датчик импульсов что это

Что из себя представляет импульсный датчик положения распредвала (ДПРВ)

Доброго времени суток Уважаемые читатели.

Сегодня решил я написать про импульсный датчик положения распредвала, что он из себя представляет и как понять рабочий ли он…

И так:
Датчик положения распредвала является интегральным датчиком, включающим чувствительный элемент и вторичный преобразователь сигнала.
Чувствительный элемент выполнен на основе магниторезистивного эффекта, который заключается в изменении электрического сопротивления при воздействии (изменении) слабого магнитного поля.
Вторичный элемент содержит мостовую схему, операционный усилитель и выходной каскад, выполненный в виде открытого коллектора.
При появлении штифта-отметчика датчик формирует сигнал низкого уровня, близкий к массе.

Гибель» датчика положения распредвала неопытному ремонтнику без диагностического оборудования обнаружить весьма сложно. Хотя двигатель и работает в нештатном режиме попарно-параллельной подачи топлива, когда каждая форсунка срабатывает в два раза чаще (один раз за каждый оборот коленвала) — определить это на слух пытаться не стоит. Выхлоп теряет былую чистоту, но поймать увеличение токсичности удается только замерами по ездовому циклу. Понять, что мотор нездоров, можно по возросшему расходу топлива. Еще один признак неисправности — сбои в работе системы самодиагностики. К другим неприятным для двигателя последствиям отказ датчика распредвала привести не должен…

НАИБОЛЕЕ ЧАСТЫМИ НЕИСПРАВНОСТЯМИ ДАТЧИКА ПОЛОЖЕНИЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО ВАЛА (ДПРВ) ОТНОСЯТСЯ:

Способы проверки исправности цепи датчика.

1. Проверьте подключение датчика к жгуту проводов.
2. Если подключение датчика к розетке жгута проводов нормальное, то отсоедините от датчика розетку жгута проводов и проверьте наличие воды в его соединителе. При необходимости вытряхните воду из вилки и розетки соединителя датчика, очистите контакты от грязи.
3. Внимательно осмотрите целостность кабеля датчика и его оболочки. Возможно повреждение кабеля. (кстати наиболее распространенная причина неисправности ДПРВ, т.к. он расположен в непосредственной близи с двигателем, от его температуры изоляция проводов пересыхает и рассыпается, и как следствие происходит замыкание).
4. Проверьте сопротивление вторичных обмоток катушек зажигания—оно должно быть в пределах 13 кОм.

По большому счету по аналогичному принципу работает и датчик положения коленвала ДПКВ.

Надеюсь кому-нибудь данная статья окажется полезной.
Всем спасибо за внимание, буду рад Вашим отзывам и критике.

Источник

Бесконтактная система зажигания. Установка на автомобили ВАЗ 01-07

Бесконтактная система зажигания является конструктивным продолжением контактно-транзисторной системы зажигания. В данной системе зажигания контактный прерыватель заменен бесконтактным датчиком. Бесконтактная система зажигания стандартно устанавливается на ряде моделей отечественных автомобилей, а также может устанавливаться самостоятельно вместо контактной системы зажигания.

Применение бесконтактной системы зажигания позволяет повысить мощность двигателя, снизить расход топлива и выбросы вредных веществ за счет более высокого напряжения разряда (30000В) и соответственно более качественного сгорания топливно-воздушной смеси.

Бесконтактная система зажигания имеет следующее устройство:
— источник питания;
— выключатель зажигания;
— датчик импульсов;
— транзисторный коммутатор;
— катушка зажигания;
— распределитель;
— центробежный регулятор опережения зажигания;
— вакуумный регулятор опережения зажигания;
— провода высокого напряжения;
— свечи зажигания.

Схема бесконтактной системы зажигания

В целом устройство бесконтактной системы зажигания аналогично контактной системе зажигания, за исключением следующих устройств: датчика импульсов и транзисторного коммутатора.

Датчик импульсов предназначен для создания электрических импульсов низкого напряжения. Различают датчики импульсов следующих типов:
— датчик Холла;
— индуктивный датчик;
— оптический датчик.

Наибольшее применение в бесконтактной системе зажигания нашел датчик импульсов использующий эффект Холла (возникновение поперечного напряжения в пластине проводника с током под действием магнитного поля). Датчик Холла состоит из постоянного магнита, полупроводниковой пластины с микросхемой и стального экрана с прорезями (обтюратора).

Прорезь в стальном экране пропускает магнитное поле и в полупроводниковой пластине возникает напряжение. Стальной экран не пропускает магнитное поле, и напряжение на полупроводниковой пластине не возникает. Чередование прорезей в стальном экране создает импульсы низкого напряжения.

Датчик импульсов конструктивно объединен с распределителем и образуют одно устройство – датчик-распределитель. Датчик-распределитель внешне подобен прерывателю-распределителю и имеет аналогичный привод от коленчатого вала двигателя.

Транзисторный коммутатор служит для прерывания тока в цепи первичной обмотки катушки зажигания в соответствии с сигналами датчика импульсов. Прерывание тока осуществляется за счет отпирания и запирания выходного транзистора.

Принцип работы бесконтактной системы зажигания
При вращении коленчатого вала двигателя датчик-распределитель формирует импульсы напряжения и передает их на транзисторный коммутатор. Коммутатор создает импульсы тока в цепи первичной обмотки катушки зажигания. В момент прерывания тока индуцируется ток высокого напряжения во вторичной обмотке катушки зажигания. Ток высокого напряжения подается на центральный контакт распределителя. В соответствии с порядком работы цилиндров двигателя ток высокого напряжения подается по проводам высокого напряжения на свечи зажигания. Свечи зажигания осуществляют воспламенение топливно-воздушной смеси.

