CN110641515B - 一种计轴磁头传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铁路设备技术领域，具体是涉及结构简单的一种计轴磁头传感器。本发明包括励磁线圈3和感应线圈4，其特征在于，励磁线圈3包括10kHz正弦波信号发生器1和正弦波信号放大2，感应线圈4包括感应电压接收放大5，信号处理部分6和信号监测部分7。本发明的有益效果在于：使用的计轴磁头传感器只使用了一个感应线圈和一个励磁线圈，其结构相比于现使用的双侧计轴磁头传感器的结构大大简化，结构的简化使安装和维护的成本大大下降。该传感器励磁线圈安装的位置所产生的周围的磁场与牵引强电流产生的磁场相互垂直，避免了牵引强电流产生的磁场对传感器磁场的影响。
Description
技术领域
本发明属于铁路设备技术领域，具体涉及结构简单的一种计轴磁头传感器。
背景技术
随着铁路运行速度和运行效率的不断提高，确认列车区间是否被占用是保证行车安全，列车高速运行的必要条件。
目前检测区间占用情况的主要设备有两种，一种是轨道电路，另一种是计轴设备。
轨道电路是以钢轨为导线，轨缝间用接续线连续起来，一端接电源，另一端接着继电器，通过轨道电流来工作。轨道电路面临着两个问题，一个是红光带问题，另一个是轨道分路不良问题。
轨道电路容易受环境影响。潮湿、绝缘损坏、雷电冲击等因素可能造成无车路段的路轨被短接，显示出异常红光带或“闪红”，即铁路技术术语中的红光带问题。
轨道电路分路不良主要是因钢轨轨面生锈导致的，约占轨道分路不良区段的85％以上。钢轨生锈的原因比较复杂，主要是因为长期受风吹、日晒、雨淋等雨雪天气影响，在轨面上极易产生薄膜氧化层，同时长期不走行车辆的牵出线、机待线、安全线、避难线及厂区专用线等作业较少的线路，钢轨容易出现生锈造成轨面锈蚀现象。还有就是长期货物装卸，车辆油污或周围环境在轨面形成绝缘层也会照成分路不良问题。
现在使用中的计轴磁头传感器基本都是基于电磁感应的，工作原理是车轮通过计轴磁头传感器时影响传感器周围磁场的分布，使传感器中感应线圈中的磁场受车轮的影响发生变化，从而引起感应线圈中感应电压或是感应电流相对无车时候相位或是幅度的变化，通过检测这些相位或是幅度的变化可实现计数的目的。
国内现如今使用的计轴磁头传感器多数是双侧计轴磁头传感器，但双侧计轴磁头传感器存在结构复杂、安装困难、易受牵引强电流磁场的干扰、易受其他铁磁性物质的干扰等缺点。国内也有研究单侧计轴磁头传感器的，但目前为止还没有推广使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种计轴磁头传感器。
本发明的目的是这样实现的：
一种计轴磁头传感器，包括励磁线圈3和感应线圈4，励磁线圈3包括10kHz正弦波信号发生器1和正弦波信号放大2，感应线圈4包括感应电压接收放大5，信号处理部分6和信号监测部分7。
励磁线圈3使用10kHz的正弦波交流信号作为激励信号。
励磁线圈3是由直径为0.7mm的丝包线绕制在直径为30mm，长度为40mm的铁芯上组成，一共绕制20匝。
感应线圈4是由直径为0.7mm的丝包线绕制而成的空芯线圈，感应线圈的总长度为80mm，绕制的匝数为20匝，感应线圈4宽的部分的宽度为50mm，窄的部分宽度为20mm，宽的部分和窄的部分的长度比为1:1。
传感器的感应线圈4和励磁线圈3的相对位置为感应线圈4放置在励磁线圈的垂直正上方3.5mm的位置，感应线圈4的中心和励磁线圈3的中心对齐。
传感器的安装及固定方式为由螺栓固定在铁轨8内侧上,螺栓孔位于铁轨8的中部。
传感器在使用过程中需要使用两个相同的传感器配合使用，使用过程中励磁线圈3的绕向要相反，并且要放置在铁轨8对称的位置上，而且两个传感器中感应线圈4的放置方向要相反，即一个感应线圈宽的位置和另外一个感应线圈窄的位置相对应。
本发明的有益效果在于：
第一，使用的计轴磁头传感器只使用了一个感应线圈和一个励磁线圈，其结构相比于现使用的双侧计轴磁头传感器的结构大大简化，结构的简化使安装和维护的成本大大下降。
