速度传感器的发展慨况与应用

速度传感器的发展慨况与应用

摘要：简述了速度传感器在汽车领域的一些应用，比如发动机转速传感器、车速传感器、轮速传感器、减速度传感器等传感器的原理及应用。在机器人自动化技术中，旋转运动速度测量较多，而且直线运动速度也经常通过旋转速度间接测量。目前广泛使用的速度传感器是直流测速发电机，可以将旋转速度转变成电信号。测速机要求输出电压与转速间保持线性关系，并要求输出电压陡度大，时间及温度稳定性好。测速机一般可分为直流式和交流式两种。直流式测速机的励磁方式可分为他励式和永磁式两种，电枢结构有带槽的、空心的、盘式印刷电路等形式，其中带槽式最为常用。

关键词：速度传感器；汽车领域；旋转运动速度测量；测速机

一、引言

目前，全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。在轨道车辆上，车辆系统的稳定性很大程度上取决于它所采集到的速度信号的可靠性和精度，而所采集的速度信号包括当前速度值和速度的变化量。在机车的牵引控制，车轮滑动保护，列车控制，和车门控制过程中都要涉及到速度信号的采集问题。我们可以发现在各种轨道车辆中，这个任务是由许许多多的速度传感器来完成的。传感器是一种将非电量（如速度、压力）的变化转变为电量变化的原件，根据转换的非电量不同可分为压力传感器、速度传感器、温度传感器等，是进行测量、控制仪器及设备的零件、附件。单位时间内位移的增量就是速度。速度包括线速度和角速度，与之相对应的就有线速度传感器和角速度传感器，我们都统称为速度传感器[1]。

二、发展与应用

1.应用在汽车上的速度/减速度传感器[2]

速度/减速度传感器的结构、原理一览表

1.1发动机转速传感器：

由于发动机转速的检测通常利用曲轴位置传感器的检测信号实现的。若已知曲轴旋转360o 曲轴位置传感器发出的脉冲数，即可检测发动机转速。

1.1.1功用：是检测发动机转速，并把检测结果输入到汽车仪表系统显示发动机工况；或输入发动机控制系统和底盘某些控制系统的ECU ，用于燃油喷射量、点火提前角、动力传动等控制。发动机转速的检测通常利用曲轴位置传感器的检测信号实现的。

1.1.2应用：

美国GM 公司霍尔式曲轴位置传感器安装在曲轴前端，采用触发叶片式。曲轴皮带轮前端装内外两个带触发叶片的信号轮，与曲轴一起旋转。外信号轮均匀分布着18个触发叶片和 18个窗口，叶片和窗口的宽度为10o 弧长，外信号轮每旋转1周产生18个脉冲信号，称为18x 信号。

内信号轮设有3个触发叶片和3个窗口，脉冲周期均为120o曲轴转角的时间，脉冲上升沿分别产生于第1、4缸、第3、6缸和第2、5缸上止点前75o 作为判别气缸基准信号，此信号相当于前述光电式曲轴位置传感器产生的120o 信号。

美国GM 公司的霍尔式曲轴位置传感器

磁场被旁路 磁场未旁路 发动机转速传感器 曲轴旋转360o 18脉冲

1.2车速传感器：

在汽车仪表系统中要显示车速；在汽车燃油喷射、自动变速器、ABS/ASR 、巡航定速控制等系统中都要涉及到汽车的车速状况。车速通常通过直接或间接检测汽车轮胎的转速计算获得的。

1.2.1功用：是检测汽车行驶速度，并把检测结果输入给汽车仪表系统，用于显示车速；或用于自动变速器系统、巡航定速系统等。车速通常通过直接或间接检测汽车轮胎的转速获得的。

