Jenis dan sinyal sensor

Subyek:

Inleiding
Sensor pasif
Sensor aktif
Sensor cerdas
Aplikasi dalam teknologi otomotif
Mengukur pada sensor
Transmisi sinyal dari sensor ke ECU
DIKIRIM (Transmisi Gigitan Tepi Tunggal)
Catu daya dan pemrosesan sinyal

Perkenalan:
Sensor mengukur besaran fisika dan mengubahnya menjadi tegangan listrik. Tegangan ini diproses di mikrokontroler (ECU) dan dibaca sebagai “sinyal”. Sinyal dapat dinilai berdasarkan level tegangan, atau frekuensi perubahan sinyal.

Sensor pasif:
Sensor pasif mendeteksi dan mengukur besaran fisis dan mengubahnya menjadi besaran fisis lainnya. Contohnya adalah mengubah suhu menjadi a nilai resistensi. Sensor pasif tidak menghasilkan tegangan apa pun, tetapi merespons tegangan referensi dari ECU. Sensor pasif tidak memerlukan tegangan suplai agar dapat berfungsi.

Sensor pasif biasanya memiliki dua atau tiga koneksi:

kabel referensi atau sinyal (biru);
kabel ground (coklat);
kawat terlindung (hitam).

Terkadang sensor pasif hanya berisi satu kabel: dalam hal ini rumah sensor berfungsi sebagai ground. Kawat ketiga dapat berfungsi sebagai pelindung. Jaket ini di-ground-kan melalui ECU. Kabel berpelindung terutama digunakan untuk sinyal sensitif interferensi seperti dari sensor posisi poros engkol dan sensor ketukan.

Contoh sensor pasif adalah a Sensor suhu NTC. Tegangan referensi sebesar 5 volt digunakan sebagai pembagi tegangan antara resistor di ECU dan di sensor, jadi bukan sebagai tegangan supply sensor. Level tegangan antar resistor (tergantung nilai resistansi NTC) dibaca oleh ECU dan diterjemahkan ke dalam suhu. Rangkaian dengan resistor dijelaskan pada bagian: “Pasokan tegangan dan pemrosesan sinyal” lebih lanjut di halaman ini.

Sensor aktif:
Sensor aktif berisi rangkaian listrik di dalam wadahnya untuk mengubah besaran fisik menjadi nilai tegangan. Rangkaian listrik seringkali memerlukan tegangan suplai yang stabil untuk beroperasi.

Dalam kebanyakan kasus, sensor jenis ini memiliki tiga koneksi:

plus (biasanya 5,0 volt);
massa;
sinyal.

Catu daya 5 volt yang distabilkan disuplai oleh unit kontrol dan digunakan oleh sensor untuk membentuk sinyal analog (antara 0 dan 5 volt). Kabel positif dan ground dari ECU sering kali dihubungkan ke beberapa sensor. Hal ini dapat dikenali dari node yang terhubung dengan lebih dari dua kabel.

Sinyal analog diubah menjadi sinyal digital di ECU.
Dalam paragraf “smendulang pasokan dan pemrosesan sinyal” kita akan membahas ini lebih detail.

Sensor cerdas:
Sensor cerdas biasanya memiliki tiga koneksi. Seperti halnya sensor aktif, terdapat kabel listrik (12 volt dari ECU atau langsung melalui sekring) dan kabel ground (melalui ECU atau titik ground eksternal. Sensor cerdas mengirimkan sinyal digital (bis LIN) pesan ke ECU dan sensor lainnya. Lalu ada prinsip tuan-budak.

Secara internal di dalam sensor, konverter A/D mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital.

Analog: 0 – 5 volt;
Digital: 0 atau 1.

In het Sinyal bus LIN dalam kondisi resesif (12 volt) bernilai 1, dan dalam kondisi dominan (0 volt) bernilai 0.

