畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）汽車(chē)四輪定位光電位置傳感器

1、0 前言隨著汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展, 汽車(chē)的行駛速度越來(lái)越高, 汽車(chē)的操作穩(wěn)定性對(duì)汽車(chē)行駛安全性的影響越來(lái)越大?，F(xiàn)代汽車(chē)不僅前輪具有前束、車(chē)輪外傾、主銷(xiāo)內(nèi)傾和主銷(xiāo)后傾等定位參數(shù),許多轎車(chē)和車(chē)速較高的某些客車(chē)后輪也設(shè)定了前束、外傾以及推進(jìn)角等參數(shù)。這些設(shè)定參數(shù)會(huì)隨著汽車(chē)的使用而逐漸發(fā)生變化,從而引起轉(zhuǎn)向沉重、前輪行駛擺動(dòng)、方向盤(pán)抖動(dòng)、行駛跑偏、輪胎磨損加劇、車(chē)輛轉(zhuǎn)向后自動(dòng)回正能力變差、保持直線行駛能力變差等,導(dǎo)致駕駛員駕駛疲勞,車(chē)輛操作穩(wěn)定性變壞,車(chē)輛的行駛安全性降低, 此外也將造成車(chē)輛動(dòng)力性下降、油耗增加。因此需要定期用四輪定位系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛定位參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整,以恢復(fù)車(chē)輛的行駛穩(wěn)定性及行駛安全性等性能

2、。為了測(cè)量汽車(chē)的各種定位參數(shù), 汽車(chē)四輪定位儀需配備相應(yīng)的各種傳感器。對(duì)于目前常用的8 束汽車(chē)四輪定位儀, 通常需用1418 個(gè)不同形式的傳感器。其中與水平面垂直平面內(nèi)各角度的測(cè)量, 如車(chē)輪外傾角、主銷(xiāo)內(nèi)傾角及主銷(xiāo)后傾角等均是通過(guò)各種傾角傳感器實(shí)現(xiàn)的, 而水平面內(nèi)的各定位參數(shù), 如前束、軸偏等的測(cè)量則需通過(guò)其它的檢測(cè)方式實(shí)現(xiàn)。目前在四輪定位儀中所采用的檢測(cè)方法主要有三種, 即采用角度傳感器、ccd 傳感器和psd 傳感器。第一種方法通常采用電位計(jì)式傳感器, 且通過(guò)彈性線將傳感器相互連接, 以確定它們之間的相互位置,從而測(cè)出水平面內(nèi)前束等角度。這種四輪定位儀的缺點(diǎn)是操作不方便,風(fēng)力吹拂或由于機(jī)械

3、原因造成的卡滯將造成測(cè)量誤差,目前正逐步被淘汰。ccd(電荷耦合器件) 是20 世紀(jì)70 年代發(fā)展起來(lái)的新型半導(dǎo)體器件。ccd 圖像傳感器具有集成度高、功耗小、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),目前在四輪定位儀中得到廣泛應(yīng)用。但這種器件工作時(shí)要求有時(shí)鐘脈沖發(fā)生器向其提供各種邏輯定時(shí)信號(hào),且要求這些信號(hào)之間有一定的時(shí)序關(guān)系, 以保證電荷轉(zhuǎn)移、信號(hào)檢測(cè)和信號(hào)輸出,因此線路較復(fù)雜,成本也較高。psd(光點(diǎn)位置傳感器) 也是一種光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體器件, 與ccd 圖像傳感器相比,成本低,其成本只有ccd 傳感器的約1/6 ,且具有電路簡(jiǎn)單、分辨率高、響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn),因此具有更高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1 汽車(chē)

4、四輪定位參數(shù)及檢測(cè)方法1.1 四輪定位參數(shù)設(shè)計(jì)車(chē)輪定位參數(shù)的目的是保證汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性及最小的輪胎磨損，并在各種路況下保證這些要求的實(shí)現(xiàn)。但在使用過(guò)程中，由于懸架及轉(zhuǎn)向系中元件的磨損、變形、損壞會(huì)使定位參數(shù)發(fā)生變化而失準(zhǔn)，從而導(dǎo)致嚴(yán)重事故和輪胎磨損。而在更換球銷(xiāo)、擺臂、橫拉桿等零件后對(duì)車(chē)輪定位參數(shù)進(jìn)行調(diào)整則是必須的。進(jìn)行車(chē)輪定位就是對(duì)懸架及轉(zhuǎn)向系各部件進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到原設(shè)計(jì)功能。且只有光學(xué)式四輪定位才是快捷、準(zhǔn)確的定位方法。1.1.1 車(chē)輪定位參考的理想?yún)?shù)車(chē)輪中心線:指輪胎上對(duì)車(chē)輪軸垂直的中心線，如圖1-1。車(chē)輛幾何中心線:指車(chē)身從前到后的中心線，平行于行駛軌道并通過(guò)前后

5、軸的輪距中點(diǎn)，如圖1-1。 推力線:指后輪總前束的角平分線，如圖1-1。圖1-1 幾個(gè)重要的理想?yún)?shù)1.1.2 車(chē)輪定位的型式1）幾何中心線定位車(chē)輪的前束角是指前輪、后輪中心線與一條參考直線的夾角，幾何中心線或推力線均可作為參考直線。當(dāng)幾何中心線作為參考直線時(shí)，每只車(chē)輪的前束便依次調(diào)整到規(guī)定值。這種定位方式已經(jīng)沿用了許多年。當(dāng)后輪位置準(zhǔn)確且推力線與幾何中心線重合時(shí)，定位效果比較好。當(dāng)后輪位置不準(zhǔn)確或推力線與幾何中心線不重合時(shí)，就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向問(wèn)題。2）推力線定位 如果采用推力線定位，則由后輪確定的推力線用于前輪前束調(diào)節(jié)的參考直線。當(dāng)推力線作為參考直線而不與幾何中心線重合時(shí)，前、后輪都不與幾何中心線

6、平行。在這種情況下，車(chē)輛直線行駛時(shí)4只車(chē)輪都偏離正前方，這就會(huì)導(dǎo)致輪胎表面羽毛狀磨損。3）完全四輪定位如果采用完全四輪定位，推力線的位置相對(duì)于幾何中心線測(cè)量，這樣調(diào)節(jié)后的推力線應(yīng)與幾何中心線重合。可以通過(guò)測(cè)量推力角來(lái)做到這一點(diǎn)，前輪前束的調(diào)節(jié)用重合的推力線和幾何中心線作為參考。當(dāng)四輪定位完成時(shí)，4只車(chē)輪都應(yīng)與幾何中心線平行，而且在直線行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)處于中心位置?，F(xiàn)代的計(jì)算機(jī)車(chē)輪定位系統(tǒng)能使四輪定位正確。1.1.3 四輪定位的檢測(cè)參數(shù) 圖1-2 推力角1） 驅(qū)動(dòng)偏向角(推力角) 車(chē)輛幾何中心線與推力線形成的夾角即為驅(qū)動(dòng)偏向角(推力角)，如圖1-2。推力線位于幾何中心線左側(cè)時(shí)角度為正，驅(qū)動(dòng)偏向角使

7、行駛軌跡歪斜。產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)偏向角的原因:一是后輪單獨(dú)前束不等()?？偳笆m然不變，但推力線歪斜。 二是輪軸偏移。兩個(gè)前輪(或后輪)與地接觸點(diǎn)的連線與垂直于推力線的直線間存在夾角時(shí)，會(huì)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)偏向角。 三是軸距偏差。兩前輪之間的連線與兩后輪間連線不平行，用其夾角表示偏差量。軸距變化，可以引起推力線歪斜，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)偏向角。 四是橫向偏位。輪距向一側(cè)變長(zhǎng)或變短，測(cè)量時(shí)可測(cè)量左(右)前輪和后輪與地接觸點(diǎn)連線與推力線的夾角。若測(cè)量左前輪和左后輪與地面接觸點(diǎn)之間的連線的夾角，則得到的是軌跡寬度偏差。若橫向偏位和軌跡寬度偏差不為零，則均可能造成去驅(qū)動(dòng)偏向角的存在。 五是輪軸偏位。實(shí)際的前后軸中心線與理論車(chē)輛幾

