1、速度傳感器的發(fā)展慨況與應(yīng)用摘要：簡(jiǎn)述了速度傳感器在汽車領(lǐng)域的一些應(yīng)用，比如發(fā)動(dòng)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(dòng)化技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量較多，而且直線運(yùn)動(dòng)速度也經(jīng)常通過旋轉(zhuǎn)速度間接測(cè)量。目前廣泛使用的速度傳感器是直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，可以將旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。測(cè)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(shí)間及溫度穩(wěn)定性好。測(cè)速機(jī)一般可分為直流式和交流式兩種。直流式測(cè)速機(jī)的勵(lì)磁方式可分為他勵(lì)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(dòng)速度測(cè)量；測(cè)速機(jī)1、

2、引言 目前，全球的傳感器市場(chǎng)在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。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(guó)將競(jìng)相加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，競(jìng)爭(zhēng)也將日益激烈。新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未來(lái)的傳感器市場(chǎng)，比如無(wú)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(chǎng)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(hào)的可靠性和精度，而所采集的速度信號(hào)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(dòng)保護(hù)，列車控制，和車門控制過程中都要涉及到速度信號(hào)的采集問題。我們可以發(fā)現(xiàn)在各種軌道車輛中，這個(gè)任務(wù)是由許許多多的速度

3、傳感器來(lái)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鶕?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(cè)量、控制儀器及設(shè)備的零件、附件。 單位時(shí)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(duì)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器： 由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)通常利用曲軸位置傳感器的檢測(cè)信號(hào)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(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。1.1.1功用：是檢測(cè)發(fā)動(dòng)

4、機(jī)轉(zhuǎn)速，并把檢測(cè)結(jié)果輸入到汽車儀表系統(tǒng)顯示發(fā)動(dòng)機(jī)工況；或輸入發(fā)動(dòng)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(dòng)力傳動(dòng)等控制。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)通常利用曲軸位置傳感器的檢測(cè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。1.1.2應(yīng)用： 美國(guó)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(gè)帶觸發(fā)葉片的信號(hào)輪，與曲軸一起旋轉(zhuǎn)。外信號(hào)輪均勻分布著18個(gè)觸發(fā)葉片和 18個(gè)窗口，葉片和窗口的寬度為10º 弧長(zhǎng)，外信號(hào)輪每旋轉(zhuǎn)1周產(chǎn)生18個(gè)脈沖信號(hào)，稱為18x信號(hào)。內(nèi)信號(hào)輪設(shè)有3個(gè)觸發(fā)葉片和3個(gè)窗口，脈沖周期均為120º曲軸轉(zhuǎn)角的時(shí)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(hào)，此信號(hào)相當(dāng)于前述光電式曲軸位置傳感器產(chǎn)生的120º 信號(hào)。磁場(chǎng)被旁路磁場(chǎng)未旁路發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器曲軸旋轉(zhuǎn)360º 18脈沖美國(guó)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(dòng)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(cè)汽車輪胎的轉(zhuǎn)速計(jì)算獲得的。1.2.1功用：是檢測(cè)汽車行駛速度，并把檢測(cè)結(jié)果輸入給汽車儀表系統(tǒng)，用于顯示車速；或用于自動(dòng)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(cè)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(dòng)軟軸回轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)，上下兩個(gè)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(shí)，上下兩個(gè)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(dòng)軸每回轉(zhuǎn)一圈，就會(huì)輸出4個(gè)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(hào)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(dòng)時(shí)，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(jì)算汽車行駛的速度。

8、 感應(yīng)電壓時(shí)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(dòng)變速器輸出軸附近的殼體上，用于檢測(cè)自動(dòng)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(hào)計(jì)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(cè):1.2.4.4.1.開路檢測(cè)：檢測(cè)傳感器的電阻1.2.4.4.2模擬檢測(cè)：檢測(cè)傳感器的輸出波形感應(yīng)電壓時(shí)間-U+U1.2.4.4.3開路檢測(cè)：檢測(cè)感應(yīng)脈沖1.3車輪轉(zhuǎn)速傳感器： 有關(guān)汽車制動(dòng)或驅(qū)動(dòng)的各類電子控制系統(tǒng)如：防抱死制動(dòng)(ABS)、驅(qū)動(dòng)防滑(ASR)或電子制動(dòng)力分配(EBD)、轉(zhuǎn)向制動(dòng)

