非接觸在線監測在地鐵機電設備中的應用

何偉榮

（上海申通地鐵集團有限公司維護保障中心，200233，上海∥工程師）

0 引言

現代工業自動化技術融合了傳感器、信息、控制、計算機等技術，推動了現代工業的技術進步，也推動機電設備在線監測與診斷技術的發展。任何機電設備在其壽命周期中，都會不可避免地造成一定的損傷。如果沒有良好的檢測、評估方法來對運營中的機電設備進行監測，必然會使機電設備在長期的工作狀態下，出現從小事故先兆發展到大故障。

為此，研究和分析機電設備的故障檢測和評估方法具有積極的意義。隨著計算機的硬件和軟件的發展，以及各種電力電子元件的研發和應用，使得測控技術迅速發展，為研究和開發各種檢測設備提供了良好的條件。同時，電網系統的高次諧波對機電設備影響的研究也越來越得到重視。機電設備故障檢測系統通常由傳感器、信息處理、數據分析等三大單元組成。傳感器單元用于感知所需要測量的機電設備狀態特征參量，目前有電磁、力學、聲音、溫度、氣體和光學傳感器等；信息處理單元是將傳感器得到的物理、化學等參量，通過計算機的模擬－數字模塊、濾波器、數字－模擬模塊等硬件進行信號的變換，最終達到計算機能夠識別的機器語言；數據分析單元就是根據設計要求，應用高級計算機語言進行處理、分析和計算，最后顯示出有關曲線圖、數據和文字描述。

傳感器按檢測方法通常分為接觸式傳感器和非接觸式傳感器。

非接觸式傳感器一般采用電磁法、超聲波法、溫度法、氣體法和光學法等，而在機電設備檢測過程中，最常用是電磁法、紅外線法、光學法等。在維護過程中，需要同時檢測機電設備的機械性能（磨損、振動等）和電氣特性（諧波、電流等）狀態時，就需要至少兩種以上不同類型的傳感器進行檢測，以分別分析故障數據（如振幅，諧波等）。目前，常采用比較先進的多通道檢測儀，配備常規的傳感器，具有圖形和數據功能，但缺少評估軟件。而在檢測過程中，往往需要用戶自己配備傳感器單元和確定檢測結果，所以檢測就顯得非常麻煩和缺少專業性。

研究人員發現，機電設備在工作過程中，主要是由電力源“給力“，其成分為“電壓”、“電流”。能否僅在“電流”中診斷出機電設備的故障源（如機械狀態、電氣性能及不同的高次諧波等）。現在僅通過一個非接觸式傳感器單元（其特點為安全性能好、防護等級高等）就能夠判斷出機械故障、電氣故障，幫助和提示檢測人員獲得相應的數據及評估報告。這種非接觸在線檢測方法在日本工業中已得到應用。本文主要研究非接觸式傳感器單元的設計，諧波監測軟件的開發及其在地鐵機電設備中的應用，創建自己的非接觸式在線機電設備檢測系統。現將研究結果供同行參考和交流。

1 非接觸式傳感器的設計

目前非接觸式傳感器的應用比較廣泛，主要有交流型傳感器（線圈型）和直流型傳感器（芯片型）。其工作原理是通過利用二次線圈電磁感應、電磁場及光電感應來獲得被測物體的各種信息（如電流、電壓、功率等）。近年來，電容法及紅外線法測量技術得到迅猛發展，但是應用在工業領域僅僅是作為便攜式工具，而作為在線檢測、非接觸式測量及評估功能的綜合設備幾乎沒有。日本ATC公司創立了“高次諧波診斷”技術，其非接觸式在線機電設備檢測系統深受全世界20多個行業青睞，該系統采用了先進的檢測技術和專家經驗數據庫，二者的良好組合，使該系統的性價比高于其它相似的檢測設備。

