基于MEMS 鉑電阻的無線測溫系統設計與測試

侯曉偉，武鵬，鄭良廣

（寧波中車時代傳感技術有限公司中國中車傳感測量技術研發中心，浙江寧波 315021）

軌道交通領域對溫度測量設備尤其是先進的測溫技術有極大的需求，在鐵路運營過程中存在著大量需進行溫度測量的狀態監控點[1]。如在電氣化鐵路的牽引供電系統中存在著許多的電氣連接點，這些連接點在系統運行一段時間后會發生過熱的現象，嚴重時甚至會燒壞導線，使供電中斷，從而影響鐵路運輸。除此之外，列車走行部各類軸承也會出現運行不良而產生溫升較高的情況，嚴重時會造成切軸等事故。牽引供電系統、列車軸承等關鍵部件的溫度監測對鐵路的安全運營起著非常關鍵的保障作用，關乎到我國現代化軌道交通的健康監測水平[2]。而目前用于鐵路機車溫度監測的手段和方法以紅外測溫、光纖測溫等為主，存在著可靠性差、準確性差、不能及時發現過熱點等缺陷，給鐵路運輸帶來了比較大的經濟損失和負面影響[3-4]。

近年來，無線傳感網技術的不斷發展為降低軌道交通站臺及機車運行維護成本、拓寬設備健康狀態監測的應用范圍開辟了廣闊發展空間[5-8]。利用無線傳感技術開發出無線測溫系統，具有工作可靠、便于安裝又不影響鐵路機車其他設備的結構性能等優點。目前針對高壓開關設備、變電站、鐵道斷路器等電力電子設備已經開發出了比較成熟的無線測溫系統，顯示出了良好的發展前景[9-10]。

與此同時，隨著系統功能的不斷豐富，多種傳感器、微能源、通訊、信息處理等功能單元的微型化、集成化、低成本制造日益成為其能否規模化普及運用的關鍵因素，發展多功能集成微系統成為必然，多元集成MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微電子機械系統）技術為解決上述問題提供了最具潛力的技術支撐[11-13]。

未來先進軌道交通設備健康狀態監測采用多傳感器集成以降低制造和使用成本、提高信息冗余性和互補性的發展趨勢，無源無線測溫方式表現出了更加獨特的優勢：一是安全性高。無線測溫系統在工作中以電磁波的方式來傳輸信號，不會影響牽引供電系統及其他高壓電氣設備的運行安全；二是可靠性好。為保證工作穩定，采用抗電磁干擾的設計；三是可快速準確測溫。接觸安裝使傳感器避免了外界環境對測溫系統的影響，對發熱點的溫度變化能夠更好地追蹤；四是方便安裝。不需要再鋪設電源線、信號線等，成本低。無線測溫系統以無線傳輸的方式讀取測量的溫度數據并上傳到網絡控制中心，以此決定是否進行預警；此外，低功耗的無線測溫系統也改善了電池頻繁更換不能維持無線系統長久運行的情況[14-17]。

1 總體方案設計

鉑薄膜熱電阻測溫范圍大，精度高、線性度好，且具有優良的延展性，并且能長時間保持物理和化學性能的穩定性，是一種理想的溫度傳感器的熱敏材料。其中，鉑電阻的溫度適用范圍為-200～850 ℃。

鉑電阻在溫度范圍-200～0 ℃時的特性方程如式（1）所示：

溫度范圍為0～850 ℃時的特性方程如式（2）所示：

其中，T表示測量的溫度，RT表示測量溫度為T時的電阻阻值，R0表示測量溫度為0 時的電阻阻值，α1、α2和α3分別為溫度一次、二次和三次方的電阻溫度系數，各項系數分別為α1=3.94×10-3/K，α2=5.84×10-7/K2，α3=4.22×10-12/K3。

