Датчик барометрического давления что это

Устройство современного автомобиля

Датчики барометрического давления и абсолютного давления во впускном коллекторе

Датчики барометрического давления используются в системах управления двигателем при определе­нии массы топлива по объемному расходу воздуха. Этот способ оказывается намного проще и дешевле в реали­зации, если сравнивать с непосредственным измерением массового расхода воздуха, но точность резко снижается. Датчики барометрического давления могут использоваться только для диагностики в бортовых диа­гностических системах второго поколения OBD-II.

Датчики барометрического (атмосферного) давления нужны для адаптации электронных блоков управления к перепадам высоты и изменениям погоды. Они могут применяться совместно с расходомером воздуха по объему. Скорее всего это один и тот же датчик, тогда измерение атмосферного давления производится, когда зажигание включено, а двигатель еще не работает. При езде в горных местах иногда приходится специально останавливаться для того, чтобы перезапустить двигатель, что позволит адаптировать систему управления подачей топлива к новой высоте.

Выпускаются и сдвоенные датчики (рис). Вход барометрического датчика остается открытым и на него подается атмосферное давление, вход датчика разре­жения соединяется вакуумным шлангом с впускным коллектором.

Рис. 2.2. Комбинированный датчик барометрического давления и разрежения:

Рис. 2.3. Современный интегральный датчик давления в защитном корпусе

Барометрические датчики и датчики давления, применяемые для измерения разрежения во впускном трубопроводе, могут быть различных конструкций. Дат­чики давления дискретного действия представляют собой устройство, где замыка­ние и размыкание контактов происходят под действием упругой мембраны, испы­тывающей измеряемое давление.

Датчики давления непрерывного действия представляют собой либо потенцио­метр, ползунок которого связан с мембраной, либо катушку индуктивности, в ко­торую мембрана под действием давления вдвигает магнитный сердечник.

Современные интегральные датчики (рис.) подключаются к микропроцессо­ру ЭБУ через коммутатор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Для 8-раз­рядного контроллера шаг дискретизации может составлять до 4 мс, для 16-разряд­ного — до 2 мс.

Погрешность датчика абсолютного давления во впускном коллекторе обычно около 1%.

Датчик барометрического давления работает в диапазоне 60. 115 кПа, имеет погрешность около 1,5%. По краям рабочего диапазона, как по температуре, так и по давлению, погрешность растет.

Рис. 2.4. Упрощенная электрическая схема датчика абсолютного атмосферного давления с цепями компенсации: (А — цепь температурной компенсации, В — измерительный мост, С — подстройка нуля, D — коэффициент усиления, Е — термокомпенсация усилителя).

Датчики абсолютного давления в двига­телях с наддувом работают в диапазоне дав­лений 20. 200 кПа.

Рассмотренные датчики имеют, как пра­вило, интегральное исполнение и крепятся к стенкам соответствующих трубопроводов.

Широкое распространение получили полупроводниковые датчики с преобразо­вателем давления на кремниевом кристал­ле, в работе которого используется пьезорезистивный эффект (рис. 2.4, 2.5). На повер­хности кристалла сформирован мостик сопротивлений, ток через которые изменя­ется под действием деформации. Затем ток усиливается и вводится температурная ком­пенсация. Эти датчики отличаются неболь­шими размерами и высокой надежностью. Интегральные датчики очень технологич­ны, их выходной сигнал унифицирован для подключения к аналоговым или импуль­сным входам микроконтроллера.

Информацию о давлении в зависимости от конструкции датчика несет величина выходного напряжения или его частота.

Характеристики датчиков абсолютного давления

Источник

Измеряем высоту с точностью до 5 см с новым датчиком давления от Infineon

Емкостные датчики атмосферного давления DPS310 производства Infineon отличаются повышенной точностью измерений и производительностью. Они предназначены для применения в решениях для навигации внутри и вне помещений, в портативных устройствах для здравоохранения и фитнеса, в метеостанциях и электронных барометрах, в том числе – с батарейным питанием.

Одна из самых интересных задач в области автоматизации измерений – преобразование неэлектрических величин, например, температуры, интенсивности света, давления, веса, в электрические – напряжение или ток. Это позволяет электронному устройству реагировать на события реального мира без участия человека.

Давление газа является одной из основных измеряемых величин.

