Датчик ускорения для чего нужен в автомобиле

Датчик ускорения для чего нужен в автомобиле

Для активации аварийки при резком смещении .Можешь выкинуть. Штука полезного ничего не несет. Но повороты работать не будут, пока не восстановишь родную проводку в местах разрывов.

а не он подушки активирует при столкновении?

На SRS стоит отдельный блок.

Стоял в рабочем фокусе отключили и ничего не изменилось видать пред хозяин ставил

Вспомнил только что — несколько лет назад я помогал другу на клиентский парк автомобилей ставить подобные штуки — для мониторинга за тем как используются автомобили, к этому блоку шёл еще контроль концевика ремня безопасности водителя.
Правда компания, что занималась сбором и анализом этих данных, пару лет назад почила в бозе.

Контроль как машину используют — резкие повороты, разгон/торможение.
Телеметрические данные для страховых или компаний которые занимаются защитой от угона.

Ремонт и техническое обслуживание автомобилей

В некоторых автомобильных ЭСАУ для фиксации величины ускорений требуются соответствующие датчики, которые обычно называют акселерометрами. Акселерометры используются в системах безопасности, навигационных системах, активной подвеске.
Пьезоэлектрические и тензорезистивные акселерометры создаются на основе твердотельных материалов, которые обладают электрической чувствительностью к механическим воздействиям.

Пьезоэлектрические акселерометры

Такой тип датчиков ускорения широко используется для вибрационных измерений, благодаря точности данных, надежности и простые конструкции (рис. 1, а). Чувствительность автомобильных акселерометров составляет около 20 мВ/g, они имеют малые размеры и выпускаются в интегральном исполнении с термокомпенсацией. Их погрешность составляет 0,5% при температурах -40. + 110 ˚С.

Рис. 1.
а) Принципиальная конструкция акселерометра;
б) Высокочастотный сигнал пьезодатчика;
в) Схема усилителя-формирователя для обработки сигнала пьезоэлектрического акселерометра

При деформации (сжатии) пьезокристалла на его гранях появляется электрический сигнал, пропорциональный ускорению. Рабочий диапазон частоты 5. 100000 Гц. Для обработки сигнала от подобных пьезоэлектрических датчиков используется электронный усилитель-формирователь (рис. 1, в). Акселерометры подушек безопасности автомобиля

Эти акселерометры являются механическими датчиками инерционного типа. Такие датчики обычно располагаются не дальше 40 см от предполагаемого места удара. Обычно используются 3. 5 датчиков.

Конкретное исполнение инерционных датчиков может отличаться у разных производителей системы безопасности, но все они работают по одному и тому же принципу.
В обычных условиях движения автомобиля выходные контакты акселерометра разомкнуты, они замыкаются, когда датчик испытывает отрицательное ускорение в диапазоне 15. 20 g, что соответствует наезду автомобиля на твердое препятствие со скоростью 15. 30 км/ч. Существует несколько конструкций акселерометров, применяемых в системах безопасности.

Рис. 2. Акселерометр с постоянным магнитом

Самыми распространенными механическими акселерометрами являются акселерометры с постоянным магнитом. Эта механическая конструкция (рис. 2) состоит из чувствительной массы (металлического шара), которая прочно удерживается в задней части небольшого цилиндра мощным постоянным магнитом.
Выходные электрические контакты датчика всегда разомкнуты, и при столкновении сила инерции металлического шара преодолевает притяжение магнита, шар двигается по цилиндру и замыкает контакты, сигнал поступает в ЭБУ.

В таких датчиках различные конструктивные параметры его элементов, например, масса шарика, сила притяжения магнита, демпфирование и др., увязываются с динамикой конкретного автомобиля при ударе. При этом учитывается вес автомобиля, конструкция корпуса, места расположения датчиков.

Специальные акселерометры

В последние годы в машиностроении, в т. ч. — в автомобилестроении, широко применяются интегральные акселерометры на основе полупроводниковых или пьезоэлектрических тензорезисторов, имеющие малые размеры, высокую надежность, программируемость, Такие интегральные датчики располагаются как можно ближе к центру салона.

Их чувствительность к ударному ускорению выше, чем у механических, из-за амортизации корпуса. Используется один датчик для фронтального удара с диапазоном ±50 g.
Могут применяться датчики боковых ударов, пьезорезистивные или емкостные с погрешностью менее 5% и частотным диапазоном 0. 750 Гц.
Акселерометры используются также в активной подвеске для определения изменения нагрузки на колеса, их рабочий диапазон ±2 g, погрешность менее 5%, диапазон частот 0. 10 Гц.

В системах стабилизации движения автомобиля использовались акселерометры (рис. 3) для определения поперечных значений ускорения.
Подобные датчики также используются в системах полного привода с подключаемой муфтой в качестве датчиков продольного ускорения автомобиля. Преобразователем является датчик Холла 4, выходное напряжение которого зависит от величины отклонения чувствительного элемента – постоянного магнита 3, подвешенного на пруженной пластине 2 под действием ускорения.
Корпус 1 датчика выполняет роль магнитного демпфера.

Рис. 3. Датчик поперечного (продольного) ускорения автомобиля

Емкостные акселерометры

Емкостной датчик поперечного ускорения (рис. 4) представляет собой несколько последовательно соединенных конденсаторных пластин.
В корпусе 1 на подвеске 4 установлена подвижная конденсаторная пластина 3 с сейсмической массой (грузом), перемещающаяся при воздействии поперечных ускорений а.
Еще две конденсаторные пластины 2 неподвижны и установлены так, что образуется два последовательно соединенных конденсатора K1 и K2.
С помощью контактных площадок 5 датчик подключается к ЭБУ.

