4. Датчики в автомобиле и в бытовых приборах

Согласно зарубежному анализу, около 40% западноевропей­ского рынка датчиков приходится на автомобильные дат­чики. Такая аномально большая доля в общем рынке свидетельствует о значении, которое придается этому виду датчиков. Предельные цены для такого рода датчиков (имеющих по­грешность измерений 1…3%) составляют примерно 10…15 евро.

К областям применения таких детекторов отно­сятся:

• датчики систем управления и регулировании привода, а также таких отдельных систем автомо­биля, как рулевое управление, тормоза, электроника кузова;

• датчики для обеспечения безопасности и на­дежности, например в системе защиты пассажиров, в системе блокировки и в противоугонной системе;

• датчики диагностики и контроля расходных материалов, освещения, тормозов и системы охлаж­дения;

• датчики для получения информации о расходе топлива, о наружной температуре и маршруте.

Физическими параметрами, измеряемыми с по­мощью этих датчиков, являются: температура, давле­ние, скорость вращения, перемещение или угол, рас­ход, усилие или момент, ускорение, влажность, пар­циальное давление (концентрация).

Требования, предъявляемые к указанным датчи­кам в отношении воздействия окружающей среды, чрезвычайно высоки, так как на чувствительные эле­менты могут влиять толчки, вибрации, нагрев, охлаж­дение, погодные условия, грязь, солевой туман и элек­трические помехи. Виды воздействий и возникающие в результате эффекты представлены в табл. 6.2 и 6.3.

Таблица 6.2

№	Воздействие окружающей среды	Типичное проявление
	Температура (жара, холод)	Старение, охрупчивание
	Колебания температуры	Усталость, образование трещин
	Влажность воздуха (с образо­ванием росы и тумана)	Короткие замыкания, поверх­ностная и контактная коррозия
	Осадки (дождь, снег, гололед, иней)	Электролиз, разбухание
	Давление (воздух, вода)	Функционирование
	Песок, пыль	Короткие замыкания
	Солнечное излучение	Старение, образование трещин
	Агрессивные вещества (NaCl, SO2, H2S)	Поверхностная и контактная коррозия
	Плесень	Короткие замыкания

Таблица 6.3

№	Вещество	Воздействие
	Солевой раствор, солевой ту­ман (дорожная соль, морское побережье)	Электролиз, контактная и по­верхностная коррозия
	Диоксид серы (индустриаль­ный климат)	Поверхностная коррозия
	Аммиак	Межкристаллитная коррозия (латунь)
	Влажность, конденсат	Утечки тока через короткие замыкания, уменьшение сопро­тивления изоляции
	Топливные пары, топливо	Поверхностная коррозия, раз­бухание
	Тормозная жидкость	Поверхностная коррозия, раз­бухание
	Аккумуляторная кислота	Поверхностная и контактная коррозия
	Двигательное масло	Разбухание

При изготовлении датчиков для автомобильной электроники все в большей мере применяют современные технологии, обеспечивающие экономичное из­готовление датчиков минимальных размеров (табл. 6.4).

Таблица 6.4

№	Измеряемый параметр	Принцип действия датчика
	Скорость вращения (число оборотов)	Гальваномагнитные эффекты (эффект Холла, магниторезистивный эффект) эффект Виганда, электромагнитная индукция
	Перемещение, угол	Короткозамкнутое кольцо, короткозамкнутый дисковый датчик, потенциометр
	Температура	Тонкослойные металлические датчики, полупроводниковый (кремниевый) датчик
	Расход	Нагреваемая спираль или фольга, турбинное колесо (топливо), шарико­вый циркуляционный датчик
	Давление	Пьезорезистивные полупроводниковые датчики давления, мембранные ячей­ки (с холловским сигналом, тонко­слойные тензодатчики, емкостные датчики), толстослойные датчики давления
	Момент	Магнитоупругий датчик (тордуктор), датчик, основанный на принципе вих­ревых токов, оптический датчик
	Ускорение	Пружинно-инерционная система с тензодатчиками (фольга, тонкие слои), пьезоэлектрический датчик, пьезорезистивный полупроводниковый датчик (монолитный)
	Концентрация кислорода	Диффузионный зонд из диоксида цир­кония

	1	– на­греваемый резистор (элементы 1…3 на полиамидной пленке);
	2	– ненагреваемый резистор сравнения;
	3	– цепи проводников и контактов;
	4	– каркас с выемками (5);
	6	– трубопровод.

Рис. 6.8. Конструкция резистивного массового расходомера в тонкопленочном исполнении для измерения подачи воздуха в ав­томобиль (а) и пленочная структура измерительного и сравни­тельного (температурная компенсация) резисторов (б)

На рис. 6.8 показано принципиальное устройство чувствительного элемента датчика количества воз­духа, предназначенного для применения в автомо­биле. В данном случае речь идет о резистивном из­мерителе расхода, изготовленном методом пленочной технологии. Характеристика датчика при расходе воздуха от 0 до 100 л/с приведена на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Характеристика чувствительности датчика расхода

Для уменьшения содержания в выхлопных газах оксидов азота и углерода все шире применяются катализаторы в сочетании с регулировкой воздушного числа λ. Это число определяет оптимальное соотно­шение топлива и воздуха в рабочей смеси, при ко­тором происходит наиболее полное сгорание топлива и повышается эффективность действия катализатора.

Рис 6.10. Конструкция (вверху) и характеристика (внизу) λ-зонда фирмы Bosch:

Pо₂ (1) — парциальное давление кислоро­да в окружающем воздухе;

Ро₂ (а) — парциальное давление кисло­рода в выхлопных газах.

Для определения λ применяется диффузионный зонд на основе диоксида циркония, напряжение сигнала которого резко изменяется при λ = 1 (рис. 6.10).

Такой λ-датчик состоит из твердого электролита (ZrО₂), имеющего снаружи и изнутри платиновое покрытие, выполняющее роль электродов. Измеряемое между этими электродами напряжение зонда за­висит от разности парциальных давлений кислорода в окружающем воздухе (внутри зонда) и в выхлоп­ных газах.

В бытовой технике количество датчиков близко к числу применяемых в автомобильной электронике.

Распределение датчиков по частоте применения иллюстрируется гистограммой на рис. 6.11. Наиболь­шая доля в указанном ассортименте приходится на жидкостные регуляторы теплового расширения (тем­пература), биметаллические переключатели (темпе­ратура) и датчики давления.

В таблицах 6.5…6.10 представлены некоторые изме­ряемые параметры и типы датчиков для различных бытовых приборов.

Кроме этих обычных чувствительных элементов и датчиков, в бытовых приборах все более широко при­меняются самые современные датчики, позволяющие, например, оценивать степень готовности или уровень обжаривания жаркого.

Таблица 6.5