趙呈銳，金曉峰，倪大成，王　飛

(1.浙江大學 信息與電子工程學系，杭州 310027；2. 寧波南車時代傳感技術有限公司，浙江 寧波 315021)

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基于塑料光纖和棱鏡結構的光纖式轉(zhuǎn)速傳感器

趙呈銳1,2，金曉峰1，倪大成2，王飛2

(1.浙江大學 信息與電子工程學系，杭州 310027；2. 寧波南車時代傳感技術有限公司，浙江 寧波 315021)

摘要：介紹了一種基于塑料光纖和棱鏡結構的光纖式轉(zhuǎn)速傳感器，以提高機車軸端速度傳感器的絕緣耐壓等級和抗電磁干擾能力。傳感器使用塑料光纖，以提高耐振動性能，并降低成本；在每個通道中使用2片直角棱鏡以減小傳感器體積；在一個模塊中集成多組光纖，通過控制光縫的位置誤差來控制通道之間的相位差，以簡化制造工藝。試驗結果表明，該傳感器的測量性能滿足要求，耐壓等級被提高到10 000 V以上。

關鍵詞：機車;轉(zhuǎn)速測量;光纖傳感器;碼盤;直角棱鏡;塑料光纖

0引言

速度是列車控制的重要參量，其精確、可測關系到列車運行的安全[1]。目前列車上的速度傳感器分為轉(zhuǎn)速傳感器與絕對速度傳感器兩大類。轉(zhuǎn)速傳感器測量車軸、電機、齒輪等部位的轉(zhuǎn)速，并按照一定的公式計算出列車速度。這種方法的優(yōu)點是成本低廉、測量精度高、不受外部環(huán)境的影響；缺點是在車輪空轉(zhuǎn)和打滑的情況下不能準確地反映機車的速度，同時傳感器的故障率較高，為運行維護帶來較大困難[2]。絕對速度傳感器通過雷達測速儀等[2]測量列車相對于軌道的速度，這種方法的優(yōu)點是避免了車輪空轉(zhuǎn)和打滑的影響，同時由于采用了非接觸式測量方式，傳感器故障率較低；缺點是其價格較為高昂，約為普通轉(zhuǎn)速傳感器的幾十倍，并且測量結果容易受到外界環(huán)境干擾。目前列車上以轉(zhuǎn)速傳感器為主，絕對速度傳感器也開始應用。

列車上的轉(zhuǎn)速傳感器主要有磁電式[3-4]、光電式[5]和霍爾式[6]3種。其中光電式傳感器原理簡單、對安裝精度要求低、測速精度高，在機車軸端速度測量中大量使用。該傳感器在運行中也暴露出一些問題，例如抗電磁干擾能力較差，在電機啟/停時偶而會產(chǎn)生誤脈沖；耐壓等級較低，當車輪接地不良時傳感器可能會被高壓擊穿燒毀[7-8]。

光纖傳感器通過光纖來測量和傳輸信號，具有良好的絕緣特性和抗干擾能力，特別適用于高壓和強電磁干擾環(huán)境。目前主要有2類光纖速度傳感器，一類為光纖多普勒速度傳感器[9]，它利用光纖作為傳輸介質(zhì)，通過被測目標使光產(chǎn)生多普勒頻移來測量速度，這種傳感器結構復雜，價格昂貴，不適用于機車軸端測速；另一類為光纖式編碼器，它利用碼盤來調(diào)制2根光纖之間的光路通斷實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量[10-11]，這種傳感器結構簡單，價格低廉，尤其適合機車軸端速度測量。

光纖編碼器存在光耦合效率較低的問題，有人采用基于石英光纖的光纖準直器來提高耦合效率[12-14]，但體積較大，成本較高。本文提出一種基于塑料光纖和直角棱鏡的六通道光纖式機車軸端轉(zhuǎn)速傳感器，可有效減小傳感器的成本和體積，同時還具有集成通道數(shù)多、易于維護等特點。

