霍爾式輪速傳感器功能測試系統(tǒng)設(shè)計

殷蘇民，陸文俊，江 煜，朱錦萍，王祖聲

（江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械電子工程系，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

隨著汽車技術(shù)的迅速發(fā)展，防抱死制動系統(tǒng)（ABS）已廣泛應(yīng)用在各類汽車上，而輪速傳感器準(zhǔn)確檢測車輪速度是ABS正常工作的前提條件［1］。因此，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)廠家對輪速傳感器性能參數(shù)的檢驗已成為必不可少的一個環(huán)節(jié)。如果采用常規(guī)方法，采用不同設(shè)備進(jìn)行分項測試，存在可靠性差、檢出率低、測試效率低等問題，不利于批量生產(chǎn)［2］。所以，設(shè)計一種高效率、高性能、經(jīng)濟(jì)方便的新型測試系統(tǒng)是十分必要的。

根據(jù)輪速傳感器測試要求和參數(shù)，本文提出了一種以工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字I/O卡、LCR測量儀、伺服電機(jī)等為硬件平臺，以LabVIEW為軟件平臺的輪速傳感器功能測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、自動檢測等功能，系統(tǒng)檢測效率高、可靠性好、操作簡單且實用性強(qiáng)。經(jīng)實際調(diào)試應(yīng)用，效果良好，測試速度達(dá)到了10.5s/pcs，大大提高了測試效率，并且更好地保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 測試系統(tǒng)

1.1 傳感器

輪速傳感器目前主要有電磁式（被動式）和霍爾式（主動式）2種。相對于電磁式輪速傳感器，霍爾式輪速傳感器有以下優(yōu)點:工作間隙大;低速性能好、響應(yīng)頻率高，能完成接近零速檢測;尺寸小，質(zhì)量輕，對外界磁場抗干擾性強(qiáng)等［3，4］，因此，得到了越來越廣泛的使用。主動式輪速傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，霍爾芯片集成了霍爾元件、信號放大器和信號處理電路，通過H形端子與芯線連接。一個永磁鐵被安裝在集成電路上方用來產(chǎn)生恒定磁場，當(dāng)測試齒輪轉(zhuǎn)動時，通過IC的磁通量就會發(fā)生連續(xù)的變化。

圖1 主動式輪速傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure of active wheel speed sensor

1.2 測試內(nèi)容

根據(jù)生產(chǎn)實際測試要求，需要測試傳感器的如下電學(xué)功能參數(shù):

1）高低電流值:指輪速傳感器輸出脈沖信號的導(dǎo)通電流值（高電流）和關(guān)斷電流值（低電流）;

2）高低電流比:指導(dǎo)通電流和關(guān)斷電流的比值;

3）高低脈沖時間:指一個周期內(nèi)輸出脈沖信號中高電平和低電平的持續(xù)時間;

4）占空比:指高電平在一個周期之內(nèi)所占的時間比率;

5）電容值:霍爾芯片中為了提高電磁兼容性而封裝的電容的值。

1.3 測試原理

主動式輪速傳感器是利用霍爾原理工作的，測試原理如圖2所示。測試輪是一個剛性脈沖圈，等間距分布著48個相等齒高和齒寬的齒。輪速傳感器中封裝有霍爾芯片和永磁鐵，霍爾芯片位于測試輪和永磁鐵之間，能夠檢測齒經(jīng)過傳感器時所引起的磁通變化。當(dāng)測試輪轉(zhuǎn)動時，輪速傳感器會受到測試輪的激勵，交替變化的齒隙會引起恒定磁場中的相應(yīng)波動。磁通量的連續(xù)變化產(chǎn)生相應(yīng)的信號，再通過信號放大和調(diào)理轉(zhuǎn)換成輸出電流信號的脈沖沿。輪速數(shù)據(jù)以方波脈沖的形式作為外加電流來傳遞，脈沖頻率與輪速呈比例，而且能一直檢測到車輪幾乎停止（0.1 km/h）。在測試電路中，可使用75 Ω的采樣電阻器以使其轉(zhuǎn)換為電壓波形，再用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。