Рис. 4. Ёмкостной датчик поперечного ускорения:
а) устройство;
б) электрическая схема; 1 — корпус; 2 — неподвижная пластина; 3 — подвижная пластина с сейсмической массой; 4 — подвеска; 5 — контактная площадка

При отсутствии ускорения измеренные емкости С1 и С2 обоих конденсаторов равны по величине.
При возникновении поперечного ускорения массивная подвижная пластина под действием силы инерции смещается относительно неподвижных пластин встречно ускорению. При этом изменяются расстояния между пластинами и емкость каждого из конденсаторов, например, в конденсаторе K1 расстояние между пластинами увеличивается, емкость С1 уменьшается; в конденсаторе K22 расстояние между пластинами уменьшается, емкость С2 увеличивается.

Датчик ускорения для чего нужен в автомобиле

Библиографическая ссылка на статью:
// Современная техника и технологии. 2012. № 8 [Электронный ресурс]. URL: https://technology.snauka.ru/2012/08/1267 (дата обращения: 24.01.2022).

УДК 681.3.06

Вадим Фридрихович Яковлев, доцент

Константин Сергеевич Афанасенко, студент 3-ЭТ-5

Самарский государственный технический университет

Некоторые твердотельные материалы обладают электрической чувствительностью к механическим воздействиям. Такие материалы часто используются для преобразования механических величин в электрические. Их можно разбить на два основных класса: материалы активного типа, в которых приложенная сила генерирует электрический заряд, и материалы пассивного типа, в которых приложенная сила вызывает лишь изменение электрических характеристик материала.

Пьезоэлектрические материалы относятся к первому классу. Они, кроме того, испытывают механическую деформацию под воздействием электрического сигнала. Пьезоэлектрический эффект обусловлен тем, что при искажении несимметричной кристаллической решетки происходит внутреннее перераспределение зарядов, при котором положительные и отрицательные заряды смещаются к противоположным поверхностям кристалла.

К материалам второго типа относятся полупроводниковые тензорезисторы.

Пьезоэлектрические акселерометры широко используются для вибрационных измерений, т.к. это точные, надежные и простые устройства. На рисунке 3 показана базовая конструкция акселерометра, работающая в компрессионном режиме, широко используемая в автомобильной промышленности. Чувствительность автомобильных акселерометров составляет около 20 мВ/g.

Рис.1.Базовая конструкция акселерометра

При деформации пьезокристалла на его гранях появляется заряд, пропорциональный в данном случае ускорению. Рабочий диапазон частот 5…100000 Гц. Для обработки сигнала от пьезоэлектрических датчиков используется усилитель заряда.

Пьезорезистивные акселерометры выпускаются в интегральном исполнении. После принятия мер по термокомпенсации датчики имеют погрешность не хуже 0.5% в температурном диапазоне –40…+110°С.

Акселерометры для воздушных мешков безопасности. Механические датчики должны располагаться не далее 40 см от места удара. Используются обычно 3÷5 датчиков.

Конкретное исполнение датчиков зависит от производителя системы, но все они работают по одному и тому же принципу. В обычных обстоятельствах выходные контакты акселерометра разомкнуты, они замыкаются, когда датчик испытывает отрицательное ускорение в диапазоне 15 – 20 g, что соответствует наезду автомобиля на твердое препятствие со скоростью 12 – 20 миль в час. Существует несколько конструкций акселерометров, применяемых в системах безопасности, рассмотрим некоторые из них.

Акселерометр с постоянным магнитом . Эта механическая конструкция (Рис.2) состоит из чувствительной массы ( металлического шара) , которая прочно удерживается в задней части небольшого цилиндра мощным постоянным магнитом. Во время обычной езды выходные электрические контакты датчика разомкнуты. При столкновении сила инерции металлического шара преодолевает притяжение магнита, шар катится по цилиндру вперед и замыкает контакты, сигнал поступает в ЭБУ.

Рис.2.Акселерометр с постоянным магнитом

Динамические характеристики механических акселерометров описываются дифференциальным уравнением 2-го порядка. Такие параметры, как жесткость пружины, масса шарика, сила притяжения магнита, демпфирование и т.д. должны быть увязаны с динамикой автомобиля при ударе. Эти параметры подбирают под конкретную модель автомобиля с учетом его веса, конструкции корпуса, места расположения датчика.

В последнее время начали применяться интегральные акселерометры на основе полупроводниковых или пьезоэлектрических тензорезисторов. Они более надежны, программируются, их характеристики воспроизводимы с более высокой точностью. Интегральные датчики располагаются примерно в центре салона. Порог срабатывания их ниже, чем для механических из-за амортизации корпуса. Используется один датчик для фронтального удара с диапазоном ±50g. Могут применяться датчики боковых ударов, пьезорестивные или емкостные. Погрешность менее 5%, частотный диапазон 0…750 Гц.

Акселерометры используются также в активной подвеске для определения изменения нагрузки на колеса. Рабочий диапазон ±2g, погрешность менее 5%, диапазон частот 0…10 Гц.

В некоторых недорогих системах ABS используются акселерометры для определения предельных значений ускорения при которых возможно проскальзывание колес. Рабочий диапазон ±1g, погрешность менее 5%, диапазон частот 0.5…50 Гц.

Датчик детонации

Датчик детонации используется для обнаружения явления детонации при сгорании рабочей смеси в цилиндрах. Контроль за детонацией особенно актуален в современных двигателях с высокой компрессией, так как для их эффективной работы угол опережения зажигания в них близок к предельному, за которым начинается детонация.

Обнаружение детонации можно производить различными способами: измерением давления непосредственно в цилиндре, измерением ионизационного тока через электроды свечи после воспламенения и т.д. На практике используется метод измерения вибрации цилиндров с помощью пьезоэлектрического датчика детонации. На рисунке 3 схематично показан датчик детонации . Датчик выполнен таким образом, что его резонансная частота совпадает с частотой детонации двигателя (обычно в диапазоне 6…12 кГц). Датчик закрепляется на блоке цилиндров и реагирует даже на слабую детонацию.

