汽车车速传感器检测系统设计
摘 要
汽车车速传感器检测系统设计是一种传感器检测装置。利用车速传感器把检测到的转速信号转变成的电压信号输送给计算机，计算机通过变频器来控制电机速度，利用传感器检测的速度值与规定值进行比较，达到对传感器的检测目的。本文介绍了车速传感器检测系统的工作原理，详细讲述了系统的组成、原理和检测方法。系统采用硬件兼软件对测量过程及测量结果进行处理。与传统的检测技术相比，此种传感器检测装置有结构简单、新颖、易于实现的特点。实践证明在检测，维修范围内都取得了良好的效果，系统具有良好的稳态精度及动态响应性能，检测实用性强、准确度高，具有广阔的应用前景。
关键词
数据采集；控制装置；传感器；速度检测
Auto speed sensor detection system design
Abstract
Auto speed sensor detection system design is a kind of sensor detection device. Use the detection spee
d sensor to the speed signal into a voltage signal transmission to the computer, the computer through the inverter to control motor speed, using sensor test speed value and comparison, achieve e. of sensor detection purpose. This paper introduces the working speed sensor detection system, the system are described in detail the principle component, the principle and test methods. Hardware and software system adopts the measuring process and measurement results for processing. Compared with the traditional test technology, this kind of sensor detection device has simple structure, the characteristics of novelty, easy to realize. Practice has proved in the test, repair within achieved good effect, the system has good dynamic response performance steady precision and practicability, detection, high accuracy, has the broad application prospect..
Keywords
Data acquisition; Control device; Sensors; Speed detection
引言
随着电子技术的发展，汽车电子化程度不断提高，通常的机械系统已经难以解决某些与汽车功能要求有关的问题，而被电子控制系统代替。传感器的作用就是根据规定的被测量的大小，定量提供有用的电输出信号的部件，亦即传感器把光、时间、电、温度、压力及气体等的物理、化学量转换成信号的变换器。
传感器作为汽车电控系统的关键部件，它直接影响汽车的技术性能的发挥。
近年来，汽车保有量迅速增加，车辆安全性已成为人们最关心的问题。为了保障人民生命财产安全，政府部门制定了相关的道路交通安全法规，为了满足安全法规和消费者对车辆安全性的要求，厂商采取了多方面措施来改善车辆的安全性能，其中电子技术起了很大的作用。随着现代电子技术的发展，车辆电子化的程度越来越高，车辆传感器成为汽车电子控制
系统的重要组成部件，也是车辆电子技术领域研究的核心技术之一。车辆内传感器的工作环境十分恶劣，因此对传感器的要求也十分严格。这些传感器必须要经受40℃～150℃的温度变化，而且要求精度高、可靠性好、反应快、抗干扰和抗振动能力强，才能准确地实时检测车辆运行的有关状态，速度传感器是列车安全行驶的重要设备，它能否稳定工作，将直接影响到车辆的正常运行。
