基于塑料光纤和棱镜结构的光纤式转速传感器

2016-07-04赵呈锐金晓峰倪大成

重庆邮电大学学报(自然科学版) 2016年3期

关键词：机车

赵呈锐，金晓峰，倪大成，王　飞

(1.浙江大学信息与电子工程学系，杭州 310027；2. 宁波南车时代传感技术有限公司，浙江宁波 315021)

基于塑料光纤和棱镜结构的光纤式转速传感器

赵呈锐1,2，金晓峰1，倪大成2，王飞2

(1.浙江大学信息与电子工程学系，杭州 310027；2. 宁波南车时代传感技术有限公司，浙江宁波 315021)

摘要：介绍了一种基于塑料光纤和棱镜结构的光纤式转速传感器，以提高机车轴端速度传感器的绝缘耐压等级和抗电磁干扰能力。传感器使用塑料光纤，以提高耐振动性能，并降低成本；在每个通道中使用2片直角棱镜以减小传感器体积；在一个模块中集成多组光纤，通过控制光缝的位置误差来控制通道之间的相位差，以简化制造工艺。试验结果表明，该传感器的测量性能满足要求，耐压等级被提高到10 000 V以上。

关键词：机车;转速测量;光纤传感器;码盘;直角棱镜;塑料光纤

0引言

速度是列车控制的重要参量，其精确、可测关系到列车运行的安全[1]。目前列车上的速度传感器分为转速传感器与绝对速度传感器两大类。转速传感器测量车轴、电机、齿轮等部位的转速，并按照一定的公式计算出列车速度。这种方法的优点是成本低廉、测量精度高、不受外部环境的影响；缺点是在车轮空转和打滑的情况下不能准确地反映机车的速度，同时传感器的故障率较高，为运行维护带来较大困难[2]。绝对速度传感器通过雷达测速仪等[2]测量列车相对于轨道的速度，这种方法的优点是避免了车轮空转和打滑的影响，同时由于采用了非接触式测量方式，传感器故障率较低；缺点是其价格较为高昂，约为普通转速传感器的几十倍，并且测量结果容易受到外界环境干扰。目前列车上以转速传感器为主，绝对速度传感器也开始应用。

列车上的转速传感器主要有磁电式[3-4]、光电式[5]和霍尔式[6]3种。其中光电式传感器原理简单、对安装精度要求低、测速精度高，在机车轴端速度测量中大量使用。该传感器在运行中也暴露出一些问题，例如抗电磁干扰能力较差，在电机启/停时偶而会产生误脉冲；耐压等级较低，当车轮接地不良时传感器可能会被高压击穿烧毁[7-8]。

光纤传感器通过光纤来测量和传输信号，具有良好的绝缘特性和抗干扰能力，特别适用于高压和强电磁干扰环境。目前主要有2类光纤速度传感器，一类为光纤多普勒速度传感器[9]，它利用光纤作为传输介质，通过被测目标使光产生多普勒频移来测量速度，这种传感器结构复杂，价格昂贵，不适用于机车轴端测速；另一类为光纤式编码器，它利用码盘来调制2根光纤之间的光路通断实现转速测量[10-11]，这种传感器结构简单，价格低廉，尤其适合机车轴端速度测量。

光纤编码器存在光耦合效率较低的问题，有人采用基于石英光纤的光纤准直器来提高耦合效率[12-14]，但体积较大，成本较高。本文提出一种基于塑料光纤和直角棱镜的六通道光纤式机车轴端转速传感器，可有效减小传感器的成本和体积，同时还具有集成通道数多、易于维护等特点。

1传感器原理与设计

光纤转速传感器主要由轴端组件和光纤组件组成，基本结构如图1所示。轴端组件安装在机车轴端，实现转速的传递功能；光纤组件一端与轴端组件相连接，另一端与上车电缆相连接，实现转速的测量功能。光纤组件分为测量模块和电路模块2个部分。在测量中，电路模块中的LED发出的光通过光纤传输到测量模块，经过棱镜的反射后穿过光栅片，经过另一片棱镜的二次反射后通过光纤传回到电路模块中被光电二极管PD探测到，并通过信号处理电路转换为频率与转速成正比的方波信号，通过上车电缆传输到列车控制系统中。测量模块被设计成插头的形式插入到轴端组件中，这样具有易于组装与维护的特点。这样设计，一方面使得对电磁干扰及高压敏感的测量电路远离了环境恶劣的机车轴端，另一方面不改变目前已安装光电转速传感器的列车的安装方式，具有较好的通用性。

