低速磁浮列車自診斷式懸浮間隙傳感器的製作方法

2023-07-27 19:24:06

專利名稱：低速磁浮列車自診斷式懸浮間隙傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及磁浮列車領域，具體涉及一種用於低速磁浮列車的懸浮間隙傳感器。
背景技術：
低速磁浮列車是一種依靠電磁力實現無接觸懸浮的車輛系統，它依靠傳感器提供的電磁鐵與軌道之間的間隙信號來調整控制車輛懸浮間隙，懸浮間隙傳感器是保證列車安全運行的關鍵之一。 目前用於低速磁浮列車的懸浮間隙傳感器一般採用電渦流式位移傳感器，為了實現對低速磁浮列車間隙的監控，在低速磁浮列車上設有多個懸浮間隙傳感器，但是現有的懸浮間隙傳感器只能簡單的檢測懸浮間隙，當傳感器出現故障時，現有懸浮間隙傳感器沒有自診斷功能，無法實現故障傳感器不能準確定位、無法實現對懸浮間隙傳感器故障進行快速診斷，因此無法提供信息以供控制系統和監控系統判別，給檢修帶來了困難，而且可能給列車的運行帶來嚴重的安全隱患。此外，低速磁浮列車軌道由一系列F型鋼軌拼接安裝而成，軌道之間存在著較大接縫，電渦流型位移傳感器處於軌道接縫下端的間隙傳感器在過接縫時存在著信號突變，不能反應實際情況，因此一般採用多探頭檢測切換的方法實現過接縫問題，但現有的電渦流傳感器存在著探頭體積大、多探頭之間無法緊密貼近等問題，因此無法實現較好的集成度，在磁浮列車過接縫時，懸浮間隙傳感器的輸出間隙值會突然變大，對於控制系統來說，這類錯誤信號必然會影響控制質量，甚至可能會造成車輛失控。

發明內容
本發明針對上述現有技術的缺點，提供一種帶有自診斷功能、檢測精度高、抗幹擾
能力強、過接縫處檢測平穩、集成度高、體積小的低速磁浮列車自診斷式懸浮間隙傳感器。
為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為一種低速磁浮列車自診斷式
懸浮間隙傳感器，它包括控制單元、前置電路和敏感探頭，控制單元通過前置電路與敏感探
頭相連，所述敏感探頭包含至少一個敏感線圈組，所述敏感線圈組由至少兩個在水平面的
投影相重合的敏感線圈組成，所述敏感線圈採集磁浮列車的懸浮間隙，所述控制單元根據
同一敏感線圈組的任意兩個敏感線圈所採集懸浮間隙同一時刻的差值和隨時間的相對變
化量判斷所述敏感線圈組的工作狀態，並根據敏感線圈組的工作狀態屏蔽故障敏感線圈組
檢測的懸浮間隙、將正常敏感線圈組檢測的懸浮間隙取平均值後輸出。 作為本發明的進一步改進 所述敏感探頭包含至少三個敏感線圈組，所述多個敏感線圈組沿軌道方向依次呈直線排列，且相鄰敏感線圈組的間隔大於軌道接縫的寬度； 所述相鄰敏感線圈組的邊界間隔為3. 5 5cm ;所述相鄰敏感線圈組的間隔為4. 5cm ; 所述敏感線圈為PCB線圈。 所述前置電路包含信號激勵單元、調製單元和解調單元，所述信號激勵單元與控
3制單元相連，用來產生高頻交流激勵信號的信號激勵單元通過調製單元與所述敏感線圈的輸入端相連，所述調製單元根據輸入的高頻交流激勵信號為敏感線圈組中每個敏感線圈分頻並產生不同頻率的激勵信號，所述解調單元將敏感線圈輸出的不同頻率的信號解調後獲得敏感線圈兩端的電壓幅值信號並傳送給控制單元。
本發明具有下述優點 1、本發明採用兩個以上且在水平面的投影相互重合的敏感線圈組成的敏感線圈組採集懸浮間隙，並通過兩個懸浮間隙在同一時刻的差值和隨時間的相對變化量，判斷輸出敏感探頭中多個敏感線圈組的工作狀態診斷信號，有效解決解決了懸浮間隙傳感器的自診斷問題，可以實現故障懸浮間隙傳感器的精確定位。 2、本發明通過在軌道行進方向依次排列三個以上的線圈組，且任意兩線圈組之間的間隔大於軌道接縫的寬度，因此它們在任何時刻最多只有一組線圈處在接縫影響下，當有一組檢測線圈處於軌道接縫下方時，它與其他兩組檢測線圈輸出信號相比具有明顯的差異，因此採用屏蔽差異性大的信號、提取出準確的間隙信號，就可以實現過接縫處的平穩檢測，有效提高檢測的精確度。 3、本發明的線圈採用PCB線圈，因此具有集成度高、體積小的優點。 4、本發明前置電路中的高頻激勵單元經過調製單元調製後為多個敏感線圈提供
