Автомобильные датчики

Термин «датчик» вошел в обиход, когда в далеких 20-40-х годах измерительные зонды (датчики) нашли бытовое применение (например, стали использоваться в автомобильной и бытовой технике).

Датчики — синонимичными понятиями являются (измерительные) зонды и (измерительные) чувствительные элементы — преобразуют физические или химические (в большинстве своем неэлектрические) величины в электрическую величину Е; зачастую это происходит посредством других неэлектрических промежуточных превращений.


В качестве электрических величин используют не только ток и напряжение, но и амплитуды тока и напряжения, частоту, период, фазу или длительность импульса электрического колебания, а также электрические величины — сопротивление, ёмкость и индуктивность. Датчик можно охарактеризовать с помощью следующих уравнений: (1) Е = /(Ф,УРУ2...) Выходной сигнал датчика (2) Ф = g(E,YpY2...) Искомый показатель. Если функции f или g известны, то они представляют собой модель датчика, с помощью которой рассчитывается искомый показатель по величинам выходного сигнала Е и параметров влияния Y практически безошибочно математическим способом («умные» датчики, англ: intelligent или smart sensors).

Модель датчика на практике имеет некоторые свободные параметры, с помощью которых можно осуществить калибровку модели к фактическим характеристикам индивидуального экземпляра датчика. При цифровом сигнале датчика параметры калибровки модели чаще всего сохраняют в программируемом, энергонезависимом устройстве памяти (PROM). В отличие от обычной аналоговой компенсации влияющих величин здесь можно успешно корректировать не только линейные воздействия, но и интенсивные нелинейные процессы. Большим преимуществом также является тот факт, что при таком способе калибровки, которые осуществляется исключительно посредством электрического соединения, каждый датчик можно откалибровать в процессе его эксплуатации.

Датчик давления маслаВ достаточно обобщенной формулировке термин «умные датчики» (Smartsensor) можно определить следующим образом, умные, в некоторых случаях встроенные датчики, или датчики с индивидуальной Особой электроникой, которые в месте использования называются просто датчиками, позволяют максимально использовать скрытую в датчике (статистическую и динамическую) точность с помощью средств микроэлектроники, в чем и состоит их отличие от обычных датчиков. При этом информация, полученная датчиком, особенно сложная информация структур, состоящих из нескольких датчиков, может сжиматься путем дополнительной обработки, т. е. отображаться уже на более высоком уровне (чем позволяет простой датчик), без необходимости использования большого числа внешних устройств. Не существует четкого правила относительно того, должны ли в датчиках быть интегрированы устройства для обработки сигнала, однако, рекомендуется, не делать различий, например, между элементарным датчиком, сенсорным элементом и встроенным датчиком.

Программирование или калибровка «умного» датчика осуществляется — как и корректировка обычных аналоговых датчиков — зачастую с помощью внешней ЭВМ (Host) в три этапа.

Центральная ЭВМ систематически варьирует как показатель хе, так и параметр (-ы) влияния и настраивает при этом определенное количество релевантных и репрезентативных рабочих точек. При этом «умный» датчик отображает еще не откорректированные «чистые сигналы». Посредством существенно более точных референтных датчиков центральная ЭВМ одновременно получает и «правдивые» величины хе и у. На основе сопоставления обеих величин центральная ЭВМ рассчитывает необходимый корректировочный параметр и интерполирует его на весь диапазон измерений.

На основании ранее полученных данных центральная ЭВМ рассчитывает характерные для данного экземпляра модельные параметры, например, для линейного отображения графических характеристик, и сохраняет их в PROM «умного» датчика. В ходе контрольной обработки эти данные можно сначала эмулировать в RAM центральной ЭВМ, прежде чем они окончательно будут «встроены в память» «умного» датчика. Если графические характеристики будут приведены в соответствие с полиномами более высокой степени, то, во избежание затяжных процессов расчета, в «умном» датчике сохраняют также трехмерные графические характеристики (Look-up tables). Хорошо зарекомендовало себя сохранение характеристик с крупными ячейками в сочетании с простой линейной интерполяцией между опорными точками.