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(cè)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，換算為汽車驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速間接獲得的。輪速傳感器一般是直接檢測(cè)車輪的轉(zhuǎn)速且所有車輪的轉(zhuǎn)速均檢測(cè)。1.3.1功用:是檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速，并把檢測(cè)結(jié)果輸入ABS/ASR系統(tǒng)ECU，用于汽車的制動(dòng)或驅(qū)動(dòng)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(cè)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(cè):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(dòng)底板上。齒 圈：安裝在隨車輪旋轉(zhuǎn)的部件上，如輪轂、制動(dòng)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(jiǎn)單、成本低、對(duì)粉塵污染不敏感，傳感頭不需外接電源。缺點(diǎn)：輸出信號(hào)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(hào)。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(cè)：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(chǎng)較弱霍爾元件磁場(chǎng)較強(qiáng)1.3.4.2傳感器的特點(diǎn)： 輸出信號(hào)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(dòng)汽車的ABS/ASR等與汽車驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)控制有關(guān)的系統(tǒng)上。 汽車高附著系數(shù)路面上制動(dòng)時(shí)其減速度大，在低附著系數(shù)路面上制動(dòng)時(shí)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(shí)，采取相應(yīng)措施，以提高制動(dòng)性能。 汽車在在低附著系數(shù)行駛時(shí)，其驅(qū)動(dòng)輪通常會(huì)出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象。兩輪驅(qū)動(dòng)的汽車上，ABS系統(tǒng)的ECU可根據(jù)輪速傳感器傳來(lái)的信號(hào)判斷驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式。1.4.1功用：是檢測(cè)汽車的減速度，并把檢測(cè)結(jié)果輸入ABS系統(tǒng)的ECU，用于汽車的制動(dòng)或驅(qū)動(dòng)控制。1.4.2減速度傳感器

12、類型：光電式、水銀式、差動(dòng)式變壓式等。1.4.3差動(dòng)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(dòng)變壓器線圈2)鐵芯：汽車減速時(shí)，鐵芯受慣性力的作用可向前移動(dòng)。3)彈簧：使移動(dòng)后的鐵芯復(fù)位。4)變壓器油：對(duì)移動(dòng)的鐵芯起著阻尼作用。5)印制電路板：處理差動(dòng)變壓器內(nèi)感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)。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(hào)汽車減速度輸出電壓 當(dāng)汽車正常行駛時(shí)，差動(dòng)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(shí)，由于鐵芯受慣性力的作用向前移動(dòng)，差動(dòng)變壓器內(nèi)感應(yīng)電勢(shì)將

13、發(fā)生變化并以此變化作為ABS工作的控制信號(hào)。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(hào)為脈沖信號(hào)，其穩(wěn)定性比較好，不易受外部噪聲干擾，對(duì)測(cè)量電路無(wú)特殊要求。(2). 結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)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(dòng)物體直接接觸。當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體與旋轉(zhuǎn)式速度傳感器接觸時(shí)，摩擦力帶動(dòng)傳感器的滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)。裝在滾輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖傳感器，發(fā)送出一連串的脈沖。每個(gè)脈沖代表著一定的距離值，從而就能測(cè)出線速度。接

14、觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。但是接觸滾輪的直徑是與運(yùn)動(dòng)物體始終接觸著，滾輪的外周將磨損，從而影響滾輪的周長(zhǎng)。而脈沖數(shù)對(duì)每個(gè)傳感器又是固定的。影響傳感器的測(cè)量精度。要提高測(cè)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(cè)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(dòng)物體無(wú)直接接觸，非接觸式測(cè)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(dòng)時(shí)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一周光纖傳輸反光一次，產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào)。可由檢測(cè)到的脈沖數(shù)，計(jì)算出流速。 2.2.2光電風(fēng)速傳感器 ： 風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)速計(jì)

15、旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪傳動(dòng)后帶動(dòng)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(hào)，經(jīng)計(jì)算可檢測(cè)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(dòng)機(jī)控制、自動(dòng)駕駛、ABS、TRC、自動(dòng)鎖車門、主動(dòng)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(hào)。因此，測(cè)量車運(yùn)行速度傳感器的輸出信號(hào)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性將對(duì)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(duì)磁場(chǎng)敏感度高、輸出信號(hào)穩(wěn)定、頻率響應(yīng)高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn)。它主要是由特定磁極對(duì)數(shù)的永久磁鐵（一般為4或8對(duì)）、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(dòng)作用下旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)永久磁鐵旋轉(zhuǎn)，穿過霍爾元件的磁場(chǎng)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(hào)，作為車速傳感器的輸出信號(hào)。霍爾結(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(hào)高電壓、低電壓、占空比、周期、上升時(shí)間、下降時(shí)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(duì)這些參數(shù)進(jìn)行定量測(cè)試。集成化與智能化、高效自動(dòng)測(cè)量、軟件計(jì)算、圖形或數(shù)表顯示測(cè)試結(jié)果的測(cè)試系統(tǒng)越來(lái)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(cè)量而開發(fā)的一種綜合檢測(cè)裝置。基于成本