Uma rede de sensores é incorporada em todos os veículos, servindo como um tipo crítico de “sistema nervoso” que detecta e mede diferentes parâmetros automotivos. Essa rede é essencial para a segurança, desempenho e eficiência de um veículo. Vários tipos de sensores são responsáveis por diferentes funções, como monitorar a temperatura dos componentes do motor, a velocidade do veículo para controle de tração ou a proximidade de objetos para sistemas anti-colisão.
Os dados coletados por esses sensores são processados pelas unidades de controle eletrônico (ECUs) do veículo para tomar decisões e ajustes em tempo real, garantindo a operação ideal. Neste artigo, abordaremos os muitos tipos diferentes de sensores em veículos modernos e seu papel crítico em fornecer uma experiência de direção segura e agradável.
O papel dos sensores automotivos
Sensores automotivos contribuem coletivamente para o funcionamento de veículos modernos. Aqui estão alguns dos atributos que eles oferecem.
Segurança
Os sistemas de segurança de um veículo — como controle de estabilidade, controle de tração e sistema de freios antibloqueio (ABS) — dependem muito de sensores. Esses sistemas modificam a potência do motor e a frenagem para evitar derrapagens, perda de controle e potenciais colisões usando dados do sensor, como velocidade da roda, ângulo de direção, etc. Em milissegundos, os sensores de impacto identificam colisões e iniciam a implantação do airbag, protegendo os ocupantes de ferimentos graves. Da mesma forma, os sensores de câmera auxiliam na localização de veículos na área cega do motorista, o que reduz a possibilidade de mudanças de faixa resultando em colisões.
Desempenho
Vários sensores dão suporte ao desempenho automotivo. Por exemplo, sensores de oxigênio e fluxo de ar em massa são a razão pela qual o motor de um veículo pode funcionar suavemente e queimar combustível da forma mais eficiente possível. Esses sensores monitoram a temperatura do motor e a combinação ar-combustível, otimizando o desempenho e reduzindo as emissões ao melhorar a economia de combustível. Os sensores que medem a velocidade da estrada e as rotações do motor também contribuem para a economia de combustível e a eficiência do veículo, garantindo que a transmissão troque as marchas de forma suave e eficaz.
Além disso, sensores de radar e LiDAR possibilitam o controle de cruzeiro com baixo consumo de combustível em rodovias, ao mesmo tempo em que garantem uma distância segura de outros veículos.
Manutenção preditiva
Alguns sensores detectam pequenas anomalias no desempenho do motor, pressão dos pneus e outros sistemas, alertando os motoristas sobre possíveis problemas antes que eles se tornem falhas ou defeitos mais sérios. Isso geralmente economiza custos em reparos ao permitir a manutenção preventiva.
Conforto e conveniência
Desfrutar da temperatura ideal durante a condução é atribuído aos sensores de temperatura e umidade do veículo, que regulam os sistemas de aquecimento e ar condicionado para manter um ambiente confortável na cabine. Os sensores de estacionamento podem ajudar os condutores a ultrapassar obstáculos e a proteger-se contra colisões não intencionais. Os sensores de luz melhoram a segurança e a visibilidade ao amanhecer e ao anoitecer, ajustando o brilho dos faróis com base na luz ambiente. Além disso, os sensores de chuva ativam automaticamente os limpadores de para-brisa, melhorando a visibilidade em condições de chuva.
Dirigir sozinho
LiDAR, radar, câmeras e sensores ultrassônicos dão suporte a veículos autônomos, coletando dados ambientais e tomando decisões de navegação seguras. Ao detectar marcações de faixa, bloqueios de estrada, pedestres e outros carros, esses sensores ajudam um veículo a tomar decisões inteligentes e dirigir sozinho.
Os sensores
Alguns dos sensores mais críticos são os seguintes.
