سنسور سرعت چرخ

حسگر سرعت چرخ یا حسگر سرعت وسیله (VSS) یک نوع سرعت سنج است. این دستگاه، یک دستگاه فرستنده است که برای خواندن سرعت چرخش چرخ وسیله نقلیه استفاده می‌شود. این وسیله معمولاً شامل یک حلقه دندانه‌دار و گیرنده سرعت که به این وسیله میتواند تا سرعت را محاسبه کند و حسگرهای سرعت چرخ در سیستم‌های ترمز ضد قفل وجود دارند.

هدف سنسورهای سرعت چرخ

حسگر سرعت چرخ در آغاز برای جایگزینی رابطه مکانیکی، از چرخ‌ها به سرعت‌سنج مورد استفاده بود و شکست کابل را حذف و موجب ساده‌سازی ساخت ابزار اندازه‌گیری توسط حذف قطعات متحرک بود. این حسگرها همچنین مولد اطلاعاتی هستند که به سیستم‌های کمک‌راننده‌ خودکار مانند سیستم ترمزگیری ضد قفل - ABS اجازه کارکرد می‌دهند.

حلقه دندانه دار مغناطیسی چیست؟

رایج‌ترین سیستم سنسور سرعت چرخ شامل یک حلقه دندانه‌دار مقاوم مغناطیسی (tone wheel) و یک حسگر است (که می‌تواند فعال یا غیرفعال باشد).

حلقه دندانه‌دار مقاوم مغناطیسی به صورت معمول از فولاد ساخته شده و می‌تواند طراحی در فضای باز یا مهر و موم شده داشته باشد (مانند شرایط مجموعه بلبرینگ‌های واحد). تعداد دندانه‌ها با سعی و خطا در مورد دریافت سرعت پایین/دقت و دریافت سرعت بالا/ هزینه انتخاب می‌شود. تعداد بالای دندانه‌ها به کار ماشینی بیشتری نیاز دارد (مانند حسگرهای غیرفعال) و سیگنال فرکانس خروجی بالاتری را تولید می‌کند که به سادگی در بخش دریافت کننده قابل تفسیر نیست، اما تفکیک بهتر و نرخ به روزرسانی سیگنال بالاتری دارد. در بسیاری از سیستم‌های پیشرفته، دندانه‌ها می‌توانند به شکل نامتقارن باشند تا به حسگر اجازه دهند چرخش رو به جلو و در جهت عکس چرخ را از هم تفکیک کند.

حسگرهای فعال و غیر فعال

یک حسگر غیرفعال معمولاً شامل یک میله مغناطیسی با جهت‌گیری به صورت شعاعی از حلقه دندانه‌دار مقاوم مغناطیسی به همراه یک آهنربای ثابت در سمت مخالف است. میله با سیم ظریف پیچیده می‌شود که ولتاژ متناوب القایی را با چرخش چرخ دنده یا موتور، زمانی که دندانه‌ها تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند، تحمل کند. خروجی حسگرهای غیرفعال، یک سیگنال سینوسی است که مقدار و فرکانسش با سرعت چرخ زیاد می‌شود.

نوسان و ناپایداری حسگر غیرفعال توسط آهنربا پشتیبانی نمی‌شود، بلکه یک چرخ دنده که شامل قطب‌های مغناطیسی متناوب است ولتاز متناوب را تولید می‌کند. خروجی این حسگر به جای شکل موج سینوسی، شباهت با موج مربعی شکل دارد، اما همچنان با افزایش سرعت چرخ‌ها مقدارش بیشتر می‌شود.

یک حسگر فعال، یک حسگر غیرفعال با مدار حالت‌دهنده سیگنال است که در وسیله تعبیه شده می‌شود. آموزش سیگنال ممکن است مقدار سیگنال را تقویت کند، شکل سیگنال را به PWM، موج مربعی یا سایر شکل‌ها تغییر دهد یا مقدار را پیش از انتقال به صورت یک پروتکل ارتباطی کدگذاری نماید (مانند CAN) .

