机车磁敏速度传感器的研制和应用

俞国伟 上海铁路局上海机务段

目前我国的机车上基本都是采用光电速度传感器，这是上世纪末为适应我国机车全面加装列车运行监控记录装置的需要而从德国进口的技术。光电速度传感器是有源型传感器，一般为2～4个通道，其主要技术指标如下：

（1）工作电压：DC15V；

（2）每通道最大消耗电流：不大于50mA；

（3）输出波形：方波脉冲，占空比0.4～0.6前后沿时均小于 10μs；

（4）输出脉冲幅度：高电平电压≥9V，低电平电压≤1V；

（5）相位差：两个通道 90°±45°；

（6）耐受工频电压：传感器出线端各通道及通道间，能承受工频交流电压500V，通道对外壳间能承受工频交流电压500V。

1 光电测速传感器存在的问题

光电测速传感器由光电模块、光栅、外壳、传动轴、软性连接器、多芯防水插头及外附屏蔽电缆组成。它通过轮轴转动带动光栅盘扫描，输出方波脉冲频率，每转200个脉冲供机车监控装置对速度、距离、防溜等功能进行检测。光电模块通道间彼此隔离并带极性保护，输出也采取短路保护措施。光电传感器输出信号幅度大，高电平≥9V，而低电平≤2V，是方波数字量，信号幅度不受机车低速的影响，只要有位移就有脉冲输出。光电模块的光源是发光二极管（LED），但是LED总是在老化，经过一段时间使用后它的射速会明显降低，为补偿损失而使用专用调节器逐渐增加通过LED的电流，但这样又进一步加速了其老化过程。因此，为安全起见，光电传感器在使用30万公里或五年之后就须更换光电模块。

在实际运用中，光电传感器脉冲丢失及模块损坏的故障较高且无法避免。据统计，2008年上海机务段配属186台机车的光电传感器故障（包括电务部门的光电传感器故障）达到100台次送厂大修，故障原因基本上是模块老化造成脉冲丢失严重，仅材料修理费就达到15万元；而从社会效益来看，因光电传感器造成的列车机破会打乱铁路运行秩序，造成旅客不满意，直接影响到铁路声誉。

2 磁敏速度传感器设计原理

磁敏速度传感器由磁钢、磁敏器件、放大整形电路、外壳和内附导线、护套、插头等组成，它安装于机车轴端箱盖（径向）上，被测转动物体为模数≥0.5的铁磁齿轮。当测速齿轮转动时，传感器将产生频率f=pn/60(n为转速；p为齿轮齿数)的方波信号。该传感器内部有两个完全隔离的通道，同时输出两路方波供列车防空转、速度监控、车轮打滑、运行方向等进行采样检测。磁敏测速传感器工作原理如图1所示，外形如图2所示。

图1 磁敏测速传感器工作原理图

磁敏测速传感器由两个霍尔敏感器件和相匹配的电子测定装置组成。当电流通过霍尔敏感器件，垂直于电流方向施加磁场时，则垂直于电流和磁场的方向上产生霍尔电压，霍尔输出电压正比于电流和磁场的强度。因此，磁敏测速传感器的研制关键就是要保证在任何状况下霍尔电压的正确输出。为此，要研究解决以下四方面的问题：

（1）磁场（目标齿轮）调制与磁通量确定；

（2）霍尔敏感器件与目标齿轮的安装间隙必须控制在（0.9±0.5）mm 之内；

（3）满足铁道部制定的机车轴端测速传感器技术条件；

（4）满足铁道部制定的机车采集速度信号一转为200脉冲的规定。

解决上述问题所采用的技术方法：

（1）磁场是通过目标齿轮进行调制，故目标齿轮材质必须是低碳钢，保证有较强的磁通量而又没有磁滞。当电流加在霍尔敏感器件上，经过目标齿轮的齿顶或齿根时产生磁通量的变化，形成交流正弦波输出。

（2）霍尔电压的正常输出除了与磁场的材质有关以外，还与霍尔器件与之安装的间隙有关。当安装间隙过小时，易损坏霍尔敏感器件；当安装间隙过大时，输出的霍尔电压振幅丢失。为此，研制出一种集成信号反馈处理电路，对霍尔电压的失调、漂移提供最大可能的补偿和校正，这样就能适当降低安装间隙的苛刻要求。

（3）按铁道部制定的机车轴端测速传感器技术要求，磁敏传感器的工作温度范围为-40℃～＋70℃，并兼用极性保护、短路保护、瞬间浪涌电压的吸收。为了抗振，电路板采用SMT（表面装联贴片）工艺，波峰焊接、超声波清洗、压接和绕接技术，保证输出方波上升沿和下升沿的时间在≤10μs范围以内。

