一種基於冗餘架構的高可靠性磁浮列車懸浮傳感器的製作方法

2023-06-09 07:35:21 2

本發明涉及磁浮列車懸浮傳感器領域，尤其涉及一種基於冗餘架構的高可靠性磁浮列車懸浮傳感器。

背景技術：

目前已有連接長沙南高鐵站與長沙機場的長沙磁浮快線投入試營運，連接北京門頭溝與蘋果園的北京s1線正在建設中。中低速磁浮列車具有運行噪聲低、轉彎半徑小、爬坡能力強、抱軌運行永不脫軌安全性高，且造價與輕軌相當，是替代城市輕軌及城際鐵路的一種理想軌道交通。磁浮列車的關鍵技術在於懸浮控制，而懸浮控制的關鍵元件在於懸浮傳感器。

根據中低速磁浮列車整體結構設計，懸浮傳感器結構組成已經確定，懸浮傳感器由間隙探頭、模擬電路板、數字電路板、加速度計、航空插座、蓋板、蓋板螺釘和密封圈等部分組成，探頭上封裝了3個間隙感應線圈、固定有2個加速度計。傳感器輸出3路間隙信號和2路加速度信號，傳感器的間隙測量範圍為0～20mm，加速度測量範圍為±5g。

但是，現有的技術存在以下缺陷：

根據懸浮控制算法需要，懸浮傳感器至少保證2路準確的間隙信號和1路準確的加速度信號輸入到懸浮控制器才能保證穩定懸浮。從某種意義上說，現有的懸浮傳感器是具備一定的冗餘功能，但由於當時的設計技術所限，這些冗餘功能存在以下瓶頸：

1)探頭上只封裝了3個間隙感應線圈，當任一間隙感應線圈出現故障時，在磁浮列車過接軌縫時，懸浮控制器無法判斷正確的懸浮間隙。

2)因採用單路電源供電，當傳感器供電電源失效時，懸浮傳感器將沒有信號輸出。

3)由於數字板和模擬板中多個信道使用同一電路，當某一關鍵元器件出現故障時，將使多個信號出現失效。

終上所述，在這些瓶頸點發生故障時，不能保證至少2路間隙和1路加速度信號輸出。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種基於冗餘架構的高可靠性磁浮列車懸浮傳感器，從而解決間隙感應線圈出現故障時，在磁浮列車過接軌縫時，懸浮控制器無法判斷正確的懸浮間隙的問題。

本發明的目的之一採用如下技術方案實現：

一種基於冗餘架構的高可靠性磁浮列車懸浮傳感器，包括間隙探頭、模擬電路和數字電路，所述間隙探頭分別與模擬電路和數字電路電連接，所述模擬電路和數字電路電連接，所述間隙探頭內設置溫度傳感器和間隙感應線圈，所述間隙感應線圈，包括第一間隙感應線圈、第二間隙感應線圈、第三間隙感應線圈和第四間隙感應線圈，所述第二間隙感應線圈和第三間隙感應線圈採用疊層結構，感應線圈採用印製電路板蝕刻技術。

進一步地，還包括傳感器殼體、模擬電路板、數字電路板、加速度計和蓋板，所述模擬電路設置在模擬電路板上，所述數字電路設置在數字電路板上，所述間隙探頭設置在傳感器殼體上，所述加速度計、模擬電路板和數字電路板分別設置在傳感器殼體內，所述蓋板蓋裝在傳感器殼體上。

進一步地，所述模擬電路，包括a組電源電路、b組電源電路、a組邏輯電路、b組邏輯電路、第一間隙通道、第二間隙通道、第三間隙通道和第四間隙通道，所述a組電源電路分別為a組邏輯電路、第一間隙通道和第二間隙通道提供電源，所述b組電源電路分別為b組邏輯電路、第三間隙通道和第四間隙通道提供電源。

進一步地，所述第一間隙通道、第二間隙通道、第三間隙通道和第四間隙通道均包括激勵電路、檢波電路和調理電路，輸入信號依次經激勵電路、檢波電路和調理電路後輸出。

進一步地，所述第一間隙通道與第一間隙感應線圈電連接，所述第二間隙通道與第二間隙感應線圈電連接，所述第三間隙通道與第三間隙感應線圈電連接，所述第四間隙通道與第四間隙感應線圈電連接。

進一步地，所述數字電路，包括c組電源電路、d組電源電路、第一輸出電路、第二輸出電路、c組信號處理電路和d組信號處理電路，所述c組電源電路為c組信號處理電路提供電源，所述d組電源電路為d組電源電路提供電源，所述c組信號處理電路的信號經第一輸出電路輸出，所述d組信號處理電路的信號經第二輸出電路輸出。

