CN104553872A - 一种能够同时检测磁浮列车悬浮间距和运行速度的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种能够同时检测磁浮列车悬浮间距和运行速度的传感器，间距检测与速度检测共用同一套探头线圈，探头线圈由4个检测线圈组成，检测线圈分为两对，两对检测线圈沿轨道纵向错开1/4齿槽单元长度D，每对检测线圈又由沿轨道纵向的距离为1/2齿槽单元长度D的两列检测线圈组成，每列检测线圈则由沿轨道横向排列的两个大小相等的矩形小线圈连接构成，且每列线圈中的相邻的两小线圈中的电流方向相反。检测线圈由高频信号源提供激励信号，由检测电路提取的信号在馈入间距信号处理单元的同时也馈入速度信号处理单元。该传感器能够同时检测出列车悬浮间距和运行速度，间距测量不受轨道齿槽结构影响，速度测量不受悬浮间距影响，检测出的悬浮距离和运行速度准确、可靠，精度高。

Description

一种能够同时检测磁浮列车悬浮间距和运行速度的传感器

技术领域

本发明涉及一种磁浮车悬浮间距和运行速度的非接触式传感器。

背景技术

磁浮列车安全运行需要非接触地实时检测列车电磁铁与轨道之间悬浮间距和列车运行速度，高速磁浮列车的轨道为齿槽交替的长定子轨道，轨道上的齿为全金属体，而槽则是在金属体上开的槽，槽中绕有电缆。磁浮车常用测距和测速传感器多是基于电磁感应原理实现测量的，当电感式悬浮间距传感器在长定子轨道的表面上平行移动时，输出值将随轨道齿槽位置的变化而变化，出现所谓的齿槽效应，产生垂向间距值的测量误差(又称为齿槽误差)。而一般电感式测速传感器正需要利用轨道的齿槽结构特点，检测轨道齿槽位置的变化，对齿槽进行脉冲计数，从而计算列车运行速度。可见轨道齿槽结构特点在间距测量与速度测量中起的作用是相反的，因此现有磁浮车需要两套不同的传感器分别检测磁浮列车悬浮间距和运行速度，由磁浮车专用的悬浮间距传感器测量悬浮间距时，需要抑制轨道齿槽结构带来的齿槽误差，而由另一套测速装置测量列车的运行速度时，需要利用轨道齿槽结构提高速度检测精度。

现有磁浮车悬浮间距测量多采用非接触位移传感器(间距传感器)，传感器探头线圈镶嵌在电磁铁模块内，其表面与电磁铁表面相平。它是基于电磁感应原理实现距离测量的，利用传感器内的探头线圈来检测探头线圈与被测金属体(轨道长定子表面)之间的距离，实现悬浮间距的检测。根据其工作原理分析可知，利用电感式非接触位移传感器测距时，要求被检测的金属体表面应为标准的平面形状，若被检测金属体表面凹凸不平，如磁浮车长定子轨道，其表面为铺设定子线圈而将轨道制成齿槽结构，此时检测装置的输出将受轨道形状影响产生明显的齿槽误差，使得测量结果不准确，为满足磁浮列车悬浮控制系统的要求，一方面采取优化探头线圈几何形状的方式削弱齿槽效应，但不能完全消除齿槽误差；另一种方法在原有间距检测探头线圈的基础上另外再新布置齿槽补偿线圈，依据齿槽补偿线圈提供的位置参考信号进行一定的补偿，其补偿效果和精度主要依赖于齿槽补偿线圈提供的位置参考信号，而补偿线圈的引入使检测探头结构复杂，且间距检测线圈与补偿线圈空间重叠导致线圈之间存在一定的磁场耦合，对原间距检测线圈产生一定的干扰，且位置检测精度不高，使补偿效果和精度受到一定的限制。

