基于地鐵車輛功率設備的溫度傳感器性能檢測裝置研究與應用

趙紅宇，楊壁賢，鐘子峰，呂志榮，董法偉，林旭

（廣州地鐵集團有限公司運營總部，廣東廣州，510000）

1 研究背景

地 鐵1500VDC 逆 變380VAC 的 大功率模塊，投入使用時間平均已經超過10 年（一號線已經超過20 年），由于大功率模塊重要性高、質量大、體積大、安裝工藝復雜且維修人力成本、時間成本、材料成本極高，所以大功率模塊維修質量要求嚴格。對大功率模塊的精修細檢深度維修成為必然趨勢。經測算由于溫度傳感器導致模塊故障的比例由2019 年的2.48%上升到2020 年的3.29%，以往溫度傳感器的檢測僅是在常溫下靜態(tài)測試溫度傳感器的阻值是否匹配標準值，既不能測試出恒溫下溫度傳感器的電阻特性，也不能根據實際工況溫度下進行動態(tài)的全區(qū)段的溫度-阻值特性測試，已無法滿足生產需求，因此急需一個滿足維修大功率生產需求的溫度傳感器智能測試裝置。

2 測試裝置的技術方案

■2.1 測試裝置的設計框圖

溫度傳感器測試裝置由電源模塊、USART HMI 串口屏、STM32 控制板、測試裝置控制板、半導體加熱/制冷裝置、WiFi 模塊、PT100 溫度檢測模塊組成、散熱風扇，外圍電路配置了220VAC 電源開關以及溫度傳感器對外檢測接口，整個模塊操作界面均通過USART HMI 串口屏實現。設計框圖如圖1 所示。

圖1 測試裝置設計框圖

圖2 交變溫度測試界面

圖3 恒溫測試界面

■2.2 測試裝置的功能介紹

溫度傳感器測試裝置通過對半導體的制熱、制冷、恒溫的一鍵智能控制，從而可以實現對溫度傳感器交變溫度性能測試、恒溫電阻特性測試，同時將測試數據與存儲在MCU中的標準值進行實時對比，可以將溫度傳感器全區(qū)段的溫度-阻值用曲線方式展現在USART HMI 串口屏上，并將測試過程的結果分時存儲保證測試數據的可溯性，最終測試結果將自動上傳至指定服務終端保證測試結果真實性。由于溫度傳感器測試裝置的人機交互界面基于USART HMI 串口屏，該串口屏具有體積小、性能穩(wěn)定、僅需5VDC 供電等特點，所以測試裝置具有攜帶方便、抗干擾能力強、接口簡單易于操作。完全能夠勝任復雜工況下的維修需求。在日常維修過程中，很多元器件的測試條件需要在特定溫度下進行，溫度傳感器測試裝置在設計階段將恒溫測試單獨設計成一種測試模式，所以該裝置在一定溫度范圍內可以作為恒溫溫度檢測使用。

3 各模塊設計方案

■3.1 半導體電源設計

半導體制熱、制冷需要功率較大（大于20W），根據使用需求要求加熱、制冷過程可控、精度較高，因此需要單獨設計半導體的供電電路，該電路可以根據STM32 輸入0～3.3VDC（分辨精度0.05V）控制信號，輸出VCC 在0.7～12VDC（可控精度0.1VDC）、電流≥3A 可調，如圖4 所示。

圖4 半導體電源設計

圖5 溫度傳感器數據采集

經試驗，該電源電路輸出電壓（0～12VDC）電流（≥3A）線性可控且精度較高，輸出電壓穩(wěn)定，帶負載能力較強，有電壓自檢反饋機制，能滿足使用需求。

■3.2 溫度傳感器模擬輸入AD 采集電路

由于該溫度傳感器測試對于精度要求不是很高（根據使用需求：真實值在標準值±5%以內，測量誤差小于±2%），故電路設計時未采用專用的基準電壓源，使用TL431 及外圍電路搭建出基準電壓源，優(yōu)點是電壓可調節(jié)、成本低，缺點是精度不高、存在一定溫漂；溫度傳感器電阻值測試框架為電橋電阻測量法，根據0～80℃測試需求，溫度傳感器在測試范圍內阻值變化為28kΩ～1.8kΩ，將電橋一個橋臂分為三個擋位，將兩個橋臂的電位差經過專用儀器儀表放大器芯片放大后進行AD 數據轉換。

注：待測溫度傳感器的B 常數為3250（B 常數不是一個理想常數，是一個隨溫度區(qū)間而波動的值，需要在一定溫度段進行非線性修正），室溫25℃時阻值為10kΩ，可以根據公 式R=10*EXP（3250*（1/(T+273)-1/(25+273)））（T 為測試溫度），計算出標準參考阻值。

