专用速度传感器

车轮速度传感器在防抱死制动系统中

铁路机车中的许多子系统（例如机车或多个单元）都依赖可靠而精确的转速信号，在某些情况下，它是衡量速度或速度变化的指标。这尤其适用于牵引力控制，也适用于车轮滑行保护、对位、列车控制、门控制等。这些任务由在车辆各个部分中发现的许多转速传感器执行。

速度传感器故障很常见，主要是由于铁路车辆遇到的极端恶劣的工作条件。相关标准规定了详细的测试标准，但是在实际操作中，遇到的条件通常甚至更加极端（例如冲击/振动，尤其是电磁兼容性（EMC）。

尽管铁路车辆偶尔会使用不带传感器的驱动器，但大多数调速器系统仍需要转速传感器。最常见的类型是两通道传感器，它扫描电机轴或齿轮箱上的齿轮，该传感器可能专用于此目的，或者可能已经存在于驱动系统中。

这种类型的现代霍尔效应传感器利用磁场调制原理，适用于模块在m = 1和m = 3.5（DP = 25到DP = 7）之间的铁磁目标轮。牙齿的形状是次要的。可以扫描具有渐开线或矩形齿的目标轮。根据车轮的直径和轮齿，每转可能获得60到300个脉冲，这对于驱动较低和中等牵引性能的驱动器是足够的。

这种类型的传感器通常包括两个霍尔效应传感器，一个稀土磁体和适当的评估电子设备。磁铁的磁场由经过的目标齿调制。该调制由霍尔传感器记录，由比较器级转换为方波信号，并在驱动器级进行放大。

不幸的是，霍尔效应随温度变化很大。因此，传感器的灵敏度以及信号偏移不仅取决于气隙，还取决于温度。这也xxx减少了传感器和目标轮之间的xxx允许气隙。在室温下，对于模块m = 2的典型目标轮而言，可以容忍2到3 mm的气隙，但是在−40°C至120°C的所需温度范围内，有效信号记录的xxx间隙下降到1.3毫米。模块m = 1的较小间距目标轮通常用于获得更高的时间分辨率或使结构更紧凑。在这种情况下，xxx可能的气隙仅为0.5至0.8毫米。

对于设计工程师而言，传感器最终的可见气隙主要是特定机器设计的结果，但要受制于记录转速所需的任何约束。如果这意味着可能的气隙必须在很小的范围内，那么这也将限制电动机外壳和目标轮的机械公差，以防止在运行期间信号丢失。这意味着在实践中可能会出现问题，尤其是模块m = 1的较小倾斜目标轮以及公差和极端温度的不利组合。从电动机制造商的角度，甚至从操作员的角度出发，因此，xxx寻找具有更大气隙范围的速度传感器。

霍尔传感器的主要信号会随着气隙的增加而急剧下降。对于霍尔传感器制造商来说，这意味着他们需要为霍尔信号的物理感应失调漂移提供xxx可能的补偿。这样做的常规方法是测量传感器的温度并使用该信息补偿偏移量，但这失败有两个原因：首先是因为漂移不会随温度线性变化，其次是因为甚至没有温度漂移的迹象。所有传感器的漂移都相同。

现在，某些传感器提供了一个集成的信号处理器，该处理器试图校正霍尔传感器信号的偏移和幅度。该校正使得速度传感器处的xxx允许空气间隙更大。在模块m = 1的目标轮上，这些新传感器可以承受1.4 mm的气隙，该气隙比模块m = 2的目标轮上的传统速度传感器的气隙宽。在模块m = 2的目标轮上，新的速度传感器可以承受2.2 mm的间隙。还可以显着提高信号质量。面对波动的气隙和温度漂移，两个通道之间的占空比和相移都至少稳定三倍。此外，尽管电子设备复杂，但也有可能增加平均故障间隔时间新速度传感器的系数是三到四倍。因此，它们不仅提供更精确的信号，而且信号的可用性也显着提高。

带有齿轮的霍尔效应传感器的替代方法是使用[磁阻]的传感器或编码器。由于目标轮是一个有源的多极磁体，因此气隙甚至可以更大，xxx可达4.0毫米。由于磁阻传感器对角度敏感且对幅度不敏感，因此在波动间隙应用中，信号质量比霍尔传感器要高。信号质量也更高，可以在传感器/编码器内或通过外部电路进行[内插]。

