Sensortypes en signalen

Onderwerpen:

  • Inleiding
  • Passieve sensoren
  • Actieve sensoren
  • Intelligente sensoren
  • Toepassingen in de autotechniek
  • Meten aan sensoren
  • Signaaloverdracht van sensor naar ECU
  • Spanningsvoorziening en signaalverwerking

Inleiding:
Sensoren meten natuurkundige grootheden en zetten deze om naar elektrische spanningen. Deze spanningen worden in de microcontroller (ECU) verwerkt en als “signaal” gelezen. Het signaal kan worden beoordeeld aan de hand van de hoogte van de spanning, of de frequentie waarmee een signaal verandert.

Passieve sensoren:
Een passieve sensor detecteert en meet een fysieke grootheid en zet dit om in een andere fysieke grootheid. Een voorbeeld hiervan is het omzetten van een temperatuur in een weerstandswaarde. Een passieve sensor genereert zelf geen spanning, maar reageert op een referentiespanning van de ECU. Een passieve sensor heeft geen voedingsspanning nodig om te functioneren.

Passieve sensoren hebben meestal twee of drie aansluitingen:

  • referentie of signaaldraad (blauw);
  • massadraad (bruin);
  • afgeschermde draad (zwart).

Soms bevat een passieve sensor slechts één draad: in dat geval dient de behuizing van de sensor als massa. Een derde draad kan dienen als afscherming. De mantel wordt via de ECU aan massa gelegd. Vooral bij storingsgevoelige signalen zoals van de krukaspositiesensor en de pingelsensor wordt de afgeschermde draad toegepast.

Actieve sensoren:
Actieve sensoren bevatten in de behuizing een elektrisch circuit om een fysieke grootheid om te zetten in een spanningswaarde. Het elektrische circuit heeft veelal een gestabiliseerde voedingsspanning nodig om te kunnen werken.  

Dit type sensor heeft in de meeste gevallen drie aansluitingen:

  • plus (meestal 5,0 volt);
  • massa;
  • signaal.

De gestabiliseerde voeding van 5 volt wordt door het regelapparaat geleverd en door de sensor gebruikt om een analoog signaal (tussen de 0 en 5 volt) te vormen. Vaak zijn de plus- en massadraden vanaf de ECU met meerdere sensoren verbonden. Dit is te herkennen aan de knooppunten waarop meer dan twee draden zijn aangesloten.

Het analoge signaal wordt in de ECU omgezet naar een digitaal signaal. 
In de paragraaf “spanningsvoorziening en signaalverwerking” gaan we hier dieper op in.

Intelligente sensoren:
Intelligente sensoren zijn meestal van drie aansluitingen voorzien. Net als bij de actieve sensoren zijn er een voedingsdraad (12 volt vanuit de ECU of direct via een zekering) en een massadraad (via de ECU of een extern massapunt. Een intelligente sensor verstuurt een digitaal (LIN-bus)bericht naar de ECU en de andere sensoren. Er is dan sprake van een master-slave principe. 

Intern in de sensor zorgt een A/D-omzetter voor het converteren van een analoog naar een digitaal signaal.

  • Analoog: 0 – 5 volt;
  • Digitaal: 0 of 1.

In het LIN-bussignaal is in recessieve toestand (12 volt) sprake van een 1, en in dominante toestand (0 volt) een 0.

Toepassingen in de autotechniek:
In de autotechniek kunnen we de volgende indeling maken van de verschillende soorten sensoren:

Passieve sensoren:

  • Pingelsensor;
  • Krukaspositiesensor;
  • Temperatuursensor (NTC / PTC);
  • Lambdasonde (sprongsensor / zirkonium);
  • Inductieve hoogtesensor;
  • Schakelaar (aan / uit)

Actieve sensoren:

  • Krukas- / nokkenaspositiesensor (Hall);
  • Luchtmassameter;
  • Breedband lambdasonde;
  • Druksensor (laaddruk / turbodruksensor);
  • ABS-sensor (Hall / MRE);
  • Versnellings- / vertragingssensor (YAW);
  • Radar / LIDAR-sensor;
  • Ultrasoonsensor (PDC / alarm);
  • Positiesensor (gasklep / EGR / kachelklep).

Intelligente sensoren:

  • Regen- / lichtsensor;
  • Camera’s;
  • Druksensor;
  • Stuurhoeksensor;
  • Accusensor

Meten aan sensoren:
Bij een storing aan een sensor zal de bestuurder van de auto zal merken dat er iets mis is. Bij een storing aan een sensor in de motorruimte zou dit kunnen leiden tot vermogensverlies en een brandend MIL (motorstoringslampje).

Bij het uitlezen wordt er een gerelateerde storingscode getoond. Echter, niet in alle gevallen leidt de storingscode direct naar de oorzaak. Het feit dat de desbetreffende sensor niet werkt kan komen omdat hij defect is, maar een probleem in de bedrading en / of stekkerverbindingen is niet uitgesloten.

