مستشعر سرعة العجلة

استُخدم مستشعر سرعة العجلة في البداية لاستبدال الوصلة الميكانيكية بين العجلات ومقياس السرعة ، مما أدى إلى تجنب انقطاع الكابلات وتبسيط تصميم المقياس بإزالة الأجزاء المتحركة. كما تُنتج هذه المستشعرات بيانات تُتيح لأنظمة مساعدة القيادة الآلية، مثل نظام منع انغلاق المكابح (ABS) ، العمل بكفاءة.

يتكون نظام استشعار سرعة العجلة الأكثر شيوعًا من حلقة مغناطيسية حديدية مسننة ومستشعر (يمكن أن يكون سلبيًا أو نشطًا).

تُصنع عجلة التروس عادةً من الفولاذ ، وقد تكون مفتوحة أو مغلقة (كما في حالة مجموعات المحامل الموحدة). يُختار عدد الأسنان بناءً على موازنة بين دقة الاستشعار عند السرعات المنخفضة وتكلفة الاستشعار عند السرعات العالية. يتطلب عدد الأسنان الأكبر عمليات تصنيع أكثر، وفي حالة المستشعرات السلبية، ينتج إشارة خرج بتردد أعلى قد لا يسهل تفسيرها عند جهاز الاستقبال، لكنها توفر دقة أفضل ومعدل تحديث إشارة أعلى. في الأنظمة الأكثر تطورًا، يمكن أن تكون الأسنان غير متماثلة الشكل لتمكين المستشعر من التمييز بين دوران العجلة للأمام والخلف.

يتكون المستشعر السلبي عادةً من قضيب مغناطيسي حديدي موجه بحيث يبرز شعاعيًا من عجلة النغمات، مع وجود مغناطيس دائم في الطرف المقابل. يُلف القضيب بسلك دقيق يتعرض لجهد متناوب مستحث أثناء دوران عجلة النغمات، نتيجة لتداخل أسنانها مع المجال المغناطيسي. تُخرج المستشعرات السلبية إشارة جيبية تزداد شدتها وترددها مع سرعة دوران العجلة.

لا يحتوي نوعٌ من المستشعر السلبي على مغناطيس داعم، بل على عجلة رنانة تتكون من أقطاب مغناطيسية متناوبة تُنتج الجهد المتناوب. يميل خرج هذا المستشعر إلى أن يكون على شكل موجة مربعة ، وليس موجة جيبية، ولكنه مع ذلك يزداد في شدته مع ازدياد سرعة العجلات.

المستشعر النشط هو مستشعر سلبي مزود بدوائر لمعالجة الإشارة مدمجة فيه. قد تشمل هذه المعالجة تضخيم شدة الإشارة، أو تغيير شكلها إلى تعديل عرض النبضة (PWM) أو موجة مربعة أو غيرها، أو ترميز القيمة في بروتوكول اتصال قبل إرسالها.

قد يكون مستشعر سرعة المركبة (VSS) مستشعرًا حقيقيًا لسرعة العجلات، ولكنه ليس كذلك دائمًا. على سبيل المثال، في ناقل الحركة الأوتوماتيكي AOD من فورد ، يُثبّت مستشعر سرعة المركبة على غطاء امتداد عمود الإدارة، وهو عبارة عن حلقة رنانة ومستشعر مستقلين. مع أن هذا لا يُعطي سرعة العجلات (إذ يمكن لكل عجلة في المحور المزود بترس تفاضلي أن تدور بسرعات مختلفة، ولا تعتمد أي منها كليًا على عمود الإدارة لتحديد سرعتها النهائية)، إلا أنه في ظروف القيادة العادية، تكون هذه السرعة قريبة بما يكفي لتوفير إشارة عداد السرعة، وقد استُخدمت لأنظمة منع انغلاق المكابح (ABS) للعجلات الخلفية في سيارات فورد من سلسلة F موديل 1987 وما بعدها ، وهي أولى الشاحنات الصغيرة المزودة بنظام ABS.

تُعد مستشعرات سرعة العجلات مكونًا أساسيًا في أنظمة منع انغلاق المكابح .

تعتمد العديد من الأنظمة الفرعية في مركبة السكك الحديدية، كالقاطرة أو القطار متعدد الوحدات ، على إشارة سرعة دورانية دقيقة وموثوقة، تُستخدم في بعض الحالات لقياس السرعة أو تغيراتها. وينطبق هذا بشكل خاص على التحكم في الجر ، وكذلك على حماية العجلات من الانزلاق ، والتسجيل، والتحكم في القطار، والتحكم في الأبواب، وما إلى ذلك. وتُنفذ هذه المهام بواسطة عدد من مستشعرات السرعة الدورانية الموجودة في أجزاء مختلفة من المركبة.

