WARSZAWA 2009

Ćwiczenie nr 1

Temat:

Sensoryka – czujniki indukcyjne

i hallotronowe (prędkości obrotowej)

Opracował: dr inż. Marcin Jasiński

na podstawie materiałów firmy:

Mechatronika Wyposażenie Dydaktyczne

LABORATORIUM MECHATRONIKI, DIAGNOSTYKI

I BEZPIECZEŃSTWA TECHNICZNEGO

INSTYTUT POJAZDÓW

WYDZIAŁ SAMOCHODÓW I MASZYN ROBOCZYCH

POLITECHNIKA WARSZAWSKA

ul. Narbutta 84, 02-524 Warszawa

Tel. [phone] do 8119

e-mail :

[e-mail]

http://www.mechatronika.net.pl

Laboratorium – Mechatroniczne Systemy

Sensoryczne i Wykonawcze

I. Zestawienie paneli wchodzących w skład ćwiczenia

Strona 2/10

Lp.

Nazwa panelu

Kod

il. szt.

Uwagi

1 Włącznik masy

0 01 01

1

2 Włącznik zapłonu

0 02 01

1

3 Moduł pomiarowy

0 04 01

1

4 Oscyloskop

0 04 10

1

5 Zasilacz stabilizowany 13,6V 10A

0 05 09

1

układ zasilania stołu

6 Zespół bezpieczników

0 06 01

1

7 Czujnik aktywny prędkości obrotowej

1 20 20

1

8 Czujnik prędkości pojazdu

1 20 21

1

9 Czujnik kierunku obrotów

1 20 26

1

11 Transformator bezpieczeństwa 220V/24V

6 01 00

1

układ zasilania stołu

12 Autotransformator sieciowy 24V/2x12V

6 01 01

1

układ zasilania stołu

13 Prostownik mostkowy 14/28V

6 01 06

1

układ zasilania stołu

Wyposażenie podstawowe

II. Rozmieszczenie paneli na stelażu

30

15

~12

~12

+12V

+24V

PROSTOWNIK MOSTKOWY 6 01 06

U1

U2

Atr

~24V/50Hz

B-15A

Wł./Wył.

MT

A

30

15

OSCYLOSKOP-DIAGNOSKOP

0 04 10

~12

~12

30

15

B33

CZUJNIK
PRĘDKOŚCI POJAZDU

1 20 21

km/h
mph

n

o

Ust (-)

30

15

CZUJNIK
KIERUNKU OBROTÓW

1 20 26

B

o

30

15

B19

CZUJNIK AKTYWNY

PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ

1 20 20

ABS

(+)

(-)

PRĘDKOŚĆ

OBROTOWA

30

15

Ust (-)

MIN.

MAX.

31

REGULATOR

WSPÓŁCZYNNIKA
WYPEŁNIENIA

0 05 01

30

STABILIZATOR

NAPIĘCIA 13,6V/10A

0 05 09

+12V

+24V

NAPIĘCIE WYJŚCIOWE

15

V

KL, 2.0

T

0

15

5

10

30

15

ZESPÓŁ BEZPIECZNIKÓW 0 06 01

F2

F3

F4

F1

F

1

F

2

F

3

F

4

30

15

50

WŁĄCZNIK ZAPŁONU

0 02 01

0

I

S

S1

30

WŁĄCZNIK MASY

0 01 01

B-80A

30

15

ZŁĄCZE

KOMPUTERA

OSCYLOSKOP-DIAGNOSKOP

0 04 10

30

15

V

200mV

1mV/1A

MODUŁ POMIAROWY 0 04 01

MIERNIK UNIWERSALNY

III. Sposób połączenia układu

Połączenie paneli:

Zestaw należy połączyć w następującej kolejności:
1- podłączyć przewodem (nr. 0 00 51) zaciski akumulatora do zacisków “+”, “-” panelu włącznika

masy (0 01 01) z

,

Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia należy pamiętać, aby włącznik

i

znajdował się w pozycji

2- połączyć łącznikami (0 00 53 lub 0 00 54) obwody zasilające “30”, “15”, “31”,
3- połączyć łącznikami (0 00 53 lub 0 00 54) i przewodami (0 00 56 lub 0 00 57) pozostałe obwody

zgodnie z dołączonym schematem, pkt IV,

4- włączyć włącznik masy, a następnie włącznik zapłonu,

zachowaniem odpowiedniej biegunowości

włącznika masy (0 01 01) autotransformatora (6 01 02)
wyłączonej.

Strona 3/10

!

