在軌道車(chē)輛上使用的速度傳感器

摘要：在軌道車(chē)輛上，車(chē)輛系統(tǒng)的穩(wěn)定性很大程度上取決于它所采集到的速度信號(hào)的可靠性和精度，而所采集的速度信號(hào)包括當(dāng)前速度值和速度的變化量。在機(jī)車(chē)的牽引控制，車(chē)輪滑動(dòng)保護(hù)，列車(chē)控制，和車(chē)門(mén)控制過(guò)程中都要涉及到速度信號(hào)的采集問(wèn)題。我們可以發(fā)現(xiàn)在各種軌道車(chē)輛中，這個(gè)任務(wù)是由許許多多的速度傳感器來(lái)完成的。

　　概述
　　在軌道車(chē)輛上，車(chē)輛系統(tǒng)的穩(wěn)定性很大程度上取決于它所采集到的速度信號(hào)的可靠性和精度，而所采集的速度信號(hào)包括當(dāng)前速度值和速度的變化量。在機(jī)車(chē)的牽引控制，車(chē)輪滑動(dòng)保護(hù)，列車(chē)控制，和車(chē)門(mén)控制過(guò)程中都要涉及到速度信號(hào)的采集問(wèn)題。我們可以發(fā)現(xiàn)在各種軌道車(chē)輛中，這個(gè)任務(wù)是由許許多多的速度傳感器來(lái)完成的。
　　在過(guò)去，用來(lái)測(cè)速的傳感器通常性能不穩(wěn)定，而且容易出現(xiàn)故障，經(jīng)常引起車(chē)輛事故。主要原因是早期使用的主要是模擬傳感器，而當(dāng)時(shí)使用的數(shù)字傳感器效果也很差。造成上述速度傳感器問(wèn)題的主要原因是軌道車(chē)輛應(yīng)用的環(huán)境都極度惡劣。
　　德國(guó) Lenord+Bauer公司經(jīng)過(guò)多年的研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的積累，開(kāi)發(fā)出高品質(zhì)的多功能的速度傳感器，而且性能非常穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于工況惡劣的軌道列車(chē)行業(yè)。

　　無(wú)軸承速度傳感器
　　雖然有些軌道列車(chē)不用傳感器，但是大多數(shù)的機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)都要用到速度傳感器。
　　最常用的速度傳感器類(lèi)型是雙通道速度傳感器（如圖一，圖二）。該傳感器直接掃描機(jī)車(chē)電機(jī)軸上或減速機(jī)上的齒輪，因此，傳感器本身不需要帶軸承。
　　該目標(biāo)測(cè)量齒輪既可以根據(jù)用戶(hù)的要求特殊定做，也可以利用設(shè)備中現(xiàn)有的測(cè)
量齒輪。
　　該速度傳感器利用磁場(chǎng)調(diào)制原理（如圖三）適用于模數(shù)為1和模數(shù)為3.5 的鐵磁體測(cè)量輪。被測(cè)齒輪的齒的形狀也是一個(gè)重要的因素，因?yàn)樵撍俣葌鞲衅髂軌驕y(cè)量的是方形齒齒輪和帶漸開(kāi)線(xiàn)齒齒輪。根據(jù)測(cè)量輪的直徑和齒數(shù)，該速度傳感器的分辨率在每圈60個(gè)脈沖到每圈300個(gè)脈沖之間，能滿(mǎn)足一般機(jī)車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的要求。

　　這種類(lèi)型的速度傳感器通常有2個(gè)霍爾傳感器，永磁體，和信號(hào)處理電路組成。當(dāng)速度傳感器掃描旋轉(zhuǎn)的齒輪時(shí)，永磁體的磁場(chǎng)發(fā)生變化。磁場(chǎng)的變化被霍爾傳感器記錄下來(lái)，在電路的比較環(huán)節(jié)被轉(zhuǎn)換成方波，在驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)被放大。
　　然而，霍爾傳感器的性能受溫度影響很大。所以決定速度傳感器的靈敏度和信號(hào)的相位差的因素不只是齒輪的安裝氣隙，還取決于溫度。溫度的影響大大降低了傳感器和齒輪之間的安裝氣息的最大允許值。在室溫下，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模數(shù)為2的測(cè)量齒輪安裝氣隙可以做到2-3mm，但是當(dāng)所需的溫度范圍在-40度到+120度時(shí)，最大允許氣隙降到了1.3mm。
　　我們通常要求我們的測(cè)量齒輪不但分辨率要高，而且體積要小，所以在這種要求下，測(cè)量輪的最大氣息就越小。模數(shù)是1的高分辨率小齒輪的允許最大氣隙范圍在0.5-0.8mm。
　　對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，傳感器的氣隙,如果速度傳感器要求的安裝氣隙越小，對(duì)設(shè)備整體的設(shè)計(jì)要求就高。安裝氣隙允許的范圍小，就限制了被測(cè)電機(jī)外殼的機(jī)械安裝公差和測(cè)量齒輪對(duì)于輸出信號(hào)的允許誤差范圍 。所以，對(duì)于機(jī)車(chē)電機(jī)的制造廠(chǎng)家和操作人員來(lái)說(shuō)都愿意選擇安裝氣隙范圍較大的速度傳感器。
　　在實(shí)際操作過(guò)程中，速度傳感器輸出信號(hào)的幅值隨著安裝氣隙的增大而迅速減?。ㄈ鐖D四）。對(duì)于傳感器的生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，他們需要盡可能的對(duì)信號(hào)幅制進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)對(duì)相位差也要進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。通常的做法是測(cè)出傳感器工作的溫度，從而根據(jù)溫度信息對(duì)相位差進(jìn)行補(bǔ)償，這就是我們通常說(shuō)的溫度補(bǔ)償。但是，這樣做也有兩個(gè)缺點(diǎn)：第一，信號(hào)的相位差和溫度并不成線(xiàn)性關(guān)系。第二，并不是每一個(gè)傳感器的相位差都是一樣的。所以，傳統(tǒng)的傳感器對(duì)溫度的適應(yīng)性有待于提高

　　新一代的Lenord+Bauer速度傳感器找到了一種新的方法來(lái)解決傳統(tǒng)傳感的缺點(diǎn)。它采用一種集成的信號(hào)處理器來(lái)調(diào)整信號(hào)的幅值和相位差，從而使傳感器的安裝氣隙增大到原來(lái)的2倍左右。使用這種傳感器，對(duì)于模數(shù)為1的測(cè)量齒輪，安裝氣隙可以到1.4mm,比傳統(tǒng)傳感測(cè)量模數(shù)為2的齒輪的安裝氣隙還要大。而對(duì)于新一代的傳感器，模數(shù)為2的齒輪，安裝氣隙可達(dá)2.2mm。同時(shí)，新一代的傳感器大大提高了信號(hào)的質(zhì)量。面對(duì)同樣的氣隙波動(dòng)和溫度變換，新傳感器兩個(gè)通道信號(hào)的占空比和相位偏移的穩(wěn)定性是傳統(tǒng)傳感器的3倍。
　　而且，雖然新傳感器的電路較復(fù)雜，但是它的MTBF值比傳統(tǒng)傳感器高。新傳感器不僅提供的信號(hào)精度比原高，而且信號(hào)的可用性也比原來(lái)好。

　　這種新的傳感器外形和傳統(tǒng)傳感器相似（如圖五），可以適用于目前實(shí)際使用中的所有車(chē)輛。