用于復(fù)雜環(huán)境電渦流傳感器的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用*

戴楊

（淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與電氣工程系，安徽淮南 232001）

經(jīng)驗(yàn)交流

用于復(fù)雜環(huán)境電渦流傳感器的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用*

戴楊

（淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與電氣工程系，安徽淮南 232001）

針對(duì)礦井電磁場(chǎng)干擾信號(hào)強(qiáng)、濕度高、溫差大、傳感器采集礦車(chē)信號(hào)不準(zhǔn)確的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了由可控幅值振蕩器、檢波電路、低通濾波器、反相幅值比較放大、滯回電壓比較器、輸出電路及偏置電路組成的新型電渦流傳感器。采用差分對(duì)管振蕩電路消除溫度變化對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響，通過(guò)自動(dòng)增益控制電路補(bǔ)償高頻自激振蕩信號(hào)的幅值，消除傳感器自激和誤檢。應(yīng)用表明，傳感器靈敏度高，信號(hào)采集準(zhǔn)確，抗電磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)，撞擊損壞率＜2%。

電渦流傳感器；差分振蕩器；AGC穩(wěn)幅

1 前言

現(xiàn)代煤礦井下機(jī)車(chē)運(yùn)行的特點(diǎn)是高速、重載、大密度。為了保證井下機(jī)車(chē)的運(yùn)行安全、高效，必須使用完備的信號(hào)設(shè)施，電氣設(shè)備集中監(jiān)督調(diào)度，信號(hào)與道岔實(shí)現(xiàn)閉鎖，簡(jiǎn)稱(chēng)“信、集、閉”系統(tǒng)［1］。但是，目前非常理想的煤礦“信、集、閉”系統(tǒng)并不多。主要是機(jī)車(chē)位置傳感器對(duì)信號(hào)采集不夠準(zhǔn)確可靠，直接影響“信、集、閉”系統(tǒng)的推廣和使用。

由于礦井電磁場(chǎng)干擾信號(hào)較強(qiáng)、濕度高、溫差大，目前對(duì)礦車(chē)信號(hào)采集的傳感器容易受到干擾，容易產(chǎn)生自激、誤檢和漏檢測(cè)情況，使用壽命短。本研究從傳感器工作原理與安裝方式出發(fā)，分析了礦井大巷電磁場(chǎng)干擾信號(hào)、高濕度及大溫差對(duì)傳感影響的成因，提出了一種簡(jiǎn)便的電路補(bǔ)償方式，給出了相應(yīng)的電路原理。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用，傳感器靈敏度高，信號(hào)采集準(zhǔn)確，抗電磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)，滿足了監(jiān)督調(diào)度系統(tǒng)的要求。

2 傳感器工作原理

傳感器的主要作用是對(duì)礦車(chē)車(chē)輪緣信息進(jìn)行采集，上傳到計(jì)算機(jī)調(diào)度系統(tǒng)，由軟件根據(jù)采集信息判斷礦車(chē)方位、速度和車(chē)輪對(duì)數(shù)。傳感器在礦井大巷運(yùn)輸監(jiān)督調(diào)度系統(tǒng)中，數(shù)量多、檢測(cè)信息量大，是最重要的信息采集器。新型的傳感器采用有源電渦流效應(yīng)感應(yīng)方式，能靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地、高線性度、非接觸、高分辨率地測(cè)量被測(cè)金屬導(dǎo)體。電渦流傳感器主要是通過(guò)高頻激勵(lì)信號(hào)使傳感頭的線圈產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，當(dāng)被測(cè)車(chē)輪緣靠近感應(yīng)線圈時(shí)，在磁場(chǎng)作用范圍的礦車(chē)輪緣表層（導(dǎo)體）產(chǎn)生電渦流，而電渦流又將產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，阻礙外磁場(chǎng)的變化。能量損耗使傳感器感應(yīng)線圈的等效阻抗Z、品質(zhì)因數(shù)Q值和電感L均發(fā)生改變，引起傳感器感應(yīng)線圈交流電壓的振蕩頻率和幅度的變化，經(jīng)檢測(cè)電路將電壓幅度變化信號(hào)轉(zhuǎn)變成準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出，由此判斷有無(wú)車(chē)輪通過(guò)傳感器的感應(yīng)線圈，并以此判定機(jī)車(chē)的運(yùn)行方向及車(chē)速。

