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智能傳感器及其在高速機車(chē)狀態(tài)監測中的應用
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時(shí)間：2011-03-27
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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高速鐵路作為當今世界鐵路高新技術(shù)的一項重大成就，以其安全性能好、旅行速度快、能源消耗低、環(huán)境污染低、經(jīng)濟效益好等不可比擬的優(yōu)越性而成為安全可靠的現代化交通工具，在許多國家得到迅猛發(fā)展并日益贏(yíng)得人們的歡迎和贊賞。而對其車(chē)速、軸溫、制動(dòng)缸和列車(chē)管壓力、車(chē)廂溫度、列車(chē)供電以及其他有關(guān)的輔助設備進(jìn)行狀態(tài)監測和故障診斷是保證列車(chē)高速安全運行的重要手段。不斷發(fā)展的智能傳感器技術(shù)、微型計算機技術(shù)、數字通信技術(shù)及信號處理技術(shù)為之提供了堅實(shí)的技術(shù)支持。
傳統的監測儀表以電信號的產(chǎn)生、傳輸、模擬處理和顯示（包括指針指示和數字顯示）為主來(lái)反映被測量的變化，存在著(zhù)嚴重不足：結構尺寸大，傳感器與儀表之間連線(xiàn)多，中間環(huán)節多，系統結構復雜；輸入———輸出特性存在非線(xiàn)性，且隨時(shí)間漂移，存在交叉靈敏度；信噪比低，傳輸的模擬信號易受外界噪聲干擾，測量結果的穩定性和可靠性差。而智能傳感器賦予傳感器與微處理器以智能相結合，兼有信號檢測與信息處理的功能，它將檢測到的信號經(jīng)過(guò)變換處理后，以數字量形式通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)與高／上位機進(jìn)行串行通訊，可以大大削減現場(chǎng)與高／上位機之間的一對一連接導線(xiàn)，簡(jiǎn)化整個(gè)系統的布線(xiàn)和設計，節約初期安裝費用。該類(lèi)傳感器具有高精度、高可靠性和穩定性、高信噪比和高分辨率及低的價(jià)格性能比等特點(diǎn)，在測量距離遠、安裝空間小、測點(diǎn)多的高速機車(chē)狀態(tài)監測和過(guò)程控制中具有廣闊的應用前景。該文以DS1820型數字式溫度傳感器為例探討智能傳感器在高速機車(chē)軸溫監測中的具體應用［1］。
1 數字式溫度傳感器DS1820［2］
125℃，精度0．5℃。傳感器和上位機之間只須一根總線(xiàn)即可完成信息的讀寫(xiě)，DS1820本身供電、數據的讀寫(xiě)和溫度變換所需功率均來(lái)自于該總線(xiàn)，不需要額外的電源。每片DS1820均含有一個(gè)惟一的64位硅串行數，通過(guò)識別該碼可以區分不同的傳感器，因此可以在一根總線(xiàn)上掛接多個(gè)DS1820，由上位機通過(guò)選擇傳感器和硅串行數對選定的傳感器進(jìn)行讀、寫(xiě)、啟動(dòng)轉換和設置報警參數等操作，從而在結構上大大簡(jiǎn)化系統設計和安裝維護工作。傳感器的內部結構和外接引線(xiàn)如圖1—1所示。 
圖1—1中，GND為地線(xiàn)，DQ為數據輸入／輸出管腳（單線(xiàn)接口，可作寄生供電），VDD為電源電壓。DS1820既可以寄生供電又可以外部＋5V供電。寄生供電時(shí)，當總線(xiàn)上是高電平時(shí)，傳感器從總線(xiàn)上獲得能量并儲存在內部電容上；當總線(xiàn)上是低電平時(shí)，由內部電容向傳感器供電。DS1820由3個(gè)主要的數字元件組成：64位ROM；溫度感應器；非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL。64位ROM中前8位為傳感器種類(lèi)代碼（DS1820均為10H），中間48位為每個(gè)傳感器惟一的出廠(chǎng)序列編號，后8位為前56位的校驗碼。溫度感應器負責將被測溫度量轉變?yōu)殡娏俊?
