Автомобильный справочник
для настоящих любителей техники
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:
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:
где с — постоянная пружины.
Следовательно, чувствительность измерения S будет равна:
Другими словами, большая масса вместе с небольшой жесткостью пружины (или постоянной пружины) дают высокую чувствительность измерения. Если же уравнение записать полностью для статического и динамического случаев, то станет очевидно, что необходимо учитывать не только эластичность пружины, но и силу трения, и силу инерции:
Эти компоненты пропорциональны логическим выводам в отношении времени перемещения х (р — коэффициент трения). Получающееся дифференциальное уравнение описывает колеблющуюся (резонирующую) систему. Если трение считать ничтожно малым (р ≈ 0), то резонансная частота системы будет равна:
ω0 = √ c/m
Таким образом, чувствительность измерения S напрямую связана с резонансной частотой ω0:
S·ω0 2 = 1
Иными словами, можно ожидать, что при увеличении резонансной частоты вдвое чувствительность уменьшится в четыре раза. Конечно, такие пружинно-массовые системы демонстрируют адекватную пропорциональность между измеренной переменной и амплитудой только при частоте, которая ниже их резонансной частоты.
В случае чисто амплитудных систем необходимо обеспечить амортизацию, которая должна быть как можно точнее определена и как можно меньше зависима от температуры для получения как можно более унифицированного отклика частоты (рис. «Амплитудно-резонансная кривая» ) и предотвращения разрушительной остроты резонанса, которая может легко вывести систему из строя. Если коэффициент трения р нормализовать, то получим стандартизированный коэффициент амортизации D.
D = (p/2·c)·ω0 =p/(2· √ c·m)
Этот коэффициент амортизации в значительной степени определяет переходную и резонансную характеристики. В то время как при периодическом возбуждении с коэффициентами амортизации D > √ 2/2 ≈ 0,707 большей остроты резонанса уже не возникает (рис. «Амплитудно-резонансная кривая» ), любое колеблющееся переходное состояние в случае ступенчатого возбуждения исчезает при коэффициенте D > 1. Для достижения как можно более широкой полосы пропускания на практике обычно используют компромиссные значения D = 0,5-0,7.
Применение датчиков ускорения
Пьезоэлектрические датчики
Пьезоэлектрические биморфные упругие элементы (двухслойная пьезокерамика) используются в пусковых устройствах аварийных натяжителей ремней безопасности, подушек безопасности и штанг против опрокидывания автомобиля (рис. «Пьезоэлектрический датчик» ). 
Их инерционная масса под действием ускорения вызывает деформацию, обеспечивающую достаточный динамический сигнал с благоприятными для обработки характеристиками (обычно предел по частоте равен 10 Гц).
Чувствительный элемент датчика расположен в герметичном корпусе, содержащем также предварительный усилитель сигнала. Иногда в целях физической защиты его помещают в гель. Принцип активации датчика можно также инверсировать. Дополнительный активирующий электрод упрощает проверку датчика (бортовая диагностика).
Продольные элементы используются в качестве датчиков детонации (датчиков ускорения) в отслеживающих системах зажигания. С их помощью измеряется вибрационный шум в блоке двигателя (измеряемый диапазон ускорений составляет приблизительно 10g при обычной частоте колебаний 5-20 кГц). Некапсулированное пьезокерамическое кольцо измеряет силы инерции, воздействующие на сейсмическую массу той же формы. Однако сегодня для обнаружения детонации почти исключительно используются более современные поверхностно- микромеханические датчики.
Емкостные кремниевые датчики ускорения
Первое поколение микромеханических датчиков основывалось на анизотропии и селективных методах травления для получения необходимых свойств системы «пружина- масса» в пластине (объемная кремниевая микромеханика) и необходимого профиля пружины (рис. «Объемный кремниевый датчик ускорения» ).
