Датчик положения автомобиля в пространстве

Метод интерферометрии Муара

Метод интерферометрии Муара применяется для измерения положения в пределах значительных линейных расстояний — от нескольких сантиметров до нескольких метров. Технология, реализованная, например, немецкой фирмой Heidenhain, использует длинные перемещающиеся стеклянные пластины с очень тонкими линиями, выполненными методами микроструктурирования с малым постоянным периодом C. Свет проникает сквозь щели пластины, остальная поверхность которой металлизирована (рис. 79, 80).

Рис. 79. Инкрементальный линейный энкодер на основе интерферометрии Муара
а— конструкция:
1— подвижная стеклянная пластина;
2— лампа;
3— линза;
4— неподвижная пластина с прорезями
5; 6— массив инкрементальных фотодетекторов смещенных синусоидальных сигналов;
7— массив фотодетекторов индексной отметки;
б— принцип работы устройства

Рис. 79. Инкрементальный линейный энкодер на основе интерферометрии Муара
в — синусоидальные сигналы инкрементальных фотодетекторов, фотодетекторов индексной отметки и синусно-косинусные дифференциальные сигналы.

Измерительная головка датчика включает источник света, которым в отличие от лазерного интерферометра может быть любая лампа, чей свет проникает сквозь прорези малой фиксированной пластины-коллиматора, размещенной между лампой и подвижной пластиной (рис. 79а). Период прорезей и период линий подвижной пластины C согласованы (рис. 79б). Фотодетекторы, размещенные с другой стороны стеклянной пластины, определяют светопередачу устройства.

При движении измерительной линейки и достижении фазового совпадения прорезей неподвижной пластины с подвижной обеспечивается максимально высокая светопередача, в противофазе фотодетектор полностью затемнен, а между этими точками сигнал фототока детектора представляет собой синусоидальную функцию:

Для определения положения в инкрементальной системе используются 5 фотодетекторов (или массивов фотодетекторов), предоставляющих 4 синусоидальных сигнала каждый и один индексный сигнал (рис. 79в). Четыре решетки в пластине измерительной головки с одинаковым периодом C сдвинуты на 1/4 периода так, что синусоидальные сигналы также сдвинуты по фазе на 1/4 периода.

Разрешение данной системы составляет 1/4 периода C (2,5 мкм для C = 10 мкм), увеличение которого до <0,5 мкм возможно посредством интерполяции.

Дифференциальные синусно-косинусные сигналы с фазовым смещением в 90°, полученные при взаимном вычитании сигналов фотодетекторов, позволяют определять направление движения. Поскольку сигналы имеют точку нулевой передачи, они легко оцифровываются.

Инкрементальные интерферометрические измерители позволяют детектировать расстояния до 30 м с шагами до 0,1 мкм.

На основе принципа интерферометрии Муара может быть создан и абсолютный энкодер, позволяющий получить информацию об абсолютном положении (рис. 80).

Рис. 80. Абсолютный линейный энкодер на основе интерферометрии Муара
1 — подвижная стеклянная пластина со строками линий с различными периодами C0–C6;
2 — лампа;
3 — линза;
4 — неподвижная пластина со строковыми прорезями;
5 — массив строковых фотодетекторов (для формирования четырех смещенных синусоидальных сигналов в строке).

В конструкции абсолютного энкодера каждая строка подвижной стеклянной пластины характеризуется различным периодом линий, размещенных в соответствии со специальным алгоритмом. Каждой строке соответствует четыре фиксированных набора прорезей неподвижной платы, позволяющих получить в каждой строке 4 смещенных сигнала, отслеживаемых массивом фотодетекторов.

Метод интерферометрии Муара предоставляет возможность реализовать измерение абсолютного положения с шагами порядка 0,1 мкм в пределах длины до 3 м.

Методы линейной интерферометрии могут быть преобразованы также для детектирования углового положения.

Потенциометрические датчики

К движущейся части датчика, такой, как
установочная втулка датчика угла3, жестко ме
ханически связанной с валом управляющего
привода или активатора клапана, прикрепля
ется подвижный рычаг — токосъемник, одно
временно осуществляющий скользящий эле
ктрический контакт на специально нанесен
ном резистивном слое, как правило,
с помощью контактирующих щеток (рис. 3а).

Рис. 3. Примеры современных автомобильных потенциометров:
а — принцип действия датчика:
1 — скользящий контакт (движок или контактная щетка); 2 — резистивная дорожка; 3 — контактная дорожка;
φ — измеряемый угол поворота; R0 — максимальное сопротивление датчика;
R1, R2 — трассировочные резисторы; R3 — нагрузочный резистор;
Uпит, Uвых — напряжение питания и выходное напряжение соответственно; Iконт — выходной ток;
б — внешний вид датчиков 9850 BEI Duncan; в — датчики положения педали PPS 1029 Wabash;
г — датчики EGR серий 535/7/8/9/561 EGR CTS Corporation;
д , е, ж — датчики углового положения Bosch:
д — внешний вид датчиков Bosch DKG%1 0280122001 и 0280122201; е — выходная характеристика датчика
DKG-1 0280122001 BOSCH;
ж — конструкция датчиков Bosch:
1 — корпус датчика, 2, 3 — контактный элемент; 4 — провода движка; 5, 6 — контактные дорожки;
7 — провод движка; 8, 9 — проводящие пути;
10, 11, 12 — терминалы устройства; 13 — базовая плата (подложка); 14 — скользящий контакт; 15 — вал

При перемещении скользящего контакта
по радиусу токопроводящего сектора поверх
резистивного слоя потенциометра его выход
ное сопротивление RΦизменяется в зависимо
сти от угла поворота детектируемого объекта φ.
Потенциометрическое напряжение благодаря
пропорциональной связи между длиной про
волоки или дорожки с ее электрическим со
противлением и в соответствии с законом Ома
представляет собой линейное напряжение по
стоянного тока Uвых. Чем ближе находится
движок к уровню напряжения питания Uпит,
тем выше выходной сигнал датчика. Стандарт
ное подключение подвижного контакта вы
полняется с помощью второй контактной до
рожки, состоящей из того же резистивного ма
териала.

