傳感器原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)報(bào)告磁電式輪速傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 設(shè) 計(jì) 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告實(shí)驗(yàn)題目：磁電式輪速傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)專 業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 2011年 6月目 錄摘 要-2引 言-2第一章 傳感器的基本概念-31.1傳感器的定義-31.2傳感器的組成-31.3敏感元件的分類-41.4傳感器主要性能指標(biāo)-51.5幾種常用傳感器-6第二章 傳感器在汽車測(cè)速中的應(yīng)用-9 2.1輪速傳感器-92.2輪速信號(hào)的檢測(cè)-102.3輪速傳感器系統(tǒng)硬件-102.4信號(hào)處理電路-112.5總線通信電路-11第三章 結(jié)果預(yù)算-123.1信號(hào)處理電路-123.2傳感器信息-123.3儀表盤信息傳輸-12第四章 結(jié)論及總結(jié)-84.1結(jié)論-1

2、34.2設(shè)計(jì)心得-13參考文獻(xiàn)-13摘 要隨著社會(huì)科技的發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)化是傳感器領(lǐng)域發(fā)展的一項(xiàng)新興技術(shù)。它在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化變送。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可解決汽車電子化中的線路復(fù)雜和線束增加問題，在汽車電控中采用網(wǎng)絡(luò)化傳感器是一個(gè)發(fā)展方向。本設(shè)計(jì)介紹一種基于can總線的汽車輪速傳感器的設(shè)計(jì)方法及有關(guān)芯片的功能,設(shè)計(jì)研究了輪速傳感器信號(hào)處理電路并用單片微機(jī)進(jìn)行信號(hào)的采集和處理。所設(shè)計(jì)的傳感器測(cè)速系統(tǒng)測(cè)量，其有實(shí)用性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景。引 言 目前，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是汽車電子領(lǐng)域發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)。它不僅是解決汽車電子化中的線路復(fù)雜和線束增加問題的技術(shù)，而且其通訊和資源

3、共享能力成為新的電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)在車上應(yīng)用的一個(gè)基礎(chǔ)，是車上信息與控制系統(tǒng)的支撐。 汽車電子網(wǎng)絡(luò)按功能可分為面向控制的網(wǎng)絡(luò)(con)和面向信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)(ion)。按網(wǎng)絡(luò)信息傳輸速度，美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)(sae)將網(wǎng)絡(luò)分為a，b，c三類。a類為低速網(wǎng)，波特率在9600bps以下，進(jìn)而波特率在125kbps以下為中速網(wǎng)b類，125kbps以上為高速網(wǎng)c類。車輪速度(即車輪繞輪軸旋轉(zhuǎn)的線速度)傳感器(簡(jiǎn)稱輪速傳感器)信號(hào)，可供發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊、防抱制動(dòng)系統(tǒng)(abs)控制模塊及儀表控制模塊共享，使車輛在制動(dòng)過程中，防抱制動(dòng)控制模塊和發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊聯(lián)合控制，達(dá)到最佳制動(dòng)效能。發(fā)達(dá)國(guó)家雖已普遍使用abs系

4、統(tǒng)，但對(duì)輪速信號(hào)處理的方法以硬件和軟件的形式作為abs系統(tǒng)的電子控制器(ecu)的一部分而制成專用電路和芯片加以保護(hù)。國(guó)內(nèi)對(duì)輪速信號(hào)的處理大多存在輪速識(shí)別的門檻值過高(車速即車體的速度低于10km/h時(shí)就無法正確測(cè)量車輪速度)的問題。 本設(shè)計(jì)針對(duì)輪速傳感器產(chǎn)生的信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于can總線的汽車輪速傳感器信號(hào)處理電路，并用單片機(jī)對(duì)此信號(hào)采集、量化。結(jié)果顯示:設(shè)計(jì)出的輪速傳感器系統(tǒng)具有輪速測(cè)量門檻低(車速達(dá)3km/h)、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，可作為can總線局域網(wǎng)的測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的變送。第一章 傳感器基本概念在當(dāng)今信息化時(shí)代發(fā)展過程中，各種信息的感知、采集、

