摘 要： 传感器是一种能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置, 通常由敏感元件和转换元件组成。传感器的应用极为广泛。本文针对汽车测速领域传感器的应用做了详细的介绍, 并分析了各种传感器或测速方法的优缺点。对其各种汽车测速方法进行了比对及讨论。
关键词： 传感器; 汽车测速; 多普勒效应;
一、引言
随着当前人们生活水平的提高, 人们对汽车的需求非常旺盛, 截至2017年3月底, 全国机动车保有量首次突破3亿辆, 并且还在不断增大。在汽车的使用过程中对汽车的速度的测量是个重要的问题。传感器实际上是一种能量转换器, 将从外界接收到的被测量信息, 按一定规律变换成为其他易测量的或者所需形式的信息输出, 以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。随着科技的发展, 传感器技术在速度的测量领域内有了较大的引用。通过机械、电磁、光电等各种参数的获取, 从而完成了对汽车的测速。
二、测速方法
1、机械式里程表测速。
里程表测速主要通过机械里程表中的一根软轴, 软轴内有一钢缆, 软轴安装在变速器的齿轮上, 齿轮带动钢缆转动, 钢缆带动里程表里的游丝和指针转动, 形成汽车速度的显示。在早期的汽车测速中常用这种机械结构式的传感器, 它的特点是原理简单, 皮实耐用。但是这种传感器结构复杂, 准确性差。随着电子技术的发展, 机械式换成了电子式, 这种传感器在测速中应用越来越少。
2、红外光电码盘测速。
红外光电码盘测速是一种无接触测速法, 通过测量转速信号的频率或周期计算车辆行驶速度。光电码盘接在转子端轴上, 随着电机的转动而转动, 码盘上装有光敏原件, 光敏原件记录接收到光的次数就是码盘的编码数。若编码数为60, 测量时间为t, 测量到的脉冲数为N, 那么n=N/t, 根据电机转速和车轮大小可计算出汽车的速度。
3、磁敏电阻测速法。
磁敏电阻, 其主要性能表现在磁敏电阻施加磁场时, 其电阻值比未施加磁场时发生了明显的变化。利用磁敏电阻的倍频特性或旋转轴铁磁物质的不均匀性可构成数字式转速表、频率计等来代替涡流转速表、交、直流测速发电机、频闪测速计等来检测转速。
4、霍尔传感器测速。
利用霍尔效应与集成电路技术结合制造出霍尔传感器霍尔效应指的是在金属或半导体薄片的两端通过控制电流I, 并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为某强度的磁场, 那么在垂直于电流和磁场方向上将产生电动势场UH (霍尔电压) , 改变磁场的强度, 电压也随着改变, 磁场强度为零, 电压也为零。霍尔传感器具有对磁场敏感、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诸多优点, 但是由于霍尔元件产生的电势差很小, 故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上, 就组成了霍尔传感器。霍尔传感器就是将测量的各种变量信号转化为电信号并进行放大, 再通过单片机对输入的电信号进行分析处理, 计算, 如果计算得是行进中车轮单位时间内所转动的圈数, 那么输入车轮的外径, 乘以圈数, 即得到速度。霍尔传感器具有结构简单, 可靠性高, 寿命长, 功耗低, 温度范围广, 抗干扰能力强, 耐油污, 耐腐蚀等特点。
5、激光测速。
激光测距是通过接收激光光束的反射波, 记录时间差的方法来确定被测物体与激光发射点的距离。激光测速是对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距, 取得在该一时段内被测物体的移动距离, 从而得到该被测物体的移动速度。激光测速也是一种新型的测速测量技术。随着科技的发展, 激光测速传感器已被广泛使用, 它在很多领域中测量有着重泛, 它可应用在生产设备, 特种机车, 风力发电等。比如板材、管材在线切割, 电缆或砂纸速度测量等;由于它们是无接触测量, 测量敏感或无法触摸的物体非常适合。如果把激光测速与计算机连接, 可对被测物进行自动化、智能化的测量控制, 这也是现在测量技术与计算机技术相结合的产物。优点:结构简单, 精度度高, 测量距离远, 响应速度快。缺点:易受天气的影响, 尤其是强光的影响。