第二，该传感器励磁线圈安装的位置所产生的周围的磁场与牵引强电流产生的磁场相互垂直，避免了牵引强电流产生的磁场对传感器磁场的影响。
第三，传感器在使用的过程中两个传感器分别安放置轨道两边对称的位置，使用相位信息判断是否有车轮经过，这样可以有效避免强干扰或单侧车轨旁有铁磁性物质通过传感器时使传感器发生误判的可能性。
附图说明
图1是本发明整体的结构框图；
图2是本发明结构示意图；
图3是本发明中感应线圈部分的俯视图；
图4是本发明在使用过程中安装的位置示意图；
图5是安装后理想情况下区间头两个传感器产生的信号波形图；
图6是安装后理想情况下经过数字处理后信号的波形图；
图7是安装位置有偏差情况下区间头两个传感器产生的信号波形图；
图8是安装位置有偏差情况下经过数字处理后信号的波形图；
图9是安装后单侧铁轨有铁磁性物质通过时区间头两个传感器产生的信号波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述，附图中1.10kHz正弦波信号发生器，2.正弦波信号放大，3.励磁线圈，4.感应线圈，5.感应电压接收放大，6.信号处理部分，7.信号监测部分，8.铁轨，9.传感器励磁线圈磁芯，10.枕木，11.区段，12-15.安装在铁轨两侧不同位置的共4套传感器，16.区间头，17.区间尾。
为了克服现有双侧计轴磁头传感器结构复杂、安装困难、易受干扰的缺点。本发明提供了一种结构简单的计轴磁头传感器，可以有效的解决现有双侧计轴磁头传感器上述存在的问题。通过简单的传感器装置实现对车轴数目的采集工作，并给出了该传感器的使用方式。
本发明的技术方案是：
1.提供一种结构简单的计轴磁头传感器，该传感器包括励磁线圈部分、感应线圈部分(包括宽的一侧和窄的一侧)两部分，以及传感器中励磁线圈的激励信号发生部分、信号接收放大部分、信号处理部分和信号监测部分等传感器外围的信号模块。外围信号模块是为了配合说明传感器的工作原理，本申请中不做具体说明。
2.该传感器的使用方式，包括传感器在使用时的安装方式、信号的产生方式和如何由产生的信号进行计数。
上述的结构简单的计轴磁头传感器，所述的传感器激励信号发生部分产生使传感器正常工作的正弦波信号，经过放大后连接到传感器的励磁线圈。由于励磁线圈中通的是正弦波信号，那么在励磁线圈周围会有时变的电场激发的时变磁场，通过空气耦合的方式，会在感应线圈中形成时变的磁场，而感应线圈中时变的磁场会在感应线圈中产生时变的感应电动势，感应电动势也是正弦波信号，而且频率和励磁线圈中通的正弦波信号的频率相同，在无车时感应线圈中感应电动势的幅值会保持稳定，当有车轮经过传感器上方时，感应线圈中的磁场分布和无车时相比较会有所改变，从而使感应线圈中产生的感应电动势的幅值会有所下降，以此来区别是否有车轮经过传感器。感应线圈中感应电动势信号经过传输连接到信号放大部分进行放大，然后送到信号处理部分，进行滤波、解调、整形、抽样和判决等一系列处理，最后进行计数。信号监测部分实现对电源信号和传输线路的实时监测，以防出现电源不稳定或是传输线路断线的问题给传感器的正常工作带来干扰，同时判决列车的行驶方向。
进一步地，所述的结构简单的计轴磁头传感器的励磁线圈部分使用带铁芯的圆柱形线圈。
进一步地，所述的结构简单的计轴磁头传感器的感应线圈部分使用空心线圈，感应线圈做成一个一边宽一边窄的形状，这样做的目的是当车轮经过感应线圈宽的一侧和窄的一侧的时候感应线圈中感应电动势的幅值会有所不同，这样和无车时候组合感应线圈中在不同情况下共有3种幅度不同的感应电动势值。
进一步地，所述的结构简单的计轴磁头传感器中感应线圈放置在励磁线圈的垂直正上方。
进一步地,所述的结构简单的计轴磁头传感器的安装及固定方式为由螺栓固定在铁轨上(固定在铁轨的内测),螺栓孔位于铁轨的中部,所述结构简单的计轴传感器也可以装在有轨电车轨道上,这样的安装及固定方式可以经受住铁路运行时严重的环境载荷及机械载荷。
进一步地，所述的结构简单的计轴磁头传感器在使用过程中需要两个传感器配合使用，安装位置参考说明书附图4，两个传感器要放置在铁轨对称的位置上，而且两个传感器中感应线圈的放置方向要相反(即一个感应线圈宽的位置和另外一个感应线圈窄的位置相对应)。
