光电式速度传感器的工作原理及常见故障处理

宋霄薇，吕 艺

(1.河南科技大学，河南 洛阳 471003;

2.郑州铁路局，河南 郑州 450000)

LKJ2000型列车运行监控记录装置是在借鉴国内外列车超速防护及列车控制技术的基础上，结合我国铁路运输组织方式、运输设备技术状态而自行研发，具备自主知识产权的新型列车超速防护设备。该装置在列车运行时，按前方信号显示状态，根据列车速度计算走行距离并产生控制模式曲线。其速度信息来自安装在机车轮对轴头上的光电式速度传感器，目前以TQG15型较为常见。

1 工作原理

光电式速度传感器首先利用机械传动方式，将机车轮对的转动(转速)转变为光通量的变化，再通过光电转换元件将光通量的变化转换成电量变化，即把光脉冲变成电脉冲，通过对电脉冲的计数最终换算成列车运行速度。

光电转换元件的工作原理是光电效应，即当光照射某种物质时，若入射的光子能量hv足够大，致使电子逸出物质表面，或者电阻(电导率)发生变化，或者产生光生电动势的现象。

1.1 机械部分原理

光电式速度传感器通过转轴及万向联轴传动机构实现与机车车轴的紧密连接和同步转动，内部是由装在转轴上的带孔或光栅的旋转盘、光源、光接收器等主要部件组成。旋转盘与转轴紧固连接并随机车车轴同步转动，光源、光接收器安置在旋转盘两侧并固定在底座上。如图1所示。

图1 光电式速度传感器原理图

1.2 电气部分原理

光电式传感器的固定光源(发光二极管)与固定光接收器(光敏三极管)，均分别固封于传感器内部旋转片两侧、位置对应的两工作柱内，不能拆卸。机车车轴带动光电式速度传感器转轴同步转动时，光源发出的连续光(红外光)通过旋转盘上的通孔或光栅形成光脉冲并照射到光接收器上，由于光电效应，使光敏器件感光并产生电脉冲。转轴连续转动，光敏器件就输出一系列与转速及旋转盘上通孔/光栅数成比例的电脉冲数，电脉冲经后续处理电路的放大整形后，输出与转速成比例的方波脉冲序列。在通孔/光栅数一定的情况下，电脉冲数和转速成正比。其电气原理图如图2所示。

图2 光电式速度传感器电气原理图

为增加传感器的复用性，可在传感器内部同时设立若干组光源和光接收器以增加速度采样的通道数量，每组作为一个通道对外输出速度信号。

1.3 转速、速度计算

当旋转盘随转轴转动时，每转一周，光敏器件感应并输出与旋转盘通孔/光栅数相等的电脉冲个数，根据单位测量时间t(s)内的脉冲数N就可计算出机车轮对的转速n(转/s)为

式中，R为轮对的直径(m)。

2 常见故障及处理要点

对TQG15型光电式速度传感器在日常运用中发生的常见故障进行统计分析，有以下几种情况:

2.1 列车行驶时输出脉冲数减少(即速度偏低)

(1)旋转盘通孔/光栅有局部堵塞现象，即粉尘或油污等固体污染物堵塞了旋转盘的部分光缝，导致光敏三极管接收的光强度不够，从而引起光电转换时电脉冲的丢失。

(2)轴承损坏引起窜轴而导致方波波形占空比不稳定。

(3)输出信号幅度偏低。

2.2 列车行驶时输出脉冲断续，时有时无(即速度显示波动)

(1)传感器转轴与方孔套方孔打滑。

(2)传感器输出电缆线时断时通，与电连接器接触不良。

2.3 无速度

(1)由于传感器转轴断轴、转轴与车轴轴头方孔套中心方孔偏心过大、转轴轴承缺油而咬死、转轴方榫在方孔中卡死、传感器轴长尺寸不符而被顶断等机械原因造成传动失效。

(2)LKJ2000为光电式速度传感器提供的

式中，Z为旋转盘上的通孔/光栅数。

进而可以换算出列车运行的速度v 15VDC工作电源无输出、上车电缆或传感器电缆内断线、电连接器接触不良或损坏、电缆连线与模块连线脱焊等电源及连接电路故障造成速度传感器无工作电源。

2.4 停车有速度

(1)由于速度传感器自带电缆或上车电缆破皮铜线裸露受外界电磁干扰，造成信号窜入引起。

(2)上车电缆屏蔽层不良、屏蔽线接触不良或未接。

(3)上车电缆存在断线，停车时正好停在速度传感器输出高电平时，在机车或外界的震动下电缆时断时通。

2.5 维护与维修要点

在日常维护工作中应加强运行记录数据文件的检索分析和设备使用人员的信息收集，利用地面分析、测试手段及时发现、处理设备故障。对设备安装状态、外部裸露连接电缆和中间过渡设备进行定期检查，发现破损应及时更换。

在日常维修工作中应在无尘的环境中装拆传感器，绝对禁止在有灰尘和雾气的环境中装拆。拆盖后应用干净的布盖住光栅片和断续器。在维修过程中，切忌碰撞光栅片，且应轻拿轻放。不是模块的故障，不应随便松动模块的紧固螺钉。

3 结束语

光电式速度传感器是LKJ2000型列车运行监控装置中用于检测机车运行速度的重要组成设备，是监控装置防止列车冒进信号、运行超速事故的前提和保障。随着运输组织、列车运行监控装置技术的进一步发展，光电式速度传感器必须适应高速、重载的要求，适应多机型使用、抗干扰性能高的要求，使其在各种工作环境下保证正常的技术性能。

［1］杨志刚.LKJ2000型列车运行监控记录装置［M］.北京:中国铁道出版社，2003.

［2］杨志刚.列车运行监控记录装置［M］.北京:中国铁道出版社，1999.

［3］李陆新.机车轴端光电式转速传感器的改进设计［J］.机车电传动，2003(1):59－61.

［4］王雪文.传感器原理及应用［M］.北京:北京航天航空大学出版社，2004.

［5］陈安宇.医用传感器［M］.北京:科学出版社，2008.

［6］孙传友.感测技术基础［M］.北京:北京电子工业出版社，2006.