智能传感器及其在高速机车状态监测中的应用

高速铁路作为当今世界铁路高新技术的一项重大成就，以其安全性能好、旅行速度快、能源消耗低、环境污染低、经济效益好等不可比拟的优越性而成为安全可靠的现代化交通工具，在许多国家得到迅猛发展并日益赢得人们的欢迎和赞赏。而对其车速、轴温、制动缸和列车管压力、车厢温度、列车供电以及其他有关的辅助设备进行状态监测和故障诊断是保证列车高速安全运行的重要手段。不断发展的智能传感器技术、微型计算机技术、数字通信技术及信号处理技术为之提供了坚实的技术支持。 传统的监测仪表以电信号的产生、传输、模拟处理和显示（包括指针指示和数字显示）为主来反映被测量的变化，存在着严重不足：结构尺寸大，传感器与仪表之间连线多，中间环节多，系统结构复杂；输入———输出特性存在非线性，且随时间漂移，存在交叉灵敏度；信噪比低，传输的模拟信号易受外界噪声干扰，测量结果的稳定性和可靠性差。而智能传感器赋予传感器与微处理器以智能相结合，兼有信号检测与信息处理的功能，它将检测到的信号经过变换处理后，以数字量形式通过现场总线与高／上位机进行串行通讯，可以大大削减现场与高／上位机之间的一对一连接导线，简化整个系统的布线和设计，节约初期安装费用。该类传感器具有高精度、高可靠性和稳定性、高信噪比和高分辨率及低的价格性能比等特点，在测量距离远、安装空间小、测点多的高速机车状态监测和过程控制中具有广阔的应用前景。该文以DS1820型数字式温度传感器为例探讨智能传感器在高速机车轴温监测中的具体应用［1］。 1 数字式温度传感器DS1820［2］ 125℃，精度0．5℃。传感器和上位机之间只须一根总线即可完成信息的读写，DS1820本身供电、数据的读写和温度变换所需功率均来自于该总线，不需要额外的电源。每片DS1820均含有一个惟一的64位硅串行数，通过识别该码可以区分不同的传感器，因此可以在一根总线上挂接多个DS1820，由上位机通过选择传感器和硅串行数对选定的传感器进行读、写、启动转换和设置报警参数等操作，从而在结构上大大简化系统设计和安装维护工作。传感器的内部结构和外接引线如图1—1所示。 图1—1中，GND为地线，DQ为数据输入／输出管脚（单线接口，可作寄生供电），VDD为电源电压。DS1820既可以寄生供电又可以外部＋5V供电。寄生供电时，当总线上是高电平时，传感器从总线上获得能量并储存在内部电容上；当总线上是低电平时，由内部电容向传感器供电。DS1820由3个主要的数字元件组成：64位ROM；温度感应器；非易失性温度报警触发器TH和TL。64位ROM中前8位为传感器种类代码（DS1820均为10H），中间48位为每个传感器惟一的出厂序列编号，后8位为前56位的校验码。温度感应器负责将被测温度量转变为电量。 TH、TL触发器用于存储用户设定的温度报警上、下限TH、TL值。 DS1820测温原理如图1—2所示。在DS1820内部有两个不同温度系数的晶振，低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1，高温度系数晶振的振荡频率随温度的变化而明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。－55℃对应的一个基数值预置在计数器1和温度寄存器内，并由计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值加1，计数器1的预置值重新被装入并再次进行计数，如此循环直到计数器2的值减到0为止，此时停止温度寄存器的累加，其内部数值即为当前所测温度。斜率累加器用来补偿和修正测量过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。 DS1820本身可以达到0．5℃的温度分辨率，为了满足分辨率的测量需求，还提供了直接读取计数器和寄存器的途径。