Aplikasi dalam teknologi otomotif:
Dalam teknologi otomotif kita dapat membuat klasifikasi berbagai jenis sensor berikut:

Sensor pasif:

Sensor ketukan;
Sensor posisi poros engkol;
Sensor suhu (NTC/PTC);
Sensor Lambda (sensor lompat/zirkonium);
Sensor ketinggian induktif;
Beralih (hidup/mati)

Sensor aktif:

Sensor posisi poros engkol/poros bubungan (Aula);
Meteran udara massal;
Sensor lambda pita lebar;
Sensor tekanan (pengisian tekanan / sensor tekanan turbo);
Sensor ABS (Aula/MRE);
Sensor akselerasi/deselerasi (YAW);
Sensor radar/LIDAR;
Sensor ultrasonik (PDC/alarm);
Sensor posisi (katup gas/EGR/katup pemanas).

Sensor cerdas:

Sensor hujan/cahaya;
Kamera;
Sensor tekanan;
Sensor sudut kemudi;
Sensor baterai

Mengukur pada sensor:
Ketika sensor tidak berfungsi dengan baik, pengemudi biasanya akan menyadari hal ini karena lampu kerusakan menyala, atau ada sesuatu yang tidak lagi berfungsi dengan baik. Jika sensor di ruang mesin menyebabkan kegagalan fungsi, hal ini dapat mengakibatkan hilangnya daya dan MIL (lampu kerusakan mesin) menyala.

Saat membaca ECU, kode kesalahan mungkin ditampilkan jika ECU mengenali kesalahan tersebut. Namun, tidak semua kasus kode kesalahan mengarah langsung ke penyebabnya. Fakta bahwa sensor tersebut tidak berfungsi mungkin karena rusak, namun masalah pada kabel dan/atau sambungan steker tidak dapat dikesampingkan.

Mungkin juga sensor memberikan nilai yang salah sehingga tidak dikenali oleh ECU. Dalam hal ini, tidak ada kode kesalahan yang disimpan, namun teknisi harus menggunakan data langsung (lihat halaman OBD) harus mencari bacaan yang di luar jangkauan.

Gambar berikut menunjukkan pengukuran dari sensor aktif. Catu daya (perbedaan tegangan pada sambungan plus dan minus) sensor diperiksa dengan multimeter digital. Meterannya menunjukkan 5 volt, jadi tidak apa-apa.

Tegangan sinyal dapat diukur dengan voltmeter atau osiloskop. Pengukur mana yang cocok tergantung pada jenis sinyal:

voltmeter: sinyal analog yang hampir konstan;
osiloskop: sinyal analog dan sinyal digital (duty cycle/PWM).

Dengan satu atau lebih pengukuran kita dapat menunjukkan bahwa sensor tidak berfungsi dengan baik (sinyal yang dipancarkan tidak masuk akal atau sensor tidak menghasilkan sinyal), atau ada masalah pada kabel.
Dengan sensor pasif, dalam banyak kasus, pengukuran resistansi dapat dilakukan untuk memeriksa apakah terdapat cacat internal pada sensor.

Kemungkinan masalah pada kabel sensor mungkin termasuk:

gangguan pada ground positif atau kabel sinyal;
hubungan pendek antara kabel atau badan;
resistensi transisi dalam satu atau lebih kabel;
koneksi steker yang buruk.

Di halaman: memecahkan masalah kabel sensor kita melihat tujuh kemungkinan malfungsi yang dapat terjadi pada kabel sensor.

Transmisi sinyal dari sensor ke ECU:
Ada beberapa metode untuk mentransfer sinyal dari sensor ke ECU. Dalam teknologi otomotif kita mungkin berurusan dengan jenis sinyal berikut:

Modulasi Amplitudo (AM); tingkat tegangan memberikan informasi;
Modulasi Frekuensi (FM); frekuensi sinyal memberikan informasi;
Modulasi Lebar Pulsa (PWM); variasi waktu dalam tegangan blok (duty cycle) memberikan informasi.

Tiga contoh berikut menunjukkan cakupan sinyal dari jenis sinyal yang berbeda.

Modulasi Amplitudo:
Dengan sinyal AM, tingkat tegangan mengirimkan informasi. Gambar tersebut menunjukkan dua tegangan dari sensor posisi throttle. Untuk menjamin keandalan, kurva tegangan harus dicerminkan satu sama lain.