Самая популярная область применения датчиков давления – измерение атмосферного давления для получения метеорологических данных. В качестве других примеров применения можно привести измерения скорости воздушных потоков, абсолютной или относительной высоты.

Каждая из областей применения обладает собственной спецификой. Например, для измерения атмосферного давления некритична скорость получения данных, так как значение этой величины изменяется сравнительно медленно. Измерения скорости потока и высоты требуют более высокой скорости. Более того, данные измерения сопровождаются достаточно сильными шумами за счет возникающих турбулентностей или из-за нестационарности протекания самих процессов.

Рис. 1. Типичная структурная схема резистивного чувствительного элемента датчиков давления [1]

Если рассматривать рынок интегральных датчиков давления, в том числе МЭМС, то чаще всего их чувствительным элементом является тензорезистивный сенсор, как правило, в составе мостовой схемы (рисунок 1).

Основными недостатками данного типа сенсоров являются нелинейная температурная зависимость, достаточно сложные алгоритмы стабилизации режима работы и термокомпенсации.

Особенности реализации датчика давления DPS310XTSA1

Компания Infineon предлагает МЭМС-датчики атмосферного давления серии DPS310 с емкостным сенсором [2, 3]. Структурная схема емкостной измерительной ячейки представлена на рисунке 2. Она представляет собой емкостной мост. Выходной сигнал формируется как разность сигналов опорной и измерительных ячеек. Благодаря этому обеспечивается лучшая температурная стабильность и устойчивость к шумам. Более того, емкостная схема сенсора имеет меньшее потребление, чем резистивная. Конечно, и в том, и в другом случае токи, протекающие через измерительную ячейку, небольшие, но для устройств с батарейным питанием, нацеленным на длительную работу, важен каждый микроампер.

Рис. 2. Структурная схема емкостной измерительной ячейки DPS310 [1]

Вторым преимуществом емкостного сенсора является его быстродействие, что в итоге позволяет применять датчики на его основе для отслеживания динамических процессов.Архитектура датчиков давления серии DPS310 рассчитана на получение данных более высокой точности и на высокую производительность измерений в разных условиях работы. Каждый датчик в процессе производства индивидуально калибруется, и калибровочные коэффициенты заносятся в ПЗУ микросхемы.В состав DPS310 входят емкостная измерительная ячейка, датчик температуры, 24-битный АЦП, блок цифровой обработки сигналов, память калибровочных коэффициентов, FIFO-буфер для хранения результатов измерений, интерфейсный блок, а также встроенный стабилизатор напряжения (рисунок 3) [3].

Рис. 3. Структурная схема датчиков серии DPS310

FIFO-буфер может хранить до 32 результатов измерений, что снижает затратность процедуры опроса датчика со стороны хост-контроллера. Об окончании результатов измерений можно узнать по выставленному биту в регистре статуса или по изменению уровня на внешнем выводе SDO. Взаимодействие с хост-контроллером осуществляется по интерфейсам I²C или SPI.

Технические характеристики DPS310XTSA1

DPS310 выпускаются в восьмивыводном компактном низкопрофильном корпусе поверхностного монтажа LGA [4] размера 2,0×2,5×1,0 мм с шагом 0,65 (рисунок 4), что делает его привлекательным для применения в составе мобильных и носимых устройств [3].

Рис. 4. Внешний вид датчиков давления серии DPS310 и расположение выводов

Основные технические характеристики [2, 3]:

Типичные уровни тока потребления представлены в таблице 1. Из нее видно, что пиковое потребление в моменты измерений не превышает 350 мкА, а среднее потребление тока даже в режиме с наибольшей точностью – менее 40 мкА.

Таблица 1. Типичные уровни тока потребления DPS310 в различных режимах работы (напряжение питания 1,8 В) [3]

Широкий диапазон допустимых напряжений питания позволяет применять DPS310 в связке с процессорами мобильных устройств, имеющих, как правило, напряжения питания 1,8 В, а также с микроконтроллерами, работающими, в основном, с напряжением питания 3,3 В.