تُعد أعطال مستشعرات السرعة شائعة، ويعود ذلك أساسًا إلى ظروف التشغيل القاسية للغاية التي تواجهها مركبات السكك الحديدية. تحدد المعايير ذات الصلة معايير اختبار مفصلة، ​​ولكن في التشغيل العملي، غالبًا ما تكون الظروف التي يتم مواجهتها أكثر قسوة (مثل الصدمات / الاهتزازات ، وخاصة التوافق الكهرومغناطيسي ).

على الرغم من أن مركبات السكك الحديدية تستخدم أحيانًا محركات بدون حساسات، إلا أن معظمها يحتاج إلى حساس سرعة دورانية لنظام تنظيم السرعة. النوع الأكثر شيوعًا هو حساس ثنائي القنوات يقوم بمسح عجلة مسننة على عمود المحرك أو علبة التروس، والتي قد تكون مخصصة لهذا الغرض أو موجودة بالفعل في نظام القيادة.

تستخدم مستشعرات تأثير هول الحديثة من هذا النوع مبدأ تعديل المجال المغناطيسي ، وهي مناسبة لعجلات الهدف المغناطيسية الحديدية ذات معامل يتراوح بين m = 1 و m = 3.5 (DP = 25 إلى DP = 7). يُعد شكل الأسنان عاملاً ثانوياً؛ إذ يمكن مسح عجلات الهدف ذات الأسنان الحلزونية أو المستطيلة. وبحسب قطر العجلة وعدد أسنانها، يمكن الحصول على ما بين 60 و 300 نبضة لكل دورة، وهو ما يكفي لمحركات ذات أداء جر منخفض ومتوسط.

يتكون هذا النوع من الحساسات عادةً من حساسين يعملان بتأثير هول ، ومغناطيس من العناصر الأرضية النادرة ، وإلكترونيات تقييم مناسبة. يتم تعديل مجال المغناطيس بفعل مرور أسنان الهدف. يسجل حساسا هول هذا التعديل، ثم يحوله مُقارن إلى إشارة موجة مربعة، ويُضخّم في مرحلة القيادة.

يتفاوت تأثير هول بشكل كبير مع درجة الحرارة. ولذلك، تعتمد حساسية المستشعرات، وكذلك انحراف الإشارة، ليس فقط على الفجوة الهوائية، بل أيضًا على درجة الحرارة. وهذا بدوره يقلل بشكل كبير من الحد الأقصى المسموح به للفجوة الهوائية بين المستشعر وعجلة الهدف. عند درجة حرارة الغرفة،  يمكن تحمل فجوة هوائية تتراوح بين 2 و3 مم بسهولة لعجلة هدف نموذجية ذات معامل m = 2، ولكن في نطاق درجة الحرارة المطلوب من -40  درجة مئوية إلى 120  درجة مئوية، تنخفض الفجوة القصوى لتسجيل الإشارة بفعالية إلى 1.3  مم. غالبًا ما تُستخدم عجلات هدف ذات خطوة أصغر بمعامل m = 1 للحصول على دقة زمنية أعلى أو لجعل التصميم أكثر إحكامًا. في هذه الحالة، لا تتجاوز الفجوة الهوائية القصوى الممكنة 0.5 إلى 0.8  مم.

بالنسبة لمهندس التصميم، فإن الفجوة الهوائية المرئية التي ينتجها المستشعر هي في الأساس نتيجة لتصميم الآلة المحدد، ولكنها تخضع لأي قيود ضرورية لتسجيل سرعة الدوران. إذا كان هذا يعني أن الفجوة الهوائية الممكنة يجب أن تقع ضمن نطاق ضيق جدًا، فإن ذلك سيحد أيضًا من التفاوتات الميكانيكية لغلاف المحرك وعجلات الهدف لمنع انقطاع الإشارة أثناء التشغيل. هذا يعني أنه عمليًا قد تحدث مشاكل، خاصةً مع عجلات الهدف ذات الخطوة الصغيرة (معامل m = 1) ومع تركيبات غير مواتية من التفاوتات ودرجات الحرارة القصوى. من وجهة نظر مُصنِّع المحرك، وبالأخص من وجهة نظر المُشغِّل، من الأفضل البحث عن مستشعرات سرعة ذات نطاق أوسع للفجوة الهوائية.