5、轉(zhuǎn)換、傳輸和處理的功能器件傳感器或智能傳感器，已經(jīng)成為各領(lǐng)域中不可或缺的重要技術(shù)工具。獲取各種信息的傳感器無疑“掌握”著這些領(lǐng)域和系統(tǒng)的命脈。傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件，是現(xiàn)代化測(cè)量和自動(dòng)化的主要環(huán)節(jié)，是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的源頭，又是信息社會(huì)賴以存在和發(fā)展的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，傳感器技術(shù)與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)并列成為支撐整個(gè)現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱，可以設(shè)想如果沒有高度保真和性能可靠的傳感器，沒有先進(jìn)的傳感器技術(shù)，那么信息的準(zhǔn)確獲取就成了句空話，信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)就成了無源之水。目前，從宇宙探索、海洋開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)情情報(bào)到包括生命科學(xué)在內(nèi)的每一項(xiàng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的研究以及人民的日常生活等，無一

6、不于傳感器技術(shù)緊密相聯(lián)系。可見應(yīng)用、研究和開發(fā)傳感器和傳感器技術(shù)是信息時(shí)代的必然要求。因此，可以毫不夸張地說：“沒有傳感器及傳感器技術(shù)將沒有現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展”。11 傳感器的定義國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb7665-87對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。“傳感器”在新韋式大詞典中定義為: “從一個(gè)系統(tǒng)接受功率，通常以另一

7、種形式將功率送到第二個(gè)系統(tǒng)中的器件”。 根據(jù)這個(gè)定義，傳感器的作用是將一種能量轉(zhuǎn)換成另一種能量形式，所以不少學(xué)者也用“換能器transducer”來稱謂“傳感器sensor”，亦被稱為換能器、變換器、變送器或探測(cè)器，其主要特征是能感知和檢測(cè)某一形態(tài)的信息，并將其轉(zhuǎn)換為另一種形態(tài)的信息。12 傳感器的組成傳感器主要是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本電路三大部分組成，核心是轉(zhuǎn)換元件，決定傳感器的工作原理，框圖如下：被測(cè)信息輸出信息信號(hào)調(diào)節(jié)電路敏感元件轉(zhuǎn)換元件 輔助電路1、敏感元件 敏感元件是傳感器的核心元件，它能直接感受或響應(yīng)被測(cè)非電量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測(cè)有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的其它量的元件，在實(shí)際應(yīng)用

8、時(shí)應(yīng)注意的是：并非所有的非電量都能用現(xiàn)有的技術(shù)直接轉(zhuǎn)換為電量，而是要先進(jìn)行預(yù)轉(zhuǎn)換，然后再轉(zhuǎn)換為電量。2、轉(zhuǎn)換元件 轉(zhuǎn)換元件是傳感器中另一個(gè)核心元件，也稱變換器或是轉(zhuǎn)換器，它是指能將敏感元件所感受的或響應(yīng)與檢測(cè)的待測(cè)信息轉(zhuǎn)換成適宜傳輸和檢測(cè)的電信號(hào)的部分。轉(zhuǎn)換元件根據(jù)直接轉(zhuǎn)換和間接轉(zhuǎn)換的原理又分為一次轉(zhuǎn)換型和二次轉(zhuǎn)換型。（1）一次轉(zhuǎn)換型 一次轉(zhuǎn)換型又稱直接轉(zhuǎn)換型，通常物理性傳感器是屬于一次轉(zhuǎn)換，如溫度傳感器、壓力傳感器、磁場(chǎng)傳感器等。在轉(zhuǎn)換過程中，它將被測(cè)非電量直接傳換成有用的電量。（2）二次轉(zhuǎn)換型 結(jié)構(gòu)型傳感器（如角度、厚度、位置）均屬于二次型傳感器，在轉(zhuǎn)換過程中，通常必須通過前置敏感元件與轉(zhuǎn)

9、換后才能完成，即實(shí)現(xiàn)“被測(cè)非電量 有用非電量 有用電量”的二次轉(zhuǎn)換過程。3、信號(hào)調(diào)節(jié)電路 信號(hào)調(diào)節(jié)電路又稱信號(hào)調(diào)理電路，它是集成或是單片傳感器中的重要電路，在信號(hào)調(diào)理過程中，它能把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)調(diào)整成便于顯示、記錄、處理和控制的電信號(hào)。4、輔助電路 輔助電路是指?jìng)鞲衅鞯碾娫垂╇婋娐罚ń弧⒅绷麟娫矗┖屯鈬娐?。在?shí)際應(yīng)用和設(shè)計(jì)中，傳感器的組成并不完全和上述完全一致，這要看被測(cè)對(duì)象、轉(zhuǎn)換原理、使用環(huán)境和性能要求等具體情況的不同而存在差異。13 敏感元件的分類傳感器的品類繁多，原理各異，檢測(cè)門類極多，因此分類也各有不同。目前，尚無一統(tǒng)一的分類方法，但較多的分類方法有兩種：一是根據(jù)將外界輸入信號(hào)