1. Sensor de pressão absoluta do coletor (MAP)
2. Sensor de oxigênio
3. Sensor de fluxo de ar em massa (MAF)
4. Sensor de posição do virabrequim (CKP)
5. Sensor de posição do eixo de comando (CMP)
6. Sensor de temperatura do líquido de arrefecimento do motor
7. Sensor de pressão de óleo do motor
8. Sensor de posição do acelerador (TPS)
9. Sensor de batida
10. Sensor de velocidade do veículo (VSS)
11. Sensores de emissão
12. Sensor de ângulo de direção
13. Sensores do sistema de monitoramento da pressão dos pneus (TPMS)
14. Sensor de nível de combustível
15. Sensores do sistema de alerta de saída de faixa
16. Sensor de voltagem
17. Sensores de conveniência
Um sensor de pressão absoluta múltipla (MAP) é uma parte pequena, mas essencial, do motor de um veículo. Ela impacta significativamente as emissões, a economia de combustível e a manutenção de uma operação suave e eficiente do motor. O coletor de admissão é a câmara onde o combustível e o ar se misturam antes de chegar aos cilindros do motor. Como o nome indica, os sensores MAP detectam a pressão absoluta dentro do coletor.
A Unidade de Controle do Motor (ECU) usa essa leitura de pressão para calcular a pressão de reforço, a carga do motor e a densidade do ar. A ECU usa a medição de pressão para determinar quanto ar entra no motor. Essas informações são vitais para descobrir quanto combustível injetar para a combustão adequada.
A pressão do coletor de admissão varia dependendo de quão forte o motorista pisa no pedal do acelerador. Uma pressão maior corresponde a uma carga maior do motor, e a ECU modifica o tempo de ignição e o fornecimento de combustível correspondentemente. Um sensor MAP monitora o aumento de pressão produzido pelo turbo em veículos equipados com turbocompressores, permitindo que a ECU o regule para máxima eficiência e evite o aumento excessivo.
Existem dois tipos principais de sensores MAP: piezoresistivos e capacitivos. O piezoresistivo é o mais comum e utiliza um diafragma sensível à pressão que desvia ligeiramente sob mudanças de pressão. Esta deflexão altera a resistência elétrica de um extensômetro no diafragma, que a ECU interpreta como uma mudança de pressão.
Os sensores capacitivos utilizam um pequeno capacitor que detecta alterações de capacitância dependendo da pressão aplicada ao seu diafragma. A ECU mede esta capacitância para determinar a pressão.
Os sensores MAP têm uma câmara selada com uma pressão de referência (tipicamente atmosférica). Dependendo do tipo de sensor, a pressão do coletor de admissão atua no diafragma ou na placa do capacitor. A deflexão do diafragma ou a mudança de capacitância altera o sinal elétrico enviado à ECU. A ECU interpreta o sinal e o usa para calcular a densidade do ar, a carga do motor ou a pressão de reforço. A ECU ajusta a injeção de combustível, o tempo de ignição e outros parâmetros do motor com base nesses cálculos.
O sensor de oxigênio, às vezes chamado de sensor de O2, mede quanto oxigênio permanece nos gases de exaustão após a combustão. A ECU regula a quantidade de combustível e ar que entra no motor e depende desses dados para se manter em equilíbrio. A proporção ideal de ar-combustível é de aproximadamente 14,7:1, ou 14,7 partes de ar para cada parte de combustível.
Ao garantir a combustão completa, essa proporção maximiza a eficiência do motor e reduz emissões perigosas. Um componente-chave na manutenção desse delicado equilíbrio é o sensor de oxigênio.
Os veículos têm dois tipos de sensores de oxigênio: sensores de O2 de banda estreita e sensores de O2 de banda larga. Os sensores de banda estreita são mais comuns e menos dispendiosos. Quando o escapamento é rico em oxigênio (mistura pobre), ele produz um sinal de voltagem que oscila alto (cerca de 0,9 volts) e baixo (cerca de 0,1 volts) quando o escapamento é baixo em oxigênio (mistura rica). Eles não podem, no entanto, oferecer feedback continuamente sobre a relação ar-combustível precisa e têm uma faixa de resposta restrita.
Os sensores de banda larga oferecem um alcance maior e uma reação mais rápida do que os de banda estreita, proporcionando trocas de combustível mais precisas. Isso ocorre porque a ECU fornece continuamente a proporção exata de ar-combustível em uma faixa mais ampla de concentrações de oxigênio. Os resultados são melhor desempenho do motor, menos emissões e maior economia de combustível.
Os sensores de O2 estão localizados no coletor de escape e são expostos aos gases de escape. Então, esses sensores têm uma camada de eletrólito de zircônia porosa e um invólucro de cerâmica. Um diferencial de voltagem é criado entre os eletrodos interno e externo devido às moléculas de oxigênio do escape difundindo-se através da camada de eletrólito. O conteúdo de oxigênio do escape determina o diferencial de voltagem.
