CN107084660A - 一种基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器，间隙探头分别与模拟电路和数字电路电连接，模拟电路和数字电路电连接，间隙探头内设置温度传感器和间隙感应线圈，间隙感应线圈，包括第一间隙感应线圈、第二间隙感应线圈、第三间隙感应线圈和第四间隙感应线圈，第二间隙感应线圈和第三间隙感应线圈采用叠层结构。通过设置4个间隙感应线圈，且两个间隙感应线圈采用叠层结构，从而保证磁浮列车在过轨道接缝时，传感器始终能输出至少2路正确的间隙测量信号。解决间隙感应线圈出现故障时，在磁浮列车过接轨缝时，悬浮控制器无法判断正确的悬浮间隙的问题。解决不能保证至少2路间隙和1路加速度信号输出的问题。

Description

一种基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器

技术领域

本发明涉及磁浮列车悬浮传感器领域，尤其涉及一种基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器。

背景技术

目前已有连接长沙南高铁站与长沙机场的长沙磁浮快线投入试营运，连接北京门头沟与苹果园的北京S1线正在建设中。中低速磁浮列车具有运行噪声低、转弯半径小、爬坡能力强、抱轨运行永不脱轨安全性高，且造价与轻轨相当，是替代城市轻轨及城际铁路的一种理想轨道交通。磁浮列车的关键技术在于悬浮控制，而悬浮控制的关键元件在于悬浮传感器。

根据中低速磁浮列车整体结构设计，悬浮传感器结构组成已经确定，悬浮传感器由间隙探头、模拟电路板、数字电路板、加速度计、航空插座、盖板、盖板螺钉和密封圈等部分组成，探头上封装了3个间隙感应线圈、固定有2个加速度计。传感器输出3路间隙信号和2路加速度信号，传感器的间隙测量范围为0～20mm，加速度测量范围为±5g。

但是，现有的技术存在以下缺陷：

根据悬浮控制算法需要，悬浮传感器至少保证2路准确的间隙信号和1路准确的加速度信号输入到悬浮控制器才能保证稳定悬浮。从某种意义上说，现有的悬浮传感器是具备一定的冗余功能，但由于当时的设计技术所限，这些冗余功能存在以下瓶颈：

1)探头上只封装了3个间隙感应线圈，当任一间隙感应线圈出现故障时，在磁浮列车过接轨缝时，悬浮控制器无法判断正确的悬浮间隙。

2)因采用单路电源供电，当传感器供电电源失效时，悬浮传感器将没有信号输出。

3)由于数字板和模拟板中多个信道使用同一电路，当某一关键元器件出现故障时，将使多个信号出现失效。

终上所述，在这些瓶颈点发生故障时，不能保证至少2路间隙和1路加速度信号输出。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器，从而解决间隙感应线圈出现故障时，在磁浮列车过接轨缝时，悬浮控制器无法判断正确的悬浮间隙的问题。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器，包括间隙探头、模拟电路和数字电路，所述间隙探头分别与模拟电路和数字电路电连接，所述模拟电路和数字电路电连接，所述间隙探头内设置温度传感器和间隙感应线圈，所述间隙感应线圈，包括第一间隙感应线圈、第二间隙感应线圈、第三间隙感应线圈和第四间隙感应线圈，所述第二间隙感应线圈和第三间隙感应线圈采用叠层结构，感应线圈采用印制电路板蚀刻技术。

进一步地，还包括传感器壳体、模拟电路板、数字电路板、加速度计和盖板，所述模拟电路设置在模拟电路板上，所述数字电路设置在数字电路板上，所述间隙探头设置在传感器壳体上，所述加速度计、模拟电路板和数字电路板分别设置在传感器壳体内，所述盖板盖装在传感器壳体上。

进一步地，所述模拟电路，包括A组电源电路、B组电源电路、A组逻辑电路、B组逻辑电路、第一间隙通道、第二间隙通道、第三间隙通道和第四间隙通道，所述A组电源电路分别为A组逻辑电路、第一间隙通道和第二间隙通道提供电源，所述B组电源电路分别为B组逻辑电路、第三间隙通道和第四间隙通道提供电源。

