Анализ схемы измерения крена автомобиля

Расчет параметров элементов схемы измерения крена автомобиля. Основные принципы работы датчиков положения, измерителей крена и акселерометров. Анализ и моделирование принципиальных схем с помощью программы схемотехнического моделирования Micro-CAP 9.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время перед автомобильной промышленностью нашей страны ставится широкий ряд задач. Одна из них - развитие и внедрение систем стабилизации, ориентации и навигации, поэтому данная тема является актуальной в наше время . К таким системам относятся датчики измерения крена, датчики положения ,акселерометры.

Датчики положения широко используются для измерения угла крена и наклона, сил инерции, ударов и вибрации. Они находят широкое применение в автомобилестроении, медицине, индустриальном контроле и других приложениях.

Использование датчиков положения:

· Измерение крена или наклона

для систем предупреждения в автомобиле

для мониторирования (отслеживания) состояния пациентов

· Измерение сил инерции

для защиты дисковых накопителей в портативных компьютерах

для создания датчиков аварий воздушных резервуаров

для навигационных систем автомобилей

для контроля подъемных устройств

· Измерение ударов и вибрация

для контроля механизмов

для проведения специальных испытаний

· Создание акселерометров в диапазоне ускорений от ±2g до ±100g

Целью данной работы является исследование схемы измерителя крена автомобиля.

В рамках поставленной задачи можно выделить следующие цели:

- сделать обзор датчиков положения и измерителей угла наклона;

- исследование основных характеристик измерителя крена автомобиля;

- провести построение измерителя крена автомобиля;

- осуществить моделирование измерителя крена автомобиля;

В выпускной работе используется отечественная и переводная литература по данной теме.



1. Обзор ЛИТЕРАТУРЫ

Элемент ячейки измерения ускорения показан на Рис.1.1. Элемент поверхностного микрообработанного датчика выполняется путем осаждения поликремния на вспомогательный оксидный слой, которой затем стравливается, оставляя при этом свободно подвешенный элемент датчика.

Рис.1.1 Микрообработанные акселерометры семейства АDXL (вид свеху)

На самом деле реальный датчик содержит десятки таких элементарных ячеек для измерения ускорения, но на рисунке, для ясности, показана всего одна ячейка. Электрической основой датчика является дифференциальный конденсатор (СS1, СS2), который образован центральной пластиной, являющейся частью подвижной балки, и двумя фиксированными внешними пластинами. Эти два конденсатора равны по величине в состоянии покоя (при отсутствии ускорения). При приложении ускорения масса балки вызывает ее смещение в сторону одной из фиксированных пластин и удаление от другой.

Это изменение дифференциальной емкости является электрической основой для работы нормирующей электроники, показанной на Рис.1.2.

Рис.1.2 Внутренняя структура устройства нормирования сигналов акселерометров семейства АDXL

На фиксированные пластины конденсатора датчика подается дифференциальное напряжение 1 МГц прямоугольной формы: амплитуды напряжения равны, а фазы сдвинуты на 180°. В состоянии покоя величины двух конденсаторов одинаковы и потому выходное напряжение в их электрическом центре (т.е. на центральной пластине, закрепленной на подвижной балке) = 0. Когда балка начинает двигаться, возникает рассогласование емкостей, и оно дает выходной сигнал на центральной пластине. Выходной сигнал будет увеличиваться с ростом ускорения. Сигнал с центральной пластины буферизуется усилителем А1 и подается далее на синхронный детектор. Перемещения балки воздействует на фазу сигнала, и поэтому для получения информации об амплитуде используется синхронное детектирование. Выходной сигнал синхронного детектора подается на усилитель А2, который дает выходное напряжение Vout, пропорциональное ускорению.



Рис.1.3 Измерение крена с использованием акселерометра

Одним из интересных приложений акселерометров рассчитанных на измерение малой величины ускорения является измерение угла крена. На Рис.1.3. показана реакция акселерометра при крене. Выходной сигнал акселерометра на диаграмме нормализован на верхний предел шкалы в 1 g. Выходной сигнал акселерометра пропорционален синусу угла крена по отношению к горизонтальной плоскости. Отметим, что максимальная чувствительность имеет место тогда, когда ось акселерометра перпендикулярна к направлению ускорения. Эта схема позволяет измерять углы крена от -90° до +90°.(поворот на 180°). Однако, для того, чтобы измерить полный оборот на 360° следует использовать акселерометр чувствительный по двум осям.

