基于渦流反射式的磁浮列車絕對(duì)定位傳感器的研究

李 俊，吳 峻，湯鈞元，李洪魯

(1.國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410073；2.中國(guó)人民解放軍31108部隊(duì)，江蘇南京 210016)

0 引言

磁浮列車是一種與軌道無(wú)接觸運(yùn)行的新型軌道交通工具，具有速度快、能耗低、噪音小、安全舒適、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。為了磁懸浮列車的安全運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)列車行駛過(guò)程中的精確定位和速度閉環(huán)控制，必須在磁懸浮列車上安裝列車測(cè)速定位系統(tǒng)[3]。

目前磁浮列車的定位方式包括相對(duì)定位技術(shù)和絕對(duì)定位技術(shù)，相對(duì)定位技術(shù)主要有基于軌間電纜的測(cè)速定位法、基于長(zhǎng)定子齒槽計(jì)數(shù)的測(cè)速定位法、基于長(zhǎng)定子齒槽諧波檢測(cè)的測(cè)速定位法。絕對(duì)定位技術(shù)主要有渦流電感式檢測(cè)法、應(yīng)答器式檢測(cè)法、脈寬編碼式檢測(cè)法和電磁感應(yīng)式檢測(cè)法[4-8]。其中基于電磁感應(yīng)式的測(cè)速定位方法作為廣泛應(yīng)用的方法之一，主要依靠車載有源讀碼器讀取按照一定規(guī)律安裝在軌道下方的定位標(biāo)志板的編碼來(lái)確定列車位置信息的。該方式不依賴具體的軌枕，安裝及維護(hù)比較方便且對(duì)環(huán)境有較好的適應(yīng)性，但是其存在線圈數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體體積質(zhì)量大、可移植性差等問(wèn)題。

通常軌道上每相隔200 m左右設(shè)置一套含有絕對(duì)位置編碼的定位標(biāo)志板。當(dāng)列車通過(guò)定位標(biāo)志板時(shí)，車上安裝的絕對(duì)定位傳感器可以讀取標(biāo)志板上的位置編碼，獲取列車的絕對(duì)位置信息。一組定位標(biāo)志板含有3塊等間隔設(shè)置的定位標(biāo)志板，標(biāo)志板表面敷銅，長(zhǎng)度為258 mm，寬度為80 mm，厚度為大于等于35 μm。每一塊的定位標(biāo)志板有4位二進(jìn)制編碼，每一位編碼的狀態(tài)為1或0。如圖1所示，絕對(duì)定位標(biāo)志板上有狹窄的縫隙，每個(gè)縫隙相對(duì)于定位標(biāo)志板的五等分線在左或者在右，代表該位編碼為1或者是為0。

圖1 絕對(duì)定位標(biāo)志板

傳統(tǒng)絕對(duì)位置讀取裝置由有源傳感器、信號(hào)處理單元、通信單元和顯示單元組成，其中有源傳感器為U型槽結(jié)構(gòu)，U型槽兩側(cè)各安裝10個(gè)電感線圈，其中有8個(gè)尺寸相同的寬線圈、2個(gè)尺寸相同的窄線圈，如圖2所示。高頻信號(hào)源激勵(lì)其中一側(cè)的電感線圈，為發(fā)射線圈，另一側(cè)的線圈為接收線圈[9]。線圈之間的距離為定位標(biāo)志板寬度的1/5，即51 mm。

圖2 傳統(tǒng)絕對(duì)定位傳感器檢測(cè)線圈布局方式

該傳感器中的8個(gè)寬線圈作為定位線圈，2個(gè)窄線圈用于依次讀取定位標(biāo)志板的四位二進(jìn)制信息。正是上述U型槽結(jié)構(gòu)以及逐一讀碼方式導(dǎo)致傳感器線圈數(shù)量多，使得絕對(duì)定位傳感器的體積較大(長(zhǎng)度接近600 mm)、質(zhì)量重。如果能夠同時(shí)讀取定位標(biāo)志板4個(gè)編碼，那么傳感器的體積將顯著縮小，可進(jìn)一步增強(qiáng)裝置的可移植性。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出一種基于渦流反射式的絕對(duì)定位傳感器，設(shè)計(jì)一種錯(cuò)位分布的陣列式線圈實(shí)現(xiàn)對(duì)定位標(biāo)志板信息的讀取，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)；同時(shí)通過(guò)對(duì)陣列式線圈參數(shù)的優(yōu)化，避免列車運(yùn)行中晃動(dòng)導(dǎo)致傳感器誤碼的問(wèn)題，提高測(cè)速定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 基于渦流反射式的定位原理分析

