機車磁敏速度傳感器的研制和應用

俞國偉 上海鐵路局上海機務段

目前我國的機車上基本都是采用光電速度傳感器，這是上世紀末為適應我國機車全面加裝列車運行監控記錄裝置的需要而從德國進口的技術。光電速度傳感器是有源型傳感器，一般為2～4個通道，其主要技術指標如下：

（1）工作電壓：DC15V；

（2）每通道最大消耗電流：不大于50mA；

（3）輸出波形：方波脈沖，占空比0.4～0.6前后沿時均小于 10μs；

（4）輸出脈沖幅度：高電平電壓≥9V，低電平電壓≤1V；

（5）相位差：兩個通道 90°±45°；

（6）耐受工頻電壓：傳感器出線端各通道及通道間，能承受工頻交流電壓500V，通道對外殼間能承受工頻交流電壓500V。

1 光電測速傳感器存在的問題

光電測速傳感器由光電模塊、光柵、外殼、傳動軸、軟性連接器、多芯防水插頭及外附屏蔽電纜組成。它通過輪軸轉動帶動光柵盤掃描，輸出方波脈沖頻率，每轉200個脈沖供機車監控裝置對速度、距離、防溜等功能進行檢測。光電模塊通道間彼此隔離并帶極性保護，輸出也采取短路保護措施。光電傳感器輸出信號幅度大，高電平≥9V，而低電平≤2V，是方波數字量，信號幅度不受機車低速的影響，只要有位移就有脈沖輸出。光電模塊的光源是發光二極管（LED），但是LED總是在老化，經過一段時間使用后它的射速會明顯降低，為補償損失而使用專用調節器逐漸增加通過LED的電流，但這樣又進一步加速了其老化過程。因此，為安全起見，光電傳感器在使用30萬公里或五年之后就須更換光電模塊。

在實際運用中，光電傳感器脈沖丟失及模塊損壞的故障較高且無法避免。據統計，2008年上海機務段配屬186臺機車的光電傳感器故障（包括電務部門的光電傳感器故障）達到100臺次送廠大修，故障原因基本上是模塊老化造成脈沖丟失嚴重，僅材料修理費就達到15萬元；而從社會效益來看，因光電傳感器造成的列車機破會打亂鐵路運行秩序，造成旅客不滿意，直接影響到鐵路聲譽。

2 磁敏速度傳感器設計原理

磁敏速度傳感器由磁鋼、磁敏器件、放大整形電路、外殼和內附導線、護套、插頭等組成，它安裝于機車軸端箱蓋（徑向）上，被測轉動物體為模數≥0.5的鐵磁齒輪。當測速齒輪轉動時，傳感器將產生頻率f=pn/60(n為轉速；p為齒輪齒數)的方波信號。該傳感器內部有兩個完全隔離的通道，同時輸出兩路方波供列車防空轉、速度監控、車輪打滑、運行方向等進行采樣檢測。磁敏測速傳感器工作原理如圖1所示，外形如圖2所示。

圖1 磁敏測速傳感器工作原理圖

磁敏測速傳感器由兩個霍爾敏感器件和相匹配的電子測定裝置組成。當電流通過霍爾敏感器件，垂直于電流方向施加磁場時，則垂直于電流和磁場的方向上產生霍爾電壓，霍爾輸出電壓正比于電流和磁場的強度。因此，磁敏測速傳感器的研制關鍵就是要保證在任何狀況下霍爾電壓的正確輸出。為此，要研究解決以下四方面的問題：

（1）磁場（目標齒輪）調制與磁通量確定；

（2）霍爾敏感器件與目標齒輪的安裝間隙必須控制在（0.9±0.5）mm 之內；

（3）滿足鐵道部制定的機車軸端測速傳感器技術條件；

（4）滿足鐵道部制定的機車采集速度信號一轉為200脈沖的規定。

解決上述問題所采用的技術方法：

（1）磁場是通過目標齒輪進行調制，故目標齒輪材質必須是低碳鋼，保證有較強的磁通量而又沒有磁滯。當電流加在霍爾敏感器件上，經過目標齒輪的齒頂或齒根時產生磁通量的變化，形成交流正弦波輸出。

（2）霍爾電壓的正常輸出除了與磁場的材質有關以外，還與霍爾器件與之安裝的間隙有關。當安裝間隙過小時，易損壞霍爾敏感器件；當安裝間隙過大時，輸出的霍爾電壓振幅丟失。為此，研制出一種集成信號反饋處理電路，對霍爾電壓的失調、漂移提供最大可能的補償和校正，這樣就能適當降低安裝間隙的苛刻要求。

（3）按鐵道部制定的機車軸端測速傳感器技術要求，磁敏傳感器的工作溫度范圍為-40℃～＋70℃，并兼用極性保護、短路保護、瞬間浪涌電壓的吸收。為了抗振，電路板采用SMT（表面裝聯貼片）工藝，波峰焊接、超聲波清洗、壓接和繞接技術，保證輸出方波上升沿和下升沿的時間在≤10μs范圍以內。

