MEHATRONIKA VOZILA

- SENZORI -

SENZORI - UVOD

ZadatakSenzori konvertuju fizi ke ili hemijske (obi no neelektri ne) ulazne veli ine u elektri ne izlazneveli ine.Senzori omogu avaju detektovanje i merenje parametara za potrebe upravljanja i nadgledanjasistema vozila.

Klasifikacija tipi nih ulaznih veli ina senzora, [5]:

mehani ke veli ineo geometrijske veli ine: položaj, pomeranje, ugao, nivo, nagibo kinemati ke veli ine: brzina, ubrzanje, oscilacije, protoko naprezanja: sila, moment, pritisako karakteristike materijala: masa, gustina, viskoznosto akusti ne veli ine: zvu ni pritisak, frekvencija i brzina zvuka

termi ke/toplotne veli ineo temperatura

elektri ne veli ine:o elektri ne veli ine stanja: napon ja ina struje, elektri na snagao elektri ni parametri: otpornost, impendansa, kapacitivnost, induktivnosto promenjive polja: magnetno polje, elektri no polje

hemijske i fizi ke veli ine:o koncentracija: vlažnost, provo enje toplote, pH vrednosto veli ina estica, sadržaj rastvorene materije, sadržaj prašineo vrsta molekulao opti ke veli ine: intenzitet, talasna dužina, boja

Klasifikacija izlaznih veli ina- signala senzora,[2], [5]:

Analogni izlazni signali:o amplitudno modulisani signali (amplituda signala proporcionalna mernoj veli ini)

analogni signali napona ili struje - standardno: naponi ±5V ili 0-10 V, ja inestruja 0...20 mA

o frekventno modulisani signali (frekvencija signala proporcionalna merenoj veli ini)izlazni naponski signal stalne amplitude (npr. 5V) a promenljive frekvencije

o PWM modulisani signali (Puls-Width Modulation) - (dužina pulsa proporcionalnamerenoj veli ini)

pravougli izlazni naponski signali

Digitalni izlazni signalimerna veli ina predstavljena serijskim ili paralelnim binarnim signalom

U nekim slu ajevima u sklopu senzora postoje namenske elektronske komponente zakondicioniranje (poja anje, filtriranje i sl.) i/ili transformaciju (digitalizaciju) izlaznog signala.

Zahtevi

pouzdanost (trajnost)niski proizvodni troškoviotpornost na spoljne uticajeta nost

Uslovi okoline:temperature: putni ki prostor –40°C to +85°C, motorski prostor do +125°C, senzori uizduvnom sistemu motora 800 do 1000°C, eljust disk ko nice do 2000°C...mehani ka naprezanja: vibracije, udari (vertikalna ubrzanja u putni kom prostoru 1g,podužna ubrzanja 1,2 do 1,5 g, blok motora -regularno do 10g vanredno do 100g, elementisistema oslanjanja, osovine i to kovi vozila regularno do 10g, senzori udara 50 do 100g).hemijski uticaji: voda/vlaga, gorivo, ulja, kiseline, soli, deterdženti...elektromagnetni uticaji: elektri ne smetnje, prekora enja napona, obrnut polaritet...

SENZORI POLOŽAJA I POMERANJA

Naj eš e primenjivan tip senzora u vozilima.

Služe za odre ivanje položaja elemenata koji vrše linearno ili rotaciono kretanje - merepomeranje (dužinu puta), uglove zakretanja i nagiba elemenata i nivoe te nih (i praškastih)materija.

Osnovni tipovi (relevantni za aplikacije u vozilima):Analogni:

- potenciometarski senzori- magnetostati ki senzori:

o Holovio AMR senzorio GMR senzori

- induktivni senzoriDigitalni:

- mikroprekida i- inkrementalni senzori* (opti ki, magnetni)- digitalni enkoderi

* Napomena: inkrementalni senzori strogo posmatrano ne spadaju u senzore položaja-

Potenciometarski senzoriPotenciometri su kontaktni otporni ki senzori koji menjaju otpor zavisno od položaja upravlja kogelementa odnosno kliza a.

Rad baziraju na zavisnosti izme u elektri ne otpornosti i dužine provodnika.Merni elementi potenciometara su provodnici propisane otpornosti u obliku metalne žice ili filma odkermeta ili provodljive plastike (kermet - kompozitni materijal komponovan od kerami kih i metalnihmaterijala).

Promena otpora se može vršiti pravolinijskim ili kružnim pomeranjem upravlja kog elementa.Da bi generisali naponski izlazni signal, potenciometri se vezuju u kolo tzv. delitelja napona (Sl.1).

Sl.1 Šema vezivanja potenciometarskog senzora kao delitelja napona

U vozilima se potenciometri primenjuju kao senzori položaja leptira motora, pedale gasa i nivoa goriva.Osobine potenciometarskih senzora:+ jeftini+ jednostavna konstrukcija, bez dodatnih elektronskih komponenti+ visok nivo izlaznih signala - otporni na interferencije i smetnje+ senzori od provodljive plastike imaju veliku mernu ta nost (ispod 1% od punog opsega, sa

preciznim napajanjem ostvaruju rezolucije i ispod 0.01%),+ širok merni opseg: linearni potenciometri- od nekoliko milimetara do nekoliko metara, rotacioni

od 0° do približno 360°+ podnose temperature do 250°C+ fleksibilna karakteristika (može se po potrebi promeniti promenom širine provodni ke trake)

mehani ko habanje, abrazijagreške merenja usled estica koje su produkti abrazije - varijacije u kontaktnoj otpornostiizme u kliza a i merne trakenepogodni za minijaturizaciju.

a)

b) c)

Sl.2 Potenciometarski senzor položaja leptira motora sa dve otporne trake- a) konstrukcija: 1- osovina leptira; 2 i 3- otporne trake; 4-nosa sa kliznim kontaktima

potenciometra, 5- elektri ni priklju ak; b) elektri na šema; c) izlazna karakteristika, Bosch, [2]