進一步地，所述c組信號處理電路和d組信號處理電路，均包括，a/d轉換電路、處理器和存儲器，所述信號經a/d轉換電路傳輸至處理器後，處理器通過對存儲器內存儲的信息進行調用，並給予調用的信息對輸入信號處理後輸出。

進一步地，所述數字電路上還設置標定接口電路，所述標定接口電路用於預置或修改存儲器中的數據。

進一步地，所述a組邏輯電路輸出的信號經第一間隙通道激勵、放大後輸出至第一間隙感應線圈，所述第一間隙感應線圈在來自a組邏輯電路的驅動信號驅動下，對懸浮間隙變化進行感應得到感應信號，感應信號再通過第一間隙通道檢波和調理放大後輸出給數字板c組信號處理電路，同時溫度傳感器對溫度進行檢測生成溫度信號，該溫度信號直接輸出至數字電路的c組信號處理電路，所述c組信號處理電路中的a/d轉換電路對溫度信號和感應信號進行採樣並轉換後輸出至處理器，所述處理器調用存儲器內存儲的間隙信號線性擬合和溫漂修正模型數據運算後輸出修正後的間隙測量信號。

進一步地，還包括端子板、航空插座和密封圈，所述間隙探頭、端子板和傳感器殼體集成為一體，所述航空插座設置在傳感器殼體上，所述密封圈設置在傳感器殼體和蓋板之間。

相比現有技術，本發明的有益效果在於：

本技術方案，通過設置4個間隙感應線圈，且兩個間隙感應線圈採用疊層結構，從而保證磁浮列車在過軌道接縫時，傳感器始終能輸出至少2路正確的間隙測量信號，並且解決目前懸浮傳感器尺寸結構下布置4個間隙感應線圈的難題。從而解決了間隙感應線圈出現故障時，在磁浮列車過接軌縫時，懸浮控制器無法判斷正確的懸浮間隙的問題。

附圖說明

圖1為發明基於冗餘架構的高可靠性磁浮列車懸浮傳感器的電氣原理框圖；

圖2為發明基於冗餘架構的高可靠性磁浮列車懸浮傳感器的結構爆炸示意圖；

圖3為發明基於冗餘架構的高可靠性磁浮列車懸浮傳感器中線圈的結構示意圖。

圖中：1、間隙探頭；2、端子板；3、模擬電路板；4、數字電路板；5、加速度計；6、航空插座；7、蓋板；8、蓋板螺釘；9、密封圈；10、傳感器殼體；11、安裝點；12、第一間隙感應線圈；13、第二間隙感應線圈；14、第三間隙感應線圈；15、第四間隙感應線圈。

具體實施方式

下面，結合附圖以及具體實施方式，對本發明做進一步描述，需要說明的是，在不相衝突的前提下，以下描述的各實施例之間或各技術特徵之間可以任意組合形成新的實施例。

本技術方案中的第一、第二、第三和第四，以及a組、b組、c組和d組都只是單純的將相同的技術特徵進行區分，且本身沒有順序上的意義，批次之間的順序完全可以調換。

如圖1和圖3所示，一種基於冗餘架構的高可靠性磁浮列車懸浮傳感器，包括間隙探頭1、模擬電路和數字電路，間隙探頭1分別與模擬電路和數字電路電連接，模擬電路和數字電路電連接，間隙探頭1內設置溫度傳感器和間隙感應線圈，間隙感應線圈，包括第一間隙感應線圈12、第二間隙感應線圈13、第三間隙感應線圈14和第四間隙感應線圈15，第二間隙感應線圈13和第三間隙感應線圈14採用疊層結構，感應線圈採用印製電路板蝕刻技術，感應線圈，即第一間隙感應線圈12、第二間隙感應線圈13、第三間隙感應線圈14和第四間隙感應線圈15。

如圖2所示，懸浮傳感器還包括傳感器殼體10、模擬電路板3、數字電路板4、加速度計5和蓋板7，模擬電路設置在模擬電路板3上，數字電路設置在數字電路板4上，間隙探頭1設置在傳感器殼體10上，加速度計5、模擬電路板3和數字電路板4分別設置在傳感器殼體10內，蓋板7蓋裝在傳感器殼體10上。蓋板7蓋裝在傳感器殼體10上通過蓋板螺釘8固定。

