速度傳感器

1.簡(jiǎn)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(cè)量、控制儀器及設(shè)備的零件、附件。[1]velocity

　　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(guò)旋轉(zhuǎn)速度間接測(cè)量。例如：測(cè)速發(fā)電機(jī)可以將旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，就是一種速度傳感器。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(pán)式印刷電路等形式，其中帶槽式最為常用。

　　激光測(cè)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(cè)速傳感器會(huì)慢慢取接觸式測(cè)速傳感器。而現(xiàn)在市場(chǎng)上精度較高、最常用的非接觸激光測(cè)速傳感器就是ZLS-Px像差測(cè)速傳感器。像差測(cè)速傳感器有兩個(gè)端口：一個(gè)發(fā)射端口，發(fā)出LED光源；一個(gè)是高速拍照端口，實(shí)現(xiàn)CCD面積高速成像對(duì)比，通過(guò)在極短時(shí)間內(nèi)的兩個(gè)時(shí)間的圖像對(duì)比，分辨被測(cè)物體移動(dòng)的距離，結(jié)合傳感器內(nèi)部的算法，

　　實(shí)時(shí)輸出被測(cè)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(duì)著被測(cè)物發(fā)射出激光，經(jīng)反射到②攝像接收口，接收到信號(hào)后傳給信號(hào)處理器，通過(guò)算法計(jì)算出它的速度。

　　ZLS-Px像差測(cè)速傳感器能同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的速度、長(zhǎng)度，不但能覺(jué)察被測(cè)體是否停止，而且能覺(jué)察被測(cè)體的運(yùn)動(dòng)方向。將傳感器固定在穩(wěn)定的支架上，確保轉(zhuǎn)動(dòng)物體轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的振動(dòng)，從而能測(cè)出轉(zhuǎn)動(dòng)被測(cè)體的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。

　　雷達(dá)測(cè)速

　　傳統(tǒng)的測(cè)速大多以旋轉(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量和直線運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量，但現(xiàn)實(shí)工業(yè)自動(dòng)化中有不少非規(guī)律性的測(cè)速，比如運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)測(cè)速，交通車(chē)輛測(cè)速，高爾夫球速測(cè)量等情況下，雷達(dá)測(cè)速傳感器可以滿(mǎn)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(lèi)。

　　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。

　　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，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(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)?？捎蓹z測(cè)到的脈沖數(shù)，計(jì)算出流速。

　　[2].光電風(fēng)速傳感器

　　風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)速計(jì)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(pán)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。

　　非接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器壽命長(zhǎng)，無(wú)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(duì)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(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，故速度傳感器應(yīng)用極為普遍。

3.種類(lèi)

　　(1)光電式車(chē)速傳感器--由帶孔的轉(zhuǎn)盤(pán)兩個(gè)光導(dǎo)體纖維，一個(gè)發(fā)光二極管，一個(gè)作為光傳感器的光電三極管組成。一個(gè)以光電三極管為基礎(chǔ)的放大器為發(fā)動(dòng)機(jī)控制電腦或點(diǎn)火模塊提供足夠功率的信號(hào)，光電三極管和放大器產(chǎn)生數(shù)字輸出信號(hào)(開(kāi)關(guān)脈沖)。發(fā)光二極管透過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)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(chē)速傳感器--模擬交流信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生交變電流信號(hào)，通常由帶兩個(gè)接線柱的磁芯及線圈組成。磁組輪上的逐個(gè)齒輪將產(chǎn)生一一對(duì)應(yīng)的系列脈沖，其形狀是一樣的。輸出信號(hào)的振幅與磁組輪的轉(zhuǎn)速成正比(車(chē)速)，信號(hào)的頻率大小表現(xiàn)于磁組輪的轉(zhuǎn)速大小。發(fā)動(dòng)機(jī)控制電腦或點(diǎn)火模塊正是靠這個(gè)同步脈沖信號(hào)來(lái)確定觸發(fā)電火時(shí)間或燃油噴射時(shí)刻的。

　　(3)霍爾式車(chē)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(kāi)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(dòng)部件的位置和速度控制電腦電路中。由一個(gè)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(gè)軟磁鐵葉片轉(zhuǎn)子穿過(guò)磁鐵和磁極間的氣隙，在葉片轉(zhuǎn)子上的窗口允許磁場(chǎng)不受影響的穿過(guò)并到達(dá)霍爾效應(yīng)傳感器，而沒(méi)有窗口的部分則中斷磁場(chǎng)。

　　(4)車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器—檢測(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速并將檢測(cè)結(jié)果輸出ECU，主要是的作用是在汽車(chē)制動(dòng)的控制和驅(qū)動(dòng)控制這兩方面;

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

　　(6)減速傳感器---其主要的是要檢測(cè)汽車(chē)在減速的時(shí)候的減速速度，也是將這個(gè)信號(hào)回傳到ECU，汽車(chē)制動(dòng)的控制和驅(qū)動(dòng)控制這兩方面。

　　(7)車(chē)速傳感器---通常是直接或者間接檢測(cè)汽車(chē)輪胎的轉(zhuǎn)速來(lái)來(lái)獲得的，主要是體現(xiàn)在我們可以在汽車(chē)行駛的時(shí)候可以知道自己的行駛的車(chē)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(lèi)。

　?。?）接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(xún)公司INTECHNOCONSULTING的傳感器市場(chǎng)報(bào)告顯示，2008年全球傳感器市場(chǎng)容量為506億美元，預(yù)計(jì)2010年全球傳感器市場(chǎng)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(chǎng)增長(zhǎng)最快的地區(qū)，而美國(guó)、德國(guó)、日本依舊是傳感器市場(chǎng)分布最大的地區(qū)。就世界范圍而言，傳感器市場(chǎng)上增長(zhǎng)最快的依舊是汽車(chē)市場(chǎng)，占第二位的是過(guò)程控制市場(chǎng)，看好通訊市場(chǎng)前景。

　　一些傳感器市場(chǎng)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(chǎng)的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場(chǎng)規(guī)模最大，分別占到整個(gè)傳感器市場(chǎng)的21%、19%和14%。傳感器市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)來(lái)自于無(wú)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(wú)線傳感器在2007-2010年復(fù)合年增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)會(huì)超過(guò)25%。

　　21世紀(jì)，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(zhuān)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(kāi)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。

5.應(yīng)用

　　速度傳感器將應(yīng)用于汽車(chē)檢測(cè)市場(chǎng)

　　現(xiàn)代汽車(chē)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(chē)門(mén)、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(chē)車(chē)速信號(hào)。因此，測(cè)量車(chē)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。

　　汽車(chē)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(guò)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(guò)后續(xù)電路處理形成穩(wěn)定的脈沖電壓信號(hào)，作為車(chē)速傳感器的輸出信號(hào)?；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(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(chē)速度傳感器生產(chǎn)企業(yè)的青睞。常用的霍爾式車(chē)速傳感器的性能測(cè)量而開(kāi)發(fā)的一種綜合檢測(cè)裝置?；诔杀究紤]，利用微處理器的高速計(jì)數(shù)器端口作為車(chē)速傳感器的數(shù)據(jù)采集，利用軟件控制實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的計(jì)算和圖形化顯示處理。完成的檢測(cè)裝置具有測(cè)試精度高、數(shù)據(jù)通信可靠、圖表化的良好用戶(hù)界面、抗干擾能力強(qiáng)、檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單直觀、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的推廣市場(chǎng)，因此速