1.1测量模块设计

在码盘式光纤转速传感器中，光需要在自由空间中传输一段距离，导致光耦合效率较低。要实现有效探测有2个途径：增强光源功率及对弱光信号进行放大。光源功率不能无限制地增加，因为列车控制系统对输出电流有限制，要求每通道的电流小于50 mA；对弱光信号进行放大则会增大信号处理电路的复杂性，降低可靠性，并占用较大体积。采用透镜结构的光纤准直器可有效提高光耦合效率，但其高度较高，会增大传感器的整体高度；其直径较大，难以在一个传感器中集成较多的通道，限制了传感器的应用范围。

图1　传感器的基本结构Fig.1　Basic structure of sensor

本文所述传感器采用塑料光纤，其通光面积远大于石英光纤，在同样的端面距离条件下无需使用光纤准直器即可获得足够高的耦合效率。此外塑料光纤还具有光源耦合较为容易、抗振动和弯曲能力强、成本较低等优点，其衰减系数较高的缺点在短距离的光纤传感中影响甚微。

由于光纤最小弯曲半径的影响，使用塑料光纤后传感器仍然有较高的高度。为减小传感器体积，传感器在测量模块中采用两片直角棱镜来压缩纵向高度，由此带来的缺点是增加了光在自由空间中传输的距离。因此，有必要对光路的耦合效率进行计算和测试，以确定设计是否有效。

1.1.1光路的耦合效率

图2为光路的耦合示意图，LED发出的光功率Pi耦合进入发射光纤，传递到轴端后通过一对棱镜反射进入接收光纤中，经过传播后有功率为Po的光被探测器接收到。在整个传输过程中，光会发生衰减，例如光在光纤接头处会由于端面反射发生衰减，该衰减值的大小是由纤芯材料的折射率以及光纤接头的研磨工艺决定的，这里我们假定所有光纤接头处的衰减比一致，都为ηn；光在光纤中传输时会由于光纤材料的吸收而发生衰减，该衰减值的大小由光纤的长度、材质和制造工艺决定，这里我们假定2根光纤的长度相同，衰减比也相同，为ηo；在自由空间中，光在一个锥形角内散射开来，接收光纤只能接收到锥角中的一部分光，由此产生的衰减比为ηc，其大小由自由空间的光程决定。考虑以上所有的衰减因素，探测器接收到的光功率为

(1)

(1)式中，ηn和ηo已知，Pi和ηc不确定。下面对不确定的2个参数进行推导。

图2　传感器光路示意图Fig.2　Schematic diagram of optical path

如图2所示，假设光源LED的端面紧贴光纤端面，LED的半径为rled，光纤纤芯的半径为r，这样发光点发出的光到达光纤的最大角度为

(2)

设光纤的接收角为θa，LED发射角为θe，那么射入光纤的光线的最大角度θin为

(3)

这样光纤接收到的光的立体角为

(4)

假设LED的出射光强分布为Iled，那么光纤接收到的光通量为

(5)

一般来说LED的光强主要集中在前向，服从类似余弦分布。由于θin的值很小，可近似认为LED的光强分布为均匀分布，这样光纤接收的光通量为

(6)

将光通量转换为光能量，可得

(7)

(7)式中，Vλ为发光波长处的视觉效率。

对于ηc，根据理论可知，光纤端面射出的光在空间中的光强分布类似高斯分布

(8)

(8)式中：Po1为发射光纤的出射功率；ρ为所考察的点与光斑中心的距离；ω(z)为高斯光束在距离z处的光斑半径，如果将出射光考虑为直线，其表达式为

(9)

(9)式中，θf为光纤的出射角，它与光纤的数值孔径NA之间的关系为

θf=arcsinNA

(10)

这样光斑半径可表示为

(11)

由于接收光纤的直径r相对于2根光纤之间的距离z来说非常小，因此接收光纤接收到的光强可视为均匀的，这样我们完全可以用中心处的光强值来表示光纤接收的光强值

(12)

这样自由空间的光耦合效率为

(13)

