（机械电子工程专业论文）列车定位中电涡流传感技术的研究.pdf

摘要 y 8 8 0 0 9 摘要 一直以来，为了铁路行车的安全，列车的准确定位是一项关键性 技术。随着铁路交通朝着高速，舒适，安全的方向发展。对列车定位 技术也提出了更高的要求。本文在此背景下提出了精度高、成本低、 易于推广于轮轨线路的新的列车定位技术，即基于轨枕编码的列车绝 对定位技术。它是一种利用扣件锁紧螺母作为位置标记进行铁路沿线 绝对位置编码的定位新方法。本文主要讨论这项技术的初步工作，就 此列车定位系统中用于识别位置标记的检测传感器进行设计研究。 本文主要内容包括如下： 首先，论述和分析了基于轨枕编码的列车绝对定位系统的原理和 特点；对各种轮轨列车定位方法进行概括，比较它们的不同，总结各 类方法的优缺点。 然后，根据实际工况提出新型的差分结构的电涡流传感器作为列 车定位中识别位置标记的检测传感器：并分析其工作原理和特点。 接着，在电磁场理论的基础上对传感器数学模型进行了详细分 析，从而为传感器相关参数的确定提供了重要的理论依据。 另外，对传感器系统中的信号激励源以及信号接收、处理单元的 具体电路进行设计。 最后，设计实验系统，获取实验数据，分析得出差分结构的电涡 流传感器设计的各种原则和方法。为轨枕编码的绝对定位系统的实现 打下基础。 器 关键词：列车定位、绝对编码、磁偶极子、电涡流、差分式传感 a b s t r a ( 叮 a s t u d yo nt h ed i 位r e n t i a ls e n s o ro fe d d y c u r r e n tf o rt i a i nl o c a t i o n a b s 臼a c t d e t e r m i n m gt h ep o s 诗蚰o ft r a i np r e c i s e i yi n 慨i 血n ci s m e 船s 啪c eo fm i ls a f 色日o f 缸吡s p o r t a t i o i l e 衔c i e n c y 趾db e s t r v i c e s w 曲t h er a p i dd c v e l 叩m e n to f r a i l w a y ，拄a _ i np r e c i s ep o s i t i o n i n gt e c b n i q u e b e c o n l e sl n o r e 锄dm o r ei m p 0 i 忉n ta n de x 瞎e n t a 虹a i np o s 描o i l i n gm e t h o dw h i c hl l s e sn o v e la b s o t u t ee n c o d i n g t e c h n o l o g yi sp r o p o s e d _ mt h i s 也e s i s n en e w 缸np o s m o n m gm 曲0 d i s m o r ep r e c i s c ，e c o n o m i c a l 趾d s yt 0 俐耐z cf o re x i s 血gm i l w a y m t h i sm e 吐l o d s e n s o rm o l m t e do nm ev c h i c l em e a s i h sl h ec h 啪c t c i i s t i c s i 驴a l so f t l l ea n 独g e n l e n t0 f 廿a c kc o m p o n e n t ss u c ha sr a i lc l a n 单s ，w h i c h c o n t a i n sl l l et r a i np o s i t i o n 训- 叫m 6 0 n t h ed e v e l o p i n go f o v e le d d y 咄n ts e n s o rf b rm e 乜a i n1 0 c 撕o ns y s t 锄i sd i s c u s s e di n 也i st l l e s i s ， i n c l u d i n g ： f i r s 甑m ep r i n c i p l eo fn e w 订a i 1 0 c a t i o nm e 血o d 髓d 也ca b s o l u t e e n c o d i n gt l l c 0 珂i sp r e s e n t e d s e c o n d l mi no r d e rt od e t e c tt h er a i lc l a m p so no p e n 妇c 】【an e w d i 丘i e r e n t i a ls e n s o ro fe d d yc u r r 髓ti sp m p o s e di l lm i sm e s i s ，粕di 扭 p f i n c i p i ei sd i s c u s s e d 1 1 l i r d l y i no r d e rt 0d e s i g na 小u s td i 行b r e f 螗a le d d yc i l r r e n ts c 璐o