圖2 測試原理圖Fig 2 Testing principle diagram

2 測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)測試項目要求搭建的輪速傳感器測試系統(tǒng)，主要由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊（數(shù)據(jù)采集卡、GPIB卡、LCR測試儀）、運動控制部分（數(shù)字I/O卡、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)）和人機(jī)交互部分組成，其連接見圖3。

2.1.1 工控機(jī)

工控機(jī)是測試系統(tǒng)的核心，也是測試軟件的載體，其運行的穩(wěn)定與否直接關(guān)系到測試工作能否可靠進(jìn)行。系統(tǒng)采用研華的IPC—610工控機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊，擴(kuò)展靈活，具有良好的穩(wěn)定性，適于在工業(yè)環(huán)境中使用。測試中負(fù)責(zé)處理LCR測試儀測量的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)，并將結(jié)果顯示在軟件界面上。

圖3 硬件系統(tǒng)連接圖Fig 3 Connection diagram of hardware system

2.1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集卡主要完成對傳感器輸出信號數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)選用凌華PCI—9816數(shù)采卡，通過容量為512 MB板載內(nèi)存存儲數(shù)據(jù)波形，以供工控機(jī)處理。該卡具有4通道同步單端模擬輸入，并配備了4個高線性度的16位A/D轉(zhuǎn)換器，每通道采樣率最高可達(dá)20 MSPS。在實際測試中經(jīng)過驗證，可以很好地滿足系統(tǒng)的精度要求。

GPIB通信協(xié)議轉(zhuǎn)換卡安裝在工控機(jī)中，用于連接LCR測試儀和工控機(jī)，從而實現(xiàn)信息的發(fā)送和接收。其中的LCR測試儀選用安捷倫LCR 4263B，用于測量傳感器中的電容值，它能快速準(zhǔn)確地通過GPIB線纜傳輸測試數(shù)據(jù)，測試頻率可達(dá)100 kHz。

2.1.3 運動控制部分

測試過程中，伺服電機(jī)帶動測試輪轉(zhuǎn)動，負(fù)載小。選用施耐德Lexium 23系列超低慣量伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)，可以滿足要求。采用伺服位置控制方式，通過數(shù)字I/O卡向伺服驅(qū)動器的/PULSE，PULSE和/SIGN，SIGN口輸出脈沖信號，以控制伺服電機(jī)的速度和方向。

2.1.4 人機(jī)交互部分

人機(jī)交互由鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器組成，能完成產(chǎn)品型號輸入、測試軟件調(diào)用、測試結(jié)果顯示、電機(jī)啟?？刂频裙δ?。

2.2 測試系統(tǒng)軟件開發(fā)

2.2.1 軟件功能與界面

測試系統(tǒng)軟件采用LabVIEW作為開發(fā)平臺，人機(jī)交互界面友好，功能強(qiáng)大，其主要功能包括傳感器參數(shù)數(shù)據(jù)采集、實時顯示、自動存儲、分析計算和自動判斷、錯誤顯示，對測試過程和步驟進(jìn)行自動化控制［5～6］。

根據(jù)生產(chǎn)實際分析，本測試軟件分為5個部分:

