速度傳感器的發(fā)展慨況與應(yīng)用

1、速度傳感器的發(fā)展慨況與應(yīng)用摘要：簡述了速度傳感器在汽車領(lǐng)域的一些應(yīng)用，比如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、車速傳感器、輪速傳感器、減速度傳感器等傳感器的原理及應(yīng)用。在機(jī)器人自動化技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動速度測量較多，而且直線運(yùn)動速度也經(jīng)常通過旋轉(zhuǎn)速度間接測量。目前廣泛使用的速度傳感器是直流測速發(fā)電機(jī)，可以將旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)變成電信號。測速機(jī)要求輸出電壓與轉(zhuǎn)速間保持線性關(guān)系，并要求輸出電壓陡度大，時間及溫度穩(wěn)定性好。測速機(jī)一般可分為直流式和交流式兩種。直流式測速機(jī)的勵磁方式可分為他勵式和永磁式兩種，電樞結(jié)構(gòu)有帶槽的、空心的、盤式印刷電路等形式，其中帶槽式最為常用。關(guān)鍵詞：速度傳感器；汽車領(lǐng)域；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動速度測量；測速機(jī)1、

2、引言 目前，全球的傳感器市場在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。有關(guān)專家指出，傳感器領(lǐng)域的主要技 術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高，各國將競相加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，競爭也將日益激烈。新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未來的傳感器市場，比如無線傳感器、光纖傳感器、智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器的出現(xiàn)與市場份額的擴(kuò)大。在軌道車輛上，車輛系統(tǒng)的穩(wěn)定性很大程度上取決于它所采集到的速度信號的可靠性和精度，而所采集的速度信號包括當(dāng)前速度值和速度的變化量。在機(jī)車的牽引控制，車輪滑動保護(hù)，列車控制，和車門控制過程中都要涉及到速度信號的采集問題。我們可以發(fā)現(xiàn)在各種軌道車輛中，這個任務(wù)是由許許多多的速度

3、傳感器來完成的。 傳感器是一種將非電量（如速度、壓力）的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏孔兓脑?，根?jù)轉(zhuǎn)換的非電量不同可分為壓力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等，是進(jìn)行測量、控制儀器及設(shè)備的零件、附件。 單位時間內(nèi)位移的增量就是速度。速度包括線速度和角速度，與之相對應(yīng)的就有線速度傳感器和角速度傳感器，我們都統(tǒng)稱為速度傳感器1。2、 發(fā)展與應(yīng)用1. 應(yīng)用在汽車上的速度/減速度傳感器2 速度/減速度傳感器的結(jié)構(gòu)、原理一覽表1.1發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器： 由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測通常利用曲軸位置傳感器的檢測信號實(shí)現(xiàn)的。若已知曲軸旋轉(zhuǎn)360º 曲軸位置傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)，即可檢測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。1.1.1功用：是檢測發(fā)動

4、機(jī)轉(zhuǎn)速，并把檢測結(jié)果輸入到汽車儀表系統(tǒng)顯示發(fā)動機(jī)工況；或輸入發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)和底盤某些控制系統(tǒng)的ECU，用于燃油噴射量、點(diǎn)火提前角、動力傳動等控制。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測通常利用曲軸位置傳感器的檢測信號實(shí)現(xiàn)的。1.1.2應(yīng)用： 美國GM公司霍爾式曲軸位置傳感器安裝在曲軸前端，采用觸發(fā)葉片式。曲軸皮帶輪前端裝內(nèi)外兩個帶觸發(fā)葉片的信號輪，與曲軸一起旋轉(zhuǎn)。外信號輪均勻分布著18個觸發(fā)葉片和 18個窗口，葉片和窗口的寬度為10º 弧長，外信號輪每旋轉(zhuǎn)1周產(chǎn)生18個脈沖信號，稱為18x信號。內(nèi)信號輪設(shè)有3個觸發(fā)葉片和3個窗口，脈沖周期均為120º曲軸轉(zhuǎn)角的時間，脈沖上升沿分別產(chǎn)生于第1、4缸

