劉正毅，茍?jiān)茲?，程朝?yáng)，崔建英

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081； 2.北京交通大學(xué)理學(xué)院，北京 100044)

0 引言

鐵路地面標(biāo)志傳感器是軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)中用于探測(cè)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(biāo)志傳感器安裝在軌道檢查車的下方，動(dòng)態(tài)探測(cè)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(hào)。地面標(biāo)志傳感器輸出的信號(hào)和軌檢系統(tǒng)幾何參數(shù)信號(hào)同步顯示在軌道檢測(cè)波形圖上，檢測(cè)人員根據(jù)波形圖可更準(zhǔn)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(guó)于20世紀(jì)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(jì)90年代，日本已將電渦流傳感器應(yīng)用在綜合檢測(cè)車上。電渦流傳感器對(duì)新干線進(jìn)行檢測(cè)，能檢測(cè)線路的一些幾何參數(shù)、地面標(biāo)志等信息[3]。我國(guó)也于20世紀(jì)90年代開(kāi)始研制和使用電渦流式的地面標(biāo)志傳感器。目前，各路局軌道檢查車均采用電渦流式地面標(biāo)志傳感器作為軌道檢測(cè)系統(tǒng)的一項(xiàng)輔助功能。地面標(biāo)志傳感器安裝在與車軸平行的檢測(cè)梁中間位置，距離鋼軌面一定高度，用于探測(cè)含有鐵磁性物體的特殊軌道構(gòu)件，功能簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)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(cè)系統(tǒng)的需求并進(jìn)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(biāo)志傳感器。新型傳感器保留了原地面標(biāo)志傳感器的外觀，并重新進(jìn)行了內(nèi)部電路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在兼容原地面標(biāo)志傳感器的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了適用于數(shù)字軌道檢測(cè)系統(tǒng)的接口，功能上仍是檢測(cè)線路地面標(biāo)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(cè)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(hào)，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(hào)送入解調(diào)器的另一個(gè)輸入端。經(jīng)過(guò)解調(diào)器解調(diào)后的直流信號(hào)μ0、μ1送入差動(dòng)放大器處理后輸出[4]。

圖1 傳感器原理框圖

在傳感器下無(wú)金屬物時(shí)，接收線圈和振蕩器的兩路正弦信號(hào)分別對(duì)稱，解調(diào)器解調(diào)出同樣的直流信號(hào)，即u0=u1，差動(dòng)放大器輸出電壓信號(hào)為零。當(dāng)有金屬物靠近接收線圈時(shí)，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(hào)不對(duì)稱，解調(diào)器的輸出有電壓差，u0≠u1，則差動(dòng)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(dāng)兩者距離一定時(shí)，金屬物面積決定了傳感器電壓輸出值。

1.2 傳感器存在問(wèn)題分析

傳感器輸出信號(hào)漂移如圖2所示。

圖2 傳感器輸出信號(hào)漂移

傳感器下方并無(wú)鐵磁性物體情況下，當(dāng)傳感器工作一段時(shí)間或外界工作環(huán)境有較大變化時(shí)，傳感器輸出電壓不為0，即μ0≠μ1。此時(shí)，輸出波形偏離基線，掩蓋了地面標(biāo)志物的真實(shí)信號(hào)，需要操作人員對(duì)其閾值電壓進(jìn)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(wú)待測(cè)鐵磁性物體時(shí)，線圈的交流電阻R1可用具有原型截面的長(zhǎng)導(dǎo)線來(lái)近似表示。在一定范圍內(nèi)，R1為[5]：

式中：l為導(dǎo)線長(zhǎng)度，m；s為導(dǎo)線的橫截面積，m2；ρ0為導(dǎo)線材料在0 ℃時(shí)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(duì)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(hào)受溫度影響而漂移。

1.3 新型傳感器探測(cè)原理

新型傳感器探測(cè)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(chǎng)。此時(shí)，發(fā)射線圈交變電磁場(chǎng)激勵(lì)接收線圈1和接收線圈2產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)ε1和ε2。

圖3 新型傳感器探測(cè)原理圖

當(dāng)軌道上沒(méi)有地面標(biāo)志物靠近傳感器時(shí)，發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)穩(wěn)定不變。傳感器的兩個(gè)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(yán)格對(duì)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(gè)接收線圈的感生電動(dòng)勢(shì)相等。當(dāng)ε1=ε2，則兩個(gè)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(dāng)軌道上有地面標(biāo)志物從下方靠近傳感器時(shí)，地面標(biāo)志物在交變電磁場(chǎng)中產(chǎn)生渦流，地面標(biāo)志物中的渦流產(chǎn)生一個(gè)自身的交變電磁場(chǎng)，與接收線圈的電磁場(chǎng)相互作用，從而導(dǎo)致接收線圈周圍磁場(chǎng)的改變。上下兩個(gè)接收線圈到地面標(biāo)志物的距離不同，線圈周圍的電磁場(chǎng)變化量也不相同，則接收線圈1和接收線圈2的感生電動(dòng)勢(shì)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(cè)軌道上有地面標(biāo)志物。