1）載入測試文件:輸入產(chǎn)品型號，載入對應(yīng)的測試文件，準(zhǔn)備開始自動測試。

2）校準(zhǔn)模式:連接信號源和標(biāo)準(zhǔn)電容，用以校準(zhǔn)并顯示結(jié)果。

3）波形顯示分析:顯示并分析數(shù)據(jù)波形。

4）手動模式:手動控制繼電器，信號燈和伺服電機(jī)。

5）自動測試模式:產(chǎn)品自動測試與結(jié)果顯示。

其中，自動測試模式直接用于生產(chǎn)中輪速傳感器的測試，界面由5個模塊構(gòu)成:結(jié)果顯示、參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、測試狀態(tài)和產(chǎn)品不良提示。在測試結(jié)果顯示模塊中，可顯示測量到的各參數(shù)的值，以及各參數(shù)允許的最大值和最小值，通過比較用以判斷是否通過測試。在測試參數(shù)顯示模塊中，可顯示產(chǎn)品型號、工裝型號和測試節(jié)拍。在測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊中，可實時顯示產(chǎn)品不良數(shù)、產(chǎn)品通過數(shù)、測試產(chǎn)品總數(shù)等信息。在測試狀態(tài)模式中，可實時顯示測試過程中的各個狀態(tài)，以方便實時監(jiān)控。在測試不良提示模塊中，可顯示產(chǎn)品測試不良的類別和個數(shù)，以供技術(shù)人員監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量，若出現(xiàn)較多測試不良，可及時采取措施，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2.2 軟件流程

測試軟件流程圖如圖4所示。測試前，軟件先搜尋插入工控機(jī)的板卡，若搜尋成功，軟件加載相應(yīng)驅(qū)動并初始化，以做好測試前的準(zhǔn)備。再輸入產(chǎn)品型號，更換工裝和校準(zhǔn)測試輪位置，通過掃描槍掃描工裝二維碼確認(rèn)換型狀態(tài)以后，按下開始按鈕開始測試。測試過程中，軟件會響應(yīng)觸發(fā)事件邏輯執(zhí)行各個VI，從而完成整個測試。通過GPIB卡和GPIB電纜傳送執(zhí)行指令，驅(qū)動LCR測試儀，完成對電容的測量;數(shù)據(jù)采集卡通過高頻信號線，采集輪速傳感器輸出電流在電阻器兩端的電壓脈沖信號。所有項目測試完成后，軟件根據(jù)各個項目的測試結(jié)果與各測試項目標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行比較，判斷產(chǎn)品是否合格，并顯示在自動測試界面上。測試通過，需要手動進(jìn)行熱刻印打標(biāo);測試不通過，需要把報廢品放入廢料盒，并通過光電傳感器檢測，否則，不能進(jìn)行下一次檢測。每一組測試，軟件還會統(tǒng)計不良品數(shù)和測試節(jié)拍，并實時顯示測試狀態(tài)。測試完成后，項目測試數(shù)據(jù)和測試結(jié)果會自動存儲到硬盤里，以方便技術(shù)人員查看和產(chǎn)品質(zhì)量分析。

圖4 測試軟件流程圖Fig 4 Flow chart of test software

3 測試舉例

在正常生產(chǎn)環(huán)境下對DF11S型汽車輪速傳感器共100只產(chǎn)品進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 輪速傳感器測試數(shù)據(jù)表Tab 1 Test data table of wheel speed sensor

從表中數(shù)據(jù)可以看出:本測試系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)具有一致性好、精度高、穩(wěn)定性好等特點，證明了該測試系統(tǒng)的設(shè)計滿足要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于LabVIEW的汽車輪速傳感器功能測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了對輪速傳感器電學(xué)功能的自動測試。通過生產(chǎn)現(xiàn)場對產(chǎn)品連續(xù)大批量的測試，所得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，證明了系統(tǒng)的高穩(wěn)定性。測試精度達(dá)到0.1%，測試速度達(dá)到10.5 s/pcs，滿足了生產(chǎn)中對測量的快速和高精度要求。本系統(tǒng)人機(jī)接口良好，運行穩(wěn)定可靠，減少了人工因素的影響，保證了產(chǎn)品出廠合格率在100%的水平，滿足了現(xiàn)代化生產(chǎn)對測試的要求。

［1］孫 駿，陳彥夫.汽車 ABS輪速傳感器性能測試系統(tǒng)的實現(xiàn)［J］.電子測量與儀器學(xué)報，2009，23（3）:105-109.

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