汽车转速传感器的工作原理及测量方法

汽车转速传感器的工作原理及测量方法（精选8篇）

汽车转速传感器的工作原理及测量方法 第1篇

汽车转速传感器是汽车计算机系统的输入装置，它把汽车运行中各种工况信息，如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等，转化成电讯号输给计算 机，以便发动机处于最佳工作状态。了解汽车转速传感器的工作原理及测量方法能有效预防操作上的失误，接下来就让艾驰商城的小编为大家介绍汽车转速传感器的 工作原理及测量方法吧，仅供参考。

功能：感应式转速传感器跟脉冲盘相配合，用于无分电器点火系统中提供发动机转速信息和曲轴上止点信息。

原理：与脉冲盘配合使用。脉冲盘是一个齿盘，原本有60个齿，但是有两个齿空缺。脉冲盘装在曲轴上，随曲轴旋转。当齿尖紧挨着传感器的端部经过时，铁磁材料制成的脉冲盘切割传感器中永久磁铁的磁力线，在线圈中产生感应电压，作为转速信号输出。

传感器针脚定义：

1#19#接地（屏蔽）;

2#48#接地;

3#49#传感器信号输出

简单测量方法：

1、在发动机无法启动时，连接发动机诊断仪，在运转启动电机的时候查看转速参数是否正常。

2、（卸下接头）把数字万用表打到欧姆档，两表笔分别接传感器2#、3#针脚，20℃时额定电阻为860ω±10%。

3、（接上接头）把数字万用表打到直流电压档，两表笔分别接传感器2#、3#针脚，起动发动机，此时应有电压输出。（建议用车用示波器检查）用车用示波器观察输出电压，应观察得到的波形，且输出波形的峰-峰值及频率应随着发动机转速的增加而增加。

4、用整车厂指定的诊断仪与电喷系统ecu进行通讯，读取ecu中的故障数据，从而可以对传感器的失效做出判断。

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汽车转速传感器的工作原理及测量方法 第2篇

摘要：集成转速传感器具有灵敏度高、测量范围宽、抗干扰能力强、外围电路简单等优点，是传统的分立式转速传感器的升级换代产品。文中介绍了KMI15系列磁阻式集成转速传感器的工作原理与典型应用。

关键词：转速传感器;磁阻;电磁干扰滤波器;KMI15

转速属于常规电测参数。测量转速时经常采用磁阻式传感器或光电式传感器进行非接触性测量，传统的磁阻式传感器是由磁钢、线圈等分立元件构成的，亦可用耳塞机改装而成。但这种传感器存在一些缺点：第一，灵敏度低，传感器与转动齿轮的最大间隙(亦称磁感应距离)只有零点几毫米;第二，在测量高速旋转物体的转速时，因安装不牢固或受机械振动，容易与齿轮发生碰撞，安全性较差;第三，这种传感器所产生的是幅度很低且变化缓慢的模拟电压信号，因此，需要经过放大、整形后变成沿口陡直的数字频率信号，才能送给数字转速仪或数字频率计测量转速，而且外围电路比较复杂;第四，它无法测量非常低(接近于零)的转速，因为这时磁阻式传感器可能检测不到转速信号。

目前，转速传感器正朝着高灵敏度、(本网网收集整理)高可靠性和全集成化的方向发展，典型产品有飞利浦(Philips)公司生产的KMI15系列磁阻式集成转速传感器。该传感器性能优良，安全性好，稳定性强，是分立式转速传感器理想的升级换代产品。KMI15系列包括KMI15-1、KMI15-2、KMI15-4等型号，它们的工作原理相同，仅性能指标略有差异。下面就以KMI15-1为例来介绍该系列集成转速传感器的工作原理与具体应用方法。

1 KMI15-1型传感器的性能特点

KMI15-1芯片内含高性能磁钢、磁敏电阻传感器和IC。它利用IC来完成信号变换功能，其输出的电流信号频率与被测转速成正比，电流信号的变化幅度为7mA～14mA。由于其外围电路比较简单，因而很容易配二次仪表测量转速。

KMI15-1器件的`测量范围宽，灵敏度高，它的齿轮转动频率范围是0～25kHz，而且即使在转动频率接近于零时，它也能够进行测量。传感器与齿轮的最大磁感应距离为2.9mm(典型值)，由于与齿轮相距较远，因此使用比较安全。

该传感器抗干扰能力强，同时具有方向性，它对轴向振动不敏感。另外，芯片内部还有电磁干扰(EMI)滤波器、电压控制器以及恒流源，从而保证了其工作特性不受外界因素的影响。

KMI15-1的体积较小，其最大外形尺寸为8×6×21mm，能可靠固定在齿轮附近。

KMI15采用+12V电源供电(典型值)，最高不超过16V。工作温度范围宽达-40～+85℃。

图2 图3

2 工作原理

KMI15-1型集成转速传感器的外形如图1所示，它的两个引脚分别为UCC(接+12V电源端)和U-(方波电流信号输出端)。为使IC处于较低的环境温度中，设计时专门将IC与传感元件分开，以改善传感器的高温工作性能。

该传感器的简化电路如图2所示。其内部主要包括以下六部分：

(1)磁敏电阻传感器;

(2)前置放大器A1;

(3)施密特触发器;

(4)开关控制式电流源;

(5)恒流源;

(6)电压控制器。实际上，该传感器是由4只磁敏电阻构成的一个桥路，可固定在靠近齿轮的地方，其测量原理如图3所示。

当齿轮沿Y轴方向转动时，由于气隙处的磁力线发生变化，磁路中的磁阻也随之改变，从而可在传感器上产生电信号。此外，该传感器具有很强的方向性，它对沿Y轴转动的物体十分敏感，而对沿Z轴方向的振动或抖动量很不敏感。这正是测量转速所需要的。

工作时，传感器产生的电信号首先通过EMI滤波器滤除高频电磁干扰，然后经过前置放大器，再利用施密特触发器进行整形以获得控制信号UK，并将其加到开关控制式电流源的控制端。KMI15-1的输出电流信号ICC是由两个电流叠加而成的，一个是由恒流源提供的7mA恒定电流IH，另一个是由开关控制式电流源输出的可变电流IK。它们之间的关系式为：

ICC=IH+IK

当控制信号UK=0(低电平)时，该电流源关断，IK=0，ICC=IH=7mA。当UK=1(

高电平)时，电流源被接通，IK=7mA，从而使得ICC=14mA。图4给出了从U-端输出的方波电流信号的波形，其高电平持续时间为t1，周期为T。输出波形的占空比D=t1/T=50%±20%。上升时间和下降时间分别仅为0.5μs和0.7μs。

