CN111856064A - 一种智能速度传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能速度传感装置，包括测速齿盘、速度敏感元件组、标准信号发生器、信号调理电路、多路信号转换器、微处理器和通信模块；测速齿盘与速度敏感元件组配合设置并通过速度敏感元件组同时采集测速齿盘的运动状态信号；采集测速齿盘的转速信号后，及时通过设置于采集信号位置的本地信号处理设备进行处理，避免了原始模拟信号长距离远端传输时易受到信号干扰的问题，采用处理后的可靠性较高的数字信号进行远距离传输，提供本地化高精度、低时延、直接数字化轮轴转速值、车辆速度值以及轮轴空转滑行状态输出。同时，采用传感器组获取信号，避免单一传感器无法更多地感知轮轴状态的缺点，增加多类型的传感器资源，实现空间或时间上的信息互补。
Description
技术领域
本发明涉及智能传感装置技术领域，特别是一种智能速度传感装置。
背景技术
速度控制是高速列车安全运行控制系统的核心，是提高运输效率，保证轨道交通车辆行车安全、舒适、高效、正点、节能的关键，其中车载测速传感器是速度控制最为基础和关键的子模块，其提供的速度信息是保证轨道交通车辆精确控制的决定性参数，无论是车载中央控制单元(CCU)、牵引控制单元(TCU)、制动控制单元(BCU)还是自动防护系统(ATP)等，都对车载测速传感器的测速精度和安全可靠性提出了极高的要求。
目前，应用于轨道交通车辆测速的传感器主要有霍尔转速传感器、光电转速传感器和磁电转速传感器。无论采用哪种类型的传感器，其主要形式都是利用敏感元件产生频率与轮轴转速成正比的脉冲信号，并将该模拟信号直接长距离传输到列控系统，由列控系统二次处理后得到速度值。
如图1所示，为霍尔式转速脉冲传感器，其工作原理如下：脉冲转速传感器与测速齿盘的齿轮正对，测速齿盘则与轮轴相连，当齿轮接近磁铁时，磁力线就会集中到齿轮的齿部，并随齿轮旋转发生变化。磁力线的移动变化经磁阻元件检测和电路处理后转变为脉冲信号输出，将车辆轮轴转动角速度转换为电脉冲信号计数频率，通过正比关系和轮径参数可以计算车辆速度，在未发生空转滑行的情况下精度较高，但如果在轨道交通车辆运行过程中由于电磁干扰或其他原因导致速度传感器的信号输出异常，则可能威胁到轨道交通车辆的安全运行。
除此之外，传统的速度传感器只具有感知环境，输出模拟信号的功能，测量精度和抗干扰能力受限于硬件环境，且一般也不具备智能化自诊断、自校正等功能，无法满足智能化轨道交通车辆的发展需求。
传统的列车运行速度和走行距离是通过感应测速齿盘的转动情况，输出脉冲信号，列控车载系统在远端接收脉冲信号，调理并计算得到测速齿盘的转动角速度，结合齿轮传动比及车轮轮径进行计算，这种测速测距方式的缺点是由于电磁干扰或其他原因导致速度传感器的信号输出异常或者轨道交通车辆出现空转或滑行情况，得到的测量结果就会出现较大的误差，此时车轮的转速无法正确反映列车的实际运行速度，且在车辆运行前不具备速度传感器故障自检功能。
所以，研制高精度、高可靠性、具备智能化自诊断功能的智能速度传感装置对轨道交通车辆的性能提升具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种智能速度传感装置，应用于轮轴式机车、地铁、高速列车等轨道交通车辆的速度状态智能监测。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供的智能速度传感装置，包括测速齿盘、速度敏感元件组、标准信号发生器、信号调理电路、多路信号转换器、微处理器、通信模块；
所述测速齿盘与速度敏感元件组配合设置并通过速度敏感元件组同时采集测速齿盘的运动状态信号；
所述标准信号发生器，用于产生标准电压、零点标准值以及固定频率的标准信号；
所述信号调理电路，用于对采集到的运动状态信号进行预处理得到预设相位相差的数字脉冲信号；
所述多路信号转换器分别与信号调理电路、标准信号发生器和微处理器连接；
所述多路信号转换器在微处理器的控制下分时段选通标准电压、零点标准值以及固定频率的标准信号；
所述微处理器通过对数字脉冲信号和标准信号的分析得到测速齿盘的运动状态；
所述通信模块与微处理器连接用于发送经过微处理器处理的信息。
进一步，所述速度敏感元件组包括至少三个速度传感器组成的测量单元，所述各速度传感器同时采集到信号的相位相差间隔相等。
进一步，所述微处理器模块设置有异常值判断单元，所述异常值判断单元是按照以下步骤来进行的：
计算各速度传感器同时采集到的信号的置信区间；
