機(jī)車光電速度傳感器和壓力變送器測試一體機(jī)

摘 要：機(jī)車光電速度傳感器和空氣壓力變送器測試一體機(jī)應(yīng)用于鐵路部門對機(jī)車光電速度傳感器、空氣壓力變送器的性能測試，一體機(jī)除了具備常規(guī)電性能測試外，還具有絕緣電阻測試和光電速度傳感器的抗干擾測試功能。主要介紹測試裝置的構(gòu)成及技術(shù)原理。

關(guān)鍵詞：光電速度傳感器；空氣壓力變送器；絕緣電阻測試；抗干擾測試；一體機(jī)；技術(shù)原理

1 研制背景

光電轉(zhuǎn)速傳感器與空氣壓力變送器已在鐵路各型機(jī)車上廣泛應(yīng)用，光電轉(zhuǎn)速傳感器為列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置、走行部車載檢測裝置及機(jī)車控制系統(tǒng)提供速度信號，空氣壓力變送器為列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置及制動機(jī)提供空氣壓力信號。市場上常見的傳感器檢測裝置功能單一，不具備傳感器電絕緣性能的測試和抗干擾能力測試功能，檢測項目不能滿足測試標(biāo)準(zhǔn)的要求，且不能在一臺機(jī)器上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)速傳感器與空氣壓力變送器的性能測試，檢測維修不便。為提高工作效率，降低檢修成本，上海鐵路局徐州機(jī)務(wù)段研制了光電速度傳感器和空氣壓力變送器測試一體機(jī)（該項目為上海鐵路局2012年科研立項計劃，編號2012Z017）。

2 研制目標(biāo)

研制既能進(jìn)行機(jī)車光電速度傳感器性能測試又能進(jìn)行空氣壓力變送器的性能測試的一體化試驗臺（一體機(jī)）。

（1）實現(xiàn)光電速度傳感器工作電壓、電流、占空比、相位差、高低電平、速度波形上升沿、下降沿、通道絕緣、對地絕緣和抗干擾性能測試功能。

（2）實現(xiàn)空氣壓力變送器消耗電流、誤差和絕緣電阻參數(shù)的測試功能。

（3）可根據(jù)測試結(jié)果自動進(jìn)行合格性判斷，指出不合格項，生成測試記錄。

（4）具有數(shù)據(jù)存儲與查詢功能。

3 裝置組成與技術(shù)原理

3.1 裝置組成

測試裝置由工控機(jī)、光電速度傳感器測試單元、空氣壓力變送器測試單元和檢測數(shù)據(jù)處理單元等部分組成。工控機(jī)與測試單元間采用RS232串口通訊方式，數(shù)據(jù)接口與電絕緣測試單元采用光電隔離方式，光電速度傳感器測試單元、空氣壓力變送器測試單元采用工業(yè)CPU控制方式。采用工業(yè)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用虛擬儀表技術(shù)實時顯示信號波形和參數(shù)。

測試軟件由工控機(jī)控制軟件、單片機(jī)程序和檢測數(shù)據(jù)查詢管理軟件組成。工控機(jī)軟件采用LabView環(huán)境開發(fā)，通過自定義算法邏輯實現(xiàn)傳感器參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)保存、檢測狀態(tài)顯示、記錄數(shù)據(jù)的查詢及打印等功能；軟件運(yùn)行于win9x/win2k/winNT/winxp環(huán)境；檢測數(shù)據(jù)查詢管理軟件采用B/S構(gòu)架，實現(xiàn)傳感器檢修數(shù)據(jù)的實時傳遞，解決了基于局域網(wǎng)的傳感器檢修履歷管理問題；數(shù)據(jù)庫采用Sql Server 2000結(jié)構(gòu)。

3.2 技術(shù)原理

光電速度傳感器測試通過工控機(jī)控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動傳感器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速模擬信號，并輸出到虛擬示波器和數(shù)據(jù)采集卡中，虛擬示波器將輸入轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后輸入工控機(jī)，采集卡同時將轉(zhuǎn)速脈沖計數(shù)值輸入工控機(jī)，通過實時顯示輸出值，繪制生成實時輸出波形，經(jīng)計算、比較后，得出傳感器性能是否合格的結(jié)論，生成測試記錄。

空氣壓力變送器測試單元集壓力信號測試、氣壓控制、傳感器絕緣測試、泄漏檢測、工作電壓整定測試以一體，實現(xiàn)快速、精準(zhǔn)測量。氣壓控制單元由空氣壓縮機(jī)提供測試氣壓，采用微控調(diào)壓技術(shù)，在滿足傳感器測試精度的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)空氣壓力變送器滿量程的壓力設(shè)定和性能測試。

3.2.1 光電轉(zhuǎn)速傳感器測試原理

光電轉(zhuǎn)速傳感器測試單元主要由單片機(jī)電路、電源電路、轉(zhuǎn)速控制單元、絕緣測試單元、干擾測試單元、繼電器控制單元、數(shù)據(jù)處理單元和接口電路組成，如圖1所示。