Рис.3.Датчик детонации. 1 – пьезоэлемент, 2 – шунтирующий резистор

При появлении детонации вибрация двигателя приводит к генерации сигнала на выходе датчика (Рис.4). ЭБУ двигателя фильтрует сигнал с датчика детонации, производит аналого-цифровое преобразование. После момента зажигания (вероятное время появления детонации) производится сравнение сигнала с датчика детонации с заданным уровнем (Рис.5). При обнаружении детонации ЭБУ уменьшает угол опережения зажигания во всех цилиндрах или только в одном. При выходе датчика детонации из строя ЭБУ устанавливает безопасное значение угла опережения зажигания. При исчезновении детонации ЭБУ начинает постепенно увеличивать угол опережения до появления детонации и т.д. Таким образом, ЭБУ удерживает двигатель в эффективном режиме работы на грани детонации, но без опасности поломок и выхода из строя.

Рис.4.Выходной сигнал датчика детонации

Литература

1. Соснин Д.А., Яковлев В.Ф.Новейшие автомобильные электронные системы. М.: Солон-Пресс, 2005. 256 с.

2. Ютт В.Е., Электрооборудование автомобилей, 2-е издание. М.: Транспорт, 2003. 365 с.

3. Ribbens W. B. Understanding automotive electronics.Burlington,USA: Newnes publications, 2009. 481 с.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:

&copy 2022. Электронный научно-практический журнал «Современная техника и технологии».

Акселерометр (датчик ускорения) в автомобиле

Датчик ускорения (другое название – акселерометр) измеряет ускорение или в соответствии со вторым законом Ньютона силу, вызывающую ускорение инерционной массы. В системе курсовой устойчивости датчик ускорения измеряет силы, действующие на автомобиль и стремящиеся изменить заданную водителем траекторию движения. Датчик ускорения используется, как правило, совместно с датчиком угловой скорости.

В зависимости от оцениваемых сил различают датчики поперечного и продольного ускорения. Датчик поперечного ускорения измеряет силы, вызывающие боковой снос автомобиля. Данный датчик является обязательным элементом системы курсовой устойчивости.

Датчик продольного ускорения используется на автомобилях с полным приводом. На переднеприводных автомобилях продольное ускорение оценивается косвенным путем (давление в тормозной системе, частота вращения колес, режим работы двигателя). Конструктивно датчик продольного ускорения аналогичен датчику поперечного ускорения, но устанавливается под прямым углом к последнему.

Кроме системы динамической стабилизации датчик ускорения применяется в других автомобильных системах: системе пассивной безопасности (датчики удара), адаптивной подвеске, системе защиты пешеходов, системе контроля давления в шинах, системе адаптивного освещения, охранной сигнализации. Используемые в системах датчики различаются величиной измеряемого ускорения и способом измерения.

В системе курсовой устойчивости используются датчики ускорения емкостного типа, которые отличает простота конструкции и широкий температурный диапазон работы. Принцип действия емкостного акселерометра основан на изменении емкости чувствительного элемента при перемещении инерционной массы под действием ускорения.

Конструкция датчика ускорения объединяет два параллельных конденсатора, включающих две фиксированные обкладки и одну общую подвижную обкладку, находящуюся между ними. Ускорение, действующее на датчик, изменяет расстояние между обкладками и, тем самым, изменяет емкость конденсаторов. По изменению емкости конденсаторов система распознает направление и величину, действующего на автомобиль ускорения.

На самом деле чувствительный элемент датчик ускорения более сложный и представляет собой кремниевую микромеханическую систему. Она объединяет две гребневидные структуры, входящие зубьями друг в друга и образующими несколько пар конденсаторов.

Точность измерения требует расположение датчика ускорения как можно ближе к центру тяжести автомобиля. Конкретное место установки датчика различается в зависимости от марки и модели автомобиля (в тоннеле между передними сидениями, под сидением водителя, под рулевой колонкой и др.).

Для сокращения числа компонентов, экономии внутреннего пространства автомобиля используется блочное расположение датчиков. Так, в один сенсорный блок может быть интегрировано два датчика ускорения и датчик угловой скорости.

Если Вы заметили ошибку, неточность или хотите дополнить материал, напишите об этом в комментариях, и мы исправим статью!

Датчики ускорения и вибрации

Датчики ускорения и вибрации могут использоваться для вклю­чения системы пассивной защиты автомо­биля, выявления детонации и управления работой двигателя, а также контроля по­перечных ускорений и изменений скорости полноприводных автомобилей с ABS. Вот о том, какими бывают датчики ускорения и вибрации, мы и поговорим в этой статье.

Что измеряют датчики ускорения

Все датчики ускорения измеряют силы, воз­действующие на (инертные) массы m путем ускорения а согласно основному закону механики:

F=m·a

Как и в случае с измерением силы, существуют системы для измерения и положения и ме­ханического напряжения. Первые особенно широко используются в области малых уско­рений. Системы измерения положения также позволяют использовать компенсационный метод, в котором вызванное ускорением системное отклонение компенсируется эк­вивалентной восстанавливающей силой, так что в идеале система практически всегда работает очень близко к нулевой точке (высокая линейность, минимальная перекрестная чувствительность, стойкость к высоким тем­пературам). Эти системы с управлением по положению также имеют большую жесткость и частоту отсечки, чем системы перемеще­ния того же типа. Здесь можно электронно создать любой недостаток механической амортизации.