При увеличении оборотов коленчатого вала регулирование угла опережения зажигания осуществляется центробежным регулятором опережения зажигания.

При изменении нагрузки на двигатель регулирование угла опережения зажигания производит вакуумный регулятор опережения зажигания.

Подготовка и установка:
Готовимся к установке – дрель, сверло и пара саморезов ( для катушки в моторном отсеке предусмотрены стандартное место крепежа, а вот коммутатор придется крепить самостоятельно), рожковый ключ на 13, накиданные или торцовые ключи на 8 и 10. Для того, чтобы поставить двигатель на метку «ВМТ» понадобиться ключ на 38.

Источник

FAQ по датчикам и исполнительным механизмам (часть 1)

Здесь описаны датчики и исполнительные механизмы применяемые в ЭСУД. Кратко описан принцип действия и методы проверки, без применения спец. и диагностического оборудования, если это возможно. Доступные каждому, кто имеет мультиметр и\или БК.
Датчики
1. ДМРВ На автомобилях семейства ВАЗ-2110 устанавливаются датчики массового расхода воздуха термоанемометрического типа.

Чувствительный элемент датчика представляет собой тонкую пленку, на которой расположено несколько температурных датчиков и нагревательный резистор. В середине пленки находится область подогрева, степень нагрева которой контролируется с помощью температурного датчика. На поверхности пленки со стороны потока воздуха и с противоположной стороны симметрично расположены еще два термодатчика, которые при отсутствии потока воздуха регистрируют одинаковую температуру. При наличии потока воздуха первый датчик охлаждается, а температура второго остается практически неизменной, вследствие подогрева потока воздуха в зоне нагревателя. Дифференциальный сигнал обоих датчиков пропорционален массе проходящего воздуха. Электронная схема датчика преобразует этот сигнал в постоянное напряжение, пропорциональное массе воздуха.Важно, чтоб датчик оставался в чистоте, так-как загрязнение вызовет искажение показаний датчика.Так-же он требователен к качеству фильтрации всасываемого воздуха, так-как попавшая пыль, пролетая через датчик, режет плёнку чувствительного элемента. Что приводит к безвозвратному выходу датчика из строя.
Устанавливается датчик здесь…

Итак о проверке…
Проверка заключается в измерении напряжения покоя датчика, то-есть напряжения, которое выдаёт датчик, при включённом зажигании, но не запущенном двигателе. Измерение можно проводить как с помощью БК, так и с помощью обычного мультиметра. Лучше конечно если мультиметр будет не самый дешевый и китайский.
Если установлен БК, нужно посмотреть параметры каналов АЦП(аналого-цифрового преобразователя).Для проверки ДМРВ мультиметром, аккуратно прокалывая проводку разъёма датчика, измеряем напряжение между 3(масса ДМРВ) и 5(сигнал) контактами.

Показания должны быть 0,996В-для нового, 1,07-для убитого датчика.

2. Датчик кислорода(ДК) или Лямбда-Зонд.

Чувствительный элемент датчика кислорода находится в потоке отработавших газов.При достижении датчиком рабочих температур, превышающих 360 град. С, он начинает генерировать собственную ЭДС, пропорциональную содержанию кислорода в отработанных газах. На практике, сигнал ДК представляет собой быстро изменяющееся напряжение, колеблющееся между 500 и 900 милливольт. Изменение напряжения вызвано тем, что система управления постоянно изменяет состав смеси вблизи точки стехиометрии(идиальной пропорции воздух-топливо, 14,7кг воздуха на 1 кг топлива), сам ДК не способен генерировать какое-либо переменное напряжение, а лишь изменяет опроное. Для ускорения прогрева датчика до рабочей температуры он снабжен электрическим нагревательным элементом.
Устанавливается датчик либо так…

( коллектор А-21124;Коллектор В-21114)
На двигателях с экологическими нормами Евро-3 устанавливаются два ДК, один до катализатора, другой после.Второй датчик служит для контроля работы катализатора…

Метод проверки заключается в том, что при прогретом двигателе, с помощью мультиметра(лучше аналогового-стрелочного) наблюдается изменение напряжения.Если изменений нет, при исправных цепях и прогреве датчика, а напряжение лежит выше или ниже указаного предела, то датчик «отравлен» и подлежит замене.Так-же следует учесть, что многие дешевые мультиметры, обладают большой инерционностью и не позволят произвести точное измерение из-за часто меняющегося напряжения(аналоговый(стрелочный) мультиметр сдесь выигрывает).Но изменение контролировать удастся…
3. Датчик температуры охлаждающей жидкости(ДТОЖ)
Датчик температуры охлаждающей жидкости представляет собой термистор, т.е. резистор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Термистор, расположенный внутри датчика имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, т.е. при нагреве его сопротивление уменьшается.

Проверка производится с применением градусника.Нагревая и охлаждая датчик, например в воде, измеряем сопротивление датчика и сравниваем с данными в таблице, приведённой ниже и показаниями контрольного градусника.
Приблизительная зависимость сопротивления от температуры:
Температура грС—Сопротивление Ом
100—177
90—241
80—332
70—467
60—667
50—973
45—1188
40—1459
30—2238
25—2796
20—3520
15—4450
10—5670
5—7280
0—9420
-5—12300
-10—16180
-15—21450
-20—28680
-30—52700
-40—100700
4.Датчик положения дроссельной заслонки(ДПДЗ)

Установлен сбоку на дроссельном патрубке и связан с осью дроссельной заслонки.