Рабочая фаза

Теперь «умный» датчик отсоединяют от центральной ЭВМ, и он может практически без ошибок производить расчеты с помощью сохраненных модельных данных измеряемой величины хе. Он передает ее на подключенный блок управления, например, в цифровой форме, последовательным двоичным кодом или в аналоговой форме (например, с помощью импульсной модуляции). Посредством интерфейса шины измеряемая величина может передаваться цифровым способом на следующие блоки управления. Этот процесс корректировки можно повторять, если используется стираемый PROM. Уже на этапе разработки датчиков это является преимуществом. Пример: Двухкоординатная графическая поверхность опорных точек s (Tn, 0m) «умного датчика» для измерения отрезка S: Для высокоточной обработки датчика, который действует как переменная индуктивность, его естественная графическая характеристика и ее температурный режим приближены полиномам 5-ой степени. Он представляет собой элемент, выдающий частоту совершенно простой генераторной схемы как нескорректированный выходной сигнал периода Т. В качестве модели датчика для отрезка s вместо 36 коэффициентов полинома и длительной обработки полинома учитывается (записывается в файл) только общая графическая поверхность, включающая 32 х 64 = 2048 характерных параметра sn,m (в PROM) и простой интерполяционный алгоритм (в ROM). Если сигнал Т появляется между опорными точками Тп и Tn+3/ а температура О между опорными точками ©m und ©m+i , то, как показано на рисунке, интерполирование осуществляется двухмерно между «безошибочно» сохраненными нормативными параметрами S.....S и искомый параметр s (T, О) определяется как результат интерполяции.

Датчики температурыИспользование в автомобиле

С ростом требований, предъявляемых ко всем функциям автомобиля, за последние 40 лет последовательные, поначалу механически реализованные функции регулировки и управления были заменены электронными блоками (ECU, electronically controlled unit). Результатом этого явилась высокая потребность в датчиках и исполнительных элементах управления, с помощью которых эти электронные блоки управления с одной стороны могли бы измерять состояние транспортного средства, а с другой стороны могли бы влиять на них. Автомобильная промышленность стала за эти годы двигателем разработки и производства огромного числа различных датчиков. Если вначале они были в основном электромеханическими или имели макромеханическую форму, то тенденция конца восьмидесятых годов однозначно стала развиваться в сторону миниатюрных датчиков, изготавливаемых с использованием полупроводниковых методов (Batch Processing).

Временно несущественную роль в толстопленочной технологии играли датчики, которые брали свое начало из гибридных технологий. Они и сегодня иногда встречаются, например, в пластинчатых кислородных зондах и датчиках высокой температуры для измерения в зоне выхлопа. Если температурные датчики и датчики магнитного поля сначала создавались как структуры, подобные переключателям, и изготавливались отдельными партиями, то эта тенденция укрепилась, когда удалось структурировать кремний различными способами, а также микромеханически в двух и трех измерениях (координатных осях), и с помощью очень эффективных методов прочно и функционально соединить в различных положениях.

Поскольку технологии электронного полупроводникового переключения основаны практически только на кремнии как основном рабочем материале, во всех датчиках все остальные материалы и технологии играют незначительную роль. Так, например, кварц тоже можно микромеханически сформировать с помощью анизотропной технологии травления, однако он в отличие от кремния обладает лучшими пьезоэлектрическими свойствами. III-V-полу проводники, такие как арсенид галлия (GaAs), обладают гораздо более широким диапазоном рабочей температуры, чем кремний, что могло бы дать значительные преимущества при использовании на различных участках в автомобиле. Тонкие механические слои очень хорошо подходят для изготовления точных резисторов растяжения, точных температурных датчиков резисторов, зависимых от магнитного поля. С помощью кремния удалось интегрировать в датчик монолитным способом еще и электронику. Эта технология, несмотря на немногие исключения (например, Hall-IC), утратила свое значение из-за большого числа и многообразия этапов обработки и связанной с этим негибкости. Гибридные технологии интеграции в очень узкое пространство по всем правилам требуют значительно более экономичных, функциональных и равнозначных решений.

