機車光電速度傳感器和壓力變送器測試一體機

摘 要：機車光電速度傳感器和空氣壓力變送器測試一體機應用于鐵路部門對機車光電速度傳感器、空氣壓力變送器的性能測試，一體機除了具備常規電性能測試外，還具有絕緣電阻測試和光電速度傳感器的抗干擾測試功能。主要介紹測試裝置的構成及技術原理。

關鍵詞：光電速度傳感器；空氣壓力變送器；絕緣電阻測試；抗干擾測試；一體機；技術原理

1 研制背景

光電轉速傳感器與空氣壓力變送器已在鐵路各型機車上廣泛應用，光電轉速傳感器為列車運行監控記錄裝置、走行部車載檢測裝置及機車控制系統提供速度信號，空氣壓力變送器為列車運行監控記錄裝置及制動機提供空氣壓力信號。市場上常見的傳感器檢測裝置功能單一，不具備傳感器電絕緣性能的測試和抗干擾能力測試功能，檢測項目不能滿足測試標準的要求，且不能在一臺機器上進行光電轉速傳感器與空氣壓力變送器的性能測試，檢測維修不便。為提高工作效率，降低檢修成本，上海鐵路局徐州機務段研制了光電速度傳感器和空氣壓力變送器測試一體機（該項目為上海鐵路局2012年科研立項計劃，編號2012Z017）。

2 研制目標

研制既能進行機車光電速度傳感器性能測試又能進行空氣壓力變送器的性能測試的一體化試驗臺（一體機）。

（1）實現光電速度傳感器工作電壓、電流、占空比、相位差、高低電平、速度波形上升沿、下降沿、通道絕緣、對地絕緣和抗干擾性能測試功能。

（2）實現空氣壓力變送器消耗電流、誤差和絕緣電阻參數的測試功能。

（3）可根據測試結果自動進行合格性判斷，指出不合格項，生成測試記錄。

（4）具有數據存儲與查詢功能。

3 裝置組成與技術原理

3.1 裝置組成

測試裝置由工控機、光電速度傳感器測試單元、空氣壓力變送器測試單元和檢測數據處理單元等部分組成。工控機與測試單元間采用RS232串口通訊方式，數據接口與電絕緣測試單元采用光電隔離方式，光電速度傳感器測試單元、空氣壓力變送器測試單元采用工業CPU控制方式。采用工業數據采集卡進行數據處理，應用虛擬儀表技術實時顯示信號波形和參數。

測試軟件由工控機控制軟件、單片機程序和檢測數據查詢管理軟件組成。工控機軟件采用LabView環境開發，通過自定義算法邏輯實現傳感器參數設定、系統控制、數據保存、檢測狀態顯示、記錄數據的查詢及打印等功能；軟件運行于win9x/win2k/winNT/winxp環境；檢測數據查詢管理軟件采用B/S構架，實現傳感器檢修數據的實時傳遞，解決了基于局域網的傳感器檢修履歷管理問題；數據庫采用Sql Server 2000結構。

3.2 技術原理

光電速度傳感器測試通過工控機控制伺服電機運轉，伺服電機運轉帶動傳感器旋轉產生轉速模擬信號，并輸出到虛擬示波器和數據采集卡中，虛擬示波器將輸入轉速信號轉換成數字信號后輸入工控機，采集卡同時將轉速脈沖計數值輸入工控機，通過實時顯示輸出值，繪制生成實時輸出波形，經計算、比較后，得出傳感器性能是否合格的結論，生成測試記錄。

空氣壓力變送器測試單元集壓力信號測試、氣壓控制、傳感器絕緣測試、泄漏檢測、工作電壓整定測試以一體，實現快速、精準測量。氣壓控制單元由空氣壓縮機提供測試氣壓，采用微控調壓技術，在滿足傳感器測試精度的基礎上，實現空氣壓力變送器滿量程的壓力設定和性能測試。

3.2.1 光電轉速傳感器測試原理

光電轉速傳感器測試單元主要由單片機電路、電源電路、轉速控制單元、絕緣測試單元、干擾測試單元、繼電器控制單元、數據處理單元和接口電路組成，如圖1所示。

單片機控制電路采用8051單片機STC12C5A60S2為主控芯片，通過COM1接口與轉速控制單元連接，控制單元接收單片機的控制指令，實現轉速調整和轉矩控制。采用工業數據采集卡進行速度信號處理，實現傳感器各通道電壓、電流、占空比、相位差、速度波形上升沿、下降沿等參數的檢測功能。