为了对理论计算结果进行验证，我们搭建了一套实验系统，利用L7104SRC-J4作为光源，调节该LED的驱动电流为20 mA，此时其理论输出光强为4.5 cd；该LED的中心波长为650 nm，视觉效率为0.107，发入射角为17°。将此LED紧贴一根1 m长的发射光纤进行输入，光纤的纤芯直径为1 mm，数值孔径为0.5，在650 nm处的衰减为0.2 dB/m，每个接头的损耗为2.8 dB。将发射光纤的输出端与另一根接收光纤的输入端对齐，调节2根光纤端面之间的距离，使用光功率计对650 nm处的光强进行测量，并将测量结果与(1)式作对比，如图3所示。从图3中可知，当z>2mm时，理论计算与实际测试结果基本一致。图3中还给出了使用自带施密特触发器的光探测器SFH5440的探测灵敏度下限，可以看出光路的耦合效率完全可以满足要求，无需采取其它措施提高光探测效率。在电路的设计中尽可能使用集成器件，可降低设计难度，控制成本，提高可靠性。

图3　传感器的理论输出功率与测试结果对比Fig.3　Theoretical output power vs. tested results

1.1.2相位差的控制

为了辨别列车行进的方向，列车控制系统要求传感器输出2路相位差为90°的信号，并对相位差的误差作出了严格规定，要求其误差不大于30°。在光电速度传感器中，相位差是通过工人手工调节2个光电模块之间的位置差来控制，这种方式效果较好，但极为费时费力。在光纤转速传感器中，由于光纤的最小弯曲半径要求，无法在狭小空间中通过几个分立模块的手工调节来控制相位差，这里我们通过精确控制光缝的位置以及各零件的装配误差来控制相位差的误差。

传感器在棱镜下方设置直径与光栅栅孔宽度相同的光缝，以限制光束宽度。如图4所示，为了便于光纤端面的研磨，所有的光缝位于距离传感器轴心O距离为d的一条直线上，光缝孔中心之间的夹角分别为θ1—θ5。令光栅上相邻栅孔之间的夹角为θg，当相位差误差为0时，θ1—θ5这5个夹角相等，且除以θg得到的余数为θg的1/4倍。这样相位差φn的计算公式可表示为

(14)

(14)式中，φn的单位为弧度。相位差误差由2个因素决定，一是光缝之间的夹角误差，这一误差很容易通过高精度的激光加工来控制，其对相位差的影响可忽略不计；二是光缝与主轴之间的安装误差，由于配合关系复杂，这一误差较难控制，是相位差超差的主要原因。为了分析光缝的装配误差对相位差的影响，我们计算了在不同的x，y误差下5个相位差的误差最大值，结果如图5所示。根据对数据表的分析可知，光缝的位置误差只需要满足(-0.4

图4　光缝位置示意图Fig.4　Position of the optical slit

1.2电路模块设计

光纤转速传感器中包含6个测量通道，根据列车控制系统的要求，这6个通道互相隔离，互不影响，以提高系统冗余度。各通道电路模块图如图6所示，列车为传感器提供15 V直流电源，由于网压不稳定等因素，该电压可能会在12—30 V波动。保护电路为传感器内部电路提供保护，防止浪涌、脉冲群、静电、电源反接等外界因素损坏电路。供电电路将不稳定的外部电压转换为+5 V电压供光源和探测器使用。光源LED的驱动电流通过一个可调电位器Rp在3—26 mA进行调节，在传感器的出厂调试中，需调节Rp的阻值，从而使传感器输出方波信号的占空比为50%。光探测器选用了一片内部带放大和施密特触发功能的集成IC，这样可极大地简化信号的放大与调理电路。光探测器输出0—5 V的方波，并通过电平转换电路转换为电平与输入电压相匹配的方波。输出信号通过JL系列专用连接器与上车电缆相连接。

图5　不同光缝位置误差时的相位差最大误差Fig.5　Phase differences’ max errors with differentoptical slit’s position errors

图6　单通道电路模块图Fig.6　Schematic diagram of circuit in each unit

在实际的电路设计中，为了减小电路所占的体积，传感器中6个通道的光源和探测器被集中在一块电路板上，称为光电电路板，该电路板与光纤接头相匹配，垂直于光纤轴线布置；电源及电平转换电路则分别布置在3块电路板上，每块电路板2个通道，称为信号电路板，该电路板垂直于光纤端面布置，方便连接光电电路板及电连接器。电路板之间需进行灌胶，以提高传感器的耐振动性能。