8、何中心線的夾角，兩前輪或兩后輪同時(shí)橫移其它參數(shù)如前、后輪總前束不改變，也存在驅(qū)動(dòng)偏向角。根據(jù)四輪定位的定義，只有使幾何中心線和推力線重合，則在此基礎(chǔ)上進(jìn)行車(chē)輪定位后，才可以達(dá)到正常穩(wěn)定行駛。所以測(cè)量到驅(qū)動(dòng)偏向角不為零時(shí)(或不在公差范圍內(nèi))應(yīng)針對(duì)以上幾點(diǎn)來(lái)排除偏差引起的夾角。在四輪定位步驟中，首先測(cè)量在正前行駛位置(推力角為零的位置)時(shí)后輪的前束吞外傾角值，目的在于保證2個(gè)基準(zhǔn)重合，不至出現(xiàn)由于驅(qū)動(dòng)偏向角的存在而使汽車(chē)行駛軌跡歪斜的情況。2） 前束圖1-3 車(chē)輪前束車(chē)輪前束是指從上往下看兩個(gè)車(chē)輪指向的方向(如圖1-3所示)。在前端指向內(nèi)的一對(duì)前輪(或后輪)是車(chē)輪前束，指向外的則稱(chēng)為車(chē)輪后束。車(chē)輪

9、的前束或后束可用英寸、毫米或角度來(lái)表示。（1）后輪單獨(dú)前束 驅(qū)動(dòng)偏向角為零(或在誤差之內(nèi))時(shí)推力線與車(chē)輛幾何中心線重合，后輪單獨(dú)前束是指車(chē)輪中心線與車(chē)輛幾何中心線的夾角。兩單獨(dú)前束值應(yīng)相等。（2）前輪單獨(dú)前束 后輪前束測(cè)好后且推力線正確，以推力線做基準(zhǔn)測(cè)前輪前束，兩前束值也應(yīng)相等。若調(diào)整正確，此時(shí)車(chē)輛幾何中心線與推力線重合，正前行駛位置準(zhǔn)確。（3）前輪前束轉(zhuǎn)向車(chē)輪在裝配時(shí)，兩前輪中心平面相互向內(nèi)偏轉(zhuǎn)一個(gè)角。使車(chē)輪間后端的距離大于前端的距離，一般地說(shuō)，轉(zhuǎn)向輪后端距離與前端距離之差值即為前束（通用的定義）。當(dāng)后端的距離比前端大時(shí)為正（前束），當(dāng)后端的距離比前端小時(shí)為負(fù)（后束）。 （4）總前束(單獨(dú)

10、前束之和) 3) 車(chē)輪外傾角圖1-4 車(chē)輪外傾角 車(chē)輪外傾角是指車(chē)輪中心平面與汽車(chē)垂直平面的夾角，如圖1-4所示。當(dāng)車(chē)輪頂部向汽車(chē)外部?jī)A斜時(shí)角度為正，反之為負(fù)。車(chē)輪外傾角主要作用是使車(chē)輪與地面的動(dòng)態(tài)承載中心得到合理的分配，從而達(dá)到提高機(jī)械零件的使用壽命，減少輪胎的磨損等效果。若車(chē)輪外傾角不正確，輪胎會(huì)出現(xiàn)異常的磨損，汽車(chē)在行駛時(shí)也會(huì)發(fā)生偏駛的現(xiàn)象。車(chē)輛急轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于車(chē)輪上跳和回彈使內(nèi)側(cè)輪外傾減小，外側(cè)車(chē)輪外傾變大使內(nèi)側(cè)輪內(nèi)邊緣和外側(cè)輪外邊緣與地面接觸阻力增加而能防止側(cè)滑。車(chē)輪外傾角過(guò)大，車(chē)載集中在輪胎外緣，使輪胎外緣直徑小于內(nèi)緣，車(chē)輪轉(zhuǎn)過(guò)同樣的距離時(shí)外緣比內(nèi)緣轉(zhuǎn)的快而連滾帶滑，增加了外緣磨損，

11、外傾角小則內(nèi)緣磨損。車(chē)輪外傾使車(chē)輪向外滾，即傾斜的車(chē)輪趨向于向傾斜的方向轉(zhuǎn)向，若車(chē)輪外傾角不等，車(chē)向外傾大的一側(cè)轉(zhuǎn)向，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)向拉力。4） 主銷(xiāo)內(nèi)傾角 主銷(xiāo)內(nèi)傾角是指懸架上球頭或支柱頂端與下球頭的連線與鉛垂線，且從汽車(chē)的正面觀察的夾角。上球頭向內(nèi)為正，反之為負(fù)。合理的主銷(xiāo)內(nèi)傾角可使汽車(chē)轉(zhuǎn)向行駛時(shí)轉(zhuǎn)向輕便，減少路面通過(guò)轉(zhuǎn)向輪傳導(dǎo)到轉(zhuǎn)向盤(pán)的沖擊力，同時(shí)也具有一定的自動(dòng)回正作用。主銷(xiāo)內(nèi)傾是指主銷(xiāo)裝在前軸略向內(nèi)傾斜的角度，它的作用是使前輪自動(dòng)回正。角度越大前輪自動(dòng)回正的作用就越強(qiáng)烈，但轉(zhuǎn)向時(shí)也越費(fèi)力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動(dòng)回正的作用就越弱，因此這個(gè)主銷(xiāo)內(nèi)傾角都有一個(gè)范圍，約58之間。5

12、） 主銷(xiāo)后傾角圖1-5 主銷(xiāo)后傾角 主銷(xiāo)后傾角是指懸架上球頭或支柱頂端與下球頭的連線(稱(chēng)為主銷(xiāo)，汽車(chē)在轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)輪繞其旋轉(zhuǎn))與鉛垂線，且從汽車(chē)的側(cè)面觀察的夾角(如圖1-5)。上球頭在鉛垂線的后方為正，反之為負(fù)。主銷(xiāo)后傾角的主要作用是當(dāng)汽車(chē)行駛時(shí)轉(zhuǎn)向輪形成可自動(dòng)的回正力矩，使汽車(chē)保持直線行駛。因此主銷(xiāo)后傾角會(huì)影響汽車(chē)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性和方向盤(pán)的自動(dòng)同下作用。但過(guò)大的后傾角使轉(zhuǎn)向費(fèi)力并易產(chǎn)生路面沖擊和前輪擺振，而過(guò)小的后傾角會(huì)使轉(zhuǎn)向發(fā)飄。左右后傾角不等，汽車(chē)會(huì)向后傾角小的一側(cè)跑偏，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向拉力。車(chē)身高度變化會(huì)使后傾角變化，后備箱重載時(shí)主銷(xiāo)后傾角變大，因此前輪易擺振。6） 轉(zhuǎn)向負(fù)前束(轉(zhuǎn)向前展)轉(zhuǎn)向負(fù)前束是指

13、轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)側(cè)車(chē)輪相對(duì)外側(cè)車(chē)輪的角度差。轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu)使車(chē)輪角度隨轉(zhuǎn)向角度變化而變化，該角度的變化由轉(zhuǎn)向梯形保證，如負(fù)前束不正確，將加劇輪胎磨損，并出現(xiàn)轉(zhuǎn)向噪聲及轉(zhuǎn)向跑偏。1.2 前輪定位與四輪定位1.2.1 前輪定位為什么有些汽車(chē)喜歡走偏？為什么有些汽車(chē)轉(zhuǎn)彎很費(fèi)力？為什么有些汽車(chē)的輪胎磨損得快？這些問(wèn)題大多涉及到一個(gè)輪胎安裝角度問(wèn)題一個(gè)非常重要的轉(zhuǎn)向輪位置角度，叫做“前輪定位”。它的作用是保障汽車(chē)直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。前輪是轉(zhuǎn)向輪，它的安裝位置由主銷(xiāo)內(nèi)傾、主銷(xiāo)后傾、前輪外傾和前輪前束等4個(gè)項(xiàng)目決定，反映了轉(zhuǎn)向輪、主銷(xiāo)和前軸等三者在車(chē)架上的位置關(guān)系。1.2.1 四輪定位前輪定位