TH、TL觸發(fā)器用于存儲用戶(hù)設定的溫度報警上、下限TH、TL值。
DS1820測溫原理如圖1—2所示。在DS1820內部有兩個(gè)不同溫度系數的晶振，低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數器1，高溫度系數晶振的振蕩頻率隨溫度的變化而明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數器2的脈沖輸入。－55℃對應的一個(gè)基數值預置在計數器1和溫度寄存器內，并由計數器1對低溫度系數晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數，當計數器1的預置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值加1，計數器1的預置值重新被裝入并再次進(jìn)行計數，如此循環(huán)直到計數器2的值減到0為止，此時(shí)停止溫度寄存器的累加，其內部數值即為當前所測溫度。斜率累加器用來(lái)補償和修正測量過(guò)程中的非線(xiàn)性，其輸出用于修正計數器1的預置值。 
DS1820本身可以達到0．5℃的溫度分辨率，為了滿(mǎn)足分辨率的測量需求，還提供了直接讀取計數器和寄存器的途徑。首先，讀取當前溫度值，將9位數據的最低位舍棄，變成一個(gè)8位數據記為A，隨后讀取在門(mén)時(shí)期停止后留在計數器中的殘留值，記為B，然后再讀取每一度產(chǎn)生的計數個(gè)數，記為C，最后運用下面的公式計算實(shí)際溫度值T，可以得到0．1℃以上的溫度分辨率［3］。
T＝A＋0．75－B／C
2 高速機車(chē)軸溫監測系統［4］
機車(chē)速度的提高和牽引功率的增大，機車(chē)與鋼軌之間的沖擊、動(dòng)力效應和振動(dòng)增大，必然會(huì )導致機車(chē)行走部分的軸箱軸承、牽引電機軸承、抱軸承和空心軸承的發(fā)熱增多。為了保障機車(chē)的高速安全運行，開(kāi)發(fā)研制了基于數字式智能溫度傳感器的軸溫監測系統。該系統可根據不同車(chē)型隨意增減測溫點(diǎn)數，實(shí)時(shí)顯示各測點(diǎn)的溫度，超標時(shí)可聲光報警并記錄報警信息。
2．1 系統硬件構成
軸溫監測系統的硬件構成如圖2—1所示。為保證系統的安全可靠運行，傳感器與上位機之間采用了環(huán)形雙總線(xiàn)串行傳輸方式，當一個(gè)總線(xiàn)因故障中斷時(shí)，可自動(dòng)轉換到另一條總線(xiàn)工作，并有指示燈顯示，不會(huì )因某處中斷而影響系統工作。安裝在機車(chē)下部的傳感器、接線(xiàn)盒、接插件等都采用防塵、防水的密封結構，性能可靠，對環(huán)境適應能力強。 
機車(chē)上存有許多大功率電氣設備，如驅動(dòng)電機、變壓器、制動(dòng)器、前大燈等，這些設備的動(dòng)作會(huì )使系統的供電電源受到瞬時(shí)干擾，為防止影響系統正常工作，在電源的輸入和輸出端裝入參數適當的磁環(huán)以吸收、抑止干擾，在輸入端加裝濾波器進(jìn)一步減弱干擾。同時(shí)，將主電路板上的電源線(xiàn)和地線(xiàn)加粗，使地線(xiàn)有效可靠接地，可以使瞬時(shí)干擾的能量迅速釋放掉。主電路板和電源分開(kāi)設計并在其間加裝屏蔽鋼板?？紤]到三極管的基極受干擾后容易導通，將驅動(dòng)蜂鳴器等部件的三極管改為小繼電器，可有效避免誤報警。
2．2 系統軟件功能
系統的程序流程如圖2—2所示。 
該系統有3個(gè)功能模塊：參數設置、狀態(tài)監測和事件查詢(xún)。參數設置的核心是傳感器編號的設置，通過(guò)總線(xiàn)給傳感器發(fā)送指令碼，讀出內部的惟一編號并存儲在上位機的EEPROM中。狀態(tài)監測主要完成上位機與傳感器的串行通訊，首先根據內部編號選定傳感器，啟動(dòng)溫度轉換，然后上位機接收溫度數據，進(jìn)行報警判斷和數據存儲，此時(shí)總線(xiàn)上其他的傳感器處于屏蔽狀態(tài)，不允許和上位機進(jìn)行通訊。系統提供了兩種報警方式：絕對溫度（一般為75℃）超標報警和相對溫度（環(huán)境溫度＋50℃）超標報警（可根據不同車(chē)型和不同測點(diǎn)的要求而自由設定），同時(shí)還能存儲各測點(diǎn)的最大溫升率和對應的發(fā)生時(shí)間。系統運行一段時(shí)間后，有關(guān)技術(shù)人員可以調用事件查詢(xún)功能模塊查詢(xún)此時(shí)間段內發(fā)生的報警事件和溫度情況，還可通過(guò)RS－485接口將數據傳送到PC機或工作站作進(jìn)一步的分析和診斷。
當系統受到強干擾而出現程序混亂時(shí)，該軟件可自動(dòng)復位、自行初始化后繼續正常工作。對因瞬態(tài)干擾而產(chǎn)生畸變的數據，系統軟件自動(dòng)多次測量可以避免漏測和漏報警。
3 結論
采用上述軟硬件配置的高速機車(chē)軸溫監測系統具有測溫精度高、抗干擾能力強、工作穩定可靠等特點(diǎn)，完全可以滿(mǎn)足高速機車(chē)的需要。該系統已應用在SS7D型高速機車(chē)（最高時(shí)速可達200km／h）上的軸溫監測中，運行結果證明了其可行性、高可靠性和實(shí)用性，也可應用于其他類(lèi)型的高速機車(chē)。
智能數字式溫度傳感器在高速機車(chē)狀態(tài)監測中的應用大大簡(jiǎn)化了系統結構，維護和更換部件更為簡(jiǎn)單方便，降低了成本，在技術(shù)上較傳統的模擬式溫度測量有著(zhù)明顯的優(yōu)勢。隨著(zhù)傳感器集成化程度的提高，其智能化程度將得到更大的發(fā)展，信號采集、信號處理和信息融合、數據通訊的功能將更為強大，在高速機車(chē)狀態(tài)監測與故障診斷及過(guò)程控制中將有更廣闊的應用前景，為機車(chē)的安全高速運行發(fā)揮更重要的作用。
參考文獻
［1］劉君華．智能傳感器系統［M］．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999．
［2］金偉正．單線(xiàn)數字溫度傳感器的原理與應用［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2000，（7）：42－43．
［3］王廣志，吳穎，黃志光．數字式溫度傳感器與分布式溫度測量系統［J］．傳感技術(shù)學(xué)報，2001，14（1）：26
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