圖2 磁敏速度傳感器

3 安裝方案比選與確定

鐵道部對機車采集的速度信號規定一轉為200個脈沖。按照目前國外的方法，磁敏速度傳感器都安裝在軸箱蓋內側。根據國內機車目前情況，要安裝磁敏速度傳感器就必須對機車軸箱蓋進行重新設計。目標齒輪齒（梳）數為200個，安裝間隙控制在（0.9±0.5）mm，選擇齒輪直徑：200×1.25（模數）＋1.25×2=252.5 mm，同時對齒輪的同心度、徑向跳動都有嚴格的要求。為了滿足上述精度要求，需采用中間過渡軸套的方案，使傳感器與目標齒輪的安裝間隙控制在（0.9±0.3）mm之間。

每一種機車的軸箱蓋尺寸都不相同，若對每種機車均進行重新設計、改制，磁敏速度傳感器的組裝要依靠現場對軸箱蓋和軸頭目標齒輪的組裝間隙來保證，難度大，對批量化改造更難以保證。為此須克服軸箱蓋改造的弊端，并構思新的結構圖，將磁敏測速傳感器安置在類似光電速度傳感器的外殼中，使磁敏速度傳感器的安裝具有通用性，便于在各類機車上安裝，不僅能適應國內所有內電機車，還能適應采用光電傳感器的動車。

4 解決的技術難點

（1）根據國外霍爾器件的技術要求，目標齒輪最小模數為0.5，才能感應出交流正弦波的電壓。 起初采用華東師范大學納米技術研究所的專用芯片，在試驗臺上能通過，但是一上機車抗干擾能力太差，停車狀態機車顯示有速度。經過試驗分析，改進了電路，加強了電路的選頻性能，更換了進口ALLEGRO公司生產的霍爾器件，電路抗干擾能力大為增加。

（2）因傳感器外型尺寸大大縮小，大目標齒輪最小模數為 0.5，齒輪外徑為 200×0.5＋2×0.5=101 mm，傳感器安裝在機車軸端上的安裝尺寸僅φ130±0.2（4-φ9）。在這么狹小的空間如何確保霍爾器件和目標齒輪的幾何角度安裝和精密定位，是保證兩個通道的相位差為90°±45°的前提。為保證外殼足夠的機械強度，對傳感器外殼作了增強設計。

（3）根據鐵道部運輸局2010年4月對動車傳感器提出的絕緣等級要求，通道對外殼間承受的工頻交流電壓提高到3000V，歷時1min的試驗傳感器無擊穿或閃絡現象。對有效空間減小的磁敏速度傳感器來講這是非常苛刻的。為此通過優化設計，改用高強度鋁合金，選用尼龍絕緣材料套達到了上述要求。

5 試驗與應用效果

5.1 機車運用情況

第一套磁敏測速傳感器經DF11-411機車裝車運用跟蹤初期發現，在低速時有干擾脈沖出現。后針對上述情況及時改進了設計，于2009年8月重新裝車后，運用至今一直非常穩定。第一套試制成功的磁敏測速傳感器安裝在DF11-411號機車第4軸，作為監控裝置的備速，至2010年8月已試用近一年，共走行25萬公里，無故障。2009年9月，第二套試制成功的磁敏測速傳感器安裝在SS8-0082號電力機車右2軸上，其第一通道供機車微機速度采集通道，第二通道作為監控備速通道，至2010年8月已裝車行駛近30萬公里，無故障。

上述2臺機車屬客運機車，運行速度在140 km/h,從監控地面分析軟件看，速度值和光電傳感器沒有誤差，提供給機車微機系統的速度信號也和車上其它光電傳感器相一致。沒有發生過速差現象。在小、輔修修程中，磁敏測速傳感器經試驗臺測試檢查，各項參數值正常。

5.2 動車運用情況

2010年5月4 日，根據鐵道部運輸局會議紀要要求，在CRH2-118機車上試安裝2個磁敏測速傳感器，運行中發現到了216 km/h速度以上速度信號就丟失，經分析其原因是由于動車速度信號接收傳輸通道采用二級光電隔離，和機車速度信號輸入通道僅用一級隔離不同。經改進設計，在輸出級增加了驅動能力，調整了輸出信號的脈沖寬度。改進設計后動車試驗216 km/h速度以上時，速度信號丟失這個現象消失了，現運用至2010年8月設備工作一直正常。

6 結束語

機車磁敏測速傳感器作為一種新型的速度傳感器，具有良好的測速性能。它克服了光電傳感器光電模塊易老化的缺點，具有良好的高速性能，測頻特性達到20 kHz/h，在試驗臺上能穩定運行在500 km/h。同時它能夠滿足鐵道部運輸局所規定的機車軸端測速的各項技術指標，具有和光電傳感器一樣的機械外形、安裝尺寸及電氣接口參數，和現行光電傳感器相同，具有良好的安裝通用性、互換性。能適應目前我國運行的各種類型的機車和部分動車，能十分簡便可靠地替換光電速度傳感器或其他類型的軸端測速電機。作為一種新型的機車速度傳感器，必將為提速機車軸端速度傳感器的升級換代提供有力的技術支持。