判断当前数据是否在置信区间内，如果是，则正常值；如果否，则为异常值；
确定异常值出现的速度传感器通道并统计各速度传感器出现异常值的次数；
判断出现异常值的次数是否超过预设阈值，如果是，则该速度传感器通道判断为数据故障通道，并置位此通道传感器状态位故障，不再使用此故障通道的数据。
进一步，所述微处理器模块设置有电路工作状态判断单元，所述电路工作状态判断单元是按照以下步骤来进行的：
判断当车辆静止停放时通过微处理器控制智能速度传感装置进入自检模式；
微处理器控制多路转换器选通标准信号发生器产生的固定频率信号f；
微处理器采集固定频率信号f计算得到模拟转速值；
判断计算后的模拟转速值与存储在存储器中的标准参考值的差值是否在预设范围内，如果差值在预设范围内，则自检通过，否则认为智能速度传感装置数字电路部分是处于异常状态；
通过通信模块发出异常警告。
进一步，所述微处理器模块设置有空转判断单元，所述空转判断单元是按照以下步骤来进行的：
获取车辆状态信号；
根据车辆状态信号判断车辆是否处于牵引状态，如果否，则继续获取车辆状态信号；如果是，则按照以下步骤进行处理：
获取从速度传感信号结合轮径参数处理后得到的轮轴速度信号Va，
获取从加速度传感信号处理后得到的车辆速度信号Vb，
根据以下公式计算蠕滑率：
判断蠕滑率是否超过预设阈值，如果是，则轮轴发生空转；并发出空转预警信息；
通过通信模块传输空转预警信号。
进一步，所述微处理器模块设置有滑行判断单元，所述滑行判断单元是按照以下步骤来进行的：
获取车辆状态信号；
根据车辆状态信号判断车辆是否处于制动状态，如果否，则继续获取车辆状态信号；如果是，则按照以下步骤进行处理：
获取从速度传感信号结合轮径参数处理后得到的轮轴速度信号Va，
获取从加速度传感信号处理后得到的车辆速度信号Vb，
根据以下公式计算蠕滑率：
判断蠕滑率是否超过预设阈值，如果是，则轮轴发生滑行；并发出滑行预警信息；
通过通信模块传输滑行预警信号。
进一步，还包括存储模块；所述存储模块与微处理器连接用于存储车辆运行状态、轮径参数以及标准参数。
进一步，还包括电源供电模块；所述电源供电模块分别与多路信号转换器、微处理器和通信模块连接用于提供电能。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的智能速度传感装置，该装置采集测速齿盘的转速信号后，及时通过设置于采集信号位置的本地信号处理设备进行处理，避免了原始模拟信号长距离远端传输时易受到信号干扰的问题，采用处理后的可靠性较高的数字信号进行远距离传输，提供本地化高精度、低时延、直接数字化轮轴转速值、车辆速度值以及轮轴空转滑行状态输出。
同时，采用传感器组获取信号，避免单一传感器无法更多地感知轮轴状态的缺点，增加多类型的传感器资源，实现空间或时间上的信息互补。
本装置具有高精度、高稳定性、智能化自检、自校正、自补偿和自诊断等特点，轮轴式速度传感器目前是列车测速测距的首选设备，广泛用于轨道交通车辆的列控车载系统中进行车速测定，通过本装置可优化现有列车控制系统的架构，减轻车载控制单元的计算负荷、进一步实现车载控制单元的小型化和分布式控制。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为霍尔式转速脉冲传感器原理图。
图2为硬件原理框图。
图3为测速齿盘顺时针旋转时的关系图。
图4为测速齿盘逆时针旋转时的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本实施例提供的一种智能速度传感装置，该装置以轮轴速度传感元件和加速度传感元件为基础，利用微处理器在本地直接进行信号滤波、数据处理的混合轨道交通车辆速度评估方法，并通过串行接口以数字信号的形式直接输出轨道交通车辆当前轮轴转速、车辆速度以及当前被测车轮的空转或滑行状态。
如图2所示，为智能速度传感装置的硬件原理框图，包括敏感元件、信号调理电路、标准信号发生器、多路信号转换器、微处理器、存储模块、通信模块和电源供电模块；
所述测速齿盘与速度敏感元件组配合设置并通过速度敏感元件组同时采集测速齿盘的运动状态信号；
所述标准信号发生器，用于产生标准电压、零点标准值以及固定频率的标准信号；
所述信号调理电路，用于对采集到的运动状态信号进行预处理得到预设相位相差的数字脉冲信号；
所述多路信号转换器分别与信号调理电路、标准信号发生器和微处理器连接；
所述多路信号转换器在微处理器的控制下分时段选通标准电压、零点标准值以及固定频率的标准信号；
