城軌交通單側(cè)計(jì)軸傳感器智能校準(zhǔn)儀研究與運(yùn)用

劉海洋，楊 進(jìn)

電磁式計(jì)軸器是目前在地鐵公司廣泛應(yīng)用的軌道區(qū)段空閑與占用檢查設(shè)備［1］，通過計(jì)軸傳感器（磁頭）檢測列車鋼輪的位置狀態(tài)，來反映軌道區(qū)段是否空閑、占用或受擾。

電磁式計(jì)軸傳感器分為2 類：一類是雙側(cè)計(jì)軸傳感器，鋼軌外側(cè)為發(fā)送端線圈，內(nèi)側(cè)為接收線圈，通過列車鋼輪切割磁力線，改變接收線圈電動(dòng)勢或相位角，經(jīng)軌旁安全計(jì)算機(jī)檢測電壓或相位變化，判斷列車車輪占用情況；另一類是單側(cè)計(jì)軸傳感器，采用電渦流原理，當(dāng)計(jì)軸傳感器周圍有鐵磁性材料靠近時(shí)，傳感器內(nèi)部線圈的電感量發(fā)生變化，導(dǎo)致諧振點(diǎn)漂移，最終改變線圈上的電壓、電流、相位角，經(jīng)由幾公里外的機(jī)械室內(nèi)計(jì)軸主機(jī)通過檢測供電線上電壓或電流大小，或者檢測疊加在電源線上交流信號(hào)的相位角變化，來判斷列車占用情況［2］。每當(dāng)有列車輪對(duì)滑過計(jì)軸傳感器，計(jì)軸主機(jī)就累計(jì)輪對(duì)數(shù)量。當(dāng)軌道區(qū)段入口與出口累計(jì)的輪對(duì)數(shù)量不等，則認(rèn)為是有列車占用該軌道區(qū)段，計(jì)軸主機(jī)驅(qū)動(dòng)安全繼電器動(dòng)作，通過計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖采集該繼電器的狀態(tài)，并發(fā)送給ATS 系統(tǒng)通知調(diào)度員或車站值班人員。由此可見計(jì)軸傳感器的性能指標(biāo)直接決定軌道區(qū)段占用檢查的準(zhǔn)確性和可靠性。

以西門子ACM100 計(jì)軸傳感器為例，隨著計(jì)軸設(shè)備使用年限的增加，以及磁場、溫度、濕度等參數(shù)的變化，計(jì)軸傳感器的靈敏度呈逐漸下降的趨勢（本質(zhì)為諧振點(diǎn)漂移），導(dǎo)致計(jì)軸傳感器傳輸至室內(nèi)的電流信號(hào)發(fā)生改變，進(jìn)而造成機(jī)械室內(nèi)ACM 計(jì)軸模塊誤判，影響行車安全。所以對(duì)計(jì)軸傳感器進(jìn)行定期校準(zhǔn)是必不可少的。在以往標(biāo)準(zhǔn)的維保作業(yè)流程中，至少需3 名信號(hào)工（2 名巡檢員及1 名防護(hù)員）進(jìn)入軌行區(qū)，打開計(jì)軸傳感器軌旁箱，并拆除多根電纜線后對(duì)計(jì)軸傳感器進(jìn)行檢測［3］，造成維保工作不便、效率低下。為此，本文設(shè)計(jì)了一款智能校準(zhǔn)儀，無需打開隧道內(nèi)軌旁箱，也不需要拆除室外任何電纜線，僅需1 名信號(hào)工在機(jī)械室內(nèi)插入校準(zhǔn)儀專用連接器，即可遠(yuǎn)程對(duì)所有ACM100 計(jì)軸傳感器進(jìn)行參數(shù)測量。當(dāng)需要校準(zhǔn)或更換計(jì)軸傳感器時(shí)，可再派2 人（巡檢員和防護(hù)員）進(jìn)入軌行區(qū)配合設(shè)置校準(zhǔn)量規(guī)（用來替代列車車輪模擬占用計(jì)軸傳感器的工具）進(jìn)行維護(hù)維修。

