传感器毕业设计.docx

1、传感器毕业设计3 车辆限速装置的性能测试 83.1 性能指标 83.3 干扰问题 9参考文献 10汽车车速传感器检测系统设计摘 要汽车车速传感器设计是一种智能限速装置，利用速度传感器将转变成的电压信号输送给ECU（Electronic Control Unit），来控制速度，速度达到规定值时切断电路达到限速的目的。本文介绍了限速装置的工作原理，详细讲述了系统的组成、原理和测试方法。系统采用硬件兼软件对测量过程及测量结果进行处理。与传统的限速装置相比，此限速器具有结构简单、新颖、易于实现的特点。实验证明在整个调速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，同时也提高了限速装置

2、的整体性能。关键词数据采集；控制装置；磁电式传感器；霍尔式传感器Design of vehicles speed limiting device AbstractOne kind of intelligent speed limiting device is designed, using the speed sensor will change into a voltage signal transmission to the ECU (Electronic Control Unit), to control the speed of up to the required duty to c

3、ut off the circuit speed purposes. This paper introduced the working principle of speed device, described in detail the composition of the system, principles and testing methods. Hardware and software systems used to measure the process and measurement process. With the traditional speed devices com

4、pared to this over speed governor is simple in structure, innovative, easy-to-implement features. Throughout the experiment proved that within the governor have made a good result, the system has a good steady performance of accuracy and dynamic response, but also raise the speed limit device perfor

5、mance.KeywordsData collect; Control device; Dyadic sensor of magnetoelectricity; Dyadic sensor of Hall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

6、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40150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。

7、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

8、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

9、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

10、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、

11、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

12、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

13、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

14、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；：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

15、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

16、。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/h160km/h，今后要求控制速度范围扩大到8km/h260km/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

17、器是采用MEMS (MicroElectro 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

18、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

19、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能6。为描述车轮制动过程中与道路接触的状态，引入滑移率： （1）式中：为车轮半径，为车轮制动时转速，轮速，为车速。通常，车辆要经过大量的道路试验，才能获得ABS制动时车速变化规律和其相应的控制逻辑。基于轮缸压力函数的制动时参考车速计算方法，适合制动时有稳定压力源的液压制动系统。选择合适的加速度传感器可以检测车辆制动过程的车速。 （2） 制

20、动前根据制动时传感器给出的轮速和加速度，用梯形公式计算出不同时刻的速度值。由加速度求车速的表达式为:(3)式中：为采样周期，、为第、时刻测量的加速度值。ABS系统在制动过程中通过传感器感知车轮与路面的滑移，由ABS电控单元做出判断，并通过电磁阀调整制动力的大小，使轮胎滑移率保持在一个理想的范围（10%20%），来保证车辆制动时有较大的纵向制动和抗侧向外力的能力，防止可能发生的后轮侧滑，甩尾，提高车辆在制动过程中的方向稳定和转向操纵的能力，并能提高附着系数利用率，缩短制动距离，减少轮胎磨损。电子控制防抱死系统是目前提高车辆行驶安全性的有效措施之一。汽车驱动防滑系统ASR（Automobile d

21、ynamic-control system）是在汽车起步和加速时将滑移率控制在一定范围（5%15%）内，防止驱动轮快速滑动，提高汽车的驱动力。ASR在控制中，通过轮速传感器反馈来的信号经控制单元处理后发出指令，调节发动机的输出转矩，从而调节驱动轮的驱动转矩。目前ASR的装备大多是在ABS系统增设一部分部件的方法来实现，可看成是对ABS系统的完善和补充。1.3.2 ECU控制原理车辆电子控制器常称为ECU，也叫电子控制单元。它是发动机的一种综合电子控制装置。其核心部件是电脑(ECU或电子计算机)，简称微处理机或微机。电子控制器包括硬件和软件两部分控制装置是变速器的中央控制单元，该装置由一个电子控