所述微处理器通过对数字脉冲信号和标准信号的分析得到测速齿盘的运动状态，可计算得到轮轴转速ω＝f/N，其中f为速度敏感元件输出的脉冲信号频率，N为车轮每转测速齿盘的齿数，结合网络接收到的轮径参数D，可进一步计算得到车辆速度V＝3.6πDωkm/h；
所述通信模块与微处理器连接用于发送经过微处理器处理的信号。经过微处理器处理的信号包括计算后的车辆速度信号、预判的轮轴空转/滑行状态以及速度传感装置的健康状态。
所述存储模块与微处理器连接用于存储车辆运行状态(牵引、制动或惰行)、轮径参数以及标准参数等。
所述电源供电模块分别与多路信号转换器、微处理器和通信模块连接用于提供电能。
本实施例提供的敏感元件包括霍尔元件组(多通道速度传感器，也可以根据实际情况选择四个或五个速度传感器作为霍尔元件组)、惯性元件(加速度传感器)和温度敏感元件(温度传感器)，分别用于采集速度脉冲信号、加速度信号以及环境温度信号；出于硬件冗余的考虑，预设能产生一定相位相差信号的多通道霍尔传感器，多通道速度传感器分别对应传感通道A、B、C，三路通道同时采集。
本实施例设置的相位相差可以选择60度，多通道霍尔传感器选择由三个元件构成的多通道速度传感器，也可以选择由四个或五个霍尔元件构成的多通道速度传感器，具体的相位差可以根据实际情况进行确定，以适于各速度传感器之间依次设置有一定的相位差。
如图3和图4所示，分别为测速齿盘顺时针旋转和逆时针旋转时的输出波形，根据输出波形脉冲上升沿先后顺序判断测速齿盘的旋转方向，具体如下：
当三通道传感器和测速齿盘的安装位置以及输出波形如图3所示时，说明C通道先于B通道、B通道先于A通道测得脉冲上升沿，说明此时测速齿盘是顺时针旋转；当三通道传感器和测速齿盘的安装位置以及输出波形如图4所示时，说明A通道先于B通道、B通道先于C通道测得脉冲上升沿说明此时测速齿盘是逆时针旋转；
一方面，微处理器通过对三路信号中任意两路信号的相位差识别，可以确定轮轴的正、反转向；
另一方面，三路通道分别实时采集和计算各传感器的数据，采用三取二的容错处理判断当前数据是否在置信区间内，从而确定此通道传感器是否有异常值；若有持续异常值，则判断此通道传感器数据故障，并置位此通道传感器状态位故障，不再使用此故障通道的数据。
本实施例提供的信号调理电路主要完成对原始采集信号的放大、一级硬件滤波及线性化处理；
本实施例提供的标准信号发生器用于产生标准电压、零点标准值以及固定频率信号，
一方面，微处理器控制多路转换器分时段选通标准电压和零点标准值，记录这两种情况下的电路输出，从而消除零点漂移和灵敏度漂移的影响，
另一方面，微处理器在自检模式下，接收固定频率信号，计算模拟转速值，从而可以在车辆静止情况下，校验智能速度传感装置数字电路部分是否处于正常状态；
如车辆静止时，可控制智能速度传感装置进入自检模式，微处理器控制多路转换器选通标准信号发生器产生的固定频率信号f(该频率信号可根据实际情况自行设定)，微处理器采集该频率信号并按常规处理计算得到模拟转速值，计算后的值与存储在存储器中的标准参考值进行比较，如果误差在一定范围内，则自检通过，否则认为智能速度传感装置数字电路部分是否处于异常状态，通过网络发出异常警告。
本实施例提供的微处理器是智能传感器的核心，可采用FPGA或ARM芯片，利用数字滤波、智能补偿技术等，可以改善静态特性(如测量精度的自校正、自校零、自校准功能等)、动态特性(如提高响应速度、频率补偿、温度补偿等)，提高精度和稳定性；利用信息存储与处理能力，实现传感器的自检验、自诊断、自寻故障、自恢复甚至故障预测等功能；
本实施例提供的通信模块采用网络通信模块，该网络通信模块具有双向总线通信接口，不仅实现实时测量计算后数据的标准化数字输出，而且还可接收车辆运行状态、轮径参数等信息，微处理器综合速度传感信号、加速度传感信号以及以上信息，可以进一步推测出当前轮轴的空转/滑行状态。
本实施例中轨道交通车辆在运行中只有三个状态，分别是牵引、制动和惰行，空转只有在牵引状态下才会发生，滑行只有在制动状态下才会发生；
把从速度传感信号结合轮径参数处理后得到的轮轴速度信号称为Va，从加速度传感信号处理后得到的车辆速度信号称为Vb，则蠕滑率
当车辆处于牵引工况时，若蠕滑率超过一定值(非启动状态下一般取5％)时，瞬时粘着系数会下降，则轮轴有可能即将发生空转；当轨道交通车辆处于制动状态，若蠕滑率超过一定值(一般取5％)时，瞬时粘着系数会下降，则轮轴有可能即将发生滑行，以上预警信息同样可以通过总线通信接口发送到列控系统，辅助列控系统进行减转矩操作。