Наиболее известны две технологии датчи
ков: проволочные потенциометры (wirewound
— реохорд) и потенциометры с резис
тивными дорожками, выполненными спосо
бом нанесения резистивной пасты по радиусу
токопроводящего сектора, контакт с которы
ми осуществляется при помощи подвижных
контактных щеток. Потенциометрические дат
чики выпускаются известными фирмами Bosch,
Novotechnik, CTS Corporation, Duncan, Wabash,
Ruf Electronics и др. (некоторые примеры при
ведены в таблице 1 и показаны на рис. 3).

В то же время обе они подходят для высо
котемпературной работы, обеспечивают стабильный линейный выход (см. рис. 3е) и до
пускают большой диапазон угловых измере
ний (даже более 360° для проволочных потен
циометров). Известны также линейные потенциометры, предназначенные для измерения
линейных перемещений (см. табл. 1).

Таблица 1. Сравнительные технические данные некоторых автомобильных потенциометров

Проволочные потенциометры могут при
нимать самые разнообразные формы, завися
щие от количества витков, но обычно имеют
более высокий профиль и значительные раз
меры, что ограничивает их применение в ка
честве автомобильных датчиков.

Обзор популярных устройств

Сегодня существует несколько различных датчиков, которые заслужили внимание своей надежностью, доступной ценой и простотой настройки. В данной статье мы рассмотрим наиболее популярные из них:

1. Датчик StarLine D10 – проверенное временем устройство, способное в комплексе с сигнализацией надежно защитить авто от различных неприятностей. Модель StarLine D10 отлично реагирует на любые изменения в наклоне кузова автомобиля – как продольные, так и поперечные. Это возможно, благодаря применению качественного акселерометра, реагирующего на изменение положения транспортного средства в любой из трех осей. Достаточно лишь небольшого изменения угла кузова на 1.5 градуса, чтобы датчик сработал и выдал тревожный сигнал.

К преимуществам StarLine D10 можно отнести:

2. Датчик Spider-TMS2. Данное устройство отличается своей компактностью и надежностью. Его основные функции – контроль угла перемещения и наклона. Благодаря наличию качественных микропроцессоров и проверенной микроэлектронной базы, авто надежно защищено от  воровства колес или попытки его погрузки на эвакуатор (к примеру, при нарушении правил парковки). В составе устройства находится акселерометр (датчик ускорения), реагирующий на изменение положения авто в трех различных плоскостях.

Большой плюс Spider-TMS2 в том, что его можно устанавливать в любом положении и месте – для него ориентация в пространстве не имеет значения. Главное условие надежной работы – это жесткая фиксация на конструкции автомобиля. После монтажа можно быть уверенным, что датчик среагирует даже на незначительные отклонения от нормы, начиная от 0.1 градуса и более. К примеру, при демонтаже колеса автомобиль приходится отклонить минимум на 3 градуса.

Нельзя не отметить и отличную защищенность Spider-TMS2 от случайных при сильном перегреве. Это очень важно, особенно, если авто часто приходится оставлять на открытой стоянке под ярким солнцем. Кроме этого, датчик настраивается таким образом, чтобы не реагировать на сильные порывы ветра.

На сегодня в продаже можно найти две различные модификации.  Так, особенность Spider-TMS2М в том, что у нее есть свой проводник с разъемом, который можно подключить непосредственно к блоку сигнализации. Такая особенность позволяет намного быстрее настроить устройство на мотоцикле.

Основные заводские настройки устройства следующие: тревога уже при отклонении кузова на 0.9 градуса, предупреждение – при 0.6 градусах. Данные настройки можно не менять, ведь они оптимальны для большинства современных автомобилей.

Назначение и принцип действия

Датчики наклона – полезные устройства, которые надежно защищают от случайного воровства колес, передвижения или попытке эвакуации транспортного средства. В основе такого датчика  – сверхчувствительное устройство, которое реагирует на любые изменения в положении кузова. К примеру, оно обязательно отреагирует на подъем одной из сторон автомобиля с помощью домкрата или в случае наклона авто при погрузке на машину-эвакуатор.

Принцип действия весьма прост. Датчик постоянно контролирует положение кузова в пространстве. Как только он получает информацию об изменении угла наклона транспортного средства, орган передает сигнал блоку сигнализации авто. Дальше работает сама сигнализация, оповещающая владельца о появлении внештатной ситуации. Но на практике водителю даже вмешиваться не нужно. Услышав звуки сирены, неудачливые воры покидают место преступления от греха подальше.

Подключение устройства производится к штатной электропроводке напряжением 12 Вольт. Благодаря своей компактности, установку датчика можно произвести в любом месте, где будет удобно производить его эксплуатацию и настройку.