懸浮傳感器還包括端子板2、航空插座6和密封圈9，間隙探頭1、端子板2和傳感器殼體10集成為一體，航空插座6設置在傳感器殼體10上，密封圈9設置在傳感器殼體10和蓋板7之間。

模擬板固定在傳感器殼體10內下層，數字板固定在傳感器殼體10內上層，加速度計5固定在傳感器殼體10內靠近安裝點11位置處。安裝點11即傳感器安裝到列車上的點。間隙探頭1的4個間隙感應線圈和溫度傳感器的輸出端電連接到端子板2上；模擬電路板3的db44ra/f接口與端子板2的db44m接口相配接；數字電路板4的db26ra/f接口與端子板2的db26m接口相配接，db44m接口與db26m接口電連接；加速度計5使用杜邦插頭直接連接到數字電路板4。間隙探頭1的主要功能是作為磁浮列車懸浮傳感器懸浮間隙測量的敏感元件；模擬電路板3的功能是激勵間隙感應線圈，並檢波濾波，調理輸出電壓信號，此電壓信號與懸浮間隙成近似正比例關係；數字電路板4的功能是將模擬電路板3輸出電壓信號進行ad採樣、線性擬合、溫漂修正後數字編碼輸出，同時將加速度計5信號進行ad採樣和零位、滿度修正後數字編碼輸出。

模擬電路，包括a組電源電路、b組電源電路、a組邏輯電路、b組邏輯電路、第一間隙通道、第二間隙通道、第三間隙通道和第四間隙通道，a組電源電路分別為a組邏輯電路、第一間隙通道和第二間隙通道提供電源，b組電源電路分別為b組邏輯電路、第三間隙通道和第四間隙通道提供電源。二模擬電路上設置4個間隙通道，這4個間隙通道有模擬電路和數字電路復用，對信號進行放大、檢波和調理，因設置4個間隙通道，保證了某一個關鍵元器件出現故障時，造成的多個信號失效的問題。a組邏輯電路和b組邏輯電路均採用epm3064+晶片。

第一間隙通道、第二間隙通道、第三間隙通道和第四間隙通道均包括激勵電路、檢波電路和調理電路，輸入信號依次經激勵電路、檢波電路和調理電路後輸出。激勵電路為mosfet驅動器。

第一間隙通道與第一間隙感應線圈12電連接，第二間隙通道與第二間隙感應線圈13電連接，第三間隙通道與第三間隙感應線圈14電連接，第四間隙通道與第四間隙感應線圈15電連接。

數字電路，包括c組電源電路、d組電源電路、第一輸出電路、第二輸出電路、c組信號處理電路和d組信號處理電路，c組電源電路為c組信號處理電路提供電源，d組電源電路為d組電源電路提供電源，c組信號處理電路的信號經第一輸出電路輸出，d組信號處理電路的信號經第二輸出電路輸出。

懸浮傳感器採用雙路直流24v供電，在數字電路板4上分別通過dc-dc模塊電源產生c組電源(±15v、5v、3.3v)和d組電源(±15v、5v、3.3v)。兩組電源的±15v經端子板2連接到模擬電路板3，在模擬電路板3上兩路±15v分別通過dc-dc電源模塊產生模擬電路板3工作所需的a組電源(±12v、±5v、3.3v)和b組電源(±12v、±5v、3.3v)。數字電路板4上，5v和3.3v供信號處理電路等電路工作。模擬電路板3上，±12v和±5v供間隙通道電路工作，3.3v供邏輯器件epm3064工作。通過以上方式實現電源可靠冗餘。設置兩路電源電路，避免了現有技術中單電路供電中，因供電電路故障造成的懸浮傳感器沒有信號輸出的問題。

c組信號處理電路和d組信號處理電路，均包括，a/d轉換電路、處理器和存儲器，信號經a/d轉換電路傳輸至處理器後，處理器通過對存儲器內存儲的信息進行調用，並給予調用的信息對輸入信號處理後輸出。處理器採用fpga晶片，存儲器採用rom，該處處理器和存儲器均可採用功能相近的處理晶片和存儲晶片。第一輸出電路和第二輸出電路均採用3路的rs485電路。