Рис.1.4 Двухосевой акселерометр ±2 g АDХL202

На Рис.1.4 показана упрощенная блок-схема двух осевого ±2 g акселерометра АDХL202. Выходной сигнал представляет собой импульсы, скважность следования которых содержит информацию об ускорении. Данный тип выхода крайне полезен вследствие своей высокой помехозащищенности и той особенности, что данные передаются всего по одному проводу. Стандартные микроконтроллеры недорогой стоимости имеют в своем составе таймеры, которые можно легко использовать для измерения временных интервалов Т1 и T2. Ускорение g вычисляется с использованием формулы

Отметим, что скважность в 50 % (Т1 = T2) на выходе дает g = 0. Величину T2 не следует измерять в каждом цикле измерения. Ее необходимо модифицировать только тогда, когда требуется учесть влияние изменения температурных условий.

Поскольку временной период T2 присутствует одновременно в каналах X и Y, его необходимо измерять только по одному каналу. С помощью внешнего резистора период T2 можно устанавливать в пределах от 0.5 мс до 10 мс.

В данном акселерометре можно получить аналоговое напряжение, отражающее величину ускорения, путем буферизации 'сигналов с выходов Хfil или Yfil, или путем пропускания сигналов с выходов «скважности» через RC фильтр для восстановления их постоянной составляющей.

Единственный акселерометр не может удовлетворять всем приложениям. Особенно таким, где требуются акселерометры с низким и высоким пределами по g. Устройства с низким g полезны в таких приложения, как измерение угла крена, а акселерометры с высоким g требуются в таких приложениях как, например, датчики контроля целостности воздушных резервуаров. На Рис.1.5. показаны акселерометры семейства АDХL Analog Devices на настоящий момент времени. Отметим, что некоторые из указанных устройств являются двух осевыми модификациями и устройствами, где выходная информация представлена скважностью.

Рис.1.5Акселерометры семейства АDХL

Дифференциальный емкостной датчик угловых и линейных перемещений.

Дифференциальный емкостной датчик разрабатывался для измерения угла отклонения зеркала сканера (раздел "Omega-VIMS" проекта "Марс-94", "Марс-96" СКБ КП ИКИ РАН, г. Таруса), а также был применен в макете магнитного подшипника, электронном строительном уровнемере и как датчик угла поворота поворотной платформы. При соответствующей конструкции может быть использован для измерения линейных перемещений.

При разработке и отлаживании макетов устройств сканирования светового потока необходимо решать задачу определения угла поворота зеркала устройства. Величина угла поворота составляет, как правило, единицы градусов или даже доли градуса, причем определять ее в большинстве случаев нужно с точностью не хуже 1 ... 2 %. Дополнительным осложнением является необходимость проводить измерения в динамике, т. е. при движущемся зеркале. Частота сканирования при этом может доходить до нескольких десятков герц. Устройства типа механических или оптических микрометров обладают достаточной точностью, но не позволяют проводить измерения на движущемся объекте. Они могут использоваться только для калибровки. Также не подходят измерительные устройства на основе индуктивных датчиков угла поворота, так как не обладают достаточной стабильностью. Наиболее полно условиям проведения измерений удовлетворяют емкостные датчики угла поворота, но они обычно отличаются сложностью электронных схем. Разработанный емкостной датчик угла поворота имеет простую и надежную электронную схему при удовлетворении условий точности, стабильности и быстроты измерений. Кроме того, его первичный преобразователь (чувствительный элемент) не оказывает влияния на движение зеркала сканирующего устройства.

Принцип работы.

В качестве чувствительного элемента емкостного датчика угла поворота используется дифференциальный конденсатор. Его конструкция может быть достаточно произвольной. Варианты представлены на рис. 1, 2. Емкость каждого из плеч может быть небольшой - порядка десяти пикофарад, но необходимо, чтобы относительное изменение емкостей было как можно большим.

Рис. 1.6. Конструкция чувствительного элемента емкостного датчика угла отклонения зеркала сканера: 1 - основание сканера, 2 - зеркало сканера на торсионе (соединено с общим проводом), 3 - пластины дифференциального конденсатора (изолированы от основания и зеркала).



Рис. 1. 7. Конструкция чувствительного элемента емкостного датчика угла поворота: 1 - крепежный винт, 2 - статор (стеклотекстолит), 3 - обкладки статора (медная фольга), 4 - изолирующая прокладка (полиэтиленовая пленка толщиной 0.1 мм), 5 - обкладки ротора, соединенные перемычкой (медная фольга), 6 - ротор (стеклотекстолит), 7 - гайка

Конструкция электронной части.