機(jī)車磁敏速度傳感器的研制和應(yīng)用

俞國偉 上海鐵路局上海機(jī)務(wù)段

目前我國的機(jī)車上基本都是采用光電速度傳感器，這是上世紀(jì)末為適應(yīng)我國機(jī)車全面加裝列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置的需要而從德國進(jìn)口的技術(shù)。光電速度傳感器是有源型傳感器，一般為2～4個通道，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）工作電壓：DC15V；

（2）每通道最大消耗電流：不大于50mA；

（3）輸出波形：方波脈沖，占空比0.4～0.6前后沿時均小于 10μs；

（4）輸出脈沖幅度：高電平電壓≥9V，低電平電壓≤1V；

（5）相位差：兩個通道 90°±45°；

（6）耐受工頻電壓：傳感器出線端各通道及通道間，能承受工頻交流電壓500V，通道對外殼間能承受工頻交流電壓500V。

1 光電測速傳感器存在的問題

光電測速傳感器由光電模塊、光柵、外殼、傳動軸、軟性連接器、多芯防水插頭及外附屏蔽電纜組成。它通過輪軸轉(zhuǎn)動帶動光柵盤掃描，輸出方波脈沖頻率，每轉(zhuǎn)200個脈沖供機(jī)車監(jiān)控裝置對速度、距離、防溜等功能進(jìn)行檢測。光電模塊通道間彼此隔離并帶極性保護(hù)，輸出也采取短路保護(hù)措施。光電傳感器輸出信號幅度大，高電平≥9V，而低電平≤2V，是方波數(shù)字量，信號幅度不受機(jī)車低速的影響，只要有位移就有脈沖輸出。光電模塊的光源是發(fā)光二極管（LED），但是LED總是在老化，經(jīng)過一段時間使用后它的射速會明顯降低，為補(bǔ)償損失而使用專用調(diào)節(jié)器逐漸增加通過LED的電流，但這樣又進(jìn)一步加速了其老化過程。因此，為安全起見，光電傳感器在使用30萬公里或五年之后就須更換光電模塊。

在實(shí)際運(yùn)用中，光電傳感器脈沖丟失及模塊損壞的故障較高且無法避免。據(jù)統(tǒng)計，2008年上海機(jī)務(wù)段配屬186臺機(jī)車的光電傳感器故障（包括電務(wù)部門的光電傳感器故障）達(dá)到100臺次送廠大修，故障原因基本上是模塊老化造成脈沖丟失嚴(yán)重，僅材料修理費(fèi)就達(dá)到15萬元；而從社會效益來看，因光電傳感器造成的列車機(jī)破會打亂鐵路運(yùn)行秩序，造成旅客不滿意，直接影響到鐵路聲譽(yù)。

2 磁敏速度傳感器設(shè)計原理

磁敏速度傳感器由磁鋼、磁敏器件、放大整形電路、外殼和內(nèi)附導(dǎo)線、護(hù)套、插頭等組成，它安裝于機(jī)車軸端箱蓋（徑向）上，被測轉(zhuǎn)動物體為模數(shù)≥0.5的鐵磁齒輪。當(dāng)測速齒輪轉(zhuǎn)動時，傳感器將產(chǎn)生頻率f=pn/60(n為轉(zhuǎn)速；p為齒輪齒數(shù))的方波信號。該傳感器內(nèi)部有兩個完全隔離的通道，同時輸出兩路方波供列車防空轉(zhuǎn)、速度監(jiān)控、車輪打滑、運(yùn)行方向等進(jìn)行采樣檢測。磁敏測速傳感器工作原理如圖1所示，外形如圖2所示。

圖1 磁敏測速傳感器工作原理圖

磁敏測速傳感器由兩個霍爾敏感器件和相匹配的電子測定裝置組成。當(dāng)電流通過霍爾敏感器件，垂直于電流方向施加磁場時，則垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)生霍爾電壓，霍爾輸出電壓正比于電流和磁場的強(qiáng)度。因此，磁敏測速傳感器的研制關(guān)鍵就是要保證在任何狀況下霍爾電壓的正確輸出。為此，要研究解決以下四方面的問題：