KMI15芯片中的电压控制器实际上是一个并联调整式稳压器，可用于为传感器提供稳定的工作电压UC。而电阻R3、稳压管VDZ和晶体管VT1则可构成取样电路，其中VT1接成射极跟随器。A2为误差放大器，VT2为并联式调整管。这样，IH在经过R1、R2分压后可给A2提供基准电压UREF，从而在UCC发生变化时，由A2对取样电压与基准电压进行比较后产生误差电压Ur，同时通过改变VT2上的电流来使UC保持不变。

3 KMI15-1的典型应用

3.1 安装方法

KMI15-1应当安装在转动齿轮的旁边。若被测转动工件上没有齿轮，亦可在转盘外缘处钻一个小孔，套上螺扣，再拧上一个螺杆并用弹簧垫圈压紧，以防止受震动后松动，并以此代替齿尖获得转速标记信号。

3.2 典型应用电路

KMI15-1型集成转速传感器的典型应用电路如图5(a)所示。工作时，转速传感器输出方波电流信号，从而在负载电阻RL与负载电容CL上形成电压频率信号UO(f)，并送至二次仪表。通常取RL=115Ω、CL=0.1μF。需要指出：KMI15-1输出的是齿轮转动频率f(单位是Hz，即次/s)信号，欲得到转速n(r/min)，还应将f除以齿轮上的齿数N，并将时间单位改成分钟，公式如下：

n=60f/N

汽车氧传感器的工作原理及应用 第3篇

随着汽车排放法规的逐渐严格和人们对汽车排污控制的日渐重视, “电喷”加三元催化器的发动机正在我国普及。这种发动机采用了混合气成分的闭环控制和三效催化反应装置联合使用的技术, 这是当今汽油机最有效的排气净化方法, 氧传感器是实现这一闭环控制必不可少的重要部件。它不但对发动机排放控制有着重要的作用, 还可以通过示波器读取其波形进而分析判断发动机的多种故障。在汽车维修之后, 还可以通过检测氧传感器波形判断发动机是否真正修好, 作为向客户交车之前的一项检验。在维修检测方面, 氧传感器波形某种程度上类似于人体诊断的心电图。

1 氧传感器的工作原理

氧化锆是一种多孔性的固体电解质, 当温度较高时, 允许渗入该固体电解质内的氧气发生电离, 电离后的氧离子能够由氧浓度高的内侧向浓度低的外侧扩散, 使两电极之间产生电动势, 形成微电池, 因此可以检测出排气中氧的含量, 从而能检测出混合气的浓度。图1是氧化锆氧传感器的工作原理示意图。

三元催化转化器处理能有效地全面净化CO、HC和NOx这三种有害气体, 但其净化效率依赖于混合气浓度, 一般要求保持在理论空燃比为 (14.7) 左右的狭小范围内。一旦混合气体浓度偏离了这个狭小的范围, 则三效催化转化器全面净化上述有害气体的能力急剧下降。由于混合气空燃比的变化会引起排气中氧浓度相应的变化, 因此, 在排气管中设置了氧传感器, 氧传感器随时检测排气中的氧浓度, 并随时向微机控制装置反馈信号, 微机则根据反馈来的信号及时调整喷油量 (喷油脉宽) , 如信号反映混合气较浓, 则减少喷油延续;反之, 如信号反映混合气较稀, 则延长喷油延续时间, 从而使混燃气的空燃比始终保持在理论空燃比附近, 这就是空燃比闭环反馈控制系统。

2 氧传感器的波形检测与波形分析

2.1 氧传感器的波形检测

氧传感器的波形检测方法很多, 笔者用汽车示波器进行波形检测。检测方法是启动发动机使氧传感器加热至315℃以上, 且处于闭环控制状态, 利用跨接线或背针探头连接至传感器的连接插头, 启动发动机由怠速开始增加转速。

2.2 氧传感器的波形分析

对氧传感器进行波形分析可以从反映氧传感器输出信号波形的三要素进行, 三要素为:最高电压、最低电压、反应快慢 (响应时间) 。正常波形允许变动的范围分别是:最高电压允许范围大于850mV;最低电压允许范围75～175mV, 从浓到稀的允许响应时间少于100ms。因此, 当实测波形与氧传感器的正常波形不相符时, 说明发动机存在故障, 并且可以从波形上查明故障发生的部位及产生的原因。发动机故障可导致燃烧不正常进而引起氧传感器波形不正常, 具体可表现为:

点火系统故障造成的燃烧不正常或缺火, 如某缸火花塞损坏, 某缸高压分线损坏、或分电器、分电器转子、点火线圈等损坏。这些故障可使部分氧“不经消化”即排出缸外, 从而使排气中的氧含量升高。对此, 可用示波器检测, 以排除这类故障的可能性或确认这类故障。

由机械原因引起的压缩泄漏使正常的压缩比遭到破坏, 例如, 气门烧损、活塞环断裂或磨损过度等造成的压缩泄漏, 使点火之前的压缩温度、压缩压力不够, 造成燃烧不完全甚至缺火。这也可使部分氧“未经消化”即排出缸外, 引起排气中的氧含量升高。

真空泄漏造成的空燃比不正常, 例如, 进气道、进气管上的真空软管等处存在泄漏, 如果真空泄漏使混合气空燃比达到l7以上时, 就可引起因混合气过稀而发生的缺火, 并造成排气氧含量增高。

各缸喷油不均衡造成的压缩比不正常 (对于多点喷射) , 个别缸喷油器的喷油量过多或过少 (喷油器卡在开的位置或堵塞) , 造成混合气过浓或过稀, 当个别缸的混合气空燃比达到l3以下或l7以上时, 可能引起缺火, 亦可造成排气含量异常。

3 氧传感器波形在电控汽车维修检测中的应用

3.1 利用氧传感器的波形分析发动机的故障

笔者在实际工作中曾用氧传感器的故障波形分析诊断发动机个别缸喷油器堵塞造成各缸喷油不均匀的故障。故障表现为:怠速不稳, 加速迟缓, 动力下降, 路试加速不起来。在冷起动后或重新热起动的开环控制期间情况好转, 一旦燃油反馈控制系统进入闲环控制, 症状就变得显著。用ADC2000发动机故障诊断仪的示波功能检测氧传感器的波形, 检测发动机在2500r/min和其他稳定转速下的氧传感器波形, 以检测空燃比反馈控制系统, 氧传感器在所有的转速、负荷下都显示出严重的杂波故障, 分析严重的杂波表明排气氧不均衡或存在缺火, 这些杂波影响了燃料反馈控制系统对混合气的控制能力。通常可以采用排除其他故障可能性的方法 (即排除法) 判定喷油不均衡。包括用示波器检查, 判断点火系统和气缸压缩力, 以排除其故障的可能性;用人为加浓或配合其他仪器等方法, 排除真空泄漏的可能性。总之, 对于多点喷射式发动机, 如果没有点火不良、压缩泄漏、真空泄漏等问题引起的缺火, 则可假定是喷射不均衡引起的缺火。