10、轉(zhuǎn)換為電信號(hào)所采用的效應(yīng)分類；另一種是根據(jù)輸出量分類。1、按被測(cè)量分類物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)?；瘜W(xué)類，基于化學(xué)反應(yīng)的原理。生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識(shí)別功能。通常據(jù)其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類（還有人曾將敏感元件分46類）。2、按輸出量分類 按輸出量分類有模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。其中傳感器的特點(diǎn)是模擬式輸出信號(hào)為模擬量，而數(shù)字的位數(shù)字量。且數(shù)字傳感器便于和單片機(jī)或是微處理器聯(lián)用構(gòu)成智能儀器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。3、技術(shù)要求 無論哪種傳感器，在使用時(shí)軍事作為測(cè)量和控

11、制系統(tǒng)的首要原件，必須具有快速、準(zhǔn)確、可靠和廉價(jià)的基本特點(diǎn)。因此須具有以下技術(shù)要求：l 量程大或工作范圍寬，并具有一定的過載能力；l 匹配特性好，靈敏度高，線性度好；l 反應(yīng)速度快，可靠性好；l 穩(wěn)定性好，即傳感器的靜動(dòng)態(tài)響應(yīng)準(zhǔn)確度能滿足設(shè)計(jì)要求，并能長(zhǎng)期穩(wěn)定；l 適應(yīng)性強(qiáng)，即動(dòng)作能量小，對(duì)被測(cè)量的影響小；l 性價(jià)比高，使用、維修和校準(zhǔn)簡(jiǎn)單方便。14 傳感器的主要性能指標(biāo)在檢測(cè)控制系統(tǒng)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，需要對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制，而要達(dá)到比較優(yōu)良的控制性能，則必須要求傳感器能夠感測(cè)被測(cè)量的變化并且不失真地將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量，這種要求主要取決于傳感器的基本特性。傳感器的基本特性主要分為靜態(tài)特性和

12、動(dòng)態(tài)特性。1、反映傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo)靜態(tài)特性是指檢測(cè)系統(tǒng)的輸入為不隨時(shí)間變化的恒定信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)的輸出與輸入之間的關(guān)系。主要包括線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。(1) 線性度指?jìng)鞲衅鬏敵隽颗c輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度。(2) 靈敏度靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。其定義為輸出量的增量y 與引起該增量的相應(yīng)輸入量增量x 之比。它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化，顯然，靈敏度s 值越大，表示傳感器越靈敏.(3) 遲滯傳感器在輸入量由小到大(正行程)及輸入量由大到小(反行程)變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。也就是說，對(duì)于同一大小的輸入信號(hào)，

13、傳感器的正反行程輸出信號(hào)大小不相等，這個(gè)差值稱為遲滯差值。(4) 重復(fù)性重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。(5) 漂移傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境(如溫度、濕度等)。最常見的漂移是溫度漂移，即周圍環(huán)境溫度變化而引起輸出量的變化，溫度漂移主要表現(xiàn)為溫度零點(diǎn)漂移和溫度靈敏度漂移。溫度漂移通常用傳感器工作環(huán)境溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度(一般為20)時(shí)的輸出值的變化量與溫度變化量之比(6) 測(cè)量范圍(measuring range)傳感器所能測(cè)量

14、到的最小輸入量與最大輸入量之間的范圍稱為傳感器的測(cè)量范圍。 (7) 量程(span)傳感器測(cè)量范圍的上限值與下限值的代數(shù)差，稱為量程。(8) 精度(accuracy)傳感器的精度是指測(cè)量結(jié)果的可靠程度，是測(cè)量中各類誤差的綜合反映，測(cè)量誤差越小，傳感器的精度越高。傳感器的精度用其量程范圍內(nèi)的最大基本誤差與滿量程輸出之比的百分?jǐn)?shù)表示，其基本誤差是傳感器在規(guī)定的正常工作條件下所具有的測(cè)量誤差，由系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩部分組成。工程技術(shù)中為簡(jiǎn)化傳感器精度的表示方法，引用了精度等級(jí)的概念。精度等級(jí)以一系列標(biāo)準(zhǔn)百分比數(shù)值分檔表示，代表傳感器測(cè)量的最大允許誤差。如果傳感器的工作條件偏離正常工作條件，還會(huì)帶來附

