机车光电速度传感器和压力变送器测试一体机

学术论文 2016-03-10 10:34:51
  1 研制背景 
  光电转速传感器与空气压力变送器已在铁路各型机车上广泛应用,光电转速传感器为列车运行监控记录装置、走行部车载检测装置及机车控制系统提供速度信号,空气压力变送器为列车运行监控记录装置及制动机提供空气压力信号。市场上常见的传感器检测装置功能单一,不具备传感器电绝缘性能的测试和抗干扰能力测试功能,检测项目不能满足测试标准的要求,且不能在一台机器上进行光电转速传感器与空气压力变送器的性能测试,检测维修不便。为提高工作效率,降低检修成本,上海铁路局徐州机务段研制了光电速度传感器和空气压力变送器测试一体机(该项目为上海铁路局2012年科研立项计划,编号2012Z017)。 
  2 研制目标 
  研制既能进行机车光电速度传感器性能测试又能进行空气压力变送器的性能测试的一体化试验台(一体机)。 
  (1)实现光电速度传感器工作电压、电流、占空比、相位差、高低电平、速度波形上升沿、下降沿、通道绝缘、对地绝缘和抗干扰性能测试功能。 
  (2)实现空气压力变送器消耗电流、误差和绝缘电阻参数的测试功能。 
  (3)可根据测试结果自动进行合格性判断,指出不合格项,生成测试记录。 
  (4)具有数据存储与查询功能。 
  3 装置组成与技术原理 
  3.1 装置组成 
  测试装置由工控机、光电速度传感器测试单元、空气压力变送器测试单元和检测数据处理单元等部分组成。工控机与测试单元间采用RS232串口通讯方式,数据接口与电绝缘测试单元采用光电隔离方式,光电速度传感器测试单元、空气压力变送器测试单元采用工业CPU控制方式。采用工业数据采集卡进行数据处理,应用虚拟仪表技术实时显示信号波形和参数。 
  测试软件由工控机控制软件、单片机程序和检测数据查询管理软件组成。工控机软件采用LabView环境开发,通过自定义算法逻辑实现传感器参数设定、系统控制、数据保存、检测状态显示、记录数据的查询及打印等功能;软件运行于win9x/win2k/winNT/winxp环境;检测数据查询管理软件采用B/S构架,实现传感器检修数据的实时传递,解决了基于局域网的传感器检修履历管理问题;数据库采用Sql Server 2000结构。 
  3.2 技术原理 
  光电速度传感器测试通过工控机控制伺服电机运转,伺服电机运转带动传感器旋转产生转速模拟信号,并输出到虚拟示波器和数据采集卡中,虚拟示波器将输入转速信号转换成数字信号后输入工控机,采集卡同时将转速脉冲计数值输入工控机,通过实时显示输出值,绘制生成实时输出波形,经计算、比较后,得出传感器性能是否合格的结论,生成测试记录。 
  空气压力变送器测试单元集压力信号测试、气压控制、传感器绝缘测试、泄漏检测、工作电压整定测试以一体,实现快速、精准测量。气压控制单元由空气压缩机提供测试气压,采用微控调压技术,在满足传感器测试精度的基础上,实现空气压力变送器满量程的压力设定和性能测试。 
  3.2.1 光电转速传感器测试原理 
  光电转速传感器测试单元主要由单片机电路、电源电路、转速控制单元、绝缘测试单元、干扰测试单元、继电器控制单元、数据处理单元和接口电路组成,如图1所示。 
  单片机控制电路采用8051单片机STC12C5A60S2为主控芯片,通过COM1接口与转速控制单元连接,控制单元接收单片机的控制指令,实现转速调整和转矩控制。采用工业数据采集卡进行速度信号处理,实现传感器各通道电压、电流、占空比、相位差、速度波形上升沿、下降沿等参数的检测功能。 
  光电转速传感器测试单元的绝缘测试模块负责传感器电绝缘参数的测试,干扰测试单元实现传感器抗干扰性能测试。为了避免电绝缘测试高压对传感器的影响,设置光电线性隔离电路,确保被测传感器的安全。 
  (1)电源电路。采用工业电源模块组,负责各单元电路的供电。该类电源模块具有稳压输出、高效率和安全隔离等特点,工作可靠性高。电源模块输出5V、9V、15V、26V、48V等电压,提供给各单元电路使用。传感器测试单元程控电压调整采用LM2576HVT-ADJ芯片,实现传感器工作电压12V-30V调整。 
  (2)单片机控制电路。采用STC12C5A60S2为主控芯片。STC12C5A60S2是新一代8051单片机,具有高速、低功耗、超强抗干扰等特点。其指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。STC12C5A60S2单片机外围连接带有看门狗定时器的IMP708芯片电路,确保单片机出现异常时复位重启。 
  (3)转速控制单元。转速控制单元由电机和控制器组成。控制器选用松下公司20bit数字编码伺服控制器MBDHT2510。该控制器采用角度、位移运算方式,指令控制速度达到4Mpps,速度响应频率达到2.0KHz,高速响应延迟性低,转矩控制特性好。电机采用松下伺服电机,具备三级增益调整和动态制动控制功能,极大地缩短了转速调整定速时间,并降低了电机振动,提高了转速控制的稳定性和可靠性,实现0-3000r/min转速范围内的精确调速,确保了测试精度。 
  (4)绝缘测试单元。绝缘测试单元由高压发生器、采样电路、A/D转换电路组成,主要实现转速传感器绝缘阻抗测试。 
  高压发生器主要产生500V直流电压。为了提高绝缘阻抗的测试精度,确保测试安全,高压发生器采用直流电压9V供电,采用脉宽调制、变压器升压方式。由TL494主芯片组成电压驱动型脉宽调制电路。该电路应用闭环控制方式,提高了高压输出的稳定性。TL494内置一个5.0V的基准电压源,使用外置偏置电路时,可提供高达10mA的负载电流,在典型的0-70℃温度范围且50mV温漂条件下,该基准电压源能提供±5%的精确度。   高压整流电路采用倍压整流方式,降低电路功耗,提高控制精度。 