现有磁浮车用测速传感器，主要有两种方法，一种是采用回线或泄露同轴电缆的方法，它是利用地面敷设的回线或泄露同轴电缆通电后产生的磁场方向(或幅值)变化，在运行的车载接收线圈中感生电脉冲，通过对电脉冲的计数来实现测速，该方法需要在地面安装信号源，使轨道线路成本增加且设备复杂；另一种方法是采用车载的布有多相矩形平面线圈的传感器探头，列车运行时，由于磁路的变化使矩形线圈的等效电量参数发生变化，从而使电路的输出发生变化，检测和处理这种变化就可以得到轨道面的齿、槽信号，通过计数处理，能够计算出磁浮车当前的速度。两种方法均需要先对电脉冲计数，再计算列车运行速度，其计算误差较大，精度不高。

现在技术的主要不足就是需要两套不同的装置，使列车或轨道结构复杂，成本较高，间距测量齿槽误差大，速度测量精度低，无法满足高速磁浮车在高速运行时进行实时精确控制以确保悬浮间距高精度可调的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够同时检测磁浮列车悬浮间距和运行速度的传感器，该传感器能够精确检测列车悬浮间距值，且不受轨道齿槽位置影响，同时能够对列车运行速度精确测量，且不受悬浮间距影响，检测出的悬浮距离和运行速度准确、可靠，精度高。

本发明为实现其发明目，所采用的技术方案是：

一种能够同时检测磁浮列车悬浮间距和运行速度的传感器，同时检测磁浮列车悬浮间距和运行速度的传感器，包括与车体上高频信号源相连的探头线圈、与探头线圈连接的信号检测电路、以及与信号检测电路输出相连接的间距信号处理单元和速度信号处理单元。检测线圈分为横向并列的两对，即：第一检测线圈对(L11、L12)和第二检测线圈对(L21、L22)；第一检测线圈对(L11、L12)和第二检测线圈对(L21、L22)沿轨道纵向错开1/4齿槽单元长度D排布；各检测线圈对中的两个检测线圈沿轨道纵向的距离为1/2齿槽单元长度D排布，且每个线圈绕制成沿轨道横向排列的两个大小相等的矩形小线圈，每个线圈间的相邻的两个小线圈中的电流方向相反；两对检测线圈输入端分别连接到两个高频信号源(S1和S2)，两高频信号源的频率不同；两对检测线圈的输出端分别与相互独立的两个信号检测电路(PS1和PS2)相连；两个信号检测电路的输出端各自分别与速度信号处理单元V和间距信号处理单元G相连。

这样，检测线圈由高频信号源提供激励信号，两对检测线圈分别由两个独立的信号检测电路提取信号，两个信号检测电路的输出在馈入间距信号处理单元的同时也馈入速度信号处理单元，间距信号处理单元提取间距信号，输出传感器探头表面与轨道齿面的距离值，速度信号处理单元提取速度信号，输出列车运行速度值。

磁浮列车运行时，安装在磁浮车上的传感器也随列车悬浮并沿轨道纵向方向行进，传感器在检测并输出磁浮车悬浮电磁铁与轨道齿面之间垂向悬浮间距的同时，也检测并输出列车运行速度。

间距检测与速度检测共用同一套探头线圈，探头线圈由4个形状和大小相同的检测线圈组成，4个检测线圈分为两对，两对检测线圈沿轨道纵向错开1/4齿槽单元长度D，每对检测线圈中的两列线圈沿轨道纵向的距离为1/2齿槽单元长度D。所述线圈布置方案可使每个检测线圈面积较大，从而保证单个线圈具有足够的灵敏度和检测精度，且线圈之间距离也较远可使各检测线圈之间的磁场耦合较小。

