CN101750001A - 低速磁浮列车自诊断式悬浮间隙传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低速磁浮列车自诊断式悬浮间隙传感器，它包括控制单元、前置电路和敏感探头，控制单元通过前置电路与敏感探头相连，所述敏感探头包含至少一个敏感线圈组，所述敏感线圈组由至少两个在水平面的投影相重合的敏感线圈组成，所述敏感线圈采集磁浮列车的悬浮间隙，所述控制单元根据同一敏感线圈组的任意两个敏感线圈所采集悬浮间隙的相对变化和差值判断所述敏感线圈组的工作状态，并根据敏感线圈组的工作状态屏蔽故障敏感线圈组检测的悬浮间隙、将正常敏感线圈组检测的悬浮间隙取平均值后输出。本发明可以有效解决悬浮间隙传感器的自诊断问题，检测精度高、抗干扰能力强、可实现过接缝处的平稳检测，具有集成度高、体积小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及磁浮列车领域，具体涉及一种用于低速磁浮列车的悬浮间隙传感器。
背景技术
低速磁浮列车是一种依靠电磁力实现无接触悬浮的车辆系统，它依靠传感器提供的电磁铁与轨道之间的间隙信号来调整控制车辆悬浮间隙，悬浮间隙传感器是保证列车安全运行的关键之一。
目前用于低速磁浮列车的悬浮间隙传感器一般采用电涡流式位移传感器，为了实现对低速磁浮列车间隙的监控，在低速磁浮列车上设有多个悬浮间隙传感器，但是现有的悬浮间隙传感器只能简单的检测悬浮间隙，当传感器出现故障时，现有悬浮间隙传感器没有自诊断功能，无法实现故障传感器不能准确定位、无法实现对悬浮间隙传感器故障进行快速诊断，因此无法提供信息以供控制系统和监控系统判别，给检修带来了困难，而且可能给列车的运行带来严重的安全隐患。此外，低速磁浮列车轨道由一系列F型钢轨拼接安装而成，轨道之间存在着较大接缝，电涡流型位移传感器处于轨道接缝下端的间隙传感器在过接缝时存在着信号突变，不能反应实际情况，因此一般采用多探头检测切换的方法实现过接缝问题，但现有的电涡流传感器存在着探头体积大、多探头之间无法紧密贴近等问题，因此无法实现较好的集成度，在磁浮列车过接缝时，悬浮间隙传感器的输出间隙值会突然变大，对于控制系统来说，这类错误信号必然会影响控制质量，甚至可能会造成车辆失控。
发明内容
本发明针对上述现有技术的缺点，提供一种带有自诊断功能、检测精度高、抗干扰能力强、过接缝处检测平稳、集成度高、体积小的低速磁浮列车自诊断式悬浮间隙传感器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种低速磁浮列车自诊断式悬浮间隙传感器，它包括控制单元、前置电路和敏感探头，控制单元通过前置电路与敏感探头相连，所述敏感探头包含至少一个敏感线圈组，所述敏感线圈组由至少两个在水平面的投影相重合的敏感线圈组成，所述敏感线圈采集磁浮列车的悬浮间隙，所述控制单元根据同一敏感线圈组的任意两个敏感线圈所采集悬浮间隙同一时刻的差值和随时间的相对变化量判断所述敏感线圈组的工作状态，并根据敏感线圈组的工作状态屏蔽故障敏感线圈组检测的悬浮间隙、将正常敏感线圈组检测的悬浮间隙取平均值后输出。
作为本发明的进一步改进：
所述敏感探头包含至少三个敏感线圈组，所述多个敏感线圈组沿轨道方向依次呈直线排列，且相邻敏感线圈组的间隔大于轨道接缝的宽度；
所述相邻敏感线圈组的边界间隔为3.5～5cm；所述相邻敏感线圈组的间隔为4.5cm；
所述敏感线圈为PCB线圈。
所述前置电路包含信号激励单元、调制单元和解调单元，所述信号激励单元与控制单元相连，用来产生高频交流激励信号的信号激励单元通过调制单元与所述敏感线圈的输入端相连，所述调制单元根据输入的高频交流激励信号为敏感线圈组中每个敏感线圈分频并产生不同频率的激励信号，所述解调单元将敏感线圈输出的不同频率的信号解调后获得敏感线圈两端的电压幅值信号并传送给控制单元。
本发明具有下述优点：
1、本发明采用两个以上且在水平面的投影相互重合的敏感线圈组成的敏感线圈组采集悬浮间隙，并通过两个悬浮间隙在同一时刻的差值和随时间的相对变化量，判断输出敏感探头中多个敏感线圈组的工作状态诊断信号，有效解决解决了悬浮间隙传感器的自诊断问题，可以实现故障悬浮间隙传感器的精确定位。
