非接触在线监测在地铁机电设备中的应用

何伟荣

（上海申通地铁集团有限公司维护保障中心，200233，上海∥工程师）

0 引言

现代工业自动化技术融合了传感器、信息、控制、计算机等技术，推动了现代工业的技术进步，也推动机电设备在线监测与诊断技术的发展。任何机电设备在其寿命周期中，都会不可避免地造成一定的损伤。如果没有良好的检测、评估方法来对运营中的机电设备进行监测，必然会使机电设备在长期的工作状态下，出现从小事故先兆发展到大故障。

为此，研究和分析机电设备的故障检测和评估方法具有积极的意义。随着计算机的硬件和软件的发展，以及各种电力电子元件的研发和应用，使得测控技术迅速发展，为研究和开发各种检测设备提供了良好的条件。同时，电网系统的高次谐波对机电设备影响的研究也越来越得到重视。机电设备故障检测系统通常由传感器、信息处理、数据分析等三大单元组成。传感器单元用于感知所需要测量的机电设备状态特征参量，目前有电磁、力学、声音、温度、气体和光学传感器等；信息处理单元是将传感器得到的物理、化学等参量，通过计算机的模拟－数字模块、滤波器、数字－模拟模块等硬件进行信号的变换，最终达到计算机能够识别的机器语言；数据分析单元就是根据设计要求，应用高级计算机语言进行处理、分析和计算，最后显示出有关曲线图、数据和文字描述。

传感器按检测方法通常分为接触式传感器和非接触式传感器。

非接触式传感器一般采用电磁法、超声波法、温度法、气体法和光学法等，而在机电设备检测过程中，最常用是电磁法、红外线法、光学法等。在维护过程中，需要同时检测机电设备的机械性能（磨损、振动等）和电气特性（谐波、电流等）状态时，就需要至少两种以上不同类型的传感器进行检测，以分别分析故障数据（如振幅，谐波等）。目前，常采用比较先进的多通道检测仪，配备常规的传感器，具有图形和数据功能，但缺少评估软件。而在检测过程中，往往需要用户自己配备传感器单元和确定检测结果，所以检测就显得非常麻烦和缺少专业性。

研究人员发现，机电设备在工作过程中，主要是由电力源“给力“，其成分为“电压”、“电流”。能否仅在“电流”中诊断出机电设备的故障源（如机械状态、电气性能及不同的高次谐波等）。现在仅通过一个非接触式传感器单元（其特点为安全性能好、防护等级高等）就能够判断出机械故障、电气故障，帮助和提示检测人员获得相应的数据及评估报告。这种非接触在线检测方法在日本工业中已得到应用。本文主要研究非接触式传感器单元的设计，谐波监测软件的开发及其在地铁机电设备中的应用，创建自己的非接触式在线机电设备检测系统。现将研究结果供同行参考和交流。

1 非接触式传感器的设计

目前非接触式传感器的应用比较广泛，主要有交流型传感器（线圈型）和直流型传感器（芯片型）。其工作原理是通过利用二次线圈电磁感应、电磁场及光电感应来获得被测物体的各种信息（如电流、电压、功率等）。近年来，电容法及红外线法测量技术得到迅猛发展，但是应用在工业领域仅仅是作为便携式工具，而作为在线检测、非接触式测量及评估功能的综合设备几乎没有。日本ATC公司创立了“高次谐波诊断”技术，其非接触式在线机电设备检测系统深受全世界20多个行业青睐，该系统采用了先进的检测技术和专家经验数据库，二者的良好组合，使该系统的性价比高于其它相似的检测设备。

1.1 非接触式传感器设计原理

图1为充放电电容测量电路。基于开关电容电路的“急速电荷注入”原理，通过开关K1、K2、K3和K4，按一定开关频率触发，使得电容C充放电，将输入端（in）的电荷不断注入到输出端（out）。在图1的基础上，加入一个2N422型静电场效应管（MOSFET）则可得到图2。在图2中，当开关K1导通时，感应点Vg接地，则2N422型MOSFET处于断开状态，控制电源Vdd对电容C充电；当开关K2导通、K1断开时，C存在电压差，这时感应点电压Vg＝Vin＋Vdd，使Vg＝Vdd，结果是2N422型MOSFET的开关频率由Vdd决定。即Vdd检测到的信号决定了2N422型MOSFET的“急速电荷注入”。图2的电路与非接触式静电检测仪器中的检测电路基本相似，是一种典型静电检测电路。

图2构成了本文所介绍的非接触式传感器的部分设计电路。采用MOSFET晶体管，结合其特性和开关电容电路原理及相关滤波电路，就可设计出非接触在线监测装置的相应硬件设备。图3为设计的非接触式传感器感应原理图，图4为研制的微型控制器和非接触传感器实景图。

图1 充放电电容测量电路

图2 自举开关电路

图3 非接触式传感器感应原理图

图4 微型控制器和非接触传感器实景图

1.2 非接触式传感器的特性

非接触式电场传感器与磁场传感器非常相似。经试验发现：在电荷电场的作用下，一旦传感器与被测导线之间的位置固定，在电流强度不变的情况下，传感器的静态和动态特性保持不变，并具有良好的稳定性（应采用金属屏蔽、接地等）；并且温度变化等环境条件对电场传感器的影响比磁场传感器影响小。非接触式电场传感器具有如下特性：①高输入阻抗；②输出端负载的变化对输入端影响小；③良好的热稳定性；④抗辐射性和噪声较低；⑤高频特性好；⑥失真度低于一般晶体管。