6、超声波测速。
超声波传感器由于其自身的优点在测距测速中得到了广泛的应用。超声波传播方向性好, 有较强的穿透能力。可用于测距, 测速、测厚、探伤和超声成像等。超声波在空气中传播, 遇到障碍物会反射回来, 由发射与接收的时间差, 可计算发射器到障碍物的距离。与激光测距设备相比, 超声波以其方便、简单、成本低等因素被广泛应用于短距离的测量中。超声波测距优点:超声波指向性强、能耗低并且在某些介质中传输距离远的特点。缺点:响应时间长, 受外部环境干扰大。误差大, 分辨率低。有效测量距离短;只能静止测量, 不能在运动中测量。测量复杂, 需对准目标, 易受其他物体影响。
7、地感线圈测速。
根据电磁场理论, 任何载流导体都会在其周围产生磁场, 当金属通过环形线圈切割磁力线时, 又会产生相应的电流, 产生另外的磁场, 从而对原先的磁场产生影响, 由式F=1/2π
其中L变化, 频率f也产生变化。
地感线圈就是根据电磁场原理, 在采用单条多股铜线缠绕成环形线圈埋在道路的切割槽中, 通过变压器与电源相接形成一个振荡电路。周围形成电磁场。当汽车通过时, 电磁场变化, 形成频率的改变, 传输到单片机控制电路上, 形成一个脉冲信号。检测车速的原理是:当有车辆经过时, 前后两个传感器节点不同时间检测到车辆的波形, 后一个时间减去前一个时间, 并且两传感器节点之间距离已知, 因此, 根据路程和时间的关系, 可以计算出车辆经过两个节点的平均速度。优点:技术成熟, 成本低, 应用广泛, 可靠性较高, 测速较准确。缺点:维护影响交通, 受地形、温度等环境影响, 当车流间距小时, 精度下降甚至无法测出。
8、雷达测速。
雷达测速目前主要是应用多普勒效应, 该现象是由奥地利物理学家多普勒首次发现的, 在发射体和接收体有相对径向运动时, 接收到的信号会发生变化。原理是当电波从发射体发出后, 遇到移动的物体, 反射回的的电磁波会发生频率和振幅的变化, 如果物体运动方向和电磁波的运动方向相同, 电磁波频率增加;如果相反, 频率降低。这种变化就是多普勒效应。优点:造价低, 体积小, 便于携带, 应用广泛。
9、卫星定位测速。
主要通过接受卫星信号, 通过卫星信号的位置时间速度等参数, 计算出车的经纬度高度, 并测出车的速度。设备简单, 精度高, 连续实时。但是在山区隧道内受影响。
三、几种测速方法的比较
在汽车测速方面, 常用的测速方法有地感线圈测速, 激光测速, 雷达测速等。下面我们对这几种测速方法进行比较:
地感线圈测速应用时间较早, 成本低廉, 技术成熟, 设计简单, 应用广泛, 测速也比较可靠, 但是损坏后要想修复, 需要破坏路面, 重新埋线圈, 影响交通, 在车流量较大的路面上, 易于损坏, 不太实用, 如果是车流量较小的地点使用, 则方便易用。激光测速应用较多, 其优点是激光不易扩散, 测量有效距离远, 可以测量1000米以外;测量精度高, 误差小;耗电量低;激光测速仪的取证能力远远大于雷达测速仪。不过应该注意的是, 激光测速由于光斑小, 散射面小, 使用时要注意角度, 一般小于10度。还有, 激光测速时, 如果仪器也是运动的, 则测不出来, 所以使用时, 仪器要处于静止状态。雷达测速不仅仅应用到汽车测速领域, 在其他领域也得到了广泛的使用, 它的特点是照射面比较大, 所以反射回来的光线比较分散, 比较容易捕捉到目标;测速误差也不太大, 静止时在1000m/h左右;在运动中也可以测速, 误差在2000m/h左右;可以全天候工作, 不受天气的影响。不过注意, 测量张角也不能太大, 否则引起较大的误差。由于光线分散, 也容易误读旁边的车辆, 所以在公安机关的取证力度不够。总之, 各种方法都有应用, 在不同的场合选择合适的测速方法, 可以事半功倍。
参考文献：
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