Датчик представляет собой потенциометр, на один конец которого подаётся плюс напряжения питания (5 В), а другой конец соединен с массой.С третьего вывода потенциометра(от ползунка) идёт выходной сигнал к контроллеру.Когда дроссельная заслонка поворачивается(от воздействия на педаль управления), изменяется напряжение на выходе датчика.При закрытой дроссельной заслонки оно ниже 0.7 В.Когда заслонка открывается, напряжение на выходе датчика растёт и при полностью открытой заслонки должно быть более 4 В.Отслеживая выходное напряжение датчика контроллер корректирует подачу топлива в зависимости от угла открытия дроссельной заслонки(т.е. по вашему желанию).Датчик положения дроссельной заслонки не требует никакой регулировки, т.к. контроллер самостоятельно определяет минимальное напряжение датчика и принимает его за нулевую отметку.
К сожалению без применения осциллографа не возможно определить состояние датчика, но можно хотя-бы проверить функционирование датчика.
При плавном нажатии на педаль газа, на БК должно меняться процентное открытие заслонки(0% открытия-1%-2%-3% и так далее), а при измерении напряжения на разъёме датчика,

между контактами 1(масса датчика) и 2(сигнал ДПДЗ), напряжение должно меняться плавно без скачков.Если на БК происходит перескакивание % открытия(1%-2%-8%-3%), а на мультиметре просходят скачки напряжения, стоит задуматься о его замене…
5.Датчик положения коленчатого вала(ДПКВ)
ДПКВ, самый важный датчик ЭСУД.Система управления может функционировать без любого датчика, кроме ДПКВ.Если он неисправен двигатель не запустится.

ДПКВ подаёт в контроллер сигнал частоты вращения и положения коленчатого вала.Этот сигнал представляет собой серию повторяющихся электрических импульсов напряжения, генерируемых датчиком при вращении коленчатого вала.На базе этих импульсов контроллер управляет форсунками и системой зажигания.

ДПКВ установлен на крышке масляного насоса

на расстоянии около 1+0,4мм от задающего диска (шкива, репера) коленчатого вала.

Шкив коленчатого вала имеет 58 зубцов расположенных по окружности.Зубцы равноудалены и расположены через 6°.Для генерирования «импульса синхронизации» два зуба на шкиве отсутствуют.При вращении коленчатого вала зубцы диска изменяют магнитное поле датчика, создавая наведенные импульсы напряжения.По импульсу синхронизации от датчика положения коленчатого вала, контроллер определяет положение и частоту вращения коленчатого вала и рассчитывает момент срабатывания форсунок и модуля зажигания.Провод ДПКВ защищён от помех экраном, замкнутым на массу через контроллер.Датчик ПКВ — полярный прибор — при нарушении проводки следует подключать соблюдая полярность.В «обратном» включении двигатель не заведется.
Доступный метод проверки заключается в измерении сопротивления обмотки датчика, оно должно лежать в пределах 550-750 Ом.Если есть отклонения, следует заменить его.
Так-же на датчике не должно быть примагниченных частиц металла, грязи и масла.
И личный совет:«Возите с собой запасной датчик».
6. Датчик скорости автомобиля(ДС)

Принцип действия датчика скорости основан на эффекте Холла.Датчик выдаёт на контроллер импульсы напряжения с частотой, пропорциональной скорости вращения ведущих колёс.Все датчики 6-ти импульсные, то есть выдают 6 импульсов за один оборот своей оси.Сигнал датчика скорости используется системой управления для определения порогов отключения подачи топлива, а также для электронного ограничения скорости автомобиля (в последних системах управления).
Устанавливать привод спидометра в тех моделях, где он есть, в коробку передач нужно очень аккуратно, при малейшем перекосе сомнутся пластмассовые зубья ведущей шестерни привода спидометра и разборка коробки передач неизбежна.
К сожалению, произвести проверку ДС, без спец. средств не возможно.С помощью БК и штатного спидометра можно лишь контролировать его работу.Не должно быть сильных скачков скорости при движении.Скачки могут быть вызваны как самим неисправным датчиком, так и механизмом его привода.
7.Датчик фаз(ДФ)

Датчик фаз (ДФ) раньше применяется только на 16-ти клапанном двигателе 2112 и 8-кл. двигателе 2111 с нормами токсичности Евро-3 (экспортные версии автомобилей), в которых установлена система последовательного распределённого впрыска топлива или фазированного впрыска.С конца 2004 — начало 2005 гг. и до снятия с производства семейства ВАЗ 2110, в связи с ужесточением норм токсичности ДФ устанавливались на подавляющее большинство новых автомобилей с двигателями 2111, 2112, 21114, 21124 с блоками управления впрыском Bosch M7.9.7 и Январь 7.2.
Датчик фаз устанавливается на двигателе ВАЗ-2112 в верхней части головки блока цилиндров за шкивом впускного распредвала.На шкиве впускного распредвала расположен задающий диск с прорезью.Прохождение прорези через зону действия датчика фаз соответствует открытию впускного клапана первого цилиндра.Контроллер посылает на датчик фаз опорное напряжение 12В.Напряжение на выходе датчика фаз циклически меняется от значения близкого к 0(при прохождении прорези задающего диска впускного распредвала через датчик) до напряжения близкого напряжению АКБ(при прохождении через датчик кромки задающего диска).Таким образом при работе двигателя датчик фаз выдает на контроллер импульсный сигнал синхронизирующий впрыск топлива с открытием впускных клапанов.
Проверку мультиметром произвести не удастся, нужен осциллограф.Так-же как и на ДПКВ, на ДФ не должно быть металлических частиц и сильных загрязнений за исключением масла.
ДФ на двигателе 2111 устанавливается так:

А на двигателе 2112 вот здесь:

8. Датчик детонации(ДД)
Датчик Детонации (ДД) служит для обнаружения детонационных ударов в ДВС и расположен на блоке цилиндров.Конструктивно датчик представляет собой пьезокерамическую пластину в корпусе.Существует две разновидности ДД — резонансные и более современные широкополосные.