Hol senzoriMagnetostati ki senzori koji generišu naponski signal u prisustvu magnetnog polja.Zasnivaju se na Holovom (Hall) efektu, (Sl.2):Kada se duga, tanka poluprovodni ka plo ica kroz koju proti e elektri na struja, izloži dejstvumagnetnog polja, javlja se sila koja na elektrone deluje u pravcu koji je upravan na pravacproticanja struje i na pravac magnetnog polja. Pod dejstvom te (Lorencove) sile, elektroni skre ui nagomilavaju se na jednoj stani plo ice, pa ta strana postaje negativno, a druga pozitivnonaelektrisana. Ovako generisan, tzv. Holov, napon (VH) direktno je proporcionalan ja inimagnetne indukcije (B) i ja ini struje (I):

VH = S · B · Igde je S konstanta koja karakteriše osetljivost materijala senzora. Ako se ja ina struje održavakonstantnom, Holov napon se može upotrebiti za merenje magnetne indukcije.

Sl.2 Holov efekat, [2]

Tipi an materijal poluprovodni ke plo ice Holovih senzora je silicijum.Kako je Holov napon veoma mali, Holovi senzori se uvek opremaju elektronskimkomponentama za poja anje i obradu signala.Za potrebe odre ivanja položaja i pomeranja elemenata, Holovi senzori se primenjuju u dvarežima rada:

kao (beskontaktni) prekida i, koji generišu digitalni izlaz u okviru složenih digitalnih iinkrementalnih senzora, i, re e,kao analogni senzori koji proizvode napon proporcionalan ja ini magnetne indukcije.Analogni Holovi senzori po pravilu služe za merenje ugaonih pomeranja.

Primer primene u vozilima:Senzori položaja pedale gasa ili ko nice (za elektrohidrauli ki ko ni sistem).

Sl.3 Analogni Holov senzor za merenjeugonih pomeranja do 90°, Bosch:a) Konstrukcija:

1- rotor (pemanentni magnet);2- magnetni polovi;3- feromagnetni materijal;4- vazdušni zazor5- Hol senzor6- vratilo

b) Izlazna karakteristika

AMR otporni ki senzoriAMR - (Anisotropic Magnetic Resistance)Pripadaju grupi otporni kih magnetostati kih senzora koji menjaju otpor u zavisnosti od ja ine ipravca magnetnog polja kome su izloženi.Izra uju se od legure nikla i gvož a (Ni81Fe19 , engl. – permalloy), u vidu trakastog provodnikaod veoma tankog filma debljine 30...50 nm i širine nekoliko mikrometara.Baziraju se na efektu da je otpor takvog provodnika anizotropan, tj. za nekoliko procenata ve ikada su pravci provodnika i magnetnog polja paralelni, nego ako zaklapaju ugao od 90°.Za NiFe provodnike na sobnoj temperaturi ova promena otpornosti je reda veli ine 2 do 4%.

Sl. 1 Karakteristika AMR elementa, [1]

AMR otporni ki senzori se naj eš e upotrebljavaju kao senzori ugaonog zakretanja. U takvimaplikacijama, rade u tzv. zasi enom režimu, u kom se pobu uju magnetnim poljem ija ja inaprelazi grani nu vrednost (tipi no iznad 50 mT) preko koje se otpornost senzora ne menja sapromenom ja ine magnetnog polja, nego samo zavisi od ugla izme u pravaca magnetnog polja iprovodnika (toka elektri ne struje). AMR ugaoni senzori se obi no izvode tako da obuhvatajuosam AMR elemenata vezanih u dva Vitstonova mosta koja su me usobno zakrenuta za 45°,Sl.2. Ovakvo rešenje obezbe uje poja anje signala i kompenzaciju uticaja temperature. Ugaomagnetnog polja se odre uje pomo u posebnih integralnih kola u sklopu senzora, kojakombinuju signale oba mosta (prvi je funkcija sinusa, a drugi kosinusa dvostrukog uglamagnetnog polja). S obzirom da efekat promene otpornosti zavisi samo od ugla koji zaklapajupravci vektora struje i magnetnog polja, nezavisno od njihovog smera, AMR ugaoni senzori nemogu da mere zakretanja ve a od 90°, tj. njihov maksimalni opseg merenja je 180°. Ukolikoipak postoji potreba za merenjem uglova do punog obrtaja (0 do 360°), postoje rešenja u kojimase AMR ugaoni senzori se opremaju još jednim dodatnim ravanskim namotajem. Ovaj namotajgeneriše dopunsko polje koje rezultuje malim promenama signala oba mosta, na osnovu kojihelektronika u okviru senzora prepoznaje uglove do i preko 180° i generiše adekvatan izlaznisignal.

Sl. 2 AMR senzori ugaonog zakretanja, princip, konstrukcija, izlazi signali [1]

AMR senzori se ponekad primenjuju i kao senzori magnetnog polja Zemlje, kada imaju ulogutzv. elektronskih kompasa.Osobine:

osetljivost 3 do 4 puta ve a nego Hol senzoraprimena za temperature do 150°C (maksimalno 200°C)kada rade u režimu ugaonih senzora, nisu osetljivi na varijacije u veli ini magnetnog poljanešto su ve i i skuplji od Hol senzora

Primena u vozilima:Tipi no se koriste kao senzori ugla zakretanja upravlja a (npr. za potrebe ESP sistema).U režimu elektronskog kompasa se primenjuju za inercijalnu navigaciju vozila.

