侯曉偉，武鵬，鄭良廣

（寧波中車時(shí)代傳感技術(shù)有限公司中國中車傳感測(cè)量技術(shù)研發(fā)中心，浙江寧波 315021）

軌道交通領(lǐng)域?qū)囟葴y(cè)量設(shè)備尤其是先進(jìn)的測(cè)溫技術(shù)有極大的需求，在鐵路運(yùn)營過程中存在著大量需進(jìn)行溫度測(cè)量的狀態(tài)監(jiān)控點(diǎn)[1]。如在電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)中存在著許多的電氣連接點(diǎn)，這些連接點(diǎn)在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)發(fā)生過熱的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龎膶?dǎo)線，使供電中斷，從而影響鐵路運(yùn)輸。除此之外，列車走行部各類軸承也會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行不良而產(chǎn)生溫升較高的情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成切軸等事故。牽引供電系統(tǒng)、列車軸承等關(guān)鍵部件的溫度監(jiān)測(cè)對(duì)鐵路的安全運(yùn)營起著非常關(guān)鍵的保障作用，關(guān)乎到我國現(xiàn)代化軌道交通的健康監(jiān)測(cè)水平[2]。而目前用于鐵路機(jī)車溫度監(jiān)測(cè)的手段和方法以紅外測(cè)溫、光纖測(cè)溫等為主，存在著可靠性差、準(zhǔn)確性差、不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)過熱點(diǎn)等缺陷，給鐵路運(yùn)輸帶來了比較大的經(jīng)濟(jì)損失和負(fù)面影響[3-4]。

近年來，無線傳感網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展為降低軌道交通站臺(tái)及機(jī)車運(yùn)行維護(hù)成本、拓寬設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用范圍開辟了廣闊發(fā)展空間[5-8]。利用無線傳感技術(shù)開發(fā)出無線測(cè)溫系統(tǒng)，具有工作可靠、便于安裝又不影響鐵路機(jī)車其他設(shè)備的結(jié)構(gòu)性能等優(yōu)點(diǎn)。目前針對(duì)高壓開關(guān)設(shè)備、變電站、鐵道斷路器等電力電子設(shè)備已經(jīng)開發(fā)出了比較成熟的無線測(cè)溫系統(tǒng)，顯示出了良好的發(fā)展前景[9-10]。

與此同時(shí)，隨著系統(tǒng)功能的不斷豐富，多種傳感器、微能源、通訊、信息處理等功能單元的微型化、集成化、低成本制造日益成為其能否規(guī)?；占斑\(yùn)用的關(guān)鍵因素，發(fā)展多功能集成微系統(tǒng)成為必然，多元集成MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微電子機(jī)械系統(tǒng)）技術(shù)為解決上述問題提供了最具潛力的技術(shù)支撐[11-13]。

未來先進(jìn)軌道交通設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)采用多傳感器集成以降低制造和使用成本、提高信息冗余性和互補(bǔ)性的發(fā)展趨勢(shì)，無源無線測(cè)溫方式表現(xiàn)出了更加獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：一是安全性高。無線測(cè)溫系統(tǒng)在工作中以電磁波的方式來傳輸信號(hào)，不會(huì)影響牽引供電系統(tǒng)及其他高壓電氣設(shè)備的運(yùn)行安全；二是可靠性好。為保證工作穩(wěn)定，采用抗電磁干擾的設(shè)計(jì)；三是可快速準(zhǔn)確測(cè)溫。接觸安裝使傳感器避免了外界環(huán)境對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)的影響，對(duì)發(fā)熱點(diǎn)的溫度變化能夠更好地追蹤；四是方便安裝。不需要再鋪設(shè)電源線、信號(hào)線等，成本低。無線測(cè)溫系統(tǒng)以無線傳輸?shù)姆绞阶x取測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)并上傳到網(wǎng)絡(luò)控制中心，以此決定是否進(jìn)行預(yù)警；此外，低功耗的無線測(cè)溫系統(tǒng)也改善了電池頻繁更換不能維持無線系統(tǒng)長久運(yùn)行的情況[14-17]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

鉑薄膜熱電阻測(cè)溫范圍大，精度高、線性度好，且具有優(yōu)良的延展性，并且能長時(shí)間保持物理和化學(xué)性能的穩(wěn)定性，是一種理想的溫度傳感器的熱敏材料。其中，鉑電阻的溫度適用范圍為-200～850 ℃。

鉑電阻在溫度范圍-200～0 ℃時(shí)的特性方程如式（1）所示：

溫度范圍為0～850 ℃時(shí)的特性方程如式（2）所示：

其中，T表示測(cè)量的溫度，RT表示測(cè)量溫度為T時(shí)的電阻阻值，R0表示測(cè)量溫度為0 時(shí)的電阻阻值，α1、α2和α3分別為溫度一次、二次和三次方的電阻溫度系數(shù)，各項(xiàng)系數(shù)分別為α1=3.94×10-3/K，α2=5.84×10-7/K2，α3=4.22×10-12/K3。

基于鉑薄膜溫度傳感器設(shè)計(jì)無線測(cè)溫系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)總體方案包括負(fù)責(zé)采集信號(hào)的監(jiān)測(cè)部分、無線傳輸環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示等處理環(huán)節(jié)，相關(guān)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）測(cè)溫范圍為0～250 ℃；