IV. Fragment schematu połączeń i oznaczenia podzespołów

Strona 4/10

Fragment schematu układu zapłonowego w samochodzie Ford Transit 2,5D Turbo

B24
B25
B54
B83
B138

- czujnik temperatury silnika
- czujnik temperatury powietrza
- czujnik położenia wału korbowego
- czujnik podciśnienia w kolektorze dolotowym

- czujnik położenia pedału przyspieszania

2

1

Y28

15

30

30

27

B147

14

X1

B149

53

35

2

3

11

P

a

b

B83

f

c

2

B138

1

2

8

6

4

B54

18

3

B24

1

t

o

25

30

B25

t

o

17

54

55

52

15

7

3

5

11

33

51

B147
B149
X1
Y28

- potencjometr przepustnicy
- zawór recyrkulacji spalin EGR z potencjometrem

- złącze diagnostyczne

- elektrozawór modulacji podciśnienia EGR

- masowy przepływomierz powietrza
- ogrzewana sonda lambda
- czujnik temperatury silnika
- czujnik spalania stukowego 1
- czujnik spalania stukowego 2
-czujnik prędkości silnika

- zawór regeneracji filtra z węglem aktywnym

B4
B5
B6
B7
B7
B9
Y6

Fragment schematu układu zapłonowego w samochodzie Audi A4 1.8T

2. Teoria

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zbadanie podstawowych parametrów czujników występujących w systemach

samochodowych. Ocena

za pomocą oscyloskopu, oraz wykonanie

pomiarów napięć i rezystancji za pomocą miernika uniwersalnego.

przebiegów napięciowych

V. Sprawozdanie

Czujnik indukcyjne
Indukcja magnetyczna

jest wielkością wektorową, charakteryzującą pole magnetyczne, w którym porusza się określony ładunek

elektryczny. Indukcja

pola magnetycznego wewnątrz solenoidu, w próżni, wynosi:

gdzie:

- długość solenoidu,

- liczba zwojów solenoidu.

= 4

m/A] - stała magnetyczna (przenikalność magnetyczna bezwzględna próżni).

Jednostką indukcji magnetycznej jest tesla [T]: 1 T = 1 Vs/m2 (1 Gs (Gaus) = 10-4 T)
Indukcja ulega zmianie, jeżeli wewnątrz solenoidu znajduje się rdzeń z materiału o określonych własnościach:

gdzie:

= /

- względna przenikalność magnetyczna materiału.

Diamagnetyki (np. woda, rtęć, miedź):

<~ 1, paramagnetyki (np. mangan, tlen, aluminium):

>~ 1, ferromagnetyki (np. żelazo,

kobalt, nikiel oraz ich stopy):

>> 1, ferromagnetyki wzmacniają wielokrotnie indukcję magnetyczną

w stosunku do próżni.

Strumień indukcji magnetycznej

gdzie:

- pole powierzchni, przez którą przenika indukcja magnetyczna,

ąt między kierunkiem wektora indukcji

a normalną do powierzchni

w punkcie działania indukcji.

W równomiernym polu magnetycznym o indukcji , działającej prostopadle do powierzchni , strumień indukcji magnetycznej

i pola powierzchni , przez które przechodzą linie tego pola:

Jednostką strumienia magnetycznego jest weber [Wb]: 1 Wb = 1 Vs.
Jeżeli przez solenoid przepływa prąd elektryczny, którego natężenie ulega zmianie, to zmienia się indukcja magnetyczna , a wraz z
nią strumień indukcji magnetycznej
Zmiany strumienia magnetycznego wzbudzają w uzwojeniach solenoidu siłę, elektromotoryczną samoindukcji:

Powoduje ona przepływ prądu samoindukcji.
Zgodnie z regułą Lorentza kierunek tego prądu przeciwdziała zmianom strumienia magnetycznego pierwotnego, a więc przepływa
on w kierunku przeciwnym niż prąd pierwotny.
Indukcja magnetyczna wytwarzana przez przewodnik z prądem jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu, zmiana strumienia
indukcji w solenoidzie bez rdzenia ferromagnetycznego także jest proporcjonalna do zmiany natężenia prądu:

Współczynnik proporcjonalności

jest nazywany indukcyjnością lub współczynnikiem indukcyjności własnej solenoidu i można

go zapisać:

Jednostką indukcyjności jest henr [H]: 1 H = 1 Vs/A.

B

B

l
z

B B

B

S

B

S

B

S

B

S

B

L

0

0

0

µ

µ

π

10-7 [T

:

- k

jest iloczynem indukcji

.

r

Φ

α

Φ

Φ

Φ

BS

=

µ

µ

µ

r

r

r

Strona 5/10

Jeżeli solenoid zawiera rdzeń stalowy o względnej przenikalności magnetycznej

, to jego indukcyjność wyraża się zależnością:

gdzie:

- przekrój poprzeczny solenoidu;

- reluktancja (opór magnetyczny) obwodu magnetycznego,

- długość solenoidu;

- liczba zwojów solenoidu.