Примеры типичных значений ускорений в автомобиле

Все датчики ускорения крепятся через пру­жины прямо к гравитационному маятнику (см. рис. «Датчики ускорения, измеряющие смещение«). Иными словами, инертная масса эластично соединяется с кузовом, ускорение которого требуется измерить. Это означает, что в ста­тическом случае сила ускорения находится в равновесии с восстанавливающей силой, воздействующей на пружину, отклоненную на х:

Автомобильные акселерометры. Часть 1. Автомобильные акселерометры – важнейший сегмент в конъюнктуре современного рынка автомобильных датчиков

В статье представлен обзор современного автомобильного рынка акселерометров и систем с их использованием. Первая часть статьи акцентирует внимание на текущих и будущих сферах применения акселерометров, связанных с автомобильной безопасностью, и перспективах MEMS-технологий в автоэлектронике, включая смежные области рынка автомобильных MEMS&датчиков: гироскопов, датчиков угловой скорости, давления и т. д.

Все статьи цикла:

• Автомобильные акселерометры. Часть 1. Автомобильные акселерометры – важнейший сегмент в конъюнктуре современного рынка автомобильных датчиков
• Автомобильные акселерометры. Часть 2. Автомобильные акселерометры – ключевые фигуры систем безопасности и комфорта
• Автомобильные акселерометры. Часть 3. Классификация и анализ Базовых рабочих принципов
• Автомобильные акселерометры. Часть 4. Развитие технологий и элементной базы ёмкостных акселерометров
• Автомобильные акселерометры. Часть 5. Перспективная элементная база поверхностных кремниевых ёмкостных MEMS – акселерометров
• Автомобильные акселерометры. Часть 6. Некоторые уникальные технологии. Итоговый сравнительный анализ и оценка перспектив

Введение

Акселерометр или датчик инерции измеряет ускорение или, согласно второму закону Ньютона, силу, вызывающую ускорение инерционной массы.

Рабочие принципы датчиков различаются в зависимости от способа получения электрического сигнала при детектировании движения инерционной массы [1]. Сегодня выделяются три следующие категории автомобильных акселерометров (рис. 1) [1–4]:

• пьезоэлектрические;
• пьезорезистивные;
• емкостные.

Акселерометры включаются в мехатронные системы, чтобы измерять движение, положение, наклон, вибрацию и удар.

Акселерометры широко используются для наблюдения сейсмической активности (обнаружения колебаний зданий и мостов), измерения виброустойчивости оборудования, тестирования механической прочности корпусов, в виртуальной реальности, спортивном оборудовании, сотовых телефонах, компьютерах (PDA, laptop и др.), робототехнике и т. д. [1–9].

Автомобильные акселерометры и значительное число электронных систем с их использованием формируют сегодня несколько крупнейших и быстроразвивающихся сегментов рынка автоэлектроники [9–10, 19].

Автомобильная сфера применения акселерометров сконцентрирована в области систем безопасности, комфорта пассажиров, динамического контроля автомобиля и включает следующие области задач:

• Обнаружение аварии, активация систем безопасности и контроль развертывания подушек безопасности (Crash detection, Airbag deployment systems, Restraint systems).
• Детектирование крена (Rollover detection), боковых аварий и опрокидываний.
• Аварийные испытания (Crash-tests), в том числе для оснащения манекенов.
• Запись данных об аварии (Crash recording).
• Адаптивный круиз-контроль (Adaptive Cruise Control).
• Защита пешеходов (Pedestrian Protection).
• АБС (4WD ABS — Four Wheel Drive AntiLock Brake System).
• Контроль сцепления (Traction Control System).
• Контроль динамической стабильности
  (Vehicle Stability Control, Electronic Stability Program).
• Контроль активной (или полуактивной) подвески (Active Suspension Control).
• Системы охранной сигнализации (Burglar Alarm) в противоугонных системах (Antitheft Systems).
• Электронная парковка тормоза (Electronic Parking Brake).
• Компенсация измерений уровня (Fluid Level Compensation).
• Управление фарами (Headlamp Adjustment).
• Системы транспортной навигации (Vehicle Navigation Systems) и GPS (Global Positioning System).
• OBDII — контроль неровности дороги.
• Управление двигателем и трансмиссией.
• Наблюдение за давлением в шинах (Tire Pressure Monitoring).
• Сенсорный кластер (Sensor Cluster) — блок инерциальных измерений «inertial measurement unit» (IMU) с шестью степенями свободы, располагаемый ориентировочно в центре автомобиля для сбора информации для всех инерционных систем — противоугонной, VSC, навигации, и т. п.

Тенденции современного автомобильного рынка датчиков и рыночная ниша акселерометров

Статистические данные маркетинговых исследований свидетельствуют о высоких объемах и увеличенных темпах роста продаж акселерометров в конъюнктуре автомобильного рынка за последние годы. Так, по данным Roger Grace Associates и Strategy Analytics [10], датчики скорости и положения составляли 38% от общего автомобильного рынка датчиков 2000 года в денежном эквиваленте, далее следовали датчики концентрации кислорода (oxygen sensors) — 20%, массового расхода воздуха — 13%, акселерометры — 11%, давления — 10%, температуры — 5% и другие — 3%.

По статистике Freedonia Group, Inc. [11], средневзвешенное число датчиков в типичной североамериканской легковой машине почти удвоилось за прошлое десятилетие, с 18 — в 1992 году до 30 — в 2002 году; в 2002 году объем продаж автомобильных датчиков в североамериканском рынке легковых автомобилей составил $3,1 млрд. Его основные сегменты:

• датчики систем управления двигателем и основными узлами и агрегатами, обеспечивающими передвижение автомобиля Engine&Drivetrain (в эту группу входят датчики положения, давления, массового расхода воздуха, датчик скорости автомобиля, температуры, датчик детонации, датчики уровня жидкости и некоторые другие) — 39%;
• датчики контроля эмиссии (датчик концентрации кислорода, датчик положения клапана системы рециркуляции отработавших газов, датчик эмиссии летучих паров, температуры отработавших газов и др.) — 35%;
• датчики систем безопасности (Safety&Security) (датчики инерции, датчики скорости колеса, положения пассажиров, определения объектов, датчики давления накачки шин и др.) — 24%;
• прочие типы — 2%.