De volgende afbeelding toont een meting van een actieve sensor. Met een digitale multimeter wordt het spanningsverschil op de plus- en min-aansluitingen van de sensor gecontroleerd. Dit is in orde.

Signaalspanningen kunnen met een voltmeter of een oscilloscoop worden gemeten. Het ligt aan het signaaltype welke meter geschikt is:

  • voltmeter: analoge signalen die nagenoeg constant zijn;
  • oscilloscoop: analoge signalen en digitale signalen (duty-cycle / PWM).

Met één of meerdere metingen kunnen we aantonen dat de sensor niet naar behoren werkt (het afgegeven signaal is implausibel of de sensor geeft geen signaal), of dat er een probleem in de bedrading aanwezig is.
Bij passieve sensoren kan in de meeste gevallen een weerstandmeting worden uitgevoerd om te controleren of er een intern defect in de sensor aanwezig is.

Mogelijke problemen in de sensorbedrading kunnen zijn:

  • onderbreking in de plus- massa of signaaldraad;
  • kortsluiting tussen draden of de carrosserie;
  • overgangsweerstand in één of meerdere draden;
  • slechte stekkerverbindingen.

Op de pagina: storingzoeken in sensorbedrading verdiepen we ons in zeven mogelijke storingen die kunnen voorkomen in de bedrading van sensoren.

Signaaloverdracht van sensor naar ECU:
Er zijn verschillende methodes om signalen van de sensor naar de ECU over te dragen. In de autotechniek kunnen we te maken hebben met de volgende signaaltypes:

  • Amplitude Modulatie (AM); de hoogte van de spanning geeft informatie;
  • Frequentie Modulatie (FM); de frequentie van het signaal geeft informatie;
  • Pulse Width Modulation (PWM); de tijdvariatie in de blokspanning (duty-cycle) geeft informatie.

In de volgende drie voorbeelden worden scoopsignalen van de verschillende signaaltypes getoond.

Amplitude Modulatie:
Bij een AM-signaal geeft de hoogte van de spanning de informatie door. In de afbeelding zijn twee spanningen te zien van de gaskleppositiesensoren. Om de betrouwbaarheid te garanderen, moeten het spanningsverloop ten op zichte van elkaar gespiegeld zijn. 

Spanningen in rust:

  • Blauw: 700 mV;
  • Rood: 4,3 volt.

Vanaf ongeveer 0,25 seconden na het starten van de meting wordt het gaspedaal langzaam ingedrukt en opent de gasklep voor 75%.
Bij 2,0 sec. wordt het gaspedaal losgelaten en bij 3,0 sec. wordt vol gas gegeven.

Spanningen vol gas:

  • Blauw: 4,3 volt;
  • Rood: 700 mV.

Frequentie Modulatie:
Bij sensoren die een FM-signaal versturen, verandert de amplitude (hoogte) van het signaal niet. De breedte van de blokspanning geeft de informatie door. De volgende afbeelding toont het signaal van een ABS-sensor (Hall). Tijdens de meting is het wiel verdraaid. Bij een hogere draaisnelheid wordt de frequentie van het signaal hoger.

Het spanningsverschil ontstaat door de verandering van het magnetische veld in de magneetring, welke in het wiellager is verwerkt. Het verschil in de hoogte (laag: magnetisch veld, hoog: geen magnetisch veld) bedraagt slechts 300 mV. Bij het onjuist instellen van de scope (spanningsbereik van 0 tot 20 volt) is het bloksignaal nauwelijks zichtbaar. Om die reden is de schaal dusdanig aangepast dat het bloksignaal zichtbaar wordt, met als gevolg dat het signaal minder zuiver is.

Pulse Width Modulation:
Bij een PWM-signaal verandert de verhouding tussen hoge en lage spanning, maar blijft de periodetijd gelijk. Men moet dit niet verwarren met een blokspanning in een FM-signaal: daarbij verandert de frequentie en dus ook de periodetijd.

De volgende twee afbeeldingen tonen PWM-signalen van een hogedruksensor in een aircoleiding. Deze sensor meet de koude-middeldruk in het aircosysteem.

Situatie tijdens de meting:

  • Contact ingeschakeld (sensor krijgt een voedingsspanning);
  • Airconditioning uitgeschakeld;
  • Afgelezen koelmediumdruk met diagnoseapparatuur: 5 bar.

In het volgende scoopbeeld zien we dat de periodetijd hetzelfde is gebleven, maar de duty-cycle is veranderd.

Situatie tijdens de meting:

  • Airco ingeschakeld;
  • Hogedruk is gestegen naar 20 bar;
  • Duty cycle bedraagt nu 70%

Spanningsvoorziening en signaalverwerking:
In de eerste paragrafen werd er gesproken over wél of geen voedingsspanning. In deze paragraaf behandelen we de hoofdcomponenten in de ECU die verantwoordelijk zijn voor de spanningsvoorziening en signaalverwerking van de desbetreffende sensor. De pinnummers van de verdiepende schema’s zijn hetzelfde als in de voorgaande paragrafen: pin 35 en 36 van de ECU zijn verbonden met pin 1 en 2 van de passieve sensor, etc.