Uma voltagem baixa indica uma mistura rica (oxigênio insuficiente), enquanto uma voltagem alta indica uma mistura pobre (muito oxigênio). Uma tensão de referência é enviada ao sensor pela ECU. Para obter a relação ar-combustível ideal, a ECU compara o sinal de tensão do sensor com a tensão de referência e usa a diferença para modificar a injeção de combustível.
Sensor MAF
O sensor de fluxo de ar em massa (MAF) mede a massa real de ar que flui para o motor de um veículo por unidade de tempo, independentemente da pressão ou temperatura. A ECU usa esses dados para calcular quanto combustível injetar para a combustão completa do veículo. Para o desempenho máximo e as menores emissões, um motor requer a proporção ideal de ar-combustível, ou cerca de 14,7 partes de ar para 1 parte de combustível.
Enquanto o sensor MAF mede a quantidade de ar, o sensor MAP mede a pressão do ar. O sensor MAF está localizado no tubo de admissão, antes do corpo do acelerador, enquanto o sensor MAP está localizado no coletor de admissão, após o corpo do acelerador. O sensor MAF determina a entrada de ar para injeção de combustível, enquanto o sensor MAP determina a densidade do ar para injeção de combustível.
Existem dois tipos de sensores MAF: fio quente e filme. O tipo fio quente usa um fio aquecido que esfria conforme o ar flui sobre ele. O sensor monitora a corrente necessária para manter a temperatura do fio, proporcional à massa de ar fluindo. A quantidade de resfriamento depende da taxa de fluxo de ar.
O tipo de filme utiliza um elemento de aquecimento de filme fino cuja resistência varia de acordo com a taxa de fluxo de ar. Para determinar a massa de ar, a ECU mede a tensão ou corrente necessária para manter esta resistência constante.
Sensor de posição do virabrequim (CKP). Os movimentos do pistão para cima e para baixo de um veículo são convertidos em ação rotativa pelo virabrequim, um eixo giratório forjado em aço. Um veículo acelera devido a esta força rotacional, que é transferida para outras partes como o volante e as rodas. A manivela correspondente gira quando cada pistão empurra e puxa sua biela, aumentando a rotação total do virabrequim. A capacidade do motor IC de gerar energia depende desta conversão do movimento alternativo em movimento rotacional.
O sensor CKP rastreia com precisão a posição rotacional e a velocidade do virabrequim. Esta informação é essencial para que a ECU possa controlar com precisão diversas funções vitais.
Os sensores CKP vêm em dois tipos: magnéticos e de efeito Hall. Ao usar um tipo magnético, uma bobina sensora e um ímã fixado no virabrequim interagem para fornecer um sinal de tensão que muda de acordo com a posição do ímã. No tipo de efeito Hall, um ímã permanente e um chip semicondutor funcionam para detectar mudanças no campo magnético conforme o virabrequim gira, resultando em uma saída de tensão que indica a posição do sensor. Com base no sensor CKP, a ECU controla com precisão o tempo de injeção de combustível, o controle da velocidade de marcha lenta e o tempo de ignição.
Sensor de posição do eixo de comando (CMP). A árvore de cames é um eixo rotativo equipado com lóbulos excêntricos (saliências). Esses lóbulos ocasionalmente fazem contato com os balancins quando a árvore de cames gira. Por sua vez, cada balancim aplica pressão a uma válvula apropriada (exaustão ou admissão) no motor de combustão interna. Os gases de escape ou o ar podem entrar ou sair do cilindro abrindo a válvula.
O sensor de posição da árvore de cames monitora a posição e a velocidade da árvore de cames, auxiliando o ECM no controle da injeção de combustível e do ponto de ignição. Assim como o sensor de posição do virabrequim (CKP) atua como metrônomo do motor, o CMP serve como condutor preciso da dança da válvula.
O sensor CMP também vem em dois tipos: magnético e de efeito Hall. No tipo magnético, uma bobina sensora e um ímã na árvore de cames interagem para fornecer um sinal de tensão que varia de acordo com a localização do ímã. Quando uma árvore de cames gira no tipo de efeito Hall, um ímã permanente e um chip semicondutor detectam variações no campo magnético, gerando um sinal de tensão que indica a posição da árvore de cames.