2）測(cè)溫精度在-0.5 ℃～+0.5 ℃之間；

3）溫度分辨率不超過0.01 ℃；

4）溫度響應(yīng)時(shí)間不超過1 s；

5）傳輸距離不小于20 m。

2 硬件設(shè)計(jì)

完整的硬件電路系統(tǒng)包括下位機(jī)（測(cè)量模塊）和上位機(jī)（數(shù)據(jù)顯示）模塊兩大部分，如圖1 所示。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的獲取和采集等功能，具體要完成MEMS 薄膜溫度傳感器的電源激勵(lì)、信號(hào)提取和調(diào)理處理以及AD 采集等任務(wù)，通過無線模塊將采集的溫度數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)保存或顯示。

圖1 系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 溫度采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

考慮到溫度并不會(huì)急劇變化，其變化往往是緩慢進(jìn)行的，就這個(gè)特點(diǎn)來說，溫度的測(cè)量以及采集工作，并不需要每時(shí)每刻都進(jìn)行。而是每隔時(shí)間T會(huì)進(jìn)行一次采集，其余時(shí)間讓MCU 進(jìn)入休眠狀態(tài)以滿足低功耗的需求。其軟件程序流程如圖2所示。

圖2 溫度信號(hào)采集軟件程序流程

3.2 無線收發(fā)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無線發(fā)送端在測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送后，需要加校驗(yàn)功能以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，采取定時(shí)等待、超時(shí)后重發(fā)等方法以避免偶然的發(fā)送失敗情況，發(fā)送端在收到主機(jī)命令后才進(jìn)入休眠模式，該環(huán)節(jié)的軟件程序流程如圖3 所示。

圖3 發(fā)送端軟件程序流程

無線接收端需時(shí)刻檢測(cè)接收模塊并校驗(yàn)接收到的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)正確則盡快進(jìn)入休眠省電模式，并通過屏幕顯示溫度數(shù)據(jù)；若數(shù)據(jù)錯(cuò)誤則繼續(xù)等待數(shù)據(jù)到達(dá)。該環(huán)節(jié)的軟件程序流程如圖4 所示。

圖4 接收端軟件程序流程圖

4 無線測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)試與分析

4.1 0 ℃電阻測(cè)試

對(duì)傳感器樣品（#1）進(jìn)行了4 次測(cè)量，測(cè)試方法是將水放在冰箱中結(jié)冰后，拿出冰塊加入水中，穩(wěn)定一段時(shí)間后開始記錄數(shù)據(jù)，由于每次實(shí)驗(yàn)條件（包括冰水混合體積、比例、測(cè)試時(shí)刻）不同，冰水混合物中也存在一定的溫度梯度，不是絕對(duì)一致，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果在0 ℃附近波動(dòng)。穩(wěn)定的測(cè)量誤差小于0.05 ℃，表明了鉑電阻溫度傳感器和測(cè)試系統(tǒng)的精度指標(biāo)高于設(shè)計(jì)要求。

4.2 升溫過程測(cè)試

對(duì)另外兩個(gè)傳感器樣品（#2 和#3）進(jìn)行標(biāo)定后，設(shè)置30 ℃、60 ℃、90 ℃、120 ℃、150 ℃、180 ℃、210 ℃、240 ℃和270 ℃測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行兩次測(cè)試，#2 樣品前后兩次測(cè)試結(jié)果如圖5 所示，#3 樣品前后兩次測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。

圖5 傳感器樣品測(cè)試結(jié)果（#2）

圖6 傳感器樣品測(cè)試結(jié)果（#3）

4.3 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

將封裝好的鉑電阻溫度傳感器從室溫直接放入100 ℃的沸騰水中，用高精度萬用表測(cè)試傳感器電阻隨時(shí)間的變化，萬用表數(shù)據(jù)刷新時(shí)間間隔最小為8 ms，定義響應(yīng)時(shí)間是傳感器的電阻從設(shè)定溫度電阻值（37 ℃）到穩(wěn)定值（45 ℃）所需時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間約0.4 s，測(cè)試曲線如圖7 所示。

圖7 薄膜溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試曲線

4.4 無線傳輸距離測(cè)試

無線收發(fā)系統(tǒng)的發(fā)射功率為10 dBm，用穩(wěn)壓電源進(jìn)行測(cè)試，發(fā)射端最大電流0.04 A，最小電流0.03 A，如圖8 所示，開發(fā)的無線測(cè)溫系統(tǒng)其傳輸距離可以達(dá)到200 m 以上，超過了設(shè)計(jì)最初的技術(shù)指標(biāo)。

圖8 無線傳輸距離測(cè)試

5 結(jié)論

文中研究了基于MEMS 鉑電阻溫度傳感器的無線測(cè)溫系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，包括溫度測(cè)量及無線傳輸?shù)能浻布桨冈O(shè)計(jì)；硬件部分包括下位機(jī)（測(cè)量模塊）和上位機(jī)（數(shù)據(jù)顯示）模塊功能實(shí)現(xiàn)和具體電路，軟件部分包括具體功能的邏輯實(shí)現(xiàn)、框圖設(shè)計(jì)及測(cè)試調(diào)試等。對(duì)溫度測(cè)量性能和無線收發(fā)性能進(jìn)行了測(cè)試分析，包括溫度測(cè)量精度、溫度響應(yīng)時(shí)間等。該系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都滿足了相關(guān)的設(shè)計(jì)要求，具有較高的應(yīng)用參考價(jià)值。