不同頻率的高頻交流激勵信號，可以有效避免敏感線圈組的兩敏感線圈之間的相互幹擾，
有利於提高傳感器檢測的精度。


圖1為本發明實施例的自診斷式懸浮間隙傳感器的結構框圖； 圖2為本發明實施例的敏感線圈組的結構示意圖； 圖3為本發明實施例中單個敏感線圈的電路原理示意圖； 圖4為本發明實施例中乘法解調電路的電路示意圖； 圖5為本發明實施例的自診斷式懸浮間隙傳感器的應用結構示意圖； 圖6為本發明實施例的自診斷式懸浮間隙傳感器的工作流程圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明的低速磁浮列車自診斷式懸浮間隙傳感器包括控制單元1、前置電路2和敏感探頭3，控制單元1通過前置電路2與敏感探頭3相連，敏感探頭3包含三個敏感線圈組32，敏感線圈組32由兩個在水平面的投影相重合的敏感線圈31組成，敏感線圈31採集磁浮列車的懸浮間隙，控制單元1根據同一敏感線圈組32的任意兩個敏感線圈31所採集懸浮間隙在同一時刻的差值和隨時間的相對變化量判斷敏感線圈組32的工作狀態，並根據敏感線圈組32的工作狀態屏蔽故障敏感線圈組32檢測的懸浮間隙、將正常敏感線圈組32檢測的懸浮間隙取平均值後輸出。為了實現數據輸出，在本實施例中控制單元1上連接有數據接口單元4，數據接口單元4可為總線接口或者網絡適配器，控制單元1可以通過數據接口單元4與磁浮列車的控制系統相連。在本實施例中，數據接口單元4採用RS485總線接口，最終的信號輸出通過多路串行數據輸出，能夠充分滿足低速磁懸浮列車控制器的控制需要。
如圖2所示，在本實施例中敏感探頭3的主體為平面四層印刷電路板(PCB)結構，敏感線圈組32的兩個在水平面的投影相重合的敏感線圈31由上敏感線圈311和下敏感線圈312組成，上敏感線圈311分布於PCB的第一和第二層，下敏感線圈312分布於PCB的第三和第四層，上敏感線圈311和下敏感線圈312在水平面的投影相互重合。
如圖1和圖3所示，前置電路2包含信號激勵單元21 、調製單元22和解調單元23，所述信號激勵單元21與控制單元1相連，用來產生高頻交流激勵信號的信號激勵單元21通過調製單元22與所述敏感線圈31的輸入端相連，所述調製單元22根據輸入的高頻交流激勵信號為敏感線圈組32中每個敏感線圈31分頻並產生不同頻率的激勵信號，所述解調單元23將敏感線圈31輸出的不同頻率的信號解調後獲得敏感線圈31兩端的電壓幅值信號並傳送給控制單元1。敏感探頭3中每一個敏感線圈31通過與電容和電阻形成一個電渦流傳感器，因此可以感應磁浮列車的軌道間隙並輸出與懸浮間隙大小相應的電壓信號。信號激勵單元21用於根據控制單元1的控制信號產生指定頻率的高頻交流激勵信號。調製單元22根據輸入的高頻交流激勵信號為敏感線圈組32的兩個敏感線圈31分頻產生不同頻率的高頻交流激勵信號，高頻交流激勵信號過放大後依次輸入到上敏感線圈311和下敏感線圈312中，為了提高信號激勵單元21頻率的溫度穩定性，本發明採用溫補晶振作為原始高頻信號源。解調單元23將敏感線圈31輸出的不同頻率的信號解調獲得敏感線圈31兩端的電壓幅值信號，根據電渦流位移傳感器原理，上敏感線圈311和下敏感線圈312會由於懸浮間隙不同而阻抗不同，從而線圈兩端的電壓幅值也將改變。解調單元23將線圈採樣電壓和與高頻交流激勵信號同頻率同相位的參考解調電壓進行乘法解調得到穩定的與間隙有關的電壓幅值信號，再通過放大和A/D轉換後輸送給控制單元1進行處理。如圖4所示，本實施例中解調單元23採用乘法器AD734實現，乘法器AD734的Vin (埠 1、2)連接至敏感線圈31 (上敏感線圈311或下敏感線圈312)和接地，Vin用於採集敏感線圈31的輸入電壓，Vref(埠 6)則連接至解調參考電壓，此電壓為與經過分頻以後的高頻交流激勵信號同頻率同相位的電壓，因此可以從調製單元22獲取該電壓，然後乘法器AD734從Vout (埠 12)解調輸出幅值電壓。 