铁路新型地面标志传感器研制

刘正毅，苟云涛，程朝阳，崔建英

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100081； 2.北京交通大学理学院，北京 100044)

0 引言

铁路地面标志传感器是轨道几何检测系统中用于探测道岔、桥梁及轨距拉杆等轨道特殊构件的传感器。轨道上的道岔、桥梁及轨距拉杆等含有金属部件。铁路地面标志传感器安装在轨道检查车的下方，动态探测金属部件，根据金属部件的尺寸、距离等特征输出不同的信号。地面标志传感器输出的信号和轨检系统几何参数信号同步显示在轨道检测波形图上，检测人员根据波形图可更准确地定位轨道几何超限所在位置[1-2]。

电涡流传感器作为一种成熟的技术，被广泛应用到各行业。美国于20世纪80年代已经在轨道检查车上使用电涡流式传感器。20世纪90年代，日本已将电涡流传感器应用在综合检测车上。电涡流传感器对新干线进行检测，能检测线路的一些几何参数、地面标志等信息[3]。我国也于20世纪90年代开始研制和使用电涡流式的地面标志传感器。目前，各路局轨道检查车均采用电涡流式地面标志传感器作为轨道检测系统的一项辅助功能。地面标志传感器安装在与车轴平行的检测梁中间位置，距离钢轨面一定高度，用于探测含有铁磁性物体的特殊轨道构件，功能简单、易实现，但是对工作环境要求较高，需要频繁的人为干预。

为满足数字轨道检测系统的需求并进一步提高性能，研制了基于数字微处理系统的新型地面标志传感器。新型传感器保留了原地面标志传感器的外观，并重新进行了内部电路设计和结构优化，在兼容原地面标志传感器的基础上，扩展了适用于数字轨道检测系统的接口，功能上仍是检测线路地面标志。目前，新研制的传感器已作为产品应用在路局轨道检查车。

1 传感器原理

1.1 传感器探测原理

传感器原理如图1所示。振荡器产生频率f的正弦波信号，分别送入发射线圈及解调器的输入端；接收线圈将接收到的同频正弦信号送入解调器的另一个输入端。经过解调器解调后的直流信号μ0、μ1送入差动放大器处理后输出[4]。

图1 传感器原理框图

在传感器下无金属物时，接收线圈和振荡器的两路正弦信号分别对称，解调器解调出同样的直流信号，即u0=u1，差动放大器输出电压信号为零。当有金属物靠近接收线圈时，接收线圈电感量发生变化，接收线圈和振荡器的两路正弦信号不对称，解调器的输出有电压差，u0≠u1，则差动放大器输出电压不为零。金属物与传感器的距离越接近，传感器输出的电压值增加；当两者距离一定时，金属物面积决定了传感器电压输出值。

1.2 传感器存在问题分析

传感器输出信号漂移如图2所示。

图2 传感器输出信号漂移

传感器下方并无铁磁性物体情况下，当传感器工作一段时间或外界工作环境有较大变化时，传感器输出电压不为0，即μ0≠μ1。此时，输出波形偏离基线，掩盖了地面标志物的真实信号，需要操作人员对其阈值电压进行调节，使输出波形回到基线。

原因分析如下：传感器接收线圈下方无待测铁磁性物体时，线圈的交流电阻R1可用具有原型截面的长导线来近似表示。在一定范围内，R1为[5]：

式中：l为导线长度，m；s为导线的横截面积，m2；ρ0为导线材料在0 ℃时的电阻率，μΩm；a为导线材料电阻率的温度系数，10-6/℃；t为温度，℃；f为线圈中电流的频率，MHz；μr为导线材料的相对磁导率；μ0为真空磁导率，N/A2。

由R1近似表示可以看出，线圈交流电阻是温度t的函数，线圈电阻随温度的增加而增加。而电阻的增加使线圈品质因数变坏[6-7]，接收线圈的输出电压值μ0减小，则μ0≠μ1，表明传感器输出信号受温度影响而漂移。

1.3 新型传感器探测原理

新型传感器探测原理如图3所示。频率源电路产生频率为f的交变电流，若发射线圈接入频率源电路，发射线圈将产生相应频率的交变电磁场。此时，发射线圈交变电磁场激励接收线圈1和接收线圈2产生感生电动势ε1和ε2。

图3 新型传感器探测原理图

当轨道上没有地面标志物靠近传感器时，发射线圈产生的交变磁场稳定不变。传感器的两个接收线圈保证轴线与发射线圈完全垂直。沿发射线圈中垂线方向，在上下严格对称、技术参数保持一致的情况下，根据电磁感应原理，两个接收线圈的感生电动势相等。当ε1=ε2，则两个接收线圈的输出电压一致，即传感器的输出电压应为零。

当轨道上有地面标志物从下方靠近传感器时，地面标志物在交变电磁场中产生涡流，地面标志物中的涡流产生一个自身的交变电磁场，与接收线圈的电磁场相互作用，从而导致接收线圈周围磁场的改变。上下两个接收线圈到地面标志物的距离不同，线圈周围的电磁场变化量也不相同，则接收线圈1和接收线圈2的感生电动势不同，即ε1≠ε2。输出的电压值不等，传感器输出电压不为0，因此，传感器可以检测轨道上有地面标志物。

通过以上分析可知，新型传感器采用平衡式结构，接收线圈2与1上下严格对称，起到平衡线圈的作用。理想状态下，线圈1与2的温度漂移一致，经过差动放大电路后，线圈2补偿了线圈1的温度漂移，即抑制了温度变化对传感器输出的影响。

2 系统设计

2.1 系统结构

新型传感器系统框图如图4所示。传感器以数字信号处理器(digital signal processor,DSP)为核心，由探测线圈、信号处理电路以及频率源电路等组成。

