摘要：现有HXN5型机车压力传感器测试装置简陋、测量过程繁琐。为满足HXN5型机车压力传感器的测试需求，同时能兼顾监控用等其他压力传感器，通过研究原始测量方式是否具有统一性，设计出一款通用的测试设备，达到提高检修效率和质量、保障机车安全运行的效果。
关键词：HXN5型机车；压力传感器；测试
1 引言
HXN5型机车用压力传感器共有7种，是机车上较为重要的传感部件。它通过将压力信号转换成可用的电信号，进而显示在微机上，使乘务员能直观地查询到各主要部件的压力值是否正常，第一时间保证了机车的安全。我段自使用HXN5型机车以来，压力传感器存在一定的故障率，但该类传感器体积较小，接插件特殊，且测量量程各不相同，相差很大，目前尚无专用的测试设备，且现有测试设备较为简陋，导致传感器的性能如何、质量是否良好无法正确及时地筛选把控，使得上车产品不受控，从而影响到行车可靠性和安全性。因此，急需通过整合资源，设计出一款通用的测试设备，满足HXN5型机车压力传感器的测试需求，同时能兼顾监控用等其他压力传感器的测试，提高测试效率和质量，提升管理水平，便于机车的检修，保障机车的安全可靠运用。同时，要具备简单友好的人机操作界面。
2 HXN5型机车压力传感器自动测试设备的方案优选
要实现压力传感器的测试，首要解决的是气源的调节，再就是电气性能的测试手段。由于被测传感器的测量范围各不相同且测量量程差异极大，要同时保证所有气压点的精度和稳定度较难实现，故气源的调节为本文研究的一大难题。
2.1 多种气源组合调节方式
采用分量程的方式实现，该方案可以满足传感器全量程的测试，具体方案如下：
2.1.1 气源
在外部配置一个空气压缩机，其输出压力调整至最小2.05MPa，最大2.40MPa，或者可以使用外部其它气源，只要保证输入气体压力大于2.05MPa，小于2.4MPa即可。为避免空气压缩机频繁启动，储气罐的体积≥10L。
2.1.2 测量气压的调节
根据压力传感器的测量范围，气源的调节设备分为高中低三种，高气压段为800kPa～2000kPa，中气压段为100kPa～1000kPa，低气压段为-50kPa～150kPa，分别采用三种不同量程的电气比例阀进行气压调节。
2.1.3 标准气压的测量
此外还要选择精度范围极高的标准传感器或者压力表，根据实际情况，分为两种，一种范围为-50kPa～200kPa，一种为0kPa～2000kPa。
2.1.4 缺点
该方案不具备扩展性，成本较高，需要用到3个电气比例阀，2个标准传感器或压力表，同时气源的切换和选择比较麻烦，容易出现选择错误而导致高气压加载在小量程的压力传感器上而损坏传感器的后果。此外，操作起来也很复杂。再者，系统的组成越复杂、部件/元件越多就导致故障点越多，而且出现故障后不方便排查。高压的空气压缩机属于特种设备，使用上有安全风险，对于特种设备还需要进行专门的管理，给设备管理增加了不必要的工作量。空气压缩机工作的时候，噪音较大，需设置专门的房间存放。
2.2 对比法
采用对比法进行测量，将被测传感器与标准传感器接到同一个气源上，调节气源的压力，同时测量两个传感器的输出信号并绘制出曲线。通过被测传感器与标准传感器的压力-输出曲线进行对比，来实现传感器的测试。
2.2.1 气源的产生与调节
采用手动压力泵的方式实现。气源的可调范围宽，可实现微调和粗调，压力源稳定。同时集正、负造压于一体，正负压切换方便。此外，设备体积小，携带方便，使用安全，工作时无噪音。
2.2.2 标准气压的测量