سنسورهای سرعت چرخ برای وسائل نقلیه ریلی

بسیاری از زیرسیستم‌ها در وسائل نقلیه ریلی مانند لوکوموتیو یا قطار خودران، در برخی موارد به یک سیگنال سرعت دورانی معتبر و دقیق، به عنوان یک معیار سرعت یا تغییرات سرعت، نیاز دارند که از آن مخصوصاً در کنترل پیشران (یدک‌کش) و همچنین برای ثبت و حفاظت لغزش چرخ، کنترل قطار، کنترل درب و مانند آن استفاده می‌شود. این وظایف توسط تعدادی حسگر سرعت دورانی، که در قسمت‌های مختلف یک وسیله نقلیه یافت می‌شوند، اجرا می‌شوند.

خرابی در حسگرهای سرعت بسیار رایجند و اغلب به علت مواجهه با شرایط عملیاتی بسیار سخت وسائل نقلیه ریلی رخ می‌دهند. استانداردهای مربوطه، معیارهای دقیق آزمایشگاهی را مشخص کرده‌اند؛ اما شرایطی که حسگر در عمل با آن مواجه است اغلب بسیار شدیدتراست (مانند شوک، لرزش و خصوصاً سازگاری الکترومغناطیسی).

اگرچه گهگاه وسائل نقلیه ریلی از راندن بدون حسگرها استفاده می‌کنند، بیشترشان به حسگر سرعت دورانی برای سیستم رگولارتورشان نیاز دارند. نوع رایج این حسگر یک حسگر دو کاناله است که یک چرخ دندانه‌دار روی شافت موتور یا گیربکس را اسکن می‌کند که می‌تواند مختص همین هدف یا در سیستم پیشران باشد.

حسگرهای اثر هال

حسگرهای اثر هال نوین از این نوع، از قاعده مدولاسیون میدان مغناطیسی استفاده می‌کنند و برای چرخ‌های هدف فرومغناطیسی با مدول بین m=1 و m=3.5 مناسب هستند (D.P.=25 تا D.P=7). شکل این دندانه‌ها در اولویت دوم است؛ چرخ‌های هدف با دندانه‌های گسترده یا مستطیلی می‌توانند اسکن شوند. وابسته به قطر و دندانه‌های چرخ، در هر گردش ممکن است بین 60 تا 300 پالس دریافت کنند که برای پیشران‌های با عملکرد کِشنده پایین‌تر و متوسط کافی است.

این نوع از حسگر، معمولا شامل دو حسگر اثر هال و یک آهنربای حاوی آلیاژی از عناصر خاکی کمیاب و و ارزیابی و سنجش الکترونیک مناسب است. میدان آهنربا با دندانه‌های هدف عبوری تنظیم و تعدیل می‌شود. این تعدیل توسط حسگرهای هال ثبت و توسط یک گام قیاسگر (مقایسه‌گر) به سیگنال موج مربعی تبدیل شده و در یک گام محرک، تقویت می‌گردد.

متاسفانه اثر هال به شدت با دما تغییر می‌کند. حساسیت سنسورها و انحراف سیگنال (آفست سیگنال) نیز نه تنها به شکاف هوا بلکه به دما نیز بستگی دارد. این مورد حداکثر شکاف هوای مجاز بین سنسور و چرخ هدف را به مقدار بسیار زیادی کاهش می‌دهد. در دمای اتاق، شکاف هوا بین 2 تا 3 میلی متر بدون سختی و مشکل برای یک چرخ هدف عادی با مدول m=2 قابل تحمل است، اما در محدوده دمایی اجتناب‌ناپذیر از 40- تا 120 درجه سانتی گراد، حداکثر شکاف برای ثبت سیگنال موثر تا 3/1 میلی متر کاهش می‌یابد. گام کوچکتر چرخ‌های هدف با مدول m=1 اغلب برای دستیابی به دقت بالاتر زمانبندی یا برای ساخت فشرده‌تر مورد استفاده است. در این مورد شکاف هوای حداکثر تنها بین 5/0 تا 8/0 میلی متر است.