1傳感器原理與設計

光纖轉(zhuǎn)速傳感器主要由軸端組件和光纖組件組成，基本結構如圖1所示。軸端組件安裝在機車軸端，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的傳遞功能；光纖組件一端與軸端組件相連接，另一端與上車電纜相連接，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測量功能。光纖組件分為測量模塊和電路模塊2個部分。在測量中，電路模塊中的LED發(fā)出的光通過光纖傳輸?shù)綔y量模塊，經(jīng)過棱鏡的反射后穿過光柵片，經(jīng)過另一片棱鏡的二次反射后通過光纖傳回到電路模塊中被光電二極管PD探測到，并通過信號處理電路轉(zhuǎn)換為頻率與轉(zhuǎn)速成正比的方波信號，通過上車電纜傳輸?shù)搅熊嚳刂葡到y(tǒng)中。測量模塊被設計成插頭的形式插入到軸端組件中，這樣具有易于組裝與維護的特點。這樣設計，一方面使得對電磁干擾及高壓敏感的測量電路遠離了環(huán)境惡劣的機車軸端，另一方面不改變目前已安裝光電轉(zhuǎn)速傳感器的列車的安裝方式，具有較好的通用性。

1.1測量模塊設計

在碼盤式光纖轉(zhuǎn)速傳感器中，光需要在自由空間中傳輸一段距離，導致光耦合效率較低。要實現(xiàn)有效探測有2個途徑：增強光源功率及對弱光信號進行放大。光源功率不能無限制地增加，因為列車控制系統(tǒng)對輸出電流有限制，要求每通道的電流小于50 mA；對弱光信號進行放大則會增大信號處理電路的復雜性，降低可靠性，并占用較大體積。采用透鏡結構的光纖準直器可有效提高光耦合效率，但其高度較高，會增大傳感器的整體高度；其直徑較大，難以在一個傳感器中集成較多的通道，限制了傳感器的應用范圍。

圖1　傳感器的基本結構Fig.1　Basic structure of sensor

本文所述傳感器采用塑料光纖，其通光面積遠大于石英光纖，在同樣的端面距離條件下無需使用光纖準直器即可獲得足夠高的耦合效率。此外塑料光纖還具有光源耦合較為容易、抗振動和彎曲能力強、成本較低等優(yōu)點，其衰減系數(shù)較高的缺點在短距離的光纖傳感中影響甚微。

由于光纖最小彎曲半徑的影響，使用塑料光纖后傳感器仍然有較高的高度。為減小傳感器體積，傳感器在測量模塊中采用兩片直角棱鏡來壓縮縱向高度，由此帶來的缺點是增加了光在自由空間中傳輸?shù)木嚯x。因此，有必要對光路的耦合效率進行計算和測試，以確定設計是否有效。

1.1.1光路的耦合效率

圖2為光路的耦合示意圖，LED發(fā)出的光功率Pi耦合進入發(fā)射光纖，傳遞到軸端后通過一對棱鏡反射進入接收光纖中，經(jīng)過傳播后有功率為Po的光被探測器接收到。在整個傳輸過程中，光會發(fā)生衰減，例如光在光纖接頭處會由于端面反射發(fā)生衰減，該衰減值的大小是由纖芯材料的折射率以及光纖接頭的研磨工藝決定的，這里我們假定所有光纖接頭處的衰減比一致，都為ηn；光在光纖中傳輸時會由于光纖材料的吸收而發(fā)生衰減，該衰減值的大小由光纖的長度、材質(zhì)和制造工藝決定，這里我們假定2根光纖的長度相同，衰減比也相同，為ηo；在自由空間中，光在一個錐形角內(nèi)散射開來，接收光纖只能接收到錐角中的一部分光，由此產(chǎn)生的衰減比為ηc，其大小由自由空間的光程決定?？紤]以上所有的衰減因素，探測器接收到的光功率為

(1)

(1)式中，ηn和ηo已知，Pi和ηc不確定。下面對不確定的2個參數(shù)進行推導。

圖2　傳感器光路示意圖Fig.2　Schematic diagram of optical path

如圖2所示，假設光源LED的端面緊貼光纖端面，LED的半徑為rled，光纖纖芯的半徑為r，這樣發(fā)光點發(fā)出的光到達光纖的最大角度為

(2)

設光纖的接收角為θa，LED發(fā)射角為θe，那么射入光纖的光線的最大角度θin為

(3)