（1）磁場（目標(biāo)齒輪）調(diào)制與磁通量確定；

（2）霍爾敏感器件與目標(biāo)齒輪的安裝間隙必須控制在（0.9±0.5）mm 之內(nèi)；

（3）滿足鐵道部制定的機(jī)車軸端測速傳感器技術(shù)條件；

（4）滿足鐵道部制定的機(jī)車采集速度信號一轉(zhuǎn)為200脈沖的規(guī)定。

解決上述問題所采用的技術(shù)方法：

（1）磁場是通過目標(biāo)齒輪進(jìn)行調(diào)制，故目標(biāo)齒輪材質(zhì)必須是低碳鋼，保證有較強(qiáng)的磁通量而又沒有磁滯。當(dāng)電流加在霍爾敏感器件上，經(jīng)過目標(biāo)齒輪的齒頂或齒根時產(chǎn)生磁通量的變化，形成交流正弦波輸出。

（2）霍爾電壓的正常輸出除了與磁場的材質(zhì)有關(guān)以外，還與霍爾器件與之安裝的間隙有關(guān)。當(dāng)安裝間隙過小時，易損壞霍爾敏感器件；當(dāng)安裝間隙過大時，輸出的霍爾電壓振幅丟失。為此，研制出一種集成信號反饋處理電路，對霍爾電壓的失調(diào)、漂移提供最大可能的補(bǔ)償和校正，這樣就能適當(dāng)降低安裝間隙的苛刻要求。

（3）按鐵道部制定的機(jī)車軸端測速傳感器技術(shù)要求，磁敏傳感器的工作溫度范圍為-40℃～＋70℃，并兼用極性保護(hù)、短路保護(hù)、瞬間浪涌電壓的吸收。為了抗振，電路板采用SMT（表面裝聯(lián)貼片）工藝，波峰焊接、超聲波清洗、壓接和繞接技術(shù)，保證輸出方波上升沿和下升沿的時間在≤10μs范圍以內(nèi)。

圖2 磁敏速度傳感器

3 安裝方案比選與確定

鐵道部對機(jī)車采集的速度信號規(guī)定一轉(zhuǎn)為200個脈沖。按照目前國外的方法，磁敏速度傳感器都安裝在軸箱蓋內(nèi)側(cè)。根據(jù)國內(nèi)機(jī)車目前情況，要安裝磁敏速度傳感器就必須對機(jī)車軸箱蓋進(jìn)行重新設(shè)計。目標(biāo)齒輪齒（梳）數(shù)為200個，安裝間隙控制在（0.9±0.5）mm，選擇齒輪直徑：200×1.25（模數(shù)）＋1.25×2=252.5 mm，同時對齒輪的同心度、徑向跳動都有嚴(yán)格的要求。為了滿足上述精度要求，需采用中間過渡軸套的方案，使傳感器與目標(biāo)齒輪的安裝間隙控制在（0.9±0.3）mm之間。

每一種機(jī)車的軸箱蓋尺寸都不相同，若對每種機(jī)車均進(jìn)行重新設(shè)計、改制，磁敏速度傳感器的組裝要依靠現(xiàn)場對軸箱蓋和軸頭目標(biāo)齒輪的組裝間隙來保證，難度大，對批量化改造更難以保證。為此須克服軸箱蓋改造的弊端，并構(gòu)思新的結(jié)構(gòu)圖，將磁敏測速傳感器安置在類似光電速度傳感器的外殼中，使磁敏速度傳感器的安裝具有通用性，便于在各類機(jī)車上安裝，不僅能適應(yīng)國內(nèi)所有內(nèi)電機(jī)車，還能適應(yīng)采用光電傳感器的動車。

4 解決的技術(shù)難點(diǎn)

（1）根據(jù)國外霍爾器件的技術(shù)要求，目標(biāo)齒輪最小模數(shù)為0.5，才能感應(yīng)出交流正弦波的電壓。 起初采用華東師范大學(xué)納米技術(shù)研究所的專用芯片，在試驗(yàn)臺上能通過，但是一上機(jī)車抗干擾能力太差，停車狀態(tài)機(jī)車顯示有速度。經(jīng)過試驗(yàn)分析，改進(jìn)了電路，加強(qiáng)了電路的選頻性能，更換了進(jìn)口ALLEGRO公司生產(chǎn)的霍爾器件，電路抗干擾能力大為增加。