Stres saat istirahat:

Biru: 700 mV;
Merah: 4,3 volt.

Kira-kira 0,25 detik setelah memulai pengukuran, pedal akselerator ditekan perlahan dan katup throttle terbuka 75%.
Pada 2,0 detik. pedal akselerator dilepaskan dan pada 3,0 detik. diberikan kecepatan penuh.

Ketegangan throttle penuh:

Biru: 4,3 volt;
Merah: 700 mV.

Modulasi frekuensi:
Dengan sensor yang mengirimkan sinyal FM, amplitudo (ketinggian) sinyal tidak berubah. Lebar tegangan blok mentransmisikan informasi. Gambar berikut menunjukkan sinyal dari sensor ABS (Hall). Roda diputar selama pengukuran. Pada kecepatan putaran yang lebih tinggi, frekuensi sinyal meningkat.

Perbedaan tegangan tersebut disebabkan oleh perubahan medan magnet pada cincin magnet yang tergabung dalam bantalan roda. Perbedaan ketinggian (rendah: medan magnet, tinggi: tidak ada medan magnet) hanya 300 mV. Jika cakupan tidak disetel dengan benar (kisaran tegangan dari 0 hingga 20 volt), sinyal blok hampir tidak terlihat. Oleh karena itu, skalanya telah disesuaikan sedemikian rupa sehingga sinyal blok menjadi terlihat, sehingga sinyal menjadi kurang murni.

Modulasi Lebar Pulsa:
Dengan sinyal PWM, rasio antara tegangan tinggi dan rendah berubah, namun periode waktunya tetap sama. Hal ini tidak sama dengan tegangan gelombang persegi dalam sinyal FM: frekuensi berubah dan juga periode waktu.

Dua gambar berikutnya menunjukkan sinyal PWM dari sensor tekanan tinggi di pipa AC. Sensor ini mengukur tekanan zat pendingin dalam sistem pendingin udara.

Situasi selama pengukuran:

Pengapian dihidupkan (sensor menerima tegangan suplai);
AC dimatikan;
Pembacaan tekanan sedang pendingin dengan peralatan diagnostik: 5 bar.

Pada gambar lingkup berikutnya kita melihat bahwa periode waktunya tetap sama, namun siklus kerjanya telah berubah.

Situasi selama pengukuran:

AC dihidupkan;
Tekanan tinggi meningkat hingga 20 bar;
Siklus tugas sekarang 70%

Sensor analog dapat mengirimkan sinyal melalui AM. Sinyal tegangan seperti itu sensitif terhadap kehilangan tegangan. Resistansi transisi pada kabel atau steker mengakibatkan hilangnya tegangan, dan oleh karena itu juga menurunkan tegangan sinyal. ECU menerima tegangan yang lebih rendah dan menggunakan sinyal untuk memproses. Hal ini dapat menyebabkan kegagalan fungsi karena beberapa nilai sensor tidak lagi sesuai satu sama lain, sehingga mengakibatkan:

Dua sensor suhu udara luar ruangan yang secara bersamaan mengukur suhu berbeda. Meskipun margin kesalahan yang kecil dapat diterima dan ECU dapat mengadopsi nilai rata-rata, perbedaan yang terlalu besar dapat menyebabkan kode kesalahan. ECU mengenali penyimpangan antara dua sensor suhu.
durasi injeksi yang salah karena sinyal dari sensor MAP terlalu rendah dan oleh karena itu ECU mengartikan beban mesin yang salah. Dalam hal ini, injeksi bahan bakar terlalu panjang atau terlalu pendek, dan trim bahan bakar akan mengoreksi campuran berdasarkan sinyal sensor lambda.

Kehilangan tegangan tidak berperan dalam sinyal PWM dan/atau sinyal TERKIRIM. Rasio antara tepi naik dan turun adalah ukuran sinyal. Tingkat tegangan tidak menjadi masalah. Siklus kerjanya bisa mencapai 40% pada tegangan yang bervariasi antara 0 dan 12 volt, namun rasionya tetap 40% jika tegangan suplai turun menjadi 9 volt.