這樣光纖接收到的光的立體角為

(4)

假設LED的出射光強分布為Iled，那么光纖接收到的光通量為

(5)

一般來說LED的光強主要集中在前向，服從類似余弦分布。由于θin的值很小，可近似認為LED的光強分布為均勻分布，這樣光纖接收的光通量為

(6)

將光通量轉(zhuǎn)換為光能量，可得

(7)

(7)式中，Vλ為發(fā)光波長處的視覺效率。

對于ηc，根據(jù)理論可知，光纖端面射出的光在空間中的光強分布類似高斯分布

(8)

(8)式中：Po1為發(fā)射光纖的出射功率；ρ為所考察的點與光斑中心的距離；ω(z)為高斯光束在距離z處的光斑半徑，如果將出射光考慮為直線，其表達式為

(9)

(9)式中，θf為光纖的出射角，它與光纖的數(shù)值孔徑NA之間的關系為

θf=arcsinNA

(10)

這樣光斑半徑可表示為

(11)

由于接收光纖的直徑r相對于2根光纖之間的距離z來說非常小，因此接收光纖接收到的光強可視為均勻的，這樣我們完全可以用中心處的光強值來表示光纖接收的光強值

(12)

這樣自由空間的光耦合效率為

(13)

為了對理論計算結果進行驗證，我們搭建了一套實驗系統(tǒng)，利用L7104SRC-J4作為光源，調(diào)節(jié)該LED的驅(qū)動電流為20 mA，此時其理論輸出光強為4.5 cd；該LED的中心波長為650 nm，視覺效率為0.107，發(fā)入射角為17°。將此LED緊貼一根1 m長的發(fā)射光纖進行輸入，光纖的纖芯直徑為1 mm，數(shù)值孔徑為0.5，在650 nm處的衰減為0.2 dB/m，每個接頭的損耗為2.8 dB。將發(fā)射光纖的輸出端與另一根接收光纖的輸入端對齊，調(diào)節(jié)2根光纖端面之間的距離，使用光功率計對650 nm處的光強進行測量，并將測量結果與(1)式作對比，如圖3所示。從圖3中可知，當z>2mm時，理論計算與實際測試結果基本一致。圖3中還給出了使用自帶施密特觸發(fā)器的光探測器SFH5440的探測靈敏度下限，可以看出光路的耦合效率完全可以滿足要求，無需采取其它措施提高光探測效率。在電路的設計中盡可能使用集成器件，可降低設計難度，控制成本，提高可靠性。

圖3　傳感器的理論輸出功率與測試結果對比Fig.3　Theoretical output power vs. tested results

1.1.2相位差的控制

為了辨別列車行進的方向，列車控制系統(tǒng)要求傳感器輸出2路相位差為90°的信號，并對相位差的誤差作出了嚴格規(guī)定，要求其誤差不大于30°。在光電速度傳感器中，相位差是通過工人手工調(diào)節(jié)2個光電模塊之間的位置差來控制，這種方式效果較好，但極為費時費力。在光纖轉(zhuǎn)速傳感器中，由于光纖的最小彎曲半徑要求，無法在狹小空間中通過幾個分立模塊的手工調(diào)節(jié)來控制相位差，這里我們通過精確控制光縫的位置以及各零件的裝配誤差來控制相位差的誤差。

傳感器在棱鏡下方設置直徑與光柵柵孔寬度相同的光縫，以限制光束寬度。如圖4所示，為了便于光纖端面的研磨，所有的光縫位于距離傳感器軸心O距離為d的一條直線上，光縫孔中心之間的夾角分別為θ1—θ5。令光柵上相鄰柵孔之間的夾角為θg，當相位差誤差為0時，θ1—θ5這5個夾角相等，且除以θg得到的余數(shù)為θg的1/4倍。這樣相位差φn的計算公式可表示為

(14)

(14)式中，φn的單位為弧度。相位差誤差由2個因素決定，一是光縫之間的夾角誤差，這一誤差很容易通過高精度的激光加工來控制，其對相位差的影響可忽略不計；二是光縫與主軸之間的安裝誤差，由于配合關系復雜，這一誤差較難控制，是相位差超差的主要原因。為了分析光縫的裝配誤差對相位差的影響，我們計算了在不同的x，y誤差下5個相位差的誤差最大值，結果如圖5所示。根據(jù)對數(shù)據(jù)表的分析可知，光縫的位置誤差只需要滿足(-0.4