作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术，已成为21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。在现代汽车电子控制中，传感器广泛用于发动机控制系统、底盘控制系统、车身控制系统和导航系统中，传感器的使用数量和技术水平决定了现代车辆控制系统的性能，为汽车性能的改善提供了有力保障。传感器是汽车电子控制系统的信息源，是促进汽车高档化、电子化、自动化的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。普通汽车上大约装有10-20只传感器，高级豪华轿车则更多。传感器能及时识别外界和系统本身的变化，对温度、压力、位置、转速、体积流量等信息进行实时、准确的
测量，并将信息传递给电脑进行处理，从而实现汽车各系统的电子控制。现代社会对车辆性能的要求越来越高，促使汽车传感器技术不断发展，今后汽车传感器的发展趋势是实现微型化、智能化和多功能化，开发新材料、新工艺和新型传感器。
1 工作原理
1.1 汽车车速传感器的工作原理
车辆自动强制限速装置，包括传感器、控制电路和操控机构。车辆限速器分为两种：一种是在车辆超速时发出语音警报，提醒驾驶者减速；另一种限速器是在车辆超过限定速度后，通过车载电脑发出指令，强制降低车辆行驶速度。
车辆遥控自动限速器由发射器和接收器组成，采用遥控专用编码集成块。通过对遥控限速进行编码，使每一组编码对应一种车速限制，并利用设置在路码表与之刻度同步上的光电传感器进而控制执行继电器切断和接续汽车起动、点火和熄火回路，从而达到控制车速的目的。限速器的发射器包括固定发射器和移动发射器，固定发射器安装在需限速道路路段的出入口处，移动发射器由执法人员掌握，接收器安装在各受控车辆的驾驶室内。
车辆智能限速器由汽车传感器、微电脑速度控制仪和智能机械手组成。 其工作原理是：当车辆速度低于
设定值时，控制仪不启动机械手，车辆行驶如常；当车辆速度临界设定值时，控制器立即启动机械手拉起油门，等同于司机放松油门，汽车只能滑行减速不能加速，从而使车速得到控制；当车辆速度低于设定值时，控制器
立即反向放松油门，使油门恢复如初。由于它的科学控速原理，车辆限速时呈自然、平稳状态，不易被站立的乘客察觉。
电子限速的作用是限制车速过高，防止因车速过高造成事故。电子限速器可以实时监测车辆的速度，当车速达到一定值的时候，它就会控制供油系统和发动机的转速，这时即使踏下油门踏板，供油系统也不会供油。
1.2  汽车车速传感器
1.2.1 霍尔式车速传感器
霍尔效应是一种磁电效应，是德国物理学家霍尔1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应，该电势差称为霍尔电势差（霍尔电压）。根据霍尔效应，人们用半导体材料制成霍尔元件，它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、 输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。
霍尔效应在应用技术中特别重要，如果对位于磁场(B)中的导体(d)施加一个电压(V)，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压(UH)，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。好比一条路, 本来大家是均匀的分布在路面上, 往前移动。当有磁场时, 大家可能会被推到靠路的右边行走。故路(导体)的两侧, 就会产生电压差。这个就叫“霍尔效应”。其原理图如下图1所示。
图1 霍尔效应原理图
霍尔传感器常用来检测车辆上车速和转速的信号。霍尔传感器由传感头和齿心组成，其传感头由永磁体、霍尔元件和电子电路等组成。霍尔车速传感器的工作原理：在齿蹦转动的过程中，使得通过霍尔元件的磁力线密度发生变化，从而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一准正旋波电压，此信号由电子电路转换成表中的脉冲电压。由霍尔原理可知，霍尔传感器的输出电压与被测物体的运动速度无关，因此它的高、低、速特性都很好，若用其测量物体的转速，其下限速度可以接近于0，上限速度从理论上讲可以不受限制，即它可以满足工程中各种运行速度的测量。霍尔轮速传感器还有1000Km/h，以下优点：一是输出信号电压幅值不受转速的影响；二是频率响应高，其幅频响应可高达，相当于车速为时所检测的信号频率；三是抗电磁波干扰能力强。正因为如此，车辆上的车速传感器大都采用霍尔式传感器。
霍尔元件产生的霍尔电压U的大小为：
式中：
：控制电流，A；
