光電式速度傳感器的工作原理及常見故障處理

宋霄薇，呂 藝

(1.河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471003;

2.鄭州鐵路局，河南 鄭州 450000)

LKJ2000型列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置是在借鑒國內(nèi)外列車超速防護(hù)及列車控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國鐵路運(yùn)輸組織方式、運(yùn)輸設(shè)備技術(shù)狀態(tài)而自行研發(fā)，具備自主知識產(chǎn)權(quán)的新型列車超速防護(hù)設(shè)備。該裝置在列車運(yùn)行時(shí)，按前方信號顯示狀態(tài)，根據(jù)列車速度計(jì)算走行距離并產(chǎn)生控制模式曲線。其速度信息來自安裝在機(jī)車輪對軸頭上的光電式速度傳感器，目前以TQG15型較為常見。

1 工作原理

光電式速度傳感器首先利用機(jī)械傳動(dòng)方式，將機(jī)車輪對的轉(zhuǎn)動(dòng)(轉(zhuǎn)速)轉(zhuǎn)變?yōu)楣馔康淖兓?，再通過光電轉(zhuǎn)換元件將光通量的變化轉(zhuǎn)換成電量變化，即把光脈沖變成電脈沖，通過對電脈沖的計(jì)數(shù)最終換算成列車運(yùn)行速度。

光電轉(zhuǎn)換元件的工作原理是光電效應(yīng)，即當(dāng)光照射某種物質(zhì)時(shí)，若入射的光子能量hv足夠大，致使電子逸出物質(zhì)表面，或者電阻(電導(dǎo)率)發(fā)生變化，或者產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的現(xiàn)象。

1.1 機(jī)械部分原理

光電式速度傳感器通過轉(zhuǎn)軸及萬向聯(lián)軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與機(jī)車車軸的緊密連接和同步轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)部是由裝在轉(zhuǎn)軸上的帶孔或光柵的旋轉(zhuǎn)盤、光源、光接收器等主要部件組成。旋轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)軸緊固連接并隨機(jī)車車軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，光源、光接收器安置在旋轉(zhuǎn)盤兩側(cè)并固定在底座上。如圖1所示。

圖1 光電式速度傳感器原理圖

1.2 電氣部分原理

光電式傳感器的固定光源(發(fā)光二極管)與固定光接收器(光敏三極管)，均分別固封于傳感器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)片兩側(cè)、位置對應(yīng)的兩工作柱內(nèi)，不能拆卸。機(jī)車車軸帶動(dòng)光電式速度傳感器轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光源發(fā)出的連續(xù)光(紅外光)通過旋轉(zhuǎn)盤上的通孔或光柵形成光脈沖并照射到光接收器上，由于光電效應(yīng)，使光敏器件感光并產(chǎn)生電脈沖。轉(zhuǎn)軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，光敏器件就輸出一系列與轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)盤上通孔/光柵數(shù)成比例的電脈沖數(shù)，電脈沖經(jīng)后續(xù)處理電路的放大整形后，輸出與轉(zhuǎn)速成比例的方波脈沖序列。在通孔/光柵數(shù)一定的情況下，電脈沖數(shù)和轉(zhuǎn)速成正比。其電氣原理圖如圖2所示。

圖2 光電式速度傳感器電氣原理圖

為增加傳感器的復(fù)用性，可在傳感器內(nèi)部同時(shí)設(shè)立若干組光源和光接收器以增加速度采樣的通道數(shù)量，每組作為一個(gè)通道對外輸出速度信號。

1.3 轉(zhuǎn)速、速度計(jì)算

當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)一周，光敏器件感應(yīng)并輸出與旋轉(zhuǎn)盤通孔/光柵數(shù)相等的電脈沖個(gè)數(shù)，根據(jù)單位測量時(shí)間t(s)內(nèi)的脈沖數(shù)N就可計(jì)算出機(jī)車輪對的轉(zhuǎn)速n(轉(zhuǎn)/s)為

式中，R為輪對的直徑(m)。

2 常見故障及處理要點(diǎn)

對TQG15型光電式速度傳感器在日常運(yùn)用中發(fā)生的常見故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，有以下幾種情況:

2.1 列車行駛時(shí)輸出脈沖數(shù)減少(即速度偏低)