В настоящее время резонансные ДД не устанавливаются серийно.
ДД, при работе двигателя, за счёт пьезо элемента генерирует импульсы, которые ЭБУ отфильтровывает по заложенному в нём алгоритму.При возникновении детонации, ЭБУ фиксирует сигналы с ДД и «заваливает» УОЗ, чтоб предупредить воздейсвие детонационных явлений на детали двигателя.
Проверка датчика на работоспособность производится путём подключении к выводам датчика мультиметра в режиме измерения милливольт и легкими постукиваниями по сердцевине датчика.При этом регистрируются скачки напряжения.
Обычно ДД крепится на блоке цилиндров болтом, но проведённые эксперименты говорят о том, что для крепления датчика лучше использовать шпильку.Так шумы лучше передаются в датчик.Момент затяжки датчика 1.6-2.2 кг.
9. Датчик неровной дороги(ДНД)
Датчик неровной дороги,

работает на основе пьезо-эффекта.При прохождении автомобилем неровностей генерирует импульсы и посылает их в ЭБУ.Устанавливается на автомобили с экологическими нормами Е-3 и выше.Суть его работы в том, что при прохождении автомобилем неровностей образуется неравномерность вращения коленчатого вала автомобиля, которые могут регистрироваться ЭБУ как пропуски воспламенения.Эбу отключит подачу топлива в цилиндр, который якобы в тот момент имел пропуск воспламенения, и двигатель «затроит».Чтоб не допустить ложных срабатываний системы диагностики пропусков, в ЭСУД был введён этот датчик.И эбу сверяя сигнал с ДНД и неравномерность вращения делает правильный вывод, произошел пропуск или нет.Датчик устанавливается на правой(по ходу автомобиля) стойке и прикручивается под гайку крепления верхней опоры.

Источник

Датчики и микроконтроллеры. Часть 1. Матчасть

В этом цикле я расскажу о датчиках — как о немаловажном элементе системы управления неким объектом или тех. процессом.

Все свое повествование я буду вести касаемо практических вопросов реализации цифровых систем управления на базе микроконтроллеров.

Введение

В системе управления технологической установкой снятие текущих показаний некоторой величины — температуры, влажности, давления, уровня жидкости, напряжения, тока и проч. осуществляется с помощью датчиков — устройств и механизмов, предназначенных для преобразования сигнала внешнего воздействия в форму, понятную системе управления. Например, датчик влажности генерирует электрический сигнал, пропорциональный текущему значению влажности воздуха.

Как правило, датчики используются не сами по себе, а входят в состав системы управления, обеспечивая сигнал обратной связи.

Рисунок 1. Типовая схема замкнутой системы регулирования
На рисунке 1 представлена типовая схема системы регулирования. Имеется сигнал задания Xз, который сравнивается с сигналом на выходе, получаемым с помощью датчика, имеющего передаточную функцию Wд(p). Ошибка управления подается на регулятор, который, в свою очередь, формирует сигнал управления исполнительным узлом, формирующим выходной сигнал Y.[1]

Простой пример — центробежный регулятор частоты вращения двигателя, где датчиком является платформа с шарами, которая, вращаясь, устанавливает то или иное положение топливной рейки. Заслонка, управляемая этой рейкой, регулирует количество топлива, подаваемое на двигатель. Сигналом задания будет являться требуемое значение скорости.

1.1 Классификация датчиков

Следует отметить, что в литературе встречается и альтернативный вариант классификации, когда Генераторные датчики определяются как Активные, а Параметрические — как Пассивные. Здесь и далее я руководствуюсь вариантом согласно справочнику Фарйдена.

2 Характеристики датчиков

Большинство датчиков имеют сложную процедуру преобразования измеряемой величины в электрический сигнал. Например, в тензорезисторном датчике давления измеряемая величина воздействует на чувствительный элемент, изменяя его сопротивление. После подачи сигнала возбуждения, падение напряжения на резисторе позволит косвенно определить его сопротивление и, на основании зависимости сопротивления от давления, вычислить измеряемую величину.

Для разработчика датчик представляет собой черный ящик с известными соотношениями сигналов между входами и выходами.

2.1 Диапазон измеряемых и выходных значений

Диапазон измеряемых значений показывает, какое максимальное значение входного сигнала датчик может преобразовать в выходной электрический сигнал, не выходя за пределы установленных погрешностей. Данные цифры всегда приводятся в спецификации на датчик, одновременно отображая возможную точность измерений в том или иной диапазоне.

Следует понимать, что одни датчики при подаче входного сигнала больше максимальных значений просто войдут в насыщение и будут возвращать неверные данные. Другие же датчики (например датчики температуры) могут выйти из строя. В дальнейшем, для каждого типа датчика будут даны свои рекомендации.