Емкостные датчики оказались особенно эффективны при высокоточных измерениях отклонения инерционной массы. В конструкции используются вспомогательные кремниевые или стеклянные пластины с противоположными электродами выше и ниже подпружиненной инерционной массы. Создается трехслойная конструкция, позволяющая защитить пластины и противоположные электроды от перегрузок. Заполнение герметично запаянной колебательной системы датчика точно отмеренным количеством воздуха — очень компактная, недорогая форма амортизации, которая также отличается низкой температурной чувствительностью. В существующих конструкциях для непосредственного соединения трех кремниевых пластин почти всегда используется процесс плавления. Ввиду разного теплового расширения у различных компонентов, их необходимо устанавливать на кассетную подложку. Это имеет решающее значение для точности измерений. Используется практически прямолинейный монтаж со свободной поддержкой в чувствительном диапазоне.
Датчики этого типа в основном используются для определения ускорений низкого уровня ( Эта статья размещена в главе Автомобильная электроника и называется Датчики ускорения и вибрации. Добавьте в закладки ссылку.
Ремонт и техническое обслуживание автомобилей
Датчики ускорения (акселерометры)
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
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.
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 (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!
Датчик ускорений AYC — учимся экономить
Среди моих клиентов достаточно много ХС90 первых лет выпуска. На одном таком мы восстанавливали работу полного привода. Кроме блока DEM, который не был на связи и который мы благополучно отремонтировали, была ошибка по связи с датчиком боковых ускорений AYC. Вобщем-то проблема известная, стоит он под пассажирским сиденьем, куда на машинах с люком попадает вода в очень больших объемах))
Начинаем как всегда с изучения матчасти:
Датчик маленький, но хитрый: он общается с блоком тормозов BCM по шине CAN, но не по общей, а по своей собственной. Т.е. у блока тормозов две шины — для связи с машиной и для связи с датчиком.
Ну принцип понятен, переходим к практике. Откидываем сиденье, снимаем усилитель звука, под ним наш датчик и живет. Вот в таком состоянии:
Но разобрав датчик видим, что снаружи все гораздо страшнее, чем внутри. Плата относительно чистая, а сгнил лишь один пин.
Тут посмотрим на схему: разъем на 6 контактов, но используются только 4. Значит, один из двух свободных пинов можно переставить вместо сгнившего. Ну а сам разъем со стороны проводов придется заменить. Саму плату моем, сушим, изучаем под микроскопом. Таким образом, работоспособность платы восстановлена.
Но в машине все должно быть прекрасно, поэтому корпус датчика тоже приведем в порядок. Чистим, грунтуем, красим! И при сборке сам корпус разъема и половинки корпуса датчика сажаем на герметик. Вот что в итоге получилось:
Перейдем к экономической части)) Новый датчик 30.000 рублей. Б/у с разборки от 6 до 10 тысяч! Ну как? На мой взгляд, всегда есть смысл хотя бы попытаться. Хуже все равно не станет, а сэкономить можно немало. Даже ремонт, например, за 5000 — это профилактика, гарантия и отсутствие проблем с поиском и подбором. А как вы считаете?)
для чего в машине m2m акселерометр
Комментарии 15
Используется обычно совместно с системой «скаут» у меня такое в рабочем форде стоит. Мониторинг резких торможений и ускорений посредством изменений показаний датчика гироскопа )
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.
а почему бабы одни ддают, а другие нет, сцуко дилемма
А почему одни дают другие нет?!)
а почему бабы одни ддают, а другие нет, сцуко дилемма
Завтра с отчетом на Драйв. Время еще есть )))
Может корректировка всяческих антипробуксовок на крутых подъемах и спусках.
Или еще в крутых виражах корректировка жесткости подвески, ежели машина напичкана дофига чем.
Может еще охранная система завязана.
Ответим вопросом на вопрос.
Почему дует ветер?
Почему идет дождь?
Зачем светит солнце?
Его использую различные активные системы безопасности и помощники, думаю для другого он не нужен