鐵路新型地面標志傳感器研制

劉正毅，茍云濤，程朝陽，崔建英

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081； 2.北京交通大學理學院，北京 100044)

0 引言

鐵路地面標志傳感器是軌道幾何檢測系統(tǒng)中用于探測道岔、橋梁及軌距拉桿等軌道特殊構(gòu)件的傳感器。軌道上的道岔、橋梁及軌距拉桿等含有金屬部件。鐵路地面標志傳感器安裝在軌道檢查車的下方，動態(tài)探測金屬部件，根據(jù)金屬部件的尺寸、距離等特征輸出不同的信號。地面標志傳感器輸出的信號和軌檢系統(tǒng)幾何參數(shù)信號同步顯示在軌道檢測波形圖上，檢測人員根據(jù)波形圖可更準確地定位軌道幾何超限所在位置[1-2]。

電渦流傳感器作為一種成熟的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用到各行業(yè)。美國于20世紀80年代已經(jīng)在軌道檢查車上使用電渦流式傳感器。20世紀90年代，日本已將電渦流傳感器應(yīng)用在綜合檢測車上。電渦流傳感器對新干線進行檢測，能檢測線路的一些幾何參數(shù)、地面標志等信息[3]。我國也于20世紀90年代開始研制和使用電渦流式的地面標志傳感器。目前，各路局軌道檢查車均采用電渦流式地面標志傳感器作為軌道檢測系統(tǒng)的一項輔助功能。地面標志傳感器安裝在與車軸平行的檢測梁中間位置，距離鋼軌面一定高度，用于探測含有鐵磁性物體的特殊軌道構(gòu)件，功能簡單、易實現(xiàn)，但是對工作環(huán)境要求較高，需要頻繁的人為干預(yù)。

為滿足數(shù)字軌道檢測系統(tǒng)的需求并進一步提高性能，研制了基于數(shù)字微處理系統(tǒng)的新型地面標志傳感器。新型傳感器保留了原地面標志傳感器的外觀，并重新進行了內(nèi)部電路設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在兼容原地面標志傳感器的基礎(chǔ)上，擴展了適用于數(shù)字軌道檢測系統(tǒng)的接口，功能上仍是檢測線路地面標志。目前，新研制的傳感器已作為產(chǎn)品應(yīng)用在路局軌道檢查車。

1 傳感器原理

1.1 傳感器探測原理

傳感器原理如圖1所示。振蕩器產(chǎn)生頻率f的正弦波信號，分別送入發(fā)射線圈及解調(diào)器的輸入端；接收線圈將接收到的同頻正弦信號送入解調(diào)器的另一個輸入端。經(jīng)過解調(diào)器解調(diào)后的直流信號μ0、μ1送入差動放大器處理后輸出[4]。

圖1 傳感器原理框圖

在傳感器下無金屬物時，接收線圈和振蕩器的兩路正弦信號分別對稱，解調(diào)器解調(diào)出同樣的直流信號，即u0=u1，差動放大器輸出電壓信號為零。當有金屬物靠近接收線圈時，接收線圈電感量發(fā)生變化，接收線圈和振蕩器的兩路正弦信號不對稱，解調(diào)器的輸出有電壓差，u0≠u1，則差動放大器輸出電壓不為零。金屬物與傳感器的距離越接近，傳感器輸出的電壓值增加；當兩者距離一定時，金屬物面積決定了傳感器電壓輸出值。

1.2 傳感器存在問題分析

傳感器輸出信號漂移如圖2所示。

圖2 傳感器輸出信號漂移

傳感器下方并無鐵磁性物體情況下，當傳感器工作一段時間或外界工作環(huán)境有較大變化時，傳感器輸出電壓不為0，即μ0≠μ1。此時，輸出波形偏離基線，掩蓋了地面標志物的真實信號，需要操作人員對其閾值電壓進行調(diào)節(jié)，使輸出波形回到基線。

原因分析如下：傳感器接收線圈下方無待測鐵磁性物體時，線圈的交流電阻R1可用具有原型截面的長導(dǎo)線來近似表示。在一定范圍內(nèi)，R1為[5]：

式中：l為導(dǎo)線長度，m；s為導(dǎo)線的橫截面積，m2；ρ0為導(dǎo)線材料在0 ℃時的電阻率，μΩm；a為導(dǎo)線材料電阻率的溫度系數(shù)，10-6/℃；t為溫度，℃；f為線圈中電流的頻率，MHz；μr為導(dǎo)線材料的相對磁導(dǎo)率；μ0為真空磁導(dǎo)率，N/A2。