15、加誤差，溫度附加誤差就是最主要的附加誤差。(9) 分辨率和閾值(resolution and threshold)傳感器能檢測(cè)到輸入量最小變化量的能力稱為分辨力。對(duì)于某些傳感器，如電位器式傳感器，當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí)，輸出量只做階梯變化，則分辨力就是輸出量的每個(gè)“階梯”所代表的輸入量的大小。對(duì)于數(shù)字式儀表，分辨力就是儀表指示值的最后一位數(shù)字所代表的值。當(dāng)被測(cè)量的變化量小于分辨力時(shí)，數(shù)字式儀表的最后一位數(shù)不變，仍指示原值。當(dāng)分辨力以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)則稱為分辨率。閾值是指能使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測(cè)變化量的最小被測(cè)輸入量值，即零點(diǎn)附近的分辨力。有的傳感器在零位附近有嚴(yán)重的非線性，形成所謂“死區(qū)

16、”(dead band)，則將死區(qū)的大小作為閾值；更多情況下，閾值主要取決于傳感器噪聲的大小，因而有的傳感器只給出噪聲電平。(10) 穩(wěn)定性(stability)穩(wěn)定性表示傳感器在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。理想的情況是不論什么時(shí)候，傳感器的特性參數(shù)都不隨時(shí)間變化。但實(shí)際上，隨著時(shí)間的推移，大多數(shù)傳感器的特性會(huì)發(fā)生改變。這是因?yàn)槊舾性驑?gòu)成傳感器的部件，其特性會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，從而影響了傳感器的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性一般以室溫條件下經(jīng)過一規(guī)定時(shí)間間隔后，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異來表示，稱為穩(wěn)定性誤差。穩(wěn)定性誤差可用相對(duì)誤差表示，也可用絕對(duì)誤差來表示。2、傳感器動(dòng)態(tài)特性的性能

17、指標(biāo)動(dòng)態(tài)特性是指檢測(cè)系統(tǒng)的輸入為隨時(shí)間變化的信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)的輸出與輸入之間的關(guān)系。主要?jiǎng)討B(tài)特性的性能指標(biāo)有時(shí)域單位階躍響應(yīng)性能指標(biāo)和頻域頻率特性性能指標(biāo)。15 幾種常用傳感器1、電阻式傳感器電阻式傳感器是將被測(cè)量，如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等這些物理量轉(zhuǎn)換式成電阻值這樣的一種器件。主要有電阻應(yīng)變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。2、稱重傳感器稱重傳感器是一種能夠?qū)⒅亓D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的力-電轉(zhuǎn)換裝置，是電子衡器的一個(gè)關(guān)鍵部件。能夠?qū)崿F(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換的傳感器有多種，常見的有電阻應(yīng)變式、電磁力式和電容式等。電磁力式主要用于電子天平，電容式用于部分電子吊秤，而絕大多數(shù)衡器產(chǎn)品所用

18、的還是電阻應(yīng)變式稱重傳感器。電阻應(yīng)變式稱重傳感器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高，適用面廣，且能夠在相對(duì)比較差的環(huán)境下使用。因此電阻應(yīng)變式稱重傳感器在衡器中得到了廣泛地運(yùn)用。3、電阻應(yīng)變式傳感器傳感器中的電阻應(yīng)變片具有金屬的應(yīng)變效應(yīng)，即在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變，從而使電阻值隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。電阻應(yīng)變片主要有金屬和半導(dǎo)體兩類，金屬應(yīng)變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導(dǎo)體應(yīng)變片具有靈敏度高（通常是絲式、箔式的幾十倍）、橫向效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)。4、壓阻式傳感器壓阻式傳感器是根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)在半導(dǎo)體材料的基片上經(jīng)擴(kuò)散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測(cè)量傳感元件，擴(kuò)散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。當(dāng)基片受到外力