Сайты некоторых производителей промышленных оптических датчиков

Avago Technologies — www.avagotech.com

Banner Engineering Corp. — www.bannerengineering.com

Baumer Electric AG — www.baumerelectric.com

Balluff Inc. — www.balluff.com, www.managingautomation.com

Heidenhain — http://www.heidenhain.de

Fraba Posital — GmbH www.posital.com

Renishaw plc. — www.renishaw.com

Omron Electronics LLC — www.omron.com

SICK AG — www.sick.de

SICK Stegmann — http://www.stegmann.com

Turck, Inc. — www.turck-usa.com/products/sensors

Сайты некоторых производителей автомобильных оптоэлектронных датчиков и компонентов

BEI Duncan Electronics Division, BEI Technoligies, Inc. — www.beiduncan.com

Bourns, Inc. — www.bourns.com

Continental Teves AG & Co. Conti Temic microelectronic GmbH — www.conti-online.com/

CORRSYS-DATRON — www.datron-messtechnik.de/optical_sensors.htm

First Technology UK — www.firsttech.co.uk

Honeywell, Inc. — http://catalog.sensing.honeywell.com

Robert Bosch GmBh — www.bosch.de

Melexis Microelectronic Systems — www.melexis.com

ROHM CO., LTD. — www.rohm.com

STMicroelectronics — www.st.com

Texas Advanced Optoelectronic Solutions, Inc. (TAOS, Inc.) — www.taosinc.com

TT electronics plc, OPTEK Technologies — www.optekinc.com

Vishay Intertechnology, Inc. — www.vishay.com, www.vishay.com/optical-sensors

Настройка и особенности установки

Для изменения настойки датчика наклона достаточно выполнить несколько простых мероприятий (на примере Spider-TMS2):

Как правило, современные датчики наклона можно устанавливать в любое место – это не влияет на их работоспособность. Но для большей надежности лучше, конечно, следовать рекомендациям ниже:

Потенциометрические
и бесконтактные датчики положения

Для измерения положения в автомобильных
системах подходят самые различные техноло
гии, значительное распространение среди ко
торых получили потенциометрические датчи
ки (угла и линейных перемещений). Этот тип
датчиков характеризуется наличием подвиж
ных механических контактов, перемещение ко
торых вдоль длины переменного резистора из
меняет его сопротивление пропорционально
положению контактов. До недавнего времени
контактные датчики положения сохраняли ли
дирующие позиции на автомобильном рынке,
чему способствовали такие значительные до
стижения потенциометрической технологии,
как малые размеры корпуса и низкая цена.

В ответ на растущие требования надежности,
с целью уменьшения износа и реструктуриза
ции компонентов современные автомобильные
датчики стремятся использовать бесконтактные
конструкции, в которых электрическая и меха
ническая части физически отделены друг от дру
га. Наиболее известными из бесконтактных тех
нологий датчиков являются:

Каждая из этих технологий имеет как свои
преимущества, так и свои ограничения при
ее использовании в том или ином автомобиль
ном устройстве, оценка которых относится
к задачам настоящей статьи.

Линейные датчики Холла

Удобный путь для создания рабочего маг
нитного поля в датчиках положения обеспе
чивают подвижные постоянные магниты
(рис. 4–6), механически соединенные с детек
тируемым объектом. За счет собственной вы
сокой линейности эффекта Холла в первом
приближении для получения аналоговой вы
ходной характеристики требуется только уси
ление слабого первичного сигнала (в выраже
нии Uн = ρB чувствительность ρ эффекта Хол
ла составляет всего 0,4–0,7 мВ/кА/м).

Таким образом, эффект Холла особенно
широко используется ведущими производи
телями автомобильных датчиков, такими, какBEI Duncan, American Electronic Components,
Delphi Technologies, Hitachi, CTS Corporation,
Siemens VDO, Wabash и другими. Некоторые
примеры приведены в таблице 2 и показаны
на рис. 4.

Таблица 2. Сравнительные технические данные автомобильных линейных датчиков Холла

Рис. 4. Примеры современных автомобильных линейных датчиков Холла:
а — датчик углового положения серии RPN Honeywell;
б — датчики положения серии 581 CTS;
в — датчики Холла с вертикальными элементами
Холла RSC2200 U.S. Novotechnik;
г — программируемый датчик 9900 BEI Duncan;
д — датчики положения (педали акселератора,
сцепления, подвески и т. д.) RPS 1047 Wabash
Technologies;
е — программируемый датчик серии HRS100
Invensys (Honeywell);
ж — программируемые датчики углового положения
серии NCR SHLR-0008 AEC

При вращении магнита датчик генери
рует первичное синусоидальное напряже
ние пропорционально изменению углово
го положения ротора, но именно в связи
с применением магнитов линейный диапа
зон датчика угла на практике составляет
не более 120°, а линейность датчиков Хол
ла колеблется в пределах 2%, и даже
до 3% — из-за их повышенной температур
ной чувствительности (см. табл. 2). Если
требуется измерять углы 360° и более, потребуется несколько чувствительных эле
ментов (см. рис. 4–6)4.

Особо следует отметить уникальную техно
логию вертикальных элементов Холла VERT-X
от Novotechnik для угловых измерений, преодо
левающую этот недостаток. Один из уникаль
ных признаков этой технологии — измерение
углов в 360° в совокупности с прочими досто
инствами эффекта Холла, другой — ее исклю
чительная надежность в 360-градусном диа
пазоне (см. табл. 2).