DIKIRIM (Transmisi Gigitan Tepi Tunggal)
Sinyal sensor yang disebutkan di atas telah menjadi nama umum pada kendaraan penumpang dan komersial selama bertahun-tahun. Pada model-model baru kita semakin sering melihat sensor yang menggunakan protokol SENT. Sensor ini tampak seperti sensor aktif biasa, baik secara nyata maupun dalam diagram.

Dengan sensor pasif dan aktif, transfer informasi terjadi melalui dua kabel. Dalam hal sensor MAP misalnya: satu antara sensor NTC dan ECU dan yang lainnya antara sensor tekanan dan ECU. Elektronik sensor pada sensor TERKIRIM dapat menggabungkan transfer informasi dari beberapa sensor, sehingga mengurangi jumlah kabel sinyal. Transmisi sinyal juga tidak terpengaruh jika terjadi kehilangan tegangan pada kabel sinyal, seperti halnya sinyal PWM.

Sensor yang menggunakan protokol SENT, seperti sensor aktif yang mengirimkan sinyal analog atau digital, memiliki tiga kabel:

Tegangan suplai (seringkali 5 volt)
Sinyal
massa.

Sensor dengan protokol SEND mengirimkan sinyal sebagai “output”. Oleh karena itu tidak ada komunikasi dua arah, seperti halnya, misalnya, komunikasi bus LIN antar sensor.

Pada diagram di sebelah kanan kita melihat sensor tekanan diferensial (G505) dari VW Passat (dibuat pada tahun 2022). Dalam diagram kita melihat indikasi biasa dari catu daya (5v), ground (GND) dan sinyal (SIG). Sensor tekanan ini mengubah tekanan menjadi sinyal digital SENT dan mengirimkannya ke pin 53 pada konektor T60 di ECU mesin.

Sensor tekanan diferensial pada contoh di atas hanya mengirimkan satu sinyal melalui protokol SENT melalui kabel sinyal. Beberapa sensor dapat dihubungkan ke satu kabel sinyal menggunakan SENT. Hal ini dapat diterapkan, antara lain, pada sensor MAP (tekanan udara dan suhu udara) serta sensor level dan kualitas oli.

Pada gambar berikut kita melihat sensor level dan kualitas oli dipasang di wadah oli mesin pembakaran. Kedua elemen pengukur tersebut terletak di dalam oli mesin.

Sensor disuplai dengan tegangan 12 volt, menerima ground melalui ECU dan mengirimkan sinyal ke ECU menggunakan SENT.

Mikrokontroler di dalam wadahnya mendigitalkan pesan (lihat: “logika digital” pada gambar) di mana suhu oli dan level oli disertakan dalam sinyal TERKIRIM.

Di bawah ini kita melihat struktur sinyal TERKIRIM.

Sinyal TERKIRIM terdiri dari serangkaian camilan (kelompok empat bit) yang mentransfer informasi dengan mengirimkan tegangan antara 0 dan 5 volt. Berikut adalah penjelasan singkat tentang bagaimana sinyal SENT dibangun. Gambar struktur pesan ditunjukkan di bawah ini.

Sinkronisasi / Kalibrasi Pulsa : ini sering kali menjadi awal pesan. Pulsa ini memungkinkan penerima untuk mengidentifikasi awal pesan dan menyinkronkan waktu jam;
Status: bagian ini menunjukkan kondisi informasi yang dikirimkan, misalnya apakah datanya benar atau ada masalah;
Pesan Mulai Menggigit (MSN): Ini adalah camilan pertama dan menunjukkan awal dari pesan TERKIRIM. Ini berisi informasi tentang sumber pesan dan waktu transfer data.
Nibble Pengidentifikasi Pesan (MidN): Nibble ini mengikuti MSN dan berisi informasi tentang jenis pesan, status pesan, dan informasi deteksi kesalahan atau koreksi kesalahan.
Camilan Data: Setelah MidN mengikuti satu atau lebih blok data, masing-masing terdiri dari empat camilan data. Blok data ini membawa data aktual yang dikirim. Mereka berisi informasi seperti data sensor, informasi status atau data berguna lainnya.
Cyclic Redundancy Check (CRC): Dalam beberapa kasus, camilan CRC dapat ditambahkan ke akhir pesan untuk membantu deteksi kesalahan. Nibble CRC digunakan untuk memeriksa apakah data yang diterima telah diterima dengan benar.