本实施例提供的装置，可以避免模拟信号长距离传输的信号干扰，提升速度传感器在测试计量方面的精度、响应速度和抗干扰能力，为整车牵引传动控制提供数据支撑，从而优化现有列车控制系统的架构，减轻车载控制单元的计算负荷、进一步实现车载控制单元的小型化和分布式控制；同时，还可以利用本地微处理器的数据处理、存储和控制功能，实现自检验、自诊断、自恢复、自补偿的健康管理及故障预测功能。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (8)
1.一种智能速度传感装置，其特征在于：包括测速齿盘、速度敏感元件组、标准信号发生器、信号调理电路、多路信号转换器、微处理器、通信模块；
所述测速齿盘与速度敏感元件组配合设置并通过速度敏感元件组同时采集测速齿盘的运动状态信号；
所述标准信号发生器，用于产生标准电压、零点标准值以及固定频率的标准信号；
所述信号调理电路，用于对采集到的运动状态信号进行预处理得到预设相位相差的数字脉冲信号；
所述多路信号转换器分别与信号调理电路、标准信号发生器和微处理器连接；
所述多路信号转换器在微处理器的控制下分时段选通标准电压、零点标准值以及固定频率的标准信号；
所述微处理器通过对数字脉冲信号和标准信号的分析得到测速齿盘的运动状态；
所述通信模块与微处理器连接用于发送经过微处理器处理的信息。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述速度敏感元件组包括至少三个速度传感器组成的测量单元，所述各速度传感器同时采集到信号的相位相差间隔相等。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述微处理器模块设置有异常值判断单元，所述异常值判断单元是按照以下步骤来进行的：
计算各速度传感器同时采集到的信号的置信区间；
判断当前数据是否在置信区间内，如果是，则正常值；如果否，则为异常值；
确定异常值出现的速度传感器通道并统计各速度传感器出现异常值的次数；
判断出现异常值的次数是否超过预设阈值，如果是，则该速度传感器通道判断为数据故障通道，并置位此通道传感器状态位故障，不再使用此故障通道的数据。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述微处理器模块设置有电路工作状态判断单元，所述电路工作状态判断单元是按照以下步骤来进行的：
判断当车辆静止停放时通过微处理器控制智能速度传感装置进入自检模式；
微处理器控制多路转换器选通标准信号发生器产生的固定频率信号f；
微处理器采集固定频率信号f计算得到模拟转速值；
判断计算后的模拟转速值与存储在存储器中的标准参考值的差值是否在预设范围内，如果差值在预设范围内，则自检通过，否则认为智能速度传感装置数字电路部分是处于异常状态；
通过通信模块发出异常警告。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述微处理器模块设置有空转判断单元，所述空转判断单元是按照以下步骤来进行的：
获取车辆状态信号；
根据车辆状态信号判断车辆是否处于牵引状态，如果否，则继续获取车辆状态信号；如果是，则按照以下步骤进行处理：
获取从速度传感信号结合轮径参数处理后得到的轮轴速度信号Va，
获取从加速度传感信号处理后得到的车辆速度信号Vb，
根据以下公式计算蠕滑率：
判断蠕滑率是否超过预设阈值，如果是，则轮轴发生空转；并发出空转预警信息；
通过通信模块传输空转预警信号。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述微处理器模块设置有滑行判断单元，所述滑行判断单元是按照以下步骤来进行的：
获取车辆状态信号；
根据车辆状态信号判断车辆是否处于制动状态，如果否，则继续获取车辆状态信号；如果是，则按照以下步骤进行处理：
获取从速度传感信号结合轮径参数处理后得到的轮轴速度信号Va，
获取从加速度传感信号处理后得到的车辆速度信号Vb，
根据以下公式计算蠕滑率：
判断蠕滑率是否超过预设阈值，如果是，则轮轴发生滑行；并发出滑行预警信息；
通过通信模块传输滑行预警信号。
7.如权利要求2所述的装置，其特征在于：还包括存储模块；所述存储模块与微处理器连接用于存储车辆运行状态、轮径参数以及标准参数。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于：还包括电源供电模块；所述电源供电模块分别与多路信号转换器、微处理器和通信模块连接用于提供电能。
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