基于MEMS 铂电阻的无线测温系统设计与测试

侯晓伟，武鹏，郑良广

（宁波中车时代传感技术有限公司中国中车传感测量技术研发中心，浙江宁波 315021）

轨道交通领域对温度测量设备尤其是先进的测温技术有极大的需求，在铁路运营过程中存在着大量需进行温度测量的状态监控点[1]。如在电气化铁路的牵引供电系统中存在着许多的电气连接点，这些连接点在系统运行一段时间后会发生过热的现象，严重时甚至会烧坏导线，使供电中断，从而影响铁路运输。除此之外，列车走行部各类轴承也会出现运行不良而产生温升较高的情况，严重时会造成切轴等事故。牵引供电系统、列车轴承等关键部件的温度监测对铁路的安全运营起着非常关键的保障作用，关乎到我国现代化轨道交通的健康监测水平[2]。而目前用于铁路机车温度监测的手段和方法以红外测温、光纤测温等为主，存在着可靠性差、准确性差、不能及时发现过热点等缺陷，给铁路运输带来了比较大的经济损失和负面影响[3-4]。

近年来，无线传感网技术的不断发展为降低轨道交通站台及机车运行维护成本、拓宽设备健康状态监测的应用范围开辟了广阔发展空间[5-8]。利用无线传感技术开发出无线测温系统，具有工作可靠、便于安装又不影响铁路机车其他设备的结构性能等优点。目前针对高压开关设备、变电站、铁道断路器等电力电子设备已经开发出了比较成熟的无线测温系统，显示出了良好的发展前景[9-10]。

与此同时，随着系统功能的不断丰富，多种传感器、微能源、通讯、信息处理等功能单元的微型化、集成化、低成本制造日益成为其能否规模化普及运用的关键因素，发展多功能集成微系统成为必然，多元集成MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微电子机械系统）技术为解决上述问题提供了最具潜力的技术支撑[11-13]。

未来先进轨道交通设备健康状态监测采用多传感器集成以降低制造和使用成本、提高信息冗余性和互补性的发展趋势，无源无线测温方式表现出了更加独特的优势：一是安全性高。无线测温系统在工作中以电磁波的方式来传输信号，不会影响牵引供电系统及其他高压电气设备的运行安全；二是可靠性好。为保证工作稳定，采用抗电磁干扰的设计；三是可快速准确测温。接触安装使传感器避免了外界环境对测温系统的影响，对发热点的温度变化能够更好地追踪；四是方便安装。不需要再铺设电源线、信号线等，成本低。无线测温系统以无线传输的方式读取测量的温度数据并上传到网络控制中心，以此决定是否进行预警；此外，低功耗的无线测温系统也改善了电池频繁更换不能维持无线系统长久运行的情况[14-17]。

1 总体方案设计

铂薄膜热电阻测温范围大，精度高、线性度好，且具有优良的延展性，并且能长时间保持物理和化学性能的稳定性，是一种理想的温度传感器的热敏材料。其中，铂电阻的温度适用范围为-200～850 ℃。

铂电阻在温度范围-200～0 ℃时的特性方程如式（1）所示：

温度范围为0～850 ℃时的特性方程如式（2）所示：

其中，T表示测量的温度，RT表示测量温度为T时的电阻阻值，R0表示测量温度为0 时的电阻阻值，α1、α2和α3分别为温度一次、二次和三次方的电阻温度系数，各项系数分别为α1=3.94×10-3/K，α2=5.84×10-7/K2，α3=4.22×10-12/K3。

基于铂薄膜温度传感器设计无线测温系统，其设计总体方案包括负责采集信号的监测部分、无线传输环节、数据存储及显示等处理环节，相关的主要技术指标如下：

1）测温范围为0～250 ℃；

2）测温精度在-0.5 ℃～+0.5 ℃之间；

3）温度分辨率不超过0.01 ℃；

4）温度响应时间不超过1 s；

5）传输距离不小于20 m。

2 硬件设计

完整的硬件电路系统包括下位机（测量模块）和上位机（数据显示）模块两大部分，如图1 所示。下位机实现温度信号的获取和采集等功能，具体要完成MEMS 薄膜温度传感器的电源激励、信号提取和调理处理以及AD 采集等任务，通过无线模块将采集的温度数据传输至上位机模块进行数据保存或显示。

图1 系统硬件电路构成图

3 软件设计

3.1 温度采集系统软件设计

考虑到温度并不会急剧变化，其变化往往是缓慢进行的，就这个特点来说，温度的测量以及采集工作，并不需要每时每刻都进行。而是每隔时间T会进行一次采集，其余时间让MCU 进入休眠状态以满足低功耗的需求。其软件程序流程如图2所示。

图2 温度信号采集软件程序流程

3.2 无线收发系统软件设计

无线发送端在测量数据发送后，需要加校验功能以保证数据传输的可靠性，采取定时等待、超时后重发等方法以避免偶然的发送失败情况，发送端在收到主机命令后才进入休眠模式，该环节的软件程序流程如图3 所示。

图3 发送端软件程序流程

无线接收端需时刻检测接收模块并校验接收到的数据，若数据正确则尽快进入休眠省电模式，并通过屏幕显示温度数据；若数据错误则继续等待数据到达。该环节的软件程序流程如图4 所示。

图4 接收端软件程序流程图

4 无线测温系统测试与分析

4.1 0 ℃电阻测试

对传感器样品（#1）进行了4 次测量，测试方法是将水放在冰箱中结冰后，拿出冰块加入水中，稳定一段时间后开始记录数据，由于每次实验条件（包括冰水混合体积、比例、测试时刻）不同，冰水混合物中也存在一定的温度梯度，不是绝对一致，导致测试结果在0 ℃附近波动。稳定的测量误差小于0.05 ℃，表明了铂电阻温度传感器和测试系统的精度指标高于设计要求。

4.2 升温过程测试

对另外两个传感器样品（#2 和#3）进行标定后，设置30 ℃、60 ℃、90 ℃、120 ℃、150 ℃、180 ℃、210 ℃、240 ℃和270 ℃测试点进行两次测试，#2 样品前后两次测试结果如图5 所示，#3 样品前后两次测试结果如图6 所示。

图5 传感器样品测试结果（#2）

图6 传感器样品测试结果（#3）

4.3 响应时间测试

将封装好的铂电阻温度传感器从室温直接放入100 ℃的沸腾水中，用高精度万用表测试传感器电阻随时间的变化，万用表数据刷新时间间隔最小为8 ms，定义响应时间是传感器的电阻从设定温度电阻值（37 ℃）到稳定值（45 ℃）所需时间，响应时间约0.4 s，测试曲线如图7 所示。

图7 薄膜温度传感器响应时间测试曲线

4.4 无线传输距离测试

无线收发系统的发射功率为10 dBm，用稳压电源进行测试，发射端最大电流0.04 A，最小电流0.03 A，如图8 所示，开发的无线测温系统其传输距离可以达到200 m 以上，超过了设计最初的技术指标。

图8 无线传输距离测试

5 结论

文中研究了基于MEMS 铂电阻温度传感器的无线测温系统的整体设计，包括温度测量及无线传输的软硬件方案设计；硬件部分包括下位机（测量模块）和上位机（数据显示）模块功能实现和具体电路，软件部分包括具体功能的逻辑实现、框图设计及测试调试等。对温度测量性能和无线收发性能进行了测试分析，包括温度测量精度、温度响应时间等。该系统的各项技术指标都满足了相关的设计要求，具有较高的应用参考价值。