井下電場(chǎng)和磁場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，傳感器安裝在軌道內(nèi)側(cè)的軌腰上，電子電路易受到電磁場(chǎng)、溫度、濕度和機(jī)械振動(dòng)的影響。傳感器感應(yīng)線圈表面容易受到掉落小金屬件的干擾，如：道釘、電線頭、小鐵片等都會(huì)使傳感器誤測(cè)或不能正常工作，直接影響運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，必須對(duì)電路合理設(shè)計(jì)，采用對(duì)稱(chēng)差分電路，并具有自適應(yīng)功能，能從復(fù)雜的環(huán)境中提取有效的電信號(hào)。

3 新型電渦流傳感器開(kāi)發(fā)

3.1 開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

新型電渦流傳感器采用以下技術(shù)：

1）采用差分對(duì)管振蕩電路，具有溫度補(bǔ)償作用，克服了礦井溫差大對(duì)傳感器電路靜態(tài)工作點(diǎn)的影響。

2）振蕩電路頻率選擇在200 kHz～500 kHz，為低頻透射式和高頻反射式之間的頻率。小金屬物件掉落在傳感頭上，能使高頻交變電磁信號(hào)透射小金屬件，保證傳感器正常工作。

3）盡量提高自激振蕩信號(hào)的電壓幅值，可有效提高檢測(cè)靈敏度和信噪比，但電渦流傳感器要滿足礦用電器本質(zhì)安全的要求，自激振蕩信號(hào)的電壓幅值過(guò)高，會(huì)使傳感器的偏置電路設(shè)計(jì)困難。

4）高頻自激振蕩信號(hào)電路采用振幅鑒別，對(duì)振幅具有AGC自動(dòng)增益的功能。當(dāng)有小鐵件遮擋傳感頭或傳感器浸泡在水中，能使傳感頭線圈中的Q值和Z變化得到補(bǔ)償。

5）傳感器外殼為鑄鋼件，電路采用了柔性材料和環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合封裝，可防止機(jī)車(chē)掉道對(duì)傳感器的撞擊。

6）傳感器有兩種輸出形式，便于和上級(jí)電路毗連：BTJ晶體管OC輸出（3根輸出線）；有無(wú)電流輸出（2根輸出線）。

3.2 應(yīng)用參數(shù)

新型電渦流傳感器體積小、重量輕、容易安裝，其準(zhǔn)數(shù)字量輸出便于與計(jì)算機(jī)調(diào)度系統(tǒng)毗連，是在用礦車(chē)車(chē)輪緣信息采集方式。傳感器適用于相對(duì)濕度100%或持久浸泡水中；環(huán)境溫度范圍-6～42℃；正向最大傳感間距27 mm；允許礦車(chē)車(chē)輪軸向擺幅最大50 mm，傳感器的輸入電源（12±3）V，電流＜5 mA，滿足礦用電器本質(zhì)安全的要求。

3.3 電路構(gòu)成

新型電渦流傳感器電路構(gòu)成如圖1所示。

圖1 新型電渦流傳感器電路組成

該傳感器由可控幅值振蕩器、檢波電路、低通濾波器、反相幅值比較放大、滯回電壓比較器、輸出電路及偏置電路組成?？煽卦鲆嬲袷幤鳎a(chǎn)生自激正弦波振蕩信號(hào)。當(dāng)機(jī)車(chē)輪緣（導(dǎo)體）接近振蕩器的自激振蕩電感線圈時(shí)，會(huì)使線圈Q值和等效阻抗Z降低，使振蕩器的自激振蕩信號(hào)幅值降低。經(jīng)過(guò)檢波和低通濾波器，去除高頻信號(hào)，獲得的電平幅值降低。一路電平信號(hào)通過(guò)滯回電壓比較器與標(biāo)準(zhǔn)電位比較；當(dāng)有機(jī)車(chē)輪緣通過(guò)時(shí)，電壓比較器輸出低電平，使輸出電路三極管截止，集電極與地處于高阻狀態(tài)，輸出高電平，當(dāng)無(wú)機(jī)車(chē)輪緣通過(guò)時(shí)，電壓比較器輸出高電平，使輸出電路的三極管飽和導(dǎo)通，輸出低電平。