Диапазон выходных значений датчика — это минимальное и максимальное напряжение, которое датчик способен выдать при минимальном и максимальном внешнем воздействии. Так как мы рассматриваем датчики, преобразующие входной сигнал в электрический, то диапазон выходных значений датчика будет определяться в вырабатываемом им напряжении, или пропускаемом через него токе. Одной из наших задач при подключении датчика будет согласование выходного диапазона датчика со входным диапазоном измерительного тракта.

2.2 Передаточная функция — статические и динамические характеристики

При работе с датчиком требуется знать соотношение уровней сигналов на входе и выходе. Отношение Wд(p) = Y(p)/X(p) в операторном виде является передаточной функцией датчика и однозначно определяет характеристики датчика в статике и динамике.

Уравнение Y(p) = Wд(p)*X(p) в реальной плоскости, т.е. функция Y = f(x) будет являться статической характеристикой
Статическая характеристика может быть линейно и будет определяться как:
(1)
Где a – наклон прямой, определяемый чувствительностью датчика и b – постоянная составляющая(т.е. уровень выходного сигнала при отсутствии сигнала на входе)

Рисунок 2. Линейная зависимость

Помимо датчиков с линейной зависимостью, могут быть датчики с логарифмической зависимостью, с уравнением вида
(2)
Экспоненциальной:
(3)
Или степенной:
(4)
Где k – постоянное число.
Существуют датчики с более сложной характеристикой. Но на то есть документация.

Однако, передаточная функция раскрывает и то, какими свойствами обладает датчик в динамике, т. е. насколько быстро и точно отрабатывает датчик выходной сигнал при быстром изменении входной величины. Практически каждый реальный датчик имеет в себе накопитель энергии — конденсатор, массу и т. п. Рассмотрим поведение датчика, динамические характеристики которого описываются уравнением первого порядка:

(5)
В теории автоматического управления существует два тестовых входных сигнала. Это единичная функция — подача в нулевой момент времени единицы, и дельта-функция — подача сигнала бесконечной амплитуды и бесконечно малой длительности.

Рисунок 3. Единичная и дельта функции

Безынерционный, то бишь идеальный датчик в точности повторит форму входного сигнала. Реальный датчик, описанный формулой (5) выдаст следующую реакцию:

Рисунок 4. Реакция апериодического звена первого порядка на тестовые сигналы

Следует отметить, что значение на выходе датчика будет соответствовать поданному на входе только после завершения переходного процесса, которое будет длиться 3-4τ, где τ — постоянная времени нашего звена. При t=1τ, выходное значение достигнет

Нетрудно посчитать, что при t = 2τ выходное значение составит 86%, а при t = 3τ — 95% и переходный процесс будет считаться завершенным.

Таким образом нужно понимать, что, например, тот же датчик температуры будет реагировать на изменение температуры окружающей среды с некоторым запаздыванием из-за того, что между датчиком и окружающей средой имеется корпус, который должен поглотить тепло и нагреться. На это требуется время.

Разумеется, инерционные датчики могут описываться более сложными уравнениями, например представляться апериодическими звеньями второго порядка, иметь задержку реакции и т. д. Особенности поведения таких звеньев подробно описаны в [1].

2.3 Точность, нелинейность

Одной из важных характеристик датчика является его точность в диапазоне измеряемых величин. Выходной сигнал датчика соответствует значению измеряемой величины с некоторой достоверностью, называемой погрешностью.

Например, датчик температуры имеет точность ±2 градуса. Это означает, что при реальной температуре измеряемого объекта в 100 градусов, допустимые показания данного датчика температуры находятся в пределах 98 – 102 градусов.
Погрешность датчика бывает разной.

Различают аддитивную и мультипликативную погрешность.

Аддитивная погрешность постоянна во всем диапазоне измерений.

Рисунок 5. Аддитивная погрешность

Мультипликативная линейно зависит от уровня измеряемой величины:

Рисунок 6. Мультипликативная погрешность

Кроме того, существует нелинейность датчика в измеряемом диапазоне. В зависимости от текущего диапазона измерения, коэффициент наклона передаточной функции изменяется в некоторых пределах. При этом, в спецификации указываются либо кривые изменения точности по диапазону, либо худшие показатели нелинейности в том или ином диапазоне.

Рисунок 7. нелинейность датчика

Кроме того, некоторые датчики имеют эффект гистерезиса, когда для одного и того же входного сигнала после возрастания и убывания значения выходного сигнала получаются разными. Типичной причиной гистерезиса является трение и структурные изменения материалов. Наибольшему эффекту гистерезиса подвержены датчики на основе ферромагнитных материалов.

Для повышения точности и компенсации аддитивной и мультипликативной погрешности может производиться процесс калибровки датчика. Например, для линейного датчика необходимо с заведомо известной точностью определить показания в двух точках, находящиеся на разных концах рабочего диапазона. Для некоторых датчиков данные калибровки могут приводиться в паспорте на каждый конкретный экземпляр. Для проведения процедуры калибровки можно воспользоваться более точной аппаратурой, можно воспользоваться эталоном (например черное тело, эталонный килограмм и т. п.). Точность после калибровки естественно не сможет превышать точность эталона.

2.4 Чувствительность датчика, разрешающая способность и мертвая зона

Мертвая зона датчика — это нечувствительность датчика в определенном диапазоне входных сигналов. В пределах этой зоны выходные показания некорректны.

Для примера на рисунке 2 показания выходной величины для всех значений от 0 до x0 не определены. Такой особенностью грешат, например, некоторые датчики тока, имеющие нулевое напряжение на выходе при токах меньших, к примеру, 10мА.