19、作用而產(chǎn)生形變時(shí)，各電阻值將發(fā)生變化，電橋就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的不平衡輸出。用作壓阻式傳感器的基片（或稱膜片）材料主要為硅片和鍺片，硅片為敏感 材料而制成的硅壓阻傳感器越來越受到人們的重視，尤其是以測(cè)量壓力和速度的固態(tài)壓阻式傳感器應(yīng)用最為普遍5、熱電阻傳感器熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測(cè)量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。在溫度檢測(cè)精度要求比較高的場(chǎng)合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，

20、它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點(diǎn)。用于測(cè)量-200+500范圍內(nèi)的溫度。熱電阻傳感器分類：1. ntc熱電阻傳感器：該類傳感器為負(fù)溫度系數(shù)傳感器，即，傳感器阻值隨溫度的升高而減小；2. ptc熱電阻傳感器：該類傳感器為正溫度系數(shù)傳感器，即，傳感器阻值隨溫度的升高而增大。6、溫度傳感器高分子電容式濕度傳感器通常都是在絕緣的基片諸如玻璃、陶瓷、硅等材料上，用絲網(wǎng)漏印或真空鍍膜工藝做出電極，再用浸漬或其它辦法將感濕膠涂覆在電極上做成電容元件。濕敏元件在不同相對(duì)濕度的大氣環(huán)境中，因感濕膜吸附水分子而使電容值呈現(xiàn)規(guī)律性變化，此即為濕度傳感器的基本機(jī)理。7、光敏傳感

21、器光敏傳感器是最常見的傳感器之一，它的種類繁多，主要有：光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏三極管、太陽能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、ccd和cmos圖像傳感器等。它的敏感波長(zhǎng)在可見光波長(zhǎng)附近，包括紅外線波長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng)。光傳感器不只局限于對(duì)光的探測(cè)，它還可以作為探測(cè)元件組成其他傳感器，對(duì)許多非電量進(jìn)行檢測(cè)，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化即可。光傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一，它在自動(dòng)控制和非電量電測(cè)技術(shù)中占有非常重要的地位。最簡(jiǎn)單的光敏傳感器是光敏電阻，當(dāng)光子沖擊接合處就會(huì)產(chǎn)生電流。8、磁電式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器, 是利用電

22、磁感應(yīng)原理將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。 它不需要輔助電源就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào), 是有源傳感器。由于它輸出功率大且性能穩(wěn)定, 具有一定的工作帶寬（101000 hz）, 所以得到普遍應(yīng)用。 定義：利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。 直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，是有源傳感器。一、類型及其工作原理分類：恒定磁通式：動(dòng)圈式、動(dòng)鐵式 變磁 通式： 開磁路、閉磁路電磁感應(yīng)定律 ：n匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線或線圈所在磁場(chǎng)的磁通變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小取決于穿過線圈的磁通的變化率，即 當(dāng)線圈的導(dǎo)體與磁

23、場(chǎng)之間做相對(duì)切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由此可設(shè)計(jì)一類恒磁通式磁電傳感器。用于測(cè)量振動(dòng)及線速度。恒磁通式磁電傳感器由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組成。 磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng), 磁路中的工作氣隙固定不變, 因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈（動(dòng)圈式）, 也可以是磁鐵（動(dòng)鐵式）, 動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式的工作原理是完全相同的。 當(dāng)殼體隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí), 由于彈簧較軟, 運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相對(duì)較大。當(dāng)振動(dòng)頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時(shí), 運(yùn)動(dòng)部件慣性很大, 來不及隨振動(dòng)體一起振動(dòng), 近乎靜止不動(dòng), 振動(dòng)能量幾乎全被彈簧吸收, 永久磁鐵與線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近

24、于振動(dòng)體振動(dòng)速度, 磁鐵與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線, 從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)為 : 式中: b工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度; l每匝線圈平均長(zhǎng)度; n線圈在工作氣隙磁場(chǎng)中的匝數(shù); v相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。 特點(diǎn)： 1、磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)。氣隙不變，磁通不變。 2、磁鐵與線圈之間相對(duì)切割磁力線運(yùn)動(dòng)。第二章 傳感器在汽車測(cè)速中的應(yīng)用21、輪速傳感器 由于磁電式傳感器工作比較穩(wěn)定可靠，幾乎不受溫度、灰塵等環(huán)境因素的影響，所以，目前在汽車中使用的輪速傳感器廣泛采用變磁阻式電磁傳感器。它由定子和轉(zhuǎn)子組成：定子包括感應(yīng)線圈和磁頭(為永久磁鐵構(gòu)成的磁級(jí))兩部分；轉(zhuǎn)子可以是齒圈或齒輪兩種形式，齒輪形式的轉(zhuǎn)子如圖1所示。安裝時(shí)

