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速度傳感器在汽車行業(yè)中的偉大應(yīng)用
速度傳感器在汽車行業(yè)中的偉大應(yīng)用
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傳感器來完成的。
在過去，用來測速的傳感器通常性能不穩(wěn)定，而且容易出現(xiàn)故障，經(jīng)常引起車輛事故。主要原因是早期使用的主要是模擬傳感器，而當(dāng)時(shí)使用的數(shù)字傳感器效果也很差。造成上述速度傳感器問題的主要原因是軌道車輛應(yīng)用的環(huán)境都極度惡劣。
德國一家公司經(jīng)過多年的研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的積累，開發(fā)出高品質(zhì)的多功能的速度傳感器，而且性能非常穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于工況惡劣的軌道列車行業(yè)。
一：接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器的原理
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，從而就能測出線速度V。
設(shè)D為滾輪直徑，單位為mm，滾輪每轉(zhuǎn)輸出πD個(gè)脈沖，則1個(gè)脈沖代表著1mm的距離值。設(shè)在時(shí)間t內(nèi)脈沖計(jì)數(shù)為n，則線速度v為：
轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖傳感器產(chǎn)生脈沖的方式由表及里光電、磁電、電感應(yīng)等多種。
每個(gè)脈沖代表的距離(mm)稱為脈沖當(dāng)量。為了計(jì)算方便，脈沖當(dāng)量常設(shè)定為距離mm的整數(shù)倍，這是正確使用傳感器的關(guān)鍵。
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(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。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。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。
二：非接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器的原理
旋轉(zhuǎn)式速度傳感器與運(yùn)動(dòng)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(dòng)時(shí)帶動(dòng)葉論旋轉(zhuǎn)，頁輪每轉(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測到的脈沖數(shù)，計(jì)算出流速。使脈沖數(shù)與葉輪轉(zhuǎn)速再與流速建立關(guān)系。利用標(biāo)定曲線V=kn+c計(jì)算流速V。其中：k為變換系數(shù)：c為預(yù)置值，n為葉輪轉(zhuǎn)速?？蓪⑷~輪的轉(zhuǎn)速直接換算成流速。
[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)。光纖被徒輪輪番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(mm)整數(shù)倍，因此速度運(yùn)算相對(duì)比較復(fù)雜。
無軸承速度傳感器
雖然有些軌道列車不用傳感器，但是大多數(shù)的機(jī)車控制系統(tǒng)都要用到速度傳感器。
zui常用的速度傳感器類型是雙通道速度傳感器。該傳感器直接掃描機(jī)車電機(jī)軸上或減速機(jī)上的齒輪，因此，傳感器本身不需要帶軸承。
該目標(biāo)測量齒輪既可以根據(jù)用戶的要求特殊定做，也可以利用設(shè)備中現(xiàn)有的測量齒輪。
該速度傳感器利用磁場調(diào)制原理適用于模數(shù)為1和模數(shù)為3.5的鐵磁體測量輪。被測齒輪的齒的形狀也是一個(gè)重要的因素，因?yàn)樵撍俣葌鞲衅髂軌驕y量的是方形齒齒輪和帶漸開線齒齒輪。根據(jù)測量輪的直徑和齒數(shù)，該速度傳感器的分辨率在每圈60個(gè)脈沖到每圈300個(gè)脈沖之間，能滿足一般機(jī)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的要求。
這種類型的速度傳感器通常有2個(gè)霍爾傳感器，永磁體，和信號(hào)處理電路組成。當(dāng)速度傳感器掃描旋轉(zhuǎn)的齒輪時(shí)，永磁體的磁場發(fā)生變化。磁場的變化被霍爾傳感器記錄下來，在電路的比較環(huán)節(jié)被轉(zhuǎn)換成方波，在驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)被放大。
然而，霍爾傳感器的性能受溫度影響很大。所以決定速度傳感器的靈敏度和信號(hào)的相位差的因素不只是齒輪的安裝氣隙，還取決于溫度。溫度的影響大大降低了傳感器和齒輪之間的安裝氣息的zui大允許值。在室溫下，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模數(shù)為2的測量齒輪安裝氣隙可以做到2-3mm，但是當(dāng)所需的溫度范圍在-40度到+120度時(shí)，zui大允許氣隙降到了1.3mm。
我們通常要求我們的測量齒輪不但分辨率要高，而且體積要小，所以在這種要求下，測量輪的zui大氣息就越小。模數(shù)是1的高分辨率小齒輪的允許zui大氣隙范圍在0.5-0.8mm。
對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來說，傳感器的氣隙,如果速度傳感器要求的安裝氣隙越小，對(duì)設(shè)備整體的設(shè)計(jì)要求就高。安裝氣隙允許的范圍小，就限制了被測電機(jī)外殼的機(jī)械安裝公差和測量齒輪對(duì)于輸出信號(hào)的允許誤差范圍 。所以，對(duì)于機(jī)車電機(jī)的制造廠家和操作人員來說都愿意選擇安裝氣隙范圍較大的速度傳感器。
在實(shí)際操作過程中，速度傳感器輸出信號(hào)的幅值隨著安裝氣隙的增大而迅速減小。對(duì)于傳感器的生產(chǎn)商來說，他們需要盡可能的對(duì)信號(hào)幅制進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)對(duì)相位差也要進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。通常的做法是測出傳感器工作的溫度，從而根據(jù)溫度信息對(duì)相位差進(jìn)行補(bǔ)償，這就是我們通常說的溫度補(bǔ)償。但是，這樣做也有兩個(gè)缺點(diǎn)：*，信號(hào)的相位差和溫度并不成線性關(guān)系。第二，并不是每一個(gè)傳感器的相位差都是一樣的。所以，傳統(tǒng)的傳感器對(duì)溫度的適應(yīng)性有待于提高。
新一代的Lenord+Bauer速度傳感器找到了一種新的方法來解決傳統(tǒng)傳感的缺點(diǎn)。它采用一種集成的信號(hào)處理器來調(diào)整信號(hào)的幅值和相位差，從而使傳感器的安裝氣隙增大到原來的2倍左右。使用這種傳感器，對(duì)于模數(shù)為1的測量齒輪，安裝氣隙可以到1.4mm,比傳統(tǒng)傳感測量模數(shù)為2的齒輪的安裝氣隙還要大。而對(duì)于新一代的傳感器，模數(shù)為2的齒輪，安裝氣隙可達(dá)2.2mm。同時(shí)，新一代的傳感器大大提高了信號(hào)的質(zhì)量。面對(duì)同樣的氣隙波動(dòng)和溫度變換，新傳感器兩個(gè)通道信號(hào)的占空比和相位偏移的穩(wěn)定性是傳統(tǒng)傳感器的3倍。
而且，雖然新傳感器的電路較復(fù)雜，但是它的MTBF值比傳統(tǒng)傳感器高。新傳感器不僅提供的信號(hào)精度比原高，而且信號(hào)的可用性也比原來好。
這種新的傳感器外形和傳統(tǒng)傳感器相似，可以適用于目前實(shí)際使用中的所有車輛。
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