Setiap gigitan dalam sinyal TERKIRIM dapat memiliki nilai dari 0 hingga 15, tergantung pada berapa banyak detaknya yaitu 5 volt. Gambar di bawah menunjukkan struktur protokol SENT.

'Grup camilan' dikirim, secara numerik dari 0000 hingga 1111 dalam format biner. Setiap camilan mewakili nilai dari 0 hingga maksimum 15, dan direpresentasikan dalam biner sebagai berikut: 0000b hingga 1111b dan heksadesimal dari 0 hingga F. Camilan digital ini berisi nilai sensor dan dikirim ke ECU.

Untuk mengirimkan informasi menggigit ini, 'tik' atau kutu komputer digunakan. Centang jam menunjukkan seberapa cepat data dikirim. Dalam kebanyakan kasus, detak jam adalah 3 mikrodetik (3μs) hingga maksimum 90μs.
Dalam kasus pertama, ini berarti grup nibbling baru dikirim setiap 3 mikrodetik.

Pesan dimulai dengan pulsa sinkronisasi/kalibrasi 56 ketukan. Untuk masing-masing dari dua sinyal: sinyal 1 dan sinyal 2, tiga camilan dikirim, menghasilkan urutan informasi 2 * 12 bit. CRC mengikuti sinyal-sinyal ini
(Cyclic Redundancy Check) untuk pengecekan, yang memungkinkan penerima memverifikasi kebenaran data yang diterima.
Terakhir, pulsa jeda ditambahkan untuk menandai dengan jelas akhir pesan kepada penerima.

Gambar cakupan di bawah (direkam dengan PicoScope Automotive) menunjukkan pengukuran beberapa pesan (kiri) dan memperbesar satu pesan (kanan). Dalam pesan yang diperbesar, ditandai dengan warna merah di mana sinyal dimulai dan diakhiri. Ketika kondisi berubah: tekanan dan/atau suhu meningkat, akan terjadi perubahan jumlah kutu dalam satu atau lebih camilan. Perubahan tanda centang akan terlihat pada gambar lingkup di bawah ini pada satu atau lebih tegangan yang bervariasi antara 0 dan 5 volt. Denyut nadi bisa menjadi lebih lebar atau lebih sempit. Informasi sebenarnya dapat diterjemahkan dengan perangkat lunak Picoscope.

Dengan diagnosis kelistrikan, kita dapat menggunakan perangkat lunak Picoscope untuk memecahkan kode pesan untuk mempelajarinya, namun dalam banyak kasus kita fokus pada pemeriksaan aliran pesan yang bersih tanpa kebisingan, dan apakah tegangan suplai (5 volt) dan ground sensor dalam keadaan baik. menjadi teratur.

Catu daya dan pemrosesan sinyal:
Pada paragraf pertama dibahas mengenai ada atau tidaknya tegangan suplai. Pada bagian ini kita membahas komponen utama pada ECU yang bertanggung jawab atas suplai tegangan dan pemrosesan sinyal pada sensor terkait. Nomor pin diagram mendalam sama seperti pada paragraf sebelumnya: pin 35 dan 36 ECU dihubungkan ke pin 1 dan 2 sensor pasif, dst.

Pada gambar pertama kita melihat a Sensor suhu NTC. Tegangan referensi (Uref) dari pin 35 ECU diperoleh dari penstabil tegangan 78L05. Penstabil tegangan menyuplai tegangan 5 volt pada tegangan terpasang dari 6 hingga 16 volt.
Resistor R (nilai resistansi tetap) dan RNTC (resistansi bergantung suhu) bersama-sama membentuk rangkaian seri dan juga pembagi tegangan. Analog-Digital Converter (ADC) mengukur tegangan antara dua resistor (analog), mengubahnya menjadi sinyal digital dan mengirimkannya ke mikroprosesor (µP).