进一步地，所述第一间隙通道、第二间隙通道、第三间隙通道和第四间隙通道均包括激励电路、检波电路和调理电路，输入信号依次经激励电路、检波电路和调理电路后输出。

进一步地，所述第一间隙通道与第一间隙感应线圈电连接，所述第二间隙通道与第二间隙感应线圈电连接，所述第三间隙通道与第三间隙感应线圈电连接，所述第四间隙通道与第四间隙感应线圈电连接。

进一步地，所述数字电路，包括C组电源电路、D组电源电路、第一输出电路、第二输出电路、C组信号处理电路和D组信号处理电路，所述C组电源电路为C组信号处理电路提供电源，所述D组电源电路为D组电源电路提供电源，所述C组信号处理电路的信号经第一输出电路输出，所述D组信号处理电路的信号经第二输出电路输出。

进一步地，所述C组信号处理电路和D组信号处理电路，均包括，A/D转换电路、处理器和存储器，所述信号经A/D转换电路传输至处理器后，处理器通过对存储器内存储的信息进行调用，并给予调用的信息对输入信号处理后输出。

进一步地，所述数字电路上还设置标定接口电路，所述标定接口电路用于预置或修改存储器中的数据。

进一步地，所述A组逻辑电路输出的信号经第一间隙通道激励、放大后输出至第一间隙感应线圈，所述第一间隙感应线圈在来自A组逻辑电路的驱动信号驱动下，对悬浮间隙变化进行感应得到感应信号，感应信号再通过第一间隙通道检波和调理放大后输出给数字板C组信号处理电路，同时温度传感器对温度进行检测生成温度信号，该温度信号直接输出至数字电路的C组信号处理电路，所述C组信号处理电路中的A/D转换电路对温度信号和感应信号进行采样并转换后输出至处理器，所述处理器调用存储器内存储的间隙信号线性拟合和温漂修正模型数据运算后输出修正后的间隙测量信号。

进一步地，还包括端子板、航空插座和密封圈，所述间隙探头、端子板和传感器壳体集成为一体，所述航空插座设置在传感器壳体上，所述密封圈设置在传感器壳体和盖板之间。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本技术方案，通过设置4个间隙感应线圈，且两个间隙感应线圈采用叠层结构，从而保证磁浮列车在过轨道接缝时，传感器始终能输出至少2路正确的间隙测量信号，并且解决目前悬浮传感器尺寸结构下布置4个间隙感应线圈的难题。从而解决了间隙感应线圈出现故障时，在磁浮列车过接轨缝时，悬浮控制器无法判断正确的悬浮间隙的问题。

附图说明

图1为发明基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器的电气原理框图；

图2为发明基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器的结构爆炸示意图；

图3为发明基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器中线圈的结构示意图。

图中：1、间隙探头；2、端子板；3、模拟电路板；4、数字电路板；5、加速度计；6、航空插座；7、盖板；8、盖板螺钉；9、密封圈；10、传感器壳体；11、安装点；12、第一间隙感应线圈；13、第二间隙感应线圈；14、第三间隙感应线圈；15、第四间隙感应线圈。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

本技术方案中的第一、第二、第三和第四，以及A组、B组、C组和D组都只是单纯的将相同的技术特征进行区分，且本身没有顺序上的意义，批次之间的顺序完全可以调换。

如图1和图3所示，一种基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器，包括间隙探头1、模拟电路和数字电路，间隙探头1分别与模拟电路和数字电路电连接，模拟电路和数字电路电连接，间隙探头1内设置温度传感器和间隙感应线圈，间隙感应线圈，包括第一间隙感应线圈12、第二间隙感应线圈13、第三间隙感应线圈14和第四间隙感应线圈15，第二间隙感应线圈13和第三间隙感应线圈14采用叠层结构，感应线圈采用印制电路板蚀刻技术，感应线圈，即第一间隙感应线圈12、第二间隙感应线圈13、第三间隙感应线圈14和第四间隙感应线圈15。

如图2所示，悬浮传感器还包括传感器壳体10、模拟电路板3、数字电路板4、加速度计5和盖板7，模拟电路设置在模拟电路板3上，数字电路设置在数字电路板4上，间隙探头1设置在传感器壳体10上，加速度计5、模拟电路板3和数字电路板4分别设置在传感器壳体10内，盖板7盖装在传感器壳体10上。盖板7盖装在传感器壳体10上通过盖板螺钉8固定。

