何偉榮

（上海申通地鐵集團有限公司維護保障中心，200233，上?！喂こ處煟?/p>

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)融合了傳感器、信息、控制、計算機等技術(shù)，推動了現(xiàn)代工業(yè)的技術(shù)進步，也推動機電設(shè)備在線監(jiān)測與診斷技術(shù)的發(fā)展。任何機電設(shè)備在其壽命周期中，都會不可避免地造成一定的損傷。如果沒有良好的檢測、評估方法來對運營中的機電設(shè)備進行監(jiān)測，必然會使機電設(shè)備在長期的工作狀態(tài)下，出現(xiàn)從小事故先兆發(fā)展到大故障。

為此，研究和分析機電設(shè)備的故障檢測和評估方法具有積極的意義。隨著計算機的硬件和軟件的發(fā)展，以及各種電力電子元件的研發(fā)和應(yīng)用，使得測控技術(shù)迅速發(fā)展，為研究和開發(fā)各種檢測設(shè)備提供了良好的條件。同時，電網(wǎng)系統(tǒng)的高次諧波對機電設(shè)備影響的研究也越來越得到重視。機電設(shè)備故障檢測系統(tǒng)通常由傳感器、信息處理、數(shù)據(jù)分析等三大單元組成。傳感器單元用于感知所需要測量的機電設(shè)備狀態(tài)特征參量，目前有電磁、力學(xué)、聲音、溫度、氣體和光學(xué)傳感器等；信息處理單元是將傳感器得到的物理、化學(xué)等參量，通過計算機的模擬－數(shù)字模塊、濾波器、數(shù)字－模擬模塊等硬件進行信號的變換，最終達(dá)到計算機能夠識別的機器語言；數(shù)據(jù)分析單元就是根據(jù)設(shè)計要求，應(yīng)用高級計算機語言進行處理、分析和計算，最后顯示出有關(guān)曲線圖、數(shù)據(jù)和文字描述。

傳感器按檢測方法通常分為接觸式傳感器和非接觸式傳感器。

非接觸式傳感器一般采用電磁法、超聲波法、溫度法、氣體法和光學(xué)法等，而在機電設(shè)備檢測過程中，最常用是電磁法、紅外線法、光學(xué)法等。在維護過程中，需要同時檢測機電設(shè)備的機械性能（磨損、振動等）和電氣特性（諧波、電流等）狀態(tài)時，就需要至少兩種以上不同類型的傳感器進行檢測，以分別分析故障數(shù)據(jù)（如振幅，諧波等）。目前，常采用比較先進的多通道檢測儀，配備常規(guī)的傳感器，具有圖形和數(shù)據(jù)功能，但缺少評估軟件。而在檢測過程中，往往需要用戶自己配備傳感器單元和確定檢測結(jié)果，所以檢測就顯得非常麻煩和缺少專業(yè)性。

研究人員發(fā)現(xiàn)，機電設(shè)備在工作過程中，主要是由電力源“給力“，其成分為“電壓”、“電流”。能否僅在“電流”中診斷出機電設(shè)備的故障源（如機械狀態(tài)、電氣性能及不同的高次諧波等）?，F(xiàn)在僅通過一個非接觸式傳感器單元（其特點為安全性能好、防護等級高等）就能夠判斷出機械故障、電氣故障，幫助和提示檢測人員獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)及評估報告。這種非接觸在線檢測方法在日本工業(yè)中已得到應(yīng)用。本文主要研究非接觸式傳感器單元的設(shè)計，諧波監(jiān)測軟件的開發(fā)及其在地鐵機電設(shè)備中的應(yīng)用，創(chuàng)建自己的非接觸式在線機電設(shè)備檢測系統(tǒng)?，F(xiàn)將研究結(jié)果供同行參考和交流。

1 非接觸式傳感器的設(shè)計

目前非接觸式傳感器的應(yīng)用比較廣泛，主要有交流型傳感器（線圈型）和直流型傳感器（芯片型）。其工作原理是通過利用二次線圈電磁感應(yīng)、電磁場及光電感應(yīng)來獲得被測物體的各種信息（如電流、電壓、功率等）。近年來，電容法及紅外線法測量技術(shù)得到迅猛發(fā)展，但是應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域僅僅是作為便攜式工具，而作為在線檢測、非接觸式測量及評估功能的綜合設(shè)備幾乎沒有。日本ATC公司創(chuàng)立了“高次諧波診斷”技術(shù)，其非接觸式在線機電設(shè)備檢測系統(tǒng)深受全世界20多個行業(yè)青睞，該系統(tǒng)采用了先進的檢測技術(shù)和專家經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，二者的良好組合，使該系統(tǒng)的性價比高于其它相似的檢測設(shè)備。

