ABS轮速传感器轮速信号信噪比分析研究
孙尚志
安徽安凯汽车股份有限公司
陈彦夫 孙骏
合肥工业大学机械与汽车工程学院
【摘要】针对广泛使用的磁电式轮速传感器，在分析其可能失效模式的基础上，通过在性能试验台上对其进行相关的性能测试以及对实验数据的处理分析，研究了环境因素的干扰以及齿圈和传感器间的空气间隙的变化对传感器轮速信号的影响程度，并对轮速信号的信噪比进行了计算和比较分析，为分析轮速传感器的故障诊断问题提供依据。
关键词：轮速传感器；数据处理；信噪比
汽车防抱死制动系统（ABS）是汽车主动安全的重要装备，它通过感知汽车轮速信号，采用一定的算法求得相关的轮加减速度和滑移率这两个控制参考变量，从而进行ABS控制以实现高效、稳定的制动。因此，精确检测车轮速度是ABS系统正常工作的先决条件。
但由于轮速信号传感回路是弱电系统，容易受外界强电磁的干扰；而且汽车运行过程中轮速检测装置（齿圈和轮速传感器）也容易发生振动引起空气间隙的变化。这些都有可能导致轮速信号干扰噪声的产生，这种干扰噪声与正常信号叠加在一起，对正常轮速信号造成一定的影响。因此，信噪比分析成为信号测试和故障诊断研究的重要内容。
1 信噪比的定义
信噪比SNR是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。这里面的信号指的是来自设备外部需要通过这台设备进行处理的电子信号，噪声是指经过该设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号（或信息），并且该种信号并不随原信号的变化而变化。信噪比是衡量系统信号质量的一个度量，也是系统设计中的一个参数。显而易见的是：SNR值越大，系统或器件的性能就越好。
计算总的系统SNR的算法是很复杂的，但是以分贝（dB）表示的基本定义还是非常直观的。由于相对于信号（Signal level，简称S），噪音（Noise level，简称N）是否足够低是系统评价的重点之一，所以我们可以用SN比（信号与噪音的比值，记为SNR）来表示，计算方法是10×log（Ps/PN），其中Ps和PN分别代表信号和噪声的有效功率。
2 传感器与齿圈之间间隙与信噪比的关系
目前，测量车轮转动速度的一般方法是将磁电式轮速传感器安装在车轮总成的非旋转部分上，与随车轮一起转动的齿圈相对。当齿圈随车轮一起转动时，由于齿圈的齿顶与传感器齿头的空气间隙的交替变化，导致两者构成的磁路中磁阻发生相应变化，其结果是流经该磁路的磁通量发生周期性增减，从而在传感器内的线圈上感生出与磁通量的增减速度成正比的交变的电压信号。
在轮速不变的情况下，传感器输出正弦波信号的幅值随传感器与齿圈间的空气间隙减小而变大，随空气间隙变大而减小。随着空气间隙越来越小，传感器感应电压随车轮转速上升越快，也就说明传感器对转速的变化越敏感，即传感器的灵敏度越高。
由于车辆在行驶过程中的振动等因素使与车轮共同旋转的齿圈同传感器之间的间隙变大或变小，改变了传感器的最低工作转速，从而影响ABS的性能。笔者在轮速传感器性能测试系统中模拟传感器与齿圈间空气间隙变动故障。齿圈由变频调速电机驱动，齿圈齿数为100齿，在电动机频率4.8 Hz的默认转速下，将齿圈和传感器之间的间隙分别控制在0.3 mm，0.4mm，0.5 mm…2.6 mm，2.7 mm。传感器输出信号的频率与间隙之间的关系如图l所示。
从图中可以看出，在轮速不变的情况下，传感器与齿圈间的空气间隙增大到1.6 mm时，传感器输出信号的频率开始发生突变。观察这时的传感器输出电压信号可以看出，随着空气间隙的增大，感应电压的幅值减小。当空气间隙增大到1.6mm甚至更大时，有的电压幅值接近于零，并且此时的电压信号波形抖动和毛刺也随之增加，因此传感器输出信号的频率在空气间隙增大到1.6mm后也开始增大。
轮速传感器表面的污染物主要是尘土、铁粉及油液。由于磁电式轮速传感器传感头为磁铁，容易被制动器的磨屑和尘土所污染，影响其磁通量的变化，削弱了传感器感知所测参数变化的灵敏度，使获得失真的信号，因此要注意加以维护。其中，飞溅的污泥、油垢等杂物对轮速传感器几乎不产生影响，粘上铁屑的传感器的轮速信号由于受到外界铁屑这种铁磁材料的电磁干扰，从而造成轮速信号的瞬时失真。传感器头上粘上铁屑，传感器输出信号的感应电压峰峰值，感应电压有效值明显变小，对于轮速传感器的正常工作影响很大。
当传感器与齿圈间的空气间隙为1 mm时，对正常轮速信号和传感头粘有铁屑时的轮速信号进行谱分析，如图3所示。
从图3中可以看出，正常轮速信号的频谱中主要为基频分量，低频分量很小，其他谐波分量峰值很小；粘有铁屑的轮速信号的频谱中，谐波分量峰值很大，低频分量增大，干扰严重，ABS不能正常工作。
通过计算后得到：当空气间隙为1 mm，轮速信号的信噪比约为30.88 dB；当传感头粘有铁屑后，轮速信号的信噪比约为24.86 dB。从得到轮速信号的信噪比可以看出，当传感头粘有铁屑后，轮速信号的信噪比变小了，即由于叠加在信号中的电磁干扰引起的噪声，输入信号的信噪比变小了。
为了避免轮速传感器表面的污染物对轮速信号产生不良影响，在安装前应该在齿圈表面、传感器表面、弹性衬套表面及安装孔表面涂覆少量的润滑防锈油，并保持轮速传感器传感头的清洁。切记不可用润滑脂，以免粘上杂质。
4 小结
在轮速传感器性能测试试验台上对磁电式轮速传感器的可能失效模式进行相关的性能测试，通过对得到的实验数据的处理分析，研究了环境因素的干扰以及齿圈和传感器间的空气间隙的变化对传感器轮速信号的影响程度，并对轮速信号的信噪比进行了计算和比较分析，提出了磁电式轮速传感器使用时的注意事项。这将为分析轮速传感器的故障诊断问题提供依据，对于轮速传感器性能分析、诊断以及教学试验等方面都是十分有意义的。