برای مهندس طراح، شکاف هوایی مشهودی که حسگر با آن مواجه می‌شود در ابتدا نتیجه طرح به خصوص و مشخص ماشین است، اما محدود به آنچه قیود طراحی برای ثبت سرعت دورانی نیاز دارند، خواهد بود. اگر این به این معنی است که شکاف هوایی مناسب باید در محدوده بسیار کوچکی باشد، این مسأله همچنین موجب محدود شدن تلورانس مکانیکی محفظه موتور و چرخ‌های هدف جهت جلوگیری از افت سیگنال در طول کار می‌شود. این یعنی در عمل ممکن است مشکلاتی وجود داشته باشد، خصوصاً در مورد چرخ‌های هدف با گام‌های کوچکتر از مدول m=1 و ترکیب زیان‌آور و ناسازگار تلورانس‌ها و دمای بالا . از نقطه نظر سازنده موتور و حتی اپراتور، بهتر است که به دنبال حسگرهای سرعت با محدوده گسترده‌تری از شکاف هوایی باشیم.

دامنه نوسان سیگنال اولیه از یک حسگر هال، با افزایش شکاف هوایی به سرعت افت می‌کند. برای سازنده حسگر هال این به این معنی است که آن‌ها باید تا حد امکان، انحراف انحراف القایی فیزیکی سیگنال هال را جبران کنند. راه مرسوم برای انجام این کار، سنجش دمایی حسگر و استفاده از این اطلاعات برای جبران آفست (انحراف) است، اما این راه‌حل به دو دلیل رد می‌شود: اولین دلیل این است که انحراف با دما به صورت خطی تغییر نمی‌کند و دومی این است که حتی علامت (جبری) انحراف برای همه حسگرها شبیه نیست. 

برخی حسگرها امروزه یک پردازنده سیگنال پیوسته را عرضه می‌کنند که سعی بر تصحیح انحراف و دامنه سیگنال‌های حسگر هال دارد. این اصلاح، شکاف هوایی مجاز بزرگتری را در حسگر سرعت، میسر می‌سازد. در چرخ هدف با مدول m=1، این حسگرهای جدید قادر هستند شکاف هوایی تا 4/1 میلی‌متر را تحمل کنند که محدوده وسیع‌تری نسبت به حسگرهای سرعت معمول روی چرخ‌های هدف با با مدول m=2 هستند. در چرخ‌ هدف با مدول m=2، حسگرهای سرعت جدید می‌توانند شکافی به بزرگی 2/2 میلی‌متر را تحمل کنند. همچنین امکان افزایش محسوس کیفیت سیگنال نیز وجود دارد. هر دو مورد چرخه عملکرد و جابجایی فاز بین دو کانال، دست کم سه برابر پایدارتر از زمان مواجهه با شکاف هوایی ناپایدار (نوسان‌کننده) و انحراف دما است. علاوه بر این، علی‌رغم الکترونیک پیچیده‌ای که دارد، امکان افزایش میانگین زمان بین خرابی‌ها برای حسگرهای سرعت جدید با ضریب 3 تا 4 وجود دارد. بنابراین آن‌ها نه تنها سیگنال‌های دقیق‌تری را ارائه می‌دهند، بلکه دسترس‌پذیری و قابلیت استفاده به مراتب چشم‌گیرتری نیز دارند.

جایگزین حسگرهای اثر هال با چرخ‌دنده‌ها (دنده‌ها)، حسگرها یا رمزگذارهایی هستند که از مقاومت مغناطیسی بهره می‌برند. چون چرخ هدف یک آهنربای چند قطبی فعال است، شکاف‌های هوایی می‌توانند تا مقادیر بیش از 4 میلی‌متر نیز بزرگی داشته باشند. چون مقاومت مغناطیسی حسگرها حساس به زاویه فاز و غیرحساس به دامنه نوسان است، کیفیت سیگنال در مداومت نوسان و ناپایداری شکاف، بیش از حسگرهای هال افزایش می‌یابد. هم‌چنین کیفیت سیگنال بسیار بالاتر است و درون‌یابی در حسگر/رمزگذار و یا توسط یک مدار خارجی را ممکن می‌سازد.