Но на практике конструирование датчика
положения на эффекте Холла является дале
ко не простой задачей.

Рис. 5. Классические примеры конструкций линейных датчиков Холла

Рис. 6. Программируемый датчик Холла с магнитопроводом

Предлагаемый датчик отличается от ряда
уже существующих вариантов применением
ферромагнитного концентратора (магнито
провода) специальной формы совместно
с программируемым датчиком Холла. За счет
применения концентратора, других функциональных и конструктивных особенностей
(см. рис. 6в–е) устройство отличается увели
ченной чувствительностью и надежностью.
Это означает, при прочих стандартных воз
можностях в конструкции можно использо
вать большие воздушные зазоры, применять
более слабые (по величине остаточной намаг
ниченности) и меньшие по размеру магниты.

Бесконтактный датчик положения (рис. 6в)
состоит из неподвижного корпуса 1, роторно
го узла 2 с диаметрально намагниченным по
стоянным магнитом 3, интегрального датчика
Холла 4, печатной платы 5, контактов разъема
6, пружины 7, ферромагнитного концентрато
ра 8 (магнитопровода) и крышки 9. Ротор 2, со
стоящий из двух частей5 (позиция 2 указывает
на верхнюю втулку), механически связан с вра
щающимся валом детектируемого объекта
(цели) и имеет возможность поворота в осно
вании корпуса 1. С обратной стороны ротора 2
(рис. 6г) в нижней втулке 10 имеется паз для ус
тановки устройства на вал с заданной началь
ной ориентацией, определяемой внутренними
ребрами паза. Корпус 1 жестко крепится двумя
винтами 11 к неподвижной части объекта.

Для механического ограничения осевых пе
ремещений роторного узла в корпусе 1 выпол
нено двойное днище. Верхнее днище 12 (рис. 6д)
фиксируется поверх роторного узла 2 на оп
лавляемых штырях и приклеивается к днищу
корпуса 1. Механический угол φ ограничива
ется упорами 14 в основании корпуса и высту
пами 15 втулки 10 ротора 2.

Постоянный магнит 3 жестко устанавливает
ся (запрессовывается и вклеивается) в верхней
втулке ротора 2 поверх пружины кручения 7,
расположенной вне рабочей зоны бесконтакт
ного взаимодействия магнита 3 и датчика 4.
Осевое перемещение верхней втулки ротора 2
механически ограничивается кольцевым вы
ступом на внутренней стороне верхней крыш
ки 9 датчика.

В конструкции особенно важным является
начальное размещение магнита 3: в нулевом по
ложении должны быть совмещены механичес
кая плоскость симметрии датчика 4 и магнит
ная плоскость симметрии магнита 3 с нулевым
значением магнитной индукции поля (или сред
ним из магнитного диапазона датчика). Это по
ложение показано на рис. 6а, е и соответствует среднеквадратическому напряжению выходной
характеристики (см. рис. 1 и 6б). Начальная ори
ентация магнита 3 относительно датчика 4 обес
печивается в процессе сборки: непосредствен
но перед его жесткой установкой определяется
по результатам измерений магнитного поля, на
пример, тесламетром, гауссметром, калибро
ванной линейной ИС Холла или с помощью
специальных аппаратно-программных средств.

Повышение чувствительности датчика до
стигается только за счет использования фер
ромагнитного концентратора 8, но при оп
тимальном подборе других параметров маг
нитной системы. Следует отметить, что
в системах на эффекте Холла с постоянным
магнитом из обычного материала типа NdFeB
(в промышленности обычно выпускаются
магниты с намагниченностью 1000–1200 мТл)
можно использовать рабочие зазоры поряд
ка 5–8 мм и нет смысла максимально прибли
жать датчик к магниту. Оптимальный наклон
выходной характеристики под углом поряд
ка 45° (чувствительность) рассчитывается с ис
пользованием средств программирования дат
чика.

Особенности схемотехники оптических устройств

Оптический датчик — это устройство, измеряющее интенсивность электромагнитных волн в диапазоне от ультрафиолетового до близкого к инфракрасному.

Свет представляет собой пучок дискретных фотонов, каждый из них является носителем кванта энергии, зависящей от источника света.

При взаимодействии с атомами кремния фотоны, в зависимости от длины волны (что эквивалентно количеству энергии), увеличивают проводимость фотодиода. В нем при смещении генерируется электрический ток, и его можно измерить.

С физической точки зрения базовое измерительное устройство — это именно фотодиод, который при объединении с функциональной электроникой будет представлять собой пиксель (pixel — PIcture ELement).

Другой базовый тип фотодетектора — фототранзистор, под действием света он функционирует аналогично, но обеспечивает переключаемый логический выход.

Фотодиоды и фототранзисторы закладываются в линейные оптические массивы, CMOS-камеры.

Промышленностью (Optek, Vishay и др.) выпускаются также готовые щелевые и рефлективные датчики. Стоимость обоих типов менее $1, причем щелевые датчики дешевле. Могут использоваться и дискретные оптические эмиттеры/ресиверы — светодиоды и фоточувствительные элементы — фототранзисторы, фотодиоды, а также фототиристоры.

Щелевые и рефлективные датчики (а также оптоизоляторы1) функционируют одинаково с идентичными характеристиками, важнейшей из которых является коэффициент передачи тока.