Во всем остальном диапазоне имеет место определенная чувствительность датчика, т. е. насколько силен прирост выходного сигнала на изменение входного сигнала. т. е. чувствительность определяется следующей формулой:

Для линейного датчика, чувствительность будет постоянной на всем измеряемом диапазоне.

Разрешающая способность показывает, насколько малое изменение измеряемой величины способно вызвать изменение выходного сигнала. Например, какой-нибудь инкрементальный датчик положения имеет разрешающую способность в 1 градус. Аналоговые датчики обладают бесконечно большим разрешением, так как в их выходном сигнале нельзя определить отдельных ступеней его изменения.

3 Способ подключения датчиков

В зависимости от типа датчика, подключается он к измерительному тракту по-разному.

Подключение пассивного датчика

Так как пассивный датчик без посторонней помощи в ответ на внешнее воздействие самостоятельно вырабатывает для нас электрический сигнал, нам этот сигнал нужно считать.
В зависимости от того, будет ли наш датчик источником тока или источником напряжения, способ подключения будет отличаться.

К примеру, термопара является источником напряжения — напряжение на выходе не зависит от величины выходного тока (в разумных пределах конечно). Наша задача — измерить вырабатываемую ЭДС. Так как измерительный тракт будет иметь некоторое конечное сопротивление, схема подключения будет следующей:

Рисунок 8. Подключение источника напряжения к АЦП

Если Radc будет много больше внутреннего сопротивления r, тогда падение напряжения на нем будет стремиться к нулю и напряжение на входе АЦП будет стремиться к значению ЭДС.
Во второй части я подробно рассмотрю термопару, как один из самых точных и быстродействующих датчиков.
Другой случай, если наш датчик является источником тока, т.е генерируемое им напряжение зависит от пропускаемого через нагрузку тока.

Подключение датчика аналогично:

Рисунок 9. Подключение источника тока к АЦП
Однако, сопротивление нагрузки источника тока теперь должно стремиться к нулю. Для этого, датчик шунтируется резистором необходимого сопротивления, превращая тем самым, источник тока в источник напряжения:

Рисунок 10. Правильное подключение источника тока к АЦП

Сопротивление резистора Rш рассчитывается как частное от деления максимального напряжения, подаваемого на вход АЦП на максимальный ток, который способен выдать датчик

Наиболее яркий представить такого датчика — датчик тока.

ВНИМАНИЕ: датчики, имеющие схему замещения в виде источника тока, следует обязательно шунтировать сопротивлением и не допускать обрыва цепи шунтирования при наличии сколь угодно малого входного воздействия. В противном случае, тот же датчик тока генерирует на свободных клеммах вторичной обмотки напряжение в киловольты до пробоя схемы измерения или самого датчика. Современные датчики тока тестируют на напряжении 1кВ и более, так что получить на выходе 2-3кВ, а еще попасть в них пальцем — не самая сложная задача.

Подключение активного датчика

Рассмотрим активные датчики, представляющие собой переменное сопротивление. В частности это терморезисторы, тензорезисторы и прочие подобные датчики. Чтобы сопротивление датчика измерить, его необходимо подключить к источнику тока и определить падение напряжения на нем:

Рисунок 11. Подключение датчика к нерегулируемому источнику тока

Источник тока вырабатывает ток постоянного значения известной величины. Тогда, выходное напряжение будет определяться по формуле:
(7)

Например, рассчитаем выходное значение напряжения при токе источника 10мА если наш датчик изменяет сопротивление от 0,1кОм до 1 кОм. Тогда максимальное выходное напряжение будет равно
(8)
Что вполне соответствует требуемому значению напряжения для аналоговой системы управления на базе операционных усилителей.

Где взять источник тока? Бывает так что он встроен в сам микроконтроллер. Например в микроконтроллерах ADuCM360/361 есть два встроенных источника тока 0,01-1мА. Правда там у них диагностическая задача — подавая малый ток через цепи датчика можно убедить в его наличии и исправности.

Конечно, нам привычнее использовать источник напряжения с делителем:

Рисунок 12. Подключение датчика к источнику напряжения с делителем

Если говорить на чистоту, то цепочка U-R1 образует тот же самый источник тока, только его параметры зависят от нагрузки — Rд. Напряжение на выходе будет определяться по следующей формуле:

(9)

И тут всплывает главная проблема такого метода — от сопротивления нашего датчика в знаменателе не избавишься никак и показания становятся нелинейными, в отличие, кстати, от первого варианта.

С другой стороны, максимальное выходное напряжение у нас ограничено входными цепями измерительного устройства. Например, на вход микроконтроллера с питанием 5В необходимо подать напряжение, к примеру, не более 2,5В. Отмечу, что если максимально возможное напряжение, подаваемое на вход АЦП меньше напряжения питания, то мы сможем его туда подать.

Если наш датчик изменяет сопротивление от 0,1кОм до 1 кОм, то примем сопротивление резистора R1 равное верхней границе сопротивления датчика. Тогда Uвых сможет изменяться в пределах от 1/11Uвх до 1/2Uвх. В абсолютных цифрах данного примера — от 0,45 до 2,5В. И такими значениями мы используем (2,5-0,45)/2,5 = 82% всего диапазона АЦП, что довольно неплохо.

