鐵路新型地面標志傳感器研制

劉正毅，茍云濤，程朝陽，崔建英

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京 100081； 2.北京交通大學理學院，北京 100044)

0 引言

鐵路地面標志傳感器是軌道幾何檢測系統中用于探測道岔、橋梁及軌距拉桿等軌道特殊構件的傳感器。軌道上的道岔、橋梁及軌距拉桿等含有金屬部件。鐵路地面標志傳感器安裝在軌道檢查車的下方，動態探測金屬部件，根據金屬部件的尺寸、距離等特征輸出不同的信號。地面標志傳感器輸出的信號和軌檢系統幾何參數信號同步顯示在軌道檢測波形圖上，檢測人員根據波形圖可更準確地定位軌道幾何超限所在位置[1-2]。

電渦流傳感器作為一種成熟的技術，被廣泛應用到各行業。美國于20世紀80年代已經在軌道檢查車上使用電渦流式傳感器。20世紀90年代，日本已將電渦流傳感器應用在綜合檢測車上。電渦流傳感器對新干線進行檢測，能檢測線路的一些幾何參數、地面標志等信息[3]。我國也于20世紀90年代開始研制和使用電渦流式的地面標志傳感器。目前，各路局軌道檢查車均采用電渦流式地面標志傳感器作為軌道檢測系統的一項輔助功能。地面標志傳感器安裝在與車軸平行的檢測梁中間位置，距離鋼軌面一定高度，用于探測含有鐵磁性物體的特殊軌道構件，功能簡單、易實現，但是對工作環境要求較高，需要頻繁的人為干預。

為滿足數字軌道檢測系統的需求并進一步提高性能，研制了基于數字微處理系統的新型地面標志傳感器。新型傳感器保留了原地面標志傳感器的外觀，并重新進行了內部電路設計和結構優化，在兼容原地面標志傳感器的基礎上，擴展了適用于數字軌道檢測系統的接口，功能上仍是檢測線路地面標志。目前，新研制的傳感器已作為產品應用在路局軌道檢查車。

1 傳感器原理

1.1 傳感器探測原理

傳感器原理如圖1所示。振蕩器產生頻率f的正弦波信號，分別送入發射線圈及解調器的輸入端；接收線圈將接收到的同頻正弦信號送入解調器的另一個輸入端。經過解調器解調后的直流信號μ0、μ1送入差動放大器處理后輸出[4]。

圖1 傳感器原理框圖

在傳感器下無金屬物時，接收線圈和振蕩器的兩路正弦信號分別對稱，解調器解調出同樣的直流信號，即u0=u1，差動放大器輸出電壓信號為零。當有金屬物靠近接收線圈時，接收線圈電感量發生變化，接收線圈和振蕩器的兩路正弦信號不對稱，解調器的輸出有電壓差，u0≠u1，則差動放大器輸出電壓不為零。金屬物與傳感器的距離越接近，傳感器輸出的電壓值增加；當兩者距離一定時，金屬物面積決定了傳感器電壓輸出值。

1.2 傳感器存在問題分析

傳感器輸出信號漂移如圖2所示。

圖2 傳感器輸出信號漂移

傳感器下方并無鐵磁性物體情況下，當傳感器工作一段時間或外界工作環境有較大變化時，傳感器輸出電壓不為0，即μ0≠μ1。此時，輸出波形偏離基線，掩蓋了地面標志物的真實信號，需要操作人員對其閾值電壓進行調節，使輸出波形回到基線。

原因分析如下：傳感器接收線圈下方無待測鐵磁性物體時，線圈的交流電阻R1可用具有原型截面的長導線來近似表示。在一定范圍內，R1為[5]：

式中：l為導線長度，m；s為導線的橫截面積，m2；ρ0為導線材料在0 ℃時的電阻率，μΩm；a為導線材料電阻率的溫度系數，10-6/℃；t為溫度，℃；f為線圈中電流的頻率，MHz；μr為導線材料的相對磁導率；μ0為真空磁導率，N/A2。