Wartość

=

, jest przenikalnością magnetyczną bezwzględną.

W czujnikach indukcyjnych można wpływać na zmianę indukcyjności cewki regulując liczbę zwojów z lub zmieniając reluktancję

. Zmianę reluktancji w najprostszy sposób można uzyskać przez zmianę przenikalności magnetycznej

, zmianę, przekroju cewki

lub długości cewki .

µ

S
R
l
z

µ

µ µ

R

µ

S

l

r

µ

r

µ

r

0

Czujniki hallotronowe
Jeśli płytkę półprzewodnikową wykonaną z półprzewodnika mono- lub polikrystalicznego zasilaną prądem sterującym IS
umieścimy w polu magnetycznym, którego wektor indukcji B skierowany jest prostopadle do płaszczyzny tej płytki, to nośniki
prądu pod wpływem siły Lorentza zostaną odchylone w kierunku jednego z brzegów płytki. To odchylenie toru przepływu
nośników prądu o pewien kąt

ę ładunków o różnych znakach na przeciwległych płaszczyznach bocznych

płytki. W rezultacie między wyprowadzeniami 3 i 4 pojawi się napięcie UH, zwane napięciem Halla od nazwiska odkrywcy tego
zjawiska.

Z równania równowagi sił działających na nośniki prądu można wyprowadzić zależność na napięcie Halla przy zadanym prądzie
sterującym IS:

gdzie:

- współczynnik Halla zależny od materiału

półprzewodnika [m3/As] (-924,3×10-11),

- grubość płytki [m],

- natężenie prądu sterującego [A],

- indukcja pola magnetycznego [T].

Napięcie to zależy od natężenia prądu przepływającego przez półprzewodnik oraz od indukcji zewnętrznego pola magnetycznego.
Zjawisko Halla szczególnie intensywnie występuje w półprzewodnikach z przewodnictwem jednego typu (elektronowym lub
dziurowym), przy czym jest ono tym intensywniejsze, im mniejsza jest koncentracja nośników i im większa jest ich ruchliwość.

Θ

spowoduje pojawienie si

R

d
I
B

H

S

Strona 6/10

Strona 7/10

Czujnik prędkości własnej pojazdu -

Działanie czujnika oparte jest na zjawisku Halla.

C

Czujnik jest tak wyregulowany, że jeden impuls odpowiada

przejechaniu jednego metra drogi.

W

oparciu o częstotliwość impulsów, sterownik określa prędkość własną pojazdu. Czujnik może być montowany np: na wyjściu
mechanizmu różnicowego.

Na wirniku czujnika prędkości umieszczony jest zespół magnesów

trwałych.

zujnik Halla i układ elektroniczny znajduje się w stojanie.

Częstotliwość tych impulsów jest zatem proporcjonalna do prędkości liniowej samochodu.

eden obrót wirnika. Częstotliwość tych impulsów jest zatem proporcjonalna do prędkości liniowej.

1- przysłona pierścienia
2- materiał magnetyczny
3- szczelina powietrzna

Schemat czujnika prędkości własnej pojazdu

-

+

3

1

2

o

Czujnik aktywny prędkości obrotowej -

Czujnik tego typu zastępuje tradycyjne czujniki indukcyjne.Zastępuje uzębienie koła impulsowego przez magnesy. Magnesy są ułożone w

kształt pierścienia wielobiegunowego. Element pomiarowy czujnika aktywnego jest stale poddawany działaniu zmiennego pola magnetycznego tych
magnesów. Napięcie w czujniku jest poddawane obróbce. Odmiennie niż w przypadku czujnków indukcyjnych, analizowane napięcie nie zależy od
prędkości obrotowej koła. Pomiar koła może już odbywać się od stanu spoczynku.
Częstotliwość prądu jest tak samo jak w czujnikach indukcyjnych proporcjonalna do prędkości koła.

S

S

N

N

N

S

N

S

S

N

N

S

N

N

S

S

1- pierścień wielobiegunowy
2- komora pomiarowa (przetwornik)
3- obudowa czujnika

Schemat czujnika aktywnego prędkości obrotowej

1

3

2

Literatura:

1. A. Gajek, Z. Juda: Czujniki. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa, 2008, http://www.ibuk.pl/korpo/fiszka.php?id=771
2. Materiały firmy: Mechatronika Wyposażenie Dydaktyczne.

Wymagania na zaliczenie:

1. Podstawowe wiadomości na temat czujników indukcyjnych (zasada działania, przykłady zastosowań).
2. Podstawowe wiadomości na temat czujników hallotronowych (zasada działania, przykłady zastosowań).