本實施例中控制單元1採用單片機實現，控制單元1根據敏感線圈組32的上敏感線圈311和下敏感線圈312所採集懸浮間隙的同一時刻的差值和隨時間的相對變化量判斷敏感線圈組32的工作狀態，並根據敏感線圈組32的工作狀態屏蔽故障敏感線圈組32檢測的懸浮間隙、將正常敏感線圈組32檢測的懸浮間隙取平均值後輸出。 如圖5所示的一種低速磁浮列車中，列車的F軌道5和懸浮電磁鐵6相對設立且保持有懸浮間隙A，本發明的自診斷式懸浮間隙傳感器7通過螺栓緊固在裝設於F軌道5和懸浮電磁鐵6之間的凹槽內，敏感探頭3上分別沿著軌道行進方向依次設有直線分布的三個敏感線圈組32。低速磁懸浮列車軌道接縫C的大小一般為1 1. 5cm，傳感器線圈組32的間隔B在大於3. 5cm時，接縫每次僅能影響一組線圈，而低速磁懸浮列車的車體結構對傳感器外形尺寸的限制，要求相鄰線圈組的間距不得大於5cm，因此本發明的線圈組之間的相對距離為3. 5cm 5cm，在本實施例中優選取值4. 5cm。由於敏感探頭3上分別沿著軌道行進方向依次設有直線分布的三個敏感線圈組32，因此任何時刻最多只有一個敏感線圈組32處在接縫影響下產生信號突變，即任何時刻三個敏感線圈組32輸出的三組信號中，都至少有兩個敏感線圈組32輸出的信號是準確的間隙信號，因此通過三選二算法，提取出準確的間隙信號進行輸出，從而實現過接縫時懸浮間隙的準確檢測。敏感線圈組32的數量至少需要三個，敏感線圈組32的數量越多，則選擇接觸處的突變的敏感線圈組32時更加準確，應對敏感線圈組的數據錯誤和線圈故障的處理能力就越好，但是基於安裝成本、可靠性和維護成本的角度考慮，本實施例中採用三個敏感線圈組32。 如圖6所示，本實施例中的低速磁浮列車自診斷式懸浮間隙傳感器的工作過程如下 1)控制單元1完成系統的初始化，包括單片機的存儲單元、採樣定時器、採樣模式的初始化等。 2)通過敏感探頭3定時採集各線圈的電壓幅值信號控制單元1發出控制信號，信號激勵單元21響應控制產生高頻交流激勵信號，調製單元22將高頻交流激勵信號分頻後輸入至各敏感線圈組32的上敏感線圈311和下敏感線圈312中，解調單元23將各敏感線圈組32的敏感線圈31輸出的不同頻率的信號解調獲得敏感線圈31兩端的電壓幅值信號。 3)計算線圈懸浮間隙值對採集進來的多路模擬電壓幅值信號進行濾波、線性標
定後得到其測量的懸浮間隙值； 4)設定診斷信號並計算最終懸浮間隙。 本實施例中，診斷信號分為數據錯誤和線圈故障兩類信息，其中每類信息又包含三位，分別對應三組線圈，因此一共需要6位長度的診斷信號。本發明實施例中對6位長度的診斷信號採用一個字節進行編碼，最低六位分別用於記載數據錯誤信息和線圈故障信息如果沒有任何數據錯誤和線圈故障，則診斷信號以二進位表示為OOOOOOOO，如果只有第一組線圈數據錯誤，則診斷信號的最低位置1，以二進位表示為00000001，如果只有第一組線圈故障，則診斷信號低位起第4位置1，以二進位表示為00001000，以此類推。具體步驟如下 1、針對單個敏感線圈組進行診斷針對同一敏感線圈組32的上敏感線圈311和下敏感線圈312採集的同一時刻的兩個懸浮間隙，如果兩個懸浮間隙之差的絕對值大於1. 5mm，則判定本組線圈數值錯誤。針對同一敏感線圈組32的上敏感線圈311和下敏感線圈312採集懸浮間隙隨時間的相對變化量如果在一段時間內，上敏感線圈311和下敏感線圈312分別採集的兩組懸浮間隙中，只有一組懸浮間隙值隨時間發生變化，而另一組懸浮間隙值始終不變，則判定本組敏感線圈組線圈故障。然後屏蔽數值錯誤和線圈故障的敏感線圈組32，並設置響應的診斷信號標誌位。 2、針對多個敏感線圈組32進行過接縫診斷在三個敏感線圈組32均沒有發生數值錯誤和線圈故障時，首先對三組懸浮間隙值進行過接縫判斷，針對三個敏感線圈組32的懸浮間隙值，如果某一個敏感線圈組32與其它兩個敏感線圈組32相差較大，則判定該敏感線圈組32位於過接縫處並將其屏蔽。 3、計算最終懸浮間隙值讀取所有未被屏蔽的敏感線圈組32的懸浮間隙值，並將其取平均值作為最終懸浮間隙值。 5)數據輸出通過數據接口單元4輸出最終懸浮間隙值和診斷信號。