انواع سنسورهای سرعت چرخ

1- حسگرهای سرعت مجموعه چرخ بدون بلبرینگ

این حسگرها در اغلب مجموعه چرخ‌های وسائل نقلیه ریلی یافت می‌شوند. این حسگرها قاعدتاً برای محافظت از لغزش چرخ‌ها مورد استفاده‌اند و توسط سازنده سیستم محافظ لغزش چرخ تأمین می‌شوند. این حسگرها به یک شکاف هوایی به اندازه کافی کوچک نیاز دارند و لازم است قابل اعتماد باشند. یک ویژگی خاص حسگرهای سرعت دورانی که برای محافظت لغزش چرخ مورد استفاده است، کارکردهای نظارت یکپارچه آن‌هاست. حسگرهای دو سیم با خروجی 7mA/14 mA برای کشف و شناسایی کابل‌های گسیخته مورد استفاده‌اند. سایر طرح‌ها برای ولتاژ خروجی حدود 7V زمانی که فرکانس سیگنال به زیر 1 Hz می‌رسد، تهیه شده‌اند. روش دیگر مورد استفاده، کشف یک سیگنال خروجی 50 MHz از حسگر در زمانی است که منبع تغذیه به صورت دوره‌ای روی 50 MHz تنظیم شود. همچنین برای حسگرهای دوکاناله معمول است که کانال‌های الکتریکی مجزا داشته باشند.

گاهی لازم است که سیگنال محافظت لغزش چرخ، در موتور کشنده منتقل شود، در این حالت فرکانس خروجی برای محافظت الکترونیکی لغزش چرخ بسیار بزرگ است. برای این برنامه، یک حسگر سرعت با مقسم فرکانس پیوسته یا کدگذار می‌تواند استفاده شود.

2- مولد پالس مجموعه چرخ با بلبرینگ پیوسته

یک وسیله نقلیه ریلی، علی الخصوص لوکوموتیو، از زیرسیستم‌های متعددی تشکیل شده که نیازمند سیگنال‌های سرعت الکترونیکی مجزا هستند. معمولا نه فضاهای پایه کافی‌اند و نه فضای کافی برای نصب تولیدکننده‌های سیگنال مجزا وجود دارد. یک راه‌حل، استفاده از تولیدکننده‌های پالس چندکاناله است که بر روی بدنه بلبرینگ‌ها یا پوشاننده مجموعه چرخ سوار می‌شوند. استفاده از تعدادی حسگر سرعت بدون بلبرینگ نیز ممکن است نیازمند کابل‌های اضافی باشد که باید ترجیحاً از قرار گرفتن در معرض تجهیزات فضای بیرون مانند بالاست راه‌آهن در امان باشند چرا که بسیار محتمل خرابی هستند.

3- سنسورهای نوری

از یک تا چهار کانال می‌تواند استفاده شود، هر کانال یک حسگر تصویری دارد که یکی از حداکثر دو سیگنال دیسک شکاف‌دار را اسکن می‌کند. تجربیات نشان می‌دهند که تعداد کانال‌های ممکن قابل دستیابی با این تکنیک هنوز کافی نیستند. بنابراین تعدادی از زیرسیستم‌ها باید با سیگنال‌های میان حلقه‌ای حفاظت لغزش چرخ الکترونیکی، سازگار و ناچار به پذیرش شوند، برای مثال تعداد پالس‌های موجود، اگرچه یک سیگنال سرعت مجزا می‌تواند دارای مزایایی نیز باشد.

استفاده از حسگرهای بینایی در صنعت رواج دارد. متاسفانه این حسگرها دو ضعف اساسی دارند که عملکرد قابل اعتمادشان را با دشواری مواجه کرده است : اول اینکه اجزای دیداری بسیار مستعد آلودگی هستند و دوم اینکه منبع نور به سرعت فرسوده می‌شود.

آثار آلودگی مقدار نور عبوری از درون لنزها را به شدت کاهش می‌دهد و موجب افت سیگنال می‌شود. بنابراین این کدگذارها لازم است به خوبی محکم و مهر و موم شوند. علاوه بر مشکلات ذکر شده، زمانی که تولیدکننده‌های پالس در محیطی استفاده می‌شوند که از دمای نقطه شبنم عبور کرده باشد لنزها بخار می‌گیرند و سیگنال با مداخله و مزاحمت مواجه می‌شود.

منابع نور مورد استفاده LEDها هستند. اما LEDها همواره در معرض فرسودگی‌اند که در عرض چند سال منجر به کاهش قابل توجه پرتو نور می‌شود. تلاش‌هایی برای جبران این مسأله با استفاده از رگولاتورهای مخصوصی که به تدریج جریان LED را زیاد کنند انجام شده است اما متاسفانه باعث افزایش روند فرسودگی گردیده است.