圖4　光縫位置示意圖Fig.4　Position of the optical slit

1.2電路模塊設計

光纖轉(zhuǎn)速傳感器中包含6個測量通道，根據(jù)列車控制系統(tǒng)的要求，這6個通道互相隔離，互不影響，以提高系統(tǒng)冗余度。各通道電路模塊圖如圖6所示，列車為傳感器提供15 V直流電源，由于網(wǎng)壓不穩(wěn)定等因素，該電壓可能會在12—30 V波動。保護電路為傳感器內(nèi)部電路提供保護，防止浪涌、脈沖群、靜電、電源反接等外界因素損壞電路。供電電路將不穩(wěn)定的外部電壓轉(zhuǎn)換為+5 V電壓供光源和探測器使用。光源LED的驅(qū)動電流通過一個可調(diào)電位器Rp在3—26 mA進行調(diào)節(jié)，在傳感器的出廠調(diào)試中，需調(diào)節(jié)Rp的阻值，從而使傳感器輸出方波信號的占空比為50%。光探測器選用了一片內(nèi)部帶放大和施密特觸發(fā)功能的集成IC，這樣可極大地簡化信號的放大與調(diào)理電路。光探測器輸出0—5 V的方波，并通過電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電平與輸入電壓相匹配的方波。輸出信號通過JL系列專用連接器與上車電纜相連接。

圖5　不同光縫位置誤差時的相位差最大誤差Fig.5　Phase differences’ max errors with differentoptical slit’s position errors

圖6　單通道電路模塊圖Fig.6　Schematic diagram of circuit in each unit

在實際的電路設計中，為了減小電路所占的體積，傳感器中6個通道的光源和探測器被集中在一塊電路板上，稱為光電電路板，該電路板與光纖接頭相匹配，垂直于光纖軸線布置；電源及電平轉(zhuǎn)換電路則分別布置在3塊電路板上，每塊電路板2個通道，稱為信號電路板，該電路板垂直于光纖端面布置，方便連接光電電路板及電連接器。電路板之間需進行灌膠，以提高傳感器的耐振動性能。

2試驗結果

光纖轉(zhuǎn)速傳感器樣機如圖7所示，根據(jù)鐵標要求，需對傳感器進行型式試驗，試驗內(nèi)容包括性能試驗、絕緣耐壓試驗、高低溫試驗、振動沖擊試驗、電磁兼容性試驗等。下面僅對幾項主要的試驗結果進行描述。

圖7　光纖轉(zhuǎn)速傳感器試驗照片F(xiàn)ig.7　Photograph of the optical fiber rotationalspeed sensor in test

2.1性能試驗

對傳感器的基本測量性能進行考察，考察內(nèi)容包括空載功耗電流、占空比、相位差，試驗結果分別如表1和表2所示。從表1及表2中可以看出，傳感器中每個通道的功耗電流均小于50 mA，占空比處于50±10%，相位差都處于90°±30°，均符合傳感器技術規(guī)格書的要求。

表1　傳感器的空載功耗電流和占空比

表2　傳感器各通道之間相位差(單位°)

2.2絕緣耐壓試驗

絕緣耐壓試驗的試驗方法為，用直流500 V兆歐表測量各通道的信號端對軸端結構外殼的絕緣電阻，然后對信號端與軸端結構外殼之間施加50 Hz，10 000 Vrms工頻交流電壓，歷時1 min的耐電壓測試，測試完成后再次測量絕緣電阻。在測試過程中，絕緣電阻均超過兆歐表的最大測量量程500 MΩ，符合絕緣電阻應大于50 MΩ的合格判據(jù)，同時傳感器在試驗過程中也未發(fā)生擊穿和閃絡現(xiàn)象。