■ 3.3 STM32 控制及外圍接口電路

STM32 控制板采用成品通用STM32 控制系統(tǒng)，該板卡具有USB、JATG、USART 調試接口、40 個通用I/O 接口、5VDC 轉3.3V LDO 電路及一些外圍電路，所以該板卡I/O 口豐富、調試方便、具有自檢功能、故障指示排查功能、且無需另設計電源模塊等優(yōu)點，采用該板卡可以大大簡單化設計。如圖6 所示。

圖6 STM32 控制電路設計

■3.4 軟件與程序設計

溫度傳感器測試裝置的軟件設計分三層，第一層USART HMI 串口屏上位機軟件編程，主要負責人機界面交互處理、用戶權限判斷、傳感器數據實時曲線顯示、測試數據分時存儲；第二層STM32 底層軟件編寫，該層主要負責物理接口信息處理、溫度采集、WiFi 模塊通訊、數據上傳。第三層加熱/制冷裝置PID 控制，該層負責加熱/制冷裝置的恒溫控制及交變溫度測試時溫度加/減控制。該設計的好處減少USART HMI 串口屏與STM32 核心控制板之間的數據傳輸，加快系統(tǒng)的反應與處理速度，從而使整個系統(tǒng)架構更穩(wěn)定反應更快。注：溫度傳感器的標準參考值已經根據實際測量值，對溫度傳感器B 常數在不同溫度段進行了非線性修正。部分源代碼如下：

#include "led.h"

#include "delay.h"

#include "key.h"

#include "sys.h"

#include "usart.h"

#include "usart2.h"

#include "adc.h"

#include "dma.h"

#include "dac.h"

#include "exti.h"

#include "stdio.h"

#include "common.h"

//WiFi 上傳

float temp_adc_PT100=0;

//PT100 采集電壓值

float temp_adc_Sensor1=0;

//溫度傳感器1 采集電壓值

float temp_adc_Sensor2=0;

//溫度傳感器2 采集電壓值

float temp_adc_Sensor3=0;

//溫度傳感器3 采集電壓值

u32 man=0,sn=0;

//員工號及部件唯一碼

void USART_3FF(void)

void atk_8266_wifista_init(void)

//WiFi STA 模式初始化

void REF_disp(void)

//更新顯示

void RUT_judg(void) //結果判斷

void ADC_PT100(void) //采集PT100 電壓值

void ADC_Sensor1(void) //采集溫度傳感器1 電壓值

void ADC_Sensor2(void) //采集溫度傳感器2 電壓值

void ADC_Sensor3(void) //采集溫度傳感器3 電壓值

void PID_Const_temper(u8 data) //恒溫控制PID 控制

void PID_Alter_temper(void) //交變測試PID 控制

4 測試裝置維修模式的優(yōu)點

以往溫度傳感器的測試僅在常溫下使用萬用表對溫度傳感器的阻值進行測量，對比下使用溫度傳感器測試裝置測試量具有較多優(yōu)點，如表1 所示。

表1 傳統(tǒng)測試與測試裝置測試功能的比較

測試人員僅需將待測溫度傳感器的接線接到相應的接口上，按照顯示屏的提示輸入員工號、部件唯一碼并選擇想要測試類型即可完成測試。不僅操作簡單而且測試結果可視化，突破了以往僅能對溫度傳感器進行功能測試而不能進行性能測試的技術瓶頸，使模塊的維修效率與可靠度得到了極大的改善。

測試裝置可以通過控制加熱/制冷裝置將溫度傳感器的測試溫度調制到一個指定溫度，突破了環(huán)境溫度限制，同時可以將溫度傳感器特定溫度段的電阻特性曲線直觀呈現。

加熱/制冷裝置通過經典PID 溫控模型，經測試精度可以達到誤差小于等于±0.5℃，遠遠超過生產測試需求精度。

5 測試裝置的運作流程圖

溫度傳感器測試裝置的測試運作流程圖見圖7 所示。

圖7 溫度傳感器測試裝置的運作流程

溫度傳感器測試裝置操作簡單一鍵測試，測試過程實時曲線顯示，測試結果直觀可查，具有很好的人機交互界面，對于日常維修起到了極大的幫助。

6 結束語

溫度傳感器測試裝置根據使用場景設計，測量精度適用維修檢測現場，如需提高測量精度現需要對硬件架構進行升級，例如：采用專用AD 轉換芯片及專用電壓芯片等。

溫度傳感器測試裝置是一種智能化測試裝置，適用于軌道交通設備中特定溫度傳感器功能、性能檢測。通過全區(qū)段溫度性能的測試直觀呈現溫度傳感器的整體性能狀態(tài)，提高維修效率與維修質量，本裝置另一目的在于對維修現場的溫度傳感器測試提出一種新的測試方法與測試思路。

本裝置可以通過修改溫度傳感器非線性擬合算法即對STM32 核心控制板軟件修改，可以將溫度傳感器的測試適用范圍進一步推廣使用。