4- سنسورهای مغناطیسی

قاعده‌ای که در اسکن مقیاس اندازه‌گیری فرومغناطیسی استفاده شده است، این کمبودها را از خود نشان نمی‌دهد. در طی تجربیات چند ساله استفاده از کدگذارهای مغناطیسی، محل‌هایی وجود دارد که مهر و موم خراب شده و تولیدکننده پالس با لایه ضخیمی از آلودگی پوشیده شده است، اما این تولیدکننده‌های پالس همچنان عملکرد کاملی داشته‌اند.

گذر زمان ثابت کرده است که سیستم‌های حسگر مغناطیسی از سیستم‌های دیداری گران‌ترند، اما این اختلاف به سرعت در حال محدودتر شدن و کاهش یافتن است. سیستم‌های حسگر هال و مغناطومقاومتی می‌توانند در مواد پلاستیکی یا مواد پرکننده ژلاتینی مخصوص مجموعه‌های الکترونیکی جاسازی شوند که قابلیت اعتماد مکانیکی را افزایش می‌دهد و خرابی ناشی از آب یا روغن را از بین می‌برد.

حسگرهای سرعت چرخ هم‌چنین می‌توانند وابسته به زمان باشند. این مسأله پالس‌های اضافی و نامربوط در حین توقف وسیله نقلیه را حذف می‌کند.

تولیدکننده‌های پالس بر اساس این اصل ساخته و از اوایل سال 2005  با موفقیت توسط چندین اپراتور ریلی تست میدانی شده‌اند. نوع آزمایش در EN 50155 مشخص شده و با موفقیت انجام شده است، بنابراین این تولیدکننده‌های پالس‌ اکنون می‌توانند تحویل و توزیع شوند.

5- حسگرهای سرعتی بدون آهنربا

برخی شرکت‌های حمل و نقل با مشکل به خصوصی مواجهند: هوای در گردش که موتورها را خنک نگه می‌دارد، تراشه ساییده شده از چرخ‌ها و ریل‌ها را با خود همراه می‌کند. این تراشه به سر حسگرهای مغناطیسی می‌چسبد. همچنین موتورهای فزاینده‌ای وجود دارد که حسگرها باید چرخ‌های آلومینیمی را اسکن کنند، برای مثال چون پیشران‌ها از آلومینیم ساخته شده‌اند و تولیدکننده نمی‌خواهد مجبور به مضایقه یک دنده زبانه‌ای فرومغناطیسی مجزا شود.

برای این کاربردها حسگرهای سرعتی در دسترس هستند که نیاز به آهنربای هدف ندارند. تعدادی سیم‌پیچ دریافت‌کننده و انتقال‌دهنده برای تولید یک میدان الکترونیکی متناوب با فرکانس 1 MHz استفاده می‌شود و سپس مدول اتصال بین فرستنده‌ها و گیرنده‌ها ارزیابی می‌گردد. این حسگر اتصال و سیگنال سازگار با حسگرهای مغناطیسی است، برای اغلب ماژول‌های چرخ هدف، واحدها می‌توانند به سادگی بدون هرگونه نیاز به سنجش‌های دیگر جایگزین شود.

6- سنسورهای سرعت چرخ با درون یابی

مشتری‌ها اغلب به دنبال تعداد بیشتری پالس در هر گردش نسبت به تعداد به دست آمده در فضای در دسترس و با کمترین مدول m=1 هستند. برای دستیابی به این هدف سنسورهای سرعت چرخی در دسترسند که درون‌یابی انجام می‌دهند. آن‌ها خروجی 2-64X تعداد اصلی دندانه‌های چرخ‌دنده یا قطب‌های مغناطیسی در چرخ هدف را ارائه می‌دهند. دقت، وابسته به کیفیت ورودی حسگر است: حسگرهای هال کم‌هزینه‌ترند اما دقت پایین‌تری دارند، حسگرهای مغناطومقاومتی پرهزینه‌ترند اما دقت بالاتری دارند.

چنانچه قصد خرید لوازم یدکی هیوندای و یا لوازم یدکی کیا را دارید ولی اطلاعات کافی در این خصوص ندارید میتوانید برای کسب اطلاعات با کارشناسان ما تماس حاصل کنید.