针对上述情况, 笔者进一步检查了点火、压缩、真空的各方面情况, 排除了这些方面问题的可能性, 判断为喷油器损坏。还应该注意到, “在冷起动后或重新启动后的开环控制期间情况稍好”, 进一步说明了个别缸喷油器存在堵塞问题。这是因为对于上述情况, 喷油脉冲宽度稍长, 加浓了混合气, 多少起到一些补偿作用。进一步从发动机拆下喷油器后, 因刚拆下来的喷油器表面很脏, 先用净化器清洗喷剂先洗一下外表, 再用布擦干净, 进行密封性检测, 在喷油器关闭的情况下, 加上喷油器的正常压力的油压检测喷油器的密封性。一般要求在1min内喷油器不滴漏2滴以上油滴, 然后进一步检测喷油器的雾化性。不同型号的喷油器, 在正常条件下喷雾形状是不相同的, 一般喷油器喷出的油雾形状是角度较大的白色锥体, 而单孔的喷油器的张角并不大, 较脏的或有故障的喷油器的喷出的油雾形状基本相同, 是一根或几根白色线, 没有雾化的喷油器是有故障或损坏的, 检查结果是2缸喷油器堵塞。进一步测量喷油器电磁线圈, 便可知道它们是高阻值或是低阻值的喷油器以及线圈是否短路或断路, 高阻值为12～17Q, 低阻值2～3Q, 若阻值不在规定的范围内, 说明喷油器电磁线圈损坏, 必须更换。检测的喷油器数据值中, 没有发现问题, 说明喷油器的电磁线圈没有问题, 所以故障为2缸喷油器堵塞。

4 结束语

氧传感嚣在电控喷汽车空气燃油控制系统中有着非常重要的作用, 对氧传感器波形信号的分析, 可以快速、准确地判断整个空气燃油系统的运行性能, 通过用汽车示波器对氧传感器波形进行分析、评定, 可以帮助诊断分析汽车的怠速不稳、加速迟缓、功率低下、耗油量大等汽车故障及其的原因, 同时还可以利用氧传感器的波形分析来判断三元催化器是否失效。

摘要：本文对氧传感器波形在电控汽车、维修检测中的应用进行了分析。

汽车氧传感器工作原理及检测方法 第4篇

【关键词】氧传感器 工作原理 检测方法

一、氧传感器的工作原理

（一）氧化锆式氧传感器：在高温和铂催化作用下，带负电的氧离子吸附在氧化锆套管的内外表面上，利用氧化锆内外两侧的氧浓度差产生电动势。当套管废气一侧的氧浓度低时，在电极之间产生一个高电压（0.6～1V），这个电压信号被送到ECU放大处理，ECU把高电压信号看作浓混合气，而把低电压信号看作稀混合气。根据氧传感器的电压信号，电脑按照尽可能接近14.7：1的理论最佳空燃比来稀释或加浓混合气。

（二）氧化钛式氧传感器：利用多孔状导体TiO2的导电性随排气中氧含量的变化而变化的特性制成，当发动机的可燃混合气浓时，二氧化钛呈现低阻状态；当发动机的可燃混合气稀时，二氧化钛呈现高阻状态。由于氧传感器的电阻发生改变，使得与电控单元连接的氧传感器负极上的电压降也产生变化。根据氧传感器的电压信号，电控单元控制混合气的浓度保持在理论空燃比附近的狭小范围内。

（三）宽频型氧传感器：为了省油，实现稀薄燃烧而诞生的宽频氧传感器，通过单元泵工作，可将尾气中的氧吸入测量室，单元泵工作所用电流，即为传递给控制单元的电信号，控制氧传感器的电压值在450mv附近。当泵入混合气过浓时，测试室的氧量少，氧传感器电压值超过450mv，控制单元增大单元泵的工作电流，使单元泵旋转速度增加，增加泵氧速度，使氧传感器电压值恢复到450mv；当混合气过稀时，测试室中氧的含量较多，电压值下降，此时加大喷油量，同时减少单元泵的工作电流，使氧传感器电压值尽快恢复到450mv的电压值

二、检测方法

（一）汽车氧传感器加热器电阻的检查。拔下氧传感器线束插头，用万用表电阻档测量氧传感器接线端中加热器接柱与搭铁接柱之间的电阻，其阻值为4-40ω（参考具体车型说明书）。如不符合标准，应更换氧传感器。

（二）汽车氧传感器反馈电压的测量。测量氧传感器的反馈电压时，应拔下氧传感器的线束插头，对照车型的电路图，从氧传感器的反馈电压输出接线柱上引出一条细导线，然后插好线束插头，在发动机运转中，从引出线上测出反馈电压，对氧传感器的反馈电压进行检测时，最好使用具有低量程（通常为2v）和高阻抗（内阻大于10mω）的指针型万用表。具体的检测方法如下：

1.将发动机热车至正常工作温度（或起动后以2500r/min的转速运转2min）；

2.将万用表电压档的负表笔接蓄电池负极，正表笔接氧传感器线束插头反馈电压输出引线；

3.让发动机以2500r/min左右的转速保持运转，同时检查电压表指针能否在0-1v之间来回摆动，记下10s内电压表指针摆动的次数。在正常情况下，随着反馈控制的进行，氧传感器的反馈电压将在0.45v上下不断变化，10s内反馈电压的变化次数应不少于8次。如果少于8次，则说明氧传感器或反馈控制系统工作不正常，其原因可能是氧传感器表面有积碳，使灵敏度降低所致。对此，应让发动机以2500r/min的转速运转约2min，以清除氧传感器表面的积碳，然后再检查反馈电压。如果在清除积碳可后电压表指针变化依旧缓慢，则说明氧传感器损坏，或电脑反馈控制电路有故障。

4.检查氧传感器有无损坏。拔下氧传感器的线束插头，使氧传感器不再与电脑连接，反馈控制系统处于开环控制状态。将万用表电压档的正表笔直接与氧传感器反馈电压输出接线柱连接，负表笔良好搭铁。在发动机运转中测量反馈电压，先脱开接在进气管上的曲轴箱强制通风管或其他真空软管，人为地形成稀混合气，同时观看电压表，其指针读数应下降。然后接上脱开的管路，再拔下水温传感器接头，用一个4-8kω的电阻代替水温传感器，人为地形成浓混合气，同时观看电压表，其指针读数应上升。也可以用突然踩下或松开加速踏板的方法来改变混合气的浓度，在突然踩下加速踏板时，混合气变浓，反馈电压应上升；突然松开加速踏板时，混合气变稀，反馈电压应下降。如果氧传感器的反馈电压无上述变化，表明氧传感器已损坏。另外，氧化钛式氧传感器在采用上述方法检测时，若是良好的氧传感器，输出端的电压应以2.5v为中心上下波动。否则可拆下传感器并暴露在空气中，冷却后测量其电阻值。若电阻值很大，说明传感器是好的，否则应更换传感器。