2、本发明通过在轨道行进方向依次排列三个以上的线圈组，且任意两线圈组之间的间隔大于轨道接缝的宽度，因此它们在任何时刻最多只有一组线圈处在接缝影响下，当有一组检测线圈处于轨道接缝下方时，它与其他两组检测线圈输出信号相比具有明显的差异，因此采用屏蔽差异性大的信号、提取出准确的间隙信号，就可以实现过接缝处的平稳检测，有效提高检测的精确度。
3、本发明的线圈采用PCB线圈，因此具有集成度高、体积小的优点。
4、本发明前置电路中的高频激励单元经过调制单元调制后为多个敏感线圈提供不同频率的高频交流激励信号，可以有效避免敏感线圈组的两敏感线圈之间的相互干扰，有利于提高传感器检测的精度。
附图说明
图1为本发明实施例的自诊断式悬浮间隙传感器的结构框图；
图2为本发明实施例的敏感线圈组的结构示意图；
图3为本发明实施例中单个敏感线圈的电路原理示意图；
图4为本发明实施例中乘法解调电路的电路示意图；
图5为本发明实施例的自诊断式悬浮间隙传感器的应用结构示意图；
图6为本发明实施例的自诊断式悬浮间隙传感器的工作流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的低速磁浮列车自诊断式悬浮间隙传感器包括控制单元1、前置电路2和敏感探头3，控制单元1通过前置电路2与敏感探头3相连，敏感探头3包含三个敏感线圈组32，敏感线圈组32由两个在水平面的投影相重合的敏感线圈31组成，敏感线圈31采集磁浮列车的悬浮间隙，控制单元1根据同一敏感线圈组32的任意两个敏感线圈31所采集悬浮间隙在同一时刻的差值和随时间的相对变化量判断敏感线圈组32的工作状态，并根据敏感线圈组32的工作状态屏蔽故障敏感线圈组32检测的悬浮间隙、将正常敏感线圈组32检测的悬浮间隙取平均值后输出。为了实现数据输出，在本实施例中控制单元1上连接有数据接口单元4，数据接口单元4可为总线接口或者网络适配器，控制单元1可以通过数据接口单元4与磁浮列车的控制系统相连。在本实施例中，数据接口单元4采用RS485总线接口，最终的信号输出通过多路串行数据输出，能够充分满足低速磁悬浮列车控制器的控制需要。
如图2所示，在本实施例中敏感探头3的主体为平面四层印刷电路板(PCB)结构，敏感线圈组32的两个在水平面的投影相重合的敏感线圈31由上敏感线圈311和下敏感线圈312组成，上敏感线圈311分布于PCB的第一和第二层，下敏感线圈312分布于PCB的第三和第四层，上敏感线圈311和下敏感线圈312在水平面的投影相互重合。
如图1和图3所示，前置电路2包含信号激励单元21、调制单元22和解调单元23，所述信号激励单元21与控制单元1相连，用来产生高频交流激励信号的信号激励单元21通过调制单元22与所述敏感线圈31的输入端相连，所述调制单元22根据输入的高频交流激励信号为敏感线圈组32中每个敏感线圈31分频并产生不同频率的激励信号，所述解调单元23将敏感线圈31输出的不同频率的信号解调后获得敏感线圈31两端的电压幅值信号并传送给控制单元1。敏感探头3中每一个敏感线圈31通过与电容和电阻形成一个电涡流传感器，因此可以感应磁浮列车的轨道间隙并输出与悬浮间隙大小相应的电压信号。信号激励单元21用于根据控制单元1的控制信号产生指定频率的高频交流激励信号。调制单元22根据输入的高频交流激励信号为敏感线圈组32的两个敏感线圈31分频产生不同频率的高频交流激励信号，高频交流激励信号过放大后依次输入到上敏感线圈311和下敏感线圈312中，为了提高信号激励单元21频率的温度稳定性，本发明采用温补晶振作为原始高频信号源。解调单元23将敏感线圈31输出的不同频率的信号解调获得敏感线圈31两端的电压幅值信号，根据电涡流位移传感器原理，上敏感线圈311和下敏感线圈312会由于悬浮间隙不同而阻抗不同，从而线圈两端的电压幅值也将改变。解调单元23将线圈采样电压和与高频交流激励信号同频率同相位的参考解调电压进行乘法解调得到稳定的与间隙有关的电压幅值信号，再通过放大和A/D转换后输送给控制单元1进行处理。如图4所示，本实施例中解调单元23采用乘法器AD734实现，乘法器AD734的Vin(端口1、2)连接至敏感线圈31(上敏感线圈311或下敏感线圈312)和接地，Vin用于采集敏感线圈31的输入电压，Vref(端口6)则连接至解调参考电压，此电压为与经过分频以后的高频交流激励信号同频率同相位的电压，因此可以从调制单元22获取该电压，然后乘法器AD734从Vout(端口12)解调输出幅值电压。