單片機(jī)控制電路采用8051單片機(jī)STC12C5A60S2為主控芯片，通過COM1接口與轉(zhuǎn)速控制單元連接，控制單元接收單片機(jī)的控制指令，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)整和轉(zhuǎn)矩控制。采用工業(yè)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行速度信號處理，實現(xiàn)傳感器各通道電壓、電流、占空比、相位差、速度波形上升沿、下降沿等參數(shù)的檢測功能。

光電轉(zhuǎn)速傳感器測試單元的絕緣測試模塊負(fù)責(zé)傳感器電絕緣參數(shù)的測試，干擾測試單元實現(xiàn)傳感器抗干擾性能測試。為了避免電絕緣測試高壓對傳感器的影響，設(shè)置光電線性隔離電路，確保被測傳感器的安全。

（1）電源電路。采用工業(yè)電源模塊組，負(fù)責(zé)各單元電路的供電。該類電源模塊具有穩(wěn)壓輸出、高效率和安全隔離等特點(diǎn)，工作可靠性高。電源模塊輸出5V、9V、15V、26V、48V等電壓，提供給各單元電路使用。傳感器測試單元程控電壓調(diào)整采用LM2576HVT-ADJ芯片，實現(xiàn)傳感器工作電壓12V-30V調(diào)整。

（2）單片機(jī)控制電路。采用STC12C5A60S2為主控芯片。STC12C5A60S2是新一代8051單片機(jī)，具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)。其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。STC12C5A60S2單片機(jī)外圍連接帶有看門狗定時器的IMP708芯片電路，確保單片機(jī)出現(xiàn)異常時復(fù)位重啟。

（3）轉(zhuǎn)速控制單元。轉(zhuǎn)速控制單元由電機(jī)和控制器組成?？刂破鬟x用松下公司20bit數(shù)字編碼伺服控制器MBDHT2510。該控制器采用角度、位移運(yùn)算方式，指令控制速度達(dá)到4Mpps，速度響應(yīng)頻率達(dá)到2.0KHz，高速響應(yīng)延遲性低，轉(zhuǎn)矩控制特性好。電機(jī)采用松下伺服電機(jī)，具備三級增益調(diào)整和動態(tài)制動控制功能，極大地縮短了轉(zhuǎn)速調(diào)整定速時間，并降低了電機(jī)振動，提高了轉(zhuǎn)速控制的穩(wěn)定性和可靠性，實現(xiàn)0-3000r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的精確調(diào)速，確保了測試精度。

（4）絕緣測試單元。絕緣測試單元由高壓發(fā)生器、采樣電路、A/D轉(zhuǎn)換電路組成，主要實現(xiàn)轉(zhuǎn)速傳感器絕緣阻抗測試。

高壓發(fā)生器主要產(chǎn)生500V直流電壓。為了提高絕緣阻抗的測試精度，確保測試安全，高壓發(fā)生器采用直流電壓9V供電，采用脈寬調(diào)制、變壓器升壓方式。由TL494主芯片組成電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制電路。該電路應(yīng)用閉環(huán)控制方式，提高了高壓輸出的穩(wěn)定性。TL494內(nèi)置一個5.0V的基準(zhǔn)電壓源，使用外置偏置電路時，可提供高達(dá)10mA的負(fù)載電流，在典型的0-70℃溫度范圍且50mV溫漂條件下，該基準(zhǔn)電壓源能提供±5%的精確度。

高壓整流電路采用倍壓整流方式，降低電路功耗，提高控制精度。

采樣電路完成對被測傳感器絕緣阻抗信號的采集和處理。采樣電路采用差分電路對阻抗信號進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)AD7705實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換后，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

絕緣測試單元A/D轉(zhuǎn)換電路采用高速、高精度的轉(zhuǎn)換芯片AD7705。AD7705采用SPI兼容的三線串行接口，能夠方便地與各種微控制器和DSP連接。這種器件具有高分辨率、寬動態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點(diǎn)。AD7705將來自500V直流電壓經(jīng)采樣電路采集到的通道阻抗值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)讀取AD7705的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，采用中位值平均濾波算法計算阻抗值。

（5）干擾測試單元。干擾測試單元由絕緣測試單元取得500V直流電壓，經(jīng)過隔離控制產(chǎn)生500V、8KHz的脈沖干擾信號。進(jìn)行轉(zhuǎn)速傳感器抗干擾測試時，對轉(zhuǎn)速傳感器施加干擾脈沖，經(jīng)過比對常態(tài)測量結(jié)果，對傳感器抗干擾性能進(jìn)行判定。

（6）繼電器控制單元。繼電器控制單元主要實現(xiàn)傳感器通道切換功能，滿足傳感器絕緣測試時各通道測試要求。采用低功耗、高可靠的歐姆龍繼電器，并設(shè)置繼電器狀態(tài)檢測電路，提高電路動作可靠性。

控制單元電路采用ULN2003芯片驅(qū)動繼電器。ULN2003是一個單片高電壓、大電流的達(dá)林頓晶體管陣列集成電路，滿足直接驅(qū)動繼電器等負(fù)載的要求。