14、、四輪定位都要。主要是因?yàn)楹筝喸O(shè)計(jì)各家車(chē)廠的不同，因此有的品牌、有的車(chē)款的后輪需要定位，有的則不需要。需要做后輪定位的，大概也只有外傾角一個(gè)項(xiàng)目而已。先解釋為何需要前輪定位。這類(lèi)似于人的行走方式，當(dāng)您以為自己的雙腳是很平整地著地的時(shí)候，其實(shí)不然，身體的重量絕大部分都落在腳跟的外側(cè)后方，因此造成那個(gè)部位的 鞋跟磨損特別快速。同樣地，如果眼睛看起來(lái)輪胎是垂直于地面的話，由于車(chē)輛本身重量的壓力、加上行走于地面所產(chǎn)生的摩擦力交互作用的結(jié)果，輪胎胎面的磨損是不可能均勻的，因此，必須根據(jù)車(chē)輛懸吊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，計(jì)算出一個(gè)最好的懸吊幾何(suspension geometry)，讓前輪有一個(gè)外傾角(camber

15、)，有了這樣一個(gè)外傾角之后，雖然輪胎看起來(lái)好像不是垂直于地面，但車(chē)輛真正行走的時(shí)候，輪胎才有辦法真正讓胎面整個(gè)兒接觸地面，胎面的磨耗也才會(huì)均勻。走到車(chē)頭正前方，蹲下來(lái)仔細(xì)端詳左右兩只前輪，您會(huì)發(fā)現(xiàn)兩只前輪好像有一點(diǎn)向內(nèi)收攏、一副像是人的腳“內(nèi)八字”的樣子，沒(méi)錯(cuò)！別懷疑，這就是所謂的“前束”(toein)，前輪需要前束的道理，乃是因?yàn)檐?chē)輛行走的時(shí)候，來(lái)自于地面的摩擦力會(huì)逼使兩只前輪愈來(lái)愈向外張開(kāi)，如果沒(méi)有前束，那到后來(lái)，兩只前輪甚至都無(wú)法同方向前進(jìn)了！1.2.2 四輪定位的內(nèi)容和目的四輪定位前軸的定位角度包括后傾角、外傾角、前束角、大王肖內(nèi)傾角、轉(zhuǎn)向前展差、輪軸偏移、最大總轉(zhuǎn)角,后軸的定位角度包

16、括外傾角、前束角、推進(jìn)線(角)。另外,還有垂直且平分前后軸的縱向幾何中心線、側(cè)向偏角、軸偏位、輪跡寬差值。了解四輪定位的內(nèi)容后,可以給其描述一個(gè)特性概念:“使汽車(chē)后輪推進(jìn)線與幾何中心線相重合且平分并垂直于前后輪軸,把四個(gè)車(chē)輪分別安裝在前后軸相應(yīng)位置的關(guān)系特點(diǎn)稱(chēng)四輪定位”。部分四輪定位角度的計(jì)算式如下: =+ （1-1）=+ （1-2）a=(-)/2 （1-3）式中:為總前束;為左輪前束；為右輪前束；為包容角；為內(nèi)傾角；為外傾角；為后輪推進(jìn)角；為軸偏位。四輪定位的目的是為了使汽車(chē)穩(wěn)定、輕便、維持直線行駛,保證汽車(chē)操縱穩(wěn)定性和輪胎的正常磨損。1.2.3 做四輪定位的前提和益處為了測(cè)得精確的四輪定位

17、角度,避免維修失誤,在做四輪定位前必須檢查汽車(chē)底盤(pán),尤其應(yīng)檢查懸架是否有明顯碰撞和零部件損壞,還應(yīng)檢查輪胎氣壓、輪胎尺寸、胎紋深度、四輪軸承間隙等。四輪定位是汽車(chē)行駛穩(wěn)定、安全的重要條件。四輪定位的維修會(huì)增加汽車(chē)行駛安全性、操縱穩(wěn)定性,減少輪胎磨損,保持行駛時(shí)轉(zhuǎn)向歸正自如,維持汽車(chē)居中直線行駛,減少懸掛機(jī)件磨損。1.3 四輪定位儀簡(jiǎn)介當(dāng)今社會(huì)汽車(chē)已進(jìn)入了千家萬(wàn)戶，每個(gè)駕駛汽車(chē)的人都希望自己的汽車(chē)擁有最佳的舒適性的同時(shí)，還具有最可靠的安全性，而在汽車(chē)結(jié)構(gòu)中能夠提供此保障的主要部件之一就是汽車(chē)的車(chē)輪和懸掛。在現(xiàn)代汽車(chē)中，為了使汽車(chē)直線行駛、轉(zhuǎn)向輕便、受控力好，并減少輪胎及相關(guān)部件的磨損，在輪胎安裝

18、和前、后輪的懸掛系統(tǒng)均設(shè)置車(chē)輪定位角度（各汽車(chē)生產(chǎn)廠家根據(jù)不同車(chē)型，設(shè)置不同數(shù)據(jù)）。由于更換輪胎或減震器、機(jī)械的磨損、機(jī)件在劇烈顛波中疲勞變形或車(chē)架和機(jī)件在碰撞后變形，都會(huì)導(dǎo)致四輪定位參數(shù)發(fā)生變化。所以一般新車(chē)在駕駛3個(gè)月后就應(yīng)做四輪定位檢測(cè)，以后每行駛l0000公里或更換輪胎及減震器，以及發(fā)生碰撞后都應(yīng)及時(shí)做“四輪定位”，檢測(cè)其是否符合原車(chē)標(biāo)準(zhǔn)，并及時(shí)進(jìn)行維修與調(diào)校。1.3.1 四輪定位儀簡(jiǎn)介當(dāng)前擔(dān)當(dāng)車(chē)輪定位檢測(cè)的儀器大部分為“四輪定位儀”，檢測(cè)時(shí)四輪定位儀先測(cè)量出汽車(chē)現(xiàn)時(shí)的四輪定位參數(shù)，然后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)與相應(yīng)車(chē)型的存儲(chǔ)值對(duì)比，對(duì)汽車(chē)四輪定位算出偏差值，維修人員按照定位儀的提示進(jìn)行修正就可以

19、恢復(fù)原狀了?，F(xiàn)代高檔四輪定位儀由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩部分組成：軟件系統(tǒng)主要包括：客戶信息管理數(shù)據(jù)庫(kù)；國(guó)內(nèi)外各類(lèi)汽車(chē)生產(chǎn)廠、年代、及型號(hào)的原始定位參數(shù)；車(chē)輛預(yù)檢查及其定位故障診斷；標(biāo)定調(diào)校程序等，程序運(yùn)算、執(zhí)行、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和輸出通過(guò)高檔計(jì)算機(jī)、cd-rom及打印設(shè)備完成。硬件系統(tǒng)除了計(jì)算機(jī)及外設(shè)，主要還包括:車(chē)輪傾角檢測(cè)用的傳感器和配套安裝夾具，調(diào)整標(biāo)定設(shè)備、光學(xué)傳感器、遙控操作器等。對(duì)于不同四輪定位設(shè)備，起關(guān)鍵性作用的是測(cè)量傳感器是否精確，軟件功能是否完善，至于外觀、體積以及是否有無(wú)線通訊功能都不是關(guān)鍵所在，畢竟汽車(chē)駕駛者所需要的是將汽車(chē)的安全與良好的運(yùn)行狀態(tài)。如圖1-6所示，為光學(xué)式四輪定位儀

20、工作情況。圖1-6 光學(xué)式四輪定位儀1.3.2 四輪定位儀技術(shù)分類(lèi)1） 按通訊方式：a 無(wú)需通訊b 有線通訊c 紅外無(wú)線通訊d 藍(lán)牙無(wú)線通訊2） 按測(cè)量方式：a 拉線式角位移傳感器+重力錘式傾角儀b 拉線式角位移傳感器+電子式傾角傳感器c 激光與光電接收板+電子式傾角傳感器d 紅外與psd+電子式傾角傳感器e 紅外與ccd+電子式傾角傳感器 f 紅外與cmos圖像傳感器 g 3d技術(shù)（采用面陣ccd）3） 顯示方式：a 傳感機(jī)頭直接顯示（一般采用液晶屏）b 數(shù)碼管顯示c 電腦顯示 1.3.3 基本概念 1） 上位機(jī)：即進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，顯示輸出的電腦，這臺(tái)電腦是四輪定位儀的控制中心，操作者想完成何