Еще датчик можно воткнуть в состав измерительного моста и измерять разницу напряжений в его плечах:

Рисунок 13. Датчик в составе измерительного моста
В этом случае мы работаем с дифференциальным АЦП, измеряя разность потенциалов Uab. Она будет равна:
(10)

Причем сопротивление резистора R1 может быть таким, чтобы Uab могло быть и отрицательным. Существуют датчики, внутренняя схема которых уже представляет собой балансный мост с необходимыми характеристиками. Позднее я рассмотрю примеры таких датчиков.

Существуют более удобные в использовании датчики. Они выдают необходимый аналоговый сигнал и без танцев с резисторами. Например, аналоговый датчик влажности HIH-4010-004 — трехвыводной корпус, 5В питание, линейный выход. Подключается это чудо так:

Рисунок 14. Подключение датчика влажности HIH-4010-004

Два провода к источнику опорного напряжения, выход — к АЦП микроконтроллера.

Подключение цифровых датчиков по стандарту 1-Wire

1-Wire это двунаправленная низкоскоростная цифровая шина передачи данных, требующая всего два провода — информационный провод и землю. Шина достаточно проста в использовании, поддерживает паразитное питание устройств от линии и позволяет подключать параллельно множество однотипных устройств вроде датчиков температуры(всеми любимыми DS18B20), или микросхем идентификации (iButton).
Паразитное питание организовывается следующим образом:

Рисунок 15. Паразитное питание устройств шины 1-Wire

А это обычное активное питание устройства, когда до источника рукой подать.

Рисунок 16. Питание устройства 1-Wire от внешнего источника

Количество подключенных параллельно датчиков фактически ограничено лишь параметрами линии.
Возможно горячее подключение и идентификация на ходу. Причем вычислительная сложность алгоритма идентификации O(log n)

Более подробно с этим протоколом мы поработаем во второй части.
А пока, про сам протокол можно почитать по классической ссылке: http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS18B20.pdf

Подключение цифровых датчиков по стандарту I2C(Twi)/SMBus

Если 1-Wire требовала один провод данных, то эта шина, исходя из названия Two-Wire Bus — два.
Один из проводов — SCL будет тактирующим, по второму — SDA, полудуплексом будут передаваться данные.
Шина с открытым коллектором, следовательно обе линии необходимо подтянуть к питанию. Датчик будет подключаться следующим образом:

Рисунок 17. Подключение датчиков по I2C

Общее количество устройств, которые можно подключить к шине I2C — 112 устройств при 7-разрядной адресации. Каждому устройству на деле выделяется два последовательных адреса, младшим битом выставляется режим — на чтение или запись. Есть строгое требование по емкости шины — не более 400пФ.

Общеупотребительные значения скоростей — 100 кбит/сек и 10 кбит/сек, хотя последние стандарты допускают и скоростные режимы в 400 кбит/сек и 3.4мбит/сек.

Шина может работать как с несменяемым мастером, там и с передачей флага.
Огромное количество информации по протоколу можно найти по этой ссылке: http://www.esacademy.com/en/library/technical-articles-and-documents/miscellaneous/i2c-bus.html

Подключение цифровых датчиков по стандарту SPI

Рисунок 18. подключение по SPI и суть передачи

Каждое устройство в цепи содержит свой сдвиговый регистр данных. С помощью сигналов тактирования, спустя 8 тактов содержимое регистров меняется местами, тем самым, осуществляя обмен данными.

SPI — Самый скоростной из представленных интерфейс передачи данных. В зависимости от максимально-возможных частот тактирования скорость передачи данных может составлять 20, 40, 75 мбит/сек и выше.

Шина SPI позволяет подключать устройства параллельно, но здесь возникает проблема — каждому устройству требуется своя линия CS до процессора. Это ограничивает общее количество устройств на одном интерфейсе.
Главная сложность в настройке SPI — это установить полярность сигнала тактирования. Серьезно. Настроить SPI не просто, а очень просто.

Коротко и ясно об SPI с описанием периферийных модулей SPI для AVR и MSP430 можно прочитать здесь http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/interface/spi/index.htm

4 Снятие показаний с датчиков

Пора бы уже прочесть с наших датчиков хоть какую-то информацию.

В зависимости от способа подключения датчика и его типа возможны различные способы снятия показаний. Следует отметить, что некоторые датчики, например цифровые датчики, или датчики состава газа, требуют предварительного запуска режима измерения, который может длиться некоторое время.

Таким образом, процесс измерения состоит из двух тактов — такт измерения данных и такт снятия данных. При организации программы можно пойти по одному из следующих вариантов:

Рисунок 19. Процесс считывания показаний с датчика

Рассмотрим каждый вариант по отдельности и набросаем скелеты:
Вариант 1. запустили режим измерений, подождали, считали.
Вариант притягателен своей простотой, однако за ней кроется проблема — во время ожидания выполнения измерений микроконтроллер нагло простаивает, не выполняя задач. В большинстве систем автоматики такой режим — непозволительная роскошь.

В коде это будет выглядеть следующим образом:

Вариант 2. запустили режим измерений, вернулись к другим задачам, по прошествии времени сработало прерывание, считали данные.
Один из лучших вариантов. Но наиболее сложный:

Выглядит неплохо. позволяет варьировать время между циклами измерений и циклами считывания. например, датчик состава газов должен успеть остыть после предыдущих измерений, либо успеть нагреться во время измерений. Это разные периоды времени.

Вариант 3: Считали данные, запустили новый виток.
Если датчик позволяет после считывания данных запускать новый цикл измерений, то почему бы и нет — сделаем все наоборот.