2试验结果

光纤转速传感器样机如图7所示，根据铁标要求，需对传感器进行型式试验，试验内容包括性能试验、绝缘耐压试验、高低温试验、振动冲击试验、电磁兼容性试验等。下面仅对几项主要的试验结果进行描述。

图7　光纤转速传感器试验照片Fig.7　Photograph of the optical fiber rotationalspeed sensor in test

2.1性能试验

对传感器的基本测量性能进行考察，考察内容包括空载功耗电流、占空比、相位差，试验结果分别如表1和表2所示。从表1及表2中可以看出，传感器中每个通道的功耗电流均小于50 mA，占空比处于50±10%，相位差都处于90°±30°，均符合传感器技术规格书的要求。

表1　传感器的空载功耗电流和占空比

表2　传感器各通道之间相位差(单位°)

2.2绝缘耐压试验

绝缘耐压试验的试验方法为，用直流500 V兆欧表测量各通道的信号端对轴端结构外壳的绝缘电阻，然后对信号端与轴端结构外壳之间施加50 Hz，10 000 Vrms工频交流电压，历时1 min的耐电压测试，测试完成后再次测量绝缘电阻。在测试过程中，绝缘电阻均超过兆欧表的最大测量量程500 MΩ，符合绝缘电阻应大于50 MΩ的合格判据，同时传感器在试验过程中也未发生击穿和闪络现象。

2.3振动冲击试验

根据相关标准要求，光纤转速传感器应在通电状态下进行振动冲击试验。试验分2次进行，第1次将传感器的轴端部分安装在振动台上，在通电状态下按GB/T21563中规定的2类转向架安装的要求进行振动试验；第2次将传感器的电路部分的连接器连接到振动台上固定的插座上，在通电状态下按GB/T21563中规定的1类A级车体安装的要求进行振动试验。每次实验完成后，都对传感器的电性能进行复测，结果表明传感器仍然能够正常工作。但对传感器进行拆解后发现，石英玻璃材质的直角棱镜边缘发生了破损现象，如图8所示；电连接器的漆面发生了磨损现象，如图9所示。

图8　边缘发生破损的棱镜Fig.8　Prism with broken edge

对于棱镜破损问题，可通过采用不易破碎的塑料棱镜来解决。随着材料与工艺的进步，光学塑料在照明行业大量使用，其透光性稍弱于光学玻璃，但其成本、韧性、可加工性均强于光学玻璃，可较好地解决棱镜破损问题。对于电连接器磨损问题，可通过在机车底部加装支架对电路部分外壳进行固定来解决。

图9　发生磨损的连接器Fig.9　Wore connector

3结束语

本文提出了一种低成本、高可靠性的光纤式转速传感器，该传感器通过光纤传输来提高传感器的耐压等级与抗干扰能力，并通过选用直角棱镜、塑料光纤等措施来提高光耦合效率，从而简化了传感器结构，降低了成本。对该传感器进行性能试验和型式试验的结果表明，传感器的测量性能满足机车测速要求，但耐振动能力还需进行改进。该传感器能够解决目前光电速度传感器耐压等级较低的缺点，具有较好的应用前景。

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Optical fiber rotational speed sensor based on plastic optical fiber and optical prism

ZHAO Chengrui1,2, JIN Xiaofeng2, NI Dacheng2, WANG Fei2

(1. Department of Information Science & Electronic Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, P.R.China;2. Ningbo CSR Times Transducer Technique Co., Ltd, Ningbo 315021, P.R.China)

Abstract:An optical fiber rotational speed sensor based on plastic optical fiber and optical prism was proposed, in order to improve the insulation level and anti-electromagnetic interference capability of the rotational speed sensor at axle end of locomotive. Plastic optical fiber was used in this sensor to improve the sensor’s anti-vibration capability, and reduce the cost; two rectangular prisms were used in each unit to reduce the bulk; several pairs of fiber were integrated in one unit, and the position errors between the optical streaks were restricted to get proper phase differences, so the manufacture process has been simplified. The experimental results showed that the sensor’s performance can fulfill the requirements, and the sensor’s breakdown voltage has been improved higher than 10 000 V.

Keywords：locomotive; rotational speed measurement; optical fiber sensor; code plate; rectangular prism; plastic optical fiber

DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.03.017

收稿日期：2015-04-27

修订日期：2015-12-05通讯作者：赵呈锐zhaocr@csrzic.com

中图分类号：TN209；TP212；U260.5

文献标志码：A

文章编号：1673-825X(2016)03-0383-06

作者简介：