（三）线宽频型氧传感器检测。这种传感器插头带有精密电阻，更换氧传感器时，必须线与插头同时更换，宽量程氧传感器单件检测方法：端子3和4是加热器，不应该开路，加在上面的电压为12V，端子1是信号输出，端子5和6是参考电压，端子2是泵电流输入。有的宽量程氧传感器端子5和6是作为同一个端子输出（5）线。宽量程氧传感器的电压规定值为1.0V～2.0V。电压值大于1.5V时混合气过稀（氧多），电压值小于1.5V时混合气过浓（氧少）。电压值为OV、1.5V、4.9V的恒定值时都说明氧传感器线路有故障。急加速与急减速时电压可能到0.8与4.9，这是正常的。

（四）汽车氧传感器外观颜色的检查。将氧传感器从车辆上拆下，检查其外壳上的通气孔有无堵塞，陶瓷芯有无破损，如有破损，应更换氧传感器。此外，可以观察氧传感器顶尖部位的颜色来判断故障：

1.淡灰色顶尖：这是氧传感器的正常颜色；

2.白色顶尖：由硅污染造成的，此时必须更换氧传感器；

3.棕色顶尖：由铅污染造成的，如果严重，也必须更换氧传感器；

4.黑色顶尖：由积碳造成的，在排除发动机积碳故障后，一般可以自动清除氧传感器上的积碳。

三、结语

霍尔传感器在转速测量中的应用 第5篇

在置于磁场中的导体或半导体里通入电流, 若电流与磁场垂直, 则电位差会出现在垂直于磁场、电流的方向, 我们将这种现象定义为霍尔效应。人们用砷化镓、锑化铟、硅、锗等半导体材料制成的元件被命名为霍尔元件。霍尔元件体积小, 构造简单, 对磁场敏感, 频率响应宽, 输出电压变化大, 服务年限长, 目前被广泛应用于计算机、信息技术、测量和自动化等领域。

1 霍尔元件及特点

在半导体薄片两端通以控制电流I, 磁感应强度为B级匀强磁场施加在薄片的垂直方向, 电势差为UH的霍尔电压会在与电流、磁场垂直的方向出现。半导体薄片也是霍尔元件。霍尔电压UH与通入的电流I和磁感应强度B成正比UH=KHIB。KH表示霍尔元件的灵敏度, 表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下得到的开路霍尔电压。对于某一型号的霍尔元件, KH为常数值。

霍尔元件具有尺寸小, 输出信号大, 输出电阻小等优点, 在很多场合, 给测试工作带来很多方便。

2 霍尔传感器及分类

把霍尔元件、温度补偿电路、放大器及电源等做在一个芯片上然后封装起来就构成了霍尔传感器。霍尔传感器有线型、开关型之分。构成二者的基础元件中都有霍尔元件。其中, 开关型霍尔传感器的一个特殊形式是锁键型霍尔传感器。用于交直流电流和电压测量的线性霍尔传感器可分为开环式和闭环式两种。闭环式霍尔传感器还有一种名称, 叫做“零磁通霍尔传感器”。线型霍尔传感器与开关型霍尔传感器的组成元件见表1。

3 开关型霍尔传感器

如图1所示, 其中Bop为工作点“开”的磁感应强度, Brp为释放点“关”的磁感应强度。当外加磁感应强度大于动作点Bop时, 传感器输出低电平;当磁感应强度小于动作点Bop时, 传感器输出电平为恒定值;当磁感应强度降至释放点Br P时, 传感器由低电平跃变为高电平。Bop与Brp之间的滞后提高了开关动作的可靠性。利用这一特性, 开关型霍尔传感器常用来测量转速及进行液位控制等。

4 霍尔传感器测量转速的原理

在控制电流I恒定的条件下, 霍尔器件所处磁场的磁感应强度大小突变时, 输出电压也突变, 相当于产生一个脉冲信号。单位时间内脉冲数与转速对应, 构成数字量传感器。霍尔传感器测量转速的原理详见图2。由图2可知, 系统实则通过霍尔开关测转速。待测转盘上有小磁钢, 小磁钢的对数与分辨率呈正比关系。在小磁钢附近固定霍尔开关。待测转盘以角速度W旋转。小磁钢转过霍尔开关时, 霍尔开关会产生脉冲。待测物体的转速可通过所测得的单位时间内脉冲数进行判断。

5 结论

本文简单介绍了霍尔效应、霍尔元件以及霍尔传感器的基本概念, 重点介绍了霍尔传感器在转速测量中的应用。实验结果表明, 相对机械式转速计测转速和闪光测转速法, 由霍尔传感器构成的数字式转速测量系统对转速的测量精度较高。

参考文献

[1]熊诗波, 黄长艺.机械工程测试技术基础 (第3版) [M].机械工业出版社.

[2]陈瑞阳, 田宏宇.机械工程检测技术 (第三版) [M].高等教育出版社.

汽车转速传感器的工作原理及测量方法 第6篇

关键词 电子汽车衡 称重传感器 工作原理 技术故障 解决方法

一、前言

电子汽车衡是一种利用力—电变换原理将非电量的重力转变为电量的称重设备。而能实现这一目的的关键装置就是称重传感器（ 即被称为一次仪表元件） ，它处于称重台面的着力支点上， 必须具有良好的刚度、强度、抗疲劳等机械性能，并承载着台面所受负载的合力。目前普遍采用电阻应变式称重传感器。

二、称重传感器的工作原理

弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。

1.电阻应变片。电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。它的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。

设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：

当它的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。

对式（2-1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有：

用式（2-1）去除式（2-2）得到ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L - ΔS/S （2-3）

另外，我们知道导线的横截面积S = πr2，则 Δs = 2πr×Δr，所以

从材料力学我们知道：

其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。

把式（2-4）（2-5）代入（2-3），有

式（2-6））说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。

需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7-3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。

在材料力学中，ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便。常常把它的百万分之一作为单位，记作με。这样，式（2-6）常写作：

2.弹性体。弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变棗电信号的转换任务。

以托利多公司的SB系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。

设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。

其中：Q-截面上的剪力；E-扬氏模量：μ-泊松系数；B、b、H、h-为梁的几何尺寸。

需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状态。

3.检测电路。检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。称重传感器均采用全桥式等臂电桥。

三、称重传感器常见技术故障及解决方法

l.由于称重不当使传感器受损。（1）被称车辆（ 或物体） 严重超载。（2）在称重过程中产生撞击，此时物体自身重量加上因重力下坠而产生的动能使物体在接触称重平台时产生的撞击力大大超过传感器的额定载荷， 导致传感器受损。

