Сензорни елементи

Какво са сензорите?

В най-широк смисъл сензорът е измервателно устройство. Влиянията на околната среда като температура, влажност, светлина, газове и др. се измерват и преобразуват в електрически сигнали. След това те могат да бъдат записани и интерпретирани от модул за анализ (контролер). В последствие контролерите изпращат сигнали до задвижващите механизми, за да извършат необходимите корекции или действия.

Пример:
Вътрешната температура в автомобила се измерва с помощта на температурен сензор. Управляващата електроника интерпретира измерената температура като твърде ниска и активира отоплението.

Сензори – в моторното превозно средство

При употреба в моторно превозно средство обикновено се прави разграничение между три основни категории:

• Сензори в силовата предавка/двигателя

Силовата предавка, съотв. двигателният блок, е група от компоненти в моторното превозно средство, които генерират въртящ момент и го предават към задвижващите колела. Сензорите в тази област поддържат безпроблемната работа на този модул. Примери са сензорите за изгорели газове, ламбда сондите, сензорите за налягане в двигателя и др.

• Сензори за сигурност

Тези сензори са необходими за безопасността на автомобила и пътниците в него. ABS сензорът за скорост, например, предотвратява блокирането на колелото при спиране. Сензорите за удар гарантират, че въздушната възглавница ще се отваря в случай на инцидент, и т. н.

• Сензори за повишаване на комфорта
  Сензорите за комфорт са отговорни за комфорта на водача. Като пример е посочен сензорът за дъжд.

Той разпознава влагата на предното стъкло, така че контролерът може електронно да включи и да управлява чистачките на предното стъкло.

Какви видове сензори има в автомобила и как се използват

Този речник описва често използвани типове сензори и техния начин на функциониране в автомобила. Разглеждането на всички съществуващи сензори би надхвърлило наличния тук обем.

Оптически сензори

Оптичните или оптоелектронните сензори използват светлина в определен спектър за откриване на обекти и след това могат да задействат различни действия. Тук са изброени някои типични представители на оптичните сензори.

LiDAR (Light Detection and Ranging)

С LiDAR/лазерен сензор заобикалящата среда на автомобила се сканира, измерва и регистрира с помощта на въртящ се лазерен лъч. От регистрираните данни може да се генерира триизмерно изображение на заобикалящата среда. (Вижте също обяснението за LiDAR в речника)

Сензори за дъжд

Светодиодите (LED) излъчват инфрачервена светлина, която се отразява върху външната повърхност на предното стъкло. Приемните диоди (фотодиоди) приемат отразената светлина. Ако повърхността на стъклото е суха, инфрачервената светлина се отразява към диода на приемника с почти пълен интензитет. Това се нарича пълно отражение.  При дъжд, обаче, светлинният лъч се отклонява от водните капки и се отразява само частично. Разликата в сигнала предоставя на управляващата електроника информация за силата на дъжда, която след това може съответно да регулира скоростта и интервала на процеса на избърсване. 

Камери

Системите от камери се използват по много различни начини в автомобилите:

• Предна камера: Моно (1 леща) и стерео (2 лещи)
• Камера за заден ход
• 360° и разпознаване на мъртва зона (странично огледало)
• Камери за нощно шофиране и инфрачервени камери
• Вътрешни камери

В комбинация с други сензори, системите от камери могат да допринесат значително за сигурността. Недостатъкът на системите от камери е, че не могат да измерват разстояния. Камерите регистрират заобикалящата ги среда в двуизмерни изображения. 

Сензори за качество на въздуха

Сензорите за качество на въздуха за употреба в автомобила или извън него стават все по-важни в автомобилостроенето. Тъй като развитието се движи еднозначно в посока към електромобилност, факторът потребление на енергия е голям проблем. Значителна част от капацитета на акумулатора се използва за отопление или охлаждане на купето.  Въпреки това, ако се гарантира, че въздухът в отделението за пътници може да циркулира възможно най-дълго и пресен въздух да се подава само когато качеството му се влоши, това значително намалява необходимостта от енергия. Самото измерване се извършва с оптичен сензор, който разпознава и анализира частиците  мръсотия.