Sl.3 Senzor ugla zakretanja upravlja a na bazi dva AMR (ili GMR) ugaona senzora (analognienkoder), Bosch

GMR otporni ki senzoriGMR - (Giant Magnetic Resistance) je efekat iz podru ja kvantne mehanike koji se javlja ustrukturama u obliku tankog filma koje su komponovane od naizmen no postavljanjenihferomagnetnih i nemagnetnih ali elektri no provodnih slojeva. GMR efekat se manifestuje u viduzna ajnog pada elektri ne otpornosti u prisustvu magnetnog polja (10–80%, tipi no 10-15%).Kada eksterno magnetno polje ne deluje, momenti magnetizacije u feromagnetnim slojevimaimaju suprotne smerove usled anti-feromagnetnog sprega izme u slojeva, što usled magnetnograsipanja rezultuje velikim otporom proticanju elektri ne struje. U prisustvu spoljašnjegelektri nog polja, magnetizacija susednih feromagnetnih slojeva je paralelna, što rezultujemanjim magnetnim rasipanjem i manjom otpornoš u. [6][8]

a) b)

Sl. 1 a) Karakteristika GMR materijala, NVE, [6]b) GMR senzor ugaonog zakretanja, Bosch, [1]

GMR senzori su otporni ki magnetostati ki senzori. Funkcionalno gledano veoma su sli niAMR senzorima. Razlika je prvenstveno u nešto ve oj osetljivosti GMR senzora.Primena- kao magnetomeri, tj. analogni senzori za merenje ja ine magnetnog polja i kao senzoriugaonog zakretanja, kada se kao i u slu aju AMR senzora koristi struktura sa dva Vitstonovamosta. Ugaoni GMR senzori mogu direktno da mere uglove zakretanja do 360° (ne zahtevajudopunske namotaje i elektroniku kao AMR senzori).Osobine [1],[6]:

prakti no ista mesta aplikacije kao AMR senzori – tendencija: zamenjuju AMR senzore.maniji od AMR senzoranivoi izlaznih signala ve i nego kod Hol i AMR senzora2 do 10 puta ve a osetljivost od AMR senzora, pa dopuštaju ve e zazore izme u senzorai elementa ije kretanje se meri (ili, za isti zazor potrebni slabiji (jeftiniji) magneti).

Digitalni enkoderiEnkoderi su ure aji koji registruju rotaciono ili linearno mehani ko pomeranje i prevode ga udigitalni signal u vidu sekvence elektri nih pulseva. Na osnovu broja generisanih pulseva ilidekodiranjem seta više pulseva, signal se prevodi u informaciju o relativnom ili apsolutnompoložaju.

Postoji dva osnovna tipa enkodera – apsolutni i inkrementalni (relativni) enkoderi. Apsolutnienkoderi svaki položaj opisuju jedinstvenim višebitnim digitalnim signalom, dok inkrementalnipoložaj prikazuju preko broja registrovanih impulsa.Enkoderi se po pravilu izvode kao rotacioni. Oblast primene linearnih enkodera (za registrovanjepravolinijskih kretanja) je prvenstveno ograni ena na robotiku i numeri ki upravljane mašine.Prema tipu senzorskih elemenata u okviru enkodera, enkoderi se obi no izvode kao opti ki ili,re e, kao magnetni.Opti ki rotacioni enkoderi imaju stakleni, plasti ni ili perforiranini metalni kodni disk, po ijemobimu se nalaze nizovi naizmeni no postavljenih providnih i neprovidnih polja, duž jedne iliviše prstenastih traka. Kodni disk se postavlja izme u svetlosnog izvora (obi no LED diode) ifotodetektora (obi no fototranzistora) koji ima ulogu digitalnog senzora. Izlazni naponski signalfotodetektora se menja u zavisnosti da li se providno ili neprovidno polje nalazi izme u njega isvetlosnog izvora.Magnetni enkoderi se izvode sa ozubljenim diskom (zup anikom) ili sa višepolnim aktivnimmagnetnim diskom. Na mestu senzora u njima se primenjuju Holovi ili magnetorezistivni (AMRili GMR) senzori. Magnetni enkoderi generalno imaju manju ta nost i ostvaruju manje rezolucijeod opti kih, ali su bolje prilago eni teškim uslovima rada (u pogledu udara, vibracija, ne isto a isl.).

Sl. 1 Opti ki rotacioni inkrementalnog enkoder, principijena šema

Apsolutni digitalni enkoderiApsolutni enkoderi sadrže n digitalnih (opti kih ili magnetnih) senzora koji paralelno generišuset od n digitalnih izlaza koji zajedno opisuju položaj vratila. Set od n digitalnih izlaza naziva sen-bitnom digitalnom re i. Apsolutni enkoder sa n digitalnih izlaza može da razlikuje 2n položaja- primera radi, enkoder sa 8 digitalnih senzora može da razlikuje 28 = 256 razli itih pozicija itako ostvari ugaonu rezoluciju od 360°/256 =1,41 stepeni.

Apsolutni enkoderi se naj eš e (mada ne i obavezno) rešavaju tako da svaki senzor ima zasebnutraku na kodnom disku. Raspored polja duž traka na disku (raspored providnih i neprovidnihpolja na opti kom disku) se usvaja tako da svaki položaj bude okarakterisan (kodiran)jedinstvenom kombinacijom izlaza digitalnih senzora. U široj primeni su dva principanumeri kog kodiranja položaja – binarno (tzv. prirodno) kodiranje i Grej (Grey) kodiranje.

Binarno kodiranje primenjuje standardnu sekvencu kojom se prirodni brojevi prevode u binarne.Grej kôd se formira tako da izme u dva susedna položaja samo jedan bit (jedan senzor) menjastanje. S obzirom da je veoma teško obezbediti (sinhronizovati) istovremenu promenu stanja dvaili više senzora, u slu aju binarno kodiranih diskova postoji opasnost od generisanja pogrešnogkoda u trenucima kada se senzori nalaze na granici izme u dva susedna polja.

bit 3bit 2bit 1bit 0

0° 360°

bit 3bit 2bit 1bit 0

0° 360°

Decimalnikod 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Binarni kod 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

Grej kod 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000

Dijapazonuglova [°]

022.5

22.545

4567.5

67.590

90112.5

112.5135

135157.5

157.5180

180202.5

202.5225

225247.5

247.5270

270292.5

292.5315

315337.5

337.5360

Sl.2 etvorobitni apsolutni enkoder- kodni diskovi i odgovaraju i izlazni signali senzora, zaslu aj binarnog i Grej kodiranja

Inkrementalni enkoderi

Inkrementalni enkoderi, koji se nazivaju i relativnim enkoderima, jednostavnije su konstrukcijeod apsolutnih. U osnovnom izvo enju sadrže samo dva digitalna senzora sa odgovaraju imkodnim trakama iji izlazi se nazivaju i kanalima A i B. Trake senzora A i B imaju toliko poljakolika je rezolucija enkodera. esto, inkrementalni enkoderi imaju i tre i tzv. Z (ili INDEX)kanal, koji generiše jedan puls po obrtaju, što se koristi za definisanje referentnog, "nultog",položaja, kao i za registrovanje celih obrtaja.