如圖1所示，定位標(biāo)志板上的編碼可視為一種缺陷，可利用渦流無(wú)損檢測(cè)原理進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)線圈與被測(cè)導(dǎo)體關(guān)系的等效電路見(jiàn)圖3。其中，R1為檢測(cè)線圈電阻，L1為檢測(cè)線圈電感，R2和L2為被測(cè)導(dǎo)體中渦流區(qū)的電阻和電感，M為檢測(cè)線圈與被測(cè)導(dǎo)體之間的互感。U為激勵(lì)電壓，I1為檢測(cè)線圈電流，I2為產(chǎn)生的渦流，兩者電流方向相反。檢測(cè)線圈發(fā)射的電磁場(chǎng)在被測(cè)導(dǎo)體中產(chǎn)生電渦流，被測(cè)導(dǎo)體的渦流回路等效為一個(gè)短路線圈，它與檢測(cè)線圈通過(guò)磁場(chǎng)耦合，影響著檢測(cè)線圈的等效電感。

圖3 電渦流傳感器的等效電路模型

以圖3中所示電流為正方向，根據(jù)基爾霍夫定律得到方程：

(1)

由式(1)可得等效阻抗：

(2)

從而得到線圈的等效阻抗與電感分別為：

(3)

由式(3)可知， 在渦流的影響下，線圈的實(shí)部的等效電阻增加，而虛部的等效電感減小，線圈的等效阻抗因此發(fā)生變化，稱為反射阻抗作用。所以電渦流傳感器的工作原理，實(shí)質(zhì)上是受到交變磁場(chǎng)影響的導(dǎo)體產(chǎn)生了渦流使線圈原有的阻抗發(fā)生變化。因此通過(guò)上式的推導(dǎo)，可以將等效阻抗Z用函數(shù)表達(dá)。

Z=F(λ,μ,ρ,f)

(4)

式中：λ為檢測(cè)距離；μ為被測(cè)體的磁導(dǎo)率；ρ為被測(cè)體電阻率；f為線圈中激勵(lì)電流的頻率。

當(dāng)改變其中一個(gè)參數(shù)而其他參數(shù)固定時(shí)，可以通過(guò)測(cè)量等效阻抗Z或者電感L的變化來(lái)確定參數(shù)的變化。

在檢測(cè)定位標(biāo)志板的窄縫時(shí)，可將窄縫對(duì)阻抗的影響視為對(duì)電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率的影響。當(dāng)激勵(lì)線圈處于標(biāo)志板窄縫正上方時(shí)，由于窄縫的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，對(duì)渦流的形成產(chǎn)生阻斷，改變電渦流的分布，減弱了渦流對(duì)探頭線圈的耦合，所以線圈位于窄縫時(shí)其等效電感值會(huì)變大；當(dāng)線圈處于標(biāo)志板的鍍銅層的上方時(shí)，在鍍銅層中產(chǎn)生的渦流會(huì)使線圈的等效電感變小。

標(biāo)志板的讀碼問(wèn)題就是判斷窄縫在定位標(biāo)志板等分線左側(cè)還是右側(cè)的問(wèn)題。使用一個(gè)線圈只能解決識(shí)別有無(wú)窄縫的問(wèn)題，無(wú)法判斷該窄縫是在其對(duì)應(yīng)等分線的左側(cè)還是右側(cè)，若要解決此問(wèn)題，需要兩個(gè)檢測(cè)線圈同時(shí)工作，線圈分別布置在標(biāo)志板等分線的左側(cè)與右側(cè)，此時(shí)兩個(gè)線圈的等效電感因窄縫存在而不同，通過(guò)此差異可判斷出窄縫在等分線的左側(cè)或者右側(cè)，即讀取定位標(biāo)志板的編碼。

一塊標(biāo)志板包含4位編碼信息，所以傳感器組需要8個(gè)線圈，為避免定位標(biāo)志板等分線兩側(cè)的線圈相互耦合，采用錯(cuò)位布局的方式，如圖4所示，每位編碼對(duì)應(yīng)一組線圈，同組間的兩個(gè)線圈電感值和幾何尺寸應(yīng)保持一致。