进一步地，所述的结构简单的计轴磁头传感器在使用过程中两个传感器中励磁线圈的绕向要相反，这样两个线圈在通入同样的正弦波信号(同频同相)时，在两个传感器的感应线圈中会产生同频反向的正弦波信号。
下面结合具体实施方式进一步详细说明本发明，以更好地体现本发明的优势，本实施方式包括传感器的制作方式和传感器在使用时的安装和工作方式。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1给出了本发明整体的设计架构图，本申请重点侧重于对传感器部分的设计和使用进行描述，对其他部分的说明只是配合这一部分的描述，因此对其他部分的具体实现方式没有进行详尽的说明。10kHz的正弦波信号发生器1产生使传感器正常工作的信号激励，将正弦波信号发生器和正弦波信号放大电路2相连接，使产生的正弦波信号的功率提高以满足传感器正常工作时的功率需求。经过放大的正弦波信号直接和传感器的励磁线圈3相连接，在励磁线圈周围产生时变电磁场，然后通过空气耦合的方式在传感器的感应线圈4中产生感应电动势，将传感器感应线圈中产生的感应电动势经过传输送至感应电压接收放大部分5使接收到的感应电压的功率放大，以方便后续处理。将经过放大后的感应电压信号送到信号处理部分进行滤波、合成、解调、整形、抽样等处理，判断是否有车轮经过，以此实现计数。同时将放大的信号送至信号监测部分7，来判断列车的行驶方向和传输线路是否出现断路的情况，将电源信号同样送至信号监测部分7来判断电源电压是否在正常的工作范围内。
在本实施方式中，首先说明本发明中传感器的制作方式。如图2和图3是对传感器的结构和传感器中感应线圈和励磁线圈相对位置的描述，传感器的励磁线圈3是由直径为0.7mm的丝包线(一根丝包线由多股组成)绕制在直径为30mm，长度为40mm的铁芯上组成，一共绕制20匝。传感器中感应线圈4同样也是由直径为0.7mm的丝包线绕制而成的，只是没有使用铁质磁芯，而是空芯线圈，感应线圈的总长度为80mm，绕制的匝数同样是20匝，感应线圈宽的部分的宽度为50mm，窄的部分宽度为20mm，宽的部分和窄的部分的长度比为1:1(即宽的部分和窄的部分各为40mm)。传感器的感应线圈和励磁线圈的相对位置为感应线圈放置在励磁线圈的垂直正上方35mm的位置，感应线圈的中心和励磁线圈的中心对齐。传感器中励磁线圈放置时垂直于图2中建立的空间三维坐标系中的yz平面，感应线圈放置时平行于图2建立的空间三维坐标系中的xz平面。传感器的安装及固定方式为由螺栓固定在铁轨上(固定在铁轨的内测),螺栓孔位于铁轨的中部。
在本实施方式中，其次说明本发明中传感器的安装方式。图4为传感器在实际使用时的安装方式。在一个区间11的区间头16和区间尾17各放置两套传感器，图中12-15。以区间头16为例，在区间头16放置两个传感器，一个是传感器12，另一个是传感器13，图4中传感器用一个单向箭头表示，箭头一侧代表感应线圈4中宽的一侧，两个传感器中的感应线圈放置方向正好相反，并且这两个传感器中的励磁线圈3绕向相反，通入的电流是同频同相的正弦波信号，这样可以使两个传感器中感应线圈产生的感应电动势为同频反向的信号。区间尾17两个传感器的安装方式和区间头16两个传感器的安装方式完全一样。
按图4位置安装后在理想的情况下即两个传感器正好对齐的情况下，产生的波形图如图5和图6所示，图5中的第一个图和第二个图为两个传感器12和13在一个轮对经过传感器时产生的波形，可以看出在车轮经过传感器宽的部分、窄的部分、无车轮经过传感器时一共有3种幅度不同的感应电压值，而且3种幅值不同的感应电压的相位连续，图5中第三个图是第一个图和第二个图的信号和，由图可知在无车时两个信号的和的幅值为0，有车的时候信号和是经过调制的2psk信号(载波频率和正弦波频率相同为10kHz)，图5中第四个图是将两个信号的和再与载波相乘实现解调得到的波形图。图6中第一个图为经过解调后信号的单边幅度谱，由图可以看出经过解调的信号在20kHz的频率处和0Hz处有较大的频率成分。图6中第二个图为解调信号经过低通滤波器的信号波形，对经过低通滤波的信号进行抽样、门限比较，实现计数。