悬浮传感器还包括端子板2、航空插座6和密封圈9，间隙探头1、端子板2和传感器壳体10集成为一体，航空插座6设置在传感器壳体10上，密封圈9设置在传感器壳体10和盖板7之间。

模拟板固定在传感器壳体10内下层，数字板固定在传感器壳体10内上层，加速度计5固定在传感器壳体10内靠近安装点11位置处。安装点11即传感器安装到列车上的点。间隙探头1的4个间隙感应线圈和温度传感器的输出端电连接到端子板2上；模拟电路板3的DB44RA/F接口与端子板2的DB44M接口相配接；数字电路板4的DB26RA/F接口与端子板2的DB26M接口相配接，DB44M接口与DB26M接口电连接；加速度计5使用杜邦插头直接连接到数字电路板4。间隙探头1的主要功能是作为磁浮列车悬浮传感器悬浮间隙测量的敏感元件；模拟电路板3的功能是激励间隙感应线圈，并检波滤波，调理输出电压信号，此电压信号与悬浮间隙成近似正比例关系；数字电路板4的功能是将模拟电路板3输出电压信号进行AD采样、线性拟合、温漂修正后数字编码输出，同时将加速度计5信号进行AD采样和零位、满度修正后数字编码输出。

模拟电路，包括A组电源电路、B组电源电路、A组逻辑电路、B组逻辑电路、第一间隙通道、第二间隙通道、第三间隙通道和第四间隙通道，A组电源电路分别为A组逻辑电路、第一间隙通道和第二间隙通道提供电源，B组电源电路分别为B组逻辑电路、第三间隙通道和第四间隙通道提供电源。二模拟电路上设置4个间隙通道，这4个间隙通道有模拟电路和数字电路复用，对信号进行放大、检波和调理，因设置4个间隙通道，保证了某一个关键元器件出现故障时，造成的多个信号失效的问题。A组逻辑电路和B组逻辑电路均采用EPM3064+芯片。

第一间隙通道、第二间隙通道、第三间隙通道和第四间隙通道均包括激励电路、检波电路和调理电路，输入信号依次经激励电路、检波电路和调理电路后输出。激励电路为MOSFET驱动器。

第一间隙通道与第一间隙感应线圈12电连接，第二间隙通道与第二间隙感应线圈13电连接，第三间隙通道与第三间隙感应线圈14电连接，第四间隙通道与第四间隙感应线圈15电连接。

数字电路，包括C组电源电路、D组电源电路、第一输出电路、第二输出电路、C组信号处理电路和D组信号处理电路，C组电源电路为C组信号处理电路提供电源，D组电源电路为D组电源电路提供电源，C组信号处理电路的信号经第一输出电路输出，D组信号处理电路的信号经第二输出电路输出。

悬浮传感器采用双路直流24V供电，在数字电路板4上分别通过DC-DC模块电源产生C组电源(±15V、5V、3.3V)和D组电源(±15V、5V、3.3V)。两组电源的±15V经端子板2连接到模拟电路板3，在模拟电路板3上两路±15V分别通过DC-DC电源模块产生模拟电路板3工作所需的A组电源(±12V、±5V、3.3V)和B组电源(±12V、±5V、3.3V)。数字电路板4上，5V和3.3V供信号处理电路等电路工作。模拟电路板3上，±12V和±5V供间隙通道电路工作，3.3V供逻辑器件EPM3064工作。通过以上方式实现电源可靠冗余。设置两路电源电路，避免了现有技术中单电路供电中，因供电电路故障造成的悬浮传感器没有信号输出的问题。

C组信号处理电路和D组信号处理电路，均包括，A/D转换电路、处理器和存储器，信号经A/D转换电路传输至处理器后，处理器通过对存储器内存储的信息进行调用，并给予调用的信息对输入信号处理后输出。处理器采用FPGA芯片，存储器采用ROM，该处处理器和存储器均可采用功能相近的处理芯片和存储芯片。第一输出电路和第二输出电路均采用3路的RS485电路。

