速度傳感器

1.簡介

　　傳感器（sensor）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。[1]velocity

　　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。例如：測速發(fā)電機(jī)可以將旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)變成電信號，就是一種速度傳感器。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。

　　激光測速

　　隨著現(xiàn)今精密制造業(yè)的崛起和節(jié)省成本的需求，非接觸測速傳感器會慢慢取接觸式測速傳感器。而現(xiàn)在市場上精度較高、最常用的非接觸激光測速傳感器就是ZLS-Px像差測速傳感器。像差測速傳感器有兩個端口：一個發(fā)射端口，發(fā)出LED光源；一個是高速拍照端口，實(shí)現(xiàn)CCD面積高速成像對比，通過在極短時間內(nèi)的兩個時間的圖像對比，分辨被測物體移動的距離，結(jié)合傳感器內(nèi)部的算法，

　　實(shí)時輸出被測物體的速度。如圖所示，①LED光發(fā)射口，②攝像接收口，③、④接線端，⑤固定螺孔。①LED光發(fā)射口對著被測物發(fā)射出激光，經(jīng)反射到②攝像接收口，接收到信號后傳給信號處理器，通過算法計算出它的速度。

　　ZLS-Px像差測速傳感器能同時測量兩個方向的速度、長度，不但能覺察被測體是否停止，而且能覺察被測體的運(yùn)動方向。將傳感器固定在穩(wěn)定的支架上，確保轉(zhuǎn)動物體轉(zhuǎn)動過程不會產(chǎn)生過大的振動，從而能測出轉(zhuǎn)動被測體的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。

　　雷達(dá)測速

　　傳統(tǒng)的測速大多以旋轉(zhuǎn)式運(yùn)動速度測量和直線運(yùn)動速度測量，但現(xiàn)實(shí)工業(yè)自動化中有不少非規(guī)律性的測速，比如運(yùn)動員運(yùn)動測速，交通車輛測速，高爾夫球速測量等情況下，雷達(dá)測速傳感器可以滿足這些要求。

2.特征

　　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。

　　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。

　　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，以下僅介紹兩點(diǎn)，供參考。

　　[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].光電風(fēng)速傳感器

　　風(fēng)帶動風(fēng)速計旋轉(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。

　　非接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器壽命長，無需增加補(bǔ)償電路。但脈沖當(dāng)量不是距離整數(shù)倍，因此速度運(yùn)算相對比較復(fù)雜。

　　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，故速度傳感器應(yīng)用極為普遍。

3.種類

　　(1)光電式車速傳感器--由帶孔的轉(zhuǎn)盤兩個光導(dǎo)體纖維，一個發(fā)光二極管，一個作為光傳感器的光電三極管組成。一個以光電三極管為基礎(chǔ)的放大器為發(fā)動機(jī)控制電腦或點(diǎn)火模塊提供足夠功率的信號，光電三極管和放大器產(chǎn)生數(shù)字輸出信號(開關(guān)脈沖)。發(fā)光二極管透過轉(zhuǎn)盤上的孔照到光電二極管上實(shí)現(xiàn)光的傳遞與接收。

　　(2)磁電式車速傳感器--模擬交流信號發(fā)生器，產(chǎn)生交變電流信號，通常由帶兩個接線柱的磁芯及線圈組成。磁組輪上的逐個齒輪將產(chǎn)生一一對應(yīng)的系列脈沖，其形狀是一樣的。輸出信號的振幅與磁組輪的轉(zhuǎn)速成正比(車速)，信號的頻率大小表現(xiàn)于磁組輪的轉(zhuǎn)速大小。發(fā)動機(jī)控制電腦或點(diǎn)火模塊正是靠這個同步脈沖信號來確定觸發(fā)電火時間或燃油噴射時刻的。

　　(3)霍爾式車速傳感器--它們主要應(yīng)用在曲軸轉(zhuǎn)角和凸輪軸位置上，用于開關(guān)點(diǎn)火和燃油噴射電路觸發(fā)，它還應(yīng)用在其它需要控制轉(zhuǎn)動部件的位置和速度控制電腦電路中。由一個幾乎完全閉合的包含永久磁鐵和磁極部分的磁路組成，一個軟磁鐵葉片轉(zhuǎn)子穿過磁鐵和磁極間的氣隙，在葉片轉(zhuǎn)子上的窗口允許磁場不受影響的穿過并到達(dá)霍爾效應(yīng)傳感器，而沒有窗口的部分則中斷磁場。

　　(4)車輪轉(zhuǎn)速傳感器—檢測車輪轉(zhuǎn)速并將檢測結(jié)果輸出ECU，主要是的作用是在汽車制動的控制和驅(qū)動控制這兩方面;

　　(5)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器---檢測發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，通常利用曲軸位置傳感器來檢測發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速并輸出來實(shí)現(xiàn)的。用于燃油噴射量、點(diǎn)火提前角、動力傳動控制等;

　　(6)減速傳感器---其主要的是要檢測汽車在減速的時候的減速速度，也是將這個信號回傳到ECU，汽車制動的控制和驅(qū)動控制這兩方面。

　　(7)車速傳感器---通常是直接或者間接檢測汽車輪胎的轉(zhuǎn)速來來獲得的，主要是體現(xiàn)在我們可以在汽車行駛的時候可以知道自己的行駛的車速。

　?。?）旋轉(zhuǎn)式速度傳感器的結(jié)構(gòu)和特征

　　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。

　?。?）接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，因此傳感器使用中必須施加一定的正壓力或著滾輪表面采用摩擦力系數(shù)大的材料，盡可能減小滑差。

4.前景

　　咨詢公司INTECHNOCONSULTING的傳感器市場報告顯示，2008年全球傳感器市場容量為506億美元，預(yù)計2010年全球傳感器市場可達(dá)600億美元以上。調(diào)查顯示，東歐、亞太區(qū)和加拿大成為傳感器市場增長最快的地區(qū)，而美國、德國、日本依舊是傳感器市場分布最大的地區(qū)。就世界范圍而言，傳感器市場上增長最快的依舊是汽車市場，占第二位的是過程控制市場，看好通訊市場前景。

　　一些傳感器市場比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現(xiàn)出成熟市場的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場規(guī)模最大，分別占到整個傳感器市場的21%、19%和14%。傳感器市場的主要增長來自于無線傳感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微機(jī)電系統(tǒng))傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無線傳感器在2007-2010年復(fù)合年增長率預(yù)計會超過25%。

　　21世紀(jì)，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。

5.應(yīng)用

　　速度傳感器將應(yīng)用于汽車檢測市場

　　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。

　　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。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。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?；诔杀究紤]，利用微處理器的高速計數(shù)器端口作為車速傳感器的數(shù)據(jù)采集，利用軟件控制實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的計算和圖形化顯示處理。完成的檢測裝置具有測試精度高、數(shù)據(jù)通信可靠、圖表化的良好用戶界面、抗干擾能力強(qiáng)、檢測過程簡單直觀、系統(tǒng)開發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的推廣市場，因此速