5、、第3、6缸和第2、5缸上止點(diǎn)前75º 作為判別氣缸基準(zhǔn)信號，此信號相當(dāng)于前述光電式曲軸位置傳感器產(chǎn)生的120º 信號。磁場被旁路磁場未旁路發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器曲軸旋轉(zhuǎn)360º 18脈沖美國GM公司的霍爾式曲軸位置傳感器1.2車速傳感器： 在汽車儀表系統(tǒng)中要顯示車速；在汽車燃油噴射、自動變速器、ABS/ASR、巡航定速控制等系統(tǒng)中都要涉及到汽車的車速狀況。車速通常通過直接或間接檢測汽車輪胎的轉(zhuǎn)速計算獲得的。1.2.1功用：是檢測汽車行駛速度，并把檢測結(jié)果輸入給汽車儀表系統(tǒng)，用于顯示車速；或用于自動變速器系統(tǒng)、巡航定速系統(tǒng)等。車速通常通過直接或間接檢測汽車輪胎的轉(zhuǎn)速獲得

6、的。1.2.2車速傳感器的類型有：舌簧開關(guān)式、電磁感應(yīng)式、光電式、可變磁阻式、霍爾式等。1.2.3舌簧開關(guān)式車速傳感器的結(jié)構(gòu)、原理：1.2.3.1結(jié)構(gòu)： 舌簧開關(guān)式車速傳感器舌簧開關(guān)轉(zhuǎn)子磁鐵游絲指針輸出 上圖為舌簧開關(guān)式車速傳感器的結(jié)構(gòu)。舌簧開關(guān)式傳感器安置在車速表轉(zhuǎn)子附近，當(dāng)車速表驅(qū)動軟軸回轉(zhuǎn)時，永久磁鐵也回轉(zhuǎn)，磁鐵的 N、S 極將靠近或遠(yuǎn)離舌簧開關(guān)的觸點(diǎn)。1.2.3.2傳感器的工作原理： 如圖當(dāng)N、S磁極從接近舌簧開關(guān)到逐漸離開時，上下兩個觸點(diǎn)變?yōu)椴煌瑯O性的磁極，觸點(diǎn)互相吸引，開關(guān)變成閉合狀態(tài)。 如圖當(dāng)N極或S極接近觸點(diǎn)時，上下兩個觸點(diǎn)變?yōu)橥粯O性的磁極，觸點(diǎn)互相排斥，所以舌簧開關(guān)斷開。

7、轉(zhuǎn)子磁鐵一般是4極的，車速表驅(qū)動軸每回轉(zhuǎn)一圈，就會輸出4個脈沖。1.2.3.3舌簧開關(guān)式車速傳感器應(yīng)用于電子式車速/里程表 信 號處理電路車速表里程表1.2.4電磁感應(yīng)式車速傳感器的結(jié)構(gòu)、原理：1.2.4.1傳感器的結(jié)構(gòu)： 上圖車速傳感器由永久磁鐵和電磁感應(yīng)線圈組成，它被固定安裝在變速器輸出軸附近的殼體上，輸出軸上的駐車鎖定齒輪為感應(yīng)轉(zhuǎn)子。1.2.4.2傳感器的工作原理： 當(dāng)變速器輸出軸轉(zhuǎn)動時，駐車鎖定齒輪的凸齒，不斷地靠近或離開車速傳感器，使線圈內(nèi)的磁通量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生交流電，車速越高，輸出軸轉(zhuǎn)速也越高，感應(yīng)電壓脈沖頻率也越高，電控組件根據(jù)感應(yīng)電壓脈沖的頻率計算汽車行駛的速度。

8、 感應(yīng)電壓時間-U+U1.2.4.3傳感器的安裝位置： 電磁感應(yīng)式車速傳感器安裝在自動變速器輸出軸附近的殼體上，用于檢測自動變速器輸出軸的轉(zhuǎn)速。電控單元ECU根據(jù)車速傳感器的信號計算車速，作為換擋控制的依據(jù)。該傳感器的安裝情況如圖所示。駐車鎖定齒輪車速傳感器輸出軸1.2.4.4電磁感應(yīng)式車速傳感器的檢測:1.2.4.4.1.開路檢測：檢測傳感器的電阻1.2.4.4.2模擬檢測：檢測傳感器的輸出波形感應(yīng)電壓時間-U+U1.2.4.4.3開路檢測：檢測感應(yīng)脈沖1.3車輪轉(zhuǎn)速傳感器： 有關(guān)汽車制動或驅(qū)動的各類電子控制系統(tǒng)如：防抱死制動(ABS)、驅(qū)動防滑(ASR)或電子制動力分配(EBD)、轉(zhuǎn)向制動

