在轨道车辆上使用的速度传感器

摘要：在轨道车辆上，车辆系统的稳定性很大程度上取决于它所采集到的速度信号的可靠性和精度，而所采集的速度信号包括当前速度值和速度的变化量。在机车的牵引控制，车轮滑动保护，列车控制，和车门控制过程中都要涉及到速度信号的采集问题。我们可以发现在各种轨道车辆中，这个任务是由许许多多的速度传感器来完成的。

　　概述
　　在轨道车辆上，车辆系统的稳定性很大程度上取决于它所采集到的速度信号的可靠性和精度，而所采集的速度信号包括当前速度值和速度的变化量。在机车的牵引控制，车轮滑动保护，列车控制，和车门控制过程中都要涉及到速度信号的采集问题。我们可以发现在各种轨道车辆中，这个任务是由许许多多的速度传感器来完成的。
　　在过去，用来测速的传感器通常性能不稳定，而且容易出现故障，经常引起车辆事故。主要原因是早期使用的主要是模拟传感器，而当时使用的数字传感器效果也很差。造成上述速度传感器问题的主要原因是轨道车辆应用的环境都极度恶劣。
　　德国 Lenord+Bauer公司经过多年的研究和实际经验的积累，开发出高品质的多功能的速度传感器，而且性能非常稳定，广泛应用于工况恶劣的轨道列车行业。

　　无轴承速度传感器
　　虽然有些轨道列车不用传感器，但是大多数的机车控制系统都要用到速度传感器。
　　最常用的速度传感器类型是双通道速度传感器（如图一，图二）。该传感器直接扫描机车电机轴上或减速机上的齿轮，因此，传感器本身不需要带轴承。
　　该目标测量齿轮既可以根据用户的要求特殊定做，也可以利用设备中现有的测
量齿轮。
　　该速度传感器利用磁场调制原理（如图三）适用于模数为1和模数为3.5 的铁磁体测量轮。被测齿轮的齿的形状也是一个重要的因素，因为该速度传感器能够测量的是方形齿齿轮和带渐开线齿齿轮。根据测量轮的直径和齿数，该速度传感器的分辨率在每圈60个脉冲到每圈300个脉冲之间，能满足一般机车电机驱动器的要求。

　　这种类型的速度传感器通常有2个霍尔传感器，永磁体，和信号处理电路组成。当速度传感器扫描旋转的齿轮时，永磁体的磁场发生变化。磁场的变化被霍尔传感器记录下来，在电路的比较环节被转换成方波，在驱动环节被放大。

　　然而，霍尔传感器的性能受温度影响很大。所以决定速度传感器的灵敏度和信号的相位差的因素不只是齿轮的安装气隙，还取决于温度。温度的影响大大降低了传感器和齿轮之间的安装气息的最大允许值。在室温下，一个标准的模数为2的测量齿轮安装气隙可以做到2-3mm，但是当所需的温度范围在-40度到+120度时，最大允许气隙降到了1.3mm。
　　我们通常要求我们的测量齿轮不但分辨率要高，而且体积要小，所以在这种要求下，测量轮的最大气息就越小。模数是1的高分辨率小齿轮的允许最大气隙范围在0.5-0.8mm。
　　对于设计工程师来说，传感器的气隙,如果速度传感器要求的安装气隙越小，对设备整体的设计要求就高。安装气隙允许的范围小，就限制了被测电机外壳的机械安装公差和测量齿轮对于输出信号的允许误差范围 。所以，对于机车电机的制造厂家和操作人员来说都愿意选择安装气隙范围较大的速度传感器。
　　在实际操作过程中，速度传感器输出信号的幅值随着安装气隙的增大而迅速减小（如图四）。对于传感器的生产商来说，他们需要尽可能的对信号幅制进行补偿，同时对相位差也要进行相应的补偿。通常的做法是测出传感器工作的温度，从而根据温度信息对相位差进行补偿，这就是我们通常说的温度补偿。但是，这样做也有两个缺点：第一，信号的相位差和温度并不成线性关系。第二，并不是每一个传感器的相位差都是一样的。所以，传统的传感器对温度的适应性有待于提高

　　新一代的Lenord+Bauer速度传感器找到了一种新的方法来解决传统传感的缺点。它采用一种集成的信号处理器来调整信号的幅值和相位差，从而使传感器的安装气隙增大到原来的2倍左右。使用这种传感器，对于模数为1的测量齿轮，安装气隙可以到1.4mm,比传统传感测量模数为2的齿轮的安装气隙还要大。而对于新一代的传感器，模数为2的齿轮，安装气隙可达2.2mm。同时，新一代的传感器大大提高了信号的质量。面对同样的气隙波动和温度变换，新传感器两个通道信号的占空比和相位偏移的稳定性是传统传感器的3倍。
　　而且，虽然新传感器的电路较复杂，但是它的MTBF值比传统传感器高。新传感器不仅提供的信号精度比原高，而且信号的可用性也比原来好。

　　这种新的传感器外形和传统传感器相似（如图五），可以适用于目前实际使用中的所有车辆。