首先，读取当前温度值，将9位数据的最低位舍弃，变成一个8位数据记为A，随后读取在门时期停止后留在计数器中的残留值，记为B，然后再读取每一度产生的计数个数，记为C，最后运用下面的公式计算实际温度值T，可以得到0．1℃以上的温度分辨率［3］。 T＝A＋0．75－B／C 2 高速机车轴温监测系统［4］ 机车速度的提高和牵引功率的增大，机车与钢轨之间的冲击、动力效应和振动增大，必然会导致机车行走部分的轴箱轴承、牵引电机轴承、抱轴承和空心轴承的发热增多。为了保障机车的高速安全运行，开发研制了基于数字式智能温度传感器的轴温监测系统。该系统可根据不同车型随意增减测温点数，实时显示各测点的温度，超标时可声光报警并记录报警信息。 2．1 系统硬件构成 轴温监测系统的硬件构成如图2—1所示。为保证系统的安全可靠运行，传感器与上位机之间采用了环形双总线串行传输方式，当一个总线因故障中断时，可自动转换到另一条总线工作，并有指示灯显示，不会因某处中断而影响系统工作。安装在机车下部的传感器、接线盒、接插件等都采用防尘、防水的密封结构，性能可靠，对环境适应能力强。 机车上存有许多大功率电气设备，如驱动电机、变压器、制动器、前大灯等，这些设备的动作会使系统的供电电源受到瞬时干扰，为防止影响系统正常工作，在电源的输入和输出端装入参数适当的磁环以吸收、抑止干扰，在输入端加装滤波器进一步减弱干扰。同时，将主电路板上的电源线和地线加粗，使地线有效可靠接地，可以使瞬时干扰的能量迅速释放掉。主电路板和电源分开设计并在其间加装屏蔽钢板。考虑到三极管的基极受干扰后容易导通，将驱动蜂鸣器等部件的三极管改为小继电器，可有效避免误报警。 2．2 系统软件功能 系统的程序流程如图2—2所示。 该系统有3个功能模块：参数设置、状态监测和事件查询。参数设置的核心是传感器编号的设置，通过总线给传感器发送指令码，读出内部的惟一编号并存储在上位机的EEPROM中。状态监测主要完成上位机与传感器的串行通讯，首先根据内部编号选定传感器，启动温度转换，然后上位机接收温度数据，进行报警判断和数据存储，此时总线上其他的传感器处于屏蔽状态，不允许和上位机进行通讯。系统提供了两种报警方式：绝对温度（一般为75℃）超标报警和相对温度（环境温度＋50℃）超标报警（可根据不同车型和不同测点的要求而自由设定），同时还能存储各测点的最大温升率和对应的发生时间。系统运行一段时间后，有关技术人员可以调用事件查询功能模块查询此时间段内发生的报警事件和温度情况，还可通过RS－485接口将数据传送到PC机或工作站作进一步的分析和诊断。 当系统受到强干扰而出现程序混乱时，该软件可自动复位、自行初始化后继续正常工作。对因瞬态干扰而产生畸变的数据，系统软件自动多次测量可以避免漏测和漏报警。 3 结论 采用上述软硬件配置的高速机车轴温监测系统具有测温精度高、抗干扰能力强、工作稳定可靠等特点，完全可以满足高速机车的需要。该系统已应用在SS7D型高速机车（最高时速可达200km／h）上的轴温监测中，运行结果证明了其可行性、高可靠性和实用性，也可应用于其他类型的高速机车。 智能数字式温度传感器在高速机车状态监测中的应用大大简化了系统结构，维护和更换部件更为简单方便，降低了成本，在技术上较传统的模拟式温度测量有着明显的优势。随着传感器集成化程度的提高，其智能化程度将得到更大的发展，信号采集、信号处理和信息融合、数据通讯的功能将更为强大，在高速机车状态监测与故障诊断及过程控制中将有更广阔的应用前景，为机车的安全高速运行发挥更重要的作用。 参考文献 ［1］刘君华．智能传感器系统［M］．西安：西安电子科技大学出版社，1999． ［2］金伟正．单线数字温度传感器的原理与应用［J］．仪表技术与传感器，2000，（7）：42－43． ［3］王广志，吴颖，黄志光．数字式温度传感器与分布式温度测量系统［J］．传感技术学报，2001，14（1）：26－31． ［4］张周锁，胥永刚，何正嘉．新型高速机车轴温监测系统的研究与开发［J］．西安交通大学学报，2001，35（3）：280－283． (