9、控制(CBC)、電子穩(wěn)定程序(ESP)等系統(tǒng)控制均需要獲取車輪的轉(zhuǎn)速狀況。 車速通常檢測汽車傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動，換算為汽車驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速間接獲得的。輪速傳感器一般是直接檢測車輪的轉(zhuǎn)速且所有車輪的轉(zhuǎn)速均檢測。1.3.1功用:是檢測車輪轉(zhuǎn)速，并把檢測結(jié)果輸入ABS/ASR系統(tǒng)ECU，用于汽車的制動或驅(qū)動控制。1.3.2輪速傳感器的類型:電磁式、霍爾式兩類。其結(jié)構(gòu)與原理與汽車其他位置的這類轉(zhuǎn)速檢測傳感器類似。1.3.3電磁式輪速傳感器的結(jié)構(gòu)、原理與檢測:1.3.3.1傳感器的結(jié)構(gòu):傳感頭：安裝在不隨車輪旋轉(zhuǎn)的部件上，如轉(zhuǎn)向節(jié)、懸架支承、半軸套管或制動底板上。齒 圈：安裝在隨車輪旋轉(zhuǎn)的部件上，如輪轂、制動盤

10、或半軸上。1.3.3.2傳感器的特點(diǎn):優(yōu)點(diǎn)：電磁式輪速傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低、對粉塵污染不敏感，傳感頭不需外接電源。缺點(diǎn)：輸出信號的幅值和頻率受轉(zhuǎn)速影響大，抗電磁波干擾能力差，易產(chǎn)生誤信號。適于15 160 km/h.1.3.3.3傳感器的安裝轉(zhuǎn)向節(jié)輪轂齒圈傳感器安裝在前輪上：安裝在后輪上：懸架支承半軸齒圈傳感器1.3.4霍爾式輪速傳感器的結(jié)構(gòu)、原理與檢測：1.3.4.1傳感器的結(jié)構(gòu)、原理：霍爾元件磁體齒圈霍爾元件磁體齒圈霍爾元件磁場較弱霍爾元件磁場較強(qiáng)1.3.4.2傳感器的特點(diǎn)： 輸出信號電壓幅值不受轉(zhuǎn)速的影響，頻率響應(yīng)高，抗電磁波干擾能力強(qiáng)。1.3.4.3傳感器的安裝： 類似于電磁感應(yīng)輪速

11、傳感器。1.4減速傳感器： 減速度傳感器又稱G傳感器，通常用于四輪驅(qū)動汽車的ABS/ASR等與汽車驅(qū)動與制動控制有關(guān)的系統(tǒng)上。 汽車高附著系數(shù)路面上制動時其減速度大，在低附著系數(shù)路面上制動時其減速度小，當(dāng)汽車行駛在雪地、結(jié)冰路等低附著系數(shù)路面上時，采取相應(yīng)措施，以提高制動性能。 汽車在在低附著系數(shù)行駛時，其驅(qū)動輪通常會出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象。兩輪驅(qū)動的汽車上，ABS系統(tǒng)的ECU可根據(jù)輪速傳感器傳來的信號判斷驅(qū)動車輪的滑轉(zhuǎn)狀況。 ABS系統(tǒng)在不同的附著系數(shù)路面將采用不同的防抱死制動方式。1.4.1功用：是檢測汽車的減速度，并把檢測結(jié)果輸入ABS系統(tǒng)的ECU，用于汽車的制動或驅(qū)動控制。1.4.2減速度傳感器

12、類型：光電式、水銀式、差動式變壓式等。1.4.3差動變壓器式減速度傳感器的結(jié)構(gòu)、原理：1.4.3.1傳感器的結(jié)構(gòu)：1)差動變壓器線圈2)鐵芯：汽車減速時，鐵芯受慣性力的作用可向前移動。3)彈簧：使移動后的鐵芯復(fù)位。4)變壓器油：對移動的鐵芯起著阻尼作用。5)印制電路板：處理差動變壓器內(nèi)感應(yīng)電勢信號。日本三菱汽車應(yīng)用了如圖所示的減速度傳感器線圈鐵芯變壓器油彈簧印制電路板1.4.3.2傳感器的工作原理：基準(zhǔn)電路振蕩電路基準(zhǔn)電路輸出信號汽車減速度輸出電壓 當(dāng)汽車正常行駛時，差動變壓器線圈內(nèi)的鐵芯處于線圈中間位置，輸出電壓為“0”； 當(dāng)汽車減速時，由于鐵芯受慣性力的作用向前移動，差動變壓器內(nèi)感應(yīng)電勢將