列车运行时，检测线圈随列车悬浮并沿轨道纵向方向前进，探头检测线圈与轨道齿面保持10mm左右的额定悬浮间距，每个检测线圈都由高频信号源施加交变的激励信号，当单个线圈保持某一悬浮间距值不变而沿轨道纵向平行移动时，由于轨道齿内为导磁材料，线圈在轨道齿槽周期内不同位置时，线圈的电参量是不同的，当线圈正对轨道齿中心时，其电感值最大，线圈偏离齿中心时，其电感值减小，当线圈正对轨道槽中心时，其电感值最小，线圈继续偏离槽中心时，其电感值又会增大。因此当线圈沿轨道纵向方向移动时，线圈电感值也将随轨道齿槽位置的变化而周期变化，且其变化规律表现为一直流分量与一定幅值的三角正弦交流信号的叠加效果。当线圈与轨道齿面距离不同时，此交流信号的波动幅值是不同的，当间距较小时，线圈电参量受轨道齿内导磁材料的影响比较敏感，因此间距小时线圈电感值变化较大，而间距较大时，轨道齿槽结构对线圈电参量影响小，线圈电感值变化较小，因此电感值变化的交流成份幅值反应了间距的大小，且幅值随间距的增加而减小。与之成对的另一列检测线圈沿轨道纵向与其相距1/2齿槽单元长度D，因此当一列线圈正对齿面取得最大电感值时，另一列线圈必然正对槽面取得最小电感值，因此两列线圈上包含有线圈对应齿槽位置关系的信号，两列线圈结构和电路完全相同，因此两线圈对应的直流分量相同，而交流分量的幅值也相同，只是交流分量信号相位差180°(一个齿槽周期为360°)，在信号检测电路中，将同一对检测线圈中的两列线圈信号相减，即可去除直流成份，输出纯交流的正弦波信号,其波动幅值反应了当前间距大小；同时，由于两对检测线圈沿轨道纵向错开1/4齿槽单元长度D，因此，另一对线圈经信号检测电路后也输出的一个同幅值纯交流的正弦波信号，且两个正弦交流信号相位差为90°。在间距信号处理单元中对相位差为90°的该两路同幅值纯交流信号利用三角函数特性进行三角函数运算，即可化简约去角度值(即齿槽位置)得到此交流信号的幅值，此幅值与悬浮间距为单调非线性对应关系，因此在间距处理单元内通过线性校正即可获得准确的悬浮间距值，因为在信号处理过程中已经将角度值约去，因此得到的间距信号与齿槽位置无关，从理论上可以保证间距值不受齿槽位置影响，即间距输出不存在齿槽效应；在速度信号处理单元中对相位差为90°的该两路同幅值纯交流正弦信号进行三角函数运算，化简约去幅值信号再经反三角函数运算即可求出当前位置的相位角度值，再对此相位角度值进行微分处理，即可得到列车当前的运行速度，因为在信号处理过程中已经将与间距值对应的交流幅值信号约去，因此速度值与间距大小无关，即速度值不受悬浮间距的影响，测量精度高。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、间距测量与速度测量合二为一，经济高效，简化列车设备；

二、在一个齿槽宽度内布置一套双功能检测线圈，间距检测与速度检测共用同一套探头线圈，探头空间利用率高。在有限的一个齿槽单元长度D宽的探头空间内4个检测线圈较大的面积可以提高检测精度和灵敏度，且线圈之间距离较远使各检测线圈之间的磁场耦合较小；

三、输出间距值无齿槽误差，无需齿槽补偿，悬浮间距检测不受轨道齿槽位置影响，也即不受列车运行速度影响，特别适合高速磁浮列车0～500公里/小时的运行速度范围；

四、速度信号处理单元对提取到的相位信号进行微分处理计算得到速度值，其精度远高于用齿槽计数的测速方法，测量精度高。另外速度测量不受悬浮间距影响，特别适合磁浮列车正常运行时需要动态调节悬浮间距的场合。

上述的探头线圈所含的每列检测线圈的排列方式是：由沿轨道横向排列的两个大小相等的矩形小线圈连接构成，且每列线圈中的相邻的两小线圈中的电流方向相反。这样可以削弱外部空间磁场带来的干扰。

上述的探头线圈与高频信号源相连的方式是：探头线圈中的两对检测线圈对应连接的两个高频信号源的频率不同。这样，有利于两对检测线圈信号的独立提取，减少相互磁场耦合和电路干扰，提高检测结果的精度和准确度。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例的各检测线圈的排列及其电原理的示意图。线圈上的实心小箭头方向为馈入电流方向，空心大箭头的方向为轨道的纵向方向。