Технические особенности применения: регистры, программирование, режимы, использование калибровочных коэффициентов

Подключение датчика к хост-контроллеру осуществляется достаточно просто и не должно вызывать особых проблем. Взаимодействие с DPS310 возможно или по I²C- или по SPI-интерфейсам. Типичная схема включения датчика требует всего пары конденсаторов по выводам питания, и в том случае, если используется I²С-интерфейс – подтягивающие резисторы на линии SDA и SCL. Выбор интерфейса производится по уровню на линии CSB: при высоком уровне активен I²C, при низком – SPI. После подачи низкого уровня на CSB происходит переход на SPI-интерфейс до момента повторной инициализации датчика при включении (до события Power-on-Reset).

Типовая схема подключения DPS310 по I²C-интерфейсу представлена на рисунке 5. Поддерживаются стандартный, быстрый и высокоскоростной режимы работы шины.

Рис. 5. Типовая схема подключения DPS310 по I 2 C-интерфейсу [3]

Вывод SDO может быть использован или для задания младшего бита адреса устройства на I²C-шине (выбор производится между адресом 0x76 – SDO подключен к общему проводу или 0x77 – SDO подтянут к питанию или свободен), или для подачи сигнала прерывания.Подключение по SPI предполагает несколько вариантов: классическое 4-проводное, 3-проводное и 3-проводное с сигналом прерывания (рисунок 6). Поддерживаются команды чтения-записи одиночного байта, а также чтения последовательности байтов с определенного адреса.

а)

б)

в)

Рис. 6. Варианты подключения DPS310 по SPI [3]: а) 4-проводное подключение; б) 3-проводное подключение; в) 3-проводное подключение с линией прерывания

DPS310 поддерживает три режима работы: дежурный, командный и фоновый [3].

Дежурный – режим по умолчанию, устройство находится в нем после подачи питания или сброса. Измерений в данном режиме не проводится, для настройки доступны все регистры и калибровочные коэффициенты.

Командный режим предусматривает проведение одиночного измерения давления или температуры с выбранной точностью. По окончании измерения датчик переходит в дежурный режим, а результат измерения доступен в регистрах данных.

В фоновом режиме производятся измерения давления и/или температуры с установленной точностью и частотой (в зависимости от настроек). Измерения температуры следуют сразу же за измерением давления. Результаты записываются в FIFO-буфер и доступны для хост-контроллера путем чтения регистра данных.

Ток, потребляемый DPS310, невелик во всех режимах работы. Возможна организация схемы питания датчика и управления ею от вывода микроконтроллера. Однако, учитывая довольно большое время перехода в рабочее состояние после подачи питания, составляющее 40 мс, и незначительное потребление в дежурном режиме, вряд ли это является целесообразным.

Управление датчиком достаточно простое и заключается в настройке нескольких регистров. Самих регистров в DPS310 относительно немного (таблица 2) [3].

Таблица 2. Карта регистров датчиков DPS310

Алгоритм работы с DPS310 заключается в следующем [3]:

При включенном FIFO данные считываются только из регистров PSR_B[2:0].

Процесс учета поправок для корректировки значений давления и температуры состоит из нескольких этапов.

Считываются поправочные коэффициенты, всего их девять: c0, c1, c00, c10, c20, c30, c01, c11 и c21 (значения представлены в дополнительном коде и имеют разную разрядность).

Считанные показания давления Praw и температуры Traw масштабируются в зависимости от текущих настроек точности измерений:

(1)

(2)

Компенсированные значения температуры и давления вычисляются по формулам 3 и 4:

(3)

(4)

Следует обращать внимание, что все значения представлены в дополнительном коде, и:

При некоторых режимах работы показания температуры могут не обновляться, это ускоряет сам процесс измерений, несколько снижает потребление тока и время пересчета. Следует помнить, что при этом возможно появление погрешностей при получении компенсированного значения давления, так как при его расчете придется задействовать предыдущие (возможно устаревшие) показания температуры.

Интересна также особенность работы FIFO – в том случае, если его работа разрешена, получаемые значения измерений будут записываться в него, а последние не считанные значения будут доступны через регистры давления – PSR_B[2:0]. В FIFO совместно пишутся данные и давления, и температуры – младший бит 24-битного значения будет указывать на его принадлежность к показаниям давления или температуры. Исчерпанию FIFO будет соответствовать считанное значение 0x800000.