r a m a g n e t i cm p 0 1 ei su s e d 研m o d e l j n ga n dc 伽呻u t m gt h eo u 肇u ts i g n a l f b m p a r 锄e t e r so f s e i l s o r sc o i l s f o u n h l y ，吐l es i 鲈a lc o n d i t i o n i f l gc i r c l l i ti sd e s i 弘e di nt h ed i 丘b r c r n i a l s e n s o ro f e d d yc u r r c mu s i n gt h ea d 5 9 8a n di c l 8 0 3 8c h i p s f i n a l l y m e 山e s i sd e s 碰b e ss o m el l s e f i l l c o n c l u s i o n sf o rd e s i 印j n g 1 北京交通大学硕士学位论文 也ed i 丘b r e l l d a ls e n s o ro f e d d yc 岍e n t ，w h i c hc o n s i s t so fk m d 小l a d ec o i l s w i t hv a r i o u sp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：廿a i i np o s 惟o n i n g ，a b s o l 咖e n c o d 曲g ，m a g n e t i c 螂o l c ， d i a 衙e 而a ls s o r e d d yc 肌t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 立题背景与意义 在铁路行车安全和指挥系统中列车定位是一项关键性的技术【1 1 。 准确，及时地获取列车位置信息是列车安全，有效运行的保障。因为 准确地了解每辆列车在任意时刻的位置就等于在任何时候都能够动 态地调整列车的启程和到站时间，并且提高列车对不能预见情况的反 应，这使得运营商能提高沿线服务质量。另外，可以根据列车的实时 的速度和位置来调整闭塞分区的长度，尽可能缩小列车运行间隔，提 高行车密度。所以，精确可靠的列车定位技术是移动闭塞技术【2 】的重 要支柱之一。随着轨道交通朝着高速、便捷、舒适的方向发展，对列 车定位技术的精密度也提出了更高的要求。已有的定位技术难以胜任 行车安全和指挥系统对它的要求，必须要有适应这一发展趋势的列车 定位技术p j 。 1 2 列车定位技术发展概况 目前，国内外轮轨铁路的列车定位方式归纳起来有以下几种 1 1 ： 1 ) 轨道电路方法 将铁路钢轨认为分割成一段段不同的区段，在每个区段的两端加 上电流的发送接收器件，利用轨道构成一个信息传输回路。当列车 驶入区段时，车轮将两根钢轨短路，信息不能到达接收端，从而达到 列车检测、定位的目的。轨道电路法的缺点是；定位是以轨道电路长 度作为最小计量单位，定位粗糙，并且无法检知速度。 2 ) 测速定位法( 4 】 叼洲 在轨道电路定位法中，车在区间的始端还是终端是无法判断的， 对列车定位时的最大误差就是一个区段的长度。为了得到较为准确的 位置信息，在计算具体位置信息时，通常要引入列车的即时速度信息。 如在某一个速度采样时间点上测得列车的即时速度为v ( f 。) ，则列车 北京交通大学硕士学位论文 的即时位置： s = 品十，以) m ( 1 1 ) 式中：矗为初始位置：f 为列车速度采样时间间隔。引入测速信息后 大大减小了定位的误差。目前使用较多的列车钡l 速f 2 2 】瞄】一般是：通过 测量车轮转速，然后将车轮转速换算为列车直线速度，误差不可忽视。 3 ) 查询应答器和里程计的列车定位嘲 这种方法是世界铁路上运用最为广泛的一种方式。其原理是首先 在铁路干线的沿线上安装间隔一定距离的查询应答器作为列车绝对 位置的识别，列车每经过一个查询应答器都会获得一个新的绝对位 置；在两个查询应答器之间，列车的具体位置通过里程计计算而得 出，即得到列车对于绝对位置的相对距离。这种方法定位精度比较高 可以达到5 m ：缺点是因为轨道每间隔一定距离就得安装查询应答器， 这样会拥有大量的地面设备，价格昂贵而且不利于设备的维护和保 养。 4 ) 利用g p s 实现列车定位川嗍 这种方法是通过导航卫星实现列车的精确定位。优点是：只需在 机车上安装接收机即可，相对于传统的列车位置检测设备而言，g p s 定位方法设备简单、精度高、成本低、体积小、维护方便。缺点是： 在周围阻挡物多的地方，例如城市、树林、山区、隧道等地，列车 的定位精度受到影响，甚至无法定位( 列车在隧道中无法接收卫星信 号) ，因此在这些地方要加地面设备辅助定位，如回线、队l i s e 等： 装有接收机的列车与差分台的距离不宜太远，否则会影响定位精 度，所以要有差分台接续措旌；g p s 对卫星的故障十分敏感，且受 制于人，一旦一颗卫星失效，就会出现g p s 性能恶化，所以不能单一 地将g p s 定位信息作为列控安全防护系统的位置参数。不能区分两 组并行的轨道。 