22、制单元和一个电动液压控制单元组成，它安装在变速器内并浸在DSG机油中。所有传感器和其他控制单元的信号都汇集到此，并由它分析后，向各个执行器发出指令并监控。2 车辆限速装置的设计2.1 控制装置系统的设计电子控制器ECU硬件的作用是：根据电子控制器存储的程序和数据，对发动机(或汽车)传感器输入的各种信息(模拟数字)进行运算、处理、判断。然后输出动作指令，控制各有关执行器进行工作，达到快速、准确、自动地控制发动机(或汽车)工作的目的5。若系统中采用硬件较多，则处理信息的速度加快，可改善控制系统的性能，但系统的结构复杂化；若系统中多采用软件替代一些硬件，则可减少电器元件数目，但系统的处理速度减慢，响

23、应度也降低。因而电子控制器合理地选配硬件与软件两者的比例是至关重要的，应按控制系统的具体要求来确定电子控制器的硬件有专用控制微机、电路、输入与输出接口等。即主要是集成电路、电子元件与印刷电路板。汽车发动机电子控制器ECU的组成如图2所示。主要由输入电路、A/D转换器(中转换电路)、微型计算机(ECU)和输出回路等四部分组成。输入电路的作用是将系统中各传感器检测到的信息(号)通过I/O (输入输出接口电路)接口送入ECU，完成汽车发动机在运行过程中对其工况状态的实时检测任务。在检测过程中，需要检测与输入的信号有模拟信号和数字信号两种。从传感器送来的信号，首先进入输入回路。在输入回路中，对输入信号

24、进行预处理。一般是去除杂波和将正弦波变为矩形方波后，再转换成输入电平，其大致过程如图3所示。图3 发动机电子控制的组成从传感器送出的信号有模拟信号和数字信号两种，其中的模拟信号ECU不能直接识别与处理，需经过相应的A/D中转换电路将模拟信号转换成数字信号后才能输入ECU(微机)。从传感器送出的信号有模拟信号和数字信号两种，其中的模拟信号ECU不能直接识别与处理，需经过相应的A/D中转换电路将模拟信号转换成数字信号后才能输入ECU(微机)。输入的模拟信号有吸入空气流量、空气温度、发动机冷却水温度、发动机负荷(转速)、电源电压等多个信号。这几个信号分别经过相应的处理电路后，再经过模数(A/D)转换

25、器转换之后，才以数字量的形式送入到中央处理器CPU，控制系统采集的数字信号主要是来自转速传感器的转速信号与活塞上止点参考信息，它们都是脉冲信号。这两个信号经过处理电路之后，通过I/O (输入输出接口电路)接口就可直接送入ECU。其过程如图4所示。图4 A/D转换工作过程示意图2.2 数据采集系统的设计车辆行驶记录仪大多采用轮速传感器记录制动过程中的车速曲线。国内研制的车辆行驶记仪大多采用轮速传感器记录制动过程中的车速曲线(如图5所示) 。实际上，目前国内车辆大多没有配置防抱死制动系统(ABS)，在紧急制动时，如果路面的附着系数较低，车辆车轮有时会发生抱死，车辆滑行速度远大于车轮转动的速度(如图

26、5中的车身速度、车轮速度)，此时轮速不能反映汽车真实的行驶状况，有必要测量记录实时车速。传统上测量车速主要有五轮仪、非接触式五轮仪，仅适用于测量系统，不适用于控制系统，且价格也较高。图5 车辆制动过程的轮速与车速因此，这里提出一种利用加速度传感器测量加速度，然后进行积分求出速度的汽车行驶记录系统。同时利用微处理器的存储功能记录汽车在最近360h内的行驶状态数据，并且具有数据锁死功能。在AD处理电路中，由于压力传感器送到采集板的压力信号是电流信号，因此在输入端利用精密电阻将其转换成电压信号，并经放大电路对其进行放大。对于轮速信号，数据采集系统使用了霍尔式传感器处理电路，集和处理轮速信号。其电路图

