磁电式传感器在汽车安全气囊中的应用.doc

传感器原理及工程应用设计（论文）磁电式传感器在汽车安全气囊中的应用学生姓名：高娟指导教师：任爽所在学院：信息技术学院专 业：电气工程及其自动化中国大庆2011 年12 月1摘要摘要当今，随着科学技术以及社会经济的迅猛发展，汽车会愈加普及，提高其安全性是人们重点研究的课题。在对汽车碰撞的安全装置的研究中，人们主要的注意力集中在安全气囊上，而对安全气囊触发信号的发出者传感器的深入研究还很不够。已开展研究的传感器有触发开关式、纯机械式、单点电子式、侧撞式、应变式等，其种类繁多，用途不同。但由于对安全气囊的装置还没有国际标准，各国汽车协会根据现有试验数据和仿真技术提出了各自对安全气囊装置的标准。另一方面，由于汽车种类繁多，传感器安装在汽车上的位置不同，造成对传感器的要求标准不同。本文正是基于此种情况，提出设计了一种磁电式传感器，此传感器可安装在汽车任何位置上。该文论述了汽车安全气囊磁电式传感器的工作原理，并对传感器进行了结构设计和电路设计，同时对加工的传感器样机进行了模拟冲击实验。通过调整某些参数，识别峰值和时间脉宽为的碰击加速度信号，在加速度峰值和时间脉宽同时满足要求的条件下，为气囊输出一触发信号，打开空气发生器，使气囊充气对人进行保护识，电路具有峰值和时间双重判别，该传感器是一种新型的汽车安全气囊传感器。关键词: 汽车 安全气囊 电子 磁电式传感器 - 6 -前言目录摘要I目录II前言III1磁电式传感器- 1 -1.1磁电式传感原理- 1 -1.2磁电式传感器结构- 2 -1.3钟形脉冲信号- 3 -1.4判别电路- 4 -1.5传感器测量电路- 4 -2冲击试验- 6 -3磁电式传感器在实际中的应用- 8 -结束语- 11 -参考文献- 12 -前言磁电式传感器也称作电动式传感器，或感应式传感器，它只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带一般为101000Hz。磁电式传感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力(矩)发生器和电磁激振器等。磁电式传感器主要用于振动测量，其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。安全气囊一般由传感器、电控单元、气体发生器等组成，由传感器感受汽车碰撞强度，并将感受到的信号传送到控制器，控制器接收传感器的信号并进行处理，当它判断有必要打开气囊时，立即发出点火信号以触发气体发生器，气体发生器接收到点火信号后，迅速点火井产生大量气体给气囊充气。 安全气囊最重要的指标是可靠性，为了提高安全气囊系统的可靠性，该系统一般有左右挡板传感器各一个，还有一个传感器放在含有诊断模块的控制器中，当发生前面碰撞时，两个挡板传感器中只要有一个闭合，诊断模块就会根据送来的信号进行处理和判断，认为有必要点火后时即发出点火信号使气囊充气。此系统由一个传感器激活，该传感器用于监视碰撞中汽车速度减小的程度。该文涉及的磁电式传感器，调整某些参数，识别峰值和时间脉宽为的碰击加速度信号，在加速度峰值和时间脉宽同时满足要求的条件下，为气囊输出一个触发信号，打开空气发生器，使气囊充气对人进行保护识，电路具有峰值和时间双重判别，该传感器是一种新型的汽车安全气囊传感器。在碰撞发生的早期，安全气囊开始充气，安全充气大约需要0.03秒。安全气囊可以非常快的速度充气十分重要，这能确保当乘客的身体被安全带束缚不动而头部仍然向前行进时，安全气囊能及时到位。磁电式传感器可应用于航空发动机、各种大型电机、车辆、空气压缩机、机床等，其振动监测与研究都可使用磁电式传感器。而对磁电式传感器的深入研究将对气囊的日趋智能化产生积极的意义，对提高其安全性能有着极重要的促进作用，在汽车这一交通工具愈加普及的当代为提高人们的乘车安全系数做出了重要的贡献。黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文）1磁电式传感器1.1磁电式传感原理磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势，因此它是一种机电能量转换型传感器，不需要供电电源，直接从被测物体吸取机械能量并转换成电信号输出，属于有源传感器。它电路简单、性能稳定、输出阻抗小、输出功率大且性能稳定，具有一定的工作频率响应范围，适应于振动、转速、扭矩等测量。 基本原理：磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的，根据电磁感应定律，线圈两端的感应电动势正比于线圈所包围的磁链对时间的变化率，即 式中：线圈匝数； 线圈所包围的磁通量。若线圈相对磁场运动为速度或角速度，磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大，当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线， 从而产生感应电势为 ： 式中：每匝线圈的平均长度； 线圈所在磁场的磁感应强度； 每匝线圈的平均截面积。在传感器中，当结构参数确定后，即、均为定值，那么感应电动势与线圈相对磁场的运动速度成正比。传感器电流的磁场效应 1.2磁电式传感器结构 传感器结构如图1所示, 它由外壳(非磁性材料) 、磁性材料、惯性体(非磁性材料) 、连接在惯性体上的软铁、支持和调节位移幅值的弹簧、安装在与外壳连接的凸柱内的永久磁铁和绕制在软铁上的线圈及引线组成。 