机车测速传感器的原理、故障分析及改进设计

文章来源：四川都睿感控科技有限公司

传感器的作用及发展趋势

传感器又是人体感官的延长，有人又称传感器为“电五官”，它作为替代补充人的感觉器官功能，传感器为人类客观定量认识世界起到重要作用。

今天传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗诊断、军事科研、航空航天、现代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域。

目前，传感器技术已经在越来越多的领域得到应用，它已经成为构建现代信息系统的重要组成部分。

可以毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至各种复杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。

目前传感器总的发展趋势是：

（1） 发现、利用新效应（磁光、压阻）；

（2） 开发新材料（光纤、PVC、稀土）；

（3） 提高传感器性能和检测范围；

（4） 微型化与微功耗（微米、微安、毫克）；

（5）  集成化与多功能化；

（6）  传感器的智能化（自校、自诊断、自补偿、存储、数字输出）；

（7） 传感器的数字化和网络化。

  机车测速传感器的工作原理

传统的机车速度（转速）测量的方法是利用交流或直流测速发电机,与被测轮对的转轴同轴安装,由轮对旋转带动发电机同步旋转，测速发电机的输出电压经整流滤波,由电位器滑动点传出信号,这种方法属于接触式直接转速测量,存在着易受电磁干扰和体积大、安装结构复杂以及难以适应走行部的振动、多尘的恶劣工况等缺点。

目前铁路机车大部分采用光电式转速传感器。因为光电型红外传感器发出的红外线,具有指向性强,不易受空间电磁波干扰等特点,组成的红外传感器制作简单、安装方便、体积小、输出信号可以直接进行数字化处理,实现转速的非接触测量等优点。但也存在着红外传感器在使用时往往易受阳光、灯光等其它非信号光线的干扰,使转速测量准确度降低的弱点。

光电式转速传感器一般由由支承机构、转轴及万向联轴传动机构、光电转换电路系统3 部分组成。

当机车的轮对转动时，通过联轴器带动主轴旋转，同时带动装在主轴上的光栅片（信号盘）转动，于是发射器发出的光被目标信号盘反射或阻断，接收器感应出相应的电信号。传感器通过红外发射、光电接收及放大整形将机车轮轴转速转换为频率f = n ×p/60（p为每转脉冲数，n为机车轴转速）的方波脉冲信号。该方波脉冲信号送入微机柜，微机根据机车速度V=  n ×L（L为机车轮对的周长）得出机车实时速度，从而可对机车进行速度特性以及防空转、防滑行等进行控制；速度值输入机车LKJ（列车运行监控装置），可为LKJ对列车运行进行监控和安全防护提供依据。

现实投入运用的机车上应用较多的是株洲所生产的TQG15型光电速度传感器。该型传感器的光电转换电路的核心是光栅盘和光敏三极管组成的小电路板，光栅盘固定在转轴轴伸端部，通过七芯电缆连接小电路板和外接电路，七芯电缆分为A,B两组，每组三根引线，其中两根引线用于接15V直流电源；另一根用于输出脉冲信号。机车光电转速传感器接上15V 电源后，利用发光二极管作为光源（发射器），光栅盘（信号盘）在车轮转轴的带动下而旋转，由于光栅盘的遮挡作用，从而使光敏三极管（接收器）接收的光源变为断续光，致使光断续器中的光敏三极管通、断交替切换而产生脉冲信号。该脉冲信号经过电路的放大整形后，输出与转速成比例的方波脉冲列，提供给微机或LKJ等以满足机车各种牵引、制动或控制

机车光电测速传感器故障分析及改进设计

在机车光电式测速传感器的推广使用中，机务段主要存在如下5种故障现象，相应的提出了改进设计方案或建议。

光电探头根部断裂

原因

a. 光电探头座选用的材料韧性不足装配结构；

b. 其装配形式为悬臂梁形式，在机车运行时因各种工况复杂、恶劣会产生巨大的冲击而使光电探头根部不能承受。

改进措施

a. 材料探头座材料主料采用阻燃聚碳树脂加入适当比例的尼龙材料，既可保证探头座的结构刚性又增强了其韧性；

b. 在原悬臂梁结构上增加一个端面橡胶压板，对其进行弹性支撑，使其在遭受冲击时能先通过橡胶件进行缓冲，故能大大增加抗冲击能力及耐振性能，同时安装也比较紧固而不易松动。

二通道间相位差超限

原因

a.  主要是2个光电探头的红外发射光电接收点的相对位置变化引起二通道之间的相位差变化超限。

根据厂家提供材料计算，光电转速传感器2 个光电探头的红外发射光电接收点的相对位置沿光栅片为中心的圆周方向移动0.19 mm ，其输出脉冲信号的相位差就会变化90°；而沿光栅片的径向移动0.5 mm时，其输出脉冲信号的相位差就会变化30° 。导致光电探头的红外发射光电接收点的相对位置变化的