1.2.2车速传感器的类型有：舌簧开关式、电磁感应式、光电式、可变磁阻式、霍尔式等。

1.2.3舌簧开关式车速传感器的结构、原理：

1.2.3.1结构：

上图为舌簧开关式车速传感器的结构。舌簧开关式传感器安置在车速表转子附近，当车速表驱动软轴回转时，永久磁铁也回转，磁铁的 N 、S 极将靠近或远离舌簧开关的触点。

1.2.3.2传感器的工作原理：

舌簧开关式车速传感器 舌簧开关 转子

磁铁 游丝 指针

输出

如图当N 、S 磁极从接近舌簧开关到逐渐离开时，上下两个触点变为不同极性的磁极，触点互相吸引，开关变成闭合状态。

如图当N 极或S 极接近触点时，上下两个触点变为同一极性的磁极，触点互相排斥，所以舌簧开关断开。

转子磁铁一般是4极的，车速表驱动轴每回转一圈，就会输出4个脉冲。

1.2.3.3舌簧开关式车速传感器应用于电子式车速/里程表

1.2.4电磁感应式车速传感器的结构、原理：

1.2.4.1传感器的结构：

信

号 处理电路 车速表 里程表

上图车速传感器由永久磁铁和电磁感应线圈组成，它被固定安装在变速器输出轴附近的壳体上，输出轴上的驻车锁定齿轮为感应转子。

1.2.4.2传感器的工作原理：

当变速器输出轴转动时，驻车锁定齿轮的凸齿，不断地靠近或离开车速传感器，使线圈内的磁通量发生变化，从而产生交流电，车速越高，输出轴转速也越高，感应电压脉冲频率也越高，电控组件根据感应电压脉冲的频率计算汽车行驶的速度。

1.2.4.3传感器的安装位置：

电磁感应式车速传感器安装在自动变速器输出轴附近的壳体上，用于检测自动变速器输出轴的转速。电控单元ECU 根据车速传感器的信号计算车速，作为换挡控制的依据。该传感器的安装情况如图所示。 感

应 电 压 时间 -U +U

驻车锁定齿轮

输出轴

车速传感器

1.2.4.4电磁感应式车速传感器的检测:

1.2.4.4.1.开路检测：检测传感器的电阻

1.2.4.4.2模拟检测：检测传感器的输出波形

1.2.4.4.3开路检测：检测感应脉冲

感

应 电 压 时间

-U

+U

1.3车轮转速传感器：

有关汽车制动或驱动的各类电子控制系统如：防抱死制动(ABS)、驱动防滑(ASR)或电子制动力分配(EBD)、转向制动控制(CBC)、电子稳定程序(ESP)等系统控制均需要获取车轮的转速状况。

车速通常检测汽车传动系统的转动，换算为汽车驱动轮的转速间接获得的。轮速传感器一般是直接检测车轮的转速且所有车轮的转速均检测。

1.3.1功用:是检测车轮转速，并把检测结果输入ABS/ASR系统ECU，用于汽车的制动或驱动控制。

1.3.2轮速传感器的类型:电磁式、霍尔式两类。其结构与原理与汽车其他位置的这类转速检测传感器类似。

1.3.3电磁式轮速传感器的结构、原理与检测:

1.3.3.1传感器的结构:

传感头：安装在不随车轮旋转的部件上，如转向节、悬架支承、半轴套管或制动底板上。齿圈：安装在随车轮旋转的部件上，如轮毂、制动盘或半轴上。

1.3.3.2传感器的特点:

优点：电磁式轮速传感器结构简单、成本低、对粉尘污染不敏感，传感头不需外接电源。缺点：输出信号的幅值和频率受转速影响大，抗电磁波干扰能力差，易产生误信号。适于15 ~160 km/h.

1.3.3.3传感器的安装

安装在前轮上：

轮毂

传感器

转向节

齿圈

安装在后轮上：

1.3.4霍尔式轮速传感器的结构、原理与检测：

1.3.4.1传感器的结构、原理：

1.3.4.2传感器的特点：

输出信号电压幅值不受转速的影响，频率响应高，抗电磁波干扰能力强。

1.3.4.3传感器的安装：

类似于电磁感应轮速传感器。

1.4减速传感器：

减速度传感器又称G 传感器，通常用于四轮驱动汽车的ABS/ASR 等与汽车驱动与制动悬架支承 半轴 齿圈 传感器 霍尔元件

磁体

齿圈 霍尔元件 磁体 齿圈 霍尔元件磁场较弱 霍尔元件磁场较强

控制有关的系统上。

汽车高附着系数路面上制动时其减速度大，在低附着系数路面上制动时其减速度小，当汽车行驶在雪地、结冰路等低附着系数路面上时，采取相应措施，以提高制动性能。

汽车在在低附着系数行驶时，其驱动轮通常会出现滑转现象。两轮驱动的汽车上，ABS 系统的ECU可根据轮速传感器传来的信号判断驱动车轮的滑转状况。

ABS系统在不同的附着系数路面将采用不同的防抱死制动方式。

1.4.1功用：是检测汽车的减速度，并把检测结果输入ABS系统的ECU，用于汽车的制动或驱动控制。

1.4.2减速度传感器类型：光电式、水银式、差动式变压式等。

1.4.3差动变压器式减速度传感器的结构、原理：

1.4.3.1传感器的结构：

1)差动变压器线圈

2)铁芯：汽车减速时，铁芯受惯性力的作用可向前移动。

3)弹簧：使移动后的铁芯复位。

4)变压器油：对移动的铁芯起着阻尼作用。

5)印制电路板：处理差动变压器内感应电势信号。

日本三菱汽车应用了如图所示的减速度传感器

印制

电路板

线圈

弹簧

铁芯

变压器油

1.4.3.2传感器的工作原理：

当汽车正常行驶时，差动变压器线圈内的铁芯处于线圈中间位置，输出电压为“0”； 当汽车减速时，由于铁芯受惯性力的作用向前移动，差动变压器内感应电势将发生变化并以此变化作为ABS 工作的控制信号。