(1)旋轉(zhuǎn)盤通孔/光柵有局部堵塞現(xiàn)象，即粉塵或油污等固體污染物堵塞了旋轉(zhuǎn)盤的部分光縫，導(dǎo)致光敏三極管接收的光強(qiáng)度不夠，從而引起光電轉(zhuǎn)換時(shí)電脈沖的丟失。

(2)軸承損壞引起竄軸而導(dǎo)致方波波形占空比不穩(wěn)定。

(3)輸出信號幅度偏低。

2.2 列車行駛時(shí)輸出脈沖斷續(xù)，時(shí)有時(shí)無(即速度顯示波動(dòng))

(1)傳感器轉(zhuǎn)軸與方孔套方孔打滑。

(2)傳感器輸出電纜線時(shí)斷時(shí)通，與電連接器接觸不良。

2.3 無速度

(1)由于傳感器轉(zhuǎn)軸斷軸、轉(zhuǎn)軸與車軸軸頭方孔套中心方孔偏心過大、轉(zhuǎn)軸軸承缺油而咬死、轉(zhuǎn)軸方榫在方孔中卡死、傳感器軸長尺寸不符而被頂斷等機(jī)械原因造成傳動(dòng)失效。

(2)LKJ2000為光電式速度傳感器提供的

式中，Z為旋轉(zhuǎn)盤上的通孔/光柵數(shù)。

進(jìn)而可以換算出列車運(yùn)行的速度v 15VDC工作電源無輸出、上車電纜或傳感器電纜內(nèi)斷線、電連接器接觸不良或損壞、電纜連線與模塊連線脫焊等電源及連接電路故障造成速度傳感器無工作電源。

2.4 停車有速度

(1)由于速度傳感器自帶電纜或上車電纜破皮銅線裸露受外界電磁干擾，造成信號竄入引起。

(2)上車電纜屏蔽層不良、屏蔽線接觸不良或未接。

(3)上車電纜存在斷線，停車時(shí)正好停在速度傳感器輸出高電平時(shí)，在機(jī)車或外界的震動(dòng)下電纜時(shí)斷時(shí)通。

2.5 維護(hù)與維修要點(diǎn)

在日常維護(hù)工作中應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)文件的檢索分析和設(shè)備使用人員的信息收集，利用地面分析、測試手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理設(shè)備故障。對設(shè)備安裝狀態(tài)、外部裸露連接電纜和中間過渡設(shè)備進(jìn)行定期檢查，發(fā)現(xiàn)破損應(yīng)及時(shí)更換。

在日常維修工作中應(yīng)在無塵的環(huán)境中裝拆傳感器，絕對禁止在有灰塵和霧氣的環(huán)境中裝拆。拆蓋后應(yīng)用干凈的布蓋住光柵片和斷續(xù)器。在維修過程中，切忌碰撞光柵片，且應(yīng)輕拿輕放。不是模塊的故障，不應(yīng)隨便松動(dòng)模塊的緊固螺釘。

3 結(jié)束語

光電式速度傳感器是LKJ2000型列車運(yùn)行監(jiān)控裝置中用于檢測機(jī)車運(yùn)行速度的重要組成設(shè)備，是監(jiān)控裝置防止列車冒進(jìn)信號、運(yùn)行超速事故的前提和保障。隨著運(yùn)輸組織、列車運(yùn)行監(jiān)控裝置技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，光電式速度傳感器必須適應(yīng)高速、重載的要求，適應(yīng)多機(jī)型使用、抗干擾性能高的要求，使其在各種工作環(huán)境下保證正常的技術(shù)性能。

［1］楊志剛.LKJ2000型列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置［M］.北京:中國鐵道出版社，2003.

［2］楊志剛.列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.

［3］李陸新.機(jī)車軸端光電式轉(zhuǎn)速傳感器的改進(jìn)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2003(1):59－61.

［4］王雪文.傳感器原理及應(yīng)用［M］.北京:北京航天航空大學(xué)出版社，2004.

［5］陳安宇.醫(yī)用傳感器［M］.北京:科學(xué)出版社，2008.

［6］孫傳友.感測技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:北京電子工業(yè)出版社，2006.