Dengan multimeter Anda dapat mengukur tegangan pada pin 35 ECU atau pin 1 sensor.

Di halaman tentang sensor suhu Selain beberapa pengukuran untuk transmisi sinyal yang baik, teknik pengukuran untuk kesalahan pengkabelan juga ditampilkan.

Gambar kedua menunjukkan rangkaian yang aktif sensor PETA seimbang.
Tegangan suplai yang stabil sebesar 5 volt mencapai apa yang disebut “Jembatan Wheatstone“, yang meliputi sejumlah resistor tetap (R1, R2, R3) dan resistor variabel (Rp).
Nilai resistansi Rp tergantung pada tekanan pada intake manifold. Di sini juga kita berurusan dengan pembagi tegangan. Perubahan hambatan menyebabkan perubahan tegangan sehingga menyebabkan jembatan menjadi tidak seimbang. Perbedaan tegangan yang tercipta pada jembatan Wheatstone diubah di amplifier/filter menjadi tegangan dengan nilai antara 0,5 dan 4,5 volt. Digitalisasi sinyal analog terjadi di konverter analog-ke-digital (ADC). ADC mengirimkan sinyal digital ke mikroprosesor.

Resolusi ADC dalam banyak kasus adalah 10 bit, dibagi menjadi 1024 nilai yang mungkin. Pada tegangan 5 volt, setiap langkah kira-kira 5 mV.

Sirkuit internal ECU berisi satu atau lebih sensor pasif dan aktif resistor termasuk dalam catu daya dan rangkaian sinyal. Hambatan pada rangkaian NTC disebut juga “resistor bias” dan berfungsi untuk pembagi tegangan. Tujuan dari resistor R1 dan R2 pada rangkaian ECU sensor MAP adalah untuk memungkinkan arus kecil mengalir dari plus ke ground.

Tanpa resistor ini, apa yang disebut “pengukuran mengambang” akan terjadi jika kabel sinyal atau steker sensor dilepas. Dalam kasus tersebut, rangkaian dengan resistor memastikan bahwa tegangan pada input ADC ditingkatkan menjadi sekitar 5 volt (dikurangi tegangan pada resistor R1). ADC mengubah tegangan analog menjadi nilai digital 255 (desimal), yaitu FF (heksadesimal) dan mengirimkannya ke mikroprosesor.

Arus yang sangat kecil mengalir melalui resistor R1 (ohmik rendah). Ada penurunan tegangan kecil antara 10 dan 100 mV. Mungkin saja tegangan yang diberikan beberapa persepuluh lebih tinggi dari 5 volt; Resistor impedansi rendah disertakan antara sambungan ground penstabil tegangan 78L05 dan ground ECU (kabel coklat pada diagram di atas). Penurunan tegangan pada resistor ini bisa, misalnya, 0,1 volt. Penstabil tegangan melihat sambungan groundnya sebagai 0 volt sebenarnya, sehingga menaikkan tegangan output (kabel merah) 0,1 volt. Dalam hal ini, tegangan keluaran ke plus sensor bukanlah 5,0 melainkan 5,1 volt.

Sensor cerdas menerima tegangan 12 volt dari ECU. Sama seperti sensor aktif, sensor cerdas mencakup jembatan Wheatstone dan amplifier/filter. Tegangan analog dari amplifier dikirim ke antarmuka LIN (LIN-IC).

Antarmuka LIN menghasilkan sinyal bus LIN digital. Sinyal bervariasi antara 12 volt (resesif) dan sekitar 0 volt (dominan). Sensor menggunakan sinyal bus LIN ini untuk berkomunikasi dengan slave lainnya (biasanya sensor dan aktuator) dan master (unit kontrol).
Terdapat cabang ke master dan slave lainnya pada kabel antara pin 3 sensor dan pin 64 ECU.

Untuk informasi lebih lanjut, lihat halaman bis LIN.

Halaman terkait: