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  • 双轴加速度传感器在车载电子罗盘应用中的抗干扰设计

    引言 随着定位导航技术的飞速发展和日臻成熟,电子罗盘在相关领域得到了越来越广泛的应用。车载电子罗盘的功能是帮助用户确定车辆行驶方向,精确显示方位角度并提供正确的操作指示,因此导航的精确程度成为衡量系统性能优劣的重要指标。本文介绍的基于AMR磁阻传感器和加速度传感器ADXL202的电子罗盘,是捷联式惯性导航系统中的一种。在电子罗盘系统中,单片机VRS51L3074完成对加速度传感器输出信号脉宽和周期的计数,获得车辆瞬时加速度值,然后利用三角函数关系计算出当前位置相对于已知参考位置之间的横滚和俯仰角度,进行姿态解算,得到车辆的前进方向和方位角。但是汽车电磁环境复杂,特别是汽车的震动和瞬时功率变化会对ADXL202输出的占空比信号产生尖峰脉冲干扰,严重影响计数的精度。因此,抑制脉冲干扰在提高计数精度、增强系统性能方面显得尤为重要。 1 ADXL202工作原理 ADXL202传感器是由震荡器,X、Y方向传感器,相位检波电路以及占空比调制器组成,具有数字输出接口和模拟电压信号输出接口。X、Y方向传感器是2 个相互正交的加速度传感器。ADXL202相对于地平面方向变化时,X、Y方向对应不同的输出,从而可以测量动态变化的加速度和恒定的加速度。传感器的后级连相位检波器,主要是用来修正信号,并对信号的方向作出判断。检波器输出的信号通过1个32 kΩ的电阻来驱动占空比调制器,设计时可以通过在XFILT和YFILT引脚外接电容CX和CY来改变带宽。同时,外接电容对于滤除噪声和抑制零点漂移都有一定的效果。 信号通过低通滤波器之后,占空比调制器把信号转换为数字信号输出。通过T2脚的外接电阻可以改变T2的周期T2(1~10 ms),这就方便在精度要求不同的场合下使用。输出的占空比信号通过计数器可以计算出占空比。加速度的计算可以通过公式(1)得到。     当加速度为Og时,输出信号的占空比为50%;灵敏度每1g所引起的脉宽占空比变化12.5%。在应用中Og时的失调和系统误差影响实际输出值。则根据测得的加速度值即可求得X和Y轴的倾角:     当加速度计被定向,那么它的X和Y轴就和地球表面平行可用来作为具有翻滚和倾斜两个轴的双轴斜度传感器,被测物体的俯仰角记为γ和横滚角β。将磁阻传感器的3个敏感轴沿载体的3个坐标轴安装,分别测量地磁场磁感应强度H在载体坐标系3个坐标上的投影分量(HX,HY,HZ),然后利用俯仰角和横滚角进行姿态解算就可以得到电子罗盘的方位角。 2 ADXL202的抗干扰设计思想 根据ADXL202使用手册知,传感器与微处理器共用电源时会引起干扰,因此在电路设计时采用了抑制干扰的解决方案。设计时采用1个0.1μF的电容和1 个小于或等于100 Ω的电阻来抑制干扰。实验测试显示,仍然存在电路其他部分电源和传感器电源互相影响的情况,干扰抑制效果并不理想。经过反复试验,传感器采用独立的电源供电,并且在布线时把器件和调理信号的电阻、电容放在1块单独的板上或用粗地线将其围在线路板的某一区域,在实验室条件下得到较好的干扰抑制效果。但实际应用中,汽车的震动和瞬时功率变化对ADXL 202E输出的占空比信号产生尖峰脉冲干扰(脉宽约1~2 ms)并不能消除,这就需要对其更多的处理。抑制和消除尖峰脉冲干扰影响的措施较多,常见的有硬件方法和软件方法,或两者相结合。考虑到电子罗盘整体体积和磁阻传感器信号对干扰较为敏感,如果采用高效的硬件滤波,系统电路将变得非常庞大;使用简易的硬件电路,滤波效果又不彻底。实际上,还可以借助于微处理器进行软件滤波消除尖峰脉冲干扰。软件滤波算法的采用,无疑会在简化电路结构的同时使系统的硬件资源得到更加充分的利用,并达到降低产品设计成本的要求。 ADXL202E输出的信号占空比调节(DCM)周期由外接电阻决定,一般低于1 kHz,因此计数输入端高低电平持续时间长达几ms甚至几十ms,可见传感器输出的正常计数信号高、低电平变化较慢;而控制器脉宽计数时间小于1μs,干扰尖峰脉冲是突变的,所以能把干扰从正常计数中辨别出来。因此,使用软件滤波来消除尖峰脉冲干扰是可行的。 VRS51L3074单片机是由美国Ramtron(瑞创)公司推出的8位单片机家族VRS51L3xxx系列的成员。VRS51L3074提供了2个与定时器O和1关连的独立的脉宽计数器(PWC)模块,用户可通过对PWC模块和定时器的配置,灵活地控制定时器启动或停止计数,从而方便地实现对 ADXL202E输出的脉宽和周期的计数。 从单片机计数输入端,观察信号波形。为便于分析,在高、低电平段设置了几个干扰尖峰脉冲,分别标示为Section A和Section C,占空比信号下降沿、上升沿分别标示为Section B和Section D。单片机按计数时钟周期性采样,采样值中“1”表示采到的是高电平,“O”表示低电平。I/O口采样占空比信号输出端口中状态,利用1个字节型变量R来动态存储采样值。控制器每采样1次,变量R中数据向左移1个二进制位,R原最高位电平状态被移除,而当前时刻新的采样状态保存到R的最低位,变量R被更新了,状态存储器R中保存着最近8个采样周期的采样值。     在图1中,从正常下降沿过程(Section B),可以看到变量R中的数据经历了从各位全为1,到1、O共存,再变化到全为O的过程;然而,在高电平段的干扰部分(Section A),变量R经历了从全为1,到1、0混合,再回到全为l的过程。类似地,正常上升沿(Section D)变量R经历了各位全为0,到O、1共存,再变化到全为1的状态变化过程;在低电平段的干扰部分(Section C),变量R经历了采样状态从全为O,到O、1混合,再回到全为O的过程。通过判断此4种情况下变量R中数据的不同变化过程,可以达到从正常变化中辨别出干扰的目的。这就是本设计所采用的软件滤波抗干扰方法的基本思想。 3 软件滤波算法的实现 3.1 软件滤波分析 根据软件滤波设计思想,滤波子程序由主程序在信号状态发生变化,进入中断时调用,图2给出了滤波程序流程。对照图1中4种Section来分析流程图。当有边沿或干扰信号(信号周期大于计数时钟周期)到来时,VRS51L3074单片机的PWC计数停止条件满足,系统进入中断服务子程序。在中断子程序中,首先重置脉宽计数条件,然后对当前状态进行采样,采样1次,状态寄存器左移1位,采样到高电平记为“1”,采样到低电平记为“O”。如正常下降沿 Section B,前面处于高电平段,初始状态变量Flag全为1,当出现低电平,控制器进入中断,紧接着进行16次采样。前已提及系统处理的尖峰干扰约1~2 ms,每个采样周期约为O.4 ms,其尖峰干扰脉宽达不到8个采样周期。系统设计时采样16次,只取最后8次的存储状态与原状态进行比较,如果最后采样的状态全为“O”则与原状态相反,就可判断出这是1个正常下降沿。如果是干扰信号引起计数中断,前面8个采样状态不全为“1”,后面8个状态全为“1”,最后采样的状态与原状态相同,就可判断出这是1个干扰信号,如Section A。在信号状态采样期间,计数条件满足PWC继续计数,直到真正的下降沿到来,计数停止并保存,计数寄存器还原为初始值,这样干扰信号即被滤除。类似地,正常上升沿Section D,存储器原状态为“O”,上升沿来临后存储器状态为“1”,与原状态相反,PWC计数停止并保存,计数寄存器还原为初始值,退出中断子程序。有干扰信号出现后采样状态与原状态相同,干扰尖峰脉冲可被滤除。如果要使脉宽计数更精确,可判断前8个采样周期中系统不正常计数的周期,然后与最终计数周期相加即可。此时,程序流程体现出软件滤波功能。     3.2 源程序代码分析 对应程序流程图,给出了单片机通过P4.2口对ADXL202某一输出通道采样滤波并完成脉宽计数的源程序。源程序如下:     源程序中定义了3个变量,其中变量Flag存储原状态值;FlagReg存储当前采样值;变量i记录采样次数;改变i的值可控制滤除尖峰脉冲的等待时间。程序通过对原状态与当前采样状态异或之后的值来判断当前信号是有效信号还是干扰信号,从而对上升沿、下降沿的中间过度或尖峰脉冲干扰进行相应处理,退出中断子程序。实现了对正常信号计数、滤掉尖峰脉冲干扰的目的。 4 测试结果 由于条件限制以及干扰的随机性,对基于ADXL202构成的车载电子罗盘进行的测试,无法对所测量的角度以及方向角进行精确标定。实验时,通过相同条件下同一物理量多次测量值的标准差来对相应算法进行评估。测试结果如表1所列。     从实验测试的标准差可以看出,经过软件滤波后σ小了很多,这种软件滤波算法对滤除尖峰脉冲干扰是非常有效的。 结语 本文提出的软件滤波算法速度快,代码效率高,滤波效果理想,是一种实用的数字滤波设计方法,体现了将算法与具体硬件相结合的思想。另一方面,当脉冲干扰较宽时可将存储器变量适当扩展成多字节变量。这个算法还可以与FPGA结合,用于其他计数精度要求较高、易受尖峰脉冲干扰的应用场合。

    时间:2012-12-10 关键词: 双轴加速 度传感器 罗盘 车载电子

  • 汽车侧向倾斜角度传感器的应用

    针对汽车行驶中发生的侧向倾翻, 本文提出了一种解决方法———汽车侧向倾斜角度传感器的应用。利用角度传感器检测出汽车的倾翻力, 初步讨论了使汽车减速的2 种方法, 使倾翻力矩下降, 可避免汽车行驶中倾翻事故的发生。 1 概述 随着电子技术的发展和应用, 汽车的安全性、舒适性和智能性越来越高。汽车侧向倾斜角度传感器的应用是防止汽车在行驶中发生倾翻事故的一种有效方法, 是提高汽车安全性的重要措施, 特别是越野车、双层客车等重心较高的汽车更有必要。 汽车倾翻的实质是: 行驶中向外的倾翻力矩大于向里的稳定力矩, 当重心高度一定时, 倾翻力矩由倾翻力(向外的侧向力) 决定。根据物理学知识, 倾翻力由路面的侧向(亦称横向) 坡度产生的下滑力F1 和转弯时所受向心力F2 共同作用所产生, 具体如下: F1 = mgsinα F2 = mv2PR 式中 m ———汽车质量 g ———重力加速度 α———路面与水平面的侧向夹角 v ———汽车行驶速度 R ———转弯半径 由以上2式可知,为了减小倾翻力,只有减小v 是可行的, 而且F2∝v2 。根据牛顿第三运动定律, 转弯时汽车在受到向心力作用的同时, 产生与向心力大小相等、方向相反的离心力, 因为汽车质量m 是一定的, 当向心力不能满足v2PR 的增大时, 倾翻力矩大于稳定力矩, 就会发生倾翻。 因此, 应降低车速, 进而减小倾翻力矩, 将角度传感器按摆动方向在汽车上侧向布置, 根据角度传感器产生的角位移, 可得出汽车所受下滑力、向心力作用产生的倾翻力的大小, 当角位移达到预先设定的数值时, 使汽车减速。 2 角度传感器原理 角度传感器利用重力原理制造的角度传感器如图1 所示。摆动部分的质量为m , 重心距转轴的距离为L , 当汽车车体倾斜或做曲线运动时, 均能使摆动部分偏转。设图1 中的受力分析是无任何摩擦的理想状态下,力F 为下滑力F1 和向心力F2 共同作用的结图1  角度传感器果, 力F 与倾翻力成正比, 所产生的偏转角度β也就与倾翻力成正比。摆动部分所受重力G 与F 的合力T 是摆杆所受拉力, 摆动角度β= tg - 1 ( FPG) , 与L 无关, 当质量m 一定时, β只与F 有关, 且成正比。实际上, 由于存在转轴等处的摩擦, 则L 越长, 摆动转矩越大, 精度越高。 角度传感器在控制系统中通常作为采样元件,其性能的优劣对整个系统起着重要作用。电位器式角度传感器已在各种控制系统中广泛应用, 但它的缺点是存在触点的滑动磨损和电噪声; 磁敏电阻式角度传感器是利用半导体技术制造的新型纯电阻性元件, 特点是无触点, 当摆动部分偏转时, 通过磁敏电阻的磁通量发生变化, 使磁敏电阻的阻值发生数倍以上的变化, 从根本上消除了电噪声, 并使精度得以提高。 各种角度传感器都具有阻尼功能, 使得对所测得角度的响应有一个短暂的延时———对控制系统来讲是有益处的。 3 角度传感器电路 图2 是侧向倾斜角度传感器的一种实用电路,主要由单电源运算放大器(如LM324) 组成, 其作用是将角度传感器中的电位器W1 输出的线性变化的模拟电量进行处理、放大, 能够按规定输出数字量和模拟量。令水平时电位器W1 滑动点Ui 的电位为(1P2) Ec ( Ec 为稳压电源电压, 通常为9 V 或15 V ,下同) , R1 、R2 、R3 、R4 为附加电阻, 并使R1 = R2 ,R3 = R4 , W2 为调中电位器, 阻值很小。调整W2 ,当W1 处于水平状态时, 使运放A1 、A2 输出端电位为(1P2) Ec 。运放A1 组成反相比例运算放大器, 作为电路的前置级放大, 输入电压为Ui , 输出电压U1 =- ( R7PR5 ) Ui , 且应使R6 = R5 ∥R7 ; 运放A2 组成反相器, 电阻R10 = R8 , 且应使R9 = R8 ∥R10 ; 输出电压U2 = - U1 = ( R7PR5 ) Ui 。A1 和A2 的输出端分别由发光二极管LED1 、LED2 组成或门电路输出,使得汽车不论是左倾还是右倾, 输出端Uo1均能输出与输入量Ui (随倾斜角度变化) 成正比例线性关系的模拟信号, 即Uo1 = ( R7PR5 ) | Ui | , 去控制后面的电路或机构。发光二极管还能指示倾斜方向, 当水平状态时, 模拟量输出端Uo1 = (1P2) Ec 。 运放A3 、A4 和A5 、A6 分别组成窗口比较器,电阻R20 、R23 、R26 、R29是阻值较大的正反馈电阻,以改善运放的开关状态工作性能, 电阻R13 ~R17 为分压电阻, 且应R14 = R15 , R16 = R17 , 电阻R13 中点处的电位为(1P2) Ec , 分压电阻的阻值应根据U2的变化所反应的倾翻力决定, 使得运放A3 和A5 的反相输入端、运放A4 和A6 的同相输入端获得不同的开关转换基准电位, 而且所反应的左右倾斜程度是一致的。水平时, U2 = (1P2) Ec , 运放A3 ~A6均输出低电平; 倾斜时, U2 的电位发生变化, 运放A3~A6 按规定要求输出高电平。例如, 电位器W1 左摆时, 使U2 电位升高, 当高于A 点电位时,运放A3 输出高电平, 二极管L ED3 显示倾斜方向,若汽车继续向左倾斜, 使U2 电位继续升高, 当高于C 点电位时, 运放A5 输出高电平, 二极管L ED5显示倾斜方向且程度加重; 同理, 若电位器W1 右摆, 运放A4 和A6 的工作亦如此。2 个输出端Uo2和Uo3输出的数字信号所反映倾斜程度与倾斜方向无关, 很明显, Uo3有高电平信号输出时, Uo2 已经输出高电平, Uo3所反映的倾斜程度大于Uo2 。 K为自动复中位型扭子开关, 作为电路的检验开关, 当上下搬动时, 应分别使二极管L ED2 、L ED3 、L ED5 和L ED1 、L ED4 、L ED6 发亮。电容器C1 为高频旁路电容器, C2 为低频滤波电容器, 并与电阻R12 组成放电回路, 形成延时环节, 在系统中相当于传感器中的阻尼作用增加。 4 应用 根据前文对图2 电路的叙述可知, 汽车侧向倾斜角度传感器的应用有2 种形式。一是由电路发出的数字信号Uo2 , 驱动声光信号装置, 提醒驾驶员减速; 二是由电路发出的数字信号Uo3 或模拟信号Uo1控制执行机构, 使汽车自动减速, 采用数字信号组成定量减速系统, 减速时略有些速度忽变, 采用模拟信号组成比例减速系统, 减速的效果比较平滑, 实现减速的方法有2 种, 一是减小发动机油门开度, 二是增加制动。下文分述。 4.1.1 减小油门开度的定量减速系统由传感器电路发出的数字信号, 控制执行元件(如电磁铁) 组成减小发动机油门开度的定量减速系统, 如图3 所示。汽车正常行驶时, 油门拉杆由油门踏板控制, 电磁铁中的动铁心随油门拉杆同步移动; 当汽车侧向倾斜(指速度、转弯半径及路面坡度的综合值, 下同) 超过设定值时, 传感器电路输出端Uo3发出信号, 经延时环节YS (如时间继电器, Uo3消失后, YS 延时断开, 若阻尼和电路的延时足够, 可以不设) , 开关量放大环节KF (如继电器) , 使电磁铁DCT 得电工作, 动铁心迅速移动至终止位置, 带动油门拉杆, 使油门开度突然减小。 在这一系统中, 动铁心移动的起始位置不是固定的, 终止位置是可以预先设定的, 所获得的减速程度有所不同。因此, 应根据不同的车型, 合理地设定发动机减速所要达到的转速, 使减速不至于过于突然。 4.1.2 减小油门开度的比例减速系统为了避免上述系统中减速的突变性,应采用比例减速系统, 如图4 所示。在比例减速系统中, 由传感器电路Uo1 端输出模拟电压信号, 控制电流放大板DF , 按照输入信号Uo1的大小, 输出不同的电流值, 使比例电磁铁产生不同的位移, 油门开度的减小与Uo1的增大成正比关系, 减速所达到的最终结果是倾斜程度所决定的。 再看一下减速的过程: 电流放大板输出电流的存在或消失要经上升斜坡延时t u 和下降斜坡延时t d 。上升斜坡延时是指输出电流(平均值) 从0 达到某一稳定值(由Uo1 决定) 所需要的时间。下降斜坡延时是指控制信号Uo1 消失, 输出电流从这一稳定值减小至0 的时间, 详见图5 。在电流放大板上, 上升斜坡延时和下降斜坡延时可以分别调整,减速的平稳性由上升斜坡延时所决定, 上升斜坡延时越长, 输出电流的上升速率越小, 比例电磁铁移动到终止位置(由输出电流决定) 所用的时间就越长, 减速效果越平稳; 异而反之。比例电磁铁移动到某一终止位置后, 即完成减速的平稳过渡, 持续一段时间后, 倾翻力矩小于设定值或消失, 使Uo1减小或消失。若使Uo1减小, 则输出电流按t d 所决定的斜率下降, 直至为0 。假设Uo1 突然消失, 输出电流则经过t d 延时后为0 , 从而, 实现了减速后重新加速的平稳性。对于上升斜坡延时和下降斜坡延时, 亦应根据不同车型和系统参数决定。 电流放大板输出电流的大小通常采用脉宽调制(简称PMW) 技术获得, 由输入信号Uo1 决定输出电流波形的占空比, 改变电流的平均值, 这种直流电流中含有一定成份的颤振分量,可克服比例电磁铁的调节滞环, 提高位置控制精度。 4.1.3 减小油门开度减速系统与原车油门机构的连接由图3 和图4 可知, 减速系统的执行元件所产生的位移与原车油门踏板所产生的位移的方向是相反的, 当执行元件使油门开度减小时, 势必会使油门踏板抬起, 并要克服原车油门机构的阻力, 若驾驶员的脚踏在踏板上, 执行元件需产生较大的力量才能完成动作, 同时, 对传动机构中机械零件的强度、刚度也要提高要求, 使得减速系统不够完善。 为了解决这一问题, 在油门踏板与油门拉杆之间增加了一个过渡弹簧, 详见图3 和图4 。实际上, 油门踏板作用到油门拉杆的力量较小, 油门踏板的复位弹簧并不是直接作用到油门拉杆上, 因此, 由原来油门踏板直接带动油门拉杆改为增加一个刚度适中的过渡弹簧(拉簧) 带动油门拉杆, 正常工作时, 并不影响油门踏板对油门拉杆的控制, 当减速执行元件动作时, 使油门开度减小并将过渡弹簧拉长, 假设驾驶员的脚未抬起, 并不会有太大的踏板向上的感觉或没有感觉。如果油门踏板的位置保持不变, 减速阶段结束后, 倾翻力矩已不起作用, 传感器电路停止信号输出, 减速执行元件停止工作,过渡弹簧缩回, 带动油门拉杆回到原来位置, 可实现自动加速, 在定量减速系统中获得与减速程度一样的加速, 在比例减速系统中可获得与下降斜坡延时相对应的加速速率, 实现平稳加速。 4.1.4 增加制动的减速机构各种汽车的行车制动均是通过制动踏板完成的, 因此, 增加制动的减速方法的动作执行元件应直接作用于制动踏板, 而且执行元件的动作方向与制动踏板的踏下方向是一致的, 执行元件与制动踏板的连接可采用机械“或”结构实现传动。 根据踏下制动踏板需要的作用力, 采用永磁式直流微电机作为执行元件, 如图6 所示。电动机输出的转速经减速机构后, 带动丝杠旋转, 使丝杠上的动丝母作直线运动, 再由动丝母上的拉杆经一细钢丝绳带动制动踏板, 电动机未转动时, 拉杆将限位开关K1 压开, 制动踏板正常工作。 4.1.5 增加制动的2 种控制电路同上, 增加制动的减速可采用2 种控制方式,即增加制动的定量减速系统和增加制动的比例减速系统, 它们的控制电路分别参见图7 和图8 , 执行元件都是图6 中电动机。所不同的是: 在定量减速电路中, 电动机直接接入电源而转动; 在比例减速电路中, 电动机由电流放大板驱动, 采用脉宽调制方法使电流放大板按汽车倾斜的大小, 在某一时间内, 达到不同的输出电流最大值, 电动机逐渐加速到所对应的最高转速, 所获得的制动效果比较平滑。具体过程分述如下。 当拉杆处于图6 中所示位置时, 限位开关K1被压开( K1 的状态与图7 和图8 中的状态相反) ,使电动机处于待命状态。当图2 中的输出端Uo3 有高电平信号输出时, 图7 中的三极管T 导通, 继电器J 得电, 触点转换, 使电动机经限位开关K2 得到下正上负的电源而开始转动, 使拉杆离开限位开关K1 , 带动制动踏板向下, 产生制动, 经过一段时间后, Uo3 无高电平输出, 继电器J 返回, 使电动机经限位开关K1 得到上正下负的电源而开始反转(在较短的时间内, 电动机处于反接制动状态下, 对小容量的直流电动机, 在使用上不会造成影响。也可增加延时后, 使电动机反转, 本文略) 。 当拉杆返回到图6 所示终止位置时, K1 断开, 电动机停转, 为下次制动作准备。在图8 中, 三极管T 的基极接于图2 中的输出端Uo2 , Uo2输出高电平时所反映的倾翻力小于Uo3 , 当Uo2输出高电平时,三极管T 导通, 继电器J 得电, 触点转换; 同时,Uo1输出的模拟量输入到电流放大板DF 上, 使电动机经限位开关K2 得到下正上负的脉动直流电源(平均值) , 开始加速转动, 限位开关K1 由断开状态转为闭合(图6 所示) 状态, 加速达到的最高转速由Uo1当时的大小所决定, 而加速转动时间由电流放大板的上升斜坡延时t u 决定(忽略电动机的起动惯性时间) , 实现平滑制动。随着制动的产生,Uo1下降, 使制动力减小, 直到Uo2的高电平信号消失, 倾翻力小于设定值, 继电器返回, 使电动机经限位开关K1 得到上正下负的电源而迅速反转。当拉杆返回到图6 所示终止位置时, K1 断开, 电动机停转, 为下次制动作准备。图6 、图7 和图8 中的限位开关K2 是制动的保护开关, 以防止电路失常(如元件短路、搭铁等) , 使电动机一直转动,制动无休止地增加, 当拉杆使K2 断开时, 电动机将失去电源而停转, 在正常制动减速过程中, 不会出现K2 断开情况, 假设K2 已断开, 而当减速结束后, 继电器J 将返回, 电动机亦将迅速返回待命位置将K1 断开。在图7 和图8 中, D 为继电器J 的续流二极管, 继电器J 触点闭合时, 接通制动灯, 发出制动信号。 4.1.6 2 种减速方法的应用就汽车的行驶工况而言, 通常是这样: 上坡时, 发动机油门加大, 车速下降, 坡度很陡时, 发动机转速会达到甚至超过额定转速, 车速还要下降; 下坡时, 发动机怠速, 车速并不会太低; 水平路面时, 有时加速行驶, 发动机转速较高, 有时滑行, 发动机怠速。从降低车速、防止倾翻的角度来讲, 增加制动减速是比减小发动机油门开度更为直接的方法, 但当发动机的转速很高时(如上坡) ,将造成发动机堵转, 只采用减小发动机油门开度有时又会起不到减速效果(如下坡) 。因此, 汽车侧向倾斜角度传感器的应用既要满足减速要求, 又不能造成发动机堵转。具体反映在上坡减速时。 为了解决这一实际问题, 再用一只角度传感器与车辆纵向布置, 其电路如图9 所示。当上坡坡度达到所规定的数值(如最大爬坡度) 时, 运放A2输出端Uo4输出高电平, 继电器J 得电, 常闭触点断开, 切断了增加制动减速电路(图7 、图8) 的电源U1 , 使其不能工作, 因为在这种工况下, 只要发动机降低转速, 就会得到很好的减速效果, 又避免了发动机堵转。而在其余工况下(爬坡度小于规定值时) , 继电器J 不吸合, 减小发动机油门开度减速系统和增加制动减速系统同时起作用, 确保汽车获得可靠的减速。在图9 电路图中, 发光二极管L ED2 作为增加制动的减速系统工作电源指示。 5  结语 关于本文中的几个主要电路参数归纳叙述如下: ①侧向倾翻力矩模拟量Uo1 ; ②侧向倾翻力矩报警数字量Uo2 ; ③侧向倾翻力矩减速数字量Uo3 ;④爬坡度数字量Uo4 ; ⑤电流放大板的上升斜坡延时t u 和下降斜坡延时t d ; ⑥角度传感器的阻尼时间及其电路延时。应根据汽车的重心高度、轮距、质量、速度、转弯半径、路面坡度及颠簸振动等因素综合决定, 达到合理配合关系, 从根本上避免汽车行驶中侧向倾翻事故的发生。

    时间:2012-07-25 关键词: 汽车 倾斜角 度传感器

  • 高精度倾斜角度传感器工作原理

    一、高精度倾斜角度传感器工作原理: 1,轴数:1轴 2,带宽:8~28Hz 3,灵敏度:4V/g 4,温漂:-40125℃ 5,量程:1g,±90度 6,输出方式:电压输出 7,供电电源:5v 8,功耗:2mA 高精度单轴倾斜角度传感器以基于VTI公司的电容式3D-MEMS技术的单轴倾斜角度传感器。在全温区都能表现出它卓越的可靠性,超凡的稳定性及史无前例的高精度。 倾斜角度传感器系列倾斜角度传感器根据汽车行业的可靠性、稳定性要求所设计、生产和测试的。系列倾斜角度传感器具有显著的负载能力和非常好的冲击耐久性,而不需要附加的其他器件。 倾斜角度传感器是VTI模拟加速度(倾斜角度)传感器产品中的一员,加速度传感器无全兼容。 二、倾斜角度传感器优势特点 1,单电源供电+5V 2,在4.75…5.25V供电范围内环比电压输出 3,测量量程±1g(±90度) 4,八引脚塑料表贴封装,可用于贴片机生产 5,增强的失效检测功能 6,数字激活式电气自我检测功能 7,校正存储器的奇偶校验核实功能 8,连续连接失效检测功能 9,双向加速度值测量功能 10传感元件的频率响应可控 11,兼容RoHS标准,支持无铅焊接 12,使用经过验证过的VTI3D-MEMS技术 三、倾斜角度传感器应用范围 系列高精度单轴倾斜角度传感器器的目标市场是汽车行业应用,典型应用包括: 1,加速度测量 2,倾角测量 3,运动测量 4,振动测量 四、倾斜角度传感器运用方案 1,倾斜角度传感器模块在液压钻机上的方案 2,倾斜角度传感器模块在旋挖钻机上的桅杆方案 3,倾斜角度传感器模块在挖掘机中的方案 4,倾斜角度传感器模块在升降机中的方案 5,倾斜角度传感器模块在起重机系统中的方案 6,倾斜角度传感器模块在平地机上的方案 7,倾斜角度传感器模块在可伸缩机械手中的方案 8,倾斜角度传感器模块在打桩机桅杆上的方案 五、倾斜角度传感器性能参数 参数名称:条件最小典型最大单位 工作电压:4.755.25V 工作电流:Vdd=5V;无负载24mA 测量量程:水平测量-1+1g 工作温度:-40125℃ 零点输出:0g位置输出VDD/2V 灵敏度:VDD=54V/g 零点误差:-40…125℃-50+50mg 灵敏度误差:-25…85℃-4+4%-40…125℃-2.5+2.5% 线性度:±10mg 交叉灵敏度:5% 频响:-3dB828Hz 输出噪声:噪声密度:30ug/√HzDC…4kHz5mVRMS 环比误差:VDD=4.75…5.25V2% 电阻负载:20Ohm 电容负载:20nF 倾斜角度传感器输入与输出

    时间:2012-07-19 关键词: 高精度 工作原理 倾斜角 度传感器

  • 光强度传感器电路图

    光强度传感器电路图

    时间:2012-03-11 关键词: 电路图 光强 物理/光学 度传感器

  • 数字质量厚度传感器温度特性分析

      1 引言 目前的电子仪器设备,主要由电子元器件、半导体器件等组成。这就存在两个问题:一是很多元器件,尤其是半导体器件受温度影响很严重,如Pbs等;二是电子元器件都有一个温度限制,其可靠性与温度成反比,超过这一限制时,可靠性和平均无故障时间将急剧地降低。研究表明,将仪器的温度循环故意超过20℃,其失效率增加8倍[1]。 可见,对仪器仪表实施温度控制在很多情况下是十分必要的。 在造纸过程中,检测纸张定量、水分、灰分的传感器,位于纸机烘缸之后,此处温度很高。对于生产卷烟纸等的纸机,其尾部未设冷缸,到传感器处,纸张的温度约为65~75℃,仪表的散热问题十分重要[2]。目前,从造纸过程控制使用的仪表来看,进口仪表几乎都采用通水冷却散热[3]。国产仪表几乎未采取任何散热措施。通水冷却,对水温有一定要求,同时存在水管密封难、易出水珠、维修维护难、造价高等问题,给实际应用带来不便;国产仪表,性能和可靠性均难满足要求[2]。 针对上述情况,通过对现代热控制技术的分析研究,我们提出了采用热管与半导体致冷联合散热控温方案[4]。 2 数字质量厚度传感器简介 数字核辐射质量厚度传感器,其基本原理如图1所示。 图1 数字式质量厚度传感器基本结构图 其基本工作原理为:放射源的射线束辐射到被测物上,除部分被吸收、部分发生散射外,穿过被测物质的β射线,辐射到接收器的闪烁体上,闪烁体产生荧光,荧光光子经光电倍增管转换放大,形成脉冲式电子流,再经放大整形及驱动,以脉冲形式送至微机,微机对其计数,再通过计算,便得出被测物质的质量厚度。   用于核光变换的闪烁体,其使用温度应在75—80℃以下,否则将影响精度和使用寿命。光电倍增管对温度变化也极其敏感,随温度升高,光电倍增管的增益减小、信噪比增大、暗电流增大,这些因素都影响传感器的灵敏度、稳定性等。因此光电倍增管最好保持在常温下工作。高温环境下使用时,可采用热管和半导体致冷散热的控温技术,试验证明效果非常好。 3 温度特性分析 β射线穿过物质时,由于发生电离和激发以及韧致辐射,使低能β很快被吸收。对β谱的主要部分来说,吸收曲线近似为指数下降: I=I0e-μmxm (1) 式中I0、I分别为穿过xm厚物质前、后的β辐射量,μm为质量吸收系数。 0℃时,空气密度为1.2929kg/m3。假设质量厚度测量仪的气隙高度为12mm。放射源及接收器直径为40mm。在0~60℃范围内,温度每变化10℃,空气密度平均变化约3.3%,气隙高度为12mm,其空气等效定量约为1.2929×12=15.6g/m2,气隙定量变化为15.6×3.3%=0.515g/m2。 可见,气隙温度变化对测量仪的精度影响很大,可采用测温、软件补偿予以消除。 暗电流及热噪声除受管子加工制作及原材料影响外,主要受温度变化影响,其温度关系曲线分别如图2及3所示。       图2 温度变化对光电倍增管暗电流影响曲线 图3 温度变化对光电倍增管热噪声影响曲线 可见,降温或控温对闪烁探测器性能提高是十分必要的。 4 热管控温技术 热管是一种高效的传热器件,具有极好的导热性,可在极小的温差下远距离高效地传输热量,且不需任何外部压送功率。 图4是一种典型的热管结构。它是一个封闭的容器。整个热管从纵向上可分为蒸发段、绝热段和冷凝段;从径向上可分为液态工质、管芯和管壳。管芯用于浸透工质的液相,管壳内的其余部分容纳工质的汽相。 图4 热管工作原理示意图 热量从蒸发段输入、冷凝段排出。当蒸发段受热时,管芯材料中的液态工质蒸发。一方面,由此建立起蒸发段与冷凝段间的压差,把蒸汽从该段驱送到冷凝段。只要冷凝段温度低于蒸汽的饱和温度,它就在该段凝结,并把汽化潜热传给外部散热器耗散掉。另一方面,蒸发段管芯材料中液体蒸发,使该段的液汽界面缩入管芯,使界面曲率半径减小到产生毛细压力。该毛细压力把冷凝段的液相工质抽吸回蒸发段,使之重新蒸发。这一过程周而复始,高效地将热量从蒸发段转移到冷凝段。 由于热管是靠相变潜热来传热的,因此,热管两端温差很小,一般为零点几至几度间。热管的导热能力极高,是良金属导体的103—104倍。 5 散热控温方案 我们所要散热控温的仪表是在线式检测仪表,其特点是周围环境温度较高。散热控温措施应简单、可靠,最好不要带一些辅助设备,因检测仪一般要随扫描架探头等运动件一起运动。另外,仪表中某些元器件,对散热控温精度要求很高,同时要求散热控温装置最好能较快地将外部环境变化带来的及自身产生的热量散发出去,即要求一定的快速性。 基于上述情况,我们采用局部半导体致冷,用绝热管将半导体致冷器热端热量传到仪表外,用扩大面积自然冷却或强制风冷将热量散掉。该方案在需要散发热量不是很大时,可以采用图5所示的结构。   图5 热管半导体致冷器散热控温方案 对于气隙温度影响,我们采用温度传感器检测,软件补偿方法消除。而光电倍增管采用半导体致冷器和热管联合散热控温的办法。 热管的引入,使仪表的散热控温问题得到较彻底的解决。 性能指标:使用温度范围为10~60℃;控温精度为±2℃。 图6给出了使用上述散热控温技术后,数字质量厚度传感器的八小时漂移曲线,其均方差为0.1026g/m2;不加温控时一般为0.6~1.0g/m2左右。可见,温控系统加入使仪表性能大为提高。   图6 质量厚度传感器八小时漂移曲线 6 结论 温度变化影响质量厚度传感器的灵敏度和稳定性,利用热管高效的传热性及极好的导热性特点,采用半导体致冷器和热管散热的控温技术,使质量厚度传感器的性能大为提高。该技术可广泛用于各种在线式传感器,有很好的推广价值。

    时间:2011-06-27 关键词: 质量 分析 数字 度传感器

  • 浅谈汽车侧向倾斜角度传感器的应用

     引言   概述随着电子技术的发展和应用,汽车的安全性、舒适性和智能性越来越高。汽车侧向倾斜角度传感器的应用是防止汽车在行驶中发生倾翻事故的一种有效方法,是提高汽车安全性的重要措施,特别是越野车、双层客车等重心较高的汽车更有必要。   汽车倾翻的实质是:行驶中向外的倾翻力矩大于向里的稳定力矩,当重心高度一定时,倾翻力矩由倾翻力(向外的侧向力)决定。根据物理学知识,倾翻力由路面的侧向(亦称横向)坡度产生的下滑力F1和转弯时所受向心力F2共同作用所产生,具体如下:   式中   m——汽车质量   g——重力加速度   α——路面与水平面的侧向夹角   v——汽车行驶速度   R——转弯半径   由以上2式可知,为了减小倾翻力,只有减小v是可行的,而且F2v2。根据牛顿第三运动定律,转弯时汽车在受到向心力作用的同时,产生与向心力大小相等、方向相反的离心力,因为汽车质量m是一定的,当向心力不能满足v2R的增大时,倾翻力矩大于稳定力矩,就会发生倾翻。   因此,应降低车速,进而减小倾翻力矩,将角度传感器按摆动方向在汽车上侧向布置,根据角度传感器产生的角位移,可得出汽车所受下滑力、向心力作用产生的倾翻力的大小,当角位移达到预先设定的数值时,使汽车减速。   1 角度传感器   利用重力原理制造的角度传感器如图1所示。摆动部分的质量为m,重心距转轴的距离为L,当汽车车体倾斜或做曲线运动时,均能使摆动部分偏转。设图1中的受力分析是无任何摩擦的理想状态下,力F为下滑力F1和向心力F2共同作用的结果,力F与倾翻力成正比,所产生的偏转角度也就与倾翻力成正比。摆动部分所受重力G与F的合力T是摆杆所受拉力,摆动角度=tg-1(F/G),与L无关,当质量m一定时,只与F有关,且成正比。实际上,由于存在转轴等处的摩擦,则L越长,摆动转矩越大,精度越高。   角度传感器在控制系统中通常作为采样元件,其性能的优劣对整个系统起着重要作用。电位器式角度传感器已在各种控制系统中广泛应用,但它的缺点是存在触点的滑动磨损和电噪声;磁敏电阻式角度传感器是利用半导体技术制造的新型纯电阻性元件,特点是无触点,当摆动部分偏转时,通过磁敏电阻的磁通量发生变化,使磁敏电阻的阻值发生数倍以上的变化,从根本上消除了电噪声,并使精度得以提高。   各种角度传感器都具有阻尼功能,使得对所测得角度的响应有一个短暂的延时对控制系统来讲是有益处的。   2 角度传感器电路   图2是侧向倾斜角度传感器的一种实用电路,主要由单电源运算放大器(如LM324)组成,其作用是将角度传感器中的电位器W1输出的线性变化的模拟电量进行处理、放大,能够按规定输出数字量和模拟量。令水平时电位器W1滑动点Ui的电位为(12)Ec(Ec为稳压电源电压,通常为9V或15V,下同),R1、R2、R3、R4为附加电阻,并使R1=R2,R3=R4,W2为调中电位器,阻值很小。调整W2,当W1处于水平状态时,使运放A1、A2输出端电位为(12)Ec。运放A1组成反相比例运算放大器,作为电路的前置级放大,输入电压为Ui,输出电压U1=-(R7R5)Ui,且应使R6=R5%R7;运放A2组成反相器,电阻R10=R8,且应使R9=R8%R10;输出电压U2=-U1=(R7R5)Ui。A1和A2的输出端分别由发光二极管LED1、LED2组成或门电路输出,使得汽车不论是左倾还是右倾,输出端Uo1均能输出与输入量Ui(随倾斜角度变化)成正比例线性关系的模拟信号,即Uo1=(R7R5)|Ui|,去控制后面的电路或机构。发光二极管还能指示倾斜方向,当水平状态时,模拟量输出端Uo1=(12)Ec: 图2 侧向倾斜角度传感器电路图   运放A3、A4和A5、A6分别组成窗口比较器,电阻R20、R23、R26、R29是阻值较大的正反馈电阻,以改善运放的开关状态工作性能,电阻R13~R17为分压电阻,且应R14=R15,R16=R17,电阻R13中点处的电位为(12)Ec,分压电阻的阻值应根据U2的变化所反应的倾翻力决定,使得运放A3和A5的反相输入端、运放A4和A6的同相输入端获得不同的开关转换基准电位,而且所反应的左右倾斜程度是一致的。水平时,U2=(12)Ec,运放A3~A6均输出低电平;倾斜时,U2的电位发生变化,运放A3~A6按规定要求输出高电平。例如,电位器W1左摆时,使U2电位升高,当高于A点电位时,运放A3输出高电平,二极管LED3显示倾斜方向,若汽车继续向左倾斜,使U2电位继续升高,当高于C点电位时,运放A5输出高电平,二极管LED5显示倾斜方向且程度加重;同理,若电位器W1右摆,运放A4和A6的工作亦如此。2个输出端Uo2和Uo3输出的数字信号所反映倾斜程度与倾斜方向无关,很明显,Uo3有高电平信号输出时,Uo2已经输出高电平,Uo3所反映的倾斜程度大于Uo2。   K为自动复中位型扭子开关,作为电路的检验开关,当上下搬动时,应分别使二极管LED2、LED3、LED5和LED1、LED4、LED6发亮。电容器C1为高频旁路电容器,C2为低频滤波电容器,并与电阻R12组成放电回路,形成延时环节,在系统中相当于传感器中的阻尼作用增加。   3 应用初探   根据前文对图2电路的叙述可知,汽车侧向倾斜角度传感器的应用有2种形式。一是由电路发出的数字信号Uo2,驱动声光信号装置,提醒驾驶员减速;二是由电路发出的数字信号Uo3或模拟信号Uo1控制执行机构,使汽车自动减速,采用数字信号组成定量减速系统,减速时略有些速度忽变,采用模拟信号组成比例减速系统,减速的效果比较平滑,实现减速的方法有2种,一是减小发动机油门开度,二是增加制动。下文分述。   3.1 减小油门开度的定量减速系统   由传感器电路发出的数字信号,控制执行元件(如电磁铁)组成减小发动机油门开度的定量减速系统,如图3所示。汽车正常行驶时,油门拉杆由油门踏板控制,电磁铁中的动铁心随油门拉杆同步移动;当汽车侧向倾斜(指速度、转弯半径及路面坡度的综合值,下同)超过设定值时,传感器电路输出端Uo3发出信号,经延时环节YS(如时间继电器,Uo3消失后,YS延时断开,若阻尼和电路的延时足够,可以不设),开关量放大环节KF(如继电器),使电磁铁DCT得电工作,动铁心迅速移动至终止位置,带动油门拉杆,使油门开度突然减小。   在这一系统中,动铁心移动的起始位置不是固定的,终止位置是可以预先设定的,所获得的减速程度有所不同。因此,应根据不同的车型,合理地设定发动机减速所要达到的转速,使减速不至于过于突然。   3.2 减小油门开度的比例减速系统   为了避免上述系统中减速的突变性,应采用比例减速系统,如图4所示。在比例减速系统中,由传感器电路Uo1端输出模拟电压信号,控制电流放大板DF,按照输入信号Uo1的大小,输出不同的电流值,使比例电磁铁产生不同的位移,油门开度的减小与Uo1的增大成正比关系,减速所达到的最终结果是倾斜程度所决定的。   再看一下减速的过程:电流放大板输出电流的存在或消失要经上升斜坡延时tu和下降斜坡延时td。上升斜坡延时是指输出电流(平均值)从0达到某一稳定值(由Uo1决定)所需要的时间。下降斜坡延时是指控制信号Uo1消失,输出电流从这一稳定值减小至0的时间,详见图5。在电流放大板上,上升斜坡延时和下降斜坡延时可以分别调整,减速的平稳性由上升斜坡延时所决定,上升斜坡延时越长,输出电流的上升速率越小,比例电磁铁移动到终止位置(由输出电流决定)所用的时间就越长,减速效果越平稳;异而反之。比例电磁铁移动到某一终止位置后,即完成减速的平稳过渡,持续一段时间后,倾翻力矩小于设定值或消失,使Uo1减小或消失。若使Uo1减小,则输出电流按td所决定的斜率下降,直至为0。假设Uo1突然消失,输出电流则经过td延时后为0,从而,实现了减速后重新加速的平稳性。对于上升斜坡延时和下降斜坡延时,亦应根据不同车型和系统参数决定。   电流放大板输出电流的大小通常采用脉宽调制(简称PMW)技术获得,由输入信号Uo1决定输出电流波形的占空比,改变电流的平均值,这种直流电流中含有一定成份的颤振分量,可克服比例电磁铁的调节滞环,提高位置控制精度。   3.3 减小油门开度减速系统与原车油门机构的连接   由图3和图4可知,减速系统的执行元件所产生的位移与原车油门踏板所产生的位移的方向是相反的,当执行元件使油门开度减小时,势必会使油门踏板抬起,并要克服原车油门机构的阻力,若驾驶员的脚踏在踏板上,执行元件需产生较大的力量才能完成动作,同时,对传动机构中机械零件的强度、刚度也要提高要求,使得减速系统不够完善。   为了解决这一问题,在油门踏板与油门拉杆之间增加了一个过渡弹簧,详见图3和图4。实际上,油门踏板作用到油门拉杆的力量较小,油门踏板的复位弹簧并不是直接作用到油门拉杆上,因此,由原来油门踏板直接带动油门拉杆改为增加一个刚度适中的过渡弹簧(拉簧)带动油门拉杆,正常工作时,并不影响油门踏板对油门拉杆的控制,当减速执行元件动作时,使油门开度减小并将过渡弹簧拉长,假设驾驶员的脚未抬起,并不会有太大的踏板向上的感觉或没有感觉。如果油门踏板的位置保持不变,减速阶段结束后,倾翻力矩已不起作用,传感器电路停止信号输出,减速执行元件停止工作,过渡弹簧缩回,带动油门拉杆回到原来位置,可实现自动加速,在定量减速系统中获得与减速程度一样的加速,在比例减速系统中可获得与下降斜坡延时相对应的加速速率,实现平稳加速。   3.4 增加制动的减速机构   各种汽车的行车制动均是通过制动踏板完成的,因此,增加制动的减速方法的动作执行元件应直接作用于制动踏板,而且执行元件的动作方向与制动踏板的踏下方向是一致的,执行元件与制动踏板的连接可采用机械结构实现传动。   根据踏下制动踏板需要的作用力,采用永磁式直流微电机作为执行元件,如图6所示。电动机输出的转速经减速机构后,带动丝杠旋转,使丝杠上的动丝母作直线运动,再由动丝母上的拉杆经一细钢丝绳带动制动踏板,电动机未转动时,拉杆将限位开关K1压开,制动踏板正常工作。   3.5 增加制动的2种控制电路   同上,增加制动的减速可采用2种控制方式,即增加制动的定量减速系统和增加制动的比例减速系统,它们的控制电路分别参见图7和图8,执行元件都是图6中电动机。所不同的是:在定量减速电路中,电动机直接接入电源而转动;在比例减速电路中,电动机由电流放大板驱动,采用脉宽调制方法使电流放大板按汽车倾斜的大小,在某一时间内,达到不同的输出电流最大值,电动机逐渐加速到所对应的最高转速,所获得的制动效果比较平滑。具体过程分述如下。   当拉杆处于图6中所示位置时,限位开关K1被压开(K1的状态与图7和图8中的状态相反),使电动机处于待命状态。当图2中的输出端Uo3有高电平信号输出时,图7中的三极管T导通,继电器J得电,触点转换,使电动机经限位开关K2得到下正上负的电源而开始转动,使拉杆离开限位开关K1,带动制动踏板向下,产生制动,经过一段时间后,Uo3无高电平输出,继电器J返回,使电动机经限位开关K1得到上正下负的电源而开始反转(在较短的时间内,电动机处于反接制动状态下,对小容量的直流电动机,在使用上不会造成影响。也可增加延时后,使电动机反转,本文略)。   当拉杆返回到图6所示终止位置时,K1断开,电动机停转,为下次制动作准备。在图8中,三极管T的基极接于图2中的输出端Uo2,Uo2输出高电平时所反映的倾翻力小于Uo3,当Uo2输出高电平时,三极管T导通,继电器J得电,触点转换;同时,Uo1输出的模拟量输入到电流放大板DF上,使电动机经限位开关K2得到下正上负的脉动直流电源(平均值),开始加速转动,限位开关K1由断开状态转为闭合(图6所示)状态,加速达到的最高转速由Uo1当时的大小所决定,而加速转动时间由电流放大板的上升斜坡延时tu决定(忽略电动机的起动惯性时间),实现平滑制动。随着制动的产生,Uo1下降,使制动力减小,直到Uo2的高电平信号消失,倾翻力小于设定值,继电器返回,使电动机经限位开关K1得到上正下负的电源而迅速反转。当拉杆返回到图6所示终止位置时,K1断开,电动机停转,为下次制动作准备。图6、图7和图8中的限位开关K2是制动的保护开关,以防止电路失常(如元件短路、搭铁等),使电动机一直转动,制动无休止地增加,当拉杆使K2断开时,电动机将失去电源而停转,在正常制动减速过程中,不会出现K2断开情况,假设K2已断开,而当减速结束后,继电器J将返回,电动机亦将迅速返回待命位置将K1断开。在图7和图8中,D为继电器J的续流二极管,继电器J触点闭合时,接通制动灯,发出制动信号。   3.6 两种减速方法的应用   就汽车的行驶工况而言,通常是这样:上坡时,发动机油门加大,车速下降,坡度很陡时,发动机转速会达到甚至超过额定转速,车速还要下降;下坡时,发动机怠速,车速并不会太低;水平路面时,有时加速行驶,发动机转速较高,有时滑行,发动机怠速。从降低车速、防止倾翻的角度来讲,增加制动减速是比减小发动机油门开度更为直接的方法,但当发动机的转速很高时(如上坡),将造成发动机堵转,只采用减小发动机油门开度有时又会起不到减速效果(如下坡)。因此,汽车侧向倾斜角度传感器的应用既要满足减速要求,又不能造成发动机堵转。具体反映在上坡减速时。   为了解决这一实际问题,再用一只角度传感器与车辆纵向布置,其电路如图9所示。当上坡坡度达到所规定的数值(如最大爬坡度)时,运放A2输出端Uo4输出高电平,继电器J得电,常闭触点断开,切断了增加制动减速电路(图7、图8)的电源U1,使其不能工作,因为在这种工况下,只要发动机降低转速,就会得到很好的减速效果,又避免了发动机堵转。而在其余工况下(爬坡度小于规定值时),继电器J不吸合,减小发动机油门开度减速系统和增加制动减速系统同时起作用,确保汽车获得可靠的减速。在图9电路图中,发光二极管LED2作为增加制动的减速系统工作电源指示。   4 结语   关于本文中的几个主要电路参数归纳叙述如下,(侧向倾翻力矩模拟量Uo1;)侧向倾翻力矩报警数字量Uo2侧向倾翻力矩减速数字量Uo3;+爬坡度数字量Uo4;,电流放大板的上升斜坡延时tu和下降斜坡延时td角度传感器的阻尼时间及其电路延时。应根据汽车的重心高度、轮距、质量、速度、转弯半径、路面坡度及颠簸振动等因素综合决定,达到合理配合关系,从根本上避免汽车行驶中侧向倾翻事故的发生。

    时间:2011-06-20 关键词: 汽车 倾斜角 度传感器

  • MEMS技术的热对流式双轴加速度传感器

    消费电子、通信电子产品,如手机、数码相机、数码摄像机、PDA、MP3、PMP、P-DVD、DC、DV、NB、NetBook等必须具备一定的抗冲击或抗跌落能力。这些产品的制造商要求其整机必须能通过1.2米或1.3米的自由跌落测试,从1.2米自由跌落至大理石地面将对整机产生大约50,000g的冲击力。如果除去外壳和印刷电路板的缓冲作用,施加到加速度计上的冲击加速度也将超过5,000g。为了抵御这种冲击,制造商要求产品设计师在产品中设计缓冲系统,并采用加速度 传感器 在第一时间获取跌落信息,同时在第一时间将怕震电子器件的 电源 关闭,并予以保护,如高速旋转的硬盘、光碟、录像带等均可使它们能够快速地进入暂停状态。为此,双轴热对流式加速度传感器则是理想的可用器件之一。   热对流式双轴加速度传感器 是以虚拟的、悬浮于空中的“热气团”作为重力块。在微机械结构上没有可活动的部分,其独特的“桥式”结构牢牢地固定在硅芯片上,而使其能够抵御大于50000g的冲击。   热对流式加速度传感器是采用MEMS技术,基于单片CMOS集成电路的制造工艺而生产出来的一个完整的加速度测量系统,就像其它加速度传感器一样有重力块(质量块)。热对流式加速度传感器是以可移动的热对流小气团作为重力块的。通过测量,由加速度引起的内部腔体内的温度气团的位置变化来测量加速度。热对流式加速度传感器以气态气体作为质量块,同传统的实体质量块相比,这种加速度传感器具有很大的优势,它不存在电容式传感器所存在的粘连、颗粒等问题,同时还能抵抗50000g的冲击。这使得热对流式加速度传感器生产的合格品率大大提高,生产成本有效降低,因而使用的故障率很低。   热对流式加速度传感器的工作原理   一个被放置在芯片中央的热源在这个空腔中产生一个悬浮的“热气团”,同时四个由铝和多晶硅组成的热电耦组被等距离对称地放置在热源的四个方向。在未受到加速度或水平放置时,其温度的下降陡度是以热源为中心而完全对称的。此时,所有的四个热电耦组均因感应温度相同而产生的电压是相同的。上面是一个空腔气室,因无加速度的外力作用,热气团位于正中央的中央热源之上。当受到一个加速度的作用,热气团向右偏移,原来四个热电耦组的平衡被破坏,其温度的下降陡度是以热源为中心而向右发生△的偏量。由于自由对流热场的传递性,任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓,从而导致其不对称,此时四个热电耦组的输出电压会出现差异,而这热电耦组输出电压的差异是直接与所感应的加速度成比例的。在加速度传感器 内部,有两条完全相同的加速度信号传输路径,一条是用于测量X轴上所感应的加速度,另一条则是用于测量Y轴上所感应的加速度。   热对流式加速度传感器 的内部还包含传感器的模拟信号后处理电路。来自同一轴、两个方向的热电耦组信号经差分放大、温度比较、模数转换、数模转换、低通滤波和缓冲,输出已经放大了的模拟信号;或经差分放大、温度比较和模数转换,直接将信号处理成I2C 接口界面。因此,热对流式加速度传感器是一个多芯片的片上系统,即SOC或MCM。   由于热对流式加速度传感器 采用MEMS技术以及基于标准的CMOS制造工艺,这使其圆片加工工序的成品率大大提高,全线成品率达到90%以上。ADI等著名集成电路公司都已开发了这种类型的加速度传感器,如二轴的ADXL320/321,三轴的ADXL330;其它如MAS-LA/LD系列双轴加速度传感器等。MEMS IC在中国大陆设计和生产,更具有低成本的优势,使产品更具竞争力。 热对流式加速度传感器采用5×5 ×1.55mm LCC-8封装,体积小而薄,十分适合便携式产品的应用。  

    时间:2011-06-01 关键词: mems 热对流式 双轴加速 度传感器

  • 薄膜厚度传感器的线性化电路

    薄膜厚度传感器的线性化电路

    时间:2011-01-16 关键词: 薄膜 电路 线性 物理/光学 度传感器

  • 双轴加速度传感器ADXL202及其应用设计

    双轴加速度传感器ADXL202及其应用设计

    引 言    ADXL202是ADI公司出品的一款双轴加速度测量系统,模拟输入,可测量动态加速度和静态加速度,测量范围为±(2~10)g,输出为周期可调的脉宽调制信号,可以直接与单片机或计数器连接。LPC2103为飞利浦公司的一款ARM7系列微控制器,主要用于工业控制、医疗系统、访问控制、POS机、通信网关等领域。本文使用LPC2103实现对ADXL202加速度数据的采集与处理。1 ADXL202加速度传感器1.1 ADXL202的引脚定义及基本特性    ADXL202为单片集成电路,集成度高、结构简单,内部包含多晶硅表面微处理传感器和信号控制电路,以实现开环加速度测量结构。与其他加速度计相比,ADXL202可在很大程度上提高工作带宽,降低噪声影响,零重力偏差和温度漂移也相对较低。图1所示为ADXL202传感器的引脚定义。    ST:自检,用于控制芯片自检功能。接VDD时,输出占空比为10%的波形,说明芯片正常工作。    COM:引脚4、7。使用时需将2个COM端接在一起并接地。    T2:经电阻RSET接地,调节输出信号周期。输出信号周期T2=RSET/(125 MΩS-1)。    VDD:电源。工作电压范围为+3.O~+5.25 V,可经过100Ω的去耦电阻接电源。    XFILT、YFILT:经电容接地,用于改变带宽、滤除噪声和抑制零点漂移。    Xout、Yout:输出。    图2为ADXL202传感器的内部结构原理图。    ADXL202传感器由振荡器,X、Y方向传感器,相位检波电路以及占空比调制器组成,具有数字输出接口和模拟电压信号输出接口。X、Y方向传感器是2个相互正交的加速度传感器,它们同时工作,可以测量动态变化的加速度和恒定的加速度。传感器之后级连相位检波器,主要是用来修正信号,并对信号的方向做出判断。检波器输出的信号,通过一个32 kΩ的电阻来驱动占空比调制器,通过在XFILT和YFILT引脚外接电容CX和CY来改变带宽。1.2 测量数据的计算及处理    (1)信号带宽的计算    通过CX和CY来设定带宽,在XFILT和YFILT引脚接上电容,通过低通滤波器来减少噪声。3 dB带宽的公式为:    f=5 μF/C(x,y) (电容最小值为l 000 pF)    (2)加速度的计算    输出信号周期T2=RSET/(125 MΩs-1),如图3所示。    信号通过低通滤波器之后,占空比调制器把信号转换为数字信号输出。通过T2引脚的外接电阻可以改变T2的周期(O.5~10 ms),这很适于在精度要求不同的场合下使用。输出的占空比信号通过计数器可以计算出占空比。加速度的计算可以通过下式得到:        例如,当加速度为0g时,信号宽度T1与空闲宽度(T2一T1)相同,输出信号的占空比为50%;当加速度为1g时,信号宽度T1与空闲宽度(T2一T1)的比值为5:3,输出信号的占空比为62.5%。1.3 ADXL202的典型应用    ADXL202传感器最重要的应用之一是倾斜度的测量。在进行倾斜度测量时,需要让传感器的敏感轴(x轴)与重力方向垂直。如果与重力方向平行,物体倾斜对于加速度数据的影响可以忽略不计。图4所示为加速度测量的原理图。    当ADXL202与重力矢量垂直时,其输出随倾斜度的变化大约为每度17.5 mg,当两者呈45°时,输出变化值仅为每度12.2 mg,分辨率降低。表1为倾斜角度与加速度变化的关系。2 应用电路设计2.1 硬件接口设计    LPC2103是一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI—S CPU,并带有8 KB片内SRAM和32 KB嵌入的高速片内Flash内存。LPC2103具有LQFP48的较小封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、2个外部中断、最多可达32个GPIO。通过可编程的片内PLL(可能的输入频率范围:10~25 MHz)可实现最高70 MHz的CPU时钟频率。ADXL202传感器与LPC2103的接口电路如图5所示。    ADXL202加速度传感器的T2经125 kΩ电阻接地,可以得到信号输出的周期为1 ms。13、14引脚接+5 V电源,XFILT和YFILT经O.1μF电容接地,用于设置50 Hz带宽。两路输出分别与LPC2103的PO.O和PO.2引脚相接,作为数据传输线。数据传输有两种方法,分别为普通GPIO口方式和定时器捕获中断方式。2.2 普通GPIO口方式    由于传感器输出均为DCM信号,无论采用什么方式进行数据接收,都需要定时器/计数器工作,对DCM信号进行计时处理。因此,程序首先要对定时器进行初始化。然后分别对DCM信号的高电平和低电平持续时间进行计时,得到T1、T2的值,再进行加速度计算。由于默认情况下GPIO均为普通I/0方式,所以开始不用设置PIN—SEL寄存器。普通GPIO口方式程序如下:    普通GPIO口方式的程序比较简单,虽然程序的执行需要时间,但由于LPC2103的主频可以达到40 MHz,执行几条指令只需几微秒,所以产生的误差会很小。但普通GPIO方式程序执行时,CPU一直在等待上升沿或下降沿的到来,大大降低了CPU的使用效率。可以使用图5所示Xout与LPC2103的接口方式。2.3 定时器捕获中断方式    如图5所示,Yout与LPC2103的PO.2引脚相接,利用P0.2的功能复用,可以实现定时器捕获中断方式接收传感器数据。主要程序段如下:    中断处理程序运行之后,得到的信号周期应为T2=t1+t2。故加速度为(((fp32)t1/((fp32)t2+(fp32)t1))一O.5)*8。使用中断服务程序大大提高了CPU的使用效率,但程序较为复杂,并且占用了一个中断向量通道。结 语    ADXL202传感器的应用方法经过验证完全可行,并且能够达到较高的测量精度。由于集成度高,由ADXL202和ARM系列微控制器组成的系统完全可以用于汽车、火车等交通工具的安全控制系统。ADXL202在惯性导航、倾斜感应、地震监控及汽车保险等领域都有着广泛的应用,精度高、集成度高、功耗低等特点使之完全可以取代传统的加速度传感器。