21、種操作，均是通過(guò)控制電腦來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于數(shù)碼管顯示方式的四輪定位儀，電腦一般是由生產(chǎn)廠家采用單板機(jī)自行開(kāi)發(fā)的。對(duì)于電腦顯示的四輪定位儀，上位機(jī)指的即是市場(chǎng)上流行的pc機(jī)。 2） 下位機(jī)：即我們通常所說(shuō)的傳感機(jī)頭，它是整個(gè)四輪定位儀的核心部件，均是由各生產(chǎn)廠家研發(fā)、生產(chǎn)的。實(shí)際意義上講，下位機(jī)也是一臺(tái)電腦，只不過(guò)其功能比較單一，它內(nèi)部包含了中央處理器、存儲(chǔ)器、控制部件等，在軟件的協(xié)調(diào)下，完成上位機(jī)下達(dá)的命令。 3） 拉線式角位移傳感器：該傳感器實(shí)際上是一只精密可變電阻，在軸的帶動(dòng)下，產(chǎn)生電壓的變化，通過(guò)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，形成相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。 4） 激光：是一種新型光源，它的本質(zhì)是光，四輪定位儀用

22、激光都是半導(dǎo)體激光器，給其注入正向偏壓進(jìn)行激勵(lì)后，pn結(jié)相互交合，并把多余的能量以光的形式放射出來(lái)，形成激光。 5） 紅外線：紅外線是自然界普通存在的光源，它的本質(zhì)也是光，只不過(guò)這種光不可見(jiàn)，用于四輪定位儀的紅外發(fā)射管是一種半導(dǎo)體器件。 6） 重力錘式傾角儀：它實(shí)際由兩部分組成，即：錘部分和電子部分，由于重力的作用錘始終垂直大地，帶動(dòng)電子部分產(chǎn)生角度的相對(duì)變化。 7） 電子式傾角儀：為一高科技產(chǎn)品，該傾角儀有多種形式，如：電容式、磁阻式、重力式等幾種，全為非接觸測(cè)量產(chǎn)品，根據(jù)原理不同，其性能也有較大差異。 8） psd：又稱(chēng)光點(diǎn)位置傳感器，它是一種光電轉(zhuǎn)換器件，當(dāng)psd的受光面某一位置存在光照

23、的情況下，其輸出電流會(huì)有相應(yīng)變化，從而可以得到光照位置，它是一種模擬器件。 9） ccd：又稱(chēng)電荷藕合器件，是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來(lái)的新型半導(dǎo)體集成光電器件，它是在一塊硅面上，集成了數(shù)千個(gè)各自獨(dú)立的光敏元，當(dāng)光照射到光敏面上時(shí)，受光光敏元將聚集光電子，通過(guò)移位的方式，將光量輸出，產(chǎn)生光位置和光強(qiáng)的信息。它分為線陣ccd和面陣ccd兩種，線陣ccd即是光敏元沿x方向排列1到2排，所以測(cè)的是光在x方向上的位置及強(qiáng)度信息，面陣ccd的光敏元排列成矩陣方式，它所測(cè)的是光在x方向和y方向上的位置及強(qiáng)度信息。 10） cmos：是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體的統(tǒng)稱(chēng)，應(yīng)用于四輪定位儀產(chǎn)品的是由coms做成的圖像

24、傳感器。 11） 通訊：即兩個(gè)以上單元進(jìn)行信息交換的方式。 12） 有線通訊：在四輪定位儀的上位機(jī)和下位機(jī)之間進(jìn)行信息交換時(shí)，若使用線纜做介質(zhì)，則稱(chēng)有線通訊。 13） 紅外無(wú)線通訊：在四輪定位儀的上位機(jī)和下位機(jī)之間進(jìn)行信息交換時(shí)，若使用調(diào)制的紅外光做載體，則稱(chēng)紅外無(wú)線通訊。 14） 藍(lán)牙通訊：藍(lán)牙的英文名稱(chēng)是bluetooth，是1998年5月由愛(ài)立信，ibm、英特爾、諾基亞、東芝等5家公司聯(lián)合制定的近距離（10米內(nèi)）無(wú)線通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它是由無(wú)線電波做載體進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。1.3.4器件特點(diǎn)及功能 1） 上位機(jī)：四輪定位儀的控制中心，在四輪定位儀中，上位機(jī)有兩種形式，即單板機(jī)和pc電腦，采用單板機(jī)

25、做上位機(jī)的四輪定位儀其特點(diǎn)如下： a 由于單板機(jī)的資源較小，且其軟件都是出廠前固化的，因此，功能簡(jiǎn)單，不可能進(jìn)行快速，大容量數(shù)據(jù)計(jì)算，顯示多以數(shù)碼管方式。 b 沒(méi)有輔助的測(cè)量功能，對(duì)于車(chē)型的選擇都是借助于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)書(shū)籍，歷史數(shù)據(jù)都無(wú)法保存，輔助調(diào)車(chē)的幫助功能根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。 c 通訊方式都采用有線方式進(jìn)行。 d 系統(tǒng)升機(jī)，系統(tǒng)維護(hù)都很麻煩。 因此，這種四輪定位儀都是低價(jià)、低檔產(chǎn)品。 采用pc電腦做上位機(jī)的四輪定位儀有如下特點(diǎn)： a 電腦資源豐富，互換性、可擴(kuò)展性強(qiáng)，因此，它可以做到快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行大數(shù)據(jù)量運(yùn)算，在軟件的配合下，顯示靈活、生動(dòng)、具有人性化的特點(diǎn)。 b四輪定位儀的輔助功能豐富，像車(chē)型選

26、擇、數(shù)據(jù)保存查詢(xún)、三維動(dòng)畫(huà)演示、聲音提示以及網(wǎng)絡(luò)功能都可實(shí)現(xiàn)。 c 系統(tǒng)升級(jí)簡(jiǎn)單，更換軟件即可完成，車(chē)型數(shù)據(jù)可以隨用隨加。 d 系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單。 電腦應(yīng)用于四輪定位儀產(chǎn)品，對(duì)電腦的要求并不很高，因?yàn)樗妮喍ㄎ粌x的數(shù)據(jù)處理量相對(duì)很少，對(duì)資源的要求并不高，考慮到性?xún)r(jià)比的因素，四輪定位儀用電腦對(duì)用戶而言夠用即可，且不可盲目追求時(shí)尚，配備目前最流行的高端高價(jià)電腦。但是四輪定位儀要求電腦有很好的穩(wěn)定性，有很高的抗干擾能力，當(dāng)然這也是各廠家所必須考慮的。 液晶顯示用于四輪定位儀是大可不必的，首先液晶顯示器是場(chǎng)致發(fā)光器件，即被動(dòng)發(fā)光，其亮度、色度都無(wú)法與crt顯示器相媲美。 其次，液晶顯示器怕油污等腐蝕物，恰恰

27、這一點(diǎn)是修理廠所不具備的條件，它的理想使用環(huán)境是辦公室等清潔場(chǎng)所。 再次，液晶顯示器成本高，壽命短，會(huì)影響到用戶的采購(gòu)成本及使用成本。 觸摸屏應(yīng)用于四輪定位儀同樣是嘩眾取寵，因?yàn)楝F(xiàn)在四輪定位儀在汽修廠及輪胎店基本屬于普及產(chǎn)品，用戶不可能也沒(méi)必要再花一份工資雇一員工進(jìn)行電腦操作，而修車(chē)又是較臟的工作，雙手沾滿油污、灰塵、水等是常有的事，用這樣一雙手在觸摸屏上按來(lái)按去，試想觸摸屏的壽命將如何？維修工能否看清屏幕？ 在電腦中，最常使用的部件是鍵盤(pán)，因此鍵盤(pán)是一個(gè)易損件，對(duì)用戶而言理所當(dāng)然的應(yīng)選擇一種常見(jiàn)，易采購(gòu)，通用性好的鍵盤(pán)。pc標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)是再好不過(guò)的。 2） 激光：激光是作為測(cè)量系統(tǒng)的光源而應(yīng)用于