Freedonia прогнозирует увеличение спроса на североамериканском рынке на датчики на 7,9% ежегодно; ожидается, что объемы продаж достигнут 4,5–4,6 млрд долл. в 2007 году. В то же время прогнозы Freedonia для отдельных сегментов рынка различны, в том числе и в отношении темпов роста: для наиболее многочисленной категории — датчиков группы Engine&Drivetrain — прогнозируется резкое снижение темпов роста, перспективы роста спроса на датчики контроля эмиссии оцениваются как устойчивые, управляемые ужесточением норм в США, Канаде и европейских странах.

На датчики систем Safety&Security, включая акселерометры, Freedonia прогнозирует значительное увеличение спроса. Наибольший потенциал роста для этой группы объясняется тем, что электронные инновации диктуются как соответствующими нормами и стандартами, так и потребностями рынка. Ключевые области роста продаж включают: датчики контроля давления в шинах (стандартизируются), дополнительные воздушные подушки (вводимые согласно стандартам и вследствие рыночной ситуации), системы детектирования положения пассажиров (стандартизируются), и датчики продвижения систем круиз-контроля (вследствие рыночной ситуации).

Ужесточение стандартов на обеспечение дорожной безопасности в развитых странах и связанное с этим повышение эксплуатационных качеств систем защиты является одной из важнейших причин увеличения роста продаж акселерометров на мировом рынке, причем новые электронные системы формируют потребность в более «умных» и дорогих датчиках.

Объективным фактором увеличения систем управления в автомобиле различного функционального назначения — от мониторинга состояния двигателя до систем безопасности пассажиров — является развитие технологий микроэлектромеханических систем (MEMS — microelectromechanical systems) [2, 6, 11, 14–16]. Концепция MEMS включает интеграцию на кремниевой основе ИС механических элементов, сенсоров и исполнительных устройств (actuators), а также электроники обработки сигнала.

>MEMS-технологии повсеместно сопровождают авангардные технические решения; на их основе созданы ключевые маркетинговые фигуры автомобильного рынка MEMS-акселерометры, гироскопы и датчики давления [11, 14–16].

Аварийные подушки безопасности — один из первых и наиболее значимый по сей день сегмент автомобильного рынка для производства больших объемов MEMS-устройств. Новые автомобильные системы, например контроля давления в шинах и электронной парковки, базирующиеся на MEMS-датчиках, обеспечивают новые рыночные возможности MEMS.

Микромеханические MEMS-датчики с интегрированной электроникой обработки сигнала получили широкое распространение во многих областях, включая автоэлектронику, главным образом из-за простоты их использования, низкой цены, малого размера. Большинство MEMS-акселерометров обеспечивает усиленный аналоговый или ШИМ-сигнал с рабочим циклом, пропорциональным ускорению, пригодный для непосредственной обработки микроконтроллером.

MEMS-датчики не имеют движущихся частей, поэтому они высоконадежны. Способность обеспечивать функциональные характеристики в условиях автомобильной окружающей среды (перепады температур, вибрации, удары, влажность, электромагнитные и высокочастотные помехи), надежность и низкая стоимость предполагают широкое использование MEMS-акселерометров в качестве автомобильных компонентов.

В совокупности, переход к MEMS-датчикам, включая акселерометры, продиктован следующими причинами:

• требованиями повышенной надежности, увеличением гарантийных периодов (до 10 лет);
• непрерывно разрабатывающимися стандартами эмиссии, безопасности и топливной эффективности;
• повышением уровня исполнений автомобилей, требованиями повышенного комфорта;
• расширением диагностического тестирования автомобилей.

Акселерометры в системах пассивной безопасности

Системы пассивной безопасности (защиты водителя и пассажиров в случае аварии) сегодня формируют самую большую заявку в автоэлектронике на выпуск больших объемов датчиков ускорения.

Один из самых больших и быстрорастущих сегментов рынка датчиков в пределах автомобильного сектора сформирован MEMS-акселерометрами и датчиками давления, предназначенными для автоматического развертывания фронтальных подушек безопасности для защиты в случае аварии водительского и переднего пассажирского мест [9–19]. Один или более акселерометров непрерывно измеряет линейное ускорение транспортного средства. Динамическое воздействие вследствие столкновения в ±(35–50)g по сигналам от акселерометра, например, Bosch SMB050 или SMB067, превышающее установленные пороги, переключает вход микроконтроллера, который принимает решение о развертывании воздушных подушек (рис. 2).

Ожидается, что и в будущем фокус в области пассивной безопасности останется авангардом. В США, чтобы удовлетворять требованиям федеральных стандартов безопасности автомобиля — Federal Motor Vehicle Safety Standards (FMVSS), разрабатываемых Национальной администрацией шоссейной безопасности движения — National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA), автопроизводители закладывают в подушки безопасности новые типы датчиков и микроконтроллеров [17].

Согласно FMVSS N 201, уже все новые автомобили, произведенные в США или импортируемые из Европы и Японии, оснащаются фронтальными подушками безопасности.

Новые стандарты диктуют автопроизводителям использование MEMS-сенсоров в дополнительных воздушных подушках, развертываемых при боковых ударах и на верхней крыше в случае бокового крена или опрокидывания машины — так называемых событий «rollover» (рис. 3а).

Термин «rollover» описывает случай бокового поворота машины — крена, в отличие от продольного поворота («pitchover» — см. рис. 3б), на углы, значения которых соотносятся с углом в 90 градусов. Оценено, что в Соединенных Штатах почти четверть всех фатальных автомобильных аварий возникает именно в случае событий «rollover» [17].