解决的方法：（1）必须严禁超负荷称量。（2）为称重平台安装减震或防撞击保护装置。（3）增加称重传感器的额定载荷， 电子汽车衡器使用中时有出现丢车、测量不准的现象，多数是由于称重传感器发生的故障引起的。确认是传感器故障后，可通过更换传感器使动态衡 恢复正常工作。

2.由于选用传感器密封方式不当，使传感器受损。电子汽车衡器经常在恶劣环境下使用，如果使用了密封性能较差的传感器，由于工业粉尘、各类腐蚀性介质等因素的影响， 极易使电阻应变片的阻值发生改变， 使得称量结果产生误差。 此时可用数字万用表对传感器的输入、输出阻抗进行测量。当测量值与产品提供的技术参数或合格证书所标示值的偏差较大时，即可认定该传感器已损坏，此时应更换密封性能优良的传感器（ 如选用硅胶密封方式甚至焊接密封方式的称重传感器） 。

3.由于受潮使称量时产生偏差。当传感器受潮后，显示仪表经常出现无法自动回零，数字来回变动等现象。用手动进行复零后，仍会出现数字跳动现象，在空称状态下跳动的数字在某区间范围内无规律波动。当用万用表对其输入、输出阻抗进行测量时，测量值却并不超差， 此时可按下述方法进行判断处理：

（1） 拆下所有称重传感器，将其逐一单独进入测量电路，空秤状态下，未受潮的传感器会立即自动回零且显示值稳定。而受潮后的传感器就可能出现数字跳动，无法回零等现象。手动回零后，上述现象又会重复出现。

（2）若上述方法仍无法判断时，可采用标准计量法进行分辨，方法是用标准砝码（ 或标准比对物） 对所有传感器逐一进行载荷标定。未受潮的传感器所显示的测量值即为逐渐加载的标准砝码值，而受潮后的传感器显示的测量值会与标准砝码（ 或比对物） 值产生较大的偏差（ 汽车衡或轨道衡出现显示偏差般≤5 t ） 。故在易受潮的场所除选用合适的密封方式外， 在安装之前先用黄油涂抹整个传感器，当所有传感器安装完毕，有必要对传感器与安装基座接触处、接线口、接线盒缝等易受潮处涂抹黄油进行彻底密封。

4.其他因素的影响。由于客观环境 的制约，许多电子衡器 （ 特别是大型电子轨道衡） 的电源线、信号线、屏蔽线、接地线等通过穿线管与传感器与显示器进行连接，有时穿线管道必须埋设在地下，而雨水的作用易使导线短路、断路及接地现象。各线路间的绝缘性能降低，也会对称重测量产生一定的误差。

摘 要 电子汽车衡是一种利用力—电变换原理将非电量的重力转变为电量的称重设备，而能实现这一目的的关键装置就是称重传感器（ 即被称为一次仪表元件） ，它处于称重台面的着力支点上， 必须具有良好的刚度、强度、抗疲劳等机械性能。

关键词 电子汽车衡 称重传感器 工作原理 技术故障 解决方法

一、前言

电子汽车衡是一种利用力—电变换原理将非电量的重力转变为电量的称重设备。而能实现这一目的的关键装置就是称重传感器（ 即被称为一次仪表元件） ，它处于称重台面的着力支点上， 必须具有良好的刚度、强度、抗疲劳等机械性能，并承载着台面所受负载的合力。目前普遍采用电阻应变式称重传感器。

二、称重传感器的工作原理

弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。

1.电阻应变片。电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。它的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。

设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：

当它的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。

对式（2-1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有：

用式（2-1）去除式（2-2）得到ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L - ΔS/S （2-3）

另外，我们知道导线的横截面积S = πr2，则 Δs = 2πr×Δr，所以

从材料力学我们知道：

其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。

把式（2-4）（2-5）代入（2-3），有

式（2-6））说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。

需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7-3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。

在材料力学中，ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便。常常把它的百万分之一作为单位，记作με。这样，式（2-6）常写作：

2.弹性体。弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变棗电信号的转换任务。

以托利多公司的SB系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。

设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。

其中：Q-截面上的剪力；E-扬氏模量：μ-泊松系数；B、b、H、h-为梁的几何尺寸。

需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状态。

3.检测电路。检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。称重传感器均采用全桥式等臂电桥。

三、称重传感器常见技术故障及解决方法

l.由于称重不当使传感器受损。（1）被称车辆（ 或物体） 严重超载。（2）在称重过程中产生撞击，此时物体自身重量加上因重力下坠而产生的动能使物体在接触称重平台时产生的撞击力大大超过传感器的额定载荷， 导致传感器受损。

解决的方法：（1）必须严禁超负荷称量。（2）为称重平台安装减震或防撞击保护装置。（3）增加称重传感器的额定载荷， 电子汽车衡器使用中时有出现丢车、测量不准的现象，多数是由于称重传感器发生的故障引起的。确认是传感器故障后，可通过更换传感器使动态衡 恢复正常工作。

2.由于选用传感器密封方式不当，使传感器受损。电子汽车衡器经常在恶劣环境下使用，如果使用了密封性能较差的传感器，由于工业粉尘、各类腐蚀性介质等因素的影响， 极易使电阻应变片的阻值发生改变， 使得称量结果产生误差。 此时可用数字万用表对传感器的输入、输出阻抗进行测量。当测量值与产品提供的技术参数或合格证书所标示值的偏差较大时，即可认定该传感器已损坏，此时应更换密封性能优良的传感器（ 如选用硅胶密封方式甚至焊接密封方式的称重传感器） 。

3.由于受潮使称量时产生偏差。当传感器受潮后，显示仪表经常出现无法自动回零，数字来回变动等现象。用手动进行复零后，仍会出现数字跳动现象，在空称状态下跳动的数字在某区间范围内无规律波动。当用万用表对其输入、输出阻抗进行测量时，测量值却并不超差， 此时可按下述方法进行判断处理：

（1） 拆下所有称重传感器，将其逐一单独进入测量电路，空秤状态下，未受潮的传感器会立即自动回零且显示值稳定。而受潮后的传感器就可能出现数字跳动，无法回零等现象。手动回零后，上述现象又会重复出现。

（2）若上述方法仍无法判断时，可采用标准计量法进行分辨，方法是用标准砝码（ 或标准比对物） 对所有传感器逐一进行载荷标定。未受潮的传感器所显示的测量值即为逐渐加载的标准砝码值，而受潮后的传感器显示的测量值会与标准砝码（ 或比对物） 值产生较大的偏差（ 汽车衡或轨道衡出现显示偏差般≤5 t ） 。故在易受潮的场所除选用合适的密封方式外， 在安装之前先用黄油涂抹整个传感器，当所有传感器安装完毕，有必要对传感器与安装基座接触处、接线口、接线盒缝等易受潮处涂抹黄油进行彻底密封。