Индуктивни/магнитни сензори

Индуктивните, съотв. магнитните, сензори намират основното си приложение при определяне на позицията и разположението.
Тези компоненти се използват за измерване на скоростта на осите (ABS) и оборотите на двигателя, за да се определи триизмерната позиция на превозното средство (сензор за преобръщане).
За целта често се използват така наречените сензори на Хол.

Капацитивни сензори

Използването на капацитивни сензори е многостранно.
Сензорите за ускорение са типични приложения в автомобила. По този начин могат да се измерват вибрации и ускорени движения в автомобила.
Това се използва в сензора за сблъсък на въздушната възглавница – Airbag Crash Sensor, наред с други приложения.

Друг представител на капацитивните сензори е по-известен под името „Kick-Sensor“. Той осигурява отварянето или затварянето на багажника, когато „ритнете“ с крака си под задната броня.

Ултразвукови сензори

Ултразвук, или още сонар (Sound Navigation And Ranging), се използва за измерване на по-кратки разстояния до обекти (15 cm до макс. 5,5 m).
Основното му приложение откриваме в асистенцията за паркиране.
               
Излъчват се импулсни ултразвукови сигнали, които се отразяват върху обекта и се измерва времето за достигане и връщане. Разстоянието до обекта вече може да се изчисли чрез времето за достигане и връщане.

Радарни сензори

Тук също се изпраща импулсен сигнал и се измерва времето, необходимо за приемане на отразения сигнал. Тук са възможни измервания на разстояния над 160 m. Радарните сензори се използват в първокласните автомобили от дълго време, но сега все     повече намират своето място в средния клас. Типично приложение на радарните сензори е адаптивният круиз контрол. При него разстоянието до автомобила отпред се определя постоянно от радарния сензор. По този начин системата може автоматично да поддържа постоянно безопасно разстояние. (Вижте също обяснението за радар в речника)

Сензори за налягане

Сензорите за налягане обикновено работят на принципа на диференциалното налягане. Две камери са херметически изолирани една от друга с тънка мембрана.  Ако има разлика в налягането, мембраната се деформира. Тази деформация се преобразува в пропорционален електрически сигнал с помощта на електроизмервателни мостове.

Типичните приложения на сензорите за налягане са:
– Измерване на налягането в системите за рециркулация на отработените газове
– Откриване на течове в горивни системи
– Налягане в кабината
– Разпознаване на пътници
– и т. н.

Сензори за температура

Обикновено автомобилните температурни сензори се реализират с терморезистори (NTC). Тези съпротивления променят стойността си в зависимост от температурата. Колкото по-висока е температурата, толкова по-добре се провежда токът, т.е. съпротивлението намалява с температурата.

Типичните приложения са:
-Следене на температурата на двигателя
-Следене на температурата на отработените газове
-Климатик
-Следене на температурата на акумулатора
-и т. н.

Сензори за влага

От комбинираните данни, предоставени от сензора за влажност и температура (напр. в основата на     вътрешното огледало), контролерът на климатика изчислява точката на оросяване на въздуха, т.е. температурата, при която   влажността във въздуха      ще кондензира и ще доведе до запотяване на прозорците. По този начин може да се избегне точно това замъгляване и да се осигури ясна видимост на водача.  Поради приложението си, сензорите за температура и влажност често се комбинират в един чип.

Сензори за ток

Измерването на тока става все по-важно поради Е-мобилността. То може да се реализира с помощта на шънтове (измервателни резистори с нисък импеданс) или сензори за магнитно поле. Измерването трябва да става двупосочно, тъй като трябва да измерва и обхваща както работата на двигателя и генератора (рекуперация) при електрическите задвижвания, така и външното зареждане. С помощта на токови сензори консумацията, а с това и оставащият пробег на електрическо превозно средство, могат да бъдат измерени. При зареждане на акумулатора измерването на тока предотвратява презареждането и осигурява дълъг живот на акумулатора.

Заключение

Работата на един модерен автомобил не би била възможна без сензори.
Във всеки автомобил има стотици от тези измервателни уреди. Поради преминаването към електрически задвижвания, типът на сензорите в автомобила ще се променя. Докато тези за класическия двигател (напр. рециркулация на отработените газове) постепенно губят значение, сензори като онези за измерване на електричеството или качеството на въздуха се увеличават. Всички сензори, необходими за реализиране на ADAS и AD, като LiDAR, радар и камери, също ще се увеличат значително.