28、四輪定位儀的，與其它光源相比，它具有單色性好，方向性強(qiáng)，光亮度極高的特點(diǎn)。因此，激光光源可以實(shí)現(xiàn)較小的功率，測(cè)量較遠(yuǎn)的距離，由于其單色性好，因此它可以避免環(huán)境光對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的干擾。在四輪定位儀中與激光配合使用的接收器，為光敏元陣列，而不可以用psd和ccd；因?yàn)榧す獾墓獍呔鶆蛐圆睿揖哂懈缮婧脱苌涞奶匦?，不利于psd和ccd的接收。激光用于四輪定位儀中，激光都是以垂直的直線輸出，決定了激光產(chǎn)品束角的測(cè)量范圍較小，好在汽車(chē)的前束值不會(huì)很大，因此，用激光做光源用于四輪定位儀是一種較好的選擇。有人提出激光對(duì)人體有害的論點(diǎn)，這不必小題大做，因?yàn)樗妮喍ㄎ粌x用激光器都是幾毫瓦功率的半導(dǎo)體激光器，只要眼睛不直

29、視它，照射身體任何部位，不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生任何損害。 3） 紅外線：紅外線在四輪定位儀中有兩種功能，首先，在通訊系統(tǒng)中可以使用，其次，它還用于測(cè)量系統(tǒng)，這兩個(gè)系統(tǒng)的功能不同，使用方法也不同；用于通訊系統(tǒng)紅外線是作為通訊的載體，它采用調(diào)頻的方式。而應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)時(shí)它作為光源，接收部分無(wú)論采用psd還是ccd光源出口均是散光的，照射到對(duì)面后經(jīng)過(guò)光學(xué)處理，提供給ccd或psd使用，由于紅外發(fā)射管光斑均勻（特點(diǎn)），因此ccd或psd的光源必須使用紅外或可見(jiàn)光，而不能采用激光。 4） 傾角傳感器：傾角傳感器是四輪定位儀的非常關(guān)鍵的部件，它的功能是進(jìn)行車(chē)輪外傾和主銷(xiāo)的測(cè)量。因此，它的好壞直接影響到產(chǎn)品的性能。

30、該傳感器的關(guān)鍵參數(shù)有如下幾個(gè)： a 線性度 b 每度輸出電壓值 c 頻響 d 溫度系數(shù) 經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，采用日本米多利和德國(guó)hl的傾角傳感器，性能均能得到保證，而韓國(guó)傾角產(chǎn)品，很難達(dá)到要求，因?yàn)轫n國(guó)產(chǎn)品每度輸出的電壓很少，要提高測(cè)量精度，就需大倍數(shù)放大，由于放大器件的特點(diǎn)，放大就要失真，就會(huì)影響線性最終導(dǎo)致測(cè)量誤差加大。另外，其溫度系數(shù)較差，往往早晨的零位和中午的零位就有幾十分的誤差，想得到一個(gè)準(zhǔn)確值，就必須經(jīng)常校正。 5） psd psd是光敏感器件，它有三個(gè)引腳，一個(gè)加偏置電壓，兩個(gè)輸出端，因此它是一種模擬的線性器件，它具有以下特點(diǎn)： a 分辨率高達(dá)0.1um b 光譜范圍寬380mm?11

31、00mm范圍 c 響應(yīng)速度快，0.5ms d 位置和光強(qiáng)同時(shí)測(cè)量 e 驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單 f 成本低 psd是以連續(xù)電壓或電流的方式輸出，由于其位置分辨率可達(dá)0.1um，好于ccd。因此，它有很高的分辨率，但它輸出的是模擬信號(hào)，需經(jīng)過(guò)a/d轉(zhuǎn)換，因此要有一定的失真，同時(shí)，psd有更嚴(yán)重的問(wèn)題，溫度漂移嚴(yán)重和環(huán)境光線的影響。溫度變化可以使其輸出零位變化幾十毫伏，光線的影響使系統(tǒng)取值不穩(wěn)定，這兩項(xiàng)疊加在一起，便使psd產(chǎn)品失去了測(cè)量精度。南韓技術(shù)生產(chǎn)的四輪定位儀或其oem國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品無(wú)一例外地使用該技術(shù)，用戶可能僅通過(guò)讀數(shù)看不出其有什么問(wèn)題，因?yàn)樗查g溫度，光線是恒定的，但當(dāng)兩個(gè)參數(shù)變化時(shí)，誤差便會(huì)顯現(xiàn)，因此，用

32、這類(lèi)產(chǎn)品須經(jīng)常校準(zhǔn)。 6） ccd特點(diǎn)如下： a 位置分辨率高11um11um b 光譜響應(yīng)寬380mm-1100mm c 響應(yīng)速度快 d 可靠性高，無(wú)溫度漂移，一致性好 e 輸出穩(wěn)定，可直接輸出光斑的數(shù)字位置，無(wú)需a/d轉(zhuǎn)換 f 低功耗 g 長(zhǎng)壽命 h 驅(qū)動(dòng)復(fù)雜 ccd是由數(shù)千個(gè)相對(duì)獨(dú)立的光敏元構(gòu)成，且各光敏元集成在同一硅底。入射光的位置可以直接以數(shù)字的形式反映出來(lái)，因此，ccd產(chǎn)品具有測(cè)量精度高，無(wú)溫度系數(shù)，使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。 7）cmos：市場(chǎng)上以cmos器件做四輪定位儀的廠家很少，這一技術(shù)應(yīng)用于四輪定位儀產(chǎn)品有其先天缺陷。首先，cmos圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)比ccd差，一個(gè)很說(shuō)明問(wèn)

33、題的例子；凡是高檔的數(shù)碼相機(jī)無(wú)一例外的都使用了面陣ccd，只有在低檔數(shù)碼相機(jī)里才能見(jiàn)到cmos產(chǎn)品，從它們拍攝的圖片質(zhì)量上可以清楚地判斷出來(lái)。其次，cmos圖像傳感器的分辨率低，最多也不過(guò)640線，因此精度低。再次，cmos圖像傳感器對(duì)環(huán)境要求較高，稍微暗一點(diǎn)或稍微明亮一點(diǎn)就不能正常工作。綜上所述，由于cmos器件本身的特點(diǎn)，決定了四輪定位儀產(chǎn)品很難使用該器件。 8） 通訊 通訊分有線通訊，無(wú)線通訊，無(wú)線通訊應(yīng)用于四輪定位儀有紅外線式和藍(lán)牙式，這幾種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)： 有線通訊是所有通訊方式中最穩(wěn)定可靠的方式，比喻座機(jī)的信號(hào)清晰度比手機(jī)好，有線電視比無(wú)線電視優(yōu)越，便可說(shuō)明此問(wèn)題。但有線通訊由于需

34、要一條較粗的線纜連接，因此，故障率增加，使用的方便性降低（手機(jī)比座機(jī)方便每個(gè)人都有感受）。 紅外通訊采用非常成熟的紅外通訊技術(shù)（比如家電的遙控器大多是采用紅外通訊），且成本較低，因此也是一種好的無(wú)線通訊方式，至于它的不好處都是相比較而言的，它與藍(lán)牙通訊比較，有怕強(qiáng)光、怕阻擋等不利因素。因此對(duì)環(huán)境要求較高，而藍(lán)牙通訊便不存在這種問(wèn)題，它不怕阻擋，不怕光，數(shù)據(jù)吞吐量較大，但它怕強(qiáng)無(wú)線電干擾，（比如2003年的太陽(yáng)黑子對(duì)整個(gè)世界的無(wú)線電通訊都造成影響），另外由于其歷史短，成本較高。 因此總體而言，目前藍(lán)牙通訊的四輪定位儀要方便于紅外通訊四輪定位儀，也要優(yōu)于有線通訊產(chǎn)品。1.4 汽車(chē)故障與四輪定位的關(guān)