Tokom rotacije osovine, senzori generišu nizove pulseva iji su broj i frekvencija proporcionalnipoložaju i brzini osovine. Signali kanala A i B su smaknuti za 1/4 ciklusa1, pa je u zavisnosti odtoga koji kanal "prethodi" drugom, mogu e odrediti smer rotacije osovine. Ovo je važnaprednost inkrementalnih enkodera u odnosu na obi ne inkrementalne broja e (sa samo jednimdigitalnim senzorom), kod kojih takva mogu nost ne postoji. Sa druge strane, u pore enju saapsolutnim enkoderima, kod kojih je to rešeno "hardverski" na nivou senzora, inkrementalnienkoderi su zahtevniji u pogledu prate e elektronike i softvera, koji za potrebe odre ivanjapoložaja moraju da omogu e brojanje impulsa i identifikaciju smera obrtanja.

Primer kodnog diska inkrementalnog enkodera sa 16 podela je prikazan na slici 3. Na toj slici jeprikazano i u praksi esto rešenje sa samo jednom zajedni kom trakom za senzore kanala A i B,koji su u tom slu aju postavljeni tako da su fazno smaknuti za etvrtinu perioda. Takvo rešenje jejednostavnije i jeftinije za proizvodnju.

a)

b) c)

Sl.3 Inkrementalni enkoder- a) dva na ina izvo enja kodnog diska, b) izlazni signali senzora,c) odre ivanje smera rotacije

Razli itim na inima brojanja promena signala A i B mogu se ostvariti tri razli ite rezolucijeizlaznog signala inkrementalnog enkodera: 1X, 2X i 4X. U režimu 1X kodiranja enkoder dajejedan puls po jednom ciklusu signala A (ili B), u režimu 2X kodiranja dva, a u režimu 4Xkodiranja etiri. 1X kodiranje se ostvaruje registrovanjem samo npr. uzlazne ivice jednog signala(npr. A), 2X kodiranje registrovanjem i uzlazne i silazne ivice istog signala (A ili B), a 4Xkodiranje registrovanjem i uzlazne i silazne ivice oba signala (A i B).

1 otuda i engleski naziv quadrature encoders, quadrature – u teoriji signala se odnosi na dva signala fazno smaknutaza 90°

kretanje usmeru kazaljkena satu

kretanjesuprotno odsmera kazaljkena satu

SENZORI BRZINE

Senzori brzine u vozilima uglavnom služe za merenje ugaonih brzina.

Brzine se odre uju metodom direktnog merenja ili diferenciranjem signala senzora za merenjepomeranja.

Elektromagnetni senzori su osnovni tip senzora za merenje ugaonih brzina elemenata u vozilima.Njihova važna karakteristika je da omogu avaju beskontaktno merenje, pa nisu podložni habanjui odgovaraju oj promeni ta nosti. Odlikuje ih robustan dizajn i, u opštem slu aju, niskaproizvodna cena.

U široj primeni su dva osnovna tipa elektormagnetnih senzora brzine – induktivni senzori (tzv.senzori promene reluktanse) i magnetostati ki senzori sa Holovim ili magnetorezistivnimelementima.

Induktivni senzori (senzori promene reluktanse) [4][1]:Senzori ovog tipa rad baziraju na pojavi indukcije elektri ne struje pri promeni fluksa umagnetnom kolu senzora. Variranje magnetnog fluksa se izaziva promenom reluktansemagnetnog kola senzora.

Magnetna kola su zatvorene putanje linija magnetnog polja kroz magnetne materijale (gvož e,sinteti ki magnetni materijal ferit i sl.). Magnetna reluktansa je mera otpora materijalauspostavljanju magnetnog polja. Reluktansa magnetnog kola je obrnuto proporcionalnamagnetnoj permabilnosti ("propustljivosti") materijala obuhva enih kolom. Gvož a i elici imajunekoliko hiljada puta ve u magnetnu permabilnost od vazduha, pa je i njihova reluktansa u tojmeri manja od reluktanse vazduha. Ovo je upravo okolnost koja se koristi u induktivnimsenzorima - variranje magnetnog fluksa se izaziva uvo enjem metalnih elemenata u vazdušniprostor magnetnog kola senzora.

Princip rada induktivnih senzora može se objasniti na osnovu prikaza na slici u nastavku.Osnovni elementi senzora su:

rotor - gvozdeni disk sa zupcima ili prizmati nim ispustima (naziva se i reluktor)permanentni magnet sa feromagnetnim (metalnim) elementima za prenos i usmeravanjemagnetnog fluksaindukcioni kalem koji je obmotan oko feromagnetnog elementa