25、，磁頭固定在磁極支架上，支架固定在長(zhǎng)軸上，齒圈通過輪轂、制動(dòng)轂連為一體，長(zhǎng)軸穿過車輪與內(nèi)部的軸承配合，如圖2所示： 輪速傳感器及安裝示意圖 圖1 輪速傳感器 圖2傳感器安裝示意圖 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與車輪的角速度成正比。轉(zhuǎn)鼓帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器轉(zhuǎn)子的齒頂、齒間的間隙交替地與磁極接近、離開，使定子感應(yīng)線圈中的磁場(chǎng)周期性的變化，在線圈中感應(yīng)出交流正弦波信號(hào)。由此，使車輪運(yùn)轉(zhuǎn)在各種工況，可對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。分析變磁阻式輪速傳感器產(chǎn)生的信號(hào)具有如下特征： (1)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)為接近零均值的正弦波信號(hào)； (2)正弦波信號(hào)的幅值受氣隙間隔(磁頭與齒圈間的氣隙)和車輪轉(zhuǎn)速的影響。氣隙間隔越小，車輪速度越高

26、，正弦波信號(hào)的幅值越大； (3)信號(hào)的頻率受齒圈的齒數(shù)和車輪轉(zhuǎn)速的影響，為每秒鐘經(jīng)過磁頭線圈的齒數(shù)，即等于齒圈齒數(shù)乘以每秒鐘的輪速。 輪速傳感器產(chǎn)生的信號(hào)如下圖所示： 不同車速時(shí)輪速傳感器的輸出信號(hào)圖3 車速較高時(shí)傳感器輸出信號(hào) 圖4 車速較低時(shí)傳感器輸出信號(hào)22、輪速信號(hào)的檢測(cè) 將輪速傳感器輸出的每個(gè)正弦波信號(hào)調(diào)理整形產(chǎn)生一個(gè)方波信號(hào)，后續(xù)電路對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行處理?？煞譃橐韵聨追N方法：(1)直接送單片機(jī)的t0記數(shù)，用t1作定時(shí)器。在每個(gè)t1定時(shí)時(shí)間內(nèi)讀出t0的記數(shù)值，經(jīng)計(jì)算得到輪速；(2)將方波信號(hào)先進(jìn)行f/v轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)a/d轉(zhuǎn)換而得到輪速；(3)方波信號(hào)送單片機(jī)的外部中斷/int0引腳

27、，將其設(shè)定為邊沿觸發(fā)方式，用t1作定時(shí)器對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行周期測(cè)量，經(jīng)計(jì)算得到輪速。但第一種方法在低速時(shí)所測(cè)得的輪速誤差較大。假定輪速不變，每個(gè)t1定時(shí)時(shí)間讀一次t0的記數(shù)值，在t1i和t1i+1時(shí)間內(nèi)讀得數(shù)值由于讀數(shù)時(shí)磁頭與齒頂?shù)奈恢藐P(guān)系有時(shí)會(huì)相差1，輪速較低時(shí)，t1定時(shí)時(shí)間內(nèi)t0的記數(shù)值較小，因而相對(duì)誤差較大，導(dǎo)致輪速識(shí)別的門檻值過高。第二種方法可提高低速時(shí)的測(cè)量準(zhǔn)確度，但增加了硬件f/v和a/d轉(zhuǎn)換芯片的開支。第三種方法可以在不增加硬件開支的前提下，有效地提高低速時(shí)的測(cè)量準(zhǔn)確度，本設(shè)計(jì)采用了第三種方法進(jìn)行檢測(cè)。23、輪速傳感器系統(tǒng)硬件 輪速傳感器系統(tǒng)的硬件以80c31單片微機(jī)為核心(外部擴(kuò)展