30

15

Ust (-)

MIN.

MAX.

31

REGULATOR
WSPÓŁCZYNNIKA
WYPEŁNIENIA

0 05 01

30

15

B33

CZUJNIK
PRĘDKOŚCI POJAZDU

1 20 21

km/h
mph

n

o

Ust (-)

3. Sprawdzanie czujnika prędkości własnej pojazdu

3.3. Tabela pomiarowa

30

15

ZŁĄCZE

KOMPUTERA

OSCYLOSKOP-DIAGNOSKOP

0 04 10

3.4. Interpretacja wyników i wnioski:

3.1. Schemat połączeń

3.2. Przebieg ćwiczenia

tab.1

30

15

V

200mV

1mV/1A

MIERNIK UNIWERSALNY

MODUŁ POMIAROWY 0 04 01

Oscylogram sygnału z czujnika

prędkości własnej pojazdu

.

1V/div
10ms/div

-
- sprawdzić napięcie zasilające
- podłączyć sondę pomiarową oscyloskopu do gniazda “0”,

podłączyć wszystkie łączniki zgodnie z przedstawionym sposobem łączenia,

czujnika, pomiędzy zaciskiem “15” a “31”,

- dla 10 różnych wartości obrotów czujnika, określić na podstawie odczytów z ekranu oscyloskopu odpowiadające im

wartości okresu “T” lub częstotliwości, czasu trwania sygnału “t”.

Lp.

1
2

T[ms]

3
4
5

6

7
8

t[ms]

9

10

Oznaczenia oscylogramu:
T - okres przebiegu sygnału elektrycznego

t - czas trwania sygnału

T

t

Strona 8/10

30

15

CZUJNIK
KIERUNKU OBROTÓW

1 20 26

B

o

Strona 9/10

4. Sprawdzanie czujnika kierunku obrotu

- podłączyć końcówki Modułu pomiarowego (0 04 01) do gniazd wyjściowych czujnika “0” i “31”,

.

Układ rozłączony!

- podłączyć wszystkie łączniki zgodnie z przedstawionym sposobem łączenia,
- podłączyć sondę pomiarową oscyloskopu do zacisku “0” czujnika.
- poprzez zbliżanie metalowego elementu w okolicy czujnika, najpierw z góry w dół, a później w odwrotnym kierunku,

zaobserwować moment zapalenia się kontrolki diodowej.

- zarejestrować oscylogram

Pomiar rezystancji uzwojenia czujnika

Obserwacja zmian stanu pracy czujnika

wynik zapisać w tab.1

4.3. Tabela pomiarowa

!

4.4. Interpretacja wyników i wnioski:

4.1. Schemat połączeń

4.2. Przebieg ćwiczenia

R [ ]

W

uzwojenie czujnika

tab.1

30

15

V

200mV

1mV/1A

MIERNIK UNIWERSALNY

MODUŁ POMIAROWY 0 04 01

30

15

ZŁĄCZE

KOMPUTERA

OSCYLOSKOP-DIAGNOSKOP

0 04 10

Oscylogram sygnału z czujnika kierunku obrotu

.

30

15

B19

CZUJNIK AKTYWNY
PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ

1 20 20

ABS

(+)

(-)

PRĘDKOŚĆ

OBROTOWA

Strona 10/10

5. Sprawdzanie czujnika aktywnego prędkości obrotowej

- podłączyć końcówki Modułu pomiarowego (0 04 01) do gniazd wyjściowych czujnika “+”, “-”,

.

Układ rozłączony!

- podłączyć sondę pomiarową oscyloskopu do zacisku “+” czujnika,
- poprzez regulacje prędkości obrotowej pierścienia wielobiegunowego zmieniamy częstotliwość pracy czujnika.
- zarejestrować oscylogram

.

Pomiar rezystancji uzwojenia czujnika

Obserwacja zmian stanu pracy czujnika

wynik zapisać w tab.1

wynik zapisać w tab.2

5.3. Tabela pomiarowa

!

5.4. Interpretacja wyników i wnioski:

5.1. Schemat połączeń

5.2. Przebieg ćwiczenia

R [ ]

W

uzwojenie zaworu

tab.1

30

15

V

200mV

1mV/1A

MIERNIK UNIWERSALNY

MODUŁ POMIAROWY 0 04 01

30

15

ZŁĄCZE

KOMPUTERA

OSCYLOSKOP-DIAGNOSKOP

0 04 10

Oscylogram sygnału z czujnika aktywnego

prędkości obrotowej

1V/div
10ms/div

U [V]

biegun

tab.2

N
S