通過(guò)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(yán)格對(duì)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(guò)差動(dòng)放大電路后，線圈2補(bǔ)償了線圈1的溫度漂移，即抑制了溫度變化對(duì)傳感器輸出的影響。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(hào)處理器(digital signal processor,DSP)為核心，由探測(cè)線圈、信號(hào)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(cè)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(lì)下產(chǎn)生相應(yīng)交變電磁場(chǎng)；接收線圈的漆包線線徑為d2，均勻密繞在2個(gè)幾何尺寸一致的非金屬骨架上，要求2個(gè)線圈上下對(duì)稱、匝數(shù)嚴(yán)格一致，且軸線嚴(yán)格與發(fā)射線圈軸線垂直、對(duì)稱，在電路中以平衡差動(dòng)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(biāo)。

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

③信號(hào)處理電路完成信號(hào)放大和濾波功能，將探測(cè)線圈檢測(cè)到的電壓變化值進(jìn)行多級(jí)放大。

④頻率源電路的頻率和幅值通過(guò)DSP控制；傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)DSP采樣和處理，處理后的數(shù)據(jù)送入實(shí)時(shí)處理計(jì)算機(jī)。

⑤根據(jù)傳感器在不同頻率下的測(cè)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(shí)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(gè)軌道檢測(cè)系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的分節(jié)點(diǎn)，傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)CAN總線傳送至實(shí)時(shí)處理計(jì)算機(jī)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(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)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(shí)時(shí)處理計(jì)算機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)了傳感器的遠(yuǎn)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(cè)器相比，系統(tǒng)性能得到了提高。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件總體設(shè)計(jì)

根據(jù)新型傳感器檢測(cè)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(shí)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(kāi)發(fā)平臺(tái)[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(diǎn)閾值，從而控制信號(hào)輸出值。

③實(shí)時(shí)處理計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果及存儲(chǔ)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2.2 DSP模塊程序設(shè)計(jì)

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(dāng)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(dòng)工作方式，串行外設(shè)接口時(shí)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(dāng)于每個(gè)采樣點(diǎn)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(cè)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(gè)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(guò)接收上位機(jī)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(cè)試

3.1 傳感器封裝

將符合技術(shù)參數(shù)指標(biāo)要求的探測(cè)線圈接入電路板，并以一定角度裝入符合強(qiáng)度要求的非金屬殼體內(nèi)。當(dāng)傳感器周圍無(wú)金屬物時(shí)，經(jīng)過(guò)調(diào)試和標(biāo)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(yàn)室測(cè)試后，在軌道檢查車上進(jìn)行了安裝。傳感器安裝在車體下面與車軸平行的檢測(cè)梁上，距軌枕面不超過(guò)350 mm。當(dāng)檢查車經(jīng)過(guò)線路地面標(biāo)志位置時(shí)，傳感器輸出相應(yīng)電壓信號(hào)。

由于金屬材料對(duì)線圈的磁場(chǎng)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(cè)試及應(yīng)用

軌道檢查車過(guò)道岔時(shí)傳感器信號(hào)波形如圖5所示。軌道檢查車經(jīng)過(guò)線路道岔時(shí)，安裝在車下的地面標(biāo)志傳感器經(jīng)過(guò)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(hào)，并傳輸至檢查車的實(shí)時(shí)采集處理機(jī)。

圖5 軌道檢查車過(guò)道岔時(shí)傳感器信號(hào)波形

根據(jù)地面標(biāo)志物的尺寸特點(diǎn)，對(duì)于道岔拉桿，傳感器感應(yīng)持續(xù)時(shí)間較短，信號(hào)在波形圖上對(duì)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(shí)間較長(zhǎng)，則傳感器經(jīng)過(guò)導(dǎo)曲線鋼軌和連接部分直股連接鋼軌時(shí)，信號(hào)在波形圖上對(duì)應(yīng)正梯形曲線。

鐵路橋梁軌道結(jié)構(gòu)包括護(hù)軌和護(hù)軌梭頭。當(dāng)檢查車通過(guò)鐵路橋梁時(shí)，地面標(biāo)志傳感器感應(yīng)產(chǎn)生一對(duì)高電壓信號(hào)，將其對(duì)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(cè)車和部分新造軌道檢查車上。

軌道檢查車過(guò)橋梁時(shí)傳感器信號(hào)波形如圖6所示。

圖6 軌道檢查車過(guò)橋梁時(shí)傳感器信號(hào)波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)既有傳感器存在的問(wèn)題及原理分析，設(shè)計(jì)了抗干擾能力更強(qiáng)的傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信號(hào)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(biāo)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(shí)，也更好地輔助線路維護(hù)人員快速定位軌道病害位置，滿足了新型軌檢系統(tǒng)對(duì)傳感器的接口和性能要求。新型傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(biāo)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。