35、系從實(shí)際測(cè)得的捷達(dá)轎車(chē)的部分定位角度(左前輪部分定位角度和后輪左右外傾角、推進(jìn)角,見(jiàn)表1-1)可以看出汽車(chē)故障與四輪定位的關(guān)系。表1-1 捷達(dá)轎車(chē)的部分定位角度及故障現(xiàn)象位置定位角度實(shí)際角度值與標(biāo)準(zhǔn)值比較故障表現(xiàn)零部件情況左前輪后傾角219太大轉(zhuǎn)向沉重,不能自動(dòng)歸正,有向右跑偏現(xiàn)象副車(chē)架或下支臂有變形外傾角029太大輪胎外緣嚴(yán)重磨損,有向左跑偏現(xiàn)象下支臂變形內(nèi)傾角941太大轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定(羊角)轉(zhuǎn)向節(jié)或半軸有輕度變形前束角023太大輪胎嚴(yán)重單邊磨損,80100/時(shí)有“嗡嗡”聲可調(diào)整轉(zhuǎn)向拉桿包容角010相對(duì)增大轉(zhuǎn)向操縱不良控制臂和車(chē)架有變形后輪外傾角左007右-021太大輪胎內(nèi)側(cè)嚴(yán)重磨損后橋變形推進(jìn)

36、角025正值偏大右后輪嚴(yán)重磨損后橋或羊角軸變形2 光點(diǎn)位置傳感器（psd）及其在四輪定位儀中的應(yīng)用psd(position sensitive detector) 是一種光電測(cè)距器件, 其是基于非均勻半導(dǎo)體“橫向光電效應(yīng)”,達(dá)到器件對(duì)入射光或粒子位置的敏感。psd 的主要特點(diǎn)是位置分辨率高、響應(yīng)速度快、光譜響應(yīng)范圍寬、可靠性高、處理電路簡(jiǎn)單、光敏面內(nèi)無(wú)盲區(qū)、可同時(shí)檢測(cè)位置和光強(qiáng)、測(cè)量結(jié)果與光斑尺寸和形狀無(wú)關(guān)。由于其上述特性, 因而在位置、位移、距離、角度及其相關(guān)的檢測(cè)中獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。2.1 psd的結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-1 psd橫向光電效應(yīng) 圖2-2 psd位置測(cè)量原理如圖2-1所示

37、, psd 的pn結(jié)是由重?fù)诫s的p+型半導(dǎo)體和輕摻雜的n型半導(dǎo)體構(gòu)成,和一般pn結(jié)一樣, 由載流子擴(kuò)散在結(jié)區(qū)建立一個(gè)與結(jié)面垂直的有n指向p+的自建內(nèi)電場(chǎng)。但由于p+為重?fù)诫s,載流子密度大,故電導(dǎo)率比n區(qū)高。因此當(dāng)入射光照射a點(diǎn)時(shí),光生載流電子和空穴集中在a點(diǎn)附近的結(jié)區(qū), 在自建內(nèi)電場(chǎng)作用下, 空穴進(jìn)入p+區(qū), 由于電導(dǎo)率高很快擴(kuò)散到整個(gè)p+區(qū), 成為p+區(qū)等電區(qū)位。而在a點(diǎn)附近n區(qū)的電子, 由于其電導(dǎo)率低而不易擴(kuò)散, 仍集中在a 點(diǎn)附近, 具有較高的負(fù)電位, 因此形成一個(gè)平行于結(jié)面的橫向電場(chǎng),這種現(xiàn)象稱(chēng)為橫向光電效應(yīng)。 實(shí)用的psd是做成p+ in結(jié)構(gòu),i 區(qū)較厚而具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率, 更

38、高的靈敏度和響應(yīng)速度。其表面p+層為感光面,兩邊各有一信號(hào)輸出電極。中間為i 層,底層引出一公共電極,用來(lái)加反偏電壓。如圖2-2與圖2-3所示,當(dāng)入射光照射到光敏面上某點(diǎn),由于存在平行于結(jié)面的橫向電場(chǎng)作用,使光生載流電子形成向兩端電極流動(dòng)的電流和, 它們的和等于總電流。如果psd 面電阻是均勻的,且其阻值和遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻, 則r1 和圖2-3 一維psd的結(jié)構(gòu)及等效電路r2 的值僅取決于入射光的位置, 此時(shí)有以下關(guān)系式成立: (2-1)式中 lpsd中點(diǎn)到信號(hào)電極間的距離x入射點(diǎn)距psd中點(diǎn)的距離將與式（2-1）聯(lián)立得： （2-2） （2-3）由式(2-2)和式(2-3)可以看出, 當(dāng)入射光點(diǎn)

39、位置一定時(shí), psd 單個(gè)電極輸出電流與入射光強(qiáng)成正比。而當(dāng)入射光強(qiáng)不變時(shí),單個(gè)電極的輸出電流與入射光點(diǎn)距psd 中心的距離x 成線性關(guān)系。聯(lián)立式(2-2)和式(2-3)得： （2-4）通過(guò)這個(gè)關(guān)系就能很準(zhǔn)確地確定光點(diǎn)位置的偏移量。2.2 psd 的特性1) psd 的位置檢測(cè)輸出信號(hào)與入射光點(diǎn)強(qiáng)度、光斑尺寸大小都無(wú)關(guān)。入射光強(qiáng)增大有利于提高信噪比,從而有利于提高位置分辨率。但入射光強(qiáng)不能太大, 否則會(huì)引起器件的飽和。psd 的位置輸出只與入射光點(diǎn)的“重心”位置有關(guān),而與光點(diǎn)尺寸大小無(wú)關(guān)。這一顯著優(yōu)點(diǎn)給使用帶來(lái)很大的方便。2) 反偏壓對(duì)psd 的影響。反偏壓有利于提高感光靈敏度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,

40、但會(huì)使暗電流增加。3) 背景光的影響。背景光強(qiáng)度的變化會(huì)影響位置輸出的誤差,這是因?yàn)橛斜尘肮怆娏鱥時(shí),其位置輸出信號(hào)為: （2-5）顯然,背景光強(qiáng)度的變化會(huì)對(duì)位置輸出產(chǎn)生影響。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)采取一定措施,消除背景光的影響。4) 環(huán)境溫度的影響。環(huán)境溫度上升時(shí),暗電流將增大。實(shí)驗(yàn)表明,溫度上升一度,暗電流增大1. 15 倍。因此,實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)采取相應(yīng)的措施,消除或減小環(huán)境溫度變化對(duì)檢測(cè)精度的影響。2.3 一維psd在四輪定位儀中的應(yīng)用目前常用的定位儀有拉線式、光學(xué)式、電腦拉線式和電腦激光式四種，它們的測(cè)量原理是一致的，只有采用的測(cè)量方法（或使用的傳感器的類(lèi)型）及數(shù)據(jù)記錄與傳輸?shù)姆绞讲煌?/p>

41、，這里僅介紹光學(xué)式四輪定位儀psd傳感器測(cè)量原理。1） 四輪定位儀中psd的使用情況psd 分為一維psd 和二維psd , 前者用于測(cè)量入射光的一維位置坐標(biāo),后者用于測(cè)量入射光的二維位置坐標(biāo)。四輪定位儀中采用的是對(duì)紅外線敏感的一維psd , 光源為紅外發(fā)光二極管。目前,汽車(chē)四輪定位儀根據(jù)所用的psd 傳感器數(shù)的不同,可分為6 束和8 束四輪定位儀, 它們分別采用了6 個(gè)和8 個(gè)psd傳感器。8 束四輪定位儀的測(cè)量精度要高于6 束, 是目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。整個(gè)定位測(cè)量系統(tǒng)由一個(gè)上位機(jī)和四個(gè)下位機(jī)組成。上位機(jī)為pc微型計(jì)算機(jī),其主要負(fù)責(zé)對(duì)下位機(jī)的測(cè)量過(guò)程控制、讀取下位機(jī)所采集的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處