Для обнаружения аварийных событий «rollover» необходимы следующие параметры: угол крена, частота изменения угла (частота колебаний) или угловая скорость крена и угловые ускорения.

Для обнаружения боковых кренов многие системы используют инклинометры или датчики наклона, принцип действия которых основан на гравитации (вследствие действия силы тяжести). Среди многих типов инклинометров наиболее предпочтительными являются микромеханические акселерометры, измеряющие малые ускорения порядка нескольких g (low g — акселерометры), достигающие лучшего углового разрешения, но их чувствительность к линейному ускорению создает необходимость фильтрации.

Более точный метод основывается на применении датчиков угловой скорости (angular rate sensors — ARS), функционирование которых основано на действии силы Кориолиса и обеспечивает более высокую устойчивость к линейному ускорению. Угловое положение и угловое ускорение машины извлекаются интегрированием и дифференцированием из угловой скорости соответственно. Поскольку на практике интегрирование может давать недопустимые ошибки положения, а дифференцирование может быть зашумленным, во многих автомобильных системах для коррекции угловых ошибок положения используются дополнительные low g—акселерометры, например, MMA1220D (8g) или MMA1260D (1,5g) Freescale.

Специальные автомобильные ARS для задач считывания событий «rollover» — особая маркетинговая ниша для поставщиков датчиков (рис. 3). Системы детектирования событий «rollover» комбинируют акселерометры и гироскопы, чтобы определять угол крена автомобиля и угловую скорость крена.

Модуль Delphi RSM — Roll Sensing Modul (рис. 3в) с датчиками инерции (акселерометры и инклинометры) и датчиком угловой скорости рыскания (angular rate или yaw rate sensor) обнаруживает или заранее предсказывает случай неминуемого крена машины и активизирует системы безопасности — натяжители пристяжных ремней, боковые подушки, оконный занавес и выпадающие преграды крена (штанги).

Те же самые ARS с соответствующим разворотом измерительной оси применяются в системах контроля динамики автомобиля и автомобильной навигации. Датчик угловой скорости ARS в детектировании события «rollover» регистрирует колебательное вращательное движение вокруг продольной оси автомобиля; для систем управления динамикой и навигации датчик рыскания (yaw rate sensor) осуществляет регистрацию вращательного движения транспортного средства вокруг его вертикальной оси.

Bosch Yaw rate sensor 0 265 005 258 (рис. 4) для контроля динамики автомобиля (Electronic Stability Program — ESP) измеряет частоту вращения автомобиля вокруг его вертикальной оси в диапазоне 0,2–100 градусов в секунду. Дополнительный акселерометр в составе устройства проверяет правдоподобие сигналов от гирометра. Датчик способен отличить нормальный поворот от перемещений машины, вызванных заносом или юзом.

Концепция Bosch предполагает также в текущем поколении систем для считывания событий «rollover» использовать дополнительную информацию от ESP. Анализ условий вождения позволяет управляющему устройству воздушной подушки обнаруживать критические ситуации прежде, чем машина опрокинется.

Для защиты водителя и пассажиров в боковых аварийных ситуациях NHTSA уполномочила автопроизводителей устанавливать боковые подушки безопасности во все новые автомобили с 2009 года [17–18]. Согласно требованиям стандарта FMVSS № 214 изготовители автоэлектроники планируют устанавливать десятки миллионов дополнительных акселерометров, гироскопов и датчиков давления в новые автомобили, так как для функционирования боковых подушек потребуется в среднем от двух до шести дополнительных датчиков на машину.

Коррекция стандартов NHTSA на безопасность в боковой аварии еще до 2009 года обеспечила дополнительные поставки 50–70 миллионов датчиков в год. В настоящее время примерно четверть всех автомобилей в Соединенных Штатах оснащено боковыми подушками безопасности, а в 2007 году их доля достигнет 50% [17]. Европейские и японские автопроизводители также начинают устанавливать боковые подушки в миллионы новых автомобилей, формируя один из наиболее недавних, но быстрорастущих сегментов сбыта датчиков инерции, гироскопов и датчиков давления.

Возвращаясь к цифрам статистики, по прогнозам исследовательской группы Research and markets, в 2005 году рынок MEMS-гироскопов (примеры: SAR10 Sensonor Infineon, ADXRS300 Analog Devices) превысит рынок MEMS-датчиков ускорения. Прогнозируется, что в период с 2002 по 2005 год общий годовой темп прироста гироскопов превысит 25% — от $314 млн в 2002 году до $649 млн в 2005. Для сравнения, общий годовой темп прироста акселерометров оценивается в 15% — от $420 млн до $550 млн в тех же временных рамках [16].

Современные автомобильные системы предполагают интегрирование, например, MEMS-акселерометра и гироскопа, на печатной плате в одном сенсорном блоке, что обеспечивает выпуск недорогих многофункциональных устройств в больших объемах массового производства и способствует разработке новых сенсорных систем автомобильной платформы на их основе, эффективных в стоимостном выражении.

Недавние инновации в оборудовании безопасности также относятся к так называемым «умным» системам безопасности «Advanced (Smart) Restraint Systems» с различным ограничением (сдерживанием) перемещений людей, сидящих в автомобиле, в зависимости от их роста, веса, положения сидения пассажира, в различных аварийных ситуациях.

Традиционные ремни безопасности и воздушные подушки обеспечивают защиту для определенного диапазона аварийных условий, не дифференцируемую в зависимости от типажа людей. «Умные» системы включают в вычисления переменные сигналы от соответствующих датчиков, например веса, положения сидения, применения ремня безопасности, замедления (ускорения) машины, для того чтобы управлять усилием натяжения ремня и оптимально развертывать воздушную подушку.