5 ) 无线基站波程差定位法【3 这种方法是在地面设置测距基站和中心控制站，列车两端安装无 线通信发射机给基站发射无线电波，然后根据波程差来测速、测距， 第一章绪论 达到列车定位的目的。这种定位方式比较精准而且是个独立的系统， 但是价格相当昂贵。 6 ) 道岔识别+ 轮轴编码器定位法蚋 这种方法通过车载传感器识别列车经过的道岔，确定列车驶入何 线路。在站站之间则通过轮轴编码器，计数脉冲得到车轮旋转圈数， 计算列车行程来实现定位。此方法不可避免累积误差，且行程长误差 越大。 1 3 基于轨枕编码的列车定位 综上所述，发展更好的列车定位技术迫在眉睫。而基于分布式串 行轨枕编码方法的列车定位技术具有定位精度高，易于推广于常见线 路、切实可行且成本低的特点。 分布式串行轨枕编码原理 1 l 】 5 2 】：它是一种绝对位置编码方法。以 4 位编码确定1 6 个位置为例进行详细阐述： 如在轨道上布置标记为o o 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 ，列车的行驶过程中， 双下划线表示刚经过的标记，单下划线为已经过的前3 个标记，分布 情况为o o o 立1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 ，此4 个标记值组成二进制地址o d o o ；当 列车刚经过第5 位标记时，分布情况为o o o o l 0 1 0 0 1 1 0 0 0 ，各标记 值组成二进制地址o 0 0 1 ：当列车经过下一个标记时，地址值为o o l o ， 依此类推，读出的二进制地址依次为o o o o 、o 0 0 1 、0 0 1 0 、0 1 0 1 、 1 0 1 0 、0 1 0 0 、1 0 0 1 、0 0 1 1 、0 1 1 0 、1 1 0 0 和1 0 0 0 。 可见，在轨道全长上，列车处在各个不同位置时四个标记组成的 地址值是唯一确定的。如果我们通过某种方式，将o o o o 译成o o o o ， o 0 0 1 译成o 0 0 1 ，0 0 1 0 译成0 0 1 0 ，0 1 0 1 译成0 0 1 1 ，1 0 1 0 译成 0 1 0 0 ，依次类推，得到的二进制数就对应了列车的行驶位置信息，从 而就可以实时确定列车的位置。上述地址值由4 个标记值组成可确定 1 6 个位置。如果将沿线的轨枕锁紧螺母作为绝对位置标记，设置单螺 母表示0 ；双螺母表示l 。则列车的每个位置之间相差相邻轨枕的间 距约6 0 0 m m ，所以4 个标记值的编码序列箍定位全长1 0 m 的线路。 北京交通大学硬士学位论文 基于轨枕编码方法的列车定位的具体方案如图1 2 所示，在采用 单双扣件锁紧螺母来布置二值标记的轨道上，列车的位置可以用传感 器检测出的单双螺母( 单为。双为1 ) 构成二进制数表示。列车行驶 过程中，在每个行驶位置上读到的二进制数具有唯一性，以此二进制 数为地址，在一个预先编制的查找表中查得各位置的坐标值并输出， 即可沿轨道列车行驶方向实现绝对定位。改变查找表中的数值即可改 变编码的坐标起点和各个位置的坐标值。 综上所述，要实现列车的绝对定位则传感器处在各个不同位置时 读出的地址值是唯一确定的，根据串行位置编码的原理，参考专利文 献 1 1 ，已经获得了地址值由2 4 个标记值组成，可确定1 6 7 7 7 2 1 6 个 位置的编码序列，能实现线路全长为8 9 0 0 k m 的线路绝对定位标记， 满足实际中的需要。如图1 1 所示， 1 1 1 一o o o 一0 一l o 一0 一l l 一9 一l o 一1 1 1 一l 一4 ，1 61 如 嚣c80 】24 9 3 6da5b7f 图1 1 分布式串行轨枕编码原理 现在，能准确检测出沿线锁紧螺母单双性的传感器是能实现此列 车定位系统的关键。 1 4 论文内容和任务 如图1 2 所示。由前一节知道基于轨枕编码方法的列车定位技术 的关键是绝对位置标记的检测，就是轨道沿线螺母的单双性的识别， 而通常需要在机车外部安装检测传感器，工作条件比较恶劣。特别是 冬天冰雪天气，光学传感器，微波传感器都会失效。因此要求传感器 能不受天气条件、赃污情况与机车振动等因素影响，保证测试系统的 耐用性与可靠性，从磁场的物理特性可以知道电涡流传感器在上述条 4 第一章绪论 件下能很好的正常工作。本文的主要任务设计研究新型的电涡流传感 器来适应列车定位新方法的要求：在铁路线路的实际工况条件下，传 感器能在1 0 0 m m 3 0 0 m m 垂直距离范围内，在列车运行速度从o 到 3 0 0 h r l i i 的范围内，确定该位置是否存在扣件锁紧螺栓；正确区 分扣件锁紧螺栓上是一个螺母还是两个螺母。 啼v 1o 图1 2 轨道线路绝对位置标记的设置和检涮原理 本文最终选定电涡流传感器作为标记检测传感器“，但是由于市 面上的电涡流传感器不能满足较大的检测距离，且均是绝对式探头， 检测过程中受环境，尤其是铁轨的影响很大。所以适合本文中检测要 求的电涡流传感器需要自行设计。下面的章节将对其进行详细讨论。 5 吕， 第二章电涡流传感罂的结构设计 第二章电涡流传感器的结构设计 2 1 电涡流传感器的基本原理 不少场合要求能对被测物体进行非接触测量。