圖4 有源陣列式線圈布局結(jié)構(gòu)

2 陣列式檢測(cè)線圈的優(yōu)化

在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，車體在懸浮和導(dǎo)向上都有一定程度的晃動(dòng)，通常在±4 mm以內(nèi)[10]。根據(jù)式(4)的分析，在線圈其他條件不變的基礎(chǔ)上，檢測(cè)線圈與絕對(duì)定位標(biāo)志板之間位置關(guān)系發(fā)生變化，會(huì)對(duì)線圈等效電感造成影響。當(dāng)位置關(guān)系不同時(shí)，線圈等效電感的變化將導(dǎo)致傳感器輸出電壓的變化，該變化易造成傳感器的誤碼，影響列車的正常運(yùn)行。

傳感器與標(biāo)志板之間位置變化分別有懸浮和導(dǎo)向兩個(gè)方向。對(duì)于渦流傳感器來(lái)說(shuō)，由于懸浮方向±4 mm的偏離并不改變檢測(cè)線圈在窄縫上或者不在窄縫上的狀態(tài)，對(duì)傳感器的性能影響不大。即列車主要是導(dǎo)向方向±4 mm的偏離會(huì)改變傳感器的檢測(cè)距離，易造成絕對(duì)定位傳感器的誤碼。

因此，需要提升絕對(duì)定位傳感器的讀碼范圍來(lái)避免此類誤碼情況的發(fā)生。對(duì)于渦流反射式絕對(duì)定位傳感器來(lái)說(shuō)，陣列式線圈參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是提升傳感器讀碼范圍的關(guān)鍵。

Maxwell是用于求解電磁場(chǎng)問(wèn)題的有限元分析軟件，分析導(dǎo)體中時(shí)變電流或外界交變磁場(chǎng)源所引起的時(shí)變磁場(chǎng)可用其中的Maxwell 3D渦流場(chǎng)模塊，它進(jìn)行網(wǎng)格剖分是利用自適應(yīng)分析法，可提高求解問(wèn)題的速度與精度[11]。利用Maxwell仿真軟件，繪制材料為銅的定位標(biāo)志板與檢測(cè)線圈，通過(guò)改變檢測(cè)線圈的形狀、寬度等參數(shù)，計(jì)算得到線圈等效電感的絕對(duì)變化率，設(shè)計(jì)性能最優(yōu)的檢測(cè)線圈，從而提升傳感器的讀碼范圍，以避免車體晃動(dòng)對(duì)傳感器的影響。

2.1 仿真模型的參數(shù)優(yōu)化

在Ansoft Maxwell軟件中建立定位板檢測(cè)仿真模型，其步驟如下：

2.1.1 創(chuàng)建工程

本文設(shè)計(jì)的模型為三維模型,設(shè)計(jì)中使用到渦流場(chǎng)求解器。

2.1.2 三維實(shí)體模型繪制

仿真模型主要由帶裂縫的金屬板和激勵(lì)線圈組成。在仿真空間內(nèi)部放置體積為160 mm×160mm×2 mm的銅板，在銅板上表面設(shè)置一個(gè)80 mm×2 mm×2 mm的窄縫。在銅板上方建立激勵(lì)線圈模型，設(shè)計(jì)的線圈使用銅線纏繞成環(huán)，因?yàn)槔p繞的銅線圈可以等效為銅環(huán)，所以這里將線圈近似為銅環(huán)處理，并采用參數(shù)化建模方式建立不同形狀(圓形/矩形)的線圈模型，模型如圖5所示。

圖5 仿真模型

將線圈的內(nèi)徑設(shè)置為1.5 mm，通過(guò)改變外徑的寬度改變線圈尺寸，相關(guān)幾何參數(shù)如圖6所示，設(shè)矩形線圈和圓形線圈厚度為1 mm，提離高度分別為h。采取控制變量法，在保證其余參數(shù)不變的情況下，分別改變a1、s1、h觀察線圈在縫隙和不在縫隙上的電感絕對(duì)變化量。

圖6 線圈幾何尺寸

2.1.3 激勵(lì)設(shè)置和邊界條件

選擇線圈在YOZ平面的一個(gè)截面作為激勵(lì)源，采用電流激勵(lì)方式，繞組采用stranded絞線形繞組。激勵(lì)安匝數(shù)設(shè)定為N×0.01 A，其中N為線圈的匝數(shù)，N設(shè)為50，N值隨著激勵(lì)線圈模型改變，保證每次仿真時(shí)線圈電流密度相同，激勵(lì)頻率設(shè)為1 MHz。