改进措施

a. 通过理论计算和实际模拟测试，找到光电转速传感器输出脉冲信号的相位差在90°左右时，二通道红外发射光电接收点的相对位置沿光栅片中心的圆周方向移动的某一定值时，能使其基本保持不变。比如可以采用一个光电探头输出双脉冲信号，使得2 个光电探头的红外发射光电接收点沿光栅片中心的圆周方向移动的相对位置保持不变，通过找到光电接收点间的相对最佳位置差值，使其满足只要光电探头在安装位置上时，即使有其他引起相对位置变化的因素存在，其最大变化量也能保证其相位差在规定极限范围内。

b. 改进安装方式。光栅片直接以主轴定位，保证其光栅孔在旋转时的同轴度减少其相对位置的变化量；选用采用激光加工技术制造精密光栅片；采用机械性能更好的材料制作主轴并增大光栅片安装位置的轴径，使其不易弯曲变形；使用螺钉紧固胶或放松垫片，防止螺钉松动。

机车启动未行驶时自振动或停车交会在车站时有误脉冲输出

具体起因为电路设计阈值太小且主轴径向自由转动的阻力太小引起光栅片转动。

改进措施

适当增大电路设计阈值。但阈值太大又会影响传感器在低速启动和高速运行时的精度和分辨率，从而引起漏脉冲。故在设计电路时要选用最优化阈值。

在机械结构设计中采用双碟形弹簧对轴承外圈加适当的预紧力使轴承变为负游隙，这样既可以增大主轴刚性，补偿轴承磨损保证光栅片的同轴度，又可以控制主轴的径向自由度在一定范围内，增大了主轴旋转的扭矩避免光栅片的抖转。但这个预紧力要选取适当，太小起不了作用光栅片可自由转动，太大又会增大轴承负荷引起轴承过于发热而影响轴承的使用寿命。

行驶时有漏脉冲

原因

a. 设计电路时光电接收的反映灵敏度不够；

b. 实际获得的光电接收信号强度不够。

具体原因为电路设计阈值太大和光栅片被油污灰尘堵塞。

改进措施

a. 跟4.3的故障误脉冲一起通盘考虑，在设计电路时优化阈值，以满足两方面需要。

b. 选用密封更好的轴承比如双面接触式密封轴承，避免轴箱里面的油污进入传感器光栅片。同时加强光栅片各连接部件密封，避免灰尘进入。

传动轴折断

原因

a. 机车上的方孔轴套的同轴度差使得传感器的联轴器不能满足需要;

b. 某些机车结构设计上的原因使得机车轮轴的横动量很大,机车在弯道曲率半径小的轨道上高速运行时，传感器的弹性传动轴滑出方孔轴套，而在机车之后进入到直线轨道线上运行时，传动轴无法重新滑入方孔轴套，从而卡住并引起传动轴折断。反之如果轴伸太长也会穿透方孔轴套使传感器方轴与机车轴端面顶死导致传动轴折断。

改进措施

a. 使用同轴度较高的万向节联轴器等进行连接；

b. 针对不同型号机车光电速度传感器所须装配的轮对位置，考虑采取不同的轴伸长。

五、  光电式测速传感器的发展前景

光电式测速传感器在铁路运输生产中得到了很好的应用和推广，为准确测量速度从而为机车根据司机给定主控手柄级位输出相应牵引功率以及LKJ启动各种监控保护模式提供了依据。

如光电式测速传感器在改进各种不足、规模化生产降低售价后，在机车所有轮对上安装，并将各个传感器连接起来形成一个“传感器网络”，则可以在某个传感器故障时能具有某种“智能”进行甄别，从而更加增加对速度值判断的可靠性和准确性。另一方面，也可以在机车轮对尤其是单个轮对发生空转时，通过与其他轮对的传感器信号进行比较而判断出机车是否空转，为微机采取输出降低功率、自动撒沙等措施而防止空转提供更好的帮助，从而为国民经济发挥出更好的效益和作用。

参考文献

[1] 王煜东主编.传感器及应用.机械工业出版社.2002.8.

[2] 王　凡, 孙文丰,李晓青. 提高光电型红外转速传感器测量准确度的方法. 传感器技术. 2002 年第21 卷第11期.

[3] 郭长锐，张玉东. 光电转速传感器的工作原理、测试及故障分析. 铁道技术监督. 第36 卷第8 期.1006-9178（2008）08-0018-02.

[4] 汪云. 基于光电传感器的转速检测装置. Technology & Application.1006-883X(2004)11-0029-03

[5] 李树宏. 传感器技术的新发展—传感器万维网.红外.2008.2