不带集成轴承的霍尔传感器可达到的脉冲数是有限制的：对于直径为300 mm的目标轮，通常每转不能超过300个脉冲。但是，许多机车和电气多单元（EMU）需要更多数量的脉冲以使牵引变流器正常运行，例如，在低速时对牵引调节器有严格的限制时。

此类霍尔效应传感器的应用可能会受益于内置轴承，由于与实际的传感器相比，与电动机轴承相比，实际传感器上的游隙xxx减少，因此内置轴承可以忍受小数个数量级的气隙。这样就可以为测量刻度选择较小的螺距，直到模块m = 0.22。同样，当在带有集成轴承的电机编码器中实现时，磁阻传感器比霍尔传感器提供更高的分辨率和精度。

为了获得更高的信号精度，可以使用精密编码器。

两种编码器的功能原理相似：多通道磁阻传感器扫描具有256齿的目标车轮，生成正弦和余弦信号。反正切插值用于从正弦/余弦信号周期生成矩形脉冲。精密编码器还具有幅度和偏移校正功能。这使得可以进一步改善信号质量，从而xxx改善牵引力调节。

在铁路车辆的几乎每个轮对中都可以找到无轴承速度传感器。它们主要用于防滑保护通常由防滑保护系统的制造商提供。这些传感器需要足够小的气隙并且需要特别可靠。用于车轮防滑保护的转速传感器的一项特殊功能是其集成的监视功能。电流输出为7 mA / 14 mA的两线制传感器用于检测电缆断裂。其他设计一旦信号频率降到1 Hz以下就提供大约7 V的输出电压。所使用的另一种方法是，当电源以50 MHz周期性调制时，检测来自传感器的50 MHz输出信号。两通道传感器具有电气隔离的通道也是很常见的。

有时有必要在牵引电动机上获取防滑保护信号，然后输出频率对于防滑保护电子设备通常过高。对于此应用，可以使用带有集成分频器或编码器的速度传感器。

铁路车辆，特别是机车，具有众多子系统，这些子系统需要单独的，电隔离的速度信号。通常，没有足够的安装位置，也没有足够的空间可安装单独的脉冲发生器。法兰安装在轮对的轴承壳或盖上的多通道脉冲发生器提供了一种解决方案。

可以实现一个到四个通道，每个通道都具有一个光电传感器，该传感器可以扫描插槽磁盘上最多两个信号轨道之一。经验表明，通过这种技术可获得的可能通道数量仍然不够。因此，许多子系统都必须处理来自车轮防滑保护电子装置的环通信号，因此，尽管单独的速度信号可能会具有一些优点，但它们不得不接受例如可用的脉冲数。

光学传感器的使用在工业中是广泛的。不幸的是，它们的确存在两个基本弱点，多年来一直使它们很难可靠地工作，这是很困难的，即–光学组件极易受灰尘污染，以及–光源老化太快。

甚至灰尘的痕迹都极大地减少了穿过镜头的光量，并可能导致信号丢失。因此，这些编码器必须密封良好。在通过露点的环境中使用脉冲发生器时，还会遇到其他问题：透镜起雾且信号经常中断。

所使用的光源是发光二极管（LED）。但是LED总是会老化，这在几年内导致光束明显减少。试图通过使用逐渐增加通过LED的电流的特殊调节器来补偿这种情况，但是不幸的是，这进一步加速了老化过程。

磁性扫描铁磁测量尺所使用的原理没有表现出这些缺陷。在使用磁性编码器的多年经验中，有时会出现密封失效的情况，并且发现脉冲发生器完全被厚厚的刹车灰尘和其他污垢层所覆盖，但是这种脉冲发生器仍然可以正常工作。

从历史上看，磁传感器系统的成本要高于光学系统，但这种差距正在迅速缩小。磁性霍尔和磁阻传感器系统可以嵌入塑料或灌封材料中，从而提高机械可靠性并消除水和油脂的损害。

车轮速度传感器也可以包含磁滞现象。这样可以在车辆静止时抑制任何多余的脉冲。

客户通常希望每转的脉冲数多于在可用空间中使用最小模块m = 1可获得的脉冲数。为了实现此目标，可以使用提供插值的传感器。它们提供的输出是目标轮上原始齿轮齿数或磁极数的2-64X。精度取决于传感器输入的质量：霍尔传感器成本较低，但精度较低，磁阻传感器成本较高，但精度较高。