Отладочные средства для DPS310

Рис. 7. Инфраструктура демонстрационных и отладочных средств для DPS310 [6]

Серия DPS310 прежде всего ориентирована на рынок бытовой электроники [1, 5]. Для уменьшения времени вывода продукта на рынок и упрощения макетирования новых устройств компания Infineon предлагает ряд аппаратных и программных средств. Инфраструктура отладочных средств Infineon для DPS310 включает в себя демонстрационные платы Infineon Wireless Sensor Hub 2.0, Infineon Sensor Hub Nano, программные продукты SES2G Sensor evaluation software и Infineon pressure sensor android App (рисунок 7) [6].

Infineon Wireless Sensor Hub 2.0 (рисунок 7) при помощи SPI-интерфейса и двух шин I²C позволяет подключать до 12 датчиков DPS310. Поддерживаются режимы автономной работы с записью данных на SD-карту, а также подключение к хост-компьютеру посредством USB или Bluetooth для передачи данных в реальном времени.Infineon Sensor Hub Nano (рисунок 8) представляет собой небольшую плату размерами всего 30х15х10 мм с автономным питанием и Bluetooth-интерфейсом. Данная плата позволяет протестировать возможные сценарии применения DPS310 на таких движущихся объектах как, например, макет носимого фитнес-устройства или часть системы управления дроном.

Рис. 8. Внешний вид отладочного набора Infineon DPS310 sensor hub [6]

Программное обеспечение Infineon SES2G sensor software analyzer позволяет с персонального компьютера проводить настройку датчиков, подключенных к демонстрационным платам, получение, запись, анализ и экспорт данных.Аналогичные задачи выполняет и Infineon Pressure Sensor Android App, с той лишь разницей, что оно предназначено для мобильных устройств на базе ОС Android.

Заключение

Новый цифровой датчик давления Infineon DPS310 способен измерять атмосферное давление с высокой точностью, что позволяет использовать его в высотомерах с разрешающей способностью до 5 см. DPS310 выдает также значение температуры с погрешностью не более ±0,5°C, что дает возможность с успехом применять его в измерительном блоке метеостанции. Благодаря очень малому потребляемому току в 1,7 мкА и миниатюрным размерам микросхему можно применять в портативной батарейной аппаратуре.

Типичные целевые области применения:

Источник

Ремонт и техническое обслуживание автомобилей

Датчики давления

Общие сведения

Конструкции современных автомобилей также используют большое число датчиков давления различных жидкостных и газообразных текучих сред, и их количество постоянно растет.
Независимо от метода измерения, датчики могут определять избыточное, абсолютное или дифференциальное давление. При этом могут использоваться разные единицы измерения давления.
Чтобы исключить возможную путаницу в этих единицах, в таблице 1 приведены соотношения между используемыми в различных технических источниках единицами измерения давления.

Таблица 1. Единицы измерения давления

* внесистемная единица измерения давления, иногда употребляемая в США и некоторых англоязычных странах.

В таблице 2 приведены некоторые узлы автомобиля, где имеется необходимость измерения давления с целью получения управляющих сигналов для ЭСАУ.

Таблица 2. Некоторые датчики давления, применяемые в автомобильной технике

Датчики барометрического и абсолютного давления во впускном коллекторе

Такие датчики используются в ЭСАУ автомобильных двигателей для определения объемного расхода воздуха, с целью регулирования количества впрыскиваемого за рабочий цикл топлива. Это регулирование необходимо для обеспечения заданного состава топливовоздушной смеси на различных режимах работы ДВС и при различных внешних условиях.

Этот способ измерения дешевле в реализации по сравнению с непосредственным измерением массового расхода воздуха, но менее точен и используется в бортовых диагностических системах второго поколения OBD-II.

В некоторых конструкциях ЭСАУ двигателей такой датчик давления используется совместно с расходомером воздуха, а в двигателях с наддувом могут использоваться несколько датчиков давления.

Датчики барометрического (атмосферного) давления адаптируют ЭБУ двигателя к перепадам высоты и изменениям атмосферного давления. Обычно применяются совместно с объемным расходомером воздуха в одном корпусе.

Измерение атмосферного давления производится при включении зажигании до запуска ДВС. Если автомобиль эксплуатируется в условиях больших перепадов высот (например, в горах), для адаптации подачи топлива к новой высоте необходимо останавливаться и перезапускать двигатель.