Роль акселерометров в «умной» системе — обеспечивать информацию об аварии. Компьютер решает, какие именно ограничители должны быть задействованы, с каким усилием, каким способом.

«Умные» воздушные подушки могут разворачиваться с различными скоростями и давлениями, в зависимости от веса и положения, а также от интенсивности аварии. Примером является система защиты пассажиров Bosch Airbag 9 (AB9) (рис. 2г). Дополнительные системные компоненты обеспечивают детальную информацию о пассажирах, присутствии детей и активируют «интеллектуальное» переключение с двухэтапной или многоступенчатой газовой генерацией.

Все эти меры необходимы для того, чтобы гашение кинетической энергии тела человека в случае аварии осуществлялось по возможности медленно и равномерно и был минимизирован риск повреждений. Когда тело вначале перемещается со скоростью 60 км/ч, а затем в результате аварии приобретает нулевую скорость и нулевую кинетическую энергию, первоначальная сумма энергии тела тратится именно на столкновение.

Регулятор натяжения ремня затягивает ремень безопасности в начале аварии. В течение нескольких миллисекунд ремень безопасности поглощает некоторую энергию тела. При дальнейшем движении тела сила натяжения ремня будет источником повреждений, поэтому ограничители позволяют ремням освобождаться. Затем, по прошествии порядка 25 мс после начала столкновения, развертывается подушка безопасности и поглощает кинетическую энергию тела.

К несчастью, иногда именно развертывание подушки может вызывать серьезные травмы водителя или пассажиров и даже летальный исход.

Новая технология в системах фронтальных воздушных подушек предназначена для уменьшения риска травм в результате ударов о подушку. Федеральный стандарт США Federal Motor Vehicle Safety Standard 208 (FMVSS N 208) требует введения новых подушек безопасности, которые при развертывании точно соответствуют весу пассажира: система должна обеспечивать полный выпуск для людей с большим весом, более слабый для меньших людей и детей, и подавлять выпуск в случае незанятости пассажирского места или места ребенка, установленного на заднем сидении. (На оборудование ограничивающих систем детского места распространяется FMVSS N 213.) FMVSS N 208 предписывает изготовителям устанавливать новые системы во все новые модели машин с 2006 года.

Примерами «умных» систем являются Airbag 9 или новая система Bosch iBolt, которая допускает развертывание пассажирской подушки более согласованно с условиями аварии, весом и расположением пассажира. Система измеряет силы, действующие в четырех якорных точках места, для того чтобы вычислять вес на пассажирском месте и его распределение, и определять оптимальный путь развертывания подушки. Важно заметить, что если ремень безопасности во время аварии отсутствует, подушки должны иметь большой объем и открываться очень быстро.

В дальнейшем, концепция «интеллектуальных» систем предполагает обнаруживать фронтальный и боковой удар, потенциальные ситуации «rollover», с учетом размещения пассажирского места. Bosch в настоящее время разрабатывает подобную систему, основанную на дополнении видеодатчиков.

Автопроизводители повсеместно внедряют новые технологии, разрабатывают и производят безопасные, «умные» машины, и потребители приветствуют это направление, как отражено в статистике продаж.

С целью улучшения автомобильной безопасности проводятся аварийные испытания автомобилей и анализируются статистические данные (рис. 5а).

В США NHTSA проводит фронтальные и боковые крэш-тесты («Crash-tests») с использованием манекенов различных размеров, стандартизированных согласно FMVSS N 572, что гарантирует последовательные статистические результаты (рис. 5б). Например, мужской манекен Hybrid II 50% — процентиля имитирует мужчину среднего размера весом 77 кг и ростом 178 см. Антроморфические манекены выполняются из материалов, имитирующих человеческое тело (рис. 5б). Например, позвоночник изготавливается из чередующихся слоев металлических дисков и резиновых соединителей.

Аварийные испытания формируют маркетинговую нишу для линейки специальной продукции, включая акселерометры, специально разработанные для крэш-тестирования и манекенов, соответствующих FMVSS для фронтальных и боковых ударов и европейским стандартам SAE J211 (рис. 5 г–и).

Манекены оснащаются тремя типами датчиков:

• акселерометры;
• датчики нагрузки;
• датчики перемещения.

Аварийный тестовый манекен снабжен акселерометрами повсюду: в голове располагается двух- или трехосевой акселерометр (для измерения ускорения, как минимум, во фронтальном, реверсивном, левом, правом направлениях); акселерометры находятся в грудной клетке, позвоночнике, тазе, ногах и других частях тела.

Датчики нагрузки измеряют сумму сил в различных частях тела. Максимальная нагрузка, например в бедренной кости, может указывать на вероятность ее разрыва. Датчики перемещения, например в груди манекена, измеряют расстояние, на которое грудь отклоняется в течение аварии.

Для того чтобы обеспечивать информацию и давать гарантию безопасности покупателям автомобилей, в Соединенных Штатах NHTSA покупает автомобиль в дилерской сети и проводит его крэш-тестирование.

Новая автомобильная программа оценки NHTSA — New Car Assessment Program (NCAP) регламентирует проведение фронтальных и боковых крэш-тестов на скорости 35 миль/ч (56 км/ч). Основываясь на вероятности получения пассажирами травм в аварии, NHTSA оценивает автомобили по «пятизвездной» шкале и публикует результаты тестирования на сайте (www.safercar.gov).

Модели 2005 года, занимающие верхушку шкалы итогового теста NHTSA SUV Crash Test Summary, включая фронтальные и боковые тесты, — Acura MDX, Ford Freestyle и Jeep Grand Cherokee.

Акселерометры для сбора данных в течение аварии захватывают значительную долю мирового автомобильного рынка сенсорной продукции. Например, в США проведением аварийных испытаний занимается не только NHTSA. Автопроизводителям ежегодно приходится разрушать до 60–100 собственных машин для сертификации на соответствие требованиям FMVSS.