：带电粒子的电荷， = ；
B：磁感应强度，T；
d：半导
体的厚度，mm；
n：电子浓度。
当齿圈转到两个齿轮都与霍尔元件对正时，永磁体转到霍尔元件的磁力线分散，磁场较弱，输出的霍尔电压较小；当齿圈转到一个齿与霍尔元件对正时，永磁体转到霍尔元件的磁力线集中，磁场较强，输出的霍尔电压较大。齿轮转动过程中，使得通过霍尔元件的磁力线密度发生变化，从而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一准正弦波电压，此信号由电子电路转换成表中的脉冲电压。
1.2.2 磁电式车速传感器
磁电式传感器与霍尔式传感器是车辆上常用来检测车速和转速的信号。磁电式传感器是利用电磁感应原理工作的，即：当闭合回路中的磁通量发生变化时，回路中就产生感应电动势，其大小与磁通量的变化率有关，即  ：
：感应电动势；
Ｎ：导电回路中线圈的匝数；
：穿越线圈磁通量的变化率；
通过改变 就可以改变感应电动势E的变化，而在实际应用过程当中，改变 的方式有3种，即移动线圈、移动磁铁或改变磁阻，与之对应的分别称为动圈式磁电传感器、动铁式磁电传感器及磁阻式磁电传感器。而在车辆上应用最广的是磁阻式磁电传感器。下面以磁阻式磁电传感器为例来讲磁电式传感器在车辆上的应用情况。磁阻式磁电传感器在车辆上的应用可以用来检测发动机转速和车轮转速，一般由传感头和齿圈组成，而传感头主要由永磁体、磁极和感应线圈组成。当齿圈的齿隙与传感器的极轴端部相对时，极轴端部与齿圈之间的空气间隙最大，磁阻也最大，通过感应线圈的磁通量最小。而当齿圈的齿顶与传感器的极轴端部相对应时，极轴端部与齿圈之间的空气间隙最小，磁阻也最小，通过感应线圈的磁通量最大。当齿圈随同车轮转动时，齿圈的齿顶和齿隙就交替地与传感器极轴顶部相对，传感器感应线圈周围的磁场随之发生强弱交替变化，在感应线圈中就会感应出交变电动势，其频率与齿圈的齿数和转
速成正比。
磁电式轮速传感器结构简单、成本低、工作稳定可靠，几乎不受温度、灰尘等环境因素的影响，缺点是：一是输出信号的幅值随转速的变化而变化。若车速过慢，其输出信号低于1V，电控单元就无法检测；二是响应频率不高。当转速过高时，传感器的频率响应跟不上；三是抗电磁波干扰能力差。目前，国内外ABS系统的控制速度范围一般为15km/h～160km/h，今后要求控制速度范围扩大到8km/h～260km/h以至更大，显然磁电式轮速传感器很难适应。
1.2.3 加速度传感器
加速度传感器是由加速度敏感头、高精度电桥放大器、温度补偿电路、输出饱和控制及输入输出接口构成。其原理框图如图2所示。
图2 加速度传感器原理图
智能加速度传感器的工作原理是：敏感元件将测点的加速度信号转换为相应的电信号，进入前置放大电路，经过信号调理电路改善信号的信噪比，再进行模数转换得到数字信号，最后送人计算机，计算机再进行数据存储和显示。
本加速度传感器是采用MEMS (Micro—Electro Mechanical System)技术成果研制而成的高稳定、高精度
、可靠性高、低漂温、环境适应性强的新型加速度传感器。其输出信号可直接送入记录仪器。
1.3 控制装置的工作原理汽车传感器
控制装置是变速器的中央控制单元，它的核心是ECU控制装置，所有传感器和信号都汇集于此，由它分析后，发出指令并实施监控。
控制理论在汽车电控中得到了广泛的应用，主要有PID控制、最优控制、自适应控制、滑模控制、模糊控制、神经网络控制以及预测控制等。就其结构而言，电控系统主要由传感器、电子控制组件ECU、执行器三个部分组成。
1.3.1 ABS控制原理
汽车ABS(Antilock Braking System)是改善汽车主动安全性的重要装置，通过调节制动力，使汽车获得良好的制动效能并保持较高方向操纵稳定性。ABS最重要的功能并不是为了缩短制动距离，而是为了能够尽量保持制动时汽车的方向稳定性。ABS起作用时，车轮与路面的摩擦属滚动摩擦，它会充分利用车轮与路面之间的最大附着力进行制动，从而提高制动加速度，缩短制动距离，但最重要的还是保证汽车的方向稳定性。ABS工作时就相当于以很高的频率进行点刹。于是，在紧急情况下如果将制动踏板踩到底，肯定会感到制动踏板在颤动，同时也会听到制动总泵发出的“哒哒”声，这便是ABS在正常工作。制动总泵不断调整制动压力，从而对制动踏板产生连续的反馈力。
防抱死制动系统（简称ABS）是一种防止制动过程车轮抱死的车辆主动安全装置。 ABS是改善车辆主动安全性能的重要装置，其核心是通过调节制动车轮滑移率，使得在制动过程中，车轮滑移率尽量在附着系数相对应的滑移率区域，从而获得尽量大的制动效能，并保持较高的方向操纵性