Рис. 1. Комбинированный датчик барометрического давления и разрежения:
а) Ford, б) Chrysler; 1 – трубка соединения вакуумного шланга с впускным коллектором; 2 – трубка соединения с атмосферой

Часто в системах управления двигателем используются комбинированные датчики, измеряющие и атмосферное давление, и давление во впускном коллекторе (рис. 1). Такие датчики иногда называют MAP-сенсорами (Manifold Air Pressure) и крепят непосредственно к стенке впускного коллектора.

Датчики, применяемые для измерения разрежения во впускном трубопроводе, могут быть различных конструкций.

Датчики давления дискретного действия представляют собой устройство, где замыкание и размыкание контактов происходят под действием упругой мембраны, испытывающей измеряемое давление.

Датчики давления непрерывного действия представляют собой либо потенциометр, ползунок которого связан с мембраной, либо катушку индуктивности, в которую мембрана под действием давления вдвигает магнитный сердечник.

Интегральные датчики давления подключаются к ЭБУ через коммутатор и АЦП. В зависимости от разрядности контроллера шаг дискретизации показаний датчика может составлять до 4 мс (8-разрядный), до 2 мс (16-разрядный). Эти датчики отличаются небольшими размерами, высокой надежностью и унифицированным выходным сигналом, благодаря чему, они используются для подключения к аналоговым или импульсным входам микроконтроллера.

На поверхности кремниевого кристалла сформирован мост из четырех тензорезисторов, ток через которые изменяется под действием прогиба чувствительной диафрагмы. С одной стороны диафрагмы расположена камера с вакуумом, с другой на диафрагму воздействует давление воздуха во впускном коллекторе.
В зависимости от конструкции датчика, давление воздействует непосредственно на диафрагму или через защитный слой.

Рис. 2. Микромеханические пьезорезистивные датчики T-MAP BOSCH абсолютного давления до 400 кПа: а) типичный внешний вид датчика; б) конструкция сенсорной ячейки: 1-защитный гель; 2-давление; 3-сенсорный чип; 4-присоединяемые выводы; 5-керамическая подложка; 6-стеклянное основание; в) конструкция датчика давления: 1-присоединяемые выводы; 2-крышка; 3-сенсорный кристалл; 4-керамическая подложка; 5-корпус с фитингом измеряемого давления; 6-прокладка; 7-NTC-элемент

Рис. 3. Упрощенная электрическая схема датчика абсолютного (атмосферного) давления с цепями компенсации:
А – цепь температурной компенсации, В – измерительный мост, С – подстройка нуля, D – коэффициент усиления, Е – термокомпенсация усилителя

В корпусе датчика также размещается независимый датчик температуры воздуха для температурной компенсации и усилитель мостового напряжения, на выходе которого формируется сигнал в пределах 0,5…5 В.
На основании выходного напряжения ЭБУ оценивает давление во впускном коллекторе, чем больше давление воздуха, тем выше напряжение (обычно зависимость давления и выходного напряжения является линейной, т. е. график представляет собой наклонную прямую линию).

Информацию о давлении в зависимости от конструкции датчика несет величина выходного напряжения или его частота.
Погрешность датчика абсолютного давления во впускном коллекторе обычно составляет порядка 1%, а датчика барометрического давления – около 1,5%, причем, по краям рабочего диапазона погрешность растет как по температуре, так и по давлению.

Датчики давления в жидкостных средах

Работа таких датчиков, как правило, основана на преобразовании перемещения упругой диафрагмы в положение переключателя или движка потенциометра. На таком принципе, например, в старых конструкциях, работали датчики давления масла в ДВС.

В современных автомобилях все больше используются кремниевые или керамические интегральные датчики. Непосредственно в корпусе датчика размещают унифицирующие преобразователи. Имеется защита от электромагнитных помех, микросхемы работают при температуре -40. +150 °С в условиях вибраций, при различных давлениях в агрессивных химических средах.

Датчик давления топлива в аккумуляторе системы Common Rail (рис. 4) вворачивается непосредственно в топливную рейку высокого давления. Топливо попадает в датчик через отверстие в аккумуляторе и канал в корпусе датчика и под давлением воздействует на диафрагму.
Чувствительный полупроводниковый элемент датчика, расположенный на диафрагме, преобразует давление в электрический сигнал, который усиливается в обрабатывающем контуре и поступает в ЭБУ.