采用现成的标准传感器监测被测压力，无需额外添置标准传感器或压力表。采用高精度采集电路采集被测传感器和标准传感器的输出，使用台式压力泵调节气压的同时绘制传感器的压力输出特性曲线，通过计算、对比被测传感器与标准传感器曲线的拟合度来判定被测传感器的输出特性。另外，检测标准传感器的输出，当输出接近其满量程值时控制电磁阀切断气源供应并弹出对话框提醒，以防误操作使得压力过大而损坏传感器。
2.2.3 优点
该方案成本低，使用简单、安全、无噪音。同时气源和测量单元进行模块化设计，可以任意组合，以适应于不同的应用需求，实现各种压力传感器的测试。此外，可便携式作业，能够直接对车上的压力传感器进行不拆卸测量，待机时间长，界面操作简单实用。
因此，通过对比本文选用第二种方案。
图一 电路原理框图
3 HXN5型机车压力传感器自动测试设备的技术方案
3.1 测量部分
3.1.1显示器选择
测试台的显示内容不多，操作选项简单，且为了轻便的需要，选择7寸TFT显示屏，分辨率800*480，能满足本测试设备的需求。TFT(Thin Film Transistor)即薄膜场效应晶体管，它可以"主动地"对屏幕上的各个独立的像素进行控制，这样可以大大提高反应时间。一般TFT的反应时间比较快，约80毫秒，而且可视角度大，一般可达到130度左右，主要运用在高端产品。从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息。TFT属于有源矩阵液晶显示器，在技术上采用了“主动式矩阵”的方式来驱动，利用薄膜技术所作成的电晶体电极，通过扫描的方法“主动拉”控制任意一个显示点的开与关，光源照射时先通过下偏光板向上透出，借助液晶分子传导光线，通过遮光和透光来达到显示的目的。TFT显示屏有出色的色彩饱和度、还原能力和更高的对比度。
3.1.2电路原理框图
测量部分由充电电路、电池、电源转换电路、TFT显示屏、采集测量电路、通讯电路、接口电路、按键、浪涌保护、ESD保护、短路保护等组成（见图一）。实现压力传感器输出信号的采集、计算与显示功能，同时还能通过RS485通讯接口与外部设备通讯，进行数据共享。
系统分为两块，一块为人机交互，一块为测量采集模块，分开设计易于维护。
人机交互主控CPU采用意法半导体的STM32F103VET6芯片，内核为Cortex-M3，搭配7寸TFT液晶。预留SD卡接口，用于程序升级。
采集模块主控芯片CPU采用意法半导体的STM32F103RCT6芯片，内核为Cortex-M3。测量模块采集传感器的输出电压，通过485与人机交互进行数据通信。
3.1.3电源部分
图二 电源电路图
图三 RS485通讯电路
图四 三色灯电路
供电采用12V锂电池，经电池生产生5V和3.3V电压，5V供给系统，3.3V给CPU供电。因为系统不对外连接，且用电池供电，所以不需要隔离电源。
3.1.4 RS485通讯电路
考虑到后升级和与之配合的扩展设备通信，预留485接口。防止接口引入干扰，特加入保护电路（见图三）。
3.1.5三基色LED控制电路
三基色采用DM412进行控制，该集成电路采用16位控制，具备65535级灰阶，通过调节三原色的灰阶来呈现不同的颜色。光的三原色为红绿蓝，选用RGB-5mm的LED灯。电池容量等级预警颜色分为蓝、黄、红，充电为绿色（三色灯电路见图四）。
3.1.6信号采集电路
图五 信号采集电路
采用巴特沃斯滤波器电路，在信号输入端与输出端设置电压跟随电路，输入信号阻抗无穷大，输出阻抗无穷小，减小了AD电路的输入电阻对信号源的影响，提高了线性度。此外，为了滤出高频的干扰信号，采用低通滤波器的方式，实现压力传感器输出信号的可靠采样。
3.2 气路设计
微压压力泵由泵体、调节手柄、连接管路、电磁阀等组成。