这是因为： 1 ) 传感器探头与被测体表面接触，将会损害被测体表面，或使探头 很快磨损； 2 ) 在传感器与被测体接触、或者把传感器固定在被测体上时，相当 于对被测体加一负载，这样会影响测量的精度； 3 ) 在有些场合下，根本无法用接触的方法来测量，如本文中的测试 要求。 因此在非电量电测技术领域中，非接触测量方法及仪器的研究， 一直是检测技术发展的一个重要方面。 在本文中的传感器要求无接触测量，目前有很多检测方法，包括： 电感检测法，电容检测法，光电检测法，电涡流检测法，超卢波检测 法，微波检测法等。电感检测法中检测用的电感传感器，结构简单， 使用可靠，但是体积大，测量的线性范围小。电容检测法中的电容传 感器，体积小，结构简单，灵敏度高，但是测量范围小，加工工艺要 求较高，测量值受介质和电磁场的影响较大，特别是在生产现场使用 时有一定的困难。而光电检测，超声波检测，微波检测受天气的影响 较大，特别是在冰雪天气不能在审外正常工作。电涡流传感器具有结 构简单，灵敏度高，测量范围的大，不受油污天气等的影响，抗干扰 能力强。 如图2 1 所示，电涡流传感器的原理口”是，由电感线圈震荡产生 交变磁场，被测金属物体通过磁场时，吸收磁场能量在其内部产生电 涡流，电涡流的形成将产生一个反向作用的磁场，造成线圈阻抗发生 改变，线圈阻抗变化的大小与被测金属物体的电导率、磁导率、厚度、 表面性质、被测处曲率半径、线圈与被测表面的距离、线圈参数、激 励信号的频率等因素有关。改变其中任何一个参数都会导致线圈阻抗 励信号的频率等因素有关。改变其中任何一个参数都会导致线圈阻抗 北京交通大学硕士学位论文 的变化。若固定其中某些参数而只让其中一个参数变化，则线圈阻抗 只随这个参数而改变。通过测量阻抗的变化，达到测量金属物体位移、 速度的目的。 i i il 、i l l ；、 圈2 1 电涡流传感器的工作原理 可以看出电涡流传感器的主要特点【1 2 1 是： 1 ) 非接触测量； 2 ) 选择性好，只对金属物体敏感，由于是利用电磁场原理，故不 受环境因素( 雨雪、沙尘、油污等) 的影响； 3 ) 动态性能好。可以对静止或高速运动的物体实现定量测量； 4 ) 由传感器自身电路振荡提供激励频率，所以不受外界电磁场的 干扰； 5 ) 测量准确度高。 由于电涡流传感器的独特优势，目前已经被广泛应用在各种恶劣 环境中，进行速度、加速度及振动、位移及变形量等参数的高准确度 测量。本文要求的传感器工作环境决定使用电涡流传感器进行对二值 标记的识别。 2 2 涡流检测的现状 涡流检测是在材料无损评价和检测的广阔领域中一种重要而广 泛使用的方法。现代涡流和电磁检测技术提供了一种独特而低成本的 高速大规模检测方法。最近这种方法对汽车、发动机、机械零件和日 用品检查的特殊适用性也已得到普遍认同。涡流检测和检测数据评价 8 第二章电涡流传感器的结构设计 的自动化使得相似零件可进行大量高速检测，其经济性是其它常规无 损检测无法得到的。涡流方法不仅用于材料性能的定量测定，而且也 用于按尺寸、性能或存在的不连续性分选零件。 涡流检测在工业中的应用是为数众多而普遍的，每年由此种无损 检测所完成的检测结果的总数可能超过了其它方法。尽管涡流检测仅 对磁化场激励区域内影响材料几何形状、电导率和磁导率的材料状况 产生响应，但它的用途非常广泛并有多种功能，包括【2 1 】： 1 ) 非接触式从单侧测量金属箔、片、扳、管壁和机械零件的厚度； 2 ) 当覆盖层和基材的电磁特性有显著差异时，测量基材上覆盖层 的厚度； 3 ) 当受检材料的电磁特性受它们影响时，按成份和结构鉴别或分 辨材料； 4 ) 检测材料缺陷( 在垂直于涡流的平面上) ，如裂纹、缝隙、搭 接、划痕或擦伤、钻孔或其它孔、以及片材和扳材切割边缘上 的折迭； 5 ) 鉴别或控制热处理状况和评价金属结构的烧损； 6 ) 确定钢和其它铁合金的表面硬化深度： 7 ) 定位埋藏的金属物体，如地下管道、地雷或矿体，或检测偶然 混入食品中的金属物体； 8 ) 机械装置中隐藏零件的运动状况的定时或定位，计算传送线上 金属物体的数量，或探涮飞行中的金属导弹； 9 ) 精确测量对称的、机加工或磨削过的金属零件的尺寸，如轴承 和轴承圈，小机械零件等。 总的来说，涡流检测提供了近于实时的测定方法。通常，可将其 用于生产线上以检测快速移动的棒材、管材、扳材、片材和其它零件。 本文需要检测的是铁轨上扣件锁紧螺母的单双性，它属于小机械零 件，而且对于标准的轨枕距离( 一般为6 0 0 舢) ，待检测螺母之间的 距离是一定的，具有一定的对称性、不连续性。相对地，待检测螺母 旁边的铁轨就是连续的。如同其它无损检测方法一样，涡流检测可以 北京交通大学硕士学位论文 探测出此类不连续性。 通常，涡流检测探头中的激励线圈和接收线圈是同一个线圈，或 者几乎具有相同的尺寸、形状和位置。然而，也有可能采用两个或更 多的不同位置的激励或接收线圈，由此产生了对受检材料性能、尺寸、 不连续性的微小局部差异很敏感的差分布置。这种差分涡流检测系统 广泛应用于管材、棒材、板材制造过程中对不均匀性、不连续性或焊 缝缺陷的定位。这样的探头线圈布置或者探头线圈结构正适用于本论 文提出的检测任务。