В таких датчиках прогиб диафрагмы приблизительно на 1 мм при давлении 1500 бар, изменяет электрическое сопротивление чувствительного элемента и вызывает изменение напряжения в измери-тельном мосту, на который подается питание 5 В.
Первичный сигнал изменяется в диапазоне 0…70 мВ, в зависимости от прилагаемого давления, и затем усиливается в контуре обработки сигнала до 0,5…4,5 В.
Точность измерения давления датчиком в главном рабочем диапазоне составляет ±2% от полной шкалы.

В автомобилях с автоматической трансмиссией применяются датчики измеряющие давление масла в коробке передач.
Для работы антиблокировочной системы тормозов (ABS) необходимо измерять давление в тормозных контурах.
Давление жидкости в тормозной гидравлической системе выше, чем в коробке переключения передач. Например, в тормозной системе автомобиля оно составляет до 10…15 бар, а в контурах ABS оно может достигать 35 бар.
Конструкция и принцип работы таких датчиков подобен рассмотренным выше датчикам.

Датчики давления в газовых средах

Известно, что автомобиль производит токсичные отходы в процессе эксплуатации: 60% в виде выхлопных газов, 20% в виде картерных газов и 20% за счет испарений топлива. Со всеми этими выбросами успешно борются соответствующие системы в составе ЭСАУ двигателем.

Рис. 5. Система улавливания паров бензина

В современных двигателях для уменьшения содержания окислов азота (NOx) в выхлопных газах используется система EGR (exhaust gas recirculation) рециркуляции выхлопных газов. Это система является частью ЭСАУ двигателем.
Окислы азота возникают в камере сгорания при температуре выше 1370 °С. В присутствие солнечного света NOx вступает в реакцию с углеводородом, образуя канцерогенный фотохимический смог.

На частичных режимах работы двигателя ЭСАУ снижает температуру сгорания рабочей смеси, путем введением небольшого количества (6. 10%) выхлопных газов из выпускного во впускной коллектор. Так как выхлопные газы инертны, то они разбавляют топливовоздушную смесь, не изменяя соотношения воздух/топливо.
Регулирование количества подаваемых отработавших газов производится клапаном EGR, исправность работы которого постоянно контролируется ЭБУ.
Например, на некоторых автомобилях в трубе между EGR и впускным коллектором измеряется дифференциальное давление по обе стороны с помощью датчика дифференциального давления. Когда клапан EGR открывается, это давление убывает, когда клапан EGR закрыт, давление по обе стороны вставки становится одинаковым.

При сгорании топлива в дизеле образуются частицы сажи – микроскопические углеродистые частицы диаметром около 0,05 мкм на которых адсорбируются различные углеводородные соединения, оксиды металлов и сера. Состав частиц сажи зависит от параметров рабочего процесса, режимов работы двигателя и состава топлива. Некоторые углеводородные соединения опасны для здоровья человека.
Сажевый фильтр задерживает содержащиеся в газах частицы сажи. При заполнении фильтра сажей до определенной величины система управления двигателем запускает процесс активной регенерации. Степень заполнения фильтра сажей определяется блоком управления по его газодинамическому сопротивлению с помощью дифференциального датчика перепада давления до сажевого фильтра и после (рис. 6).

Рис. 6. Дифференциальный датчик давления перепада давления

Мембранные потенциометрические датчики давления

В таких датчиках чувствительным элементом является гибкая диафрагма или мембрана. При изменении давления ее перемещение преобразуется в положение движка потенциометра.
Недостатки потенциометрических датчиков заключаются в износе, а также в статическом трении из-за чего затруднено регулирование в диапазоне менее 0,5% от номинала.

Рис. 7. Потенциометрический датчик давления:
1 – преобразователь; 2 – щетка; 3 – контакты разъема; 4 – щеткодержатель; 5 – ось поводка; 6 – поводок; 7 – возвратная пружина; 8 – рычаг; 9 – шток; 10,13 – корпус; 11 – мембрана; 12 – канал

Резистивный проволочный потенциометр со скользящим контактом – один из наиболее простых и эффективных преобразователей перемещения, в котором скользящий контакт (движок) соединен с перемещающейся под действием давления мембраной, а остальная часть потенциометра закреплена неподвижно.
Движок потенциометра контактирует с отдельными витками на катушке, поэтому выходной сигнал (напряжение) преобразователя изменяется не непрерывно, а в виде чередующихся малых и больших скачков. Малый скачок возникает, когда движок замыкает два соседних витка, большой – в момент перехода движка к следующему витку и размыкания контакта с предыдущим витком.
Следовательно, разрешение такого преобразователя зависит от диаметра провода и может быть повышено путем использования более тонкого провода. Потенциометр с плотностью намотки 50 витков на миллиметр имеет предельное разрешение 20 мкм, что близко к практическому пределу.