2.1.4 剖分和自適應(yīng)參數(shù)設(shè)定

選擇自適應(yīng)剖分，這種方法在不需要人工指定網(wǎng)格參數(shù)時(shí)也能夠獲得較為理想的收斂結(jié)果。

2.2 仿真結(jié)果分析

由仿真結(jié)果如圖7、圖8和圖9所示，可以得出以下結(jié)論：a1、h固定時(shí)，矩形線圈和圓形線圈的電感絕對(duì)變化率隨s1的增大而增大；h1、s1固定時(shí)，矩形線圈的電感絕對(duì)變化率隨a1的增大而增大；a1、s1固定時(shí)，矩形線圈和圓形線圈的電感絕對(duì)變化率隨提離高度的增大而減?。幌嗤瑤缀纬叽缦?，矩形線圈的電感絕對(duì)變化率比圓形線圈的電感絕對(duì)變化率更大。

圖7 s1變化時(shí)，矩形線圈和圓形線圈仿真結(jié)果對(duì)比

圖8 h變化時(shí)，矩形線圈和圓形線圈仿真結(jié)果對(duì)比

圖9 a1變化時(shí)，矩形線圈仿真結(jié)果

綜上所述，在滿足幾何尺寸約束的條件下，應(yīng)盡量使所設(shè)計(jì)的矩形線圈長(zhǎng)度較長(zhǎng)且寬度較寬，這樣在檢測(cè)標(biāo)志板窄縫時(shí)電感的變化量更大，即絕對(duì)定位傳感器與定位標(biāo)志板處于不同位置關(guān)系時(shí)，也能完成讀碼。

由于標(biāo)志板的相鄰的窄縫間隙較小，所以對(duì)矩形的寬度應(yīng)該嚴(yán)格限制。結(jié)合絕對(duì)定位標(biāo)志板的幾何尺寸，確定絕對(duì)定位線圈尺寸如下：內(nèi)徑寬度3 mm，寬度28 mm，長(zhǎng)度為46 mm，制作的陣列式檢測(cè)線圈如圖10。

圖10 陣列式檢測(cè)線圈

3 系統(tǒng)組成

新型絕對(duì)定位傳感器由激光測(cè)距傳感器、陣列式檢測(cè)線圈、信號(hào)處理單元、顯示單元和供電單元組成，如圖11所示。

圖11 絕對(duì)定位傳感器組成

既有的絕對(duì)定位傳感器通過(guò)8組定位線圈判斷標(biāo)志板與裝置的位置關(guān)系，為了減小體積，采用兩個(gè)激光測(cè)距傳感器替代既有裝置的定位線圈，只有當(dāng)檢測(cè)線圈正對(duì)標(biāo)志板時(shí)，兩個(gè)激光測(cè)距傳感器均接收到從標(biāo)志板反射回的信號(hào)，均處于正常工作狀態(tài)。FPGA處理器通過(guò)對(duì)激光測(cè)距傳感器的輸出電壓進(jìn)行采樣，判斷讀取裝置是否和標(biāo)志板的幾何位置嚴(yán)格對(duì)齊，當(dāng)兩個(gè)激光傳感器輸出均為正常工作狀態(tài)時(shí)，處理器開(kāi)始對(duì)電路信號(hào)進(jìn)行處理。激光測(cè)距傳感器布局如圖12所示，兩個(gè)激光測(cè)距傳感器間的距離等于標(biāo)志板的長(zhǎng)度，在車輛運(yùn)營(yíng)過(guò)程中始終處于工作狀態(tài)。

圖12 陣列式檢測(cè)線圈正對(duì)定位標(biāo)志板時(shí)的俯視示意圖

3.1 仿真模型的參數(shù)優(yōu)化

絕對(duì)定位傳感器采用了如圖13所示的恒頻調(diào)幅結(jié)構(gòu)，信號(hào)源產(chǎn)生高頻振蕩信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率驅(qū)動(dòng)，激勵(lì)分壓電阻和檢測(cè)線圈諧振回路組成的負(fù)載，取諧振回路兩端的信號(hào)作為輸出，經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)檢波，信號(hào)經(jīng)差分后輸入至FPGA中進(jìn)行處理。