Поскольку фототранзистор, при воздействии светового луча переходящий в состояние насыщения, обеспечивает готовый цифровой выход, в большинстве коммерчески доступных оптопрерывателей и рефлективных датчиков используется именно данный тип фотоэлектрического преобразователя. Для включения датчика во внешнюю цифровую схему потребуется только токоограничивающий резистор в цепи светодиода и внешний резистор между плюсом питания и выходом транзисторного ключа (рис. 75а).

Рис. 75. Типичные принципиальные электрические схемы для включения оптопрерывателя и рефлектора
а— схема на основе фототранзистора с цифровым выходом;
б— схема на основе фотодиода с аналоговым импульсным выходом;
в— схема на основе фотодиода с цифровым импульсным выходом;
VD1 — светодиод;
VD2 — фотодиод;
VT1 — фототранзистор,
R1, R2 — токоограничивающие резисторы.

Пара «светодиод–фототранзистор» характеризуется усилением менее 1. Сумма выходного тока коллектора фототранзистора, отнесенная к величине входного тока светодиода, называется коэффициентом передачи тока (КПТ, или CTR — Current transmission ratio). Типичный ток светодиода 10–20 мА с типичным CTR щелевого переключателя порядка 0,1 соответствует 1–2 мА выходного тока коллектора2.

Скорость переключения фототранзистора в любом оптическом датчике довольно медленная, что ограничивает максимальную детектируемую скорость устройства и должно учитываться программой, считывающей выход датчика. Типичные значения времени включения (перехода в состояние насыщения) — 8 мс, времени выключения — 50 мс.

Рефлективные датчики также характеризуются КПТ, который в отличие от оптопрерывателей не постоянен и зависит от силы отраженного света, типа поверхности и расстояния от поверхности до датчика. КПТ рефлективного датчика специфицируется производителем со стандартной белой рефлективной поверхностью, помещенной на фокусном расстоянии от датчика. В реальном проекте вычисляется или измеряется фактический КПТ.

Поскольку КПТ рефлективного оптического датчика варьируется в широком диапазоне, аналоговый выход (рис. 75б) может быть более предпочтительным, поскольку пользователю предоставляется возможность самостоятельно подсоединять выход датчика к АЦП и программно отслеживать изменения в выходном уровне сигнала, что, как показано далее, полезно и для интерполяции сигналов инкрементальных энкодеров, но в этом случае необходимо больше времени для выборки АЦП.

Для правильности и безопасности системы необходима и гарантия того, что сбойные датчики будут локализованы. Так, сбойный или отсоединенный светодиод позволяет фототранзистору предоставлять системе информацию об остановке двигателя, закрытом капоте или двери. Ту же самую информацию может предоставлять засоренный фототранзистор.

Первый способ решения проблемы — применение двух датчиков с инверсными выходами. Один из них блокируется при открытом капоте, второй — при закрытом. Одновременно анализируется состояние двух датчиков, которые для верификации состояния или функциональности системы должны оба находиться в правильном состоянии.

Метод обнаружения отсоединенного светодиода — определение напряжения на аноде светодиода. Когда светодиод включен, падение напряжения, определяемое компаратором, составит около 1,2 В (типично), и выход компаратора будет высоким. Если светодиод открывается, напряжение на аноде возрастет до Ucc (более 3 В).

Для детектирования сбойных условий закорачивания можно добавить второй компаратор. Опорное напряжение в этом случае выбирается порядка 0,6 В, программное обеспечение объявляет ошибку, если напряжение падает ниже опорного.

Оптические энкодеры в автоэлектронике

Угловые оптические энкодеры могут быть эффективно использованы в автоэлектронике как датчики цифровых систем обратной связи с двигателем или как цифровые элементы контроля скорости, положения, крутящего момента.

Актуальность оптических датчиков в автоэлектронике обеспечивают их следующие признаки:

Сравнивая оптические энкодеры (табл. 17) с современными магнитными энкодерами Холла, необходимо отметить, что их цена сегодня, как правило, выше, но только на 10–20%, причем существенный вклад в стоимость устройства вносит необходимость использования внешней ASIC и других дискретных компонентов. Общее число внешних компонентов для оптического датчика невелико, но в сравнении с магнитным угловым энкодером на основе только одной ИС, отличия в количестве внешних компонентов оцениваются не менее чем в 50%. Значительные перспективы оптических методов детектирования сегодня связаны с созданием интегрированных сенсорных систем — sensor solution-on-a-chip (SSoC) или system-in-package.

Ограничения при использовании оптических технологий в автоэлектронике требуют минимизации факторов воздействия загрязнений. Для автомобильных условий будут приемлемы уплотненные исполнения устройства, в корпусе которого размещается и измерительная головка, и оптический диск или линейка.

Таблица 17. Сравнительные технические данные некоторых автомобильных оптических энкодеров; –* Данные отсутствуют/не специфицируются производителем

Для компенсации производственных допусков оптические энкодеры часто нуждаются в подстройке потенциометром. Если абсолютные энкодеры выполняются на основе пикселей, то для компенсации старения светодиода может потребоваться периодическая калибровка.

Другие недостатки оптоэлектронных устройств — рабочий температурный диапазон и подверженность оптических дисков и волоконно-оптических соединений сильным ударным воздействиям. Поскольку в автоэлектронике большинство датчиков положения работает в условиях повышенных температур, вибраций или ударов, оптоэлектроника более подходит для систем с менее жестким режимом, например, положения педали акселератора или тормоза, рулевого управления или линейных систем — детектирования положения сиденья или подвески. Оптические энкодеры находят применение как цифровые элементы управления приборной панели: для систем климат-контроля, контроля зеркал, аудиоконтроля, контроля солнечного люка.