本实施例中控制单元1采用单片机实现，控制单元1根据敏感线圈组32的上敏感线圈311和下敏感线圈312所采集悬浮间隙的同一时刻的差值和随时间的相对变化量判断敏感线圈组32的工作状态，并根据敏感线圈组32的工作状态屏蔽故障敏感线圈组32检测的悬浮间隙、将正常敏感线圈组32检测的悬浮间隙取平均值后输出。
如图5所示的一种低速磁浮列车中，列车的F轨道5和悬浮电磁铁6相对设立且保持有悬浮间隙A，本发明的自诊断式悬浮间隙传感器7通过螺栓紧固在装设于F轨道5和悬浮电磁铁6之间的凹槽内，敏感探头3上分别沿着轨道行进方向依次设有直线分布的三个敏感线圈组32。低速磁悬浮列车轨道接缝C的大小一般为1～1.5cm，传感器线圈组32的间隔B在大于3.5cm时，接缝每次仅能影响一组线圈，而低速磁悬浮列车的车体结构对传感器外形尺寸的限制，要求相邻线圈组的间距不得大于5cm，因此本发明的线圈组之间的相对距离为3.5cm～5cm，在本实施例中优选取值4.5cm。由于敏感探头3上分别沿着轨道行进方向依次设有直线分布的三个敏感线圈组32，因此任何时刻最多只有一个敏感线圈组32处在接缝影响下产生信号突变，即任何时刻三个敏感线圈组32输出的三组信号中，都至少有两个敏感线圈组32输出的信号是准确的间隙信号，因此通过三选二算法，提取出准确的间隙信号进行输出，从而实现过接缝时悬浮间隙的准确检测。敏感线圈组32的数量至少需要三个，敏感线圈组32的数量越多，则选择接触处的突变的敏感线圈组32时更加准确，应对敏感线圈组的数据错误和线圈故障的处理能力就越好，但是基于安装成本、可靠性和维护成本的角度考虑，本实施例中采用三个敏感线圈组32。
如图6所示，本实施例中的低速磁浮列车自诊断式悬浮间隙传感器的工作过程如下：
1)控制单元1完成系统的初始化，包括单片机的存储单元、采样定时器、采样模式的初始化等。
2)通过敏感探头3定时采集各线圈的电压幅值信号：控制单元1发出控制信号，信号激励单元21响应控制产生高频交流激励信号，调制单元22将高频交流激励信号分频后输入至各敏感线圈组32的上敏感线圈311和下敏感线圈312中，解调单元23将各敏感线圈组32的敏感线圈31输出的不同频率的信号解调获得敏感线圈31两端的电压幅值信号。
3)计算线圈悬浮间隙值：对采集进来的多路模拟电压幅值信号进行滤波、线性标定后得到其测量的悬浮间隙值；
4)设定诊断信号并计算最终悬浮间隙。
本实施例中，诊断信号分为数据错误和线圈故障两类信息，其中每类信息又包含三位，分别对应三组线圈，因此一共需要6位长度的诊断信号。本发明实施例中对6位长度的诊断信号采用一个字节进行编码，最低六位分别用于记载数据错误信息和线圈故障信息：如果没有任何数据错误和线圈故障，则诊断信号以二进制表示为00000000，如果只有第一组线圈数据错误，则诊断信号的最低位置1，以二进制表示为00000001，如果只有第一组线圈故障，则诊断信号低位起第4位置1，以二进制表示为00001000，以此类推。具体步骤如下：
1、针对单个敏感线圈组进行诊断：针对同一敏感线圈组32的上敏感线圈311和下敏感线圈312采集的同一时刻的两个悬浮间隙，如果两个悬浮间隙之差的绝对值大于1.5mm，则判定本组线圈数值错误。针对同一敏感线圈组32的上敏感线圈311和下敏感线圈312采集悬浮间隙随时间的相对变化量：如果在一段时间内，上敏感线圈311和下敏感线圈312分别采集的两组悬浮间隙中，只有一组悬浮间隙值随时间发生变化，而另一组悬浮间隙值始终不变，则判定本组敏感线圈组线圈故障。然后屏蔽数值错误和线圈故障的敏感线圈组32，并设置响应的诊断信号标志位。
2、针对多个敏感线圈组32进行过接缝诊断：在三个敏感线圈组32均没有发生数值错误和线圈故障时，首先对三组悬浮间隙值进行过接缝判断，针对三个敏感线圈组32的悬浮间隙值，如果某一个敏感线圈组32与其它两个敏感线圈组32相差较大，则判定该敏感线圈组32位于过接缝处并将其屏蔽。