对用MOSFET制造的传感器，其线性度好、分辨率良好、灵敏度高（一旦稳定后效果很好）、重复性良好。这些特性与微型控制器中的声卡也有直接的关系。良好的传感器需要配有高性能的数字－模拟模块、模拟－数字模块的支撑。

1.3 非接触式传感器的测试效果

通过反复对传感器的试验、软件的检测，传感器单元的设计达到了理想效果。图5为三种不同软件对同一信号显示的界面图。

图5中，左上角的“虚拟仪器0.94”软件和右上角的TrueRTA软件均为非常优秀的示波器和频谱仪的应用软件；而下半部显示的软件是本文作者基于VB6编程软件自主开发的示波器及频谱仪应用软件。它们显示出用非接触式传感器所获得的曲线图，采集电源为220VAC（相线）、50Hz。图5显示的结果是这三种软件在示波器中具有相似的正弦波，而自主开发的软件界面还显示了频谱仪的1次基波、3次谐波、5次谐波等。

图6为在现场试验台上用自制非接触传感器检测的变频器（CVCF）输出400VAC时的工作频率图，其中检测到瞬间过程中IGBT（绝缘栅门极晶闸管）的工作频率是600Hz。

图5 三种不同测试软件对同一信号显示的界面图

图6 变频器交流400V的工作频率图

图7是用自制非接触传感器监测到的CVCF输入直流1500 V时的频谱图，并证实了直流1500V不是非常纯的直流波形图。

图7 变频器输入直流1500V的工作频率图

图8为检测到的调光台灯内可控硅的特性，即导通角α的大小变化。

图5～8验证了该非接触式传感器单元具有良好灵敏度和延迟性。由此可证明，所设计的非接触式传感器具有良好的稳定性和线性度效果，完全可以满足工业控制的要求。

图8 可控硅的特性图

2 微型控制器等硬件设计

本次研制的微型控制器的硬件是借用计算机的声卡，以达到“低成本和高性能”的目的，是将信号源、示波器、频率计等功能高度集成、统一使用。将来作为正式的工业控制器设计，仍然需要“嵌入式系统”或“单片机”、“DSP模块”等，以进行标准化的设计。

3 软件设计

本研究基于VB6编程软件开发，主要是利用“快速傅里叶FFT”函数进行高次谐波的计算和分析。常用的窗函数主要采用Hamming（海明窗）和Blackman（布莱克曼窗）。为便于在检测过程中观察和分析波型图，软件采样频率分别为44kHz、22kHz和11kHz，采集目标分最高频率和工业频率。软件的人机界面可操作性良好，具有自动保存数据和图片（频谱功率图及曲线图）的功能。图9为用自行研制的非接触式传感器实际检测到的50kHz频谱图、正弦波图及数据。

图9 检测到的频谱图、正弦波图及其数据

图5～9表明，本软件的基本功能设计是正确的，结果是可靠而稳定的。

综上所述，所研究的“非接触在线监测装置”完全能够满足轨道交通行业对机电设备的检测和控制要求。

4 应用

在日本，非接触在线监测技术已广泛应用在轨道交通车辆、变电站、不间断电源蓄电池、汽轮机等领域。在国内，对于非接触在线监测技术的实际应用并不多，一般基于二次传感器技术的检测研究比较多，而能够直接、有效地在线检测和评估的案例更是非常少。

对于轨道交通企业采用“非接触在线监测地铁机电设备”是非常有益的，特别是对地面牵引变电站、列车的VVVF（变压－变频）装置和CVCF装置及其它机电设备的维护等。

由于电网的相互污染及使用非线性机电设备，往往导致供电系统中各种谐波的存在。而谐波的存在对工业电网是非常不利的，将造成机电设备的发热、绝缘性能降低、电机内部机构损耗、IGBT误触发、通信的干扰等。目前还没有有效的方法进行检测，而“非接触在线监测装置”的应用能够检测和了解机电设备发生故障的原因，可起到“药到病除”的效果。

例如，在电机生产企业和使用电机的企业，电机产品出厂和电机维护时往往需对电机的质量、性能进行评估，应有“数字化质量报告”。对整机的工作温度、线圈的绝缘性、轴承和设备的振动情况等参数均需要检测。传统的方法是分别采用温度传感器、振动传感器和绝缘表等测量工具进行例行检测，这非常不方便。如果采用”非接触在线监测装置”，不但在电机维护时，而且在在线状态时，都能够获得各种参数及高次谐波。图10为电机在试验时（AC 1100V）用“非接触在线监测装置”获得的曲线图。发现其中一相的正弦波中存在谐波，同时在频谱仪中存在高次谐波。当然，为了更好地进行分析和评估，需要建立相应的数据库，为电机的维护和性能检测提供良好的基础工作。

图10 某电机在试验时的检测图

5 结语

机电设备无论是“直流电”、“交流电”，也无论是“模拟信号”、“开关信号”，只要半导体物体有“电荷”的存在，“非接触在线监测装置”均能进行检测。

本项研制得到日本ATC公司的“非接触在线智能监测和评估”产品的启发，并在其基础上得到发展，能够检测到小于2A的电流，并具有监控“数字”开关量和提示等功能（RS232＼USB）。

［1］张安华.机电设备状态监测与故障诊断技术［M］.西安：西北工业大学出版社，1995.

［2］马宏忠.电机状态监测与故障诊断［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［3］许遐.公用电网谐波的评估和调控［M］.北京：中国电力出版社，2008.