Как упоминалось, стандартные оптические энкодеры обеспечивают высокую точность измерений, высокое разрешение и надежность, что важно в первую очередь для контроля положения рулевого колеса. Инкрементальные и абсолютные энкодеры для этих задач составляют большинство выпускаемых автомобильных устройств и поставляются с валом, полым валом, в модульной и комплектной конфигурациях.

Компания выпускает также инкрементальный угловой энкодер серии 920 (рис. 82м) и инкрементальный угловой энкодерный модуль серии MOD 700, основанный на технологии, известной под названием Opto-ASIC (рис. 82н).

MOD 700 включает светодиод и Opto-ASIC, сконфигурированные в малый измеритель с проводным фреймом для его поверхностного монтажа на печатной плате. Устройство стоимостью $18 в больших объемах поддерживает широкий диапазон разрешений и стандартизированных кодовых дисков различного диаметра.

Размер корпуса MOD 700 составляет 17,7×9,6×8,89 мм, разрешение — до 2 540 ppr. Высокая степень миниатюризации, достигнутая данным устройством, позволяет встраивать его в системы рулевого управления с ограниченным рабочим пространством, двигатели и другие конструкции с плотным размещением внутренних частей.

За пределами автоэлектроники (рис. 82а–п) спектр применения оптических технологий расширяется в область тестирования динамики автомобиля (рис. 82р).

Оптические методы достаточно популярны в автоэлектронике, поскольку принцип их работы прост, а точность выше, чем у электрических методов.

В общих чертах теория энкодеров рассматривалась в части 5 данной публикации, поскольку требовалось пояснить принцип работы перспективных магнитных угловых энкодеров Холла. В сравнении с оптическими энкодерами магнитные энкодеры обладают следующими преимуществами: работают в условиях повышенной загрязненности и высоких температур, а также обеспечивают уменьшенное число компонентов. Как показано выше, оптоэлектронные схемы довольно просты, но магнитные энкодеры концентрируют измерительные, вычислительные и интерфейсные функции в пространстве одной ИС, в итоге обеспечивая общий малый размер устройства и низкую цену.

Оптические датчики

Рис. 73. Базовая схема оптического детектирования движения — прерыватель
а–в — щелевой оптический (фотоэлектрический) датчик — оптопрерыватель (оптрон или оптопара):
1 — корпус датчика;
2 — светодиод;
3 — фоточувствительный элемент (фототранзистор или фотодиод);
а — конструкция датчика:
4 — элементы для монтажа корпуса;
5 — терминалы для монтажа на печатной плате;
б — линейный прерыватель — датчик линейной скорости (цифровой индикации определенного линейного положения):
4 — линейный ротор (линейно перемещающийся элемент) с чередующимися оптически прозрачными и оптически непрозрачными участками;
5 — терминалы для монтажа на печатной плате;
в — датчик угловой скорости (индикации определенного углового положения);
4 — вращающийся ротор — крыльчатка с непрозрачными лопастями;
5 — вращающийся вал;
г — аналог оптопрерывателя — щелевой датчик скорости Холла:
1 — корпус датчика;
2 — магнит;
3 — датчик Холла (униполярный ключ);
4 — магнитопровод;
5 — терминалы для монтажа на печатной плате;
6 — вращающийся ротор — крыльчатка с лопастями из ферромагнитного материала;
7 — вращающийся вал.

Рис. 73а–в демонстрируют принцип работы типичного щелевого оптического переключателя-оптопрерывателя, или оптрона. В пластмассовом корпусе расположены светодиод и фотодетектор, например фототранзистор, разделенные воздушным зазором в теле корпуса. Свет от светотодиода попадает на фототранзистор, который переходит в состояние насыщения. Если в зазоре появляется непрозрачный элемент — ротор, путь света между светодиодом и фототранзистором блокируется, что вызывает переключение выхода фототранзистора к высокому уровню.

Излучающие светодиоды могут функционировать как в видимом, так и в инфракрасном спектре. Для работы датчика необходимо, чтобы конструкция корпуса и ширина элементов ротора обеспечивали чередование светопередачи и перекрытия оптического канала. Существенно уменьшить ширину оптических кодовых элементов и повысить разрешение устройства позволяют лазерные диоды. Расстояние от датчика до детектируемого объекта в пределах ширины рабочего зазора несущественно, но если необходим больший рабочий диапазон, также применяются лазерные светодиоды.

Простейшим примером может служить проверка с помощью оптического оптопрерывателя открытия или закрытия двери или капота, которые для блокировки света снабжаются подвижным флагом, падающим в щель, более сложным — в энкодерах (будет рассмотрено далее).

Щелевые оптопрерыватели широко используются для детектирования скорости двигателя, на валу которого размещен ротор, периодически блокирующий оптический канал, но в автоэлектронике их применение ограничено чувствительностью к загрязнениям и температурам (обычно 80 °C). Необходимо отметить, что некоторые современные устройства, например инфракрасные диоды и фототранзисторы Honeywell, работают и при температурах до 125 °C.

В значительной степени проблему также решает интерпретация схемы прерывателя на основе датчика Холла (рис. 73г), но, в отличие от оптопрерывателя, к размерам крыльчатки предъявляются требования минимальной ширины лопасти, что в свою очередь ограничивает пространственное разрешение датчика.