（7）數(shù)據(jù)處理單元。由單片機(jī)直接控制的數(shù)據(jù)采集方案，是最簡單、最常用的控制方案。但是由于每次采樣都要有單片機(jī)的參與，需占用單片機(jī)的時間，影響數(shù)據(jù)處理精度，而且對于多通道、多個A/D轉(zhuǎn)換器的控制，數(shù)據(jù)處理精度更低。

數(shù)據(jù)處理單元采用工業(yè)數(shù)據(jù)采集卡，應(yīng)用數(shù)字波形處理和虛擬儀表顯示技術(shù)，實時輸出傳感器信號波形，直觀顯示信號參數(shù)，實現(xiàn)良好的人機(jī)交互。滿足了各通道電壓、電流、占空比、相位差、上升沿、下降沿參數(shù)的實時測量要求，提高了測量精度。

（8）接口電路。接口電路采用模塊化設(shè)計，各單元電路間既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，各功能模塊通過標(biāo)準(zhǔn)232串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和反饋。

3.2.2 空氣壓力變送器測試原理

空氣壓力變送器測試單元由單片機(jī)電路、電壓整定電路、絕緣阻抗測試單元、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)處理單元、通訊接口電路和氣壓控制單元組成，如圖2所示。

圖2 空氣壓力變送器測試單元結(jié)構(gòu)示意圖

單元電路以單片機(jī)為控制中心，采用高精度數(shù)字式壓力表為測量基準(zhǔn)，以氣壓為媒體對壓力變送器進(jìn)行測試，較以油壓為媒體更潔凈、方便。為了簡化單元電路結(jié)構(gòu)，壓力變送器測試單元采用一體化設(shè)計方案，單元電路集壓力信號測試、氣壓控制、傳感器絕緣測試、泄漏檢測、工作電壓整定測試以一體，充分考慮應(yīng)用工業(yè)單片機(jī)資源，實現(xiàn)快速、精準(zhǔn)測量。

（1）單片機(jī)電路。采用低功耗8位CMOS微控制器ATmega16，具有增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)。由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以減緩在功耗和處理速度之間的矛盾，提高數(shù)據(jù)處理效率。

（2）A/D轉(zhuǎn)換電路。采用16位8通道輸出采樣序列A/D芯片ADS8344和帶有高阻抗緩沖輸入的4通道8位電源輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器集合TLC5620C。ADS8344和TLC5620C將從通道采集的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并由控制電路對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成壓力變送器電流、電壓、壓力、誤差等參數(shù)的測試。TLC5620C的轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生1-2倍于基準(zhǔn)電壓和接地電壓差值的輸出。通常情況下TLC5620的供電電壓為一個5V電源。

（3）電壓整定電路。電壓整定電路實現(xiàn)傳感器工作電壓范圍12VDC～30VDC的調(diào)整輸出功能。采用LM2576HVT-ADJ開關(guān)型降壓穩(wěn)壓芯片和AD5259數(shù)字電位器來實現(xiàn)傳感器工作電壓調(diào)節(jié)。

（4）氣壓控制單元。氣壓控制單元為壓力變送器提供空氣壓力，它以氣壓為媒體對壓力變送器進(jìn)行測試，較以油壓為媒體對壓力變送器進(jìn)行測試的測試儀器更潔凈、更方便。

氣壓控制單元由空氣壓縮機(jī)提供測試氣壓，采用微控調(diào)壓技術(shù)，在滿足傳感器測試精度的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)壓力變送器滿量程的壓力設(shè)定和性能測試功能。

（5）通訊接口電路。壓力變送器測試單元采用RS232通訊方式與工控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，接收控制指令。為了解決單片機(jī)與工控主機(jī)的串口通訊問題，采用MAX202芯片進(jìn)行串口電平轉(zhuǎn)換。MAX202數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)20kbps，符合CCITT V.28 和EIA/TIA-232的規(guī)格。

（6）數(shù)據(jù)處理?？諝鈮毫ψ兯推鞯男阅軈?shù)由工業(yè)單片機(jī)負(fù)責(zé)處理，測試界面、參數(shù)設(shè)置、圖形處理由工控主機(jī)負(fù)責(zé)。測試單元采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，工控機(jī)讀取數(shù)據(jù)后，實時顯示設(shè)置壓力和實測壓力曲線，使測試結(jié)果更直觀、便于分析，達(dá)到良好的人機(jī)交互效果，實現(xiàn)壓力變送器滿刻度的線性度參數(shù)測量。

4 結(jié)束語

“機(jī)車光電速度傳感器和空氣壓力變送器測試一體機(jī)”在一臺設(shè)備上實現(xiàn)了光電速度傳感器和空氣壓力變送器的性能檢測，提高了測試效率，降低了設(shè)備采購、維護(hù)成本。裝置應(yīng)用數(shù)字化綜合測量技術(shù)，在傳感器常規(guī)技術(shù)性能測試的基礎(chǔ)上，增加了傳感器電絕緣參數(shù)、抗干擾性能測試，保證了傳感器檢修質(zhì)量。經(jīng)現(xiàn)場試用，人機(jī)界面友好、能自動完成各項性能測試，操作簡便，可在鐵路機(jī)務(wù)段、電務(wù)段推廣應(yīng)用。