即采用差分式线圈结构的电涡流传感器在线检测 铁轨扣件锁紧螺母，识别其单双性，从而实时读取列车位置编码。 目前市场出售的电涡流传感器存在以下缺点： 1 ) 多数为单个线圈结构的绝对式探头的电涡流传感器，抗干扰能 力不强，而且对于微小检测信号的灵敏度相对差分线圈结构的传感器 差褥很多。 2 ) 测量范围小，目前普遍使用的电涡流传感器系统，由于受到信号 处理电路的影响以及电涡流效应本质是非线性的，所以测量范围比较 小，一般为探头直径的l 3 1 5 。( 例如，直径5 咖的探头的测量范 围为1 岫或2 m ) 因此，如何提高传感器的测量范围是首要的。其 次，对于传感器的性能指标，灵敏度，稳定性和分辨率也是较为重要 的方面。 综上所述，本文提出的检测任务决定：需采用新型结构的电涡流 传感器，即差分式线圈结构的电涡流传感嚣，并且由于市面这类传感 器的短缺及测量范围的要求f l4 】，使得适合本文要求的传感器需要自行 设计。 2 3 传感器线圈的差分结构设计 通常设计新的电涡流检测系统时，会受到传统设计观念的限制和 束缚。一个典型的限制因素就是认定激励线圈和接收线圈应该是同一 个线圈或者应该是同样直径的两个线圈并在位置上重合。然面，接收 线圈就其与激励线圈的关系，可以是任何直径( 最好小于激励线圈) ， 第二章电涡流传感器的结构设计 置于任何角度或任何需要的位置。例如，接收线圈可以位于任何一点、 在任何方向、在激励线圈环绕区域之内或完全在其之外、或者在激励 线圈绕组的某一点之下的位置。事实上，如果用半导体磁场检测器取 代接收线圈，那么独立的半导体检测元件在选择其数量、位置、角度 时就有更大自由度。另外一种富有吸引力的技术是采用差分线圈探头 信号拾取方式测定由不连续性【3 i i 造成的偏离。就如本文的检测对象螺 母，在靠近接收线圈的时候，由于两个结构相同的差分线圈对螺母中 涡流的感应强度不一样，两者的差分电压就能反映螺母靠近传感器的 情况，就能定位螺母的位置。而铁轨和列车振动对传感器探头中的两 个结构相同的接收线圈的影响是基本相同的，它们的差分关系就屏蔽 了这些干扰1 1 8 1 【2 5 j 阳。 本文中由于电涡流传感器是安装在机车上检测轨道扣件锁紧螺 母，在检测距离上要求很高，必须距离被测体( 螺母) 1 0 0 m m 一3 0 嘶m 范围内工作。再者，由于待检测信号是单，双螺母高度差即一个螺母高 度( 1 9 m m ) 影响传感器电压输出的变化。机车振动及铁轨的影响使 得有用信号被强大的背景噪声淹没。所以需要在结构上设计新型的电 涡流传感器来满足测试的需要。论文采用的是差分式线圈结构的电涡 流传感器【4 7 】f 4 8 】。如图2 2 所示，这种涡流传感器探头由三个线圈组成， 外圈为激励线圈，内部由两个接收线圈相对于激励线圈中心对称分布 构成。并且在应用过程中，传感器随车的运动方向跟两个接收线圈中 心的连线方向相同。 北京交通大学硕士学位论文 接 激励线圈i 啊3 图2 2 电涡流传感器的差分结构图 2 - 3 1 差分式线圈结构婀特点 如图2 3 所示，激励线圈和被测金属物体之间的相互作用，类似 于两线圈的耦合。当一个载有交变电流的线圈靠近金属物时，由于其 电磁场胁透入至d 金属物中，在垂直于交变磁通的金属物平面上就会感 应出电涡流。此电涡流又产生次级交变电磁场风。激励线圈产生的电 磁场胁和电涡流产生的电磁场风均穿过接收线圈，在接收线圈中产 生感应电动势。接收线圈由两个结构参数完全相同的线圈反向连接成 差动线圈。这种传感器有如下特点【1 5 1 6 1 明： 第二章电涡流传感器的结构设计 激动城翻 接收线豳 图2 3 差分结构的电涡流传搏器的碰场原理 1 ) 通常，单个线圈的电涡流位移传感器的原理是由电感线圈震荡产 生交变磁场，被测金属导电物体通过磁场时，在其内部产生电涡 流，电涡流的形成将产生一个反向作用的磁场，造成线圈阻抗发生 改变，线圈阻抗变化的大小与线圈与被测表面的距离有关。整个 检测过程就是对被测有用信号进行调制的过程，其中载波就是激 励磁场信号，载波频率与激励频率相同。要想得到有用信号，在 调理电路中需要设计解调电路把载波滤掉从而凸显有用信号。由 于该传感器中两个接收线圈结构相同且接成差分结构，导致两个 接收线圈输出的差分电压过滤掉了激励线圈的磁场影响，即不直 接来自激励线圈的信号，只接收电涡流磁场的信号，抑制了载波 信号。整个过程中不用考虑激励线圈磁场对接收线圈电压输出的 影响，仅仅考虑涡流场对接收线圈的影响； 2 ) 激励线圈的激励信号是稳频稳幅的交流电信号，因此可以忽略涡 流信号对激励线圈的反作用： 3 ) 采用高输入阻抗的前置电路，因此可以忽略接收回路对涡流信号 的反射作用； 4 ) 由上述可见此结构的电涡流传感器具有抗干扰能力强的特点。 北京交通大学硕士学位论文 如图2 4 是该传感器的信号流图。 差分电压信号 图2 4 差分结构的电涡流传感器的信号流图 2 3 2 差分式传感器的工作原理 从差分结构的电涡流传感器的结构示意图中知道，差分的结构能 抑制激励线圈对接收线圈磁交链作用，使接收线圈仅接收涡流信号。 分析此结构的电涡流传感器的工作原理如下。 1 ) 涡流环的形成原理 如图2 5 所示，若激励线圈l 的激励信号为稳幅稳频的交流电流， 在金属导体4 中形成一个涡流环5 。