图4 新型传感器系统框图

①探测线圈包括发射线圈和接收线圈两部分。发射线圈的漆包线线径为d1，均匀密绕在非金属骨架上，在交变电流激励下产生相应交变电磁场；接收线圈的漆包线线径为d2，均匀密绕在2个几何尺寸一致的非金属骨架上，要求2个线圈上下对称、匝数严格一致，且轴线严格与发射线圈轴线垂直、对称，在电路中以平衡差动方式工作。线圈制作的品质直接决定了传感器的灵敏度和稳定性等技术指标。

②解调电路解调接收线圈的输出信号，解调信号分别输出至两路对称的信号处理电路。

③信号处理电路完成信号放大和滤波功能，将探测线圈检测到的电压变化值进行多级放大。

④频率源电路的频率和幅值通过DSP控制；传感器检测数据经过DSP采样和处理，处理后的数据送入实时处理计算机。

⑤根据传感器在不同频率下的测试结果，选取100 kHz正弦波频率作为工作频率，提供给发射电路作为接收线圈的频率源。相较于用RLC串联或并联谐振电路实现，该传感器提高了波形产生的稳定性[6-9]。

⑥传感器作为整个轨道检测系统CAN网络的分节点，传感器数据经CAN总线传送至实时处理计算机CAN数据采集卡，数据传输速率为500 Kbit/s[10]。

⑦电源电路提供以上各电路所需的工作电压。

整个系统的特点是以DSP为核心，以总线方式连接主要器件构成数字系统。它可以方便地与实时处理计算机相连接，实现了传感器的远程参数设定和信息交换。与传统的模拟电路组成的金属探测器相比，系统性能得到了提高。

2.2 软件设计

2.2.1 软件总体设计

根据新型传感器检测装置的要求，系统软件应具备以下主要功能。

①采用DSP实现频率源正弦波发生器控制、A/D采样转换、采样数据处理等功能，采用CCS软件开发平台[11]。

②采样数据处理，并根据传感器初始输出改变传感器零点阈值，从而控制信号输出值。

③实时处理计算机实时显示检测结果及存储检测数据。

2.2.2 DSP模块程序设计

①正弦波发生器控制。

发射电路采用正弦波发生器作为频率源，正弦波发生器作用相当于晶振。在DSP和频率源之间使用SPI串行外设接口模块，采用主动工作方式，串行外设接口时钟则由DSP串行外设接口产生，并由SPICLK引脚输出。

②A/D采样。

芯片内置采样/保持的10位模数转换模块ADC，模块具有16路模拟输入通道(ADCIN0～ADCIN15)，采用ADCIN0～ ADCIN7通道分别采样，相当于每个采样点采样8次，并将8次结果累加后取其平均值。为了适应高速综合检测列车需求，选取100 μs作为A/D采样周期，每10 μs采样一次，一个采样周期内完成10次采样。

③数据处理。

传感器安装定位后，受车体及轨道等环境因素影响，其初始输出很可能不符合要求。为了保证传感器能够得到希望的输出值，程序设有阈值调节功能，通过接收上位机参数设置改变阈值，从而得到期望的输出值。

3 传感器测试

3.1 传感器封装

将符合技术参数指标要求的探测线圈接入电路板，并以一定角度装入符合强度要求的非金属壳体内。当传感器周围无金属物时，经过调试和标定使其输出电压为零，壳体内灌胶固待固化，即完成传感器的封装工艺。

3.2 传感器安装

传感器完成封装和试验室测试后，在轨道检查车上进行了安装。传感器安装在车体下面与车轴平行的检测梁上，距轨枕面不超过350 mm。当检查车经过线路地面标志位置时，传感器输出相应电压信号。

由于金属材料对线圈的磁场有较大影响，因此其固定支架用非金属材料，而且固定架周围一定范围内不能有金属物体，否则，将影响传感器工作的稳定性和可靠性。

3.3 线路测试及应用

轨道检查车过道岔时传感器信号波形如图5所示。轨道检查车经过线路道岔时，安装在车下的地面标志传感器经过转辙器尖轨拉杆和导曲线钢轨或连接部分直股连接钢轨，传感器产生高电压信号，并传输至检查车的实时采集处理机。

图5 轨道检查车过道岔时传感器信号波形

根据地面标志物的尺寸特点，对于道岔拉杆，传感器感应持续时间较短，信号在波形图上对应两根尖刺；而导曲线钢轨和连接部分直股连接钢轨尺寸较大，传感器感应持续时间较长，则传感器经过导曲线钢轨和连接部分直股连接钢轨时，信号在波形图上对应正梯形曲线。

铁路桥梁轨道结构包括护轨和护轨梭头。当检查车通过铁路桥梁时，地面标志传感器感应产生一对高电压信号，将其对应显示在波形图上。

新型传感器已在路局轨道检查车上使用两年，效果良好，还将陆续使用在城轨检测车和部分新造轨道检查车上。

轨道检查车过桥梁时传感器信号波形如图6所示。

图6 轨道检查车过桥梁时传感器信号波形

4 结束语

本文通过对既有传感器存在的问题及原理分析，设计了抗干扰能力更强的传感器内部结构和信号处理方式。新型传感器的稳定性和可靠性得到极大改善，减轻了操作人员工作量。新型地面标志传感器具有传感器功能，具备更好的可调节能力，同时，也更好地辅助线路维护人员快速定位轨道病害位置，满足了新型轨检系统对传感器的接口和性能要求。新型传感器结构简单、体积小、便于安装。随着新型轨检系统的推广，新型地面标志传感器在轨道交通安全领域将具有更广阔的应用空间。