图2是本发明实施例的电气原理结构示意图。

具体实施方式

图1及图2示出，本发明的一种具体实施方式为：一种能够同时检测磁浮列车悬浮间距和运行速度的传感器，包括与车体上高频信号源相连探头线圈、与探头线圈连接的信号检测电路、以及与信号检测电路输出相连接的间距信号处理单元和速度信号处理单元；其特征在于，所述检测线圈分为横向并列的两对，即第一检测线圈对(L11、L12)和第二检测线圈对(L21、L22)；第一检测线圈对(L11、L12)和第二检测线圈对(L21、L22)沿轨道纵向错开1/4齿槽单元长度D；各检测线圈对中的两个检测线圈沿轨道纵向的距离为1/2齿槽单元长度D，且每个线圈绕制成沿轨道横向排列的两个大小相等的矩形小线圈，且每个线圈间的相邻的两个小线圈中的电流方向相反；也即某一小线圈中各处电流方向若构成一圈逆时针的方向，则另相邻的小线圈中各处流过的电流必构成一圈顺时针的方向。

图2还示出：

本例的探头线圈与高频信号源相连的方式是：探头线圈中的两对检测线圈(L11、L12和L21、L22)对应连接的两个高频信号源S1和S2的频率不同(即一对探头线圈L11和L12对应连接高频信号源S1，另一对探头线圈L21和L22对应连接高频信号源S2,高频信号源S1和高频信号源S2的频率不同)。

本例的探头线圈与信号检测电路和信号处理单元相连的具体结构是：每对检测线圈(L11、L12或L21、L22)与相应的信号检测电路(PS1或PS2)相连，两个信号检测电路(PS1和PS2)的输出在馈入间距信号处理单元(G)的同时也馈入速度信号处理单元(V)，且间距信号处理单元与速度信号处理单元相互独立。间距信号处理单元输出没有齿槽误差的悬浮间距值，速度信号处理单元在任何悬浮间距下都能输出高精度的列车运行速度值。

Claims (5)

1.一种能够同时检测磁浮列车悬浮间距和运行速度的传感器，同时检测磁浮列车悬浮间距和运行速度的传感器，包括与车体上高频信号源相连的探头线圈、与探头线圈连接的信号检测电路、以及与信号检测电路输出相连接的间距信号处理单元和速度信号处理单元；其特征在于，检测线圈分为横向并列的两对，即：第一检测线圈对(L11、L12)和第二检测线圈对(L21、L22)；第一检测线圈对(L11、L12)和第二检测线圈对(L21、L22)沿轨道纵向错开1/4齿槽单元长度D排布；各检测线圈对中的两个检测线圈沿轨道纵向的距离为1/2齿槽单元长度D排布，且每个线圈绕制成沿轨道横向排列的两个大小相等的矩形小线圈，每个线圈间的相邻的两个小线圈中的电流方向相反；两对检测线圈输入端分别连接到两个高频信号源(S1和S2)，两高频信号源的频率不同；两对检测线圈的输出端分别与相互独立的两个信号检测电路(PS1和PS2)相连；两个信号检测电路的输出端各自分别与速度信号处理单元V和间距信号处理单元G相连。

2.根据权利要求1所述的一种能够同时检测磁浮列车悬浮间距和运行速度的传感器，其特征在于：所述的探头线圈与信号检测电路相连的具体结构是：两对检测线圈分别与相应的信号检测电路相连，两个信号检测电路(PS1和PS2)相互独立。

3.根据权利要求1所述的一种能够同时检测磁浮列车悬浮间距和运行速度的传感器，其特征在于：所述的信号检测电路(PS1和PS2)的输出在馈入间距信号处理单元G的同时也馈入速度信号处理单元V，且间距信号处理单元与速度信号处理单元相互独立。

4.根据权利要求1所述的一种能够同时检测磁浮列车悬浮间距和运行速度的传感器，其特征在于：所述的间距信号处理单元G依据信号检测电路(PS1和PS2)提供的信号进行间距信号提取，输出传感器探头表面与轨道齿面的距离值，且间距值跟传感器与沿轨纵向的齿槽相对位置无关。

5.根据权利要求1所述的一种能够同时检测磁浮列车悬浮间距和运行速度的传感器，其特征在于：所述的速度信号处理单元V依据信号检测电路(PS1和PS2)提供的信号进行速度信号提取，输出列车运行速度值，且速度值跟传感器与轨道齿面之间的悬浮间距值无关。