В современных автомобилях используются потенциометры, выполненные по пленочной технологии, где резистивный элемент представляет собой керамическое основание с нанесённой топологией проводникового, резистивного и защитного слоёв.
Такие датчики могут эксплуатироваться в достаточно жёстких условиях.

Датчики давления на основе линейных дифференциальных трансформаторов (ЛДТ)

Линейный дифференциальный трансформатор – это электромеханическое устройство, вырабатывающее выходной электрический сигнал, пропорциональный перемещению ферромагнитного сердечника под действием смещения диафрагмы. ЛДТ состоит из первичной и двух вторичных обмоток, симметрично расположенных на цилиндрическом каркасе. Свободно движущийся внутри обмоток ферромагнитный сердечник в форме стержня обеспечивает связь этих обмоток через магнитный поток (рис. 8 ).

Рис. 8. Принципиальная схема линейного дифференциального трансформатора

При подаче переменного напряжения U1 на первичную обмотку (3. 15 В с частотой 2. 5 кГц) в двух вторичных обмотках наводятся ЭДС взаимной индукции.
Вторичные обмотки включены последовательно и встречно, поэтому результирующий выходной сигнал U0 преобразователя представляет собой разность этих напряжений и равен нулю, когда сердечник находится в центральной (нулевой) позиции.
При перемещении сердечника из нулевой позиции напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, к которой движется сердечник, возрастает, а напряжение, индуцируемое в другой вторичной обмотке, уменьшается.
В результате вырабатывается дифференциальный выходной сигнал, величина которого линейно зависит от положения сердечника. Фаза выходного напряжения изменяется скачком на 180° при переходе через нулевую позицию. Информацию о перемещении несет амплитуда и фаза выходного сигнала.
Погрешность подобного преобразования перемещения сердечника в напряжение составляет около 0,25%. Коэффициент трансформации дифференциального трансформатора 10:1. 2:1.

На автомобилях ЛДТ обычно не используются, но могут применяться, например, для измерения абсолютного давления во впускном коллекторе, давления масла, топлива и т.п. ЛДТ характеризуется отсутствием трения, стабильностью выходного сигнала и способностью работать в агрессивных средах.

Емкостные датчики давления

Емкостные датчики давления используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками-электродами. Принципиально конструкция состоит из конденсатора, одна из обкладок которого закреплена на упругой металлической мембране (или выполнена в виде мембраны). При изменении давления мембрана с электродом деформируется, и расстояние между обкладками конденсатора изменяется.

Рис. 9. Емкостной датчик с кремниевым чувствительным элементом

На приведенном рисунке одна из обкладок конденсатора выполнена в виде упругой мембраны, которая прогибается при изменении действующего на нее давления. Мембраны для таких датчиков обычно выполняются из кремния (рис. 9) или керамики, при этом конструкции датчиков аналогичны независимо от материала мембраны.

На кремниевой подложке расположен твердый слой, являющийся нижней обкладкой конденсатора. В изолирующем слое стекла и кварца закрепляется кремниевая мембрана, являющаяся второй обкладкой конденсатора. В этом же изолирующем слое имеются токопроводящие электроды от обеих обкладок конденсатора. Между обкладками образуется герметичная полость или вакуум. Иногда пространство между обкладками заполняется маслом или какой-нибудь органической жидкостью.

Подобные датчики все чаще используются в различных системах автомобиля, например, для измерения давления в шинах, во впускном коллекторе двигателя и т.п. Например, емкость подобных конденсаторов применяемых для измерения давления впуска в двигатель и меняется линейно примерно от 32 до 39 пФ при изменении давления от 17 до 105 кПа. Размеры такого датчика 6,7×6,7 мм.

Источник