图2 磁敏速度传感器

3 安装方案比选与确定

铁道部对机车采集的速度信号规定一转为200个脉冲。按照目前国外的方法，磁敏速度传感器都安装在轴箱盖内侧。根据国内机车目前情况，要安装磁敏速度传感器就必须对机车轴箱盖进行重新设计。目标齿轮齿（梳）数为200个，安装间隙控制在（0.9±0.5）mm，选择齿轮直径：200×1.25（模数）＋1.25×2=252.5 mm，同时对齿轮的同心度、径向跳动都有严格的要求。为了满足上述精度要求，需采用中间过渡轴套的方案，使传感器与目标齿轮的安装间隙控制在（0.9±0.3）mm之间。

每一种机车的轴箱盖尺寸都不相同，若对每种机车均进行重新设计、改制，磁敏速度传感器的组装要依靠现场对轴箱盖和轴头目标齿轮的组装间隙来保证，难度大，对批量化改造更难以保证。为此须克服轴箱盖改造的弊端，并构思新的结构图，将磁敏测速传感器安置在类似光电速度传感器的外壳中，使磁敏速度传感器的安装具有通用性，便于在各类机车上安装，不仅能适应国内所有内电机车，还能适应采用光电传感器的动车。

4 解决的技术难点

（1）根据国外霍尔器件的技术要求，目标齿轮最小模数为0.5，才能感应出交流正弦波的电压。 起初采用华东师范大学纳米技术研究所的专用芯片，在试验台上能通过，但是一上机车抗干扰能力太差，停车状态机车显示有速度。经过试验分析，改进了电路，加强了电路的选频性能，更换了进口ALLEGRO公司生产的霍尔器件，电路抗干扰能力大为增加。

（2）因传感器外型尺寸大大缩小，大目标齿轮最小模数为 0.5，齿轮外径为 200×0.5＋2×0.5=101 mm，传感器安装在机车轴端上的安装尺寸仅φ130±0.2（4-φ9）。在这么狭小的空间如何确保霍尔器件和目标齿轮的几何角度安装和精密定位，是保证两个通道的相位差为90°±45°的前提。为保证外壳足够的机械强度，对传感器外壳作了增强设计。

（3）根据铁道部运输局2010年4月对动车传感器提出的绝缘等级要求，通道对外壳间承受的工频交流电压提高到3000V，历时1min的试验传感器无击穿或闪络现象。对有效空间减小的磁敏速度传感器来讲这是非常苛刻的。为此通过优化设计，改用高强度铝合金，选用尼龙绝缘材料套达到了上述要求。

5 试验与应用效果

5.1 机车运用情况

第一套磁敏测速传感器经DF11-411机车装车运用跟踪初期发现，在低速时有干扰脉冲出现。后针对上述情况及时改进了设计，于2009年8月重新装车后，运用至今一直非常稳定。第一套试制成功的磁敏测速传感器安装在DF11-411号机车第4轴，作为监控装置的备速，至2010年8月已试用近一年，共走行25万公里，无故障。2009年9月，第二套试制成功的磁敏测速传感器安装在SS8-0082号电力机车右2轴上，其第一通道供机车微机速度采集通道，第二通道作为监控备速通道，至2010年8月已装车行驶近30万公里，无故障。

上述2台机车属客运机车，运行速度在140 km/h,从监控地面分析软件看，速度值和光电传感器没有误差，提供给机车微机系统的速度信号也和车上其它光电传感器相一致。没有发生过速差现象。在小、辅修修程中，磁敏测速传感器经试验台测试检查，各项参数值正常。

5.2 动车运用情况

2010年5月4 日，根据铁道部运输局会议纪要要求，在CRH2-118机车上试安装2个磁敏测速传感器，运行中发现到了216 km/h速度以上速度信号就丢失，经分析其原因是由于动车速度信号接收传输通道采用二级光电隔离，和机车速度信号输入通道仅用一级隔离不同。经改进设计，在输出级增加了驱动能力，调整了输出信号的脉冲宽度。改进设计后动车试验216 km/h速度以上时，速度信号丢失这个现象消失了，现运用至2010年8月设备工作一直正常。

6 结束语

机车磁敏测速传感器作为一种新型的速度传感器，具有良好的测速性能。它克服了光电传感器光电模块易老化的缺点，具有良好的高速性能，测频特性达到20 kHz/h，在试验台上能稳定运行在500 km/h。同时它能够满足铁道部运输局所规定的机车轴端测速的各项技术指标，具有和光电传感器一样的机械外形、安装尺寸及电气接口参数，和现行光电传感器相同，具有良好的安装通用性、互换性。能适应目前我国运行的各种类型的机车和部分动车，能十分简便可靠地替换光电速度传感器或其他类型的轴端测速电机。作为一种新型的机车速度传感器，必将为提速机车轴端速度传感器的升级换代提供有力的技术支持。