O sensor de temperatura do líquido de arrefecimento do motor (ECT) atua como um guardião contra o superaquecimento, medindo continuamente a temperatura do líquido de arrefecimento do motor que flui através do bloco do motor. O líquido de arrefecimento deve estar em ou perto de 90° C (194° F) para a maioria dos motores. É essencial atingir um equilíbrio de temperatura entre minimizar o estresse por calor e permitir o desempenho eficaz do motor. A ECU, o cérebro do motor, recebe essas informações cruciais do ECT.
Existem dois tipos de ECT: termistor e sensor de voltagem. Um termistor usa um material semicondutor, e sua resistência elétrica muda drasticamente com a temperatura. Conforme a temperatura do líquido de arrefecimento aumenta, a resistência diminui, e a ECU interpreta essa mudança como um aumento na temperatura. Usando um circuito divisor de voltagem, o sensor de voltagem modifica a voltagem de saída em resposta à temperatura do líquido de arrefecimento. Essa diferença de voltagem é medida pela ECU, que a interpreta como uma leitura de temperatura.
O sensor de pressão do óleo do motor monitora a pressão do óleo no bloco do motor ou perto do filtro de óleo. Se a pressão cair abaixo de um limite crítico, o sensor envia um sinal de alerta para a ECU, vital para evitar danos ao motor e vazamentos de óleo.
Existem dois tipos de sensores de pressão de óleo: interruptores e sensores analógicos. O tipo de interruptor funciona de forma semelhante a um interruptor de pressão. Ele completa um circuito e alerta a ECU quando a pressão do óleo cai abaixo de um nível pré-determinado. O sensor analógico mais avançado envia um sinal constante à ECU proporcional à pressão do óleo. Depois disso, a ECU decodifica este sinal para verificar o nível preciso de pressão e, se necessário, iniciar a ação necessária.
O sensor de posição do acelerador (TPS) monitora a posição da válvula borboleta, permitindo que a ECU controle com precisão a quantidade de ar que entra no motor. Isso, por sua vez, determina a potência do motor.
Existem dois tipos de sensores de posição do acelerador: potenciômetros e divisores de tensão. Os potenciômetros têm um resistor variável que muda com base na posição da válvula do acelerador. Conforme a válvula abre, o limpador no potenciômetro se move, alterando a resistência e enviando um sinal de tensão correspondente para a ECU.
Os divisores de tensão possuem um resistor fixo e a resistência variável da válvula borboleta para criar um circuito divisor de tensão. A ECU mede a saída de tensão deste circuito para determinar a posição da válvula borboleta.
O sensor de detonação. O processo de combustão do motor de um veículo deve ocorrer de maneira suave e eficaz. No entanto, em circunstâncias específicas, podem ocorrer detonações ou detonações prematuras, provocando vibrações perigosas e possíveis danos no motor.
O sensor de detonação, normalmente montado no bloco do motor, capta essas vibrações perigosas. As vibrações do motor são transformadas em sinais elétricos por meio de cristais piezoelétricos. Quando a ECU detecta “detonação”, ela reconhece que algo está errado e reage rapidamente.
O sensor de velocidade do veículo (VSS)também chamado de sensor de velocidade de transmissão ou de velocidade do eixo de saída, desempenha um papel crucial na operação de um veículo ao medir a velocidade das rodas ou da transmissão. O velocímetro usa os dados do sensor, que exibem a velocidade atual do veículo no painel. Ele também é usado pelo controle de cruzeiro para manter uma velocidade constante definida pelo motorista.
Em carros com transmissão automática, a velocidade do veículo determina a marcha apropriada. O sistema de controle de tração usa essas informações para evitar o deslizamento das rodas durante a aceleração e curvas. Com base nos dados desse sensor, o ABS otimiza a força de frenagem do veículo para evitar o travamento das rodas.
Existem dois tipos de VSS: sensor de velocidade da roda (WSS) e sensor de velocidade de transmissão (TSS). O WSS é montado em cada cubo de roda e normalmente usa tecnologia magnética ou de efeito Hall para medir a velocidade da roda em rotação. O TSS é montado no eixo de saída da transmissão e mede a velocidade de rotação do eixo, que está diretamente relacionada à velocidade do veículo.