2、旋转式速度传感器[3]：

旋转式速度传感器的性能可归纳如下：

(1). 传感器的输出信号为脉冲信号，其稳定性比较好，不易受外部噪声干扰，对测量电路无特殊要求。

(2). 结构比较简单，成本低，性能稳定可靠。功能齐全的微机芯片，使运算变换系数易于获得，故目前速度传感器应用极为普遍。

基准电路 振荡电路 基准电路

输出信号 汽车减速度

输

出

电

压

旋转式速度传感器按安装形式分为接触式和非接触式两类。

2.1 接触式：

接触式旋转式速度传感器与运动物体直接接触。当运动物体与旋转式速度传感器接触时，摩擦力带动传感器的滚轮转动。装在滚轮上的转动脉冲传感器，发送出一连串的脉冲。每个脉冲代表着一定的距离值，从而就能测出线速度。

接触式旋转速度传感器结构简单，使用方便。但是接触滚轮的直径是与运动物体始终接触着，滚轮的外周将磨损，从而影响滚轮的周长。而脉冲数对每个传感器又是固定的。影响传感器的测量精度。要提高测量精度必须在二次仪表中增加补偿电路。另外接触式难免产生滑差，滑差的存在也将影响测量的正确性。

2.2 非接触式：

非接触式旋转式速度传感器与运动物体无直接接触，非接触式测量原理很多，如光电流速传感器、光电风速传感器等。

2.2.1光电流速传感器：

叶轮的叶片边缘贴有反射膜，流体流动时带动叶轮旋转，叶轮每转动一周光纤传输反光一次，产生一个电脉冲信号。可由检测到的脉冲数，计算出流速。

2.2.2光电风速传感器：

风带动风速计旋转，经齿轮传动后带动凸轮成比例旋转。光纤被凸轮轮盘遮断形成一串光脉冲，经光电管转换成定信号，经计算可检测出风速。

三、速度传感器的发展前景：

现代汽车上一般都装有发动机控制、自动驾驶、ABS、TRC、自动锁车门、主动式悬架、导向系统、电子仪表等装置，这些装置都需要汽车车速信号。因此，测量车运行速度传感器的输出信号准确性和稳定性将对这些控制单元产生极大的影响。

目前汽车速度传感器多采用霍尔式结构，霍尔速度传感器是一种基于霍尔效应的磁电传感器，具有对磁场敏感度高、输出信号稳定、频率响应高、抗电磁干扰能力强、结构简单、使用方便等特点。它主要是由特定磁极对数的永久磁铁（一般为4或8对）、霍尔元件、旋转机构及输入/输出插件等组成。其工作原理是当传感器的旋转机构在外驱动作用下旋转时，会带动永久磁铁旋转，穿过霍尔元件的磁场将产生周期性变化，引起霍尔元件输出电压变化，通过后续电路处理形成稳定的脉冲电压信号，作为车速传感器的输出信号。霍尔结构的速度传感器主要电气技术参数包括：输出信号高电压、低电压、占空比、周期、上升时间、下降时间、周期脉冲数等，为了保证产品的性能可靠性，必须在出厂前对这些参数进行定量测试。

集成化与智能化、高效自动测量、软件计算、图形或数表显示测试结果的测试系统越来越受到汽车速度传感器生产企业的青睐。目前常用的霍尔式车速传感器的性能测量而开发的一种综合检测装置。基于成本考虑，利用微处理器的高速计数器端口作为车速传感器的数据采集，利用软件控制实现对采集数据的计算和图形化显示处理。完成的检测装置具有测试精度高、数据通信可靠、图表化的良好用户界面、抗干扰能力强、检测过程简单直观、系统开发成本低等优点，具有较好的推广市场，因此速度传感器将会在车辆速度检测上有巨大应用前景。

参考文献：

[1]潘炼.传感器原理及应用.电子工业出版社，2012.

[2]郭丽华.汽车传感器技术应用及发展趋势研究.城市建设理论研究2012年18期

[3]刘振延.传感器原理及应用.西安电子科技大学出版.2011.