Sl. 1 Induktivni senzor - osnovni elementi, princip rada

Sa ulaskom zuba rotiraju eg diska u prostor izme u feromagnetnih polova, deo vazdušnogprocepa (visoke reluktanse) biva "premošten" tim zubom, pa ukupna reluktansa magnetnog kolapada, a "protok" magnetnog fluksa kroz kolo raste (fluks je najve i kada se zub nalazi ta nonaspram feromagnetnih polova). Sa udaljavanjem zuba iz vazdušnog procepa magnetnog kolareluktansa se pove ava, a magnetni fluks pada (najmanji je kada nema zuba u bliziniferomagnetnih polova). Na ovaj na in, kretanje diska rezultuje periodi nim promenamamagnetnog fluksa iji je period proporcionalan brzini obrtanja diska. Da bi se ova pojavaokarakterisala elektri nim signalom, u senzor se uvodi kalem koji obuhvata feromagnetnielement. Promene magnetnog fluksa (prema Faradejevom zakonu indukcije) rezultuju pojavomelektromotorne sile u namotajima kalema. Pri tome indukovani napon je proporcionalan brzinipromene fluksa u magnetnom kolu senzora. Tokom prilaska zupca prostoru izme uferomagnetnih polova senzora, indukovani napon raste i dostiže maksimum dok je zubac još udelimi nom zahvatu, ali je promena fluksa najve a, nakon ega opada i na kratko pada na nulukada se zub na e naspram polova senzora (u tim trenucima magnetni fluks ima maksimalnuvrednost, ali je brzina njegove promene jednaka nuli). Tokom izlaska zuba iz magnetnog poljasenzora, promena napona ima isti karakter, ali je suprotnog polariteta.Frekvencija generisanog elektri nog signala se dakle menja proporcionalno brzini obrtnog diskai to je osnovni izlaz induktinog senzora. Me utim, s obzirom da je veli ina indukovanog naponaproporcionalna brzini obrtnog diska, sa promenom brzine elementa menja se i amplitudaizlaznog signala, što je jedna od osnovnih mana ovog tipa senzora – za male brzine i amplitudeizlaznih signala su male, pa se induktivni senzori ne mogu upotrebiti za merenje malih brzina. Iztih razloga, ovi senzori mogu da registruju samo kretanje, ali ne i prisustvo metalnih elemenata.Umesto prikazanog, tzv. potkovi astog tipa induktivnog senzora, u praksi se daleko eš e sre uinduktivni senzori u obliku štapa, Sl.2., koji rade na istom principu, ali su jeftiniji i jednostavnijiza montažu, pri emu ostvaruju nešto manju mernu osetljivost.

Induktivni senzori se u vozilima primenjuju za odre ivanje brzine obrtanja elemenata motora iautomatskih menja a, u razvodnicma u sistemu za paljenje goriva, kao i na mestu ABS senzora uto kovima.Rotori induktivnih senzora koji su namenjeni merenju ugaonih brzina imaju ve i broj zubacanego rotor na Sl.1 - primera radi, reluktorski diskovi induktivnih ABS senzora imaju oko 40zubaca, dok se za senzor brzine obrtanja kolenastog vratila motora koristi zamajac na kom imaoko 60 zuba.

a) b)

Sl. 2 Štapni induktivni senzor- a) primer ugradnje i b) struktura:1- permanentni magnet; 2- feromagnetna osovinica; 3- indukcioni kalem; 4- vazdušni zazor; 5-

feromagnetni ozubljeni disk (zup anik); 6- referentna oznaka, [4],[2]

Magnetostati ki senzori brzineMagnetostati ki senzori brzine su inkrementalni senzori bazirani na Holovim ilimagnetorezistivnim (AMR, GMR) prekida ima.Kombinuju se sa pasivnim ozubljenim ili perforiranim rotorima od feromagnetnog materijala, ilisa aktivnim višepolnim permanentno namagnetisanim diskovima, Sl.3.

a) b) c)

Sl. 3 Izvo enja magnetostati kih senzora brzinea) sa tangencijalnim senzorom i pasivnim rotorom;b) sa gradijentnim (diferencijalnim)

senzorom i pasivnim rotorom i c) sa aktivnim rotorom i radijalnim senzorom, [2]Magnetostati ki senzori su po koncepciji su isti kao induktivni senzori - generišu signal ija jefrekvencija proporcionalna brzini obrtanja diska. Razlika i osnovna prednost magnetostati kih uodnosu na induktivne senzore je da se amplituda njihovog izlaznog signala ne menja sapromenom brzine rotacije rotora, ve zavisi samo od ja ine magnetnog polja. Ovo prakti nozna i da ovaj tip senzora može da registruje i male brzine obrtnih elemenata, uklju uju i injihovo mirovanje. Druga prednost magnetostati kih senzora je da dopuštaju ve e zazore i ve evarijacije zazora izme u senzora i obrtnog diska u odnosu na induktivne.

a) b )Sl. 4 Holovi magnetostati ki senzori: a) inkrementalni sa aktivnim rotorom, i b) sa gradijentnim

(diferencijalnim) senzorom, [2]

Senzori apsolutne ugaone brzine zakretanja/zanošenja vozila (Yaw rate senzori) [8],[2]

Senzori brzine zakretanja (skretanja) vozila su žiroskopski ure aji kojima se meri apsolutnaugaona brzina rotacije vozila oko vertikalne ose. Merenje zasnivaju na Koriolisovom efektu.

Ovi senzori se u vozilima primenjuju u okviru ESP sistema, a koriste se i za aktiviranje ure ajaza zaštitu putnika u slu aju prevrtanja vozila (kada mere ugaonu brzinu valjanja, tj. bo nognaginjanja vozila), kao i u okviru sistema za inercijalno navo enje.U primeni su dva osnovna tipa senzora brzine zakretanja – pijezoelektri ni i mikroelektromehani ki.