基于鉑薄膜溫度傳感器設計無線測溫系統，其設計總體方案包括負責采集信號的監測部分、無線傳輸環節、數據存儲及顯示等處理環節，相關的主要技術指標如下：

1）測溫范圍為0～250 ℃；

2）測溫精度在-0.5 ℃～+0.5 ℃之間；

3）溫度分辨率不超過0.01 ℃；

4）溫度響應時間不超過1 s；

5）傳輸距離不小于20 m。

2 硬件設計

完整的硬件電路系統包括下位機（測量模塊）和上位機（數據顯示）模塊兩大部分，如圖1 所示。下位機實現溫度信號的獲取和采集等功能，具體要完成MEMS 薄膜溫度傳感器的電源激勵、信號提取和調理處理以及AD 采集等任務，通過無線模塊將采集的溫度數據傳輸至上位機模塊進行數據保存或顯示。

圖1 系統硬件電路構成圖

3 軟件設計

3.1 溫度采集系統軟件設計

考慮到溫度并不會急劇變化，其變化往往是緩慢進行的，就這個特點來說，溫度的測量以及采集工作，并不需要每時每刻都進行。而是每隔時間T會進行一次采集，其余時間讓MCU 進入休眠狀態以滿足低功耗的需求。其軟件程序流程如圖2所示。

圖2 溫度信號采集軟件程序流程

3.2 無線收發系統軟件設計

無線發送端在測量數據發送后，需要加校驗功能以保證數據傳輸的可靠性，采取定時等待、超時后重發等方法以避免偶然的發送失敗情況，發送端在收到主機命令后才進入休眠模式，該環節的軟件程序流程如圖3 所示。

圖3 發送端軟件程序流程

無線接收端需時刻檢測接收模塊并校驗接收到的數據，若數據正確則盡快進入休眠省電模式，并通過屏幕顯示溫度數據；若數據錯誤則繼續等待數據到達。該環節的軟件程序流程如圖4 所示。

圖4 接收端軟件程序流程圖

4 無線測溫系統測試與分析

4.1 0 ℃電阻測試

對傳感器樣品（#1）進行了4 次測量，測試方法是將水放在冰箱中結冰后，拿出冰塊加入水中，穩定一段時間后開始記錄數據，由于每次實驗條件（包括冰水混合體積、比例、測試時刻）不同，冰水混合物中也存在一定的溫度梯度，不是絕對一致，導致測試結果在0 ℃附近波動。穩定的測量誤差小于0.05 ℃，表明了鉑電阻溫度傳感器和測試系統的精度指標高于設計要求。

4.2 升溫過程測試

對另外兩個傳感器樣品（#2 和#3）進行標定后，設置30 ℃、60 ℃、90 ℃、120 ℃、150 ℃、180 ℃、210 ℃、240 ℃和270 ℃測試點進行兩次測試，#2 樣品前后兩次測試結果如圖5 所示，#3 樣品前后兩次測試結果如圖6 所示。

圖5 傳感器樣品測試結果（#2）

圖6 傳感器樣品測試結果（#3）

4.3 響應時間測試

將封裝好的鉑電阻溫度傳感器從室溫直接放入100 ℃的沸騰水中，用高精度萬用表測試傳感器電阻隨時間的變化，萬用表數據刷新時間間隔最小為8 ms，定義響應時間是傳感器的電阻從設定溫度電阻值（37 ℃）到穩定值（45 ℃）所需時間，響應時間約0.4 s，測試曲線如圖7 所示。

圖7 薄膜溫度傳感器響應時間測試曲線

4.4 無線傳輸距離測試

無線收發系統的發射功率為10 dBm，用穩壓電源進行測試，發射端最大電流0.04 A，最小電流0.03 A，如圖8 所示，開發的無線測溫系統其傳輸距離可以達到200 m 以上，超過了設計最初的技術指標。

圖8 無線傳輸距離測試

5 結論

文中研究了基于MEMS 鉑電阻溫度傳感器的無線測溫系統的整體設計，包括溫度測量及無線傳輸的軟硬件方案設計；硬件部分包括下位機（測量模塊）和上位機（數據顯示）模塊功能實現和具體電路，軟件部分包括具體功能的邏輯實現、框圖設計及測試調試等。對溫度測量性能和無線收發性能進行了測試分析，包括溫度測量精度、溫度響應時間等。該系統的各項技術指標都滿足了相關的設計要求，具有較高的應用參考價值。