Сигнальные тракты систем управления двигателями предназначены для сбора информации о процессах, происходящих при работе двигателя и передачи её электронному блоку управления. Первичными измерительными преобразователями каждого сигнального тракта являются датчики (сенсоры).
Основное предназначение датчика состоит в восприятии физической величины определенного вида Х (входного сигнала) и преобразование ее в величину другого вида Y (выходной сигнал).
Как правило, выходные сигналы датчиков относятся к группе электрических физических величин – напряжение, ток, сопротивление и др.
Зависимость между выходным сигналом Y датчика и его входным сигналом Х, реализуемая датчиком в установившемся режиме называется статической характеристикой датчика. Иначе ее называют выходной характеристикой. В случае, когда входным и выходным сигналам приписаны нормированные значения физических величин (выраженные в определенных, стандартных единицах величин с определенной точностью), такая характеристика называется градуировочной.
Очевидно, между входным Х и выходным сигналами датчика должна существовать взаимнооднозначная зависимость, т.е. каждому значению входного сигнала Х должно соответствовать единственное значение выходного сигнала Y и наоборот – каждому значению Y – единственное значение Х.
Это обстоятельство накладывает следующее требование к градуировочной характеристике. Если ее представить в виде функции Y = f (х), то эта функция должна быть монотонной, т.е. не иметь максимумов, минимумов и так называемых точек перегиба.
Следует помнить, что датчик только тогда является первичным измерительным преобразователем, когда ему приписана градуировочная характеристика, т.е. последняя является основной характеристикой датчика.
Градуировочные характеристики должны быть стабильными, т.е. в течение заданного интервала времени сохранять свои основные параметры. Для автомобильных СУД этот интервал, как правило, совпадает с ресурсом датчика.
Прочими характеристиками датчиков являются: точность, чувствительность, рабочий диапазон измерений, динамические характеристики, входной и выходной импедансы и др.
Точность характеризуется величиной погрешности датчика, которая, в свою очередь, задается допустимыми отклонениями статической (градуировочной) характеристики от номинальной.
Чувствительность датчика характеризуется минимальным отклонением входной величины Х, которое приводит к изменению выходной величины.
Рабочий диапазон датчика характеризует интервал изменения входной величины, в котором выполняются свойства статической характеристики и погрешность датчика не превышает установленные пределы.
Динамические характеристики датчика, такие как постоянная времени, время запаздывания показаний, переходная функции и др., в основном используют для учета погрешностей датчика, связанных с его инерционностью как любой физической системы.
Применяемые в автомобильных СУД датчики подразделяются на генераторные
(активные) и параметрические (пассивные).
В генераторных датчиках под воздействием входного сигнала формируется энергетический сигнал, например, сигнал напряжения, сигнал тока, световой импульс и т.п.
В пассивных, параметрических датчиках изменение входного сигнала влияет на соответствующее изменение некого электрического параметра датчика, например, сопротивления, емкости и т.п., которые в дальнейшем используются для формирования энергетических сигналов с помощью электронных схем.
В зависимости от числа элементов (ступеней), участвующих в преобразовании входной физической величины в соответствующее значение выходной, датчики подразделяются на одноступенчатые и многоступенчатые. Первая ступень, непосредственно воспринимающая воздействие входной величины называется чувствительным элементом. В качестве примера можно привести двухступенчатый параметрический датчик давления, в котором чувствительным элементом является мембранная коробка, реагирующая на изменение внешнего давления Р. Реакцией мембранной коробки является механическое перемещение S ползунка потенциометра, которое приводит к изменению его сопротивления R.
По видам входных сигналов классификация датчиков соответствует классификации физических величин: датчики температуры, перемещения, давления, ускорения, химического состава газов и т.п.
По видам выходных сигналов датчики подразделяются на датчики напряжения, тока, сопротивления, емкости, индуктивности, частоты и пр.
Важными параметрами датчиков являются входной и выходной импедансы, т.е. активное и реактивное сопротивление датчика, измеренные на входе и выходе датчика соответственно. В зависимости от импедансов датчики подразделяются на низкоомные и высокоомные.
В зависимости от выходных сигналов датчики подразделяются также на аналоговые (непрерывные) и цифровые (дискретные). В структуре последних присутствует ступень, выполняющая тем или иным образом аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Цифровые датчики более предпочтительны для современных СУД, имеющие в своем составе цифровой блок управления (компьютер).
В дальнейшем материале темы мы остановимся на наиболее часто встречающихся в СУД датчиках и рассмотрим их отличительные схемные решения и конструктивные особенности.