由R1近似表示可以看出，線圈交流電阻是溫度t的函數，線圈電阻隨溫度的增加而增加。而電阻的增加使線圈品質因數變壞[6-7]，接收線圈的輸出電壓值μ0減小，則μ0≠μ1，表明傳感器輸出信號受溫度影響而漂移。

1.3 新型傳感器探測原理

新型傳感器探測原理如圖3所示。頻率源電路產生頻率為f的交變電流，若發射線圈接入頻率源電路，發射線圈將產生相應頻率的交變電磁場。此時，發射線圈交變電磁場激勵接收線圈1和接收線圈2產生感生電動勢ε1和ε2。

圖3 新型傳感器探測原理圖

當軌道上沒有地面標志物靠近傳感器時，發射線圈產生的交變磁場穩定不變。傳感器的兩個接收線圈保證軸線與發射線圈完全垂直。沿發射線圈中垂線方向，在上下嚴格對稱、技術參數保持一致的情況下，根據電磁感應原理，兩個接收線圈的感生電動勢相等。當ε1=ε2，則兩個接收線圈的輸出電壓一致，即傳感器的輸出電壓應為零。

當軌道上有地面標志物從下方靠近傳感器時，地面標志物在交變電磁場中產生渦流，地面標志物中的渦流產生一個自身的交變電磁場，與接收線圈的電磁場相互作用，從而導致接收線圈周圍磁場的改變。上下兩個接收線圈到地面標志物的距離不同，線圈周圍的電磁場變化量也不相同，則接收線圈1和接收線圈2的感生電動勢不同，即ε1≠ε2。輸出的電壓值不等，傳感器輸出電壓不為0，因此，傳感器可以檢測軌道上有地面標志物。

通過以上分析可知，新型傳感器采用平衡式結構，接收線圈2與1上下嚴格對稱，起到平衡線圈的作用。理想狀態下，線圈1與2的溫度漂移一致，經過差動放大電路后，線圈2補償了線圈1的溫度漂移，即抑制了溫度變化對傳感器輸出的影響。

2 系統設計

2.1 系統結構

新型傳感器系統框圖如圖4所示。傳感器以數字信號處理器(digital signal processor,DSP)為核心，由探測線圈、信號處理電路以及頻率源電路等組成。

圖4 新型傳感器系統框圖

①探測線圈包括發射線圈和接收線圈兩部分。發射線圈的漆包線線徑為d1，均勻密繞在非金屬骨架上，在交變電流激勵下產生相應交變電磁場；接收線圈的漆包線線徑為d2，均勻密繞在2個幾何尺寸一致的非金屬骨架上，要求2個線圈上下對稱、匝數嚴格一致，且軸線嚴格與發射線圈軸線垂直、對稱，在電路中以平衡差動方式工作。線圈制作的品質直接決定了傳感器的靈敏度和穩定性等技術指標。

②解調電路解調接收線圈的輸出信號，解調信號分別輸出至兩路對稱的信號處理電路。

③信號處理電路完成信號放大和濾波功能，將探測線圈檢測到的電壓變化值進行多級放大。

④頻率源電路的頻率和幅值通過DSP控制；傳感器檢測數據經過DSP采樣和處理，處理后的數據送入實時處理計算機。

⑤根據傳感器在不同頻率下的測試結果，選取100 kHz正弦波頻率作為工作頻率，提供給發射電路作為接收線圈的頻率源。相較于用RLC串聯或并聯諧振電路實現，該傳感器提高了波形產生的穩定性[6-9]。

⑥傳感器作為整個軌道檢測系統CAN網絡的分節點，傳感器數據經CAN總線傳送至實時處理計算機CAN數據采集卡，數據傳輸速率為500 Kbit/s[10]。

⑦電源電路提供以上各電路所需的工作電壓。

整個系統的特點是以DSP為核心，以總線方式連接主要器件構成數字系統。它可以方便地與實時處理計算機相連接，實現了傳感器的遠程參數設定和信息交換。與傳統的模擬電路組成的金屬探測器相比，系統性能得到了提高。