In de eerste afbeelding zien we een NTC-temperatuursensor. De spanning (Uref) vanuit pin 35 van de ECU wordt verkregen uit de spanningsstabilisator 78L05. De spanningsstabilisator levert een spanning van 5 volt bij een boordspanning vanaf 6 tot 16 volt.
De weerstand R (vaste weerstandswaarde) en RNTC (temperatuursafhankelijke weerstand) vormen samen een serieschakeling en tevens een spanningsdeler. De Analoog-Digitaal-omzetter (ADC) meet de spanning tussen de twee weerstanden (analoog), vertaalt dit om naar een digitaal signaal en zendt dit naar de microprocessor (µP).

Met een multimeter kan men de spanning op pin 35 van de ECU of pin 1 van de sensor meten.

Op de pagina over de temperatuursensor worden naast enkele metingen bij een goede signaaloverdracht, de meettechnieken bij een storing aan de bedrading getoond.

In de tweede afbeelding wordt de schakeling van een actieve MAP-sensor weergeven.
De gestabiliseerde voedingsspanning van 5 volt bereikt de zgn. “Brug van Wheatstone”, waarin een aantal vaste (R1, R2, R3) en een variabele weerstand (Rp) zijn opgenomen.
De weerstandswaarde van Rp hangt af van de druk in het inlaatspruitstuk. Ook hier hebben we te maken met een spanningsdeler. De weerstandsverandering zorgt voor een spannings-veranderingen, waardoor de brug niet meer in balans is. Het spanningsverschil dat in de brug van Wheatstone is ontstaan, wordt in de versterker / filter omgezet in een spanning met een waarde tussen 0,5 en 4,5 volt. In de analoog-digitaal-omzetter (ADC) vindt digitalisering van het analoge signaal plaats. De ADC zendt het digitale signaal naar de microprocessor.

De resolutie van de ADC bedraagt in de meeste gevallen 10 bits, verdeeld over 1024 mogelijke waarden. Bij een spanning van 5 volt bedraagt iedere stap ongeveer 5 mV.

In de interne schakeling van de ECU zitten bij passieve en actieve sensoren één of meerdere weerstanden in de voeding- en signaalcircuits opgenomen. De weerstand in het NTC-circuit noemen we ook wel de “bias-weerstand” en dient voor de spanningsdeler. De weerstanden R1 en R2 in de ECU-schakeling van de MAP-sensor hebben als doel om een klein stroompje van de plus naar massa te laten lopen.

Zonder deze weerstanden zou bij een onderbroken signaaldraad of gedemonteerde stekker van de sensor een zgn. “zwevende meting” ontstaan. De schakeling met weerstanden zorgt er in die gevallen voor dat de spanning op de ADC-ingang omhoog wordt getrokken naar ongeveer 5 volt (minus de spanning over weerstand R1). De ADC zet de analoge spanning om in de digitale waarde 255 (decimaal), dus FF (hexadecimaal) en stuurt dit naar de microprocessor.

Door weerstand R1 (laag Ohmig) loopt een zeer kleine stroom. Er vindt een kleine spanningsafname plaats van tussen de 10 en 100 mV. Het kan voorkomen dat de aangelegde spanning een paar tienden hoger is dan 5 volt; tussen massa-aansluiting van de spanningsstabilisator 78L05 en de massa van de ECU (bruine draad in het bovenstaande schema) is een laag-ohmig weerstandje opgenomen. De spanningsval over dit weerstandje kan bijv. 0,1 volt bedragen. De spanningsstabilisator ziet zijn massa-aansluiting als werkelijke 0 volt, dus tilt hij de uitgangsspanning (de rode draad) 0,1 volt omhoog. De uitgestuurde spanning naar de plus van de sensor bedraagt in dat geval niet 5,0 maar 5,1 volt.

De intelligente sensor krijgt een spanning van 12 volt vanuit de ECU. In de intelligente sensor zijn, net als bij de actieve sensor, een brug van Wheatstone en een versterker / filter opgenomen. De analoge spanning vanuit de versterker wordt naar de LIN-interface (LIN-IC) gestuurd.

De LIN-interface genereert een digitaal LIN-bus signaal. Het signaal varieert tussen de 12 volt (recessief) en ongeveer 0 volt (dominant). Met dit LIN-bus signaal communiceert de sensor met de andere slaves (veelal de sensoren en actuatoren) en de master (de regeleenheid).
Aan draad tussen pin 3 van de sensor en pin 64 van de ECU bevinden zich aftakkingen naar de master en andere slaves.

Voor meer informatie, zie de pagina LIN-bus.