智能傳感器及其在高速機(jī)車狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用
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傳統(tǒng)的監(jiān)測儀表以電信號的產(chǎn)生、傳輸、模擬處理和顯示（包括指針指示和數(shù)字顯示）為主來反映被測量的變化，存在著嚴(yán)重不足：結(jié)構(gòu)尺寸大，傳感器與儀表之間連線多，中間環(huán)節(jié)多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；輸入———輸出特性存在非線性，且隨時間漂移，存在交叉靈敏度；信噪比低，傳輸?shù)哪M信號易受外界噪聲干擾，測量結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性差。而智能傳感器賦予傳感器與微處理器以智能相結(jié)合，兼有信號檢測與信息處理的功能，它將檢測到的信號經(jīng)過變換處理后，以數(shù)字量形式通過現(xiàn)場總線與高／上位機(jī)進(jìn)行串行通訊，可以大大削減現(xiàn)場與高／上位機(jī)之間的一對一連接導(dǎo)線，簡化整個系統(tǒng)的布線和設(shè)計，節(jié)約初期安裝費(fèi)用。該類傳感器具有高精度、高可靠性和穩(wěn)定性、高信噪比和高分辨率及低的價格性能比等特點(diǎn)，在測量距離遠(yuǎn)、安裝空間小、測點(diǎn)多的高速機(jī)車狀態(tài)監(jiān)測和過程控制中具有廣闊的應(yīng)用前景。該文以DS1820型數(shù)字式溫度傳感器為例探討智能傳感器在高速機(jī)車軸溫監(jiān)測中的具體應(yīng)用［1］。
1 數(shù)字式溫度傳感器DS1820［2］
125℃，精度0．5℃。傳感器和上位機(jī)之間只須一根總線即可完成信息的讀寫，DS1820本身供電、數(shù)據(jù)的讀寫和溫度變換所需功率均來自于該總線，不需要額外的電源。每片DS1820均含有一個惟一的64位硅串行數(shù)，通過識別該碼可以區(qū)分不同的傳感器，因此可以在一根總線上掛接多個DS1820，由上位機(jī)通過選擇傳感器和硅串行數(shù)對選定的傳感器進(jìn)行讀、寫、啟動轉(zhuǎn)換和設(shè)置報警參數(shù)等操作，從而在結(jié)構(gòu)上大大簡化系統(tǒng)設(shè)計和安裝維護(hù)工作。傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外接引線如圖1—1所示。
TH、TL觸發(fā)器用于存儲用戶設(shè)定的溫度報警上、下限TH、TL值。
DS1820測溫原理如圖1—2所示。在DS1820內(nèi)部有兩個不同溫度系數(shù)的晶振，低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率隨溫度的變化而明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。－55℃對應(yīng)的一個基數(shù)值預(yù)置在計數(shù)器1和溫度寄存器內(nèi)，并由計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值加1，計數(shù)器1的預(yù)置值重新被裝入并再次進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2的值減到0為止，此時停止溫度寄存器的累加，其內(nèi)部數(shù)值即為當(dāng)前所測溫度。斜率累加器用來補(bǔ)償和修正測量過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值。
T＝A＋0．75－B／C
2 高速機(jī)車軸溫監(jiān)測系統(tǒng)［4］
機(jī)車速度的提高和牽引功率的增大，機(jī)車與鋼軌之間的沖擊、動力效應(yīng)和振動增大，必然會導(dǎo)致機(jī)車行走部分的軸箱軸承、牽引電機(jī)軸承、抱軸承和空心軸承的發(fā)熱增多。為了保障機(jī)車的高速安全運(yùn)行，開發(fā)研制了基于數(shù)字式智能溫度傳感器的軸溫監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)不同車型隨意增減測溫點(diǎn)數(shù)，實(shí)時顯示各測點(diǎn)的溫度，超標(biāo)時可聲光報警并記錄報警信息。
2．1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成
軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖2—1所示。為保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，傳感器與上位機(jī)之間采用了環(huán)形雙總線串行傳輸方式，當(dāng)一個總線因故障中斷時，可自動轉(zhuǎn)換到另一條總線工作，并有指示燈顯示，不會因某處中斷而影響系統(tǒng)工作。安裝在機(jī)車下部的傳感器、接線盒、接插件等都采用防塵、防水的密封結(jié)構(gòu)，性能可靠，對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。
2．2 系統(tǒng)軟件功能
系統(tǒng)的程序流程如圖2—2所示。
當(dāng)系統(tǒng)受到強(qiáng)干擾而出現(xiàn)程序混亂時，該軟件可自動復(fù)位、自行初始化后繼續(xù)正常工作。對因瞬態(tài)干擾而產(chǎn)生畸變的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件自動多次測量可以避免漏測和漏報警。
3 結(jié)論
采用上述軟硬件配置的高速機(jī)車軸溫監(jiān)測系統(tǒng)具有測溫精度高、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，完全可以滿足高速機(jī)車的需要。該系統(tǒng)已應(yīng)用在SS7D型高速機(jī)車（最高時速可達(dá)200km／h）上的軸溫監(jiān)測中，運(yùn)行結(jié)果證明了其可行性、高可靠性和實(shí)用性，也可應(yīng)用于其他類型的高速機(jī)車。
智能數(shù)字式溫度傳感器在高速機(jī)車狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，維護(hù)和更換部件更為簡單方便，降低了成本，在技術(shù)上較傳統(tǒng)的模擬式溫度測量有著明顯的優(yōu)勢。隨著傳感器集成化程度的提高，其智能化程度將得到更大的發(fā)展，信號采集、信號處理和信息融合、數(shù)據(jù)通訊的功能將更為強(qiáng)大，在高速機(jī)車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷及過程控制中將有更廣闊的應(yīng)用前景，為機(jī)車的安全高速運(yùn)行發(fā)揮更重要的作用。
參考文獻(xiàn)
［1］劉君華．智能傳感器系統(tǒng)［M］．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999．
［2］金偉正．單線數(shù)字溫度傳感器的原理與應(yīng)用［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2000，（7）：42－43．
［3］王廣志，吳穎，黃志光．?dāng)?shù)字式溫度傳感器與分布式溫度測量系統(tǒng)［J］．傳感技術(shù)學(xué)報，2001，14（1）：26
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