4.其他因素的影响。由于客观环境 的制约，许多电子衡器 （ 特别是大型电子轨道衡） 的电源线、信号线、屏蔽线、接地线等通过穿线管与传感器与显示器进行连接，有时穿线管道必须埋设在地下，而雨水的作用易使导线短路、断路及接地现象。各线路间的绝缘性能降低，也会对称重测量产生一定的误差。

摘 要 电子汽车衡是一种利用力—电变换原理将非电量的重力转变为电量的称重设备，而能实现这一目的的关键装置就是称重传感器（ 即被称为一次仪表元件） ，它处于称重台面的着力支点上， 必须具有良好的刚度、强度、抗疲劳等机械性能。

关键词 电子汽车衡 称重传感器 工作原理 技术故障 解决方法

一、前言

电子汽车衡是一种利用力—电变换原理将非电量的重力转变为电量的称重设备。而能实现这一目的的关键装置就是称重传感器（ 即被称为一次仪表元件） ，它处于称重台面的着力支点上， 必须具有良好的刚度、强度、抗疲劳等机械性能，并承载着台面所受负载的合力。目前普遍采用电阻应变式称重传感器。

二、称重传感器的工作原理

弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。

1.电阻应变片。电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。它的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。

设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：

当它的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。

对式（2-1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有：

用式（2-1）去除式（2-2）得到ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L - ΔS/S （2-3）

另外，我们知道导线的横截面积S = πr2，则 Δs = 2πr×Δr，所以

从材料力学我们知道：

其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。

把式（2-4）（2-5）代入（2-3），有

式（2-6））说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。

需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7-3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。

在材料力学中，ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便。常常把它的百万分之一作为单位，记作με。这样，式（2-6）常写作：

2.弹性体。弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变棗电信号的转换任务。

以托利多公司的SB系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。

设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。

其中：Q-截面上的剪力；E-扬氏模量：μ-泊松系数；B、b、H、h-为梁的几何尺寸。

需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状态。

3.检测电路。检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。称重传感器均采用全桥式等臂电桥。

三、称重传感器常见技术故障及解决方法

l.由于称重不当使传感器受损。（1）被称车辆（ 或物体） 严重超载。（2）在称重过程中产生撞击，此时物体自身重量加上因重力下坠而产生的动能使物体在接触称重平台时产生的撞击力大大超过传感器的额定载荷， 导致传感器受损。

解决的方法：（1）必须严禁超负荷称量。（2）为称重平台安装减震或防撞击保护装置。（3）增加称重传感器的额定载荷， 电子汽车衡器使用中时有出现丢车、测量不准的现象，多数是由于称重传感器发生的故障引起的。确认是传感器故障后，可通过更换传感器使动态衡 恢复正常工作。

2.由于选用传感器密封方式不当，使传感器受损。电子汽车衡器经常在恶劣环境下使用，如果使用了密封性能较差的传感器，由于工业粉尘、各类腐蚀性介质等因素的影响， 极易使电阻应变片的阻值发生改变， 使得称量结果产生误差。 此时可用数字万用表对传感器的输入、输出阻抗进行测量。当测量值与产品提供的技术参数或合格证书所标示值的偏差较大时，即可认定该传感器已损坏，此时应更换密封性能优良的传感器（ 如选用硅胶密封方式甚至焊接密封方式的称重传感器） 。

3.由于受潮使称量时产生偏差。当传感器受潮后，显示仪表经常出现无法自动回零，数字来回变动等现象。用手动进行复零后，仍会出现数字跳动现象，在空称状态下跳动的数字在某区间范围内无规律波动。当用万用表对其输入、输出阻抗进行测量时，测量值却并不超差， 此时可按下述方法进行判断处理：

（1） 拆下所有称重传感器，将其逐一单独进入测量电路，空秤状态下，未受潮的传感器会立即自动回零且显示值稳定。而受潮后的传感器就可能出现数字跳动，无法回零等现象。手动回零后，上述现象又会重复出现。

（2）若上述方法仍无法判断时，可采用标准计量法进行分辨，方法是用标准砝码（ 或标准比对物） 对所有传感器逐一进行载荷标定。未受潮的传感器所显示的测量值即为逐渐加载的标准砝码值，而受潮后的传感器显示的测量值会与标准砝码（ 或比对物） 值产生较大的偏差（ 汽车衡或轨道衡出现显示偏差般≤5 t ） 。故在易受潮的场所除选用合适的密封方式外， 在安装之前先用黄油涂抹整个传感器，当所有传感器安装完毕，有必要对传感器与安装基座接触处、接线口、接线盒缝等易受潮处涂抹黄油进行彻底密封。

汽车转速传感器的工作原理及测量方法 第7篇

在测量与仪器仪表、精密制造和工业控制等领域中, 对于机械转轴的转速的精密测量要求十分苛刻。在这些要求的推动下, 人们研究并发展了各种转速监控技术, 如:机械传动法、霍尔效应法、电磁感应式、光电法等。由于光电式测速法相对其它方法优势比较明显, 因而被用在各种转速监测和控制领域。本设计采用的是一种穿透式的光电测量方法, 将高速转盘的转速转变为周期性的脉冲电信号, 再经过模拟放大、滤波和共轭边界检出电路[1,2]一系列处理后传递到FPGA数字电路, 然后在FPGA中进行数字相移式高精度脉冲宽度测量[3], 经处理后最终结果显示在液晶上。下面将详细介绍此光电系统的设计原理以及实现的具体细节。

1 系统方案设计

为了实现对高速电机的转速测量, 将系统设计分为三部分。第一部分是穿透式光电发射与接收单元。采用激光发射红色激光束, 通过高速电机转盘的小孔, 高灵敏度的光电管接收到激光束, 经过光电转换, 输出电流脉冲, 这样, 电机每转一圈就能输出一个电流脉冲, 从而形成周期性的电流脉冲第二部分是模拟电路单元。首先将电流脉冲信号转换成电压脉冲信号, 然后对微弱的电压脉冲信号进行放大便于检测, 为了滤掉信号中的一些高频成分, 还要加上模拟滤波电路, 最后再用共轭边界检出电路将刚才模拟的电压脉冲信号转换成数字电压脉冲信号。第三部分是FPGA数字电路单元。数字电路接收到电压脉冲, 利用FPGA结合Verilog HDL编程实现数字相移式的脉宽测量[3], 软件实现环境是ISEv9.1i[4], 通过计算处理得到转速并显示到液晶上。下面是系统的结构框图。