光電轉速傳感器測試單元的絕緣測試模塊負責傳感器電絕緣參數的測試，干擾測試單元實現傳感器抗干擾性能測試。為了避免電絕緣測試高壓對傳感器的影響，設置光電線性隔離電路，確保被測傳感器的安全。

（1）電源電路。采用工業電源模塊組，負責各單元電路的供電。該類電源模塊具有穩壓輸出、高效率和安全隔離等特點，工作可靠性高。電源模塊輸出5V、9V、15V、26V、48V等電壓，提供給各單元電路使用。傳感器測試單元程控電壓調整采用LM2576HVT-ADJ芯片，實現傳感器工作電壓12V-30V調整。

（2）單片機控制電路。采用STC12C5A60S2為主控芯片。STC12C5A60S2是新一代8051單片機，具有高速、低功耗、超強抗干擾等特點。其指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍。STC12C5A60S2單片機外圍連接帶有看門狗定時器的IMP708芯片電路，確保單片機出現異常時復位重啟。

（3）轉速控制單元。轉速控制單元由電機和控制器組成。控制器選用松下公司20bit數字編碼伺服控制器MBDHT2510。該控制器采用角度、位移運算方式，指令控制速度達到4Mpps，速度響應頻率達到2.0KHz，高速響應延遲性低，轉矩控制特性好。電機采用松下伺服電機，具備三級增益調整和動態制動控制功能，極大地縮短了轉速調整定速時間，并降低了電機振動，提高了轉速控制的穩定性和可靠性，實現0-3000r/min轉速范圍內的精確調速，確保了測試精度。

（4）絕緣測試單元。絕緣測試單元由高壓發生器、采樣電路、A/D轉換電路組成，主要實現轉速傳感器絕緣阻抗測試。

高壓發生器主要產生500V直流電壓。為了提高絕緣阻抗的測試精度，確保測試安全，高壓發生器采用直流電壓9V供電，采用脈寬調制、變壓器升壓方式。由TL494主芯片組成電壓驅動型脈寬調制電路。該電路應用閉環控制方式，提高了高壓輸出的穩定性。TL494內置一個5.0V的基準電壓源，使用外置偏置電路時，可提供高達10mA的負載電流，在典型的0-70℃溫度范圍且50mV溫漂條件下，該基準電壓源能提供±5%的精確度。

高壓整流電路采用倍壓整流方式，降低電路功耗，提高控制精度。

采樣電路完成對被測傳感器絕緣阻抗信號的采集和處理。采樣電路采用差分電路對阻抗信號進行預處理，經AD7705實現A/D轉換后，由單片機進行數據處理。

絕緣測試單元A/D轉換電路采用高速、高精度的轉換芯片AD7705。AD7705采用SPI兼容的三線串行接口，能夠方便地與各種微控制器和DSP連接。這種器件具有高分辨率、寬動態范圍、自校準、優良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點。AD7705將來自500V直流電壓經采樣電路采集到的通道阻抗值進行A/D轉換，單片機讀取AD7705的A/D轉換結果，采用中位值平均濾波算法計算阻抗值。

（5）干擾測試單元。干擾測試單元由絕緣測試單元取得500V直流電壓，經過隔離控制產生500V、8KHz的脈沖干擾信號。進行轉速傳感器抗干擾測試時，對轉速傳感器施加干擾脈沖，經過比對常態測量結果，對傳感器抗干擾性能進行判定。

（6）繼電器控制單元。繼電器控制單元主要實現傳感器通道切換功能，滿足傳感器絕緣測試時各通道測試要求。采用低功耗、高可靠的歐姆龍繼電器，并設置繼電器狀態檢測電路，提高電路動作可靠性。

控制單元電路采用ULN2003芯片驅動繼電器。ULN2003是一個單片高電壓、大電流的達林頓晶體管陣列集成電路，滿足直接驅動繼電器等負載的要求。

（7）數據處理單元。由單片機直接控制的數據采集方案，是最簡單、最常用的控制方案。但是由于每次采樣都要有單片機的參與，需占用單片機的時間，影響數據處理精度，而且對于多通道、多個A/D轉換器的控制，數據處理精度更低。

