вследствие действия результирующего магнитного потока всех трех обмоток постоянный магнит и вместе с ним стрелка 2 повернуты в левую часть шкалы указателя. С увеличением температуры охлаждающей жидкости сопротивление терморезистора уменьшается увеличивается ток в обмотке 1 и создаваемый ею магнитный поток. магнитный поток обмоток также изменяется, и стрелка 2 поворачивается в правую часть шкалы указателя.

Р, Ом 1750

1500 1250 1000 750 500 250 0

Рис. 1.4. Датчики температуры охлаждающей жидкости:

I - датчик ТМ100А; II - датчик ТМ106: а - устройство; б - зависимость сопротивления от температу­ры; 1 - полупроводниковый терморезистор; 2 -токоведущая пружина; 3 - баллон (корпус); 4 - вывод

Тип	пределы	Номиналь­	Сила	Чувстви­	Масса, г	Применяемость
датчика	измерения	ное напря­	тока.	тельный
	темпера­	жение, В	А	элемент
	туры, °С
ТМ-100А	40...120	12	0,1	Термо­резистор	50	ГАЗ-31029 «Волга»
ТМ-106	45-140	12	0,25	То же	45	ВАЗ, «Москвич», Иж, ГАЗ-3110 «Волга», ГАЗ-33021 «Газель», ГАЗ-2752 «Соболь»

Датчики давления масла

Рис. 1.5 Гофрированная мембрана:

Р - давление жидкости

Принцип действия. В основе работы датчиков указателей давления масла в системе смазки двигателя (манометров) лежит свойство упругих элементов деформироваться под действием давления жидкости. В качестве упругих элементов используются гофрированные металлические мембраны (рис. 1.5), жестко закрепленные по краю. Перемещение центра мембраны при ее деформации, вызванной изменением давления масла, передается на ползунок реостата (рис. 1.6). Сопротивление в цепи логометрического

указателя давления изменяется, что приводит к отклонению стрелки манометра.

Рис. 1.6. Схема включения датчика давления масла в цепь контрольного прибора:

Чес - напряжение бытовой сети;

У- указатель,

Д - датчик;

Вд - реостат датчика;

П - ползунок реостата;

М – мембрана

Датчики уровня топлива

Принцип действия. В современных датчиках уровня топлива используются чувствительные элементы, представляющие собой полые металлические поплавки цилиндрической формы. Поплавок всегда находится на поверхности топлива. При изменении уровня топлива положение поплавка изменяется, одновременно перемещается ползунок реостата (рис. 1.9), сопротивление в цепи электромагнитного или логометрического указателя уровня топлива изменяется и приводит к отклонению стрелки ука­зателя уровня топлива.

У стройство, работа, характеристики. На легковых автомобилях, как правило, используются логометрические измерители уровня топлива с реостатными датчиками (рис. 1.10). Фланец 1 датчика крепится к топливному баку. К фланцу приварена приемная трубка 2 с сетчатым фильтром 9. Пластмассовый корпус 10 датчика крепится к опорной пластине 3. В корпусе размещены реостат 4, с обмоткой из нихромовой проволоки и неподвижный контакт 5 включе­ния контрольной лампы резерва топлива. Контакт 5 соединен со штекером 11, а нижний конец реостата — со штекером 12.

Рис 1.9 Схема включения датчика топлива в цепь контрольного прибора:

У - указатель, Д и- датчик;

П_д - реостат датчика; П- ползунок реостата;

Пл - поплавок дат­чика

Ползунок 6 реостата установлен на вращающейся оси и связан с подвижным рычагом 7, на конце которого закреплен пластмассовый поплавок 8. Корпус датчика установлен на верхней крышке топливного бака, а рычаге поплавком — внутри. При понижении уровня топлива поплавок с рычагом перемещается вниз, а ползунок по обмотке реостата — в сторону уменьшения сопротивления реостата. В нижнем положении поплавка контакты 5 и 6 замыкаются, и включается сигнальная лампа, оповещающая водителя о снижении уровня топлива до минимального значения и необходимости произвести заправку. Характеристики датчиков уровня топлива приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4. Датчики указателей уровня топлива