42、理與計(jì)算以及結(jié)果顯示、存儲(chǔ)、打印及管理等。下位機(jī)由單片機(jī)系統(tǒng)組成,它們分別位于左前、左后、右前和右后機(jī)頭的殼體內(nèi),機(jī)頭與卡具相連,測(cè)量時(shí)機(jī)頭通過(guò)卡具分別固定到汽車(chē)四個(gè)車(chē)輪的輪輞邊緣上，如圖2-4所示。圖2-4 固定在輪輞上的psd機(jī)頭2） 車(chē)輪前束和推力角的測(cè)量原理 在測(cè)量前束時(shí)，必須保證車(chē)體擺正且方向盤(pán)位于中間位置，為了提供車(chē)輪前束值（或前束角）的測(cè)量精度，無(wú)論是拉線式、光學(xué)式還是電腦式的四輪定位儀，在檢測(cè)車(chē)輪前束之前，常通過(guò)拉線或光線照射或反射的方式形成一封閉的直角四邊形如圖2-5所示。圖2-5 8束光線形成封閉的四邊形將待檢車(chē)輛置于此四邊形中，通過(guò)安裝在車(chē)輪上的光學(xué)鏡面或傳感器不僅可以檢

43、測(cè)前輪前束、后輪前束，還可以檢測(cè)出左右車(chē)輪的同軸度（即同一車(chē)軸上的左右車(chē)輪的同軸度）及推力角。因?yàn)樗妮喍ㄎ粌x系統(tǒng)采用的傳感器不同，測(cè)量方法亦有所不同，這里就光點(diǎn)位置傳感器來(lái)說(shuō)明一下車(chē)輪前束的測(cè)量原理。 8 束四輪定位儀psd傳感器的布置情況如圖2-6所示(圖中只給出了一側(cè)的布置況) 。每個(gè)psd 傳感器組件包括紅外發(fā)光二極管、透鏡和psd 傳感器,透鏡位于psd 的前部。測(cè)量時(shí),發(fā)光二極管所發(fā)出的紅外光經(jīng)透鏡聚焦到一維psd 上, 根據(jù)psd 上入射紅外光的位置或psd 兩電極的輸出，利用式（2-4）便可計(jì)算出后輪相對(duì)于前輪的角度。8 個(gè)psd 傳感器的測(cè)量光源形成一封閉的四邊形,據(jù)此可測(cè)出水

44、平面內(nèi)前束、推力角、左右車(chē)輪的同軸度和前后軸的平行度等各種定位參數(shù)。圖2-6 psd 傳感器的布置14.psd傳感器組件 5.發(fā)光二極管 6.前輪 7.后輪 8.機(jī)頭3 方案比較與總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)汽車(chē)四輪定位的檢測(cè)為前提，基于psd 在其中的應(yīng)用條件，對(duì)psd 的測(cè)量原理系統(tǒng)進(jìn)行較為詳盡的設(shè)計(jì)。本章從為什么要選擇psd來(lái)進(jìn)行四輪定位的測(cè)量入手，結(jié)合影響psd測(cè)量精度的各種因素，最終到psd 信號(hào)處理系統(tǒng)方案的選擇與設(shè)計(jì)。3.1 四輪定位儀中位置傳感器的選擇由第一章的四輪定位儀簡(jiǎn)介知道，可用于四輪定位儀中的傳感器有：傾角傳感器，psd稱(chēng)光電位置傳感器，ccd電荷藕合器件和cmos圖像傳感器。由于傾

45、角傳感器是用來(lái)進(jìn)行車(chē)輪外傾角與主銷(xiāo)的測(cè)量；ccd 要求檢測(cè)的條件高，且價(jià)格昂貴；cmos圖像傳感器對(duì)環(huán)境要求較高，稍微暗一點(diǎn)或稍微明亮一點(diǎn)就不能正常工作；所以，最適合用語(yǔ)四輪定位水平面內(nèi)參數(shù)測(cè)量的傳感器只能是psd。使用psd具有響應(yīng)速度快、位置分辨率高、位置輸出與光強(qiáng)度及光斑尺寸無(wú)關(guān)、可同時(shí)進(jìn)行位置與強(qiáng)度的檢測(cè)、信號(hào)檢測(cè)方便、價(jià)格較便宜等優(yōu)點(diǎn)。3.2 影響psd測(cè)量精度的主要因素 psd應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的考慮因素: 1） psd應(yīng)用系統(tǒng)中的光源 psd靈敏波長(zhǎng)范圍為300-1150nm,因此多種發(fā)光二極管和激光器都可作psd的光源，特別是波長(zhǎng)在900nm左右的光源將會(huì)使信噪比顯著提高，所以選用諸

46、如gaas之類(lèi)的二極管是psd的理想光源。 2） 前置放大器的技術(shù)問(wèn)題考慮 由于位置信號(hào)以電流輸出的形式從psd電極輸出，前置級(jí)應(yīng)選用由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，該放大器應(yīng)選擇低偏置電流特性、低輸入噪聲、低零飄的器件。 3） 入射光斑的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響 雖然psd器件的電流輸出只與光斑的位置(其重心位置)有關(guān)，但這種特性只適合于某種特定情況。即不管光斑形狀如何，在測(cè)量過(guò)程中應(yīng)保持其形狀不變，若不滿足這個(gè)條件，psd的電流輸出就不僅僅取決于光斑位置了。所以，在測(cè)試系統(tǒng)中如果涉及到光源與psd的距離經(jīng)常變化的情況，應(yīng)盡量保持光斑的尺寸不變。4） 非線性誤差的處理由于psd的輸出電

47、流并非與光點(diǎn)的位移成線性關(guān)系。當(dāng)光點(diǎn)越靠近中心，其非線性誤差就越小。為了減小非線性誤差，采用通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)壓縮位移范圍，使光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)限制在psd線性度較好的范圍內(nèi)，達(dá)到減小非線性誤差的目的。3.3 提高psd抗雜光干擾的措施利用psd器件構(gòu)成的光電位置檢測(cè)系統(tǒng)，可以直接測(cè)出目標(biāo)的位置和動(dòng)態(tài)位移，適合要求實(shí)時(shí)控制，快速結(jié)果反映的測(cè)控場(chǎng)合。從psd的特性可知，psd器件是全光譜范圍內(nèi)都響應(yīng)的，因此，和其它光電檢測(cè)系統(tǒng)一樣，psd在工作時(shí)，其輸出信號(hào)會(huì)受到除目標(biāo)光源以外的外界雜散光和自身暗電流的影響，它們疊加在有用信號(hào)上面造成測(cè)量誤差，下面將分析它們?nèi)绾螌?duì)位置測(cè)量產(chǎn)生干擾及一些抗干擾的措施。3.3.1

48、 雜散光對(duì)psd的影響在用psd構(gòu)成的系統(tǒng)中，一般采用成像鏡頭將發(fā)光目標(biāo)物成像于psd的光敏面上，以檢測(cè)目標(biāo)物的動(dòng)態(tài)位置或是位移，由psd的工作原理可知，其產(chǎn)生的光電流所反映的位置信息就是光斑的光強(qiáng)的重心；因此在檢測(cè)中如果除了目標(biāo)物發(fā)光外，還有其它雜散光線進(jìn)入鏡頭，則雜散光也會(huì)在psd上造成響應(yīng)，影響檢測(cè)精度。從雜散光對(duì)psd的作用形式的不同，可將其分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是漫射雜散光；另一類(lèi)是集中光源。 漫射雜散光經(jīng)光學(xué)鏡頭成像后落在psd上呈均勻光強(qiáng)分布，光能分布的幾何中心與psd的幾何中心重合，在psd的各個(gè)電極收集到的電流強(qiáng)度相等，因此漫射雜散光的作用等效于在psd光敏面幾何中心作用的一個(gè)光點(diǎn)