1.1 非接觸式傳感器設(shè)計原理

圖1為充放電電容測量電路。基于開關(guān)電容電路的“急速電荷注入”原理，通過開關(guān)K1、K2、K3和K4，按一定開關(guān)頻率觸發(fā)，使得電容C充放電，將輸入端（in）的電荷不斷注入到輸出端（out）。在圖1的基礎(chǔ)上，加入一個2N422型靜電場效應(yīng)管（MOSFET）則可得到圖2。在圖2中，當(dāng)開關(guān)K1導(dǎo)通時，感應(yīng)點Vg接地，則2N422型MOSFET處于斷開狀態(tài)，控制電源Vdd對電容C充電；當(dāng)開關(guān)K2導(dǎo)通、K1斷開時，C存在電壓差，這時感應(yīng)點電壓Vg＝Vin＋Vdd，使Vg＝Vdd，結(jié)果是2N422型MOSFET的開關(guān)頻率由Vdd決定。即Vdd檢測到的信號決定了2N422型MOSFET的“急速電荷注入”。圖2的電路與非接觸式靜電檢測儀器中的檢測電路基本相似，是一種典型靜電檢測電路。

圖2構(gòu)成了本文所介紹的非接觸式傳感器的部分設(shè)計電路。采用MOSFET晶體管，結(jié)合其特性和開關(guān)電容電路原理及相關(guān)濾波電路，就可設(shè)計出非接觸在線監(jiān)測裝置的相應(yīng)硬件設(shè)備。圖3為設(shè)計的非接觸式傳感器感應(yīng)原理圖，圖4為研制的微型控制器和非接觸傳感器實景圖。

圖1 充放電電容測量電路

圖2 自舉開關(guān)電路

圖3 非接觸式傳感器感應(yīng)原理圖

圖4 微型控制器和非接觸傳感器實景圖

1.2 非接觸式傳感器的特性

非接觸式電場傳感器與磁場傳感器非常相似。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)：在電荷電場的作用下，一旦傳感器與被測導(dǎo)線之間的位置固定，在電流強度不變的情況下，傳感器的靜態(tài)和動態(tài)特性保持不變，并具有良好的穩(wěn)定性（應(yīng)采用金屬屏蔽、接地等）；并且溫度變化等環(huán)境條件對電場傳感器的影響比磁場傳感器影響小。非接觸式電場傳感器具有如下特性：①高輸入阻抗；②輸出端負(fù)載的變化對輸入端影響??；③良好的熱穩(wěn)定性；④抗輻射性和噪聲較低；⑤高頻特性好；⑥失真度低于一般晶體管。

對用MOSFET制造的傳感器，其線性度好、分辨率良好、靈敏度高（一旦穩(wěn)定后效果很好）、重復(fù)性良好。這些特性與微型控制器中的聲卡也有直接的關(guān)系。良好的傳感器需要配有高性能的數(shù)字－模擬模塊、模擬－數(shù)字模塊的支撐。

1.3 非接觸式傳感器的測試效果

通過反復(fù)對傳感器的試驗、軟件的檢測，傳感器單元的設(shè)計達(dá)到了理想效果。圖5為三種不同軟件對同一信號顯示的界面圖。

圖5中，左上角的“虛擬儀器0.94”軟件和右上角的TrueRTA軟件均為非常優(yōu)秀的示波器和頻譜儀的應(yīng)用軟件；而下半部顯示的軟件是本文作者基于VB6編程軟件自主開發(fā)的示波器及頻譜儀應(yīng)用軟件。它們顯示出用非接觸式傳感器所獲得的曲線圖，采集電源為220VAC（相線）、50Hz。圖5顯示的結(jié)果是這三種軟件在示波器中具有相似的正弦波，而自主開發(fā)的軟件界面還顯示了頻譜儀的1次基波、3次諧波、5次諧波等。

圖6為在現(xiàn)場試驗臺上用自制非接觸傳感器檢測的變頻器（CVCF）輸出400VAC時的工作頻率圖，其中檢測到瞬間過程中IGBT（絕緣柵門極晶閘管）的工作頻率是600Hz。

圖5 三種不同測試軟件對同一信號顯示的界面圖

圖6 變頻器交流400V的工作頻率圖

圖7是用自制非接觸傳感器監(jiān)測到的CVCF輸入直流1500 V時的頻譜圖，并證實了直流1500V不是非常純的直流波形圖。

圖7 變頻器輸入直流1500V的工作頻率圖

圖8為檢測到的調(diào)光臺燈內(nèi)可控硅的特性，即導(dǎo)通角α的大小變化。

圖5～8驗證了該非接觸式傳感器單元具有良好靈敏度和延遲性。由此可證明，所設(shè)計的非接觸式傳感器具有良好的穩(wěn)定性和線性度效果，完全可以滿足工業(yè)控制的要求。