Pijezoelektri ni senzori brzine zakretanja se izvode u obliku vertikalne osciluju e viljuške sa dvapara kvarcnih pijezo elemenata – dva pijezo elementa su postavljena u korenu oba kraka viljuškei imaju ulogu aktuatora koji saglasno dovedenim elektri nim impulsima pobu uju viljušku na(osnovno) oscilovanje. Drugi par pijezo elemenata su senzori koji generišu elektricitet ijaveli ina je proporcionalna veli ini deformacije usled savijanja krakova viljuške u ravni koja jeupravna na ravan osnovnog oscilovanja. Pri kretanju vozila na pravcu, kraci viljuške oscilujusamo u osnovnoj ravni, pa pijezo senzori na kracima viljuške ne proizvode signal. Efekatdeformacija usled ubrzanja ili ko enja vozila se poništava odgovaraju im vezivanjem ovihsenzora, koje je rešeno tako da im se naponski signali oduzimaju kada su kraci viljuške povijenina istu stranu u odnosu na ravan osnovnog oscilovanja (a sabiraju kada su povijeni na razli itestrane te ravni). Kada vozilo zapo ne skretanje, usled pojave Koriolisove sile, kraci viljušketokom oscilovanja napuštaju osnovnu ravan i povijaju se i u pravcu koji je upravan na nju i totako da se svaki povija na drugu stranu ravni, pa se signali pijezo senzora na kracima sabiraju.Znak izlaznog signala se menja u zavisnosti od smera zakretanja vozila, odnosno od toga da livozilo skre e ulevo ili udesno.

Sl.1 Pijezoelektri ni senzor brzine zakretanja: a) pri kretanju na pravcu i b) prilikom skretanja vozila;1, 2 - ugaona brzina zakretanja vozila; 3 - oscilacije u osnovnoj ravni; 4 - Koriolisove sile;

5 - pijezo senzori; 6 - piezo aktuatori; 7-sile koje pobu uju osnovne oscilacije, [1]

I mikroelektromehani ki (MEMS1) senzori brzine zakretanja rade na istom principu - u njimatako e postoje elementi koji se pobu uju na oscilovanje, koji tokom skretanja, usled Koriolisovesile, napuštaju ravan osnovnog oscilovanja, što registruju odgovaraju i elementi senzora.Oscilatorni sistem senzora- osciluju i elementi, elementi za njihovo vo enje i opruge, po pravilu

1 MEMS – mikroelektromehani ki sistem (engl. Micro-Electro Mechanical System)

se izra uju u komadu od tankih plo astih struktura od silicijuma ili stakla (debljine 160 300 m),esto izjedna i sa senzorskim elementima i elementima za pobu ivanje oscilacija.

Mikromehani ki senzorski elementi u okviru MEMS senzora brzine zakretanja su naj eš ekapacitivnog tipa i mere promenu kapacitivnosti usled promene rastojanja izme u elemenatasenzora. Pobu ivanje oscilacija oscilatornih elemenata se može ostvariti na više na ina-elektrostati kim silama, minijaturnim pijezo elementima, ili, kao u primeru u nastavku, uzpomo permanentnog magneta i provodnika na osciluju em elementu kroz koji se propuštajustrujni impulsi, što izaziva indukovanje bo ne elektrodinami ke (Lorencove) sile.

Sl.2 Mikroelektromehani ki senzor brzine zakretanja, Bosch, tip MM,1- deo plo e koji je profilisan tako da ima ulogu opruge, 2- permanentni magnet, 3-pravac osnovnihoscilacija, 4- osciluju i element, 5- deo plo e koji ima ulogu kapacitivnog senzora, 6- Koriolisovo

ubrzanje, 7- deo plo e koji služi kao opruga za vo enje osciluju ih elemenata, [1]

MEMS senzori su veoma kompaktni (veli ine su do svega nekoliko milimetara), pa se po praviluproizvode u obliku jednog ipa, zajedno sa svim prate im elektronskim kolima za poja anje ikondicioniranje signala.

SENZORI UBRZANJASenzori ubrzanja se nazivaju i akcelerometrima. U vozilima se primenjuju za detektovanje udararadi aktiviranja sistema za pasivnu zaštitu putnika (vazdušnih jastuka, zateza a pojaseva i sl.), zamerenje podužnih i bo nih ubrzanja vozila i nagiba puta u sistemima za dinamiku vozila, zamerenje vibracija i udara u motoru, kao i u okviru sistema za zaštitu vozila od kra e.Merenje ubrzanja u standardnim akcelerometrima se zasniva na merenju sile koja deluje naelasti no oslonjen element senzora, tzv. seizmi ku masu. Veli ina ove sile se odre uje prekougiba elasti nog elementa preko kog se seizmi ka masa oslanja na ku ište senzora.

Ubrzanja se mogu i posredno odrediti diferenciranjem signala senzora za merenje brzina ilipomeranja.

U savremenim vozilima se primenjuje dva tipa senzora ubrzanja- mikroelektromehani ki(MEMS) senzori i pijezoelektri ni senzori. MEMS senzori se primenjuju kao senzori zadetekciju sudara (za ubrzanja 20 do 250 g1) i kao senzori u sistemima za upravljanje dinamikomvozila (za ubrzanja 1 do 2 g), dok se pijezo akcelerometri u prvom redu koriste kao vibracionisenzori u motorima sa unutrašnjim sagorevanjem.Mikroelektromehani ki senzori ubrzanja se izra uju kao minijaturne strukture od silicijuma ijaveli ina esto ne prelazi nekoliko desetih delova milimetra. Jednom delu silicijumske strukturedodeljuje se uloga seizmi ke mase. Delovi te strukture preko kojih se ostvaruje veza seizmi kemase sa nepokretnim delovima senzora profilišu se tako da poprimaju ulogu elasti nih oslonacata no propisane krutosti (osetljivost i merni opseg senzora odre eni su odnosom veli ineseizmi ke mase prema krutosti elasti nog oslonaca). Merenje ubrzanja MEMS akcelerometri popravilu ostvaruju merenjem promene kapacitivnosti koja nastaje zbog promene rastojanja izme upokretnih i nepokretnih delova senzora usled pomeranja seizmi ke mase.

a) b)Sl.1 Dva primera mikroelektromehani kih akcelerometara, Bosch, [2]:

a) kapacitivni akcelerometar sa konzolnim oslanjanjem seizmi ke mase:1-gornja silicijumska plo a, 2-centralna silicijumska plo a (seizmi ka masa), 3- izolacija (silicijum oksid), 4- donja silicijumska

plo a,5- staklena podlogab) kapacitivni akcelerometar sa seizmi kom masom u obliku ešlja: 1- elasti no oslonjena seizmi ka

masa sa elektrodama, 2-opruga, 3- prva nepokretna elektroda, 4- aluminijumski provodnik nanetštampanjem, 5- priklju ci, 6- druga nepokretna elektroda, 7- izolacija (silicijum oksid)