1.1 非接觸式傳感器設計原理

圖1為充放電電容測量電路。基于開關電容電路的“急速電荷注入”原理，通過開關K1、K2、K3和K4，按一定開關頻率觸發，使得電容C充放電，將輸入端（in）的電荷不斷注入到輸出端（out）。在圖1的基礎上，加入一個2N422型靜電場效應管（MOSFET）則可得到圖2。在圖2中，當開關K1導通時，感應點Vg接地，則2N422型MOSFET處于斷開狀態，控制電源Vdd對電容C充電；當開關K2導通、K1斷開時，C存在電壓差，這時感應點電壓Vg＝Vin＋Vdd，使Vg＝Vdd，結果是2N422型MOSFET的開關頻率由Vdd決定。即Vdd檢測到的信號決定了2N422型MOSFET的“急速電荷注入”。圖2的電路與非接觸式靜電檢測儀器中的檢測電路基本相似，是一種典型靜電檢測電路。

圖2構成了本文所介紹的非接觸式傳感器的部分設計電路。采用MOSFET晶體管，結合其特性和開關電容電路原理及相關濾波電路，就可設計出非接觸在線監測裝置的相應硬件設備。圖3為設計的非接觸式傳感器感應原理圖，圖4為研制的微型控制器和非接觸傳感器實景圖。

圖1 充放電電容測量電路

圖2 自舉開關電路

圖3 非接觸式傳感器感應原理圖

圖4 微型控制器和非接觸傳感器實景圖

1.2 非接觸式傳感器的特性

非接觸式電場傳感器與磁場傳感器非常相似。經試驗發現：在電荷電場的作用下，一旦傳感器與被測導線之間的位置固定，在電流強度不變的情況下，傳感器的靜態和動態特性保持不變，并具有良好的穩定性（應采用金屬屏蔽、接地等）；并且溫度變化等環境條件對電場傳感器的影響比磁場傳感器影響小。非接觸式電場傳感器具有如下特性：①高輸入阻抗；②輸出端負載的變化對輸入端影響小；③良好的熱穩定性；④抗輻射性和噪聲較低；⑤高頻特性好；⑥失真度低于一般晶體管。

對用MOSFET制造的傳感器，其線性度好、分辨率良好、靈敏度高（一旦穩定后效果很好）、重復性良好。這些特性與微型控制器中的聲卡也有直接的關系。良好的傳感器需要配有高性能的數字－模擬模塊、模擬－數字模塊的支撐。

1.3 非接觸式傳感器的測試效果

通過反復對傳感器的試驗、軟件的檢測，傳感器單元的設計達到了理想效果。圖5為三種不同軟件對同一信號顯示的界面圖。

圖5中，左上角的“虛擬儀器0.94”軟件和右上角的TrueRTA軟件均為非常優秀的示波器和頻譜儀的應用軟件；而下半部顯示的軟件是本文作者基于VB6編程軟件自主開發的示波器及頻譜儀應用軟件。它們顯示出用非接觸式傳感器所獲得的曲線圖，采集電源為220VAC（相線）、50Hz。圖5顯示的結果是這三種軟件在示波器中具有相似的正弦波，而自主開發的軟件界面還顯示了頻譜儀的1次基波、3次諧波、5次諧波等。

圖6為在現場試驗臺上用自制非接觸傳感器檢測的變頻器（CVCF）輸出400VAC時的工作頻率圖，其中檢測到瞬間過程中IGBT（絕緣柵門極晶閘管）的工作頻率是600Hz。

圖5 三種不同測試軟件對同一信號顯示的界面圖

圖6 變頻器交流400V的工作頻率圖

圖7是用自制非接觸傳感器監測到的CVCF輸入直流1500 V時的頻譜圖，并證實了直流1500V不是非常純的直流波形圖。

圖7 變頻器輸入直流1500V的工作頻率圖

圖8為檢測到的調光臺燈內可控硅的特性，即導通角α的大小變化。

圖5～8驗證了該非接觸式傳感器單元具有良好靈敏度和延遲性。由此可證明，所設計的非接觸式傳感器具有良好的穩定性和線性度效果，完全可以滿足工業控制的要求。

圖8 可控硅的特性圖

2 微型控制器等硬件設計

本次研制的微型控制器的硬件是借用計算機的聲卡，以達到“低成本和高性能”的目的，是將信號源、示波器、頻率計等功能高度集成、統一使用。將來作為正式的工業控制器設計，仍然需要“嵌入式系統”或“單片機”、“DSP模塊”等，以進行標準化的設計。