数字电路上还设置标定接口电路，标定接口电路用于预置或修改存储器中的数据。接口电路采用全双工RS485电路，用于预置或修改ROM中的数据，以实现传感器的标定功能。

A组逻辑电路输出的信号经第一间隙通道激励、放大后输出至第一间隙感应线圈12，第一间隙感应线圈12在来自A组逻辑电路的驱动信号驱动下，对悬浮间隙变化进行感应得到感应信号，同时温度传感器对温度进行检测生成温度信号，感应信号再通过第一间隙通道检波和调理放大后输出给数字板C组信号处理电路，同时温度传感器对温度进行检测生成温度信号，该温度信号直接输出至数字电路的C组信号处理电路，C组信号处理电路中的A/D转换电路对温度信号和感应信号进行采样并转换后输出至处理器，处理器调用存储器内存储的间隙信号线性拟合和温漂修正模型数据运算后输出修正后的间隙测量信号。

第二间隙感应线圈13、第三间隙感应线圈14和第四间隙感应线圈15的工作原理与第一间隙感应线圈12相同，第二间隙感应线圈13的驱动信号来自A组逻辑电路，第三间隙感应线圈14和第四间隙感应线圈15的驱动信号均来自B组逻辑电路，

第二间隙感应线圈13、第三间隙感应线圈14和第四间隙感应线圈15输出的感应信号分别经相应的第二间隙通道、第三间隙通道和第四间隙通道输出至数字电路。

本技术方案的悬浮传感器间隙测量工作原理基于电涡流效应，加速度计5使用测量工作原理基于MEMS技术的振动加速度传感器。

间隙探头1采用环氧树脂包封了4个间隙感应线圈，感应线圈采用印制电路板蚀刻技术，如图3所示，第一间隙感应线圈12布置在靠近传感器安装点11处，第四间隙感应线圈15布置在远离传感器安装点11处，第二间隙感应线圈13和第三间隙感应线圈14布置在中间位置，第二间隙感应线圈13和第三间隙感应线圈14采用叠层结构，此方案确保磁浮列车在过轨道接缝时，传感器始终能输出至少两路正确的间隙测量信号。

模拟板电路分为A和B两个组成部分，A组为第一间隙通道与第二间隙通道，B组为第三间隙通道与第四间隙通道，A、B两组有完全独立的工作电源和可编程逻辑器件EPM3064。EPM3064产生1MHz左右频率方波信号，通过MOSFET驱动器激励间隙感应线圈。悬浮间隙变化时，即轨道与间隙感应线圈的距离发生变化时。由于电涡流效应，间隙线圈上将产生高频振荡信号。将此信号采用同步解调技术进行检波，滤波放大调理输出，便得到与悬浮间隙成近似正比例的电压信号，此电压信号定义为间隙模拟量输出。对应于第一间隙感应线圈12、第二间隙感应线圈13、第三间隙感应线圈14和第四间隙感应线圈15，模拟电路的间隙通道对第一间隙感应线圈12、第二间隙感应线圈13、第三间隙感应线圈14和第四间隙感应线圈15输出的信号进行处理后共有4路间隙模拟量输出。

间隙模拟量输出信号经模拟电路上的间隙通道处理后通过端子板2输出到数字电路，由FPGA控制进行AD采样；间隙探头1上布置的2个温度传感器的信号也输出至数字电路，由FPGA进行同步AD采样。根据AD采样量化的原始间隙信号与温度信号，FPGA从ROM中进行查表运算。ROM中预置了传感器间隙信号线性拟合和温漂修正模型数据。因此，查表运算的过程就是线性拟合和温漂修正的过程。加速度计A与加速度计B使用杜邦插头直接连接到数字电路上。加速度信号由FPGA控制进行AD采样。ROM中预置了加速度零位修正系数和满度修正系数。根据AD采样量化的加速度信号，FPGA从ROM中查表运算输出修正后的加速度。