27、如图6所。开关量输入处理电路主要指人踩下制动踏板所发出的信号。这里用MAX6816对其进行防抖整形处理。然后输入到MCU的中断口。图6 霍尔传感器速度采集转换电路2.3 系统总体设计汽车车速传感器是车辆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：车辆的运行离不开速度信号。而速度信号的可靠性主要取决于以下几个方面：其一，速度传感器本身的内在质量好坏；其二，速度传感器与车辆轮对是否可靠连接；其三，车辆正常行驶状态下，车辆轮对是否出现空转的现象。针对以上情况，本文设计了一种实现方法。 车辆速度处理装置的主要原理是：综合检测车辆轮对上安装的多个(多路)速度传感器，经过有效性检测、分

28、析、运算，得到速度的平均值和有效值，并根据设定输出相应的速度信号。车辆的速度是通过机械传动方式传到仪表头内的，经过齿轮变换，达到转行程/车速的测量就是将这一模拟信号经A/D得到数字信号，最后成为对方波信号的测量。由于中国公路条件复杂，规定不同等级的公路允许的最高速度不同。所以取中等平均速度，当取中等平均速度为,采样信号为方波，而采样后进行8倍频时，采样后方波的频率为 (4)式(1)中： 为汽车中速行驶时的平均速度；汽车每行驶1公里到达表头内的转速；倍率为设计值，此值取值越大，采样精度就越高；如果取km/h； 转；倍率=，则取样方波的频率为Hz。由分析可知，当把信号周期作为一次测量的周期时，对车

29、速的测量大约要810ms。这样，在1s内最多可测量100次，为了保证数据的有效性和准确性，又有足够的时间来显示报警，对车速的测量周期为10次/s。整个工作过程是：经光电转换取得的代表车速的脉冲信号，经过分频整形后，再由多路电子开关电路，送至CPU，方脉冲的下沿触发中断。此时控制器对2次中断之间的(周期)时间进行测量。再将周期转换为频率。CPU的作为计数脉冲的输人端，作为控制定时器使用。只要车辆停止行驶时，CPU亦停止测量。当选择CPU的定时时间为10ms，晶振频率为12MHz时，CPU的初值按下式计算得：，整个车辆速度控制报警系统主要由速度测量判断识别、行车安全报警决策模块、译码显示、随机刷新

30、存储、语音报警提示、高压延时控制等几部份组成。统的结构方框图如图7所示。图7 系统结构图车辆限速的控制过程：通过机械传动方式传到仪表头内的，经过齿轮变换，达到行程的转速，车速的测量就是将这一模拟信号经AD变换得到数字信号，最后成为对方波信号的测量。然后对数据进行有效的分析，采用实时报警、延时控制等方法实现车辆的安全行驶，并将行驶速度进行随机的存储，提高了系统对复杂路况处理能力。最后系统对车辆行驶的速度及其它车况参数进行采样、测量、计算。并将测量结果显示出来，进行语音报警，从而达到限速控制。 3 车辆限速装置的性能测试3.1 性能指标本装置选用了国产CS3020霍尔开关元件，主要参数如下：4.5

31、24V 最大灌电流100kHz；工作效率100kHz；供电电源：DC110(1-30%)110(125%)V；检测控制器的总功耗1W；环境温度：-2570绝缘电压：AC1500V，1rain；体积:285n ln l185 n ln l75 n ln l；本加速度传感器是高稳定、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。其主要指标： 量程：-2g+2g； 输出信号范围：05V；输出信号(DC)：2.50000.40V；频率响应：0100Hz；电源电压(DC)：125%；输入电流：0.1A； (4.55.5)V控制装置技术参数如下：电源输入：(11010)V；信号输入：(11010)V；单片机工作电压：(4.55.5)V；压力开关动作值：560kPa；电空阀工作电压：(11010)V；3.2 测试方法与结果方法一：为了测试该速度传感器的精度和误差范围，特在实验条件下对其进行了测试。所得到的实验数据如表1所列。可以看出，实验所测得的数据漂移较小，低速情况下相对误差范围在1r/min以内，高速情况下在3r/rain以内，能够满足车辆速度传感器检测的要求。该校验仪的低速特性非常好、转速平稳，而且车辆的正常行驶速度在其所能检测的范围之内。本文介绍的车辆速度传感器在线校验仪已通过试用。使用过程中，车辆轮径9001200mm可调，速度范