由R1近似表示可以看出，線圈交流電阻是溫度t的函數(shù)，線圈電阻隨溫度的增加而增加。而電阻的增加使線圈品質(zhì)因數(shù)變壞[6-7]，接收線圈的輸出電壓值μ0減小，則μ0≠μ1，表明傳感器輸出信號受溫度影響而漂移。

1.3 新型傳感器探測原理

新型傳感器探測原理如圖3所示。頻率源電路產(chǎn)生頻率為f的交變電流，若發(fā)射線圈接入頻率源電路，發(fā)射線圈將產(chǎn)生相應(yīng)頻率的交變電磁場。此時，發(fā)射線圈交變電磁場激勵接收線圈1和接收線圈2產(chǎn)生感生電動勢ε1和ε2。

圖3 新型傳感器探測原理圖

當軌道上沒有地面標志物靠近傳感器時，發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場穩(wěn)定不變。傳感器的兩個接收線圈保證軸線與發(fā)射線圈完全垂直。沿發(fā)射線圈中垂線方向，在上下嚴格對稱、技術(shù)參數(shù)保持一致的情況下，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，兩個接收線圈的感生電動勢相等。當ε1=ε2，則兩個接收線圈的輸出電壓一致，即傳感器的輸出電壓應(yīng)為零。

當軌道上有地面標志物從下方靠近傳感器時，地面標志物在交變電磁場中產(chǎn)生渦流，地面標志物中的渦流產(chǎn)生一個自身的交變電磁場，與接收線圈的電磁場相互作用，從而導(dǎo)致接收線圈周圍磁場的改變。上下兩個接收線圈到地面標志物的距離不同，線圈周圍的電磁場變化量也不相同，則接收線圈1和接收線圈2的感生電動勢不同，即ε1≠ε2。輸出的電壓值不等，傳感器輸出電壓不為0，因此，傳感器可以檢測軌道上有地面標志物。

通過以上分析可知，新型傳感器采用平衡式結(jié)構(gòu)，接收線圈2與1上下嚴格對稱，起到平衡線圈的作用。理想狀態(tài)下，線圈1與2的溫度漂移一致，經(jīng)過差動放大電路后，線圈2補償了線圈1的溫度漂移，即抑制了溫度變化對傳感器輸出的影響。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型傳感器系統(tǒng)框圖如圖4所示。傳感器以數(shù)字信號處理器(digital signal processor,DSP)為核心，由探測線圈、信號處理電路以及頻率源電路等組成。

圖4 新型傳感器系統(tǒng)框圖

①探測線圈包括發(fā)射線圈和接收線圈兩部分。發(fā)射線圈的漆包線線徑為d1，均勻密繞在非金屬骨架上，在交變電流激勵下產(chǎn)生相應(yīng)交變電磁場；接收線圈的漆包線線徑為d2，均勻密繞在2個幾何尺寸一致的非金屬骨架上，要求2個線圈上下對稱、匝數(shù)嚴格一致，且軸線嚴格與發(fā)射線圈軸線垂直、對稱，在電路中以平衡差動方式工作。線圈制作的品質(zhì)直接決定了傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性等技術(shù)指標。

②解調(diào)電路解調(diào)接收線圈的輸出信號，解調(diào)信號分別輸出至兩路對稱的信號處理電路。

③信號處理電路完成信號放大和濾波功能，將探測線圈檢測到的電壓變化值進行多級放大。

④頻率源電路的頻率和幅值通過DSP控制；傳感器檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過DSP采樣和處理，處理后的數(shù)據(jù)送入實時處理計算機。

⑤根據(jù)傳感器在不同頻率下的測試結(jié)果，選取100 kHz正弦波頻率作為工作頻率，提供給發(fā)射電路作為接收線圈的頻率源。相較于用RLC串聯(lián)或并聯(lián)諧振電路實現(xiàn)，該傳感器提高了波形產(chǎn)生的穩(wěn)定性[6-9]。

⑥傳感器作為整個軌道檢測系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的分節(jié)點，傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)CAN總線傳送至實時處理計算機CAN數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)傳輸速率為500 Kbit/s[10]。

⑦電源電路提供以上各電路所需的工作電壓。

整個系統(tǒng)的特點是以DSP為核心，以總線方式連接主要器件構(gòu)成數(shù)字系統(tǒng)。它可以方便地與實時處理計算機相連接，實現(xiàn)了傳感器的遠程參數(shù)設(shè)定和信息交換。與傳統(tǒng)的模擬電路組成的金屬探測器相比，系統(tǒng)性能得到了提高。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 軟件總體設(shè)計

根據(jù)新型傳感器檢測裝置的要求，系統(tǒng)軟件應(yīng)具備以下主要功能。

①采用DSP實現(xiàn)頻率源正弦波發(fā)生器控制、A/D采樣轉(zhuǎn)換、采樣數(shù)據(jù)處理等功能，采用CCS軟件開發(fā)平臺[11]。