3、计算最终悬浮间隙值：读取所有未被屏蔽的敏感线圈组32的悬浮间隙值，并将其取平均值作为最终悬浮间隙值。
5)数据输出：通过数据接口单元4输出最终悬浮间隙值和诊断信号。
Claims (7)
1.一种低速磁浮列车自诊断式悬浮间隙传感器，它包括控制单元(1)、前置电路(2)和敏感探头(3)，控制单元(1)通过前置电路(2)与敏感探头(3)相连，其特征在于：所述敏感探头(3)包含至少一个敏感线圈组(32)，所述敏感线圈组(32)由至少两个在水平面的投影相重合的敏感线圈(31)组成，所述敏感线圈(31)用于采集磁浮列车的悬浮间隙，所述控制单元(1)根据同一敏感线圈组(32)的任意两个敏感线圈(31)所采集悬浮间隙在同一时刻的差值和随时间的相对变化量判断所述敏感线圈组(32)的工作状态，并根据敏感线圈组(32)的工作状态屏蔽故障敏感线圈组(32)检测的悬浮间隙、将正常敏感线圈组(32)检测的悬浮间隙取平均值后输出。
2.根据权利要求1所述的低速磁浮列车自诊断式悬浮间隙传感器，其特征在于：所述敏感探头(3)包含至少三个敏感线圈组(32)，所述敏感线圈组(32)沿轨道方向依次呈直线排列，且相邻敏感线圈组(32)的间隔大于轨道接缝的宽度。
3.根据权利要求2所述的低速磁浮列车自诊断式悬浮间隙传感器，其特征在于：所述相邻敏感线圈组(32)的间隔为3.5～5cm。
4.根据权利要求3所述的低速磁浮列车自诊断式悬浮间隙传感器，其特征在于：所述相邻敏感线圈组(32)的间隔为4.5cm。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的低速磁浮列车自诊断式悬浮间隙传感器，其特征在于：所述敏感线圈(31)为PCB线圈。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的低速磁浮列车自诊断式悬浮间隙传感器，其特征在于：所述前置电路(2)包含信号激励单元(21)、调制单元(22)和解调单元(23)，所述信号激励单元(21)与控制单元(1)相连，用来产生高频交流激励信号的信号激励单元(21)通过调制单元(22)与所述敏感线圈(31)的输入端相连，所述调制单元(22)根据输入的高频交流激励信号为敏感线圈组(32)中每个敏感线圈(31)分频并产生不同频率的激励信号，所述解调单元(23)将敏感线圈(31)输出的不同频率的信号解调后获得敏感线圈(31)两端的电压幅值信号并传送给控制单元(1)。
7.根据权利要求5所述的低速磁浮列车自诊断式悬浮间隙传感器，其特征在于：所述前置电路(2)包含信号激励单元(21)、调制单元(22)和解调单元(23)，所述信号激励单元(21)与控制单元(1)相连，用来产生高频交流激励信号的信号激励单元(21)通过调制单元(22)与所述敏感线圈(31)的输入端相连，所述调制单元(22)根据输入的高频交流激励信号为敏感线圈组(32)中每个敏感线圈(31)分频并产生不同频率的激励信号，所述解调单元(23)将敏感线圈(31)输出的不同频率的信号解调后获得敏感线圈(31)两端的电压幅值信号并传送给控制单元(1)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20100623 Assignee: Hunan Yinhe Electric Co., Ltd. Assignor: National University of Defense Technology of People's Liberation Army of China Contract record no.: 2016430000020 Denomination of invention: Self-diagnosis levitation gap sensor for low-speed maglev train Granted publication date: 20120215 License type: Exclusive License Record date: 20160907 |
|
| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model |