3 軟件設計

本研究基于VB6編程軟件開發，主要是利用“快速傅里葉FFT”函數進行高次諧波的計算和分析。常用的窗函數主要采用Hamming（海明窗）和Blackman（布萊克曼窗）。為便于在檢測過程中觀察和分析波型圖，軟件采樣頻率分別為44kHz、22kHz和11kHz，采集目標分最高頻率和工業頻率。軟件的人機界面可操作性良好，具有自動保存數據和圖片（頻譜功率圖及曲線圖）的功能。圖9為用自行研制的非接觸式傳感器實際檢測到的50kHz頻譜圖、正弦波圖及數據。

圖9 檢測到的頻譜圖、正弦波圖及其數據

圖5～9表明，本軟件的基本功能設計是正確的，結果是可靠而穩定的。

綜上所述，所研究的“非接觸在線監測裝置”完全能夠滿足軌道交通行業對機電設備的檢測和控制要求。

4 應用

在日本，非接觸在線監測技術已廣泛應用在軌道交通車輛、變電站、不間斷電源蓄電池、汽輪機等領域。在國內，對于非接觸在線監測技術的實際應用并不多，一般基于二次傳感器技術的檢測研究比較多，而能夠直接、有效地在線檢測和評估的案例更是非常少。

對于軌道交通企業采用“非接觸在線監測地鐵機電設備”是非常有益的，特別是對地面牽引變電站、列車的VVVF（變壓－變頻）裝置和CVCF裝置及其它機電設備的維護等。

由于電網的相互污染及使用非線性機電設備，往往導致供電系統中各種諧波的存在。而諧波的存在對工業電網是非常不利的，將造成機電設備的發熱、絕緣性能降低、電機內部機構損耗、IGBT誤觸發、通信的干擾等。目前還沒有有效的方法進行檢測，而“非接觸在線監測裝置”的應用能夠檢測和了解機電設備發生故障的原因，可起到“藥到病除”的效果。

例如，在電機生產企業和使用電機的企業，電機產品出廠和電機維護時往往需對電機的質量、性能進行評估，應有“數字化質量報告”。對整機的工作溫度、線圈的絕緣性、軸承和設備的振動情況等參數均需要檢測。傳統的方法是分別采用溫度傳感器、振動傳感器和絕緣表等測量工具進行例行檢測，這非常不方便。如果采用”非接觸在線監測裝置”，不但在電機維護時，而且在在線狀態時，都能夠獲得各種參數及高次諧波。圖10為電機在試驗時（AC 1100V）用“非接觸在線監測裝置”獲得的曲線圖。發現其中一相的正弦波中存在諧波，同時在頻譜儀中存在高次諧波。當然，為了更好地進行分析和評估，需要建立相應的數據庫，為電機的維護和性能檢測提供良好的基礎工作。

圖10 某電機在試驗時的檢測圖

5 結語

機電設備無論是“直流電”、“交流電”，也無論是“模擬信號”、“開關信號”，只要半導體物體有“電荷”的存在，“非接觸在線監測裝置”均能進行檢測。

本項研制得到日本ATC公司的“非接觸在線智能監測和評估”產品的啟發，并在其基礎上得到發展，能夠檢測到小于2A的電流，并具有監控“數字”開關量和提示等功能（RS232＼USB）。

［1］張安華.機電設備狀態監測與故障診斷技術［M］.西安：西北工業大學出版社，1995.

［2］馬宏忠.電機狀態監測與故障診斷［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［3］許遐.公用電網諧波的評估和調控［M］.北京：中國電力出版社，2008.