圖13 恒頻調(diào)幅電路結(jié)構(gòu)

由于有8個(gè)檢測(cè)線圈，所以有8組相同處理電路，其中2個(gè)線圈組成一組，需4個(gè)差分電路，4個(gè)差分電路輸出信號(hào)輸入至FPGA經(jīng)判讀后即可得到標(biāo)志板編碼信息。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)

傳感器檢測(cè)流程如圖14所示。

圖14 傳感器軟件結(jié)構(gòu)流程

以一組檢測(cè)線圈為例進(jìn)行分析，由于兩個(gè)檢測(cè)線圈尺寸相同，根據(jù)電渦流效應(yīng)，當(dāng)一組線圈中的一個(gè)探頭(探頭2)處于窄縫正上方時(shí)如圖15所示，該探頭的等效電感比另一個(gè)探頭(探頭1)的電感小，等效電感的變化導(dǎo)致并聯(lián)諧振回路的振蕩頻率變化，則L1對(duì)應(yīng)的定頻調(diào)幅電路輸出電壓小于L2對(duì)應(yīng)的定頻調(diào)幅電路輸出電壓。差分電路輸出為線圈1與線圈2的差值信號(hào)，此時(shí)的差分信號(hào)小于0且達(dá)到最小值，處理器采集該模擬信號(hào)并判斷符號(hào)，從而獲取編碼信息。

圖15 探頭2位于窄縫正上方

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)絕對(duì)定位傳感器在車輛發(fā)生晃動(dòng)時(shí)仍能夠正常讀碼，本文對(duì)矩形線圈在不同提離高度下對(duì)窄縫的敏感度進(jìn)行了測(cè)試，利用阻抗分析儀測(cè)量矩形線圈電感變化情況。將檢測(cè)線圈固定在標(biāo)定臺(tái)上如圖16所示。通過(guò)改變提離高度，測(cè)量矩形線圈處于窄縫上方與不處于窄縫上方的電感絕對(duì)變化率，結(jié)果如圖17所示。

圖16 實(shí)驗(yàn)?zāi)M測(cè)量裝置

圖17 矩形線圈的電感絕對(duì)變化率

將檢測(cè)線圈與處理電路連接，測(cè)量矩形線圈處于窄縫上方與不處于窄縫上方的傳感器輸出電壓值，結(jié)果如圖18所示。

圖18 傳感器輸出電壓變化率

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)際線圈的電感絕對(duì)變化率隨著提離高度的增加而減小，當(dāng)提離高度高于13 mm時(shí)，電感變化率較小，維持在2%左右不變；通過(guò)圖18測(cè)量的輸出電壓可知，當(dāng)提離高度高于13 mm時(shí)，電壓變化率也維持在20%左右，與圖17數(shù)據(jù)相吻合，因此將所設(shè)計(jì)的絕對(duì)定位傳感器的最大讀碼范圍定為15 mm。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)定頻調(diào)幅處理后的電壓信號(hào)變化率明顯高于線圈電感信號(hào)變化率，因?yàn)楫?dāng)電路偏離諧振點(diǎn)時(shí)，電路中阻抗變化是非線性的。

于是將傳感器與定位標(biāo)志板之間標(biāo)準(zhǔn)距離設(shè)定為8 mm，那么傳感器的讀碼范圍為標(biāo)準(zhǔn)位置左右7 mm，而車體在正常運(yùn)行中最大只有±4 mm的晃動(dòng)，因此所設(shè)計(jì)的絕對(duì)定位傳感器能夠有效避免因車輛晃動(dòng)造成的誤碼情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于渦流反射式的絕對(duì)定位傳感器，設(shè)計(jì)了一種陣列式檢測(cè)線圈，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)定位標(biāo)志板編碼信息的讀取，體積質(zhì)量以及裝置的復(fù)雜程度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式定位傳感器；針對(duì)列車在實(shí)際運(yùn)行中晃動(dòng)導(dǎo)致誤碼的情況，對(duì)陣列式檢測(cè)線圈參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提升了傳感器的讀碼范圍，使傳感器的讀碼范圍增加到標(biāo)準(zhǔn)位置左右7 mm，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積小、質(zhì)量輕、測(cè)量準(zhǔn)確度高、易于拆卸等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足測(cè)速定位系統(tǒng)的要求，保證磁浮列車的順利運(yùn)行。