该涡流环( 阴影部分) 的圆心与线 圈i 在金属导体4 上投影的圆心重合，形成扁平的涡流环。在被测导 体表面积比线圈端面要大的情况下，根据经验公式，其尺寸如下： 4 ，l q t 气匝囝 粥3 i 恒 f 芒喀二一 图2 5 差分结构的电涡流传感嚣的工作原理 第二章电涡流传感罂的结构设计 吩彭1 1 3 巧 舟o 8 8 _ r i 譬* 1 3 研 = ( 岛所仃) - “2 式中：仃是金属导体的电导率，是激励电流的频率， 率，肛为被测金属的相对磁导率。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 肺为真空磁导 图2 5 中，工是传感器到被测金属的距离， ，分别是激励线圈l 和接收线圈2 的外半径。t 一分别是涡流环的内外半径，a 是金属的 穿透深度，是涡流环的平均半径。 2 ) 抑制载波原理【3 2 】 如图2 6 所示，两个接收线圈是相对于激励线圈中心对称分布， 激励电流在激励线圈内部产生的磁力线等量地分别穿过两个线圈， 而且接收线圈反向相接，使穿过线圈2 、3 整体的瞬时磁通量西的代数 和为零。根据法拉第电磁感应定律，有： 图2 6 抑制载波原理示意图 忘，= ( 息一直) = 一d ( 如一奶) m = o 丘，= ( 丘一毛) = o ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中岛，和k 是接收线圈差分反接的感应电动势和电流。可见，输出 电压只考虑涡流场变化对接收线圈的影响。 北京交通大学硕士学位论文 3 ) 涡流磁场的作用原理 由涡流环的形成原理可知，在图2 5 中，涡流区5 的涡流能产生 一个交变磁场，称之为涡流场。这个磁场有如下两个作用：涡流场与 线圈2 和线圈3 交链，在线圈2 和线圈3 分另产生感应电动势盅，度； 再者，涡流场削弱激励线圈产生的磁场。但由于线圈l 的激励电流是 稳幅稳颓的交流信号且幅值较大，因此可以忽略涡流场对线圈l 的反 射作用。 当线圈l 的电流和几何尺寸给定后，线圈l 形成的磁场强度雪f 工1 与x 有关，x 减小，秀( z ) 增大：穿过涡流环的磁通量为痧( 多= 雪扛) s ， s 是涡流环的等效面积) ，在涡流环内产生的感应电动势 岛( x ) = d 妒d f ，即毫( x ) 也是j 的函数。从上可知，激励线圈需要 跟被测导体有一定的距离才能产生一定强度的涡流，所以对于一个已 知参数的激励线圈和接收线圈，检测距离是一定的。 4 ) 位移检测原理 涡流环的电流五( 正比于摩( 聋) ) 与被测螺母的电导率盯、相对 磁导率h 、垂直捡测距离r 、频率m 、电压玩有关，即涡流 丘= ，( 毋一，矾u ) ，当固定以脾，峨旺后，丘仅是工的函数，表示为 厶( x ) 。利用这个原理就能检测出单双螺母高度差引起的涡流变化。 本文中称之为位移检测原理：另外，要检测螺母的不连续出现则是由 差分接收线圈输出电压信号特征决定。本文中称之为不连续检测原 理。论述如下： 假设不考虑螺母，在列车运行中被测钢轨是连续的，此时由于两 个接收线圈的差分对称性，使得输出电压为零。 考虑被测螺母由远到近的出现，会使得每个接收线圈感应的电动 势大小不相同。它们的差分电压就能反映螺母距离传感器垂直中心轴 的位移。当螺母处于传感器中心时，两个线圈的感应电动势大小相等， 极性相反，输出电压为零。这样在传感器由靠近螺母到越过螺母直到 远离螺母的过程中，两个接收线圈的差分电压的信号类似于正弦电压 第二章电涡流传感器的结构设计 的形状。这种类似正弦的电压信号的出现就表示传感器经过螺母，这 就是不连续检测原理。 如图2 7 表示电涡流差分传感器在检测螺母的信号特征。其中由 于感应涡流电流强度跟检测距离工有关，所以单双螺母高度差在电压 幅值上表现不一样，可以据此来判断经过传感器的螺母是单是双，从 而识别位置编码。总之，差分传感器的信号特征能够识别螺母的出现， 而信号的幅值差异能判断螺母的单双性。如下圈2 7 所示，是传感器 信号的理想波形示意图。 x 图2 7 电涡流差分传感器信号特征 综上所述，本章通过分析电涡流差分传感器的工作原理，最终采 用差分线圈结构的电涡流传感器来完成列车定位中的检测任务。下一 章主要从实际工况出发，建立合适的计算模型优化设计此种结构的电 涡流传感器探头线圈参数。用于检测列车定位中沿线钢轨扣件索紧螺 母的单双性。 第三章传感器探头线嘲参数的设计 第三章传感器探头线圈参数的设计 从绪论中知道，涡流传感器是基于相对简单的原理，由一个或多 个线圈按给定结构组成。通过改变线圈形状、横截面、尺寸、结构和 电源等参数来设计制造一种特定的涡流传感器，以适合特定用途或应 用范围。实用的涡流传感器直径可以从小于2 。5 蛐的微型探头变化 到大于3 0 0 m m ，可以是长的短的，横截面可以是正方形、圆形或椭圆 形的，带磁性或菲磁性芯或屏蔽的。这些变化形式的基本设计方法仍 然相同。 此外，设计可能会受到检测环境固有的( 特殊形状或尺寸) 和检 测技术要求的( 电源强度、阻抗匹配等) 其它强制因素的影响，这些 都使处理过程复杂化。事实上其中某些要求可能相互矛盾。因此设计 应当是灵活的，并基于某种重复的或可调整地处理方法上。 