2.2 軟件設計

2.2.1 軟件總體設計

根據新型傳感器檢測裝置的要求，系統軟件應具備以下主要功能。

①采用DSP實現頻率源正弦波發生器控制、A/D采樣轉換、采樣數據處理等功能，采用CCS軟件開發平臺[11]。

②采樣數據處理，并根據傳感器初始輸出改變傳感器零點閾值，從而控制信號輸出值。

③實時處理計算機實時顯示檢測結果及存儲檢測數據。

2.2.2 DSP模塊程序設計

①正弦波發生器控制。

發射電路采用正弦波發生器作為頻率源，正弦波發生器作用相當于晶振。在DSP和頻率源之間使用SPI串行外設接口模塊，采用主動工作方式，串行外設接口時鐘則由DSP串行外設接口產生，并由SPICLK引腳輸出。

②A/D采樣。

芯片內置采樣/保持的10位模數轉換模塊ADC，模塊具有16路模擬輸入通道(ADCIN0～ADCIN15)，采用ADCIN0～ ADCIN7通道分別采樣，相當于每個采樣點采樣8次，并將8次結果累加后取其平均值。為了適應高速綜合檢測列車需求，選取100 μs作為A/D采樣周期，每10 μs采樣一次，一個采樣周期內完成10次采樣。

③數據處理。

傳感器安裝定位后，受車體及軌道等環境因素影響，其初始輸出很可能不符合要求。為了保證傳感器能夠得到希望的輸出值，程序設有閾值調節功能，通過接收上位機參數設置改變閾值，從而得到期望的輸出值。

3 傳感器測試

3.1 傳感器封裝

將符合技術參數指標要求的探測線圈接入電路板，并以一定角度裝入符合強度要求的非金屬殼體內。當傳感器周圍無金屬物時，經過調試和標定使其輸出電壓為零，殼體內灌膠固待固化，即完成傳感器的封裝工藝。

3.2 傳感器安裝

傳感器完成封裝和試驗室測試后，在軌道檢查車上進行了安裝。傳感器安裝在車體下面與車軸平行的檢測梁上，距軌枕面不超過350 mm。當檢查車經過線路地面標志位置時，傳感器輸出相應電壓信號。

由于金屬材料對線圈的磁場有較大影響，因此其固定支架用非金屬材料，而且固定架周圍一定范圍內不能有金屬物體，否則，將影響傳感器工作的穩定性和可靠性。

3.3 線路測試及應用

軌道檢查車過道岔時傳感器信號波形如圖5所示。軌道檢查車經過線路道岔時，安裝在車下的地面標志傳感器經過轉轍器尖軌拉桿和導曲線鋼軌或連接部分直股連接鋼軌，傳感器產生高電壓信號，并傳輸至檢查車的實時采集處理機。

圖5 軌道檢查車過道岔時傳感器信號波形

根據地面標志物的尺寸特點，對于道岔拉桿，傳感器感應持續時間較短，信號在波形圖上對應兩根尖刺；而導曲線鋼軌和連接部分直股連接鋼軌尺寸較大，傳感器感應持續時間較長，則傳感器經過導曲線鋼軌和連接部分直股連接鋼軌時，信號在波形圖上對應正梯形曲線。

鐵路橋梁軌道結構包括護軌和護軌梭頭。當檢查車通過鐵路橋梁時，地面標志傳感器感應產生一對高電壓信號，將其對應顯示在波形圖上。

新型傳感器已在路局軌道檢查車上使用兩年，效果良好，還將陸續使用在城軌檢測車和部分新造軌道檢查車上。

軌道檢查車過橋梁時傳感器信號波形如圖6所示。

圖6 軌道檢查車過橋梁時傳感器信號波形

4 結束語

本文通過對既有傳感器存在的問題及原理分析，設計了抗干擾能力更強的傳感器內部結構和信號處理方式。新型傳感器的穩定性和可靠性得到極大改善，減輕了操作人員工作量。新型地面標志傳感器具有傳感器功能，具備更好的可調節能力，同時，也更好地輔助線路維護人員快速定位軌道病害位置，滿足了新型軌檢系統對傳感器的接口和性能要求。新型傳感器結構簡單、體積小、便于安裝。隨著新型軌檢系統的推廣，新型地面標志傳感器在軌道交通安全領域將具有更廣闊的應用空間。