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机车速度传感器

     传感器是将感觉到信息(速度、压力等)的变化转换为电量的变化的装置。旋转式速度传感器按安装形式分为接触式和非接触式。前者主要是电磁感应式,在旋转轴上安装齿轮,外侧电磁线圈的感应电压与速度成正比。后者是光电类,例如各种光码盘、光栅,其输出信号脉冲信号的稳定性比较好,不易受到外部噪声的干扰,性能稳定可靠。 国内的内燃机车、电力机车、电车使用光电式速度传感器将机车的运转速度量转换为光电脉冲,供给机车的运转监视装置。因此,速度传感器的性能指标直接影响机车运行监视装置的动作是机车速度监视系统整体的重点。随着铁路高速、重载的迅猛发展,对其安全性、可靠性提出了更高的要求。 现在的机车速度信号主要是牵引控制系统、为了检测速度信号而通常采用的直流速度发电机、无源电磁感应式速度传感器、光电型速度传感器、GPS全球定位速度等。


 一、目前工业中普遍使用的速度检测装置

  1.如果是离心式转速检测,则利用离心力与拉伸力的平衡来指示转速。  由飞轮、飞锤、拉杆、平衡弹簧、控制开关构成。与连结在旋转轴上旋转轴一体旋转,当旋转速度超过或降低额定旋转速度时,飞锤因离心力的增减而变位,按下微动开关,操作装置不会发生控制事故。能够适合用于具备旋转装置机电设备。离心式转速计是最以往转速测定工具,是利用离心力原理的机械式转速计。测量精度为1-2级,当场设置就地安装。 优秀的离心式转速计具有正确、直观的特征和可靠性和耐久性。结构较为复杂 。

   2.通过旋转磁场使金属盖帽产生旋转力,通过旋转力与穿线力平衡来指示转速的磁转速计。磁转速计是成功利用磁力的模型,是利用磁力原理的机械式转速计。可一键式异地安装数字风速计用软轴。 由于磁式转速计结构简单,目前广泛应用于二轮车和汽车及其他机械设备。异地安装时软轴容易损坏。

   3.由小型交流发电机、电缆、电动机及磁头构成电动式转速计。小型交流发电机产生交流电力,交流电力通过电缆输送,小型交流电动机驱动,小型交流电动机转速与被测定轴的转速一致。磁转速磁头与小型交流电动机同轴连接,磁头表示转速当然是被测定轴的转速。电动式转速、异地安装非常容易,耐振性优异,广泛用于柴油机和船舶设备。

   4.磁电式转速计、磁电传感器通电计、异地设置非常方便。

     5.利用闪光式转速计、视觉暂停的原理。 闪光式转速计除了检测转速(往复速度)外,还可以观察循环往复运动体的静止像,是了解机械设备的动作状态所必不可少的观察工具。

 二、旋转式速度传感器按安装形式分为接触式和非接触式。 

1 .接触式

   旋转式速度传感器与动体直接接触。 当移动体与旋转式速度传感器接触时,传感器辊因摩擦力而旋转。 安装在辊上的旋转脉冲传感器发送一系列脉冲。 各脉冲表示一定的距离值,可以测量线速度。

   接触式转速传感器结构简单易用。 但是,接触辊直径始终与动体接触,辊的外周磨损而对辊的周长产生影响。每个传感器都固定脉冲数。影响传感器的测量精度。 为了提高测量精度,需要在二次计中追加补偿电路。另外,接触式不可避免地产生滑动,滑动差的存在也会影响测量的正确性。因此,在使用传感器时需要施加一定正压,或者在辊表面使用摩擦力系数大的材料,尽量减小滑动差。 

 2 .非接触式

    旋转式速度传感器的性能如下: (1)传感器的输出信号为脉冲信号,稳定性高,不易受到干扰,对测量电路没有特别要求。(2)结构比较简单,成本低,性能稳定。通过全功能搭载的微型计算机芯片,运算转换系数的取得变得容易,因此现在的速度传感器的应用极其普遍。


 三、机车使用多种速度传感器

 1.测速发电机( tacho generator )

    是检测机械转速的电磁装置 能够将机械转速转换为电压信号,其输出电压与输入的转速成正比关系。 速度机要求在输出电压和转速间保持直线关系。 在自动控制系统或运算装置中,通常作为测速元件、校正元件、运算元件、角加速度信号元件等使用。  自动控制系统对测速发电机的要求,主要是精度高、灵敏度高、可靠性高等。。 测速机一般分为直流式和交流式。 直流式测速机的励磁方式分为其他励磁式和永久磁铁式,电枢结构有带槽、中空、盘式印刷电路等,其中最常见的是带槽。。 

 2.无源电磁感应式速度传感器: 

    采用电磁感应原理,结构上分为传感头和转子齿盘。传感头固定在机车轴箱端盖上,转子板固定在机车轴端部上。在机车运转中,传感器将机车的车轴转速量变换为脉冲量,传感器输出的脉冲信号经由机车空转保护装置进行信号处理后,通过空转保护装置实现机车的空转滑移的抑制和机车的粘接利用率的提高等控制。