تتناقص سعة الإشارة الأساسية الصادرة من مستشعر هول بشكل حاد مع ازدياد الفجوة الهوائية. وهذا يعني بالنسبة لمصنعي مستشعرات هول ضرورة توفير أقصى تعويض ممكن لانحراف الإشارة الناتج عن العوامل الفيزيائية. تتمثل الطريقة التقليدية في قياس درجة الحرارة عند المستشعر واستخدام هذه المعلومات لتعويض الانحراف، إلا أن هذه الطريقة غير فعالة لسببين: أولهما أن الانحراف لا يتناسب خطيًا مع درجة الحرارة، وثانيهما أن إشارة الانحراف تختلف من مستشعر لآخر.

تُوفر بعض أجهزة الاستشعار الآن معالج إشارة مُدمجًا يُحاول تصحيح انحراف وسعة إشارات مستشعر هول. يُتيح هذا التصحيح زيادة الحد الأقصى المسموح به للفجوة الهوائية عند مستشعر السرعة. في عجلة هدف من نوع m = 1، يُمكن لهذه المستشعرات الجديدة تحمّل فجوة هوائية تصل إلى 1.4  مم، وهي أوسع من تلك المُتاحة لمستشعرات السرعة التقليدية في عجلات الهدف من نوع m = 2. في عجلة الهدف من نوع m = 2، يُمكن لمستشعرات السرعة الجديدة تحمّل فجوة تصل إلى 2.2  مم. كما أمكن تحسين جودة الإشارة بشكل ملحوظ. أصبح كل من دورة التشغيل وإزاحة الطور بين القناتين أكثر استقرارًا بثلاث مرات على الأقل في مواجهة تقلبات الفجوة الهوائية وانحراف درجة الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، وعلى الرغم من تعقيد الإلكترونيات، فقد أمكن أيضًا زيادة متوسط ​​الوقت بين الأعطال لمستشعرات السرعة الجديدة بمقدار ثلاثة إلى أربعة أضعاف. لذا فهي لا تُوفر إشارات أكثر دقة فحسب، بل إن توافر الإشارة فيها أفضل بكثير أيضًا.

يُعدّ استخدام المستشعرات أو أجهزة التشفير التي تعتمد على المقاومة المغناطيسية بديلاً لمستشعرات تأثير هول المزودة بتروس. ولأن عجلة الهدف عبارة عن مغناطيس متعدد الأقطاب نشط، يمكن أن تكون الفجوات الهوائية أكبر، تصل إلى 4.0  مم. ولأن مستشعرات المقاومة المغناطيسية حساسة للزاوية وغير حساسة للسعة، فإن جودة الإشارة تتحسن مقارنةً بمستشعرات هول في التطبيقات ذات الفجوات المتغيرة. كما أن جودة الإشارة أعلى بكثير، مما يُمكّن من إجراء الاستيفاء داخل المستشعر/جهاز التشفير أو عبر دائرة خارجية.

تواجه بعض شركات النقل مشكلة خاصة: فالهواء المتداول الذي يُبرّد المحركات يحمل معه نشارة ناتجة عن احتكاك العجلات والسكك الحديدية، والتي تتراكم على رؤوس المجسات المغناطيسية. كما يتزايد استخدام المحركات التي تتطلب مجسات تفحص عجلات هدف مصنوعة من الألومنيوم ، وذلك مثلاً لأن المراوح مصنوعة من سبيكة ألومنيوم ، ولا يرغب المصنّع في تقليصها على حافة تروس مغناطيسية منفصلة .

تتوفر لهذه التطبيقات مستشعرات سرعة لا تتطلب مغناطيسًا مستهدفًا. ^{[ 2 ]} يُستخدم عدد من ملفات الإرسال والاستقبال لتوليد مجال كهربائي متناوب بتردد في حدود 1  ميجاهرتز، ثم يتم تقييم تعديل الاقتران بين المرسلات والمستقبلات. يتوافق هذا المستشعر مع المستشعرات المغناطيسية من حيث التركيب والإشارة؛ ويمكن استبدال الوحدات بسهولة في معظم وحدات العجلات المستهدفة الشائعة دون الحاجة إلى أي إجراءات أخرى.

غالبًا ما يرغب العملاء في الحصول على عدد نبضات أكبر لكل دورة مما يمكن تحقيقه في المساحة المتاحة ومع أصغر وحدة (m = 1). ولتحقيق هذا الهدف، تتوفر مستشعرات مزودة بخاصية الاستيفاء. توفر هذه المستشعرات خرجًا يتراوح بين 2 و64 ضعفًا لعدد أسنان التروس أو الأقطاب المغناطيسية الأصلية على العجلة المستهدفة. وتعتمد الدقة على جودة بيانات المستشعر: مستشعرات هول أقل تكلفة، ولكن دقتها أقل، بينما مستشعرات المقاومة المغناطيسية أعلى تكلفة، ولكن دقتها أعلى.