    时间:2009-01-05 关键词: 202 adxl 双轴加速 度传感器

  • 新小型化表面贴装环境亮度传感器(Avago)

    Avago Technologies(安华高科技)宣布推出一款新低成本小型化表面贴装环境亮度传感器,可以应用在广泛的便携式电子产品背光控制上,Avago的APDS-9008在设计上紧密贴近人眼的光谱响应曲线,可以大幅度降低产品的功耗,有效延长包括移动电话、PDA、笔记本电脑、电视、视频应用和数码相机等产品的电池使用时间。Avago是为通信、工业和消费类等应用领域提供模拟接口零组件的领导厂商。 APDS-9008是一个采用小型化无铅chipLED表面贴装封装的模拟输出环境亮度传感器,这个由Avago公司所推出的新传感器拥有低达1.6V到高达5.5V的广大工作电压范围,同时集成良好配套的光传感器,带来卓越的响应输出能力,主要面向需要进行环境亮度测量来控制显示背光功耗的应用工程师设计,另外,包括如移动电话和PDA等通常在LCD显示背光上耗用大量电流的应用也能够通过在设计中集成这个表面贴装环境亮度传感器而获益。 APDS-9008是Avago公司APDS-9005一个引脚完全兼容的替代选择,提供设计工程师可以在低达1.6V VCC电源工作的小型化低成本环境亮度传感器。 功能特点 ‧    卓越的响应能力 ‧    采小型化chipLED表面贴装封装:0.55 mm高x 1.60 mm宽x 1.50 mm长 ‧    可在不同光源照射下维持稳定一致的感应输出 ‧    工作温度范围:-40oC到+85oC ‧    VCC电源电压范围:1.6V到5.5V ‧    可在广大照明范围内维持高线性度输出 ‧    高输出饱和电压 ‧    采Pb-free环保无铅封装并符合RoHS标准要求

    时间:2008-07-02 关键词: avago 环境 表面贴装 度传感器

  • 新小型化数字环境亮度传感器(Avago)

    Avago Technologies(安华高科技)面向消费类、工业和汽车应用推出能够在广泛照明条件下提供精确照明度测量的新小型化可编程数字环境亮度传感器产品。Avago的APDS-9300低电压环境亮度传感器在设计上紧密贴近人眼的光谱响应曲线,并集成数字式I2C接口来简化导入到设计的程序。 APDS-9300 ALS可以将照明强度转换为数字信号并通过I2C接口输出,此外,它并集成了可以和大部分客户数字平台无缝结合,能够简化设计的使用者可编程中断功能,而采用小型化chipLED封装更使得APDS-9300非常适合用来控制各种移动和消费类设备,例如移动电话、笔记本电脑、LCD显示屏和数码相机等的显示背光,其他目标应用还包括室内和商业照明管理系统、汽车仪表总成以及电子标志和信号灯等应用。 功能特点 ‧    各种广泛照明条件下的精确照明度测量 ‧    可由使用者设定高低阀值的可编程中断功能 ‧    16-bit数字输出,配备I2C 400 kHz快速模式 ‧    可编程模拟增益和积分时间 ‧    采小型化chipLED封装:0.55 mm高x 2.60mm长x 2.20mm宽 ‧    50/60 Hz照明纹波拒斥能力 ‧    低2.5V输入电压和1.8V数字输出 ‧    标准0.6 mW低动作功耗并具备备用模式 ‧    符合RoHS标准要求

    时间:2008-04-18 关键词: 数字 avago 环境 度传感器

  • Avago 推出新环境亮度传感器产品

    Avago Technologies(安华高科技)今日宣布,推出能够在宽广照明情况下提供精密对数型输出的新环境亮度传感器产品。APDS-9007是Avago环境亮度传感器系列的最新成员,具备对数型输出特性,这个新传感器产品在设计上能够涵盖3到70k流明的宽广照度范围,使得它相当适合移动和其他应用,例如户外照明以及太阳能板等可能直接在太阳光照射下工作的产品。 在设计上紧密贴近人眼的光谱响应曲线,Avago的APDS-9007环境亮度传感器可以在各种多样化的照明情况下提供可靠的传感器输出,在产品设计上,APDS-9007同时也能够大幅降低功耗,并通过LCD背光强度和按键背光的自动调整,延长便携式以及移动设备的电池使用时间。采用小型化chipLED环保无铅表面贴装式封装供货,Avago紧凑的APDS-9007能够在-40oC到+85oC的温度范围下工作,并可接受2到3.6V的VCC电源。 藉助先进的红外线和传感器技术,Avago持续领先业内带来更快的连线速度与集成遥控能力,并降低整体系统功耗,满足现有和未来新兴应用需求,Avago丰富多样的红外线解决方案与精确传感器(近接式与环境亮度传感器)可以为办公室、工业应用、家用、金融以及娱乐系统的使用界面带来巨幅改善。

    时间:2007-08-01 关键词: 产品 avago 环境 度传感器

  • Avago 推出经济型环境亮度传感器

        Avago Technologies(安华高科技)今日宣布推出一款新型模拟输出环境亮度传感器,可帮助便携式显示设备降低功耗,延长LCD屏幕的使用寿命。这些经济型传感器可以根据制造商预先设定的模式来控制便携式LCD显示器的背光。Avago Technologies(安华高科技的APDS-9004为笔记本电脑、便携式DVD播放机、便携式摄像机、数码相机和手机提供了理想的节电解决方案。它同样也可以用于打开或关闭室内和户外照明灯、路灯、电子标志和信号灯等。     APDS-9004传感器可检测环境亮度水平,并通过提供高度线性的成比例输出,来调节显示屏幕或键盘的背光。如果周围光线充足,则可以采用设计人员提供的逻辑开关关闭背光,以减少电池充电或更换电池的次数。       Avago Technologies(安华高科技)的经济型反向安装亮度传感器为对价格和尺寸敏感的移动产品的设计人员提供了更多的灵活性。袖珍型APDS-9004传感器不但实现了卓越的性能,还明显地降低了功耗,这也是当前由电池供电的产品所面临的一个日益重要的问题。     Avago Technologies(安华高科技)的环境亮度传感器的性能要优于采用硅光电二极管亮度检测技术的解决方案,因为其频谱响应的尖峰值与人眼的波长相同。这些传感器在自然的阳光、荧光、传统的白炽灯和卤素灯等不同的光源下的表现同样出色。它们对于照明变化的反应,也远比光电晶体管响应得快。Avago Technologies(安华高科技)的封装技术是专为表面封装LED而开发的,同时具有低成本、高可靠性的优点,并以符合行业标准的超小外型满足了自动化制造工艺的需求。     APDS-9004传感器采用反向安装的4针型封装,其封装尺寸也是电子行业协会(EIA)的标准尺寸:3.2 mm x 1.6 mm x 1.1 mm。在安装时,它的感光区域面向PC电路板,光线通过用户提供的孔径传出。这样,电路板就可以紧密地安装在产品的机架上,以节约空间。APDS-9004的工作电压为2.4 V - 5.5 V,工作温度范围为-40℃到+85℃。

    时间:2006-10-19 关键词: 经济 avago 环境 度传感器

  • Agilent 经济型环境亮度传感器

        安捷伦科技公司 (Agilent Technologies) 日前宣布,为手机、消费电子、商用和工业产品提供一款新型模拟输出环境亮度传感器。安捷伦APDS-9002传感器采用微型ChipLED无铅表面封装,它是业内体积最小的器件之一,产品尺寸仅为2.00 mm x 1.25 mm x 0.80 mm。其紧凑的封装缩小了电路板空间,从而可以实现外形更薄、功能更丰富的产品。     安捷伦环境亮度传感器为PDA、笔记本电脑、便携式DVD播放机、MP3播放机、便携式摄像机和数码相机及手机提供了理想的节电解决方案。它们还可以用来控制室内和室外照明灯、路灯及电子标志和信号灯的开关。     与安捷伦以前推出的HSDL-9001亮度传感器相比,APDS-9002进一步改善了性能,包括保证在2.4 V - 5.5 V扩展电压范围内工作,其工作温度范围也扩大至-40℃到+85℃。安捷伦创新的环境亮度传感器采用人眼仿真检测环境亮度,然后把信号传送给手机,以便在需要时打开显示屏的背光和键盘灯。     新型传感器可检测周围环境的亮度水平,并通过提供高度线性的成比例输出,来调节显示屏或键盘的背光。如果周围光线充足,设计人员提供的逻辑控制可以关闭背光,以减少电池充电的时间或更换电池的次数。

    时间:2005-05-18 关键词: 经济 环境 agilent 度传感器

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