В недалеком будущем черные ящики (Black box) — регистраторы автомобильных аварий (crash recorders) могут стать повсеместным атрибутом автомобилей, предписываемым страховыми компаниями.

Акселерометры в системах защиты пешеходов

Вслед за идеей защиты пассажиров разрабатываются решения, которые позволяют транспортному средству осуществлять защиту пешехода. На стадии подготовки к серийному производству находится новая система защиты пешехода Bosch, которая в случае его удара транспортным средством поднимает капот машины (рис. 6).

Акселерометры на бампере автомобиля позволяют системе детектировать столкновение с объектом. Интеллектуальные алгоритмы обеспечивают надежное различение типов объектов. Система, интегрированная в управление подушками безопасности, активизируется только в случае обнаружения столкновения с пешеходом. В будущем Bosch для защиты пешеходов планирует использовать дополнительные предупреждающие ультразвуковые или видеодатчики.

Акселерометры в системах активной безопасности автомобиля

Огромное число применений для акселерометров существует на автомобильном рынке, включая системы активной безопасности.

Антиблокировочная система тормозов (АБС) удерживает колеса от полной блокировки при торможении. Без АБС слишком большое усилие, приложенное к педали тормоза, может вызвать блокировку и проскальзывание одного или более колес, что существенно уменьшает управляемость. АБС позволяет замедлять колеса только до определенной точки максимального торможения без проскальзывания.

В машинах с четырехколесным приводом (4WD) все колеса могут проскальзывать, и скорость, опорная для системы АБС, не может быть измерена датчиками скорости колеса. Информацию о внезапном замедлении (ускорении) тогда может предоставить продольный акселерометр, который представляет собой автономный датчик или компонент печатной платы, интегрированный в АБС-контроллер или сенсорный кластер.

Измеряемый диапазон акселерометров АБС VTI Technologies — 1–2 g, дрейф смещения — менее 0,1 g в рабочем диапазоне температур и срока службы, частотный диапазон — 50 Гц.

Alepth выпускает две версии G-датчика (рис. 1л): переключатель «mercury» и емкостной датчик.

В полноприводных транспортных средствах, оснащенных АБС Bosch, и в автомобилях с контролем динамики колесные датчики частоты вращения дополняются специальным датчиком Холла для отслеживания продольных и поперечных ускорений в диапазоне 1 g, предназначенным для низкочастотной эксплуатации (несколько Гц).

Система контроля сцепления TCS (Traction Control System) оптимизирует сцепление колес на скользких поверхностях для уменьшения их проскальзывания (быстрого вращения) и использует многие механические и электронные элементы АБС, в том числе акселерометры.

Полноскоростной контроль сцепления осуществляет управление колесом посредством снижения момента двигателя в комбинации с действиями:

• электронным торможением одного или более колес;
• закрытием дроссельной заслонки;
• задерживанием такта зажигания;
• прекращением топливоподачи — закрытием клапана отключения топливоподачи (Fuel shut-off valve);
• изменением соотношения ТВС.

Система, известная как «traction assist», предназначена для функционирования на скользких поверхностях на скоростях менее 25 миль/ч при движении с ускорением от остановки (по сигналам от соответствующих датчиков). Для управления вращением колес система применяет электронное торможение без уменьшения момента двигателя.

Систем ABS и TCS недостаточно на кривой трассе. ESC (Electronic Stability Control), Bosch ESP (Electronic Stability Program) или любая другая обобщенная интерактивная система контроля устойчивости машины и динамического контроля Interactive Vehicle Dynamics (IVD) корректирует рулевое управление при уменьшении сцепления на скользких участках и на поворотах. Система сравнивает направление, предполагаемое водителем (угол поворота руля), и фактическим курсом машины. Угловая скорость рыскания (Yaw rate) и центробежное ускорение по сигналам датчика угловой скорости (angular rate sensor) и бокового акселерометра (рис. 1б, 4) сравниваются со значениями, вычисляемыми по сигналам акселерометров, датчиков скорости колеса и угла поворота руля [19]. Если фактический путь отличается от предполагаемого (например, на скользких дорогах), контроллер IVD прилагает торможение на выбранное колесо (колеса) и уменьшает крутящий момент двигателя для корректировки ситуации. Система наилучшим образом использует сцепление для удержания машины в предполагаемом курсе и минимизирует потерю управления (ситуации «under-steering» и «over-steering»).

Боковые акселерометры используются либо как автономный блок, установленный близко к центру тяжести машины, либо как монтируемый на печатной плате компонент сенсорного кластера. Типичный измеряемый диапазон акселерометров составляет ±1,5–1,7 g, смещение — менее 0,1 g в рабочем диапазоне температур и срока службы, частотный диапазон — 0–50 Гц.

Например, в состав инерциальной мультисенсорной подсборки Silicon Sensing MSA (рис. 4в) для контроля динамики машины интегрированы датчик угловой скорости рыскания и один или два акселерометра с ASIC на плате. Подсборка формирует выходные аналоговые сигналы напряжения, пропорциональные угловой скорости и ускорениям по двум осям, в плоскости измерения угловой скорости для VSC. Измеряемый диапазон ускорений ±1,5 g, коэффициент масштабирования (чувствительность) — 3,5%, смещение порядка 0,1 g, нелинейность <2%, частотная полоса <20 Гц.

Заключение

Автомобильные акселерометры составляют значительную долю рынка автомобильных датчиков в 2005 году; ожидается дальнейшее увеличение темпов роста их продаж, и особенно в связи с пересмотром стандартов безопасности и внедрением технологических решений на основе MEMS-устройств во многие автомобильные системы, обсуждение которых будет продолжено в следующей части настоящей публикации.