Sensores de emissão ajudam a controlar os poluentes de um veículo, garantindo que ele atenda às regulamentações ambientais. O sensor de óxido de nitrogênio (NOx) mede o NOx no escapamento, auxiliando o motor na redução dessas emissões. O sensor de temperatura dos gases de escape (EGT) monitora a temperatura dos gases de escape, garantindo que permaneçam dentro de limites seguros.
O sensor de ângulo de direção (SAS) rastreia o ângulo e a velocidade dos movimentos do volante de um veículo. Esses dados informam à ECU exatamente o quanto e a rapidez com que o motorista move ou gira o volante. O SAS retransmite essas informações e são usadas para direção hidráulica, controle de tração, controle de estabilidade, assistência ao estacionamento, aviso de saída de faixa e assistência para manutenção de faixa. Existem dois sensores de ângulo de direção: potenciômetro e tipos magnéticos.
Sensores do sistema de monitoramento da pressão dos pneus (TPMS) rastreia a pressão do ar dos pneus de um veículo, notificando o motorista quando ela se desvia das faixas sugeridas. Os sensores TMPS vêm em duas variedades: direta e indireta.
Cada pneu do tipo direto vem com um sensor instalado dentro da roda que é alimentado por uma bateria. Esses sensores enviam dados de pressão e temperatura em tempo real para o computador de bordo do veículo.
O monitoramento indireto da pressão dos pneus usa os sensores de velocidade atuais das rodas do veículo. Ele analisa a velocidade de rotação de cada roda e procura diferenças na pressão com base nas mudanças de diâmetro. Embora menos preciso do que o TPMS direto, é menos custoso e não requer baterias.
O sensor de nível de combustível mede a quantidade de gasolina restante no tanque e fornece o número do medidor de combustível no painel do veículo. Este sensor fica dentro do tanque de gasolina e mede o nível de gasolina usando várias tecnologias.
O método convencional utiliza um flutuador leve conectado a uma alavanca que sobe e desce em resposta ao nível de combustível. Quando um potenciômetro (resistor variável) é posicionado de forma diferente, o painel de instrumentos recebe um sinal de tensão correspondente à resistência alterada.
No entanto, a maioria dos carros agora possui sistemas capacitivos. Dentro do tanque há dois eletrodos. A capacitância entre esses eletrodos é influenciada pelo nível de combustível, que altera o sinal de tensão transmitido ao painel de instrumentos. Sensores ultrassônicos são usados em alguns sistemas sofisticados para medir a distância entre o sensor e a superfície do combustível usando ondas ultrassônicas. A ECU determina o nível de combustível com base nesta distância.
Sensores do sistema de aviso de saída de faixa (LDW) monitorar e interpretar continuamente as marcações de trânsito. Os sistemas LDW utilizam diversas tecnologias, incluindo laser, radar e câmeras. O tipo mais comum e eficiente usa uma câmera montada na frente para detectar marcações na pista. A câmera detecta as bordas da pista e o veículo analisando as imagens quadro a quadro. Câmeras de alta resolução funcionam bem em ambientes bem iluminados, mas podem ter marcações de faixa complexas ou desafios de baixa visibilidade.
Em alguns sistemas, os sensores de radar complementam a câmera ou operam de forma independente. Eles liberam ondas de rádio, que são refletidas pelos marcadores da pista e depois retornam ao sensor. Ao examinar o sinal de retorno, a tecnologia determina a posição e a distância entre as bordas da pista. O radar pode ser menos preciso do que as câmeras em estradas limpas, mas funciona melhor em condições de baixa visibilidade, como neblina ou chuva.
Sensores a laser às vezes são usados em sistemas de alta tecnologia para detecção de faixas. Eles emitem raios laser que, como o radar, refletem marcações fora da pista para revelar informações posicionais exatas. Atualmente, a tecnologia laser é a escolha mais cara e menos prática.
O sensor de tensão mede a tensão da bateria de um veículo e de todo o sistema elétrico, fornecendo informações vitais à ECU e outros componentes para manter o carro funcionando de maneira suave e segura.
Sensores de conveniência. Vários sensores são adicionados a marcas e modelos específicos de veículos para uma experiência de direção mais confortável. Isso pode incluir sensores automáticos de chuva do pára-brisa ou sensores de luz do farol que se ajustam automaticamente dependendo das condições de luz ambiente. Existem muitos outros.