2系统设计的具体实现

2.1穿透式光电发射与接收单元

设计采用的激光器是半导体红光激光器, 输出波长为650 nm, 功率5 mW—100 mW, 激光束光斑为:3 m内≦Φ1 mm。光电二极管是采用能接收650 nm红光的硅光二极管。使用红光激光本身对人体产生的伤害小, 安全性高。对于转速的测量, 设计采用穿透式测量法。在高速电机的转盘上打一小孔, 小孔的直径大小要视光斑的大小和激光器离转盘的距离而定, 确保直径的大小至少大于光斑的直径。按照激光束的光斑参数, 在转盘上穿孔的直径为1 mm。然后将激光器发出的激光、转盘的小孔和硅光二极管放在同一水平线上以便于良好的接收激光束。因此, 每当转盘转动一圈, 硅光二极管就产生一次微弱的电流脉冲输出, 而电流脉冲的周期正好能够反映出转盘的转速。

2.2模拟处理电路单元

该单元电路包括两部分:光电流检测电路和信号检出电路。首先, 光电流检测电路将光电二极管输出的微安级微弱电流转换为电压信号, 采用差分二级放大电路对电压信号进行放大处理, 在输出端加上一个5 V的稳压管, 得到我们所需要的电压值5 V左右。AD622是采用通用的运算放大器与高精度电阻组合构成的性能优良的放大器, 可以与高精度运算放大器与高精度电阻构成的差动放大电路的特性想比拟。差摸增益的设定范围为 (1—1 000) 倍。图2为光电流检测电路。

为了更加准确地测量出光电流检测电路输出的电压信号, 必须检测出信号由高电平到低电平下降时间, 从而方便测量。本系统采用共轭信号边界检出电路[1,2], 克服了标准电平法与二次微分法在动态特性方面的不足, 检出精度有效地提高。电路图3所示。

在上述电路中, 放大器U1A与U1B及与之相连的电阻元件分别组成了信号及参考信号放大单元, 二极管与电容部分是半峰值电压取样单元。信号Vi与参考信号Vr互为共轭反相关系, 分别连接到比较器U2A的正负两端, 比较器件输出是与扫描信号宽度对应的矩形信号。电路仿真波形如图4所示。

2.3FPGA数字处理电路

2.3.1 基于FPGA的高精度脉冲计数

经过模拟电路单元处理, 最终得到数字电压脉冲信号, 对数字电压信号的脉冲宽度进行测量, 采用数字移相技术来提高脉宽测量精度的思路并使用FPGA实现系统[3]。测量原理图如图5。

原始时钟信号CLK0通过移相后得到CLK90, CLK180, CLK270, 相位依次相差90度, 用这四路时钟信号同时驱动四个相同的计数器对待测信号进行计数。设时钟频率为f0, 时钟周期T0, 四个计数器的计数值分别为n1, n2, n3和n4, 则最后脉宽测量值为:

${\rm T}=\frac{(n{}_1+n{}_2+n{}_3+n{}_4){\rm T}{}_0}{4}(\text{s})$ (1)

因此转速 ω= (1/T) 60 (r/min) (2)

可以看到, 这种方法实际等效于将原始计数时钟四倍频, 以4f0的时钟频率对待测信号进行计数测量, 从而可以将精度提高到原来的四倍。误差也减小到原来的四分之一。

本系统采用XILINX公司的XC3S500E型号FPGA来实现, 其内部有50万门电路, 晶振频率为50MHz, 对于实现上述功能绰绰有余, 且其内部自带CLKDLL模块[5,6], 可以精确地产生相位为0, 90, 180, 270的时钟脉冲。图6给出CLKDLL模块 (图6 (a) ) 和移相时钟计数电路结构 (右图6 (b) ) 。

在图6 (b) 中, 原始时钟通过CLKDLL处理后得到的相位依次相差为90度的四路时钟输出为CLK0, CLK90, CLK180, 和CLK270, 它们分别作为四个相同的16位计数器的计数时钟, 待侧信号连接计数器的使能端, 同时控制四个计数器的启动与停止。有了各计数器的计数结果, 再通过加法器得到累加的计数个数, 最后计算出信号脉宽值。

在ISE中编写Verilog HDL程序生成移相时钟信号, 其仿真实现波形如图7。

2.3.2 FPGA脉冲测量和显示控制

设计中采用FPGA电路是Xilinx SPARTAN-3E Starter电路板。为了实现FPGA测量共轭边界检测电路输出的数字电压信号, 首先, 在ISE v9.0i中编写Verilog HDL程序[7,8], 程序结构图如图8。

程序包含一个顶层模块和三个子模块。第一个子模块是CLKDLL的IP核实例化, 形成四路移相时钟信号输出;第二个子模块实现在四路移相时钟信号下数字电压脉冲信号的测量, 分别得到四个计数。第三个子模块是液晶显示, 利用状态机程序实现在液晶中显示字符。在顶层模块中, 调用子模块, 计算最终的测量转速值, 在为了便于更加直观的观察转盘的转速, 需将计数的结果利用公式 (1) 和公式 (2) 进行计算转换成转速, 并四舍五入化为整数, 得到转盘的转速 (r/min) , 控制液晶显示。此外, 还可以通过RS232接口使FPGA与PC机通信, 将测量的转速传到PC上, 以便于后续的设计与研究。

3设计的结果

由FPGA数字处理电路, 加上基于ISE运行环境的Verilog HDL程序, 可以得到对于电压脉宽信号的相移计数脉冲的个数总和, 下表1是对高速电机转速的一些测量结果。

从表1看出, 在FPGA工作在50 MHz时, 计算出来的实测转速与转盘的转速标称值之间的误差都小于0.15 r/min, 即实测值与标称值十分接近。因此, 可以利用Verilog HDL编程实现四舍五入, 最终得到的转速测量值和标称值是一样的。这种方法简单易行, 可以很大程度上滤掉可以忽略不计的误差。但是同时也要注意, 若误差超过0.5 r/min时, 此方法只会产生更大的误差1 r/min。

4结束语

结合穿透式光电传感检测, 以及FPGA数字相移测量脉宽方法最终实现高精度的转速的测量。此测量方法相对于以往的反射式光量测量[9,10]的精度有较大的提高。若需进一步提高测量的精度, 可以继续提高FPGA晶振的频率, 寻求更快的FPGA芯片。同时需要进一步优化模拟处理电路, 选取反应更快、光电特性更好的硅光二极管等等。从整体上看, 该设计有较好的实用性, 适用于一般的高速场合。此外, 还可以利用FPGA强大的处理能力对该设计进行扩展, 比如可以实现FPGA对电机的转速控制, 或者FPGA与PC进行通信实现联机控制等。