FPGA还对测量信号进行编码，编码后的间隙信号和加速度信号最终通过RS485按规定协议输出。

本技术方案中间隙探头1封装有两个温度传感器，经过温漂修正后传感器的温漂性能指标由1.5mm提高到0.5mm。从间隙感应线圈到模拟电路，再到数字电路，包含间隙测量与加速度测量，所有的信号回路和电源均采用冗余架构设计，提高了悬浮传感器的可靠性。保证传感器在任何单一故障模式下，能正常输出2路间隙信号和1路加速度信号，实现在磁浮列车正常营运过程中不会因为传感器故障影响营运。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器，包括间隙探头、模拟电路和数字电路，其特征在于：所述间隙探头分别与模拟电路和数字电路电连接，所述模拟电路和数字电路电连接，所述间隙探头内设置温度传感器和间隙感应线圈，所述间隙感应线圈，包括第一间隙感应线圈、第二间隙感应线圈、第三间隙感应线圈和第四间隙感应线圈，所述第二间隙感应线圈和第三间隙感应线圈采用叠层结构，感应线圈采用印制电路板蚀刻技术。

2.如权利要求1所述的基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器，其特征在于：还包括传感器壳体、模拟电路板、数字电路板、加速度计和盖板，所述模拟电路设置在模拟电路板上，所述数字电路设置在数字电路板上，所述间隙探头设置在传感器壳体上，所述加速度计、模拟电路板和数字电路板分别设置在传感器壳体内，所述盖板盖装在传感器壳体上。

3.如权利要求1或2所述的基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器，其特征在于：所述模拟电路，包括A组电源电路、B组电源电路、A组逻辑电路、B组逻辑电路、第一间隙通道、第二间隙通道、第三间隙通道和第四间隙通道，所述A组电源电路分别为A组逻辑电路、第一间隙通道和第二间隙通道提供电源，所述B组电源电路分别为B组逻辑电路、第三间隙通道和第四间隙通道提供电源。

4.如权利要求3所述的基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器，其特征在于：所述第一间隙通道、第二间隙通道、第三间隙通道和第四间隙通道均包括激励电路、检波电路和调理电路，输入信号依次经激励电路、检波电路和调理电路后输出。

5.如权利要求4所述的基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器，其特征在于：所述第一间隙通道与第一间隙感应线圈电连接，所述第二间隙通道与第二间隙感应线圈电连接，所述第三间隙通道与第三间隙感应线圈电连接，所述第四间隙通道与第四间隙感应线圈电连接。

6.如权利要求5所述的基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器，其特征在于：所述数字电路，包括C组电源电路、D组电源电路、第一输出电路、第二输出电路、C组信号处理电路和D组信号处理电路，所述C组电源电路为C组信号处理电路提供电源，所述D组电源电路为D组电源电路提供电源，所述C组信号处理电路的信号经第一输出电路输出，所述D组信号处理电路的信号经第二输出电路输出。

7.如权利要求6所述的基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器，其特征在于：所述C组信号处理电路和D组信号处理电路，均包括，A/D转换电路、处理器和存储器，所述信号经A/D转换电路传输至处理器后，处理器通过对存储器内存储的信息进行调用，并给予调用的信息对输入信号处理后输出。

8.如权利要求7所述的基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器，其特征在于：所述数字电路上还设置标定接口电路，所述标定接口电路用于预置或修改存储器中的数据。

9.如权利要求7所述的基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器，其特征在于：所述A组逻辑电路输出的信号经第一间隙通道激励、放大后输出至第一间隙感应线圈，所述第一间隙感应线圈在来自A组逻辑电路的驱动信号驱动下，对悬浮间隙变化进行感应得到感应信号，感应信号再通过第一间隙通道检波和调理放大后输出给数字板C组信号处理电路，同时温度传感器对温度进行检测生成温度信号，该温度信号直接输出至数字电路的C组信号处理电路，所述C组信号处理电路中的A/D转换电路对温度信号和感应信号进行采样并转换后输出至处理器，所述处理器调用存储器内存储的间隙信号线性拟合和温漂修正模型数据运算后输出修正后的间隙测量信号。

10.如权利要求2所述的基于冗余架构的高可靠性磁浮列车悬浮传感器，其特征在于：还包括端子板、航空插座和密封圈，所述间隙探头、端子板和传感器壳体集成为一体，所述航空插座设置在传感器壳体上，所述密封圈设置在传感器壳体和盖板之间。