速度傳感器

傳感器（sensor）是一種將非電量（如速度、壓力）的變化轉變為電量變化的原件，根據轉換的非電量不同可分為壓力傳感器、速度傳感器、温度傳感器等，是進行測量、控制儀器及設備的零件、附件。 ^[1] 

在機器人自動化技術中，旋轉運動速度測量較多，而且直線運動速度也經常通過旋轉速度間接測量。例如：測速發電機可以將旋轉速度轉變成電信號，就是一種速度傳感器。測速機要求輸出電壓與轉速間保持線性關係，並要求輸出電壓陡度大，時間及温度穩定性好。測速機一般可分為直流式和交流式兩種。直流式測速機的勵磁方式可分為他勵式和永磁式兩種，電樞結構有帶槽的、空心的、盤式印刷電路等形式，其中帶槽式最為常用。

隨着現今精密製造業的崛起和節省成本的需求，非接觸測速傳感器會慢慢取接觸式測速傳感器。而現在市場上精度較高、最常用的非接觸激光測速傳感器就是ZLS-Px像差測速傳感器。像差測速傳感器有兩個端口：一個發射端口，發出LED光源；一個是高速拍照端口，實現CCD面積高速成像對比，通過在極短時間內的兩個時間的圖像對比，分辨被測物體移動的距離，結合傳感器內部的算法，實時輸出被測物體的速度。如圖所示，①LED光發射口，②攝像接收口，③、④接線端，⑤固定螺孔 。①LED光發射口對着被測物發射出激光，經反射到②攝像接收口，接收到信號後傳給信號處理器，通過算法計算出它的速度。

ZLS-Px像差測速傳感器能同時測量兩個方向的速度、長度，不但能覺察被測體是否停止，而且能覺察被測體的運動方向。將傳感器固定在穩定的支架上，確保轉動物體轉動過程不會產生過大的振動，從而能測出轉動被測體的轉角和轉速。

傳統的測速大多以旋轉式運動速度測量和直線運動速度測量，但現實工業自動化中有不少非規律性的測速，比如運動員運動測速，交通車輛測速，高爾夫球速測量等情況下，雷達測速傳感器可以滿足這些要求。

旋轉式速度傳感器按安裝形式分為接觸式和非接觸式兩類。

接觸式旋轉式速度傳感器與運動物體直接接觸。當運動物體與旋轉式速度傳感器接觸時，摩擦力帶動傳感器的滾輪轉動。裝在滾輪上的轉動脈衝傳感器，發送出一連串的脈衝。每個脈衝代表着一定的距離值，從而就能測出線速度。

接觸式旋轉速度傳感器結構簡單，使用方便。但是接觸滾輪的直徑是與運動物體始終接觸着，滾輪的外周將磨損，從而影響滾輪的周長。而脈衝數對每個傳感器又是固定的。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償電路。另外接觸式難免產生滑差，滑差的存在也將影響測量的正確性。

非接觸式旋轉式速度傳感器與運動物體無直接接觸，非接觸式測量原理很多，以下僅介紹兩點，供參考。

[1].光電流速傳感器

葉輪的葉片邊緣貼有反射膜，流體流動時帶動葉輪旋轉，葉輪每轉動一週光纖傳輸反光一次，產生一個電脈衝信號。可由檢測到的脈衝數，計算出流速。

[2].光電風速傳感器

風帶動風速計旋轉，經齒輪傳動後帶動凸輪成比例旋轉。光纖被凸輪輪盤遮斷形成一串光脈衝，經光電管轉換成定信號，經計算可檢測出風速。

非接觸式旋轉速度傳感器壽命長，無需增加補償電路。但脈衝當量不是距離整數倍，因此速度運算相對比較複雜。

旋轉式速度傳感器的性能可歸納如下：

(1).傳感器的輸出信號為脈衝信號，其穩定性比較好，不易受外部噪聲干擾，對測量電路無特殊要求。

(2).結構比較簡單，成本低，性能穩定可靠。功能齊全的微機芯片，使運算變換系數易於獲得，故速度傳感器應用極為普遍。

(1)光電式車速傳感器--由帶孔的轉盤兩個光導體纖維，一個發光二極管，一個作為光傳感器的光電三極管組成。一個以光電三極管為基礎的放大器為發動機控制電腦或點火模塊提供足夠功率的信號，光電三極管和放大器產生數字輸出信號(開關脈衝)。發光二極管透過轉盤上的孔照到光電二極管上實現光的傳遞與接收。