Тип датчика	Номинальное напряжение, В	Полное сопротивление реостата. Ом	Длина рычага поплавка, мм	Угол наклона рычага от вертикали при пустом баке, град.	Применяемость
БМ139Д	12	90	97,5	31,5	ГАЗ-ЗЮ29
5412.3827	12	345	164	- 2752	ГАЗ-33021,
11.3827	12	90	147,5	42,0	«Москвич-2141», Иж-2126
582.3827	12	345	115		ГАЗ-3110
24.3827	12	350	95	27,5	ВАЗ-2108, -09,-10 и модификации
БМ150Д	12	350	290	38	ВАЗ-2106, -2107

Рис. 1.10« Датчик уровня топлива:

I - установочный фланец;

2 приемная труба

3 - опорная пластина;

4 - реостат;

5 - контакт включения сигнальной лампы резерва топлива;

6 - ползунок; 7 - рычаг;

8 - поплавок; 9 - сет­чатый фильтр;

10 - корпус; 11, 12 - штекеры

Датчики электронных спидометров

Принцип действия. В датчиках электронных спидометров используется «эффект Холла», названный в честь американского физика Э.Холла, открывшего это явление еще в 1879 г. Если к проводнику или полупроводнику приложено напряжение 1)п (рис. 1.11) и его пронизывает под прямым углом магнитное поле, обладающее индукцией В, то возникает «напряжение Холла» 1)_н, перпендикулярное направлению тока от источника питания 1_П и направлению магнитного поля:

Рис. 1.1¹ Эффект Холла:

11_п, 1п - напряжение и ток источника питания;

В - магнитная индукция;

И - толщина проводника (полупроводника);

1)_{н ВЫХОДНОЕ} НАПРЯЖЕНИЕ

Ын = К_н 1_п В/И,

где: К_н - постоянная Холла; 1_п - ток от источника питания; В - магнитная ин­дукция; И - толщина проводника (полу­проводника).

Из выражения следует, что величина напряжения и_и пропорциональна магнитной индукции В. Если магнитное поле В изменять с частотой, пропорциональной скорости движения автомобиля, то и частота изменения выходного напряжения тоже будет пропорциональна скорости автомобиля. На практике магнитное поле создается неподвижным магнитом, а его изменение — специальным вращающимся экраном с прорезями. При вращении экрана 1 его сегменты 2 и прорези 3 (рис. 1.12) поочередно проходят между магнитом 4 и датчиком Холла 5. Когда между магнитом и датчиком Холла проходит сегмент экрана (рис. 1.12,а), магнитное поле перекрывается и на выходе датчика напряжение минимально . При прохождении между магнитом и датчиком Холла прорези экрана (рис. 1.12,6) на датчик поступает максимальный магнитный поток, и на выходе напряжение становится максимальным. Таким образом, при вращении экрана со скоростью, пропорциональной скорости движения автомобиля, на выходе датчика Холла появляются импульсы напряжения 1)_и (рис. 1.12, в), частота следования которых пропорциональна скорости автомобиля.

Рис 1.12. Принцип работы датчика спидометра:

а - прохождение между магнитом и датчиком сегмента экрана; б - прохождение между магнитом и датчиком прорези экрана; в - изменение выходного напряжения датчика при вращении экрана;

1. - экран; 2 - сегмент экрана; 3 - прорезь экрана; 4 - магнит; 5 - датчик Холла с элементами уси­ления и преобразования выходного напряжения; 11_п - напряжение источника питания; 11_н - выход­ное напряжение; Т - период следования импульсов датчика Холла; I - частота следования импуль­сов; У_а - скорость автомобиля