为了得到实际情况要求的切合的线圈参数，本章从对涡流场的经 验计算出发，结合电涡流传感器的差分结构，建立有效的计算模型， 最终优化设计需要的符合实际要求的探头线圈参数。 3 1 探头线圈参数的设计方法 涡流传感器设计有三种方法。尽管对这些方法分别进行讨论，但 各种方法的组合可能是最适合的途径。这些方法可分类如下f 2 1 】： 1 ) 实验型或经验型设计； 2 ) 解析型设计； 3 ) 数值型设计。 这些方法必然存在相互交叉。实际上，传感器可以通过实验设计， 然后用解析法或数值方法计算其各种参数。一种更实用的方法是根据 初始要求用解析表达式( 精确或大概的) 设计一个传感器，然后通过 实验评价其性能；如有必要，重复这一过程直至获得一种可阻接受的 设计。任何情况下，没有简单的传感器几何尺寸和合理的估算，进行 北京交通大学硕士学位论文 精确的解析计算是很困难的。下面讨论这三种传感器设计方法。 3 1 1 探头线圈参数的实验型设计 这种方法就是通过实验得到的数据为基础，改进设计探头线圈参 数以满足实际的需要。是建立在实验基础上的修正、反复试验和不断 摸索的过程。 之所以需要实验型设计主要源于人们对于实际检测几何形状求 解麦克斯韦尔方程的能力。现在能用数值方法的三维模型来尝试填补 这一空白。可以现实地预期，随着进一步的发展和改进，对实验型探 头设计的需求将会减退，而实现更快速、更可靠和低成本的设计。然 而对涡流检测技术和传感器的重要改进仍需依赖于实验方法，大多数 更为广泛使用的探头亦由此发展起来。对探头的评价倾向于实验性， 实物才是真实的。不管所用的设计方法如何，如果要确保探头按照预 期工作，也必须制造和评价探头。 3 。1 i2 探头线圈参数的解析型设计 涡流传感器探头线圈参数的设计是按给定尺寸或要求计算线圈 阻抗，或给出制造一个使用的探头所必需的阻抗、尺寸。任何探头参 数都不可能独立设计，例如，如果在给定频率上要求一个确定的直径 和电抗的探头，可能无法设计出这样一个探头，或者其设计是不可接 受的( 如非常长或非常短的线圈) 。 下面的讨论中，概括了设计探头必需的基本关系。而且本文中采 用的线圈均为空芯线圈，首先较详细地介绍了单线圈和多线圈的空芯 线圈设计。任一线圈的阻抗包括实部和虚部，即 z = r + 知江 ( 3 1 ) 下面对交流阻抗的实部和虚部的计算分别进行讨论。 1 ) 探头交流电阻的计算n 2 】 拈r 【f 叫争+ 警舾 ( 3 z ) 第三章传感器探头线圈参数的设计 r = 等s ，) 式中盯导体电导率 如漆包线线径 d ，n 线圈外径和匝数 w 编织线的芯线股数 式3 2 中的f ( z ) ，g ( z ) 是由贝塞尔函数决定，并且是与参数z 有关 的系数，分别反映了集肤效应和领近效应所引起的欧姆电阻的变化。 参数= 由下式定义： z = 妻以扫i 刀孑 ( 3 4 ) 式中，激励频率 所被测导体的相对磁导率 f ( z ) ，g ( z ) 与参数z 的关系为，如图3 1 所示： 当= o 5 时：f ( z ) “1 ，g ( z ) “l 当o 5 c ) ，另一个用于短的平面线圈( 6 1 0 ) ，电感司片jf 式估算。 工。! 一! 贮( 3 1 0 ) 对短线圈，6 和c 都小于线圈半径，一个有用的公式是： 驰篙地一。击 3 ) 互感计算0 2 】 将感应涡流看作单匝线圈时，通常要计算它们之间的互感，对两 个线圈互相靠近这一最常用的方式来说，用下式( 诺以曼公式) 可求 得互感。 m = “再_ ，( 女) ，( 七) = ( 妄一量) 互( 孟) 一詈巨( t ) 3 - 1 2 式中，t 两线圈的平均半径 激励线圈匝数 置( j i ) ，岛( t ) 是第一、二类全椭圆函数 讣，= 扎盼2 + ( 舞) 2 n ( 淼卜+ - j 限 孙，= 升( 妒一( 等 2 等一糍 2 i j = 2 式中“真空磁导率 ，吒本文中分别为激励线圈和涡流环的平均半径 工传感器到被测导体的距离 ( 3 1 5 ) 北京交通大学硕士学位论文 根据计算互感的公式，在，吃给定时，激励线圈和涡流之间的耦 合互感在x 增大时趋于减小，变化趋势由式( 3 1 2 ) 中的，似) 决定， ，( _ j ) 与后的关系如图3 3 所示，当t o 4 时，( 女) 变化不大。 所以在 ，吒给定时，设量取最小值k 时，则x 取最大值，即最 大涡流感应距离，由式( 3 1 7 ) 确定。可以认为，传感器在高于此值 检测时，将不能激励出涡流场。这个值对计算传感器的最大检测距离 提供参考，最大检测距离应该小于h ，最大检测距离还需要涡流与接 收线圈之间耦合关系确定。 t 0 4 ( 3 1 6 ) 屯= 2 o 4( 3 1 7 ) 图3 3 ，( 后) 与i 的关系 如果激励线圈外径未知，根据经验公式，t = i 1 3 3 8 3 7 ，代入上 第三章传感嚣探头线圈参数的设计 式得：o 2 0 5 。可见在一定的感应距离下，激励线圈的外径不 能无限制的小。 综上所述，在给定一定参数尺寸以后，可以通过上述诸多公式计 算得到线圈的电参数交流阻抗值，不仅如此，下节讨论中也通过 这些公式来计算电涡流的阻抗值，和计算激励线圈跟涡流之间的互感 值。 