數據處理單元采用工業數據采集卡，應用數字波形處理和虛擬儀表顯示技術，實時輸出傳感器信號波形，直觀顯示信號參數，實現良好的人機交互。滿足了各通道電壓、電流、占空比、相位差、上升沿、下降沿參數的實時測量要求，提高了測量精度。

（8）接口電路。接口電路采用模塊化設計，各單元電路間既相互獨立又相互聯系，各功能模塊通過標準232串口進行數據的傳輸和反饋。

3.2.2 空氣壓力變送器測試原理

空氣壓力變送器測試單元由單片機電路、電壓整定電路、絕緣阻抗測試單元、A/D轉換電路、數據處理單元、通訊接口電路和氣壓控制單元組成，如圖2所示。

圖2 空氣壓力變送器測試單元結構示意圖

單元電路以單片機為控制中心，采用高精度數字式壓力表為測量基準，以氣壓為媒體對壓力變送器進行測試，較以油壓為媒體更潔凈、方便。為了簡化單元電路結構，壓力變送器測試單元采用一體化設計方案，單元電路集壓力信號測試、氣壓控制、傳感器絕緣測試、泄漏檢測、工作電壓整定測試以一體，充分考慮應用工業單片機資源，實現快速、精準測量。

（1）單片機電路。采用低功耗8位CMOS微控制器ATmega16，具有增強的AVR RISC結構。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega16 的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以減緩在功耗和處理速度之間的矛盾，提高數據處理效率。

（2）A/D轉換電路。采用16位8通道輸出采樣序列A/D芯片ADS8344和帶有高阻抗緩沖輸入的4通道8位電源輸出數模轉換器集合TLC5620C。ADS8344和TLC5620C將從通道采集的信號進行A/D轉換，并由控制電路對數據進行處理，完成壓力變送器電流、電壓、壓力、誤差等參數的測試。TLC5620C的轉換器可以產生1-2倍于基準電壓和接地電壓差值的輸出。通常情況下TLC5620的供電電壓為一個5V電源。

（3）電壓整定電路。電壓整定電路實現傳感器工作電壓范圍12VDC～30VDC的調整輸出功能。采用LM2576HVT-ADJ開關型降壓穩壓芯片和AD5259數字電位器來實現傳感器工作電壓調節。

（4）氣壓控制單元。氣壓控制單元為壓力變送器提供空氣壓力，它以氣壓為媒體對壓力變送器進行測試，較以油壓為媒體對壓力變送器進行測試的測試儀器更潔凈、更方便。

氣壓控制單元由空氣壓縮機提供測試氣壓，采用微控調壓技術，在滿足傳感器測試精度的基礎上，實現壓力變送器滿量程的壓力設定和性能測試功能。

（5）通訊接口電路。壓力變送器測試單元采用RS232通訊方式與工控主機進行數據收發，接收控制指令。為了解決單片機與工控主機的串口通訊問題，采用MAX202芯片進行串口電平轉換。MAX202數據傳輸速率達20kbps，符合CCITT V.28 和EIA/TIA-232的規格。

（6）數據處理。空氣壓力變送器的性能參數由工業單片機負責處理，測試界面、參數設置、圖形處理由工控主機負責。測試單元采集的數據，經A/D轉換后，由單片機進行數據處理，工控機讀取數據后，實時顯示設置壓力和實測壓力曲線，使測試結果更直觀、便于分析，達到良好的人機交互效果，實現壓力變送器滿刻度的線性度參數測量。

4 結束語

“機車光電速度傳感器和空氣壓力變送器測試一體機”在一臺設備上實現了光電速度傳感器和空氣壓力變送器的性能檢測，提高了測試效率，降低了設備采購、維護成本。裝置應用數字化綜合測量技術，在傳感器常規技術性能測試的基礎上，增加了傳感器電絕緣參數、抗干擾性能測試，保證了傳感器檢修質量。經現場試用，人機界面友好、能自動完成各項性能測試，操作簡便，可在鐵路機務段、電務段推廣應用。