  采样电路完成对被测传感器绝缘阻抗信号的采集和处理。采样电路采用差分电路对阻抗信号进行预处理,经AD7705实现A/D转换后,由单片机进行数据处理。 
  绝缘测试单元A/D转换电路采用高速、高精度的转换芯片AD7705。AD7705采用SPI兼容的三线串行接口,能够方便地与各种微控制器和DSP连接。这种器件具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点。AD7705将来自500V直流电压经采样电路采集到的通道阻抗值进行A/D转换,单片机读取AD7705的A/D转换结果,采用中位值平均滤波算法计算阻抗值。 
  (5)干扰测试单元。干扰测试单元由绝缘测试单元取得500V直流电压,经过隔离控制产生500V、8KHz的脉冲干扰信号。进行转速传感器抗干扰测试时,对转速传感器施加干扰脉冲,经过比对常态测量结果,对传感器抗干扰性能进行判定。 
  (6)继电器控制单元。继电器控制单元主要实现传感器通道切换功能,满足传感器绝缘测试时各通道测试要求。采用低功耗、高可靠的欧姆龙继电器,并设置继电器状态检测电路,提高电路动作可靠性。 
  控制单元电路采用ULN2003芯片驱动继电器。ULN2003是一个单片高电压、大电流的达林顿晶体管阵列集成电路,满足直接驱动继电器等负载的要求。 
  (7)数据处理单元。由单片机直接控制的数据采集方案,是最简单、最常用的控制方案。但是由于每次采样都要有单片机的参与,需占用单片机的时间,影响数据处理精度,而且对于多通道、多个A/D转换器的控制,数据处理精度更低。 
  数据处理单元采用工业数据采集卡,应用数字波形处理和虚拟仪表显示技术,实时输出传感器信号波形,直观显示信号参数,实现良好的人机交互。满足了各通道电压、电流、占空比、相位差、上升沿、下降沿参数的实时测量要求,提高了测量精度。 
  (8)接口电路。接口电路采用模块化设计,各单元电路间既相互独立又相互联系,各功能模块通过标准232串口进行数据的传输和反馈。 
  3.2.2 空气压力变送器测试原理 
  空气压力变送器测试单元由单片机电路、电压整定电路、绝缘阻抗测试单元、A/D转换电路、数据处理单元、通讯接口电路和气压控制单元组成,如图2所示。 
  图2 空气压力变送器测试单元结构示意图 
  单元电路以单片机为控制中心,采用高精度数字式压力表为测量基准,以气压为媒体对压力变送器进行测试,较以油压为媒体更洁净、方便。为了简化单元电路结构,压力变送器测试单元采用一体化设计方案,单元电路集压力信号测试、气压控制、传感器绝缘测试、泄漏检测、工作电压整定测试以一体,充分考虑应用工业单片机资源,实现快速、精准测量。 
  (1)单片机电路。采用低功耗8位CMOS微控制器ATmega16,具有增强的AVR RISC结构。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz,从而可以减缓在功耗和处理速度之间的矛盾,提高数据处理效率。 
  (2)A/D转换电路。采用16位8通道输出采样序列A/D芯片ADS8344和带有高阻抗缓冲输入的4通道8位电源输出数模转换器集合TLC5620C。ADS8344和TLC5620C将从通道采集的信号进行A/D转换,并由控制电路对数据进行处理,完成压力变送器电流、电压、压力、误差等参数的测试。TLC5620C的转换器可以产生1-2倍于基准电压和接地电压差值的输出。通常情况下TLC5620的供电电压为一个5V电源。 
  (3)电压整定电路。电压整定电路实现传感器工作电压范围12VDC~30VDC的调整输出功能。采用LM2576HVT-ADJ开关型降压稳压芯片和AD5259数字电位器来实现传感器工作电压调节。 
  (4)气压控制单元。气压控制单元为压力变送器提供空气压力,它以气压为媒体对压力变送器进行测试,较以油压为媒体对压力变送器进行测试的测试仪器更洁净、更方便。 
  气压控制单元由空气压缩机提供测试气压,采用微控调压技术,在满足传感器测试精度的基础上,实现压力变送器满量程的压力设定和性能测试功能。 
  (5)通讯接口电路。压力变送器测试单元采用RS232通讯方式与工控主机进行数据收发,接收控制指令。为了解决单片机与工控主机的串口通讯问题,采用MAX202芯片进行串口电平转换。MAX202数据传输速率达20kbps,符合CCITT V.28 和EIA/TIA-232的规格。 
  (6)数据处理。空气压力变送器的性能参数由工业单片机负责处理,测试界面、参数设置、图形处理由工控主机负责。测试单元采集的数据,经A/D转换后,由单片机进行数据处理,工控机读取数据后,实时显示设置压力和实测压力曲线,使测试结果更直观、便于分析,达到良好的人机交互效果,实现压力变送器满刻度的线性度参数测量。 
  4 结束语 
  “机车光电速度传感器和空气压力变送器测试一体机”在一台设备上实现了光电速度传感器和空气压力变送器的性能检测,提高了测试效率,降低了设备采购、维护成本。装置应用数字化综合测量技术,在传感器常规技术性能测试的基础上,增加了传感器电绝缘参数、抗干扰性能测试,保证了传感器检修质量。经现场试用,人机界面友好、能自动完成各项性能测试,操作简便,可在铁路机务段、电务段推广应用。
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