28、8kram和8keprom)。外圍電路有信號(hào)處理電路、總線控制及總線接口等電路，結(jié)構(gòu)框圖如上圖5所示。 圖5 智能傳感器硬件結(jié)構(gòu)框圖 輪速傳感器產(chǎn)生信號(hào)經(jīng)濾波、整形、光電隔離后，送80c31的/int0輸入引腳。t1作定時(shí)器使用，對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行周期測(cè)量。sja1000，82c250組成與can總線的控制和接口電路。在輪速傳感器的設(shè)計(jì)過程中，充分考慮其抗干擾和穩(wěn)定性，單片機(jī)的輸入/輸出端均采用光電隔離，同時(shí)用看門狗定時(shí)器(max813)進(jìn)行超時(shí)復(fù)位，以確保系統(tǒng)可靠工作。24、信號(hào)處理電路 根據(jù)輪速傳感器信號(hào)特性，處理電路由限幅電路、濾波電路和比較整形電路組成。 限幅電路將輪速傳感器輸出信號(hào)vi正

29、半周的幅值限制在5v以下，負(fù)半周使其輸出為-0.6v。濾波電路設(shè)計(jì)成帶反饋的有源低通濾波器，其截止頻率為2075hz(按最高車速為200km/h設(shè)計(jì)，傳感器輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率)，選q=0.707。比較整形電路中設(shè)置一定的比較電壓，與濾波器輸出信號(hào)相比較輸出方波信號(hào)。lm311n輸出方波的幅值為10v，經(jīng)r5，r6分壓后得幅值為5v的方波信號(hào)送光電隔離器。25、總線通信電路 總線接口電路包括傳感器與can總線接口和儀表板節(jié)點(diǎn)與can總線接口。通過總線接口電路實(shí)現(xiàn)傳感器和節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)、控制指令和狀態(tài)信息的傳送。使用總線接口容易形成總線式網(wǎng)絡(luò)的車輛局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性較高等特

30、點(diǎn)。 傳感器與can總線的接口以can控制器sja1000為核心，通過82c250實(shí)現(xiàn)傳感器與物理總線的接口。can總線物理層和數(shù)據(jù)連路層的所有功能由通信控制器sja1000來完成。它具有basiccan(82c200兼容模式)和pelican(擴(kuò)展特性)2種工作模式，采用多主結(jié)構(gòu)，具有與各種類型的微處理器相連地接口。 sja1000的引腳功能和電器特性與82c200完全兼容，較82c200具有更強(qiáng)的錯(cuò)誤診斷和處理功能。它具有編程時(shí)鐘輸出，可編程的傳輸速率(最高達(dá)1mbps)，可編程的輸出驅(qū)動(dòng)器組態(tài)，可組態(tài)的總線接口，用識(shí)別碼信息定義總線訪問優(yōu)先權(quán)。控制器使用方便、價(jià)格便宜、工作環(huán)境溫度范圍(

31、-40125)，特別適合于汽車及工業(yè)環(huán)境使用。 82c250作為can總線控制器和物理總線間的接口，是為汽車高速傳輸信息(最高為1mbps)設(shè)計(jì)的。它提供對(duì)can控制器的差動(dòng)接收功能和對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力，完全與iso11898標(biāo)準(zhǔn)兼容。在運(yùn)動(dòng)環(huán)境中，具有抗瞬變、抗射頻和抗電磁干擾性能，內(nèi)部的限流電路具有電路短路時(shí)對(duì)傳送輸出級(jí)進(jìn)行保護(hù)的功能。芯片的特色是通過對(duì)rs(8號(hào))引腳輸入電平的設(shè)計(jì)，可工作于3種工作方式： (1)高速方式(vrs<0.3vcc)；(2)斜率方式(0.4vcc0.75vcc)。芯片以高速方式工作時(shí)，發(fā)送輸出晶體管盡可能快的簡(jiǎn)單地開和關(guān)，不測(cè)量限制上升和下降的斜率，要

32、用屏蔽電纜來避免射頻干擾。當(dāng)芯片以斜率方式工作時(shí)，總線可用非屏蔽的雙絞線或并行線。對(duì)上升和下降的斜率的限制，取決于rs引腳到地的連接電阻值，并與rs引腳的電流成正比。 sja1000，82c250的信號(hào)電平與ttl兼容，可直接接口。但為提高可靠性和抗干擾性能，在智能傳感器的設(shè)計(jì)中，它們之間用光電隔離。sja1000的rd，wr，ale，int分別與80c31的rd，wr，ale，int0引腳相連。80c31的p0.0p0.7與sja1000的ad0ad7接口，80c31和sja1000用統(tǒng)一的5v電源供電。給sja1000的rx1腳提供約0.5vcc的維持電位。82c250的canh，canl間并接120匹配電阻后接至物