图1 磁电式传感器结构1.3钟形脉冲信号当传感器受到一加速度时,惯性体产生一反向加速度,导致通过线圈的磁通量发生变化,在线圈引线两端便可产生钟形脉冲信号, 如图2所示。图2(a)为冲击加速度曲线, 图2(b) 为感应电动势的变化曲线。当调整弹簧刚度时, 可改变加速度信号的宽度。 t/ms 图2 (a) 加速度 图2 (b)感应电动势 1.4判别电路信号的判别电路由3部分组成，即：信号幅度判别电路如图3( a)所示, 信号宽度判别电路如图3(b) 所示，有用、无用信号判断电路。 信号幅度判别采用电压比较器，在电路中A 1 的(+ ) 输入端是一高电平参考电压，是可调整的， 在系统中设为。的 输入端为一低电平参考电压也是可调整的，在系统中设为。信号宽度的检测判别电路中核心器件是 ，判别功能类似于信号幅度的检测判别过程。 有用、无用信号判别电路采用8选1多路选择开关CD 4051 BE 完成，当时间宽度检测信号和幅度检测信号都分别达到要求时，控制多路选择开关，使原始信号通过，当2个控制信号有一个不满足要求时, 原始信号不能通过, 从而区别有用、无用信号。 信号幅度判别电路信号宽度判别电路1.5传感器测量电路当测量电路接入磁电传感器电路时，如图所示，磁电传感器的输出电流I0为 式中：Rf测量电路输入电阻； R线圈等效电阻。传感器的电流灵敏度为 传感器测量电路传感器测量电路方框图黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文）图3（b）信号宽度判别电路2冲击试验除了采用撞车模拟实验装置外, 如何获得稳定的冲击加速度信号, 是研究传感器的关键。在对本文所设计的磁电加速度传感器的研究中, 采用了如图4 所示的落锤冲击试验装置，设备配有缓冲装置以防止损坏落锤冲击表面；试验结束后，冲击破损质量及相应数据可由计算机自动计算并显示；全部试样的测试结果在试验结束后，可自动在表格上绘制标记，直观明了；试验数据及标记性表格可自动编辑成报告并进行打印。数字显示冲击高度，具有自动吸锤、自动对零、自动升降、防止二次冲击等功能，该设备采用双管式结构，操作时安全可靠。 锤头由释放勾手动释放， 安装在锤头上面的加速度或磁电式传感器当锤头与橡胶面碰击时，将受到一冲击加速度。不同落高对应不同的加速度，如图2(a)所示。调整橡胶的厚度，可改变信号的宽度；调整落锤的高度，可改变信号的幅度。把安装压电加速度传感器的装置用磁电传感器替代进行试验， 电压信号如图2(b) 所示。此装置冲击加速度可调范围为，时间脉宽。 图4（a）落锤冲击试验装置实物图图4（b）落锤冲击试验装置33磁电式传感器在实际中的应用磁电式传感器是利用电磁感应原理，由磁场速度和角速度，可以用于测量速度，由于速度与位移存在积分关系，与加速度存在微分关系，通过在电路中接入积分电路或者微分电路，便可以测量运动的位移，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势的输出。工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电能。特点：输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响应低。适合作机械振动测量，振动传感器是典型的集中参数m、k、c二阶系统。作为惯性(绝对)式测振传感器，要求选择较大的质量块m和较小的弹簧常数k。这样，在较高振动频率下，由于质量块大惯性而近似相对大地静止。这时，振动体(同传感器壳体)相对质量块的位移y(输出)就可真实地反映振动体相对大地的振幅x(输入)。机械振动监测系统被广泛用于冶金、石化、电力、化工、造纸、制药、机械制造等行业有大量的电机、泵、风机、压缩机、变速箱等机械设备在连续工作,通过监测这些旋转机械的振动幅度、频率、方向等物理量的变化,及时掌握设备的工作状态,对关键的重要设备一般采用在线监测系统,其优点是设备运行24小时处于监控状态, 利用计算机的存储空间记录设备的运行参数包括振动加速度、速度、位移、等参数，设备一旦出现故障前兆及时报警并尽可能多的采集故障信息，为了解故障现象和分析故障原因提供了可靠的数据，系统自动生成日数据库、历史数据库及报警库。达到指导设备工程师对设备运行的状态“心中有数”，做到故障提前发现、及时维修，“防患于未然”。最大程度上提高了设备运行的可靠性，给企业带来了极大的经济效益和社会效益。磁电式传感器还包括霍尔传感器，其应用非常的广泛，如在测量领域，可用于测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。在通讯领域，可用于放大器、振荡器、相敏检波、混频、分频已经微波功率测量等。在自动化技术领域中，可用于无刷直流电机、速度传感、位置传感、自动记数、接近开关、以及由霍尔自整角机构成的伺服系统和电力拖动系统等。应用1：天然气点火电路应用2 ：接口电路应用3：无触点式开关应用1：天然气点火电路结束语结束语通过本文的论述可以得出传感器正使汽车安全气囊智能化，对其的开发研究正是利用磁电式传感器的优良性能，而本文给出的汽车安全气囊磁电式传感器及其全电子判别电路的设计标定装置,技术优点如下:不仅电子判别电路出错率低，感应碰撞信号的可信度高而准确；而且通过标锤落定实验可以调节它的感应范围宽度，满足汽车碰撞产生脉冲的再现，从而还可以安装于车身上任何部位。还有就是它设计简单，价格低廉，对绝大多数汽车使用者来说都不再是望而却步的奢侈品。由于其性价比较高，更易于推广普及，也更能体现科技服务于广大社会群体、科技改善人们的生活。参考文献 1 陈杰, 黄