Отличный способ сэкономить время. и знаете что — такой метод отлично работает и без прерываний. Цифровые датчики хранят вычисленное значение вплоть до отключения питания.А с учетом того, что считывать сигналы с датчика влажности ввиду его инерционности в 15 секунд часто и не требуется, можно и вовсе сделать так:

Может быть и такой вариант, что наш датчик самостоятельно запускает новый цикл измерений и потом с помощью внешнего прерывания он сообщает о завершении измерений. Например, АЦП можно настроить на автоматический режим считывания данных с частотой N Гц. С одной стороны, в обработчике прерывания будет достаточно реализовать только процесс считывания новых данных. С другой стороны, можно воспользоваться прерыванием АЦП с режимом Прямого Доступа к Памяти — ПДП(DMA). В этом случае по сигналу прерывания периферийный модуль АЦП на аппаратном уровне самостоятельно скопирует данные в определенную ячейку памяти в ОЗУ, тем самым обеспечивая максимальную скорость обработки данных и минимальное воздействие на рабочую программу (не надо уходить в прерывание, вызывать обработчик и проч.).

Но использование DMA сильно выходит за рамки данного цикла.

К сожалению, первый метод поголовно используется в библиотеках и примерах для Arduino, не позволяет этой платформе правильно использовать ресурсы микроконтроллера. Зато он проще в написании и отладке.

4.1 Работа с АЦП

Имея дело с аналоговыми датчиками имеем дело с АЦП. В данном случае рассматривается АЦП встроенный в микроконтроллер. Так как АЦП является по сути тем же датчиком — преобразует электрический сигнал в информационный — для него справедливо все что описано выше в разделе 2. Главными характеристиками АЦП для нас являются его эффективная разрядность, чувствительность, опорное напряжение и быстродействие. При этом, выходным значением АЦП преобразования будет некоторое число в выходном регистре, которое необходимо перевести в абсолютное значение в единицах измеряемой величины. В дальнейшем, для отдельных датчиков будут рассмотрены примеры таких расчетов.

4.1.1 Опорное напряжение
Опорное напряжение АЦП — это напряжение, которому будет соответствовать максимальное выходное значение АЦП. Опорное напряжение подается от источника напряжения, как встроенного в микроконтроллер, так и внешнего. От точности этого источника зависит точность показаний АЦП. Типовое опорное напряжение встроенного источника равняется напряжению питания или половине напряжения питания микроконтроллера. Могут быть и другие значения.

Например, таблица возможных значений опорного напряжения для микроконтроллера Atmega1280:

Рисунок 20. Выбор опорного напряжения для АЦП микроконтроллера Atmega1280

4.1.2 Разрядность АЦП и чувствительность
Разрядность АЦП определяет максимальные и минимальные значения в выходном регистре при минимальном и максимальном входном воздействии электрического сигнала.

Следует отметить, что максимальная разрядность АЦП может не соответствовать его эффективной разрядности.
Часть младших разрядов может быть отдана на шум. Обратимся к датащиту на микроконтроллер ADuCM360, имеющему 24-разрядный АЦП с эффективной разрядностью 14 бит:

Рисунок 21. Назначение битов регистра данных АЦП

Как видно из рисунка, в 32-разрядном регистре, часть выделяется на знак, часть на нули и часть на шум. И лишь 14 разрядов содержат данные, имеющие указанную точность. В любом случае, эти данные всегда указываются в документации.

От эффективной разрядности АЦП зависит его чувствительность. Чем больше промежуточных ступеней выходного напряжения, тем выше будет чувствительность.

Допустим, опорное напряжение АЦП Uоп. Тогда, N-разрядный АЦП, имея 2N возможных значений, имеет чувствительность
(11)

Таким образом, для 12-разрядного АЦП и опорного напряжения в 3,3В его чувствительность составит 3,3/4096 = 0,8мВ

Так как наш датчик также обладает определенной чувствительностью и точностью, будет неплохо, если АЦП будет обладать лучшими показателями

4.1.3 Быстродействие АЦП
Быстродействие АЦП определяет, насколько быстро считываются показания. Для АЦП последовательного приближения требуется определенное количество тактов, чтобы оцифровать уровень входного напряжения. Чем больше разрядность, тем требуется больше времени, соответственно, если к концу измерения уровень сигнала успевает измениться, это отразится на точности измерения.

Быстродействие АЦП измеряется в количестве семплов данных в секунду. Оно определяется как частота сигнала тактирования АЦП, деленная на требуемое для измерения число таков. Например, имея частоту тактирования АЦП в 1МГц и 13 тактов для снятия показаний, быстродействие АЦП будет равно 77 килосемплов в секунду. Для каждого варианта разрядности возможно рассчитать свое быстродействие. В технической документации обычно указывается максимально-возможная частота тактирования АЦП и его максимальное быстродействие при той или иной разрядности.

4.2 Цифровые датчики

Главное преимущество цифровых датчиков перед аналоговыми — они предоставляют информацию об измеряемой величие в готовом виде. Цифровой датчик влажности вернет абсолютное значение влажности в процентах, цифровой датчик температуры — значение температуры в градусах.

На этом я закончу общий материал. В следующей части мы рассмотрим датчики HVAC с примерами.
После датчиков пойдет рассмотрение исполнительных устройств — там довольно много интересного с точки значения теории автоматического управления, а потом доберемся и до синтеза и оптимизации регулятора всего этого безобразия.

UPD: Выражаю благодарность amartology, Arastas и Stross за справедливые замечания по статье. Добавил материал по 2 и 4 разделам и пояснил некоторые спорные моменты.

Источник