②采樣數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)傳感器初始輸出改變傳感器零點閾值，從而控制信號輸出值。

③實時處理計算機實時顯示檢測結(jié)果及存儲檢測數(shù)據(jù)。

2.2.2 DSP模塊程序設(shè)計

①正弦波發(fā)生器控制。

發(fā)射電路采用正弦波發(fā)生器作為頻率源，正弦波發(fā)生器作用相當于晶振。在DSP和頻率源之間使用SPI串行外設(shè)接口模塊，采用主動工作方式，串行外設(shè)接口時鐘則由DSP串行外設(shè)接口產(chǎn)生，并由SPICLK引腳輸出。

②A/D采樣。

芯片內(nèi)置采樣/保持的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC，模塊具有16路模擬輸入通道(ADCIN0～ADCIN15)，采用ADCIN0～ ADCIN7通道分別采樣，相當于每個采樣點采樣8次，并將8次結(jié)果累加后取其平均值。為了適應(yīng)高速綜合檢測列車需求，選取100 μs作為A/D采樣周期，每10 μs采樣一次，一個采樣周期內(nèi)完成10次采樣。

③數(shù)據(jù)處理。

傳感器安裝定位后，受車體及軌道等環(huán)境因素影響，其初始輸出很可能不符合要求。為了保證傳感器能夠得到希望的輸出值，程序設(shè)有閾值調(diào)節(jié)功能，通過接收上位機參數(shù)設(shè)置改變閾值，從而得到期望的輸出值。

3 傳感器測試

3.1 傳感器封裝

將符合技術(shù)參數(shù)指標要求的探測線圈接入電路板，并以一定角度裝入符合強度要求的非金屬殼體內(nèi)。當傳感器周圍無金屬物時，經(jīng)過調(diào)試和標定使其輸出電壓為零，殼體內(nèi)灌膠固待固化，即完成傳感器的封裝工藝。

3.2 傳感器安裝

傳感器完成封裝和試驗室測試后，在軌道檢查車上進行了安裝。傳感器安裝在車體下面與車軸平行的檢測梁上，距軌枕面不超過350 mm。當檢查車經(jīng)過線路地面標志位置時，傳感器輸出相應(yīng)電壓信號。

由于金屬材料對線圈的磁場有較大影響，因此其固定支架用非金屬材料，而且固定架周圍一定范圍內(nèi)不能有金屬物體，否則，將影響傳感器工作的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3 線路測試及應(yīng)用

軌道檢查車過道岔時傳感器信號波形如圖5所示。軌道檢查車經(jīng)過線路道岔時，安裝在車下的地面標志傳感器經(jīng)過轉(zhuǎn)轍器尖軌拉桿和導(dǎo)曲線鋼軌或連接部分直股連接鋼軌，傳感器產(chǎn)生高電壓信號，并傳輸至檢查車的實時采集處理機。

圖5 軌道檢查車過道岔時傳感器信號波形

根據(jù)地面標志物的尺寸特點，對于道岔拉桿，傳感器感應(yīng)持續(xù)時間較短，信號在波形圖上對應(yīng)兩根尖刺；而導(dǎo)曲線鋼軌和連接部分直股連接鋼軌尺寸較大，傳感器感應(yīng)持續(xù)時間較長，則傳感器經(jīng)過導(dǎo)曲線鋼軌和連接部分直股連接鋼軌時，信號在波形圖上對應(yīng)正梯形曲線。

鐵路橋梁軌道結(jié)構(gòu)包括護軌和護軌梭頭。當檢查車通過鐵路橋梁時，地面標志傳感器感應(yīng)產(chǎn)生一對高電壓信號，將其對應(yīng)顯示在波形圖上。

新型傳感器已在路局軌道檢查車上使用兩年，效果良好，還將陸續(xù)使用在城軌檢測車和部分新造軌道檢查車上。

軌道檢查車過橋梁時傳感器信號波形如圖6所示。

圖6 軌道檢查車過橋梁時傳感器信號波形

4 結(jié)束語

本文通過對既有傳感器存在的問題及原理分析，設(shè)計了抗干擾能力更強的傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信號處理方式。新型傳感器的穩(wěn)定性和可靠性得到極大改善，減輕了操作人員工作量。新型地面標志傳感器具有傳感器功能，具備更好的可調(diào)節(jié)能力，同時，也更好地輔助線路維護人員快速定位軌道病害位置，滿足了新型軌檢系統(tǒng)對傳感器的接口和性能要求。新型傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、便于安裝。隨著新型軌檢系統(tǒng)的推廣，新型地面標志傳感器在軌道交通安全領(lǐng)域?qū)⒕哂懈鼜V闊的應(yīng)用空間。