泵体包括呈条状且一端具有定位平面的座体，在泵体的中部设有第一柱体且在第一柱体的一端与座体一面齐平，第一柱体的另一端延长至座体的另一面外，在座体上设有位于第一柱体与座体齐平一面且轴心线和轴孔轴心线重合的环形槽，在座体设有定位平面的一端具有向外延长的消音筒且所述的消音筒延长方向与第一柱体的延长方向相反，在消音筒的轴向中心设有连接筒，形成环形消音空间，在座体上设有与环形消音空间连通的气体直通道且所述的气体直通道外端位于定位平面内。气体流量增大且噪音极小。
微压压力泵具有操作简单、维护方便、不易泄漏的特点。回检排气阀在被检表处，被检表中的污染物可直接排出，避免了泵体的污染。由于它的结构为开放、透明式，因此用户在维护、保养时极为方便。传压介质为空气，升降压平稳，采用超细微调确保了足够小的分辨力(最小分辨力为0.1Pa) ，集正、负造压于一体，正、负压转换方便。外壳与储压腔之间采用绝热材料进行隔热保温，大大减少了温度对微压仪表校验影响大的缺点。该压力泵采用了进口的快接头与连接管。
3.3 箱体
采用便携式手提箱对测量部分进行包装，使用轻便（见图六）。
图六 箱体示意图
图七 人机交互软件流程图
3.4软件设计
3.4.1 人机交互软件设计
人机界面采用u/COS II + u/CGUI的方式，u/COS II现已经大量使用，稳定可靠且实时性好，可以大大提高程序的执行效率和程序的灵活性，可以方便的实现模块化（任务分解）。GUI可以快速进行图形开发，人机交互友好。
3.4.2测量模块软件设计
测量模块采用u/COS II进行设计，将各个模块任务化，方便程序的开发的维护。
4 技术创新性以及解决的主要问题
4.1 技术创新性
（1）采用对比拟合测量方式，无需额外添置高精度全量程压力表，同时通过拟合算法，保证了较高的测量精度。
（2）采用可电池供电，同时对结构进行简化，构造轻便，适用于移动作业，满足现场作业需求。
（3）采用手动压力泵的方式实现。气源的可调范围宽，可实现微调和粗调，压力源稳定。同时集正、负造压于一体，正负压切换方便。此外，设备体积小，携带方便，使用安全，工作时无噪音。
（4）采用便携式结构，拜托了以往粗大笨的结构方式，轻便、无噪音，实现了移动作业。
（5）采用与被测传感器型号的传感器作为标准传感器，杜绝了因标准表量程差异带来的误差，同时成本低廉、使用方便。
4.2 解决的主要问题
该设备由测量部分和气路部分组成，通过对比拟合测量的方式，实现了HXN5型机车压力传感器的移动便携式测试，同时采用模块化设计思路，测量部分与气路部分可以任意组合，不同电气接口、机械接口的传感器只需配置转接连线或气路接头即可，能兼顾监控用压力传感器的测试，提高了检修效率和质量，便于机车的检修，保障机车的安全可靠运用。
图八 采集模块软件流程图
5 结束语
该设备实现了各种压力传感器的测试，并采用模块化设计，可任意组合以满足不同的测试要求。此外，可便携式作业，能够直接对车上的压力传感器进行不拆卸测量，待机时间长，界面操作简单实用。改变了HXN5型机车压力传感器无专用测试设备的现状，同时具备可扩展性，通过选择对应的电气、机械接头即可实现其他型号压力传感器的测试，具备一定的通用性，实现了一机多用。
参考文献
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本论文作者：周晓颖，女，工程师，大学本科。
论文作者:周晓颖
论文发表刊物:《电力设备》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/16
标签：传感器论文; 测量论文; 测试论文; 机车论文; 压力传感器论文; 电路论文; 量程论文; 《电力设备》2019年第9期论文;