49、。成像鏡頭內(nèi)的集中光源經(jīng)鏡頭后在psd的光敏面形成真實(shí)的光點(diǎn)，位置由光源的方向來(lái)決定。這樣，在測(cè)量時(shí)無(wú)論是哪種雜散光進(jìn)入鏡頭，都相當(dāng)于在psd上除了目標(biāo)物光點(diǎn)外還有一個(gè)干擾光點(diǎn)，此時(shí)psd的輸出信號(hào)是兩個(gè)光點(diǎn)共同作用的結(jié)果，測(cè)出的位置也包含兩個(gè)光點(diǎn)的信息。下面將以方形psd為例推導(dǎo)由psd輸出電流解算的位置與兩光點(diǎn)位置的關(guān)系。設(shè)目標(biāo)物經(jīng)光學(xué)鏡頭成像于psd上點(diǎn)，等效干擾光點(diǎn)作用于psd上的點(diǎn)，目標(biāo)光源單獨(dú)作用時(shí)psd輸出電流為()；干擾光源單獨(dú)作用時(shí)psd輸出電流為()； psd在兩個(gè)光點(diǎn)的共同作用下輸出的電信號(hào)是它們疊加的結(jié)果，既(，)，此時(shí)由psd輸出電流求解出的位置x為： x (3-1)

50、若記=，=，k=/并考慮到與目標(biāo)光源成正比，與目標(biāo)光源成反比，則有： (3-2)由上式可知，當(dāng)兩個(gè)等效光點(diǎn)和xt共同作用于psd上時(shí)，由psd輸出電流求解出的位置x是兩光點(diǎn)和xt的內(nèi)插點(diǎn)，即實(shí)際點(diǎn)位于兩等效光強(qiáng)重心的連線上，并且距離兩等效光強(qiáng)重心的距離之比與兩光束入射的光強(qiáng)成反比。從上述的推導(dǎo)可知，漫射光的作用是使求解位置比目標(biāo)物實(shí)際位置靠近psd中心，而集中光源的干擾使求解位置比實(shí)際位置靠近干擾源。因此，無(wú)論是哪種雜散光產(chǎn)生的干擾，都會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差，且誤差的大小不僅和干擾點(diǎn)的位置有關(guān)，還與信噪比有關(guān)，信噪比越小，雜散光的干擾越強(qiáng)。3.3.2 克服雜散光干擾的方法由上述的分析可以看到，當(dāng)干擾光

51、源位置確定時(shí)，誤差的大小取決于照射到psd上的目標(biāo)物光強(qiáng)與干擾光強(qiáng)之比，即光信號(hào)的信噪比。為減小干擾光的影響，根本的方法是確保照射到psd上的光信號(hào)有較高的信噪比，或是根據(jù)干擾信號(hào)的模式特征，將其與目標(biāo)信號(hào)分離，提高參與運(yùn)算的信號(hào)的信噪比。消除干擾光的方法有：1) 光學(xué)方法為了提高照射到psd上的光強(qiáng)信號(hào)的信噪比，可采用光學(xué)濾波的方法。psd的光譜響應(yīng)峰值在900nm附件，屬近紅外區(qū)，由于其對(duì)全光譜均響應(yīng)，因此其對(duì)可見(jiàn)光也有良好的響應(yīng)特性?？紤]到自然光和人造光源的干擾多數(shù)為可見(jiàn)光，因此，可以將目標(biāo)物發(fā)光的波長(zhǎng)選在900nm附近，并使其光譜較窄，這樣就可以在光學(xué)鏡頭上附加與目標(biāo)光源的光譜特性匹配

52、的干涉濾光片，使得通過(guò)濾光片后照射在psd上的光強(qiáng)對(duì)目標(biāo)光源有最大限度的響應(yīng)，而對(duì)干擾信號(hào)有最大的衰減。所以通常是選定紅外發(fā)光二極管或是半導(dǎo)體激光器作為目標(biāo)光源，并根據(jù)其特性設(shè)計(jì)與之匹配的濾光片，以保證在光學(xué)設(shè)計(jì)上使入射到psd上的光信號(hào)有良好的信噪比。這樣既可以避免器件受強(qiáng)光照射時(shí)輸出信號(hào)飽和，又能提高輸出響應(yīng)的幅度，增強(qiáng)抗雜光干擾的能力，提高位置測(cè)量精度。2) 電學(xué)方法上面光學(xué)濾波的方法是建立在目標(biāo)光源與干擾光源的波長(zhǎng)不同的基礎(chǔ)上的，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，二者的波長(zhǎng)一般總有重疊，因此還需考慮從psd的輸出信號(hào)中將二者分離，采用電學(xué)的方法有以下幾種：a 采用交流調(diào)制頻率分離的方法，由于系統(tǒng)在使用時(shí)，

53、干擾雜散光多為自然光或是人工照明，這類(lèi)干擾源的特點(diǎn)是其亮度變化是緩慢的，在psd上產(chǎn)生的響應(yīng)為直流低頻信號(hào)，如果對(duì)目標(biāo)光源進(jìn)行高頻調(diào)制，使psd的響應(yīng)為高頻調(diào)制信號(hào)，則可以在電路中采用帶通濾波的方法將信號(hào)與干擾源分離。經(jīng)帶通濾波器輸出的信號(hào)再進(jìn)行直流恢復(fù)，由單片機(jī)采樣后，進(jìn)行位置運(yùn)算，得到顯示結(jié)果。電路框圖如圖3-1所示：圖3-1 調(diào)制法psd信號(hào)檢測(cè)電路框圖b 采樣-保持法，考慮在多數(shù)場(chǎng)合，干擾源多為自然環(huán)境光，其特點(diǎn)是光強(qiáng)穩(wěn)定，位置固定。因此在進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量前，可先測(cè)出干擾源在psd上的位置和強(qiáng)度(利用位置檢測(cè)系統(tǒng)自身即可完成)，測(cè)出雜散光單獨(dú)作用下psd的響應(yīng)it和xt值，這些值均為常量，

54、在進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)目標(biāo)光源光強(qiáng)和，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，由和求解出目標(biāo)物的實(shí)際位置，從而消除雜散光和暗電流對(duì)測(cè)量位置的干擾。電路框圖如圖3-2所示，圖中s/-s/是采樣保持器，目標(biāo)光源調(diào)制信號(hào)u及采樣保持器的控制信號(hào)、的時(shí)序圖如圖3-3所示，s/和s/在沒(méi)有信號(hào)光時(shí)采樣得到背景光電流及暗電流信號(hào)后保持，s/和s/在有信號(hào)光時(shí)采樣得到信號(hào)光電流、背景光電流及暗電流構(gòu)成的總信號(hào)后保持，然后由減法器將它們相減，得到消除背景和暗電流信號(hào)成分的信號(hào)光電流的電壓轉(zhuǎn)換值和。圖3-2 采樣-保持法消除背景和暗電流的psd處理電路方框圖圖3-3 光源調(diào)制信號(hào)和采樣保持控制信號(hào)波形時(shí)序圖c 同步檢波法，如果信

55、號(hào)光比較弱，背景及環(huán)境的噪聲較大，除了必須對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制以外，電路方面可采用同步相關(guān)檢波法將淹沒(méi)在噪聲中的光信號(hào)提取出來(lái)，用同步相關(guān)檢波法處理電路的框圖如圖3-4所示：圖3-4 同步檢波法消除背景和暗電流的處理電路方框圖 對(duì)存在復(fù)雜的雜散光干擾的應(yīng)用場(chǎng)合，可以采用鎖相放大技術(shù)，在系統(tǒng)控制中將目標(biāo)光源的發(fā)光調(diào)制與psd接受后的放大和求解聯(lián)系起來(lái)，利用鎖相放大技術(shù)將更大限度的將目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)分離開(kāi)，但系統(tǒng)設(shè)備會(huì)成倍增加。 3) psd環(huán)境光的光電補(bǔ)償法 由上面的分析可知，光學(xué)方法不能完全消除背景光的影響，而電學(xué)方法會(huì)降低整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的頻率，在這里提出了一種光電補(bǔ)償法可以消除背景光及環(huán)境溫度變化的影響，由于psd在正常工作狀態(tài)下，其總輸出電流基本等于各種光單獨(dú)作用時(shí)的電流之和；而位置輸出信號(hào)不但與各種光的“重心”有關(guān)，而且也和作用強(qiáng)度及光譜分布有關(guān)，在