3 1 i3 探头线圈参数的数值型设计 用数学工具帮助改进设计和对系统更严格的要求提供了某些特 殊的机遇。就探头设计而言，数值方法较其它设计方法有某些优越性。 纯数值方法( 有限元和有限微分法) 从完全不同的角度解决了同一个 基本问题，这是对麦克斯韦方程在有限空间中求解，而非寻求对每一 模型情况的表达式。致值方法主要解决非常规但可以模型化的探头形 状，而解析方法只能处理规定的线圈形状和横截面( 如矩形横截面的 圆形线圈) 或者特定结构的线圈。任意横截面线圈的数值型设计并不 比矩形横截面的复杂。椭圆形或贴合轮廓的线圈也可以模型化，尽管 可能需要更昂贵的三维模型。 数值方法是一个设计探头参数的不错方法，但是在面临特定结构， 或者可以用解析法分析的探头设计时，采取解析方法和实验型相结合 的设计方法成效会更好，特别是能建立适合的求解模型的情况下。如 本文中采用的差分结构线圈，由于结构的优越性，可以不考虑很多问 题，如激励线圈和接收线圈的互感。计算变得容易进行，通过一定的 优化方法，再经过实验的论证，最终设计出适合实际需要的传感器探 头。 3 2 差分式传感器的建模计算 由于影响电涡流传感器特性的因素甚多，因此要设计出一种性能 优良的电涡流传感器并非易事，传统的实验室模型实验的设计方法存 在着以下困难：一是要耗费较多的人力物力，从开始设计到形成产品 北京交通大学硕士学位论文 的周期长；其次，难于全面分析和综合各个参数间的相互影响，以致 无法判别参数影响和工艺因素间的差异；第三，难于满足不同用户所 提出的各种特殊要求。上述情况都导致了人们在研究和建立电涡流传 感器数学模型的基础上，探索和提出一种行之有效的最优化设计方 法。以便能借助于计算机而摆脱模型实验的设计方法，根据各种不同 的测量使用要求合理地实现电涡流传感器的最优化设计。 即本文中的设计任务是：确定激励线圈的参数，主要是外径大小 的确定，因为检测距离为1 0 0 m m 3 0 0 蚴的要求，需要增加外径来 满足，但是外径不能无限制的增大，在增加外径的同时灵敏度也在下 降。所以需要确定最优的外径尺寸，使得传感器的输出电压幅值比较 大，变化相对明显。 3 2 1 计算涡流的数学模型 研究电涡流传感器的一般方法是从麦克斯韦方程出发，在某些理 想化条件的假设下求麦克斯韦方程的解。这种方法的计算量很大。 h l 0 0 s 提出了把被测导体简化为唯一的环涡流环，从而把单线 圈的电涡流传感器简化为空心变压器的数学模型，称为l 0 0 s 模型。 由这一简化模型得出的理论值与实测结果吻合得很好，可以满足工程 的实际需要。关于这个模型的基本设想：在被测体上存在着某个具有 确定几何尺寸的环域，它实际上可以视为屏蔽的，如图3 4 所示。当 环的截面通以一适当的均匀电流，其大小使得通过环截面的总电流与 原被测导体总电流相等时，若这个环域的实际阻抗与原被测导体的有 效阻抗近于相等，则原被测导体就可用这一环域来代替，而对工程计 算不至于产生过大的误差。 2 8 第三章传感器探头线凰参数曲设计 线圈中心轴 i 圉3 被涮体的电涡流环域 根据集肤效应，平面导体中电涡流轴向密度按指数规律衰减，即 有： 以，= j 0 ，e 1 ” ( 3 1 8 ) 其中： 6 = ( 胪) 。“ ( 3 1 9 ) 式中， ，被测导体靠近线圈的表面上( 即枷处) 离线圈中心 轴的距离为，处的电流密度值： 正，被测导体中，离导体表面的距离为z ，离线圈中心轴的距 离为，处的电流密度值： 6 集肤厚度 由此可见，如果把被测导体在线圈的轴向只保留一厚度等于集肤 厚度的薄层，若将所得导体通以一均匀电流，其大小对应于被测体表 面上的电流密度，时，则其总电流与原导体上的总电流相等，并且 有原被测导体的集肤效应电阻与所得薄层导体的直流电阻相等。由此 被测导体可以简化为一厚度等于集肤厚度的薄层，这一薄层导体垂真 于线圈中心轴而平行于线圈端面。 再考虑被测导体上电涡流的径向分布，它同样是非均匀的，即厶， 北京交通大学硕士学位论文 是r 的函数。参考文献【1 2 】，为了求得它的分布规律，可以把薄层导体 分割成许多个与线圈中心轴同轴的细圆环，如图3 5 所示。 i i r 了一| | 图3 5 被铡导体分割成许多细圈环 使通过每一个环的截面电流可以近似地看作是均匀的。经过计算 推导求得被测体上的电涡流分布径向分布规律：当r = 0 时，电流密度 为零；随r 的增大，电流密度值亦增大，在对应激励线圈外径处( 即 r = 气) 的附近达到最大值；然后随r 的继续增大而又趋于零。其规律 可表达为： 扣互葛孑 z 。， 式中，五：二： 线圈外径 r 离线圈中心轴的距离 。被测导体表面上，r = 吃处电流密度值。 上述为l 0 0 s 模型涡流电流的具体分布规律，由于本文中的被测导 体是螺母，可以看待螺母上的电涡流等效于在无限大被测导体中感应 电涡流的一部分。计算其大小可以首先根据经验公式计算无限大被测 导体上的电涡流大小，然后根据电涡流的轴向以及径向分布规律等效 第三章传感器探头线圈参数的设计 计算被测螺母处于环域内不同位置时感应的电涡流大小。 l 0 0 s 模型能推广到三线圈的差分结构的电涡流传感器的分析与设 计上，由于差分线圈的抑制载波原理，可阻将整个差分涡流检测系统 划分为两个系统： 1 ) 涡流产生系统：这个系统主要是激励线