(2)磁電式車速傳感器--模擬交流信號發生器，產生交變電流信號，通常由帶兩個接線柱的磁芯及線圈組成。磁組輪上的逐個齒輪將產生一一對應的系列脈衝，其形狀是一樣的。輸出信號的振幅與磁組輪的轉速成正比(車速)，信號的頻率大小表現於磁組輪的轉速大小。發動機控制電腦或點火模塊正是靠這個同步脈衝信號來確定觸發電火時間或燃油噴射時刻的。

磁電式轉速傳感器，主要是利用磁阻元件來做轉速測量的。磁阻元件有一個特性，就是其阻抗值會隨着磁場的強弱而變化。通常磁電式傳感器內裝有磁性鐵，使傳感器預先帶有一定的磁場，當金屬的檢測齒輪靠近傳感元件時，齒輪的齒頂與齒谷所產生的磁場變化使得傳感元件的磁阻抗也跟着變化。但是磁阻元件的阻抗值隨温度變化很大，用一個磁阻元件測量轉速時，温漂影響非常厲害，這使磁阻元件的應用受到很大的限制。可是我們小野測器的傳感器卻不同，它採用了2個磁阻元件，不僅補償了温度的影響，還大大地增強了傳感器的靈敏度。 ^[2] 

^[2] 

上圖所示是磁電式轉速傳感器的原理圖，由兩個磁阻元件和兩個電阻構成的電橋迴路，其差動輸出信號即檢測信號被取出後直接送到DC放大器進行放大。這裏簡單地把框圖再説明一下。為了調整兩個磁阻元件的阻抗差異，電橋迴路裏還加入了可調電位器作為阻抗的平衡調整。平衡電橋的輸出接DC放大器。若檢測用齒輪採用漸開線齒輪時，輸出波形幾乎和正弦波差不離。信號經過放大後，被送到整形回u路進行整形，使其變成上沿和下沿跳變得更快的矩形波。輸出迴路採用集電極輸出，輸出阻抗約為330Ω左右。指示器LED會隨着輸出波形的Hi、Lo變換而點滅。整個電路由5V電壓驅動，電路內有5V電壓輸出的執行器。電源的輸入電壓與其他傳感器相同，為DC12V±2V。磁阻元件被封裝在傳感器的頂端，考慮到安裝時有方向性，所以在傳感器上標有位置對準的記號。 ^[2] 

(3)霍爾式車速傳感器--它們主要應用在曲軸轉角和凸輪軸位置上，用於開關點火和燃油噴射電路觸發，它還應用在其它需要控制轉動部件的位置和速度控制電腦電路中。由一個幾乎完全閉合的包含永久磁鐵和磁極部分的磁路組成，一個軟磁鐵葉片轉子穿過磁鐵和磁極間的氣隙，在葉片轉子上的窗口允許磁場不受影響的穿過併到達霍爾效應傳感器，而沒有窗口的部分則中斷磁場。

(4)車輪轉速傳感器—檢測車輪轉速並將檢測結果輸出ECU，主要是的作用是在汽車制動的控制和驅動控制這兩方面;

(5)發動機轉速傳感器---檢測發動機的轉速，通常利用曲軸位置傳感器來檢測發動機的轉速並輸出來實現的。用於燃油噴射量、點火提前角、動力傳動控制等;

