霍尔车轮传感器的研制论文.doc

霍尔车轮传感器的研制徐州电务段 杜伟（工程师）铁路车轮传感器是铁路监测及控制的重要基础设备，广泛应用于驼峰编组场的车列的定位及速度监测。在红外轴温探测系统、平交道口预警设备、车号识别系统中，也需要铁路车轮传感器作为列车识别定位装置。铁路车轮传感器依原理可分为使用LC谐振原理的车轮传感器和使用霍尔效应（Uh=RhIB/d。即将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场 ，沿X方向通以工作电流I，则在Y方向产生出电动势 ，这种现象称为霍尔效应，所产生的电压称为霍尔电压。式中Rh称为霍尔系数，由导体材料的性质决定，d为导体材料的厚度，I为电流强度，B为磁感应强度。Rh=*即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。)的车轮传感器。由于半导体的的*可做得很大，故制造霍尔器件常用半导体材料。霍尔器件可以做得象芝麻粒一样小甚至可以集成到集成电路芯片中。由于霍尔器件具有灵敏度高、抗干扰能力强、体积小等优点，因而在车轮传感器中得到了运用。2009年，徐州电务段完成了铁路霍尔车轮传感器的研制和试验。该传感器可靠性高，稳定性好，满足了铁路编组场计算机系统对车列的定位和速度检测的要求。现分述如下：一、 技术指标：图表一 霍尔车轮传感器技术指标表技术指标大类具体技术指标美国联合信号公司指标本机指标一、电气指标1. 静态工作电流（电源DC=24V）40mA10.512mA2. 工作电流（250mW时），110mA50mA3. 电源电压范围1824V1136V 4. 信号频率稳定度7KHZ300HZ7KHZ300HZ5. 输出信号（无轮时）05V02V6. 输出信号（有轮时）10V10V7. 外壳击穿电压3000V3000V二、机械指标8. 硬度(邵氏A) 90909. 抗拉压强度(N.cm) 4000400010. 永久变形(%) 15 151512. 硬度变化(%) 55三、环境指标13. 工作温度40+8540+8514. 振动噪声10mV5mV15. 静噪声10mV5mV16. 适应车速0160Km/h0300Km/h(暂未进行现场试验)17. 电化区段适应性未知适应四、使用寿命18. 平均无故障时间3年5年二、 技术方案1、 技术方案框图图表二 技术方案框图霍尔器件比 较电 路控 制开 关放 大电 路 永磁体灵敏度稳定电路 弹性胶壳激励7K振荡功放短路保护晶体或RC外电路过压窜入保护电路输出短路隔离电路电压基准 信号输出短路隔离电路DC-DC电源DC1138V去各级电路2、该技术方案的特点：1. 采用弹性胶壳，抗振动性能好。2. 采用微功耗的霍尔集成电路，全部电路的静态功耗在300mW以下，全部电子元件的工作温域均不低于工业标准（40+85）。3. 采用DC/DC直流电源变换技术，提高电源效率，加大了电源电压适用范围，使输入电压从DC +11V+36V，短时间DC +40V都可以正常工作。4. 采用电压基准提高电路调节的稳定度，电压基准是数字，模拟电路结合的一种器件，在宽温度范围内，其输出电压值是很稳定的，所以，电路的设计和负反馈调节都是以它为标准的。这样设计的电路其性能指标较好。5利用当通过高分子PTC元件的电流大于某一值时电阻迅速增大的原理设计了电源短路隔离电路和输出短路隔离电路。三、 研制过程1、 永磁体的设计制作霍尔车轮传感器属非接触式传感器，为了适应钢轨踏面的磨损和车轮踏面磨损后的轮缘相对位置下降，希望传感器敏感距离要远一些，灵敏度要高一些，所以从试验磁性材料开始，在规定的安装尺寸下，需要了解永磁体体积与磁感应强度的关系及磁体表面磁感应强度的分布。为了选择合适的磁性材料和几何尺寸，我们做了大量的试验工作，积累了很多数据，正是以大量的试验数据为基础，设计出了长宽高分别为8cm、 6cm、 5cm的长方体磁钢作为霍尔车轮传感器的永磁体。X薄厚标准BV薄标准厚B图表三 永磁体体积与磁感应强度的关系 图表四 永磁体表面上部磁感应强度分布情况2、 弹性胶壳的研制所有的磁性材料，不论是硬磁材料，还是软磁材料，其磁畴或材料的晶态组织在震动下，组织结构、内应力都要发生改变，这种微观的改变，必然要影响磁性材料的磁性能。基于这种认识，考虑到传感器的系统减震问题，所以无论软磁、硬磁材料的传感器都应当使用减震封装，才能保证其磁性能少受震动的影响。一个好的减震系统要与其质量、重心、固定方式、弹性材料的阻尼特性、震动频率、幅度有关。经过多次改进配方和工艺，选用了在宽温域内弹性性能比较稳定的高弹胶。我们研制出了软、硬两种高弹胶，软的用于封装、硬的用于制作外壳，主要技术指标如下：测试项目 壳体用胶 密封用胶硬度/邵氏A 90 70抗拉压强度/N.Cm 4000 2000永久变形 % 15 15 5硬度变化(-30+85) 5 53、 电路的设计与制作为了研究传感器磁性能，我们首先建立了磁性材料的模拟安装装置，在这个模拟实际的磁杨中，分析测试参数，得出永磁体磁极表面上磁感应强度B是非均匀的，结合对永磁式传感器的安装实例分析，明晰了永磁式传感器，在钢轨内侧出现“肥边”，钢轨临近被淘汰时，车轮轮缘又在紧贴钢轨时，传感器的灵敏度非常低，所以，我们从改进传感器的灵敏曲线入手，采用多点检测灵敏曲线迭加和调整靠钢轨边的敏感元件使其处于高灵敏度的工作区域的方法，使它能够避免钢轨“肥边”的影响，适应了我国编组场的运营现状。四、霍尔车轮传感器的运行状态图图表五 霍尔车轮传感器的运行状态图五、 在电化区段的运用问题目前我国使用的电力机车，在单轨条上的电流值约为300A左右，根据比奥_萨伐尔定律（dB=uoIdls