13、發(fā)生變化并以此變化作為ABS工作的控制信號。2、 旋轉(zhuǎn)式速度傳感器3：旋轉(zhuǎn)式速度傳感器的性能可歸納如下： (1) . 傳感器的輸出信號為脈沖信號，其穩(wěn)定性比較好，不易受外部噪聲干擾，對測量電路無特殊要求。(2). 結(jié)構(gòu)比較簡單，成本低，性能穩(wěn)定可靠。功能齊全的微機(jī)芯片，使運(yùn)算變換系數(shù)易于獲得，故目前速度傳感器應(yīng)用極為普遍。 旋轉(zhuǎn)式速度傳感器按安裝形式分為接觸式和非接觸式兩類。 2.1 接觸式：接觸式旋轉(zhuǎn)式速度傳感器與運(yùn)動物體直接接觸。當(dāng)運(yùn)動物體與旋轉(zhuǎn)式速度傳感器接觸時，摩擦力帶動傳感器的滾輪轉(zhuǎn)動。裝在滾輪上的轉(zhuǎn)動脈沖傳感器，發(fā)送出一連串的脈沖。每個脈沖代表著一定的距離值，從而就能測出線速度。接

14、觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。但是接觸滾輪的直徑是與運(yùn)動物體始終接觸著，滾輪的外周將磨損，從而影響滾輪的周長。而脈沖數(shù)對每個傳感器又是固定的。影響傳感器的測量精度。要提高測量精度必須在二次儀表中增加補(bǔ)償電路。另外接觸式難免產(chǎn)生滑差，滑差的存在也將影響測量的正確性。2.2 非接觸式：非接觸式旋轉(zhuǎn)式速度傳感器與運(yùn)動物體無直接接觸，非接觸式測量原理很多，如光電流速傳感器、光電風(fēng)速傳感器等。2.2.1光電流速傳感器： 葉輪的葉片邊緣貼有反射膜，流體流動時帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪每轉(zhuǎn)動一周光纖傳輸反光一次，產(chǎn)生一個電脈沖信號?？捎蓹z測到的脈沖數(shù)，計算出流速。 2.2.2光電風(fēng)速傳感器 ： 風(fēng)帶動風(fēng)速計

15、旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪傳動后帶動凸輪成比例旋轉(zhuǎn)。光纖被凸輪輪盤遮斷形成一串光脈沖，經(jīng)光電管轉(zhuǎn)換成定信號，經(jīng)計算可檢測出風(fēng)速。 3、 速度傳感器的發(fā)展前景： 現(xiàn)代汽車上一般都裝有發(fā)動機(jī)控制、自動駕駛、ABS、TRC、自動鎖車門、主動式懸架、導(dǎo)向系統(tǒng)、電子儀表等裝置，這些裝置都需要汽車車速信號。因此，測量車運(yùn)行速度傳感器的輸出信號準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性將對這些控制單元產(chǎn)生極大的影響。目前汽車速度傳感器多采用霍爾式結(jié)構(gòu)，霍爾速度傳感器是一種基于霍爾效應(yīng)的磁電傳感器，具有對磁場敏感度高、輸出信號穩(wěn)定、頻率響應(yīng)高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點(diǎn)。它主要是由特定磁極對數(shù)的永久磁鐵（一般為4或8對）、霍爾元件、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及輸入/輸出插件等組成。其工作原理是當(dāng)傳感器的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在外驅(qū)動作用下旋轉(zhuǎn)時，會帶動永久磁鐵旋轉(zhuǎn)，穿過霍爾元件的磁場將產(chǎn)生周期性變化，引起霍爾元件輸出電壓變化，通過后續(xù)電路處理形成穩(wěn)定的脈沖電壓信號，作為車速傳感器的輸出信號?；魻柦Y(jié)構(gòu)的速度傳感器主要電氣技術(shù)參數(shù)包括：輸出信號高電壓、低電壓、占空比、周期、上升時間、下降時間、周期脈沖數(shù)等，為了保證產(chǎn)品的性能可靠性，必須在出廠前對這些參數(shù)進(jìn)行定量測試。集成化與智能化、高效自動測量、軟件計算、圖形或數(shù)表顯示測試結(jié)果的測試系統(tǒng)越來越受到汽車速度傳感器生產(chǎn)企業(yè)的青睞。目前常用的霍爾式車速傳感器的性能測量而開發(fā)的一種綜合檢測裝置?；诔杀?/p>