2.3振動沖擊試驗

根據(jù)相關標準要求，光纖轉(zhuǎn)速傳感器應在通電狀態(tài)下進行振動沖擊試驗。試驗分2次進行，第1次將傳感器的軸端部分安裝在振動臺上，在通電狀態(tài)下按GB/T21563中規(guī)定的2類轉(zhuǎn)向架安裝的要求進行振動試驗；第2次將傳感器的電路部分的連接器連接到振動臺上固定的插座上，在通電狀態(tài)下按GB/T21563中規(guī)定的1類A級車體安裝的要求進行振動試驗。每次實驗完成后，都對傳感器的電性能進行復測，結果表明傳感器仍然能夠正常工作。但對傳感器進行拆解后發(fā)現(xiàn)，石英玻璃材質(zhì)的直角棱鏡邊緣發(fā)生了破損現(xiàn)象，如圖8所示；電連接器的漆面發(fā)生了磨損現(xiàn)象，如圖9所示。

圖8　邊緣發(fā)生破損的棱鏡Fig.8　Prism with broken edge

對于棱鏡破損問題，可通過采用不易破碎的塑料棱鏡來解決。隨著材料與工藝的進步，光學塑料在照明行業(yè)大量使用，其透光性稍弱于光學玻璃，但其成本、韌性、可加工性均強于光學玻璃，可較好地解決棱鏡破損問題。對于電連接器磨損問題，可通過在機車底部加裝支架對電路部分外殼進行固定來解決。

圖9　發(fā)生磨損的連接器Fig.9　Wore connector

3結束語

本文提出了一種低成本、高可靠性的光纖式轉(zhuǎn)速傳感器，該傳感器通過光纖傳輸來提高傳感器的耐壓等級與抗干擾能力，并通過選用直角棱鏡、塑料光纖等措施來提高光耦合效率，從而簡化了傳感器結構，降低了成本。對該傳感器進行性能試驗和型式試驗的結果表明，傳感器的測量性能滿足機車測速要求，但耐振動能力還需進行改進。該傳感器能夠解決目前光電速度傳感器耐壓等級較低的缺點，具有較好的應用前景。

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Optical fiber rotational speed sensor based on plastic optical fiber and optical prism

ZHAO Chengrui1,2, JIN Xiaofeng2, NI Dacheng2, WANG Fei2

(1. Department of Information Science & Electronic Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, P.R.China;2. Ningbo CSR Times Transducer Technique Co., Ltd, Ningbo 315021, P.R.China)

Abstract:An optical fiber rotational speed sensor based on plastic optical fiber and optical prism was proposed, in order to improve the insulation level and anti-electromagnetic interference capability of the rotational speed sensor at axle end of locomotive. Plastic optical fiber was used in this sensor to improve the sensor’s anti-vibration capability, and reduce the cost; two rectangular prisms were used in each unit to reduce the bulk; several pairs of fiber were integrated in one unit, and the position errors between the optical streaks were restricted to get proper phase differences, so the manufacture process has been simplified. The experimental results showed that the sensor’s performance can fulfill the requirements, and the sensor’s breakdown voltage has been improved higher than 10 000 V.

Keywords：locomotive; rotational speed measurement; optical fiber sensor; code plate; rectangular prism; plastic optical fiber

DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.03.017

收稿日期：2015-04-27

修訂日期：2015-12-05通訊作者：趙呈銳zhaocr@csrzic.com

中圖分類號：TN209；TP212；U260.5

文獻標志碼：A

文章編號：1673-825X(2016)03-0383-06

作者簡介：

趙呈銳(1984-)，男，江蘇南通人，中級工程師，博士。研究方向為光纖傳感技術與應用。E-mail:zhaocr@csrzic.com。

金曉峰(1968-)，男，浙江東陽人，教授，博士。研究方向為毫米波電子技術、微波/毫米波高速光子技術、無線接入與光網(wǎng)絡融合技術以及光纖傳感技術等。E-mail:jinxf00@zju.edu.cn。

倪大成(1978-),男，遼寧盤錦人，高級工程師，碩士。研究方向為列車運動控制技術。E-mail: nidc@teg.cn。

王飛(1981-)，男，湖南永興人，高級工程師，碩士。研究方向為地鐵屏蔽門。E-mail: wangfei@csrzic.com。

(編輯：張誠)