智能傳感器及其在高速機車狀態監測中的應用
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傳統的監測儀表以電信號的產生、傳輸、模擬處理和顯示（包括指針指示和數字顯示）為主來反映被測量的變化，存在著嚴重不足：結構尺寸大，傳感器與儀表之間連線多，中間環節多，系統結構復雜；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，傳輸的模擬信號易受外界噪聲干擾，測量結果的穩定性和可靠性差。而智能傳感器賦予傳感器與微處理器以智能相結合，兼有信號檢測與信息處理的功能，它將檢測到的信號經過變換處理后，以數字量形式通過現場總線與高／上位機進行串行通訊，可以大大削減現場與高／上位機之間的一對一連接導線，簡化整個系統的布線和設計，節約初期安裝費用。該類傳感器具有高精度、高可靠性和穩定性、高信噪比和高分辨率及低的價格性能比等特點，在測量距離遠、安裝空間小、測點多的高速機車狀態監測和過程控制中具有廣闊的應用前景。該文以DS1820型數字式溫度傳感器為例探討智能傳感器在高速機車軸溫監測中的具體應用［1］。
1 數字式溫度傳感器DS1820［2］
125℃，精度0．5℃。傳感器和上位機之間只須一根總線即可完成信息的讀寫，DS1820本身供電、數據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，通過識別該碼可以區分不同的傳感器，因此可以在一根總線上掛接多個DS1820，由上位機通過選擇傳感器和硅串行數對選定的傳感器進行讀、寫、啟動轉換和設置報警參數等操作，從而在結構上大大簡化系統設計和安裝維護工作。傳感器的內部結構和外接引線如圖1—1所示。
TH、TL觸發器用于存儲用戶設定的溫度報警上、下限TH、TL值。
DS1820測溫原理如圖1—2所示。在DS1820內部有兩個不同溫度系數的晶振，低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給計數器1，高溫度系數晶振的振蕩頻率隨溫度的變化而明顯改變，所產生的信號作為計數器2的脈沖輸入。－55℃對應的一個基數值預置在計數器1和溫度寄存器內，并由計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當計數器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值加1，計數器1的預置值重新被裝入并再次進行計數，如此循環直到計數器2的值減到0為止，此時停止溫度寄存器的累加，其內部數值即為當前所測溫度。斜率累加器用來補償和修正測量過程中的非線性，其輸出用于修正計數器1的預置值。
T＝A＋0．75－B／C
2 高速機車軸溫監測系統［4］
機車速度的提高和牽引功率的增大，機車與鋼軌之間的沖擊、動力效應和振動增大，必然會導致機車行走部分的軸箱軸承、牽引電機軸承、抱軸承和空心軸承的發熱增多。為了保障機車的高速安全運行，開發研制了基于數字式智能溫度傳感器的軸溫監測系統。該系統可根據不同車型隨意增減測溫點數，實時顯示各測點的溫度，超標時可聲光報警并記錄報警信息。
2．1 系統硬件構成
軸溫監測系統的硬件構成如圖2—1所示。為保證系統的安全可靠運行，傳感器與上位機之間采用了環形雙總線串行傳輸方式，當一個總線因故障中斷時，可自動轉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工作。安裝在機車下部的傳感器、接線盒、接插件等都采用防塵、防水的密封結構，性能可靠，對環境適應能力強。
2．2 系統軟件功能
系統的程序流程如圖2—2所示。
當系統受到強干擾而出現程序混亂時，該軟件可自動復位、自行初始化后繼續正常工作。對因瞬態干擾而產生畸變的數據，系統軟件自動多次測量可以避免漏測和漏報警。
3 結論
采用上述軟硬件配置的高速機車軸溫監測系統具有測溫精度高、抗干擾能力強、工作穩定可靠等特點，完全可以滿足高速機車的需要。該系統已應用在SS7D型高速機車（最高時速可達200km／h）上的軸溫監測中，運行結果證明了其可行性、高可靠性和實用性，也可應用于其他類型的高速機車。
智能數字式溫度傳感器在高速機車狀態監測中的應用大大簡化了系統結構，維護和更換部件更為簡單方便，降低了成本，在技術上較傳統的模擬式溫度測量有著明顯的優勢。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展，信號采集、信號處理和信息融合、數據通訊的功能將更為強大，在高速機車狀態監測與故障診斷及過程控制中將有更廣闊的應用前景，為機車的安全高速運行發揮更重要的作用。
參考文獻
［1］劉君華．智能傳感器系統［M］．西安：西安電子科技大學出版社，1999．
［2］金偉正．單線數字溫度傳感器的原理與應用［J］．儀表技術與傳感器，2000，（7）：42－43．
［3］王廣志，吳穎，黃志光．數字式溫度傳感器與分布式溫度測量系統［J］．傳感技術學報，2001，14（1）：26
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