摘要：利用光电式测量的抗干扰性好、反应快、灵敏度高、精度高、可测范围宽的优点, 对高速转轴的转速进行更精准的测量。激光器将转轴的转速参数转换成周期性的光信号, 然后高速硅光电二极管将接收的光信号转换为电流信号, 经模拟电路处理得到数字电压脉冲信号, 再利用基于FPGA数字移相技术的高精度脉宽测量方法对数字电压脉冲信号进行测量, 处理后最终得到转速的精确结果并显示在液晶屏幕上。试验结果表明, 测量结果准确度高, 稳定性好, 适用于一般的高速测量场合。

关键词：光电式,共轭边界检出,FPGA,数字移相

参考文献

[1]田耘, 徐文波.Xilinx FPGA开发实用教程.北京:清华大学出版社, 2008

[2]孙航, 胡灵博, 于联锋.Xilinx可编程逻辑器件应用与系统设计.北京:电子工业出版社, 2008

[3]王金明.Verilog HDL程序设计教程.北京:人民邮电出版社, 2004

[4]夏宁闻.Verilog数字系统设计教程.北京:北京航空航天大学出版社, 2003

[5]褚振勇, 翁木云.FPGA设计及应用.西安:西安电子科技大学出版社, 2002

[6]马国欣.激光扫描测量直径.光电工程, 2004;31 (2) :44—47

[7]谢登科, 徐端颐, 齐国生, 等.基于数字移相的高精度脉宽测量系统及其FPGA实现[J].自动化与仪器仪表, 2004, 25 (2) :27—29

[8]党君礼, 刘百玉, 欧阳娴, 等.基于FPGA的新型光电转速监测系统设计.红外与激光工程, 2008;37 (增刊) :216—219

[9]赵毅强, 姚秋果, 常岩.基于FPGA的主泵转速监测系统的研发.核电子学与探测技术, 2007;27 (2) :40—44

[10]余瑞锋, 江维金.基于FPGA的柴油机瞬时转速采集与诊断系统的设计.电子测量技术, 2009, 32 (5) :165—168

汽车转速传感器的工作原理及测量方法 第8篇

关键词：应用光学,激光位移传感器,应用研究,展望

激光器作为一种新型光源, 与普通光源有显著的不同。它利用受激发射原理和激光腔的滤波效应, 使所发光波具有一系列新的特点。激光检测技术是最先进、应用最广泛的检测技术之一。可实现高精度、高效率、非接触在线检测。在科学研究、工业生产、空间技术、国防等领域得到了广泛应用, 是一种非常先进的测量技术。基于三角测量法的激光位移传感器近年来得到了快速发展, 在零件的尺寸测量, 三维轮廓测量, 产品质量检测等领域极大地提高了测量效率和精度[1,2,3]。利用激光位移传感器对零件进行非接触式测量是光学精密测量领域的重要研究内容, 对激光位移传感器的测量原理和应用研究作简要阐述。

1 激光位移传感器的测量原理

激光位移传感器采用激光三角法测量原理测量系统发出的激光束经过聚焦后照射到被测物体表面, 经漫反射后光线由成像透镜成像到光敏元件接受面上, 通过光电转换器转换为电信号, 电信号的输出大小仅与被测点的位置有关, 当测点高度发生变化, 像点位置随之改变, 引起传感器输出信号发生变化。该传感器可与快速的反馈跟踪系统配合使用, 能够准确快速地测出表面的形状与轮廓。它克服了接触式检测中的诸多缺点, 既提高了检测速度, 又保护了被测工件表面免受划伤及防止测量头变形。

图1为激光位移传感器的原理, 用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面, 然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像, 物体表面激光照射点的位置不同, 所接受散射或反射光线的角度也不同, 用CCD或PSD (位敏探测器) 测出光斑像的位置, 即可计算出物体表面激光照射点的位置。当物体沿激光线方向发生移动时, 测量结果则将发生改变, 从而实现用激光测量物体的位移。

2 激光位移传感器的应用研究进展

高精度激光位移传感器基本的应用有诸如对偏移、间隙、厚度、弯曲、变形、尺寸、公差测量及生产过程质量控制和尺寸检验等[1,2,3]。但随着计算机技术的发展, 学者们已经研究的另一些更复杂的形貌测量技术, 利用激光位移传感器测量工件上点的二维坐标, 从而实现物体形状的高精度测量。通过一维电位移平台带动激光位移传感器扫描物体的表面, 然后对测量的数据进行处理, 进而得到物体的表面形貌。根据被测物体表面情况以及所要求的测量精度, 可以选择不同参数的激光位移传感器实现测量[4,5]。

由于激光三角位移传感器属于非接触测量, 因此对被测材料无特殊要求, 既可测金属材料, 也可测

孙渝平等在对充分应用激光、计算机等先进技术于公路路面平整度和车辙快速、连续、自动检测的原理、方法和实现技术开展了深入系统研究的基础之上, 根据路面检测的实际需要, 集成路面平整度和车辙两项重要指标的检测功能, 研究开发了多功能激光路面检测系统, 用于高等级公路路面平整度和路面车辙的快速、自动检测。

计算机在测量中的应用, 使得激光位移传感器在动态扫描测量方面也有长足的发展。文献[9]介绍了基于激光位移传感器与电涡流位移传感器的位移差动法在线检测纸坯厚度的原理及测量系统的软硬件设计, 该测量原理完全消除了造纸机卷纸滚筒的径向跳动对测量结果的影响, 通过对各个传感器标定, 并采用最小二乘法线性拟合标定数据, 进一步提高系统的测量精度。万真真等人采用双激光器实时深度测量系统对锌合金标准样品进行了溅射深度的实时测量, 给出了实时深度测量曲线。通过将溅射面测量曲线与参考面曲线进行叠加, 得到了样品溅射坑深度的实际值[10]。文献[11]分析了数控机床误差源和各误差项目的归类, 在此基础上使用Renishaw激光干涉仪和高精度位移传感器实现了机床线性定位误差和主轴热误差的测量和数据分析。

3 展望

激光位移传感器主要应用在高灵敏度、高精度的位移、角度、同轴度的非接触测量与校准领域。随着工业生产的发展, 激光位移传感器将向着高速度、高精度、多功能、多参数、小尺寸的方向发展。它将在机器视觉、自动加工、工业在线检测、产品质量控制、实物仿形、生物医学等领域具有重要的意义和广阔的应用前景。

参考文献

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[2]赵辉, 张海波, 陶卫.激光三角位移传感器分辨率不均匀性分析与参数优化[J].红外与激光工程, 2008, 37 (4) :37-38.

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[10]万真真, 李小佳, 王永清, 等.一种用于辉光放电光谱深度分析的激光实时测量新方法[J].光谱学与光谱分析, 2011, 31 (9) :2536-2541.