數字電路上還設置標定接口電路，標定接口電路用於預置或修改存儲器中的數據。接口電路採用全雙工rs485電路，用於預置或修改rom中的數據，以實現傳感器的標定功能。

a組邏輯電路輸出的信號經第一間隙通道激勵、放大後輸出至第一間隙感應線圈12，第一間隙感應線圈12在來自a組邏輯電路的驅動信號驅動下，對懸浮間隙變化進行感應得到感應信號，同時溫度傳感器對溫度進行檢測生成溫度信號，感應信號再通過第一間隙通道檢波和調理放大後輸出給數字板c組信號處理電路，同時溫度傳感器對溫度進行檢測生成溫度信號，該溫度信號直接輸出至數字電路的c組信號處理電路，c組信號處理電路中的a/d轉換電路對溫度信號和感應信號進行採樣並轉換後輸出至處理器，處理器調用存儲器內存儲的間隙信號線性擬合和溫漂修正模型數據運算後輸出修正後的間隙測量信號。

第二間隙感應線圈13、第三間隙感應線圈14和第四間隙感應線圈15的工作原理與第一間隙感應線圈12相同，第二間隙感應線圈13的驅動信號來自a組邏輯電路，第三間隙感應線圈14和第四間隙感應線圈15的驅動信號均來自b組邏輯電路，

第二間隙感應線圈13、第三間隙感應線圈14和第四間隙感應線圈15輸出的感應信號分別經相應的第二間隙通道、第三間隙通道和第四間隙通道輸出至數字電路。

本技術方案的懸浮傳感器間隙測量工作原理基於電渦流效應，加速度計5使用測量工作原理基於mems技術的振動加速度傳感器。

間隙探頭1採用環氧樹脂包封了4個間隙感應線圈，感應線圈採用印製電路板蝕刻技術，如圖3所示，第一間隙感應線圈12布置在靠近傳感器安裝點11處，第四間隙感應線圈15布置在遠離傳感器安裝點11處，第二間隙感應線圈13和第三間隙感應線圈14布置在中間位置，第二間隙感應線圈13和第三間隙感應線圈14採用疊層結構，此方案確保磁浮列車在過軌道接縫時，傳感器始終能輸出至少兩路正確的間隙測量信號。

模擬板電路分為a和b兩個組成部分，a組為第一間隙通道與第二間隙通道，b組為第三間隙通道與第四間隙通道，a、b兩組有完全獨立的工作電源和可編程邏輯器件epm3064。epm3064產生1mhz左右頻率方波信號，通過mosfet驅動器激勵間隙感應線圈。懸浮間隙變化時，即軌道與間隙感應線圈的距離發生變化時。由於電渦流效應，間隙線圈上將產生高頻振蕩信號。將此信號採用同步解調技術進行檢波，濾波放大調理輸出，便得到與懸浮間隙成近似正比例的電壓信號，此電壓信號定義為間隙模擬量輸出。對應於第一間隙感應線圈12、第二間隙感應線圈13、第三間隙感應線圈14和第四間隙感應線圈15，模擬電路的間隙通道對第一間隙感應線圈12、第二間隙感應線圈13、第三間隙感應線圈14和第四間隙感應線圈15輸出的信號進行處理後共有4路間隙模擬量輸出。

間隙模擬量輸出信號經模擬電路上的間隙通道處理後通過端子板2輸出到數字電路，由fpga控制進行ad採樣；間隙探頭1上布置的2個溫度傳感器的信號也輸出至數字電路，由fpga進行同步ad採樣。根據ad採樣量化的原始間隙信號與溫度信號，fpga從rom中進行查表運算。rom中預置了傳感器間隙信號線性擬合和溫漂修正模型數據。因此，查表運算的過程就是線性擬合和溫漂修正的過程。加速度計a與加速度計b使用杜邦插頭直接連接到數字電路上。加速度信號由fpga控制進行ad採樣。rom中預置了加速度零位修正係數和滿度修正係數。根據ad採樣量化的加速度信號，fpga從rom中查表運算輸出修正後的加速度。

fpga還對測量信號進行編碼，編碼後的間隙信號和加速度信號最終通過rs485按規定協議輸出。

本技術方案中間隙探頭1封裝有兩個溫度傳感器，經過溫漂修正後傳感器的溫漂性能指標由1.5mm提高到0.5mm。從間隙感應線圈到模擬電路，再到數字電路，包含間隙測量與加速度測量，所有的信號迴路和電源均採用冗餘架構設計，提高了懸浮傳感器的可靠性。保證傳感器在任何單一故障模式下，能正常輸出2路間隙信號和1路加速度信號，實現在磁浮列車正常營運過程中不會因為傳感器故障影響營運。

上述實施方式僅為本發明的優選實施方式，不能以此來限定本發明保護的範圍，本領域的技術人員在本發明的基礎上所做的任何非實質性的變化及替換均屬於本發明所要求保護的範圍。