1 g- ubrzanje zemljine teže

Pijezoelektri ni akcelerometri, [2] - u prisustvu vibracija seizmi ka masa unutar senzora usledinercije stvara sile koje pritiskaju prstenasti pijezokerami ki element u istom ritmu kao vibracijekoje ih proizvode. Kao rezultat tih sila, u kerami kom elementu dolazi do preraspodeleelektriciteta i stvaranja naponske razlike izme u gornje i donje strane kerami kog elementa.Generisani napon se putem kontaktnih podloški odvodi i stavlja na raspolaganje kao mernisignal. U nekim slu ajevima signal se filtrira i obra uje u okviru samog senzora. Vibracionisenzori se zavrtnjima pri vrš uju za objekat (npr. blok motora) ije se vibracije mere, tako da seosigura njihovo direktno prenošenje na senzor. Pored opisanih, u primeni su i pijezoakcelerometri u kojima se signal generiše na osnovu savijanja konzolno oslonjenog pijezoelementa plo astog oblika (pijezo element je ujedno i seizmi ki element).

Sl.2 - Pijezoelektri ni akcelerometar- senzor detonativnog sagorevanja motora, Bosch:1- seizmi ki element, 2- ku ište, 3- pijezokerami ki element, 4- zavrtanj, 5- kontakt,

6- elektri ni priklju ak, 7- blok motora,

Obe opisane vrste akcelerometara (MEMS i pijezo) se proizvode kao jednoosni, dvoosni ilitroosni. Višeosni senzori služe za istovremeno merenje podužnih, popre nih i vertikalnihubrzanja vozila. Dobijaju se ugradnjom dva ili tri jednoosna senzorska elementa unutar istogipa.

SENZORI ZA MERENJE PRITISKASluže za merenje pritiska u gasovima i te nostima. Primeri primene u vozilima- u motoru: zamerenje pritiska na usisnoj grani, pritiska ulja i pritiska goriva; u ko noj instalaciji: za merenjepritiska u glavnom ko nom cilindru, u napojnom vodu hidrauli ke jedinice ABS/ESP sistema, upneumati koj ko noj instalaciji, u sistemu vazdušnog oslanjanja, u hidrauli koj upravlja kojjedinici automatskih menja a, za merenje pritiska ambijenta (atmosferskog pritiska), itd.

Kada su vozila u pitanju, naj eš e se izvode sa mikroelektromehani kim mernim elementom. Uosnovi tog elementa je silicijumska membrana sa etiri deformaciona otpornika povezana uVitstonov most radi poja anja signala i kompenzacije uticaja temperature. Sa jedne strane temembrane se dovodi medijum (te nost ili gas) iji pritisak se meri, dok se sa njene druge stranenalazi komora sa vakuumom (za senzore apsolutnog pritiska) ili se dovodi atmosferski ili drugireferentni pritisak (za senzore relativnog pritiska). Deformacioni otpornici su pijezorezistivnielementi koji menjaju otpornost proporcionalno mehani kom naprezanju kojem su izloženi.Postavljaju se tako da tokom deformisanja membrane otpornici u susednim granama Vitstonovogmosta trpe raznoimena optere enja, pa su dva otpornika izložena istezanju, a druga dvasabijanju. Pre nik i debljina membrane se uskla uju sa opsegom pritisaka koje treba meriti- zave e pritiske primenjuju se membrane ve e debljine i manjeg pre nika i obrnuto.Mikromehani ki merni element se u jednom ipu integriše zajedno sa elektronikom za poja anjesignala i temperaturnu kompenzaciju.

a) b)Sl.1 – Senzor za merenje relativnog pritiska, Bosch:

a) Merni element: 1- zaštitni gel, 2- mereni pritisak, 3- referentni pritisak, 4- ip senzora; b) ip senzora: 1-membrana, 2- silicijumska membrana sa deformacionim otpornicima,

3- zaštitni gel, 4- osnova od stakla

Temperaturni senzori[7],[2]:

TermoparoviTermoparovi su jedni od naj eš e primenjivanih senzora za merenje temperature s obzirom da surelativno jeftini i dovoljno ta ni i da mogu da rade na širokom opsegu temperatura. Nazivaju se itermoelektri nim senzorima.

Termopar se formira kada god se dva razli ita metala dovedu u dodir (lemljenjem, zavarivanjemili jednostavnim me usobnim uvrtanjem provodnika). U takvoj situaciji u ta ki dodira dolazi dostvaranja male elektromotorne sile ija veli ina je funkcija temperature (i vrste materijala) i kojase može registrovati kao napon na drugom kraju ovih provodnika. Napon koji generišutermoparovi se naziva i Sibekovim naponom (Seebeck) po fizi aru koji ga je otkrio. Zavisnostnapona od temperature za termoparove je izrazito nelinearna, pa se za potrebe o itavanja ovakarakteristika po pravilu aproksimira polinomima. Za uske dijapazone promene temperatura onase prema potrebi ipak može prikazati kao linearna.

Iako su sami temoparovi jednostavni, jeftini i robusni, merenje sa njima zahteva posebneprocedure i/ili ure aje. Ovo se prvenstveno odnosi na potrebu za kompenzacijom uticaja tzv.hladnih spojeva koji nastaju u spoju provodnika termopara sa provodnicima za vezu sa mernimure ajem. Za merenje apsolutne temperature oni zahevaju merenje temperature tzv. referentnogspoja drugim tipovima temperaturnih senzora. U pore enju sa drugim temperaturnim senzorima,oni nisu posebno ta ni izme u ostalog zato što su podložni starenju. Oblast primene termoparovasu prvenstveno visoke temperature preko 1000°C.Termoparovi se ponekad serijski vezuju radi poja anja mernog signala što je slu aj primer uradijacionim beskontaktnim termometrima – pirometrima.Postoji više standardnih tipova termoparova ija kompozicija se ozna ava velikim slovom premakonvenciji koju je uveo ameri ki institut za standardizaciju (ANSI), a koja je sada opšteprihva ena. Primera radi, esto se primenjuju termoparovi tipa J koje ine jedan provodnik odgvož a i drugi od konstantana (legure bakra i nikla). Ostali tipovi termoparova su B, E, K, N, R,S, i T.