Рис. 74. Оптический (фотоэлектрический) датчик рефлективного типа
1 — корпус датчика;
2 — светодиод;
3 — фоточувствительный элемент (фототранзистор или фотодиод);
4 — терминалы для монтажа на печатной плате;
а — конструкция датчика;
б — датчик линейной скорости (индикации определенного линейного положения):
5 — линейный ротор с чередующимися участками с высокой отражательной способностью и низкой отражательной способностью (оптически прозрачными);
в — датчик угловой скорости (индикации определенного углового положения);
5 — вращающийся ротор — крыльчатка с чередующимися участками с высокой отражательной способностью и низкой отражательной способностью (оптически прозрачными);
6 — вращающийся вал;
г — датчик угловой скорости со специальной конструкцией ротора:
5 — вращающийся ротор с низкой отражательной способностью фона (черного цвета);
6 — чередующиеся полосы ротора с высокой отражательной способностью;
7 — вращающийся вал.

На рис. 74а–г проиллюстрирована работа рефлективного оптического датчика, который функционирует аналогично, но конструктивно отличается тем, что фототранзистор в рефлективном датчике переключается светом, отраженным от детектируемой поверхности.

Светодиод и фототранзистор рефлективного датчика расположены с одной стороны поверхности детектируемого объекта. Рефлективные датчики обеспечивают большую гибкость монтажа, но характеризуются фокусным расстоянием (оптимальным расстоянием от датчика до детектируемого объекта), на котором он должен быть помещен (обычно в пределах 2,54–12,7 мм) и относительно которого варьируется рабочий диапазон устройства.

При конструировании рефлективного датчика важнейшим требованием к детектируемой поверхности является ее отражательная способность и качество отражения. Например, для задач детектирования скорости цвет вала двигателя и ротора выбирается черный (рис. 74г), тогда полосы отражающего материала на валу обеспечивают периодическое переключение датчика.

Луч, отраженный от стандартной поверхности, не сфокусирован и представляет собой усеченный конус с основанием на рефлективной поверхности, образованным отражаемым коническим световым пучком светодиода, что не позволяет с высокой точностью обнаруживать малые отражающие объекты и ограничивает пространственное разрешение датчика. Для того чтобы уменьшить диаметр отражаемого луча, в качестве источников света применяются лазерные светодиоды, а для фокусировки луча на его пути от светодиода к фотодетектору в датчик встраиваются линзы.

Производным от рефлективного типа датчиков является волоконно-оптический датчик перемещения, содержащий две группы волоконной оптики: передающие волокна, подключенные к источнику света, и принимающие сигнал волокна, которые подсоединены к фотодетектору (фотодиоду) и объединены в одном корпусе. Свет от источника передается через оптоволокна на поверхность цели и отражается обратно, часть отраженного света улавливается принимающими оптоволокнами и попадает на фотодетектор, регистрирующий интенсивность отражения, которая представляет собой нелинейную функцию свойств поверхности и расстояния до цели. Этот тип датчиков может потребовать периодической калибровки.

Рефлективные датчики используются во многих сферах — в промышленности или компьютерах (датчики для компьютерных мышей). В автоэлектронике данный тип устройств применяется достаточно широко — например, для контроля положения пассажира, в датчиках дождя и в энкодерах, а кроме того, становится базовой схемой, интересной для преобразования измерительных концепций по отношению к другим типам датчиков.

Принцип действия линейных
датчиков положения

Основные понятия и определения

Аналоговые линейные датчики абсолютно
го углового или линейного положения (пере
мещения) обеспечивают одну и ту же функ
циональную характеристику — линейную за
висимость выходного напряжения, например
в зависимости от угла поворота детектируе
мого объекта (рис. 1а) или его линейного пе
ремещения. Оба варианта широко использу
ются в автомобильных системах, но, ввиду
специфики многих функциональных задач
(см. рис. 2), очевидно, угловые системы имеют
перевес. В то же время между ними нет прин
ципиальных отличий, так как вращательное
и линейное движение описывают траектории,
допускающие их взаимное преобразование:
вращательное движение может рассматривать
ся как линейное на бесконечно малых прира
щениях угла и, наоборот, в дополнение к фи
зическому преобразованию движения из одно
го вида в другой, осуществление которого
возможно с помощью автомобильных меха
низмов. Например, известны датчики положе
ния дроссельной заслонки, измеряющие ли
нейные перемещения, датчики положения ци
линдров сцепления вращательного типа и т. д.

При анализе свойств датчика, имеющего по
добную выходную характеристику, принима
ются во внимание следующие основные по
нятия и определения:

Конструкция автомобильных аналого
вых датчиков положения

Установочная втулка или установочный вал
датчика в общем случае будут иметь ориен
тирующие выступы, лыску или паз, которые
при установке датчика совмещаются с лыска
ми или выступами на оси вала детектируемо
го объекта (типа дроссельной заслонки)2.

При вращении вала управляющего привода
установочный компонент осуществляет вра
щательное движение внутри неподвижного
корпуса датчика, жестко закрепленного, на
пример, на двух винтах; в датчиках линейно
го положения предусмотрена аналогичная ме
ханическая связь посадочного компонента
с линейно перемещаемым объектом.