按图4位置安装后若传感器12和传感器13安装位置有偏差，这里允许两个传感器安装位置的最大偏差为40mm，图7和图8为安装有偏差时产生的波形图，由图7第三个图可知在安装有偏差的情况下在一个轮对经过传感器的位置时信号有两个波形，但是相比下一个轮对到来的时间，这两个波形间的时间间隔会很短，在计数的时候可以将这两个波形看为是一个轮对，只进行一次计数。
按图4位置安装后，如果在单侧铁轨有铁磁性物质通过传感器，这里假设在传感器12一侧有铁磁性物质通过感应线圈，由图9第三个图两个信号叠加的波形图可知，此种情况下不会发生相位的改变，从而能够有效的避免单侧铁轨有铁磁性物质通过时对系统计数的干扰。
按图4所示安装后，可以通过传感器12和传感器13单路信号送至信号监测模块7中进行列车行驶方向的判断(根据感应电压幅度出现的先后顺序判断)，同样可以通过传感器12和传感器13单路信号的有无判别传感器是否有断线或是损坏的状况。
在本实施方式中，最后说明本发明的工作方式和优势。如图4区间头16和区间尾17都进行了计数，如果这两个计数结果相同，表示进入该区段和离开该区段的车轮的数量相等，则判断该区段为空闲状态。如果这两个计数结果不同，则表示进入该区段和离开该区段的车轮的数量不相等，则判断该区段为占用状态。如果这两个计数结果不相等,则可上报故障信息。
本发明提供的结构简单的计轴磁头传感器，只需要一个励磁线圈和一个感应线圈即可完成一个传感器的制作，制作成本简单，安装简易。可以有效减小牵引电流磁场的干扰和铁磁物质通过对传感器的影响。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (5)
1.一种计轴磁头传感器，包括励磁线圈(3)和感应线圈(4)，其特征在于，励磁线圈(3)包括10kHz正弦波信号发生器(1)和正弦波信号放大(2)，感应线圈(4)包括感应电压接收放大(5)，信号处理部分(6)和信号监测部分(7)；
所述感应线圈(4)为一边宽一边窄的形状，当车轮分别经过所述感应线圈(4)的宽的一侧和窄的一侧时，所述感应线圈(4)中的感应电动势的幅值会有所不同；
所述计轴磁头传感器的安装及固定方式为由螺栓固定在铁轨(8)内侧上，螺栓孔位于铁轨(8)的中部；
所述计轴磁头传感器在使用过程中需要使用两个相同的计轴磁头传感器配合使用，使用过程中励磁线圈(3)的绕向相反，并且要放置在铁轨(8)对称的位置上，而且两个所述计轴磁头传感器中感应线圈(4)的放置方向相反，即一个感应线圈(4)宽的一侧的位置和另外一个感应线圈(4)窄的一侧的位置相对应。
2.根据权利要求1所述的一种计轴磁头传感器，其特征在于，励磁线圈(3)使用10kHz的正弦波交流信号作为激励信号。
3.根据权利要求1所述的一种计轴磁头传感器，其特征在于，励磁线圈(3)是由直径为0.7mm的丝包线绕制在直径为30mm，长度为40mm的铁芯上组成，一共绕制20匝。
4.根据权利要求1所述的一种计轴磁头传感器，其特征在于，感应线圈(4)是由直径为0.7mm的丝包线绕制而成的空芯线圈，感应线圈的总长度为80mm，绕制的匝数为20匝，感应线圈(4)宽的部分的宽度为50mm，窄的部分宽度为20mm，宽的部分和窄的部分的长度比为1：1。
5.根据权利要求1所述的一种计轴磁头传感器，其特征在于，传感器的感应线圈(4)和励磁线圈(3)的相对位置为感应线圈(4)放置在励磁线圈的垂直正上方3.5mm的位置，感应线圈(4)的中心和励磁线圈(3)的中心对齐。
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- 2019-09-18 CN CN201910881378.XA patent/CN110641515B/zh active Active
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