（2）因傳感器外型尺寸大大縮小，大目標(biāo)齒輪最小模數(shù)為 0.5，齒輪外徑為 200×0.5＋2×0.5=101 mm，傳感器安裝在機(jī)車軸端上的安裝尺寸僅φ130±0.2（4-φ9）。在這么狹小的空間如何確?；魻柶骷湍繕?biāo)齒輪的幾何角度安裝和精密定位，是保證兩個通道的相位差為90°±45°的前提。為保證外殼足夠的機(jī)械強(qiáng)度，對傳感器外殼作了增強(qiáng)設(shè)計。

（3）根據(jù)鐵道部運(yùn)輸局2010年4月對動車傳感器提出的絕緣等級要求，通道對外殼間承受的工頻交流電壓提高到3000V，歷時1min的試驗(yàn)傳感器無擊穿或閃絡(luò)現(xiàn)象。對有效空間減小的磁敏速度傳感器來講這是非?？量痰?。為此通過優(yōu)化設(shè)計，改用高強(qiáng)度鋁合金，選用尼龍絕緣材料套達(dá)到了上述要求。

5 試驗(yàn)與應(yīng)用效果

5.1 機(jī)車運(yùn)用情況

第一套磁敏測速傳感器經(jīng)DF11-411機(jī)車裝車運(yùn)用跟蹤初期發(fā)現(xiàn)，在低速時有干擾脈沖出現(xiàn)。后針對上述情況及時改進(jìn)了設(shè)計，于2009年8月重新裝車后，運(yùn)用至今一直非常穩(wěn)定。第一套試制成功的磁敏測速傳感器安裝在DF11-411號機(jī)車第4軸，作為監(jiān)控裝置的備速，至2010年8月已試用近一年，共走行25萬公里，無故障。2009年9月，第二套試制成功的磁敏測速傳感器安裝在SS8-0082號電力機(jī)車右2軸上，其第一通道供機(jī)車微機(jī)速度采集通道，第二通道作為監(jiān)控備速通道，至2010年8月已裝車行駛近30萬公里，無故障。

上述2臺機(jī)車屬客運(yùn)機(jī)車，運(yùn)行速度在140 km/h,從監(jiān)控地面分析軟件看，速度值和光電傳感器沒有誤差，提供給機(jī)車微機(jī)系統(tǒng)的速度信號也和車上其它光電傳感器相一致。沒有發(fā)生過速差現(xiàn)象。在小、輔修修程中，磁敏測速傳感器經(jīng)試驗(yàn)臺測試檢查，各項(xiàng)參數(shù)值正常。

5.2 動車運(yùn)用情況

2010年5月4 日，根據(jù)鐵道部運(yùn)輸局會議紀(jì)要要求，在CRH2-118機(jī)車上試安裝2個磁敏測速傳感器，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)到了216 km/h速度以上速度信號就丟失，經(jīng)分析其原因是由于動車速度信號接收傳輸通道采用二級光電隔離，和機(jī)車速度信號輸入通道僅用一級隔離不同。經(jīng)改進(jìn)設(shè)計，在輸出級增加了驅(qū)動能力，調(diào)整了輸出信號的脈沖寬度。改進(jìn)設(shè)計后動車試驗(yàn)216 km/h速度以上時，速度信號丟失這個現(xiàn)象消失了，現(xiàn)運(yùn)用至2010年8月設(shè)備工作一直正常。

6 結(jié)束語

機(jī)車磁敏測速傳感器作為一種新型的速度傳感器，具有良好的測速性能。它克服了光電傳感器光電模塊易老化的缺點(diǎn)，具有良好的高速性能，測頻特性達(dá)到20 kHz/h，在試驗(yàn)臺上能穩(wěn)定運(yùn)行在500 km/h。同時它能夠滿足鐵道部運(yùn)輸局所規(guī)定的機(jī)車軸端測速的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，具有和光電傳感器一樣的機(jī)械外形、安裝尺寸及電氣接口參數(shù)，和現(xiàn)行光電傳感器相同，具有良好的安裝通用性、互換性。能適應(yīng)目前我國運(yùn)行的各種類型的機(jī)車和部分動車，能十分簡便可靠地替換光電速度傳感器或其他類型的軸端測速電機(jī)。作為一種新型的機(jī)車速度傳感器，必將為提速機(jī)車軸端速度傳感器的升級換代提供有力的技術(shù)支持。