Поскольку не удается полностью избавить
ся от механического контактирования, датчи
ки положения не могут иметь теоретически
бесконечный срок службы, как бесконтактные
датчики угловой скорости ферромагнитного
зубчатого ротора. Надежность устройства оце
нивается в млн полных циклов работы датчи
ка до его наработки на отказ и в системах с ог
раниченным углом (<360°) составляет обычно
более 1 млн циклов. Для повышения надежно
сти движение установочного компонента под
пружинивается — в корпус датчика вводится
пружина, работающая на кручение (для про
тиводействия крутящему моменту двигателя)
или растяжение — сжатие (в линейных датчи
ках), а для обеспечения строгих допусков край
ние положения рабочего хода дублируются,
например, ограничительными ребрами. Сле
дует отметить, что в типичных конструкциях
имеются существенные ограничения на допу
стимый крутящий момент, прикладываемый
к несущей части датчика в течение срока его
службы (обычно не более 120 Н·мм), и возврат
ный момент пружины (порядка 20–120 Н·мм).

Установочный компонент является несущей
частью, на которой расположен активный элек
трический компонент (движок потенциомет
рического датчика) или бесконтактный маг
нитный или другой компонент (бесконтакт
ные датчики).

Особенности производства энкодеров

Фирма, решившая заняться производством энкодеров, должна продумать вопрос производства или приобретения оптических дисков или линеек, коллиматоров — преобразователей пучков света в параллельные лучи, и измерительных компонентов.

Сегодня промышленность выпускает полный набор готовых компонентов для выполнения измерений, в том числе и специально разработанные для автомобильных оптических энкодеров массивы светодиодов, светодиодные драйверы для оптимизации светопередачи в различных вариантах подключения, линейные оптические массивы фотодетекторов и опто-ASIC для формирования необходимого энкодерного интерфейса.

Рис. 81. Компоненты для автомобильных оптических энкодеров
а — линейный оптический массив MLX90255 Melexis для детектирования положения и спектрометрии;
б — iC-NQ-преобразователь с высоким разрешением синусно-косинусных сигналов в цифровой выход.

Например, компания Melexis выпускает MLX90255 (рис. 81а) — линейный оптический массив для широкого спектра автомобильных задач, включая EPAS, ESP, сканирование образов, детектирование положения, оптические линейные и угловые энкодеры. Спектр детектируемого света составляет 500–950 нм.

MLX90255 состоит из массива размерностью 128×1 фотодиодов или пикселей со встроенной электроникой, работающих синхронно благодаря встроенной логической схеме, для которой необходимо внешнее импульсное воздействие и тактирование. Пиксели, размещаемые на расстоянии 8 мкм, регистрируют изменения в положении от 200 до 66 мкм, в зависимости от цвета. Выход — 125 мВ в отсутствие света, номинальное значение в присутствии света — 2,4 В в диапазоне полной шкалы. Для того чтобы гарантировать плоский выход при освещении устройства одиночным светодиодом, применяется косинусная коррекция (усиление пикселя на 15% выше на краях, чем в середине).

Компанией TAOS, Inc. выпускаются линейные оптические массивы для автоэлектроники (например, линейные массивы TSL1401CS, TSL1401R), предлагаемые в широком диапазоне длин и разрешений, специфицируемых в 200, 300 и 400 точек на дюйм (DPI). TSL1401 со 128 пикселями и сканирующей плотностью 400 DPI работает с динамическим диапазоном 4000:1 (72 дБ). Устройство обеспечивает пропорциональный выход, не требуя внешнего резистора, и питается от напряжения 3–5 В.

Для инкрементальных и абсолютных энкодеров выпускаются также специальные интерфейсные ИС, обеспечивающие необходимый формат. (Оба типа датчиков, если сигнал поставляется ими в цифровой форме, могут быть подключены и непосредственно к микроконтроллеру.)

Инкрементальные энкодеры являются менее дорогими, но если требуется высокое разрешение, их цена увеличивается. Альтернатива — использование лазерных интерферометров, но они также являются дорогими. Следующая альтернатива для повышения разрешения — применение интерполяции, для осуществления которой выпускаются ASIC стоимостью около $1. Входные синусно-косинусные сигналы позволяют с помощью методов ЦОС вычислить тангенс и арктангенс углового положения, анализируя малые изменения во входных сигналах. Примером подобного интерфейса для автомобильных инкрементальных энкодеров является iC-NQ iC- Haus (рис. 81б) — преобразователь с высоким разрешением (до 8192 угловых шагов) синусно-косинусных сигналов в цифровой выход.

Особенность производства энкодеров в том, что очень сложно гибко адаптировать оптическое устройство к эксплуатации в конкретной автомобильной системе — даже при встраивании в систему микроконтроллера, программно активирующего измерительные пиксели, требуется поддерживать производство различных вариантов дисков со стандартным разрешением и набора комплектующих механических интерфейсных частей.

Для повышения гибкости адаптации к клиентским требованиям диски CoreTech содержат дорожку именно с неповторяющимися круговыми образцами кодовых полос, вторая дорожка содержит образцы для генерации 1024 аналоговых синусно-косинусных циклов, что позволяет добиться повышения разрешения и точности. Доступ к фотодиодам опто-ASIC осуществляется программно, что в итоге обеспечивает высокую гибкость устройства. Диаметр энкодеров достигает 60 мм.

Еще недавно только магнитные энкодеры благодаря возможности программирования их характеристик обеспечивали свойства, которые физически и с точки зрения стоимости нельзя было получить с помощью оптических технологий.