圖8 可控硅的特性圖

2 微型控制器等硬件設(shè)計

本次研制的微型控制器的硬件是借用計算機的聲卡，以達(dá)到“低成本和高性能”的目的，是將信號源、示波器、頻率計等功能高度集成、統(tǒng)一使用。將來作為正式的工業(yè)控制器設(shè)計，仍然需要“嵌入式系統(tǒng)”或“單片機”、“DSP模塊”等，以進行標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計。

3 軟件設(shè)計

本研究基于VB6編程軟件開發(fā)，主要是利用“快速傅里葉FFT”函數(shù)進行高次諧波的計算和分析。常用的窗函數(shù)主要采用Hamming（海明窗）和Blackman（布萊克曼窗）。為便于在檢測過程中觀察和分析波型圖，軟件采樣頻率分別為44kHz、22kHz和11kHz，采集目標(biāo)分最高頻率和工業(yè)頻率。軟件的人機界面可操作性良好，具有自動保存數(shù)據(jù)和圖片（頻譜功率圖及曲線圖）的功能。圖9為用自行研制的非接觸式傳感器實際檢測到的50kHz頻譜圖、正弦波圖及數(shù)據(jù)。

圖9 檢測到的頻譜圖、正弦波圖及其數(shù)據(jù)

圖5～9表明，本軟件的基本功能設(shè)計是正確的，結(jié)果是可靠而穩(wěn)定的。

綜上所述，所研究的“非接觸在線監(jiān)測裝置”完全能夠滿足軌道交通行業(yè)對機電設(shè)備的檢測和控制要求。

4 應(yīng)用

在日本，非接觸在線監(jiān)測技術(shù)已廣泛應(yīng)用在軌道交通車輛、變電站、不間斷電源蓄電池、汽輪機等領(lǐng)域。在國內(nèi)，對于非接觸在線監(jiān)測技術(shù)的實際應(yīng)用并不多，一般基于二次傳感器技術(shù)的檢測研究比較多，而能夠直接、有效地在線檢測和評估的案例更是非常少。

對于軌道交通企業(yè)采用“非接觸在線監(jiān)測地鐵機電設(shè)備”是非常有益的，特別是對地面牽引變電站、列車的VVVF（變壓－變頻）裝置和CVCF裝置及其它機電設(shè)備的維護等。

由于電網(wǎng)的相互污染及使用非線性機電設(shè)備，往往導(dǎo)致供電系統(tǒng)中各種諧波的存在。而諧波的存在對工業(yè)電網(wǎng)是非常不利的，將造成機電設(shè)備的發(fā)熱、絕緣性能降低、電機內(nèi)部機構(gòu)損耗、IGBT誤觸發(fā)、通信的干擾等。目前還沒有有效的方法進行檢測，而“非接觸在線監(jiān)測裝置”的應(yīng)用能夠檢測和了解機電設(shè)備發(fā)生故障的原因，可起到“藥到病除”的效果。

例如，在電機生產(chǎn)企業(yè)和使用電機的企業(yè)，電機產(chǎn)品出廠和電機維護時往往需對電機的質(zhì)量、性能進行評估，應(yīng)有“數(shù)字化質(zhì)量報告”。對整機的工作溫度、線圈的絕緣性、軸承和設(shè)備的振動情況等參數(shù)均需要檢測。傳統(tǒng)的方法是分別采用溫度傳感器、振動傳感器和絕緣表等測量工具進行例行檢測，這非常不方便。如果采用”非接觸在線監(jiān)測裝置”，不但在電機維護時，而且在在線狀態(tài)時，都能夠獲得各種參數(shù)及高次諧波。圖10為電機在試驗時（AC 1100V）用“非接觸在線監(jiān)測裝置”獲得的曲線圖。發(fā)現(xiàn)其中一相的正弦波中存在諧波，同時在頻譜儀中存在高次諧波。當(dāng)然，為了更好地進行分析和評估，需要建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，為電機的維護和性能檢測提供良好的基礎(chǔ)工作。

圖10 某電機在試驗時的檢測圖

5 結(jié)語

機電設(shè)備無論是“直流電”、“交流電”，也無論是“模擬信號”、“開關(guān)信號”，只要半導(dǎo)體物體有“電荷”的存在，“非接觸在線監(jiān)測裝置”均能進行檢測。

本項研制得到日本ATC公司的“非接觸在線智能監(jiān)測和評估”產(chǎn)品的啟發(fā)，并在其基礎(chǔ)上得到發(fā)展，能夠檢測到小于2A的電流，并具有監(jiān)控“數(shù)字”開關(guān)量和提示等功能（RS232＼USB）。

［1］張安華.機電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1995.

［2］馬宏忠.電機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［3］許遐.公用電網(wǎng)諧波的評估和調(diào)控［M］.北京：中國電力出版社，2008.