1 ACM100型計(jì)軸設(shè)備

ACM100 計(jì)軸設(shè)備總體結(jié)構(gòu)見圖1，包括室內(nèi)及室外部分。室內(nèi)設(shè)備有ACM 計(jì)軸模塊、交換機(jī)、診斷計(jì)算機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、24 V 電源模塊及其他附件等；室外設(shè)備有計(jì)軸傳感器（WSD）、軌旁箱（電纜分線箱）、計(jì)軸專用電纜等［4］。

圖1 ACM100計(jì)軸設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

圖1 中，WSD1、WSD2 為檢測區(qū)間1 的入口計(jì)軸傳感器，WSD3 為出口計(jì)軸傳感器，當(dāng)WSD1+WSD2 的計(jì)數(shù)值等于WSD3 值時(shí)，檢測區(qū)間1 標(biāo)記為空閑狀態(tài)；當(dāng)WSD1+WSD2 的計(jì)數(shù)值與WSD3 值不符時(shí)，檢測區(qū)間1 標(biāo)記為占用狀態(tài)。而WSD3 同時(shí)又是檢測區(qū)間2 的入口計(jì)軸傳感器，WSDY為檢測區(qū)間2的出口計(jì)軸傳感器。同樣，當(dāng)WSD3 的計(jì)數(shù)值等于WSDY 值時(shí)，檢測區(qū)間2 標(biāo)記為空閑狀態(tài)；當(dāng)WSD3 的計(jì)數(shù)值與WSDY 值不等時(shí)，檢測區(qū)間2標(biāo)記為占用狀態(tài)。

如圖2 所示，每個(gè)WSD 包括2 套獨(dú)立的傳感單元SⅠ和SⅡ，構(gòu)成二取二容錯(cuò)架構(gòu)，可以辨識(shí)車輪的運(yùn)行方向［5］。每套傳感單元各有一個(gè) LC 振蕩器，其線圈安裝在車輪傳感器外殼頂部下方。當(dāng)列車輪對(duì)進(jìn)入車輪傳感器附近時(shí)，鋼輪內(nèi)產(chǎn)生反方向電磁場，改變了LC 振蕩器周圍的電磁環(huán)境，引起回路中的電流明顯變化。通過機(jī)械室內(nèi)ACM 計(jì)軸模塊遠(yuǎn)程采集24 V 電源模塊上直流電流，即可判斷軌道上是否有列車占用［6］。

WSD 采用恒壓源供電，當(dāng)回路中電流小于2.99 mA 時(shí)，判定為有車輪占用，ACM 計(jì)軸模塊計(jì)數(shù)累加1；當(dāng)電流為5（1±0.5%）mA 時(shí)，判定為無車輪占用，ACM 計(jì)軸模塊計(jì)數(shù)不變；當(dāng)電流大于5.76 mA 時(shí)，判定為過電壓并進(jìn)行故障指示，ACM 計(jì)軸模塊計(jì)數(shù)不變，且標(biāo)記為故障狀態(tài)，需要人工排除故障，進(jìn)行復(fù)位操作后方可繼續(xù)工作。

2 智能校準(zhǔn)儀總體設(shè)計(jì)

計(jì)軸傳感器智能校準(zhǔn)儀由專用連接器、直流信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換模塊、主控芯片、矩陣鍵盤、鍵盤驅(qū)動(dòng)芯片、液晶顯示模塊及電源模塊等組成［7-8］，其中直流信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換模塊的內(nèi)部為電氣隔離狀態(tài)，校準(zhǔn)儀是間接采集計(jì)軸傳感器電流值。

使用校準(zhǔn)儀時(shí)，需通過專用連接器串接進(jìn)入計(jì)軸傳感器工作回路，信號(hào)傳入直流信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換模塊后，其輸出端產(chǎn)生可供主控芯片檢測的直流信號(hào)，經(jīng)主控芯片檢測后，將相關(guān)信息傳至液晶顯示模塊進(jìn)行顯示，檢測信號(hào)傳輸示意見圖3。

圖3 檢測信號(hào)傳輸示意

1）主控芯片。選用高性能ATmega16 單片機(jī)用于對(duì)檢測信號(hào)的處理，并將相關(guān)工作模式、時(shí)間-電流檢測曲線等內(nèi)容傳輸給液晶顯示模塊。ATmage16單片機(jī)具有功能強(qiáng)、可靠性高、運(yùn)算速度快、功耗較低和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，可以完成數(shù)據(jù)處理、傳送以及電壓采集等功能［9］。

2）鍵盤部分。采用ZLG7290 專用鍵盤驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)的4×4矩陣鍵盤。該芯片通過I2C 通信端口與主控芯片相連，進(jìn)行鍵碼值的傳輸。ZLG7290抗干擾能力強(qiáng)，鍵盤外圍無需消抖電路，也不用增加鍵盤消抖軟件［10-11］。

3）直流信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換模塊。有2 路獨(dú)立的轉(zhuǎn)換電路，采用ISO-EM-A3-P3-O4 芯片，可將輸入的0～20 mA 電流轉(zhuǎn)換為0～5 V 的電壓信號(hào)，供給單片機(jī)進(jìn)行A/D 采樣。該模塊具有以下特點(diǎn)：①集成了一個(gè)多隔離的DC/DC 變換電源和一組模擬信號(hào)隔離放大器，輸入及輸出側(cè)具有寬爬電距離及內(nèi)部隔離措施，可達(dá)到DC 3000 V 絕緣電壓；②無需外接零點(diǎn)、增益調(diào)節(jié)電位器，即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換功能；③采用印板式變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)環(huán)形變壓器，利用高耐壓的電磁隔離技術(shù)，在隔離干擾的同時(shí)，保證信號(hào)輸出穩(wěn)定；④采用5 V 電壓供電，可與單片機(jī)共用電源；⑤可將電流輸入信號(hào)線性轉(zhuǎn)換為0～5 V 電壓輸出信號(hào)，省去外置信號(hào)調(diào)理電路；⑥輸入端采用二極管等元器件進(jìn)行隔離，減輕了因元器件串入電路時(shí)對(duì)電流的影響，使測量的電流值更加接近電路正常工作狀態(tài)下的真實(shí)值，做到故障隔離，所以校準(zhǔn)儀安全性很高。

4）液晶顯示模塊。采用FY43-4827-256 彩色液晶模塊，用于接收主控芯片信號(hào)，并對(duì)檢測信號(hào)進(jìn)行圖形化顯示。該模塊具有雙層液晶屏幕，測試示例見圖4。圖4 中上層為黃色曲線，顯示整個(gè)測量過程的全部數(shù)據(jù)，即為測試曲線；下層為紅色曲線，顯示標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照曲線范圍。信號(hào)巡檢員通過比較2種曲線，即可直觀判斷出計(jì)軸傳感器的好壞。

圖4 液晶顯示模塊測試示例（雙通道）

5）電源部分。采用防爆聚合物鋰電池，并通過并聯(lián)電容進(jìn)行濾波，使得芯片得到安全、穩(wěn)定的供電電壓。

3 智能校準(zhǔn)儀操作方法

使用智能校準(zhǔn)儀對(duì)計(jì)軸傳感器的校準(zhǔn)分為日常巡檢與校準(zhǔn)操作，相關(guān)校準(zhǔn)步驟以及參數(shù)參照ACM100維護(hù)手冊(cè)執(zhí)行。

3.1 日常巡檢

在日常巡檢時(shí)，可以由1 名人員在室內(nèi)逐一拆除防雷模塊，并將校準(zhǔn)儀的專用連接器插入防雷模塊底座?，F(xiàn)場測試示意見圖5。打開校準(zhǔn)儀直接選擇雙通道測量，遍歷全部計(jì)軸傳感器，正常電流值應(yīng)為9 mA左右。

圖5 現(xiàn)場測試示意（室內(nèi)）

3.2 校準(zhǔn)操作

如果在日常巡檢中發(fā)現(xiàn)計(jì)軸傳感器參數(shù)異常，則需對(duì)計(jì)軸傳感器進(jìn)一步校準(zhǔn)。這時(shí)需派2 人去現(xiàn)場，其中，1 人負(fù)責(zé)安放“校準(zhǔn)量規(guī)”，放置示意見圖6，圖6中綠色方框?yàn)椤靶?zhǔn)量規(guī)”，用來替代列車車輪，模擬占用車輪傳感器（WSD）；另外1 人做安全防護(hù)。校準(zhǔn)時(shí)先進(jìn)行單通道信號(hào)測量，再進(jìn)行雙通道信號(hào)測量。

圖6 校準(zhǔn)量規(guī)放置示意（室外）

智能校準(zhǔn)儀操作步驟見圖7。測量WSD 內(nèi)單個(gè)傳感單元的電流參數(shù)時(shí)，選擇單通道；測量WSD 內(nèi)2 個(gè)傳感單元的電流累加值時(shí)，選擇雙通道。測試結(jié)束后，可進(jìn)行相關(guān)測量曲線的存儲(chǔ)。校準(zhǔn)儀內(nèi)部可儲(chǔ)存同一計(jì)軸傳感器3 次測量的完整曲線（1 次雙通道，2 次單通道），供后續(xù)查看。

3.2.1 單通道測試

1）選擇單通道模式，按下“測試”按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并開始計(jì)時(shí)，電流標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為4.75～5.25 mA。

2）25 s 時(shí)，停止計(jì)時(shí)并停止記錄采樣數(shù)據(jù)，顯示屏提示“將傳感器校準(zhǔn)量規(guī)放置在傳感器上，金屬面朝上，校準(zhǔn)量規(guī)與傳感器的中心線對(duì)齊”，再次按下“測試”按鈕后繼續(xù)測量并計(jì)時(shí)，此時(shí)的電流值應(yīng)為1.3～2.99 mA。

3）35 s 時(shí)，再次停止計(jì)時(shí)并停止記錄采樣數(shù)據(jù)，顯示屏提示“推動(dòng)校準(zhǔn)量規(guī)，使傳感器中心線對(duì)齊OFF1右側(cè)邊界”，根據(jù)提示放好校準(zhǔn)量規(guī)后，按下“測試”按鈕繼續(xù)測量和計(jì)時(shí)，此時(shí)的電流值應(yīng)為4.75～5.25 mA。

4）同理，分別在45 s、55 s、65 s 時(shí)，停止計(jì)時(shí)并停止記錄采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)顯示屏提示進(jìn)行操作，觀察電流標(biāo)準(zhǔn)值。

5）75 s 時(shí)，停止計(jì)時(shí)并停止記錄采樣數(shù)據(jù)，顯示屏提示“將校準(zhǔn)量規(guī)從傳感器上方取走”，可按下“確認(rèn)鍵”存儲(chǔ)數(shù)據(jù)曲線。

通過查看數(shù)據(jù)曲線，如果在校準(zhǔn)量規(guī)推至ON和OFF 的邊界時(shí)，校準(zhǔn)儀數(shù)值是在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)變化，則判定計(jì)軸傳感器單通道測試正常，可進(jìn)行下一步雙通道測試；如果校準(zhǔn)儀測量值在校準(zhǔn)量規(guī)推過ON 和OFF 的邊界后才產(chǎn)生變化，或測量數(shù)值未在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，則判定計(jì)軸傳感器發(fā)生了磁場偏移，直接進(jìn)行計(jì)軸傳感器更換。

3.2.2 雙通道測試

1）選擇雙通道模式，按下“測試”按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并開始計(jì)時(shí)，電流標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)在2.6～10.5 mA 范圍。如果為全新傳感器，則電流值在3 mA 左右；如果是正在使用中的傳感器，電流值為9 mA左右。

2）在20 s時(shí)，停止計(jì)時(shí)并停止記錄采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)顯示屏提示“將校準(zhǔn)量規(guī)放置在傳感器上，金屬面朝下”操作后，繼續(xù)測量和計(jì)時(shí)，此時(shí)的電流標(biāo)準(zhǔn)范圍應(yīng)為2.4～5.98 mA。

3）55 s 時(shí)，顯示屏提示“將校準(zhǔn)量規(guī)從傳感器上方取走”，電流標(biāo)準(zhǔn)范圍應(yīng)為3.0～3.5 mA。

4）80 s 時(shí)，電流采樣值將發(fā)生跳變，自動(dòng)繼續(xù)計(jì)時(shí)并記錄采樣數(shù)據(jù)，電流標(biāo)準(zhǔn)范圍應(yīng)在9.5～10.5 mA。直到90 s 時(shí)，自動(dòng)停止計(jì)時(shí)并停止記錄采樣數(shù)據(jù)，顯示屏提示“按下確認(rèn)鍵存儲(chǔ)數(shù)據(jù)曲線”。

查看存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)曲線，若測試數(shù)值全部符合標(biāo)準(zhǔn)，則判定計(jì)軸傳感器雙通道測試正常；如果第一次測試未成功，可再重復(fù)測量，若3 次以上測量值均不在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，則需更換計(jì)軸傳感器。

4 智能校準(zhǔn)儀的特點(diǎn)

1）操作便利?？稍跈C(jī)械室內(nèi)防雷分線柜上直接檢測軌行區(qū)內(nèi)的計(jì)軸傳感器；而傳統(tǒng)方式需前往軌行區(qū)打開軌旁箱，并拆除電纜線后測量。

2）測試安全。校準(zhǔn)儀采用電氣隔離式檢測方法；而傳統(tǒng)方式采用萬用表直接測量。

3）功能強(qiáng)大。校準(zhǔn)儀具有單通道和雙通道2 種模式，可同時(shí)顯示計(jì)時(shí)、實(shí)時(shí)電流、電流-時(shí)間曲線等內(nèi)容，并且可對(duì)計(jì)軸傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬測試；而傳統(tǒng)方式需要手持秒表、紙、筆，記錄下離散數(shù)據(jù)，并進(jìn)行主觀分析，操作繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

4）具備曲線存儲(chǔ)功能。校準(zhǔn)儀可將同一計(jì)軸傳感器的3 次完整測量曲線進(jìn)行存儲(chǔ)及調(diào)用，可供檢修人員后續(xù)對(duì)曲線進(jìn)行分析。

5 結(jié)論

目前該單側(cè)計(jì)軸傳感器智能校準(zhǔn)儀已在蘇州地鐵經(jīng)過長期測試后得到工程應(yīng)用，其測量誤差在0.1 mA以內(nèi)，能夠滿足計(jì)軸傳感器校準(zhǔn)工作的精度要求，還為檢修人員直觀地提供測試曲線及標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照曲線，可以迅速判斷計(jì)軸傳感器的好壞，大大提高了作業(yè)效率。經(jīng)在此電路基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)，也可應(yīng)用于科安達(dá)TAZ-Ⅱ型（恒流源供電、電壓可變式）電渦流計(jì)軸傳感器的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)工作中。未來設(shè)想使用無人檢修小車來安放校準(zhǔn)量規(guī)，即可徹底實(shí)現(xiàn)室外計(jì)軸傳感器無人化檢修作業(yè)，實(shí)現(xiàn)降本增效。