Если разработка датчиков вначале фокусировалась практически исключительно на внутриавтомобильных системах трансмиссии, ходовой и кузова, а также безопасности движения, то направление последних разработок все больше и больше ориентировано на внешние ближнее и дальнее окружение транспортного средства: ультразвуковые датчики определяют препятствия во время парковки и в обозримом будущем позволят, (в сочетании с другими датчиками) автоматически парковать автомобиль; радар ближнего действия определяет объекты в зоне вокруг автомобиля, которые с большой вероятностью могут стать причиной ДТП, чтобы выиграть время и настроить системы безопасности до столкновения (Precrash-датчики); датчики изображения могут определить не только дорожные знаки, но и передать их на дисплей водителя, а также распознавать контуры дороги, предупреждать водителя об опасности отклонения от дороги и при необходимости длительное время позволять ехать в автоматическом режиме; в сочетании с инфракрасными лучами и экраном в поле зрения водителя ИК-чувствительные датчики изображения позволяют осуществлять наблюдение за дорогой ночью и даже в тумане (ночное видение); датчики-радары дальнего действия осуществляют наблюдение за дорогой на расстоянии 150 м перед автомобилем, позволяя приспособиться к скорости автомобилей, движущихся впереди, а также длительное время поддерживать движение в автоматическом режиме.

Датчики и исполнительные элементы управления образуют в качестве периферии интерфейсы (согласующие устройства) между автомобилем с его сложными приводными, тормозными, ходовыми и кузовными функциями, а также ведущими и навигационными функциями и цифровым электронным блоком управления в качестве устройства для обработки данных. Как правило, согласующий переключатель выдает сенсорные сигналы для блока управления в необходимой стандартизированной форме (измерительная цепочка, система учета измерений). Эти согласующие переключающие устройства, скоординированные со специальными датчиками, имеются в наличии в большом количестве в интегрированной форме. Они представляют собой существенное и ценное дополнение к представленным здесь датчикам, без которого использование датчиков было бы невозможным, а качество измерений можно оценить только в сочетании с ним.

В изображенном многоэтапном процессе «автомобиль» данные датчиков других рабочих элементов (элементов управления), равно как и водитель, пользующийся простым управляющим выключателем, также могут оказывать влияние. Индикаторы сообщают водителю информацию о состоянии и выполнении всего процесса.

Данные о рынке датчиков

Доля добавленной стоимости электрики и электроники в автомобиле составляет на сегодняшний день около 26 %. Между тем, практически каждый второй датчик встраивают в автомобиль при ежегодном приросте, который определяется все еще двузначным числом. С конца девяностых годов все большую долю составляют микромеханические и микросистемные датчики, в 2005 году они составили уже треть всего объема.

В отличие от общего рынка датчиков, в секторе для легковых автомобилей Европа с долей рынка 41% и компания «Bosch» как ведущий мировой производитель в настоящее время значительно опережают Америку с показателем лишь в 34 %. В целом рынок датчиков, используемых в автомобилестроении, возрос с 8,88 миллиардов US-$ в 2005 году до 11,35 миллиардов U.S-$ в 2010, т.е. на 28%.

Существуют три типичные группы фирм, которые производят датчики для автомобилей. Полупроводниковая промышленность: здесь появились датчики из производства полупроводников благодаря использованию некоторых специальных этапов работ. Они обслуживают весь рынок датчиков, включая автомобильную промышленность, и обладают хорошо функционирующей системой продаж. Микромеханические процессы по производству датчиков постоянно совершенствуются в сочетании с полупроводниковыми процессами. Однако у этих компаний нет специфического «ноу-хау» в области исключительно автомобильного назначения, технологий контроля и монтажа.

Специализированные, зачастую среднемасштабные производители датчиков, которые не производят полупроводниковые переключающие устройства, а выбрали в качестве узкого направления всего несколько типов датчиков, чтобы поставлять их для всего рынка или даже для отдельных направлений, таких как, например, автомобильный рынок.

Крупные поставщики для автомобильной промышленности и производители систем (например, «Bosch») или крупные дочерние предприятия автомобильных производителей, которые специализируются на потребностях и поставках своих дочерних концернов. Предприятия этого сегмента также производят полупроводниковые и гибридные переключающие схемы с момента введения электроники в автомобиль, в тесном сотрудничестве с производителями полупроводников (разработка процесса, получение лицензии). Здесь разработано большое количество изобретений (ноу-хау) в области оснащения автомобиля, технологий контроля и монтажа, основывающихся на системных знаниях.