另一路電平信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)電壓比較放大，獲得AGC自動(dòng)增益控制的電壓。當(dāng)有小鐵件遮擋傳感頭或傳感器浸泡在水中，傳感頭線圈中的Q值和Z變化時(shí)，使得振蕩器振幅降低，AGC自動(dòng)增益控制的電壓增大，組成振蕩器三極管發(fā)射極IE的靜態(tài)電流，提高三極管的放大倍數(shù)，使振蕩幅值趨于不變。反饋控制環(huán)只補(bǔ)償靜態(tài)導(dǎo)體對(duì)幅值的影響。

3.3.1 可控幅值振蕩器電路

圖2為可控幅值振蕩電路原理。

不失真正弦波振蕩幅值與UAGC和直流電位的關(guān)系如表1所示。

圖2 可控幅值振蕩電原理路

表1 弦波振蕩幅值與UAGC和直流電位的關(guān)系V

三極管VT7、VT9和VT8組成電流源差動(dòng)放大電路。VT7與VT9具有鏡像對(duì)稱(chēng)性。當(dāng)VT7和VT9三極管參數(shù)等同時(shí)，能夠抑制串入干擾（抑制共模信號(hào)），自激振蕩信號(hào)得到放大（放大差模信號(hào)）。用三極管VT8構(gòu)成的電流源替換射極耦合電阻，使得對(duì)稱(chēng)電路共模抑制比增大，提高了電路的對(duì)稱(chēng)性和反饋強(qiáng)度，減少了外界電場(chǎng)和磁場(chǎng)的串入量，降低了溫度對(duì)靜態(tài)Q值的影響［3］。三極管VT8構(gòu)成的電流源還有一個(gè)作用是電路的自適應(yīng)功能，改變UAGC的電位幅值，VT8和電阻組成電流源的靜態(tài)電流值發(fā)生變化，使得VT7、VT9的靜態(tài)電流IE發(fā)生改變，進(jìn)而VT7、VT9的正向轉(zhuǎn)移導(dǎo)納Yfe（放大倍數(shù)）改變，使振蕩幅值可以調(diào)整。

圖2中VT8、R14、R13、R11構(gòu)成電流源，具有很大的直流電導(dǎo)和較小的動(dòng)態(tài)電導(dǎo)，對(duì)于自激振蕩信號(hào)通路而言相當(dāng)于斷開(kāi)。圖2是共集—共基放大單元與LC反饋網(wǎng)絡(luò)組成的振蕩電路，放大電路為同相放大，且環(huán)路增益可設(shè)定為1，可維持振蕩輸出。LC回路的電容C7的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶體管的結(jié)電容，可以忽略結(jié)電容對(duì)振蕩電路頻率影響。電容C8、C9的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C7，對(duì)于振蕩頻率信號(hào)而言相當(dāng)于短路。振蕩電路的信號(hào)通路見(jiàn)圖3。

圖3 振蕩電路的信號(hào)通路

三極管VT9構(gòu)成的共集放大電路，輸入電導(dǎo)低輸出電導(dǎo)高，增益≤1，在振蕩器中具有阻抗變換作用，使電路容易起振。忽略三極管VT9輸出電導(dǎo)的影響，并將R10歸并到VT7的輸入電導(dǎo)中，可畫(huà)出振蕩電路Y參數(shù)的微變等效電路如圖4所示?；芈稬C元件性質(zhì)滿足振蕩器電路的構(gòu)成原則［3］。

圖4 振蕩電路Y參數(shù)的微變等效電路

環(huán)路增益：T＝A·F＝gm/gr，gm≈IE/26（ms）。

晶體管結(jié)電容很小，│Yfe│=gm。當(dāng)gT改變時(shí)，即受潮和小金屬體影響時(shí)，振蕩線圈的Q值下降、Z減小?？梢岳镁w管反向AGC的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)UAGC自動(dòng)增益控制改變IE，使環(huán)路增益趨于不變，獲得幅值穩(wěn)定的高頻正弦波自激振蕩信號(hào)。