(6)減速傳感器---其主要的是要檢測汽車在減速的時候的減速速度，也是將這個信號回傳到ECU，汽車制動的控制和驅動控制這兩方面。

(7)車速傳感器---通常是直接或者間接檢測汽車輪胎的轉速來來獲得的，主要是體現在我們可以在汽車行駛的時候可以知道自己的行駛的車速。

（8）旋轉式速度傳感器的結構和特徵

旋轉式速度傳感器按安裝形式分為接觸式和非接觸式兩類。

（9）接觸式旋轉速度傳感器結構簡單，使用方便，因此傳感器使用中必須施加一定的正壓力或着滾輪表面採用摩擦力系數大的材料，儘可能減小滑差。

諮詢公司INTECHNOCONSULTING的傳感器市場報告顯示，2008年全球傳感器市場容量為506億美元，預計2010年全球傳感器市場可達600億美元以上。調查顯示，東歐、亞太區和加拿大成為傳感器市場增長最快的地區，而美國、德國、日本依舊是傳感器市場分佈最大的地區。就世界範圍而言，傳感器市場上增長最快的依舊是汽車市場，佔第二位的是過程控制市場，看好通訊市場前景。

一些傳感器市場比如壓力傳感器、温度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現出成熟市場的特徵。流量傳感器、壓力傳感器、温度傳感器的市場規模最大，分別佔到整個傳感器市場的21%、19%和14%。傳感器市場的主要增長來自於無線傳感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微機電系統)傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無線傳感器在2007-2010年複合年增長率預計會超過25%。

21世紀，全球的傳感器市場在不斷變化的創新之中呈現出快速增長的趨勢。有關專家指出，傳感器領域的主要技術將在現有基礎上予以延伸和提高，各國將競相加速新一代傳感器的開發和產業化，競爭也將日益激烈。新技術的發展將重新定義未來的傳感器市場，比如無線傳感器、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與市場份額的擴大。

現代汽車上一般都裝有發動機控制、自動駕駛、ABS、TRC、自動鎖車門、主動式懸架、導向系統、電子儀表等裝置，這些裝置都需要汽車車速信號。因此，測量車運行速度傳感器的輸出信號準確性和穩定性將對這些控制單元產生極大的影響。

汽車速度傳感器多采用霍爾式結構，霍爾速度傳感器是一種基於霍爾效應的磁電傳感器，具有對磁場敏感度高、輸出信號穩定、頻率響應高、抗電磁干擾能力強、結構簡單、使用方便等特點。它主要是由特定磁極對數的永久磁鐵（一般為4或8對）、霍爾元件、旋轉機構及輸入/輸出插件等組成。其工作原理是當傳感器的旋轉機構在外驅動作用下旋轉時，會帶動永久磁鐵旋轉，穿過霍爾元件的磁場將產生週期性變化，引起霍爾元件輸出電壓變化，通過後續電路處理形成穩定的脈衝電壓信號，作為車速傳感器的輸出信號。霍爾結構的速度傳感器主要電氣技術參數包括：輸出信號高電壓、低電壓、佔空比、週期、上升時間、下降時間、週期脈衝數等，為了保證產品的性能可靠性，必須在出廠前對這些參數進行定量測試。

集成化與智能化、高效自動測量、軟件計算、圖形或數表顯示測試結果的測試系統越來越受到汽車速度傳感器生產企業的青睞。常用的霍爾式車速傳感器的性能測量而開發的一種綜合檢測裝置。基於成本考慮，利用微處理器的高速計數器端口作為車速傳感器的數據採集，利用軟件控制實現對採集數據的計算和圖形化顯示處理。完成的檢測裝置具有測試精度高、數據通信可靠、圖表化的良好用户界面、抗干擾能力強、檢測過程簡單直觀、系統開發成本低等優點，具有較好的推廣市場，因此速度傳感器將會在車輛速度檢測上有巨大應用前景。

帶式輸送機的速度傳感器採用霍爾傳感器，其主要是利用霍爾效應實現磁電轉換的一種傳感器，霍爾效應自1879年被發現至今已有100多年的發展歷史，但其應用是在本世紀50年代，由於微電子學的快速發展，才被人們所重視和推廣使用，並且不斷地開發了多種霍爾元件。我國從20世紀70年代開始加大研究霍爾元件，經過近幾十年的研究和開發，己經能生產各種性能的霍爾元件，例如：普通型、高靈敏度型、低温度係數型、測温測磁型和開關式的霍爾元件。由於霍爾傳感器的特點是靈敏度高、線性度好、穩定性高、體積小和耐高温等，所以已經廣泛應用於非電量測量自動控制、計算機裝置和現代軍事技術等各個工業領域。