 3 .光电型速度传感器

    光电式旋转速度传感器是感知根据光感应二极管动作原理制造的受光强度的变化的电子设备,当发出的光被目标反射或遮断时,受光器感知对应的电信号。由调制光源、光敏元件等构成光学系统、放大器、开关或模拟量输出装置。光电式传感器由独立相对配置的发光器和受光器构成。传感器在遮断通过发光器和受光器间光时输出信号。最高效、最可靠的检测设备。槽型光电开关是透过式的变形,具有不需要调整光轴的优点。

    将信号盘固定在电动机转轴上,光电转速传感器正对信号盘。测量头由光电式旋转传感器构成,测量头两端的距离与信号盘的距离相等。测定用器件封装化后,固定地安装在靠近信号盘的位置,信号盘旋转时,电光元件能够输出正负交替的周期性脉冲信号。由于信号盘旋转一周而产生脉冲数等于其上的齿数。因此,脉冲信号频率的大小反映了信号盘转速的高低。该装置的优点是,输出信号的振幅与转速无关,且可测量的转速范围广,精度高达1 r/s-1000 r/s以上。如果将该装置放大、a/d转换、外置于数字显示单元,则可以作为数字转速计。

  

 4.GPS的全球定位速度

     GPS接收机能够根据两点定位数据及两点间的时间差来解算速度数据。 GPS速度计是在接收机中使用解算出的速度数据,该数据是搭载在GPS接收机上的载波的运动速度。

     GPS速度计由一组GPS接收机和自适应天线构成,是采用双解码并驱动显示单元方式,速度计的电力供给采用车载2三号0 vac电源,内部通过电源自适应电路供给设备所需的各种电源。. 微处理器控制GPS接收机动作,提取车速测定数据的结果,同时驱动数字码管显示测定结果。2个解码驱动显示单元之间采用RS485通信方式,实现数据的长距离传输。

     GPS速度计是其正确的测量精度、体积小、易于设置等特点,在广泛的应用和航海(船舶)、交通(车辆和列车)等领域,特别适合使用各种车辆的检测设备。


四 .现在使用的速度传感器存在的问题:

 1 .在实际应用中,不同的自动控制系统侧重于测速发电机的性能要求。例如,在制作运算元件情况下,要求线性误差、温度误差、残留佗电压等高,在千分之数到万分之数的范围内容许,但相对于输出电压的斜率不高。作为正元件时,对线性误差等精度指标要求不高,要求输出电压的斜率大。

 现在,由于速度发电制造上的理由,不能满足机车控制的需要,对于速度要求高的轮喷等系统只是提高速度信号。

 2 .无源电磁感应式速度传感器

    组装质量要求高,磁性开关头极片与速度板顶圆的空气间隙应满足1.0±0.2 mm; 在现场检查作业中,不能完全保证极靴上不会附着铁屑、铁片等异物。在现场的强磁场环境中,传感头的极片表面不能保证有效的磁感应强度。

 3 . 传动轴折断:作为速度传感器安装座机车轴箱外盖安装开孔尺寸及车轮轴端方孔罩尺寸不适合或者使用的速度传感器轴长尺寸不适合,机车运转时传感器传动轴从方孔罩脱离而无法复位,传感器传动角轴和桌子。 对机车的安全性和性能有很大影响。

 丢脉冲:使用一段时间会发生脉冲脱落现象,是光耦合元件本身的材质上的问题,主要是受光电路的材料受光度降低,电路变换中发生丢脉冲。

     在机车上实际使用GPS的全球定位速度的情况下,由于我段的电力机车在山区运行,隧道多,有些段的林沟深,GPS的全球定位速度与光电速度传感器相比不一致的情况多次出现,同时在特定条件下不能供给速度信号。


 五、速度传感器的改进及新技术的应用

 1 .现有技术改进

 非接触式列车轴端光电速度传感器主要解决了目前国内铁路干线列车搭载用速度传感器固有的两大难点。

  1 )通过采用非接触式传动机构,能够解决万向连轴传动机构造成机械故障率频繁发生的弊端,非接触式传动机构不会受到车轮对巨大惯性量的冲击,旋转轴负荷小,机械故障发生的可能性为零,能大幅提高传感器转速。

 2 )通过全密封结构,克服了光源污染的课题,采用了非接触式执行元件,因此能够完全密封传感器部,轴箱内腔的污染源和外部污染源都不能侵入,可靠性大幅度提高。

 2 .数字速度传感器的应用

    德国lenord + Bauer公司经过多年的研究和实际经验的积累,开发了高品质的多功能无轴承速度传感器,而且性能非常稳定,广泛应用于劳动状况差的轨道列车行业。

    最常见的速度传感器类型是双通道速度传感器。该传感器直接扫描机车马达轴上或减速机上的齿轮,因此传感器本身不需要轴承。

    该目标测定齿轮可以根据用户的要求特别定制,也可以在设备中利用现有的测定齿轮。

    这种类型速度传感器通常由两个霍尔传感器、永磁铁、信号处理电路构成。当速度传感器旋转而扫描齿轮时,永久磁铁磁场发生变化。磁场的变化由霍尔传感器记录,通过电路的比较变换为方波,通过驱动放大。该速度传感器的分辨率根据测量车的直径和齿数,在每转60个脉冲到每转300个脉冲之间,可以满足1种机车电机驱动器的要求。


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