3.3.2 反饋環(huán)控制電路

高頻自激振蕩信號(hào)，經(jīng)檢波二極管組成的檢波電路，并通過(guò)阻容低通濾波電路（上限截止頻率為4 kHz，通頻帶為0～4 kHz），去除高頻信號(hào)成分，檢出包絡(luò)信號(hào)電平。信號(hào)電平通過(guò)反相比較放大電路（低頻放大），對(duì)自激振蕩電路提供自動(dòng)增益AGC電壓。當(dāng)傳感器振蕩線圈受潮、小鐵件掉落在傳感器敏感頭表面，自激振蕩信號(hào)的靜態(tài)幅值將會(huì)發(fā)生改變，通過(guò)檢波及濾波將電平信號(hào)送入反相比較放大電路（低頻放大），啟動(dòng)AGC電壓，調(diào)整可控幅值振蕩器三極管的放大倍數(shù)，使自激振蕩信號(hào)幅值趨于不變。當(dāng)有機(jī)車(chē)輪緣通過(guò)傳感器電感線圈表面時(shí)，產(chǎn)生電渦流效應(yīng)，使高頻自激振蕩信號(hào)幅值突變。反相比較放大電路是低頻放大器，對(duì)突變的電壓信號(hào)放大倍數(shù)很低，其只對(duì)靜態(tài)或緩慢變化的電壓幅值信號(hào)提供AGC自動(dòng)增益補(bǔ)償電平，對(duì)突變的電壓幅值信號(hào)補(bǔ)償很小。完成了對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體的檢測(cè)，補(bǔ)償靜態(tài)導(dǎo)體對(duì)幅值的影響，能在較短的時(shí)間內(nèi)（50 ms），實(shí)現(xiàn)下一次輪緣檢測(cè)，車(chē)速較快時(shí)，不會(huì)漏檢。

4 應(yīng)用情況

在礦井大巷運(yùn)輸監(jiān)督調(diào)度系統(tǒng)中的實(shí)際使用和性能分析表明，傳感器靈敏度高，信號(hào)采集準(zhǔn)確，抗電磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)，具有良好的溫度特性和防潮性能，滿足了監(jiān)督調(diào)度系統(tǒng)的要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，將0.5 mm鐵片覆蓋敏感頭，輪緣通過(guò)傳感器能檢測(cè)正常工作信號(hào)。在車(chē)輪掉道切斷安裝的固定螺絲，傳感器的撞擊損壞率＜2%。傳感器正常使用時(shí)間＞12個(gè)月，減少了維護(hù)工作量。針對(duì)有源型傳感器的特點(diǎn)，傳感器的信號(hào)輸出采用標(biāo)準(zhǔn)形式，其準(zhǔn)數(shù)字量輸出便于與計(jì)算機(jī)調(diào)度系統(tǒng)毗連，是在用礦車(chē)車(chē)輪緣信息采集方式，并且可以與多種礦用監(jiān)控系統(tǒng)配套。

［1］韓江洪，蔣建國(guó)，方仁忠.KT15A礦井機(jī)車(chē)運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1997.

［2］商永泰.礦井信集閉［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1993.

［3］曾興雯，劉乃安，陳健.高頻電路原理與分析［M］.3版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

圖2 柱塞油缸改造結(jié)構(gòu)

3.4 油氣潤(rùn)滑改造

取消導(dǎo)衛(wèi)潤(rùn)滑站與軋機(jī)的連鎖控制，采用就地模式取代原遠(yuǎn)程模式，經(jīng)測(cè)試，完全滿足導(dǎo)衛(wèi)軸承潤(rùn)滑要求，潤(rùn)滑油消耗量得到較好控制。制定完善崗位操作指導(dǎo)書(shū)，嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)化操作，確保油氣潤(rùn)滑站運(yùn)行模式設(shè)在就地模式下，避免非故障狀態(tài)下使用測(cè)試模式，減少水淬線輥道潤(rùn)滑站的潤(rùn)滑油消耗。

4 實(shí)施效果

通過(guò)對(duì)軋線液壓及潤(rùn)滑系統(tǒng)的改造，機(jī)組設(shè)備更加趨于穩(wěn)定節(jié)能運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)備故障率大幅降低，油消耗量明顯減少，維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低。提高了整個(gè)軋線液壓及潤(rùn)滑系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，滿足了軋線生產(chǎn)要求，年綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。

TP212.4

A

1004-4620（2015）01-0065-03

*淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技基金項(xiàng)目（080902）。

2014-07-03

戴楊，男，1960年生，1983年畢業(yè)于淮南礦業(yè)學(xué)院電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)。現(xiàn)為安徽淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與電氣工程系講師，從事教學(xué)與科研工作，研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)。