RTD senzoriRTD (Resistance Temperature Detector) su otporni ki temperaturni senzori. Rad im se bazira nainjenici da elektri na otpornost metala raste približno linearno sa porastom temperature. Pri

propuštanju elektri ne struje kroz metalni otporni element senzora, dolazi do pada napona koji jeproporcionalan njegovom trenutnom otporu. Za poznatu struju pobude, merenjem ovog naponaodre uje se otpor senzora, a preko poznatog koeficijenta (ili funkcionalne zavisnosti) i traženatemperatura. Za ta nost ovih senzora, dakle, od vitalne je važnosti obezbediti što precizniju ikonstantniju veli inu struje pobude. Kao materijal otpornog elementa naj eš e se koristi platina(Pt), zbog širokog temeperaturnog opsega, ta nosti i stabilnosti koji karakterišu takve senzore.Platinski RTD senzori se koriste za temperature do 850°C. Pored platinskih, izra uju se i RTDsenzori na bazi nikla (Ni) ili bakra (Cu), ali je njihova primena daleko re a. U pogledukonstrukcije, otporni elementi RTD senzora se izvode u obliku kalema od tanke žice, ili u viduveoma tankog metalnog filma na plasti noj foliji ili na sloju kerami kog supstrata. Konstrukcijasa metalnim filmom se šire primenjuje zato što je jeftinija i obezbe uje ve e nominaleotpornosti.

Sl. 1. RTD temperaturni senzor, [7]

RTD senzore karakteriše velika stabilnost i, u pore enju sa svim ostalim temperaturnimsenzorima, najlinearnija zavisnost signala od temperature. Sa druge strane, oni su skuplji odalternativa zbog precizne izrade i upotrebe platine. U mane ovih senzora ubrajaju se i relativnasporost (dugo vreme odziva), mala osetljivost i sklonost samozagrevanju usled struje za pobudu.RTD senzori se obi no kategorizuju prema nominalnoj otpornosti na 0°C. Tipi ne nominalnevrednosti otpora se kre u izme u 100 i 1000 . Jedno od naj eš ih izvo enja RTD senzora sutzv. Pt100 sonde sa otporni kim elementom od platine i nominalnom otpornoš u od 100 na0°C.

RTD senzori se karakterišu koeficijentom linearizovane zavisnosti otpora od temperature. Ipak,za preciznija merenja, obi no je, umesto linearne, potrebno primeniti parboli ku ili kubnuaproksimaciju ove zavisnosti.

Sl. 2. Primer krive zavisnosti otpora od temperature za RTD senzor od platine nominalneotpornosti 100 , [7]

Termistorki senzori

Sli no kao i RTD senzori i termistori su otporni ki temperaturni senzori. U njima se kao otpornielemenati koriste temperaturno osetljivi poluprovodnici ija otpornost varira sa temperaturom.Izvode se u vidu poluprovodni kih metalnih oksida zatvorenih u ku ište ispunjeno staklom iliepoksi smolama.

Postoji dva osnovna tipa termistora- NTC i PTC.NTC (negative temperature coefficient) termistore karakteriše negativni temperaturni koeficijent,što zna i da im otpornost pada sa porastom temperature. Za PTC (positive temperaturecoefficient) termistore važi obrnuto –otpornost im raste sa porastom temperature. NTC termistori

imaju širu primenu kada je u pitanju merenje temperature, dok se PTC termistori uglavnomkoriste kao elementi za ograni enje struje u strujnim kolima (na mestu osigura a).U vozilima se NTC termistori standardno primenjuju kao digitalni termostati za nadzortermperature motora.Termistori imaju zna ajno ve u nominalnu otpornost nego RTD senzori (u rasponu izme u 2000i 10000 ), pa za pobu ivanje zahtevaju struje manje ja ine. Karakteriše ih veoma velikaosetljivost, kako u pogledu promene otpornosti (koja je reda veli ine 200 /°C), tako i u pogledubrzine reagovanja. Ovo, zajedno sa malom strujom pobude, ini termistore veoma pogodnim zaprecizna merenja temperatura. Sa druge strane, temistore karakteriše nešto uži temperaturniopseg – njihova primena je ograni ena na temperature do 300 °C.

Relacija izme u otpora i temperature za termistore nije idealno linearna, pa je za preciznamerenja na širem opsegu temperatura neophodno primeniti funkcije koje aproksimiraju R(T)karakteristiku termistora. Jedna od standardnih je Štajnhart-Hartova (Steinhart-Hart)aproksimacija thermistora tre eg reda:

3RC

RBA

T1

gde je T temperatura u Kelvinima, R izmerena otpornost, dok su A, B i C konstante kojeobezbe uje proizvo termistora.

Literatura[1] Sensors for Automotive Applications. (Sensors Applications Volume 4), Wiley-VCH

Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2003[2] Automotive sensors, Robert Bosch GmbH, 2002[3] Bonnick, Allan W.M., Automotive computer controlled systems: diagnostic tools and

techniques, Butterworth-Heinemann, 2001[4] Ribbens W. B., Understanding Automotive Electronics, Sixth Edition, Butterworth–

Heinemann, 2003[5] Isermann R., Mechatronic systems: fundametals, Springer - Verlag, London, 2005[6] GMR sensors data book, NVE Corporation, 2003[7] www.ni.com – web prezentacija firme National Instruments[8] http://Wikipedia.org