權利要求
一種低速磁浮列車自診斷式懸浮間隙傳感器，它包括控制單元(1)、前置電路(2)和敏感探頭(3)，控制單元(1)通過前置電路(2)與敏感探頭(3)相連，其特徵在於所述敏感探頭(3)包含至少一個敏感線圈組(32)，所述敏感線圈組(32)由至少兩個在水平面的投影相重合的敏感線圈(31)組成，所述敏感線圈(31)用於採集磁浮列車的懸浮間隙，所述控制單元(1)根據同一敏感線圈組(32)的任意兩個敏感線圈(31)所採集懸浮間隙在同一時刻的差值和隨時間的相對變化量判斷所述敏感線圈組(32)的工作狀態，並根據敏感線圈組(32)的工作狀態屏蔽故障敏感線圈組(32)檢測的懸浮間隙、將正常敏感線圈組(32)檢測的懸浮間隙取平均值後輸出。
2. 根據權利要求1所述的低速磁浮列車自診斷式懸浮間隙傳感器，其特徵在於所述敏感探頭(3)包含至少三個敏感線圈組(32)，所述敏感線圈組(32)沿軌道方向依次呈直線排列，且相鄰敏感線圈組(32)的間隔大於軌道接縫的寬度。
3. 根據權利要求2所述的低速磁浮列車自診斷式懸浮間隙傳感器，其特徵在於所述相鄰敏感線圈組(32)的間隔為3. 5 5cm。
4. 根據權利要求3所述的低速磁浮列車自診斷式懸浮間隙傳感器，其特徵在於所述相鄰敏感線圈組(32)的間隔為4. 5cm。
5. 根據權利要求1、2、3或4所述的低速磁浮列車自診斷式懸浮間隙傳感器，其特徵在於所述敏感線圈(31)為PCB線圈。
6 根據權利要求1、2、3或4所述的低速磁浮列車自診斷式懸浮間隙傳感器，其特徵在於所述前置電路(2)包含信號激勵單元(21)、調製單元(22)和解調單元(23)，所述信號激勵單元(21)與控制單元(1)相連，用來產生高頻交流激勵信號的信號激勵單元(21)通過調製單元(22)與所述敏感線圈(31)的輸入端相連，所述調製單元(22)根據輸入的高頻交流激勵信號為敏感線圈組(32)中每個敏感線圈(31)分頻並產生不同頻率的激勵信號，所述解調單元(23)將敏感線圈(31)輸出的不同頻率的信號解調後獲得敏感線圈(31)兩端的電壓幅值信號並傳送給控制單元(1)。
7. 根據權利要求5所述的低速磁浮列車自診斷式懸浮間隙傳感器，其特徵在於所述前置電路(2)包含信號激勵單元(21)、調製單元(22)和解調單元(23)，所述信號激勵單元(21) 與控制單元(1)相連，用來產生高頻交流激勵信號的信號激勵單元(21)通過調製單元(22) 與所述敏感線圈(31)的輸入端相連，所述調製單元(22)根據輸入的高頻交流激勵信號為敏感線圈組(32)中每個敏感線圈(31)分頻並產生不同頻率的激勵信號，所述解調單元(23)將敏感線圈(31)輸出的不同頻率的信號解調後獲得敏感線圈(31)兩端的電壓幅值信號並傳送給控制單元(1)。
全文摘要
本發明公開了一種低速磁浮列車自診斷式懸浮間隙傳感器，它包括控制單元、前置電路和敏感探頭，控制單元通過前置電路與敏感探頭相連，所述敏感探頭包含至少一個敏感線圈組，所述敏感線圈組由至少兩個在水平面的投影相重合的敏感線圈組成，所述敏感線圈採集磁浮列車的懸浮間隙，所述控制單元根據同一敏感線圈組的任意兩個敏感線圈所採集懸浮間隙的相對變化和差值判斷所述敏感線圈組的工作狀態，並根據敏感線圈組的工作狀態屏蔽故障敏感線圈組檢測的懸浮間隙、將正常敏感線圈組檢測的懸浮間隙取平均值後輸出。本發明可以有效解決懸浮間隙傳感器的自診斷問題，檢測精度高、抗幹擾能力強、可實現過接縫處的平穩檢測，具有集成度高、體積小的優點。
文檔編號G01B5/16GK101750001SQ20091022678
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月31日 優先權日2009年12月31日
發明者吳峻, 周文武, 曾曉榮, 陸珊珊 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學