一种矿山窄轨车辆用接近传感器

2020-06-08程玉龙

煤矿安全 2020年5期

程玉龙

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

窄轨运输是矿山运输的重要组成部分，在许多煤矿都有应用。随着智能化矿山逐渐成为今后矿山生产的发展趋势，对各个子系统的自动化控制需求不断增加，窄轨运输的一个发展趋势是向无人化发展，而建设窄轨矿车监控系统的一个基础环节就是矿车的定位。目前矿山常见的对矿车定位主要有无线定位卡定位、接近传感器定位等方法。使用接近传感器定位是较为通用的测量方法。由于井下环境的具有一定的复杂性如灰尘大、积水、轨道多样、车轮及轨道的磨损严重、轨道的平直度不一等等，要准确监测定位，并非易事。采用电涡流原理的接近传感器可以非接触的检测金属车轮位置，是一种较好的测量方式，因此需要对及其应用进行深入研究，提高其工作稳定性，保障矿山安全生产。

1 电涡流传感器工作原理

电涡流传感器是根据电涡流效应进行工作的。即变化的磁场中的金属导体中会产生感应电流，从而在金属导体表面形成若干漩涡状的闭合电流，这种现象称为电涡流效应。

常见电涡流传感器的核心部件是一个线圈，为了增强线圈的品质因数，线圈一般通过骨架或者直接缠绕于铁氧体磁芯之上。线圈需要与其他部件构成振荡电路，在传感器正常工作时，振荡电路及线圈内部一直存在一定频率振荡电流，因为电磁感应原理，振荡线圈内的交变电场会在周围产生一个交变的磁场[1-4]。磁力线会从线圈的端面密集穿过。电涡流传感器工作示意图如图1。

图1 电涡流传感器工作示意图Fig.1 Diagram of electric vortex sensor work

在线圈周围磁场中，有金属导体材质的被测物体靠近时，交变的磁场就会在金属导体中产生一个涡流电流，而涡流电流又会形成与线圈磁场相反的磁场，反作用于线圈，这样，造成了原振荡电路的能量损耗，导致原振荡波形幅值变小。即线圈的电感、阻抗以及品质因数的值都会发生变化。线圈的几何形状、线圈的材质、绕制方式、磁芯的形状、线圈的工作频率、线圈周围金属导体的分布[5]，以及周围金属导体的材质、电阻率、磁导率、几何形状等参数均影响电涡流的大小[6]。实际应用中，线圈的参数基本固定，安装在固定位置检测金属车轮时，车轮的大小、形状基本不变，周围的金属导体也基本不变，这样，检测振荡波形的变化，可以反映出线圈周围环境的变化情况，从而检测出车轮是否经过。

2 传感器的设计

2.1 整体结构

传感器整体结构示意图如图2。

图2 传感器整体结构示意图Fig.2 Brief diagram of the overall structure of the sensor

矿用接近传感器的整体结构可以分为3 个部分。其中，振荡电路作用是在线圈中产生电磁振荡，向周围发出振荡电磁波；比较电路则对振荡线圈的品质因数进行检测，当线圈周围的振荡电磁场中出现金属导体，导致振荡电磁波能量被吸收，线圈品质因数下降时，将电磁振荡波形幅值与预设阈值进行比较，判断金属导体是否进入或离开有效检测区域，其结果输出一个动作信号；电流转换电路则是根据比较电路检测出的结果，切换不同的分流电路，从而改变传感器的输出电流[7]。

传感器的设计目标是二线制，输出为1 mA 和5 mA 的电流信号。未检测到金属导体时，电流值为1 mA；检测到金属导体时，电流值为5 mA；对低碳钢标准样块的检测距离为30 mm。

2.2 检测线圈

基于比较线圈品质因数Q 值的接近传感器，设计上应该遵循2 个原则：①在检测量程附近，金属导体与线圈的距离变化△L 时，Q 值的变化△Q，应该尽量大，这样才容易控制检测距离阈值，同时传感器的灵敏度也越高[8]；②应该保证振荡电路在工作频率运行时，Q 值尽量大，后继电路才容易设计。

检测线圈主要由线圈、骨架、铁氧体磁芯构成。线圈的电感主要由绕线匝数及绕制形状决定。线圈的品质因数则与磁芯的材质及形状、线圈骨架的形状及材质、线圈绕线的材质及类型、线圈的绕线匝数及绕线密度等均有关。因此，要设计满足需求的传感器，需要重点研究磁芯及线圈的性能与相关参数的联系。

2.2.1 磁芯和线材

选择了3 种不同形状的铁氧体磁芯：半圆形磁芯、罐型磁芯和空罐型磁芯。其中半圆形磁芯选取了2 个不同尺寸：34 mm 的外径和75 mm 的外径；罐型磁芯选取了外径42、59、68 mm 的3 种型号；空罐型磁芯选取了59 mm 外径一种。

选取了2 种线材作为线圈的绕制之用：一种是适用于高频电路的利兹线[9-10]，一种是小截面线。

2.2.2 测试

电磁波是沿空间发散的，线圈周围的金属物体，都会对测试结果造成影响。因此，测试中选用了固定的试验台进行测试，以避免环境周围因素的影响。测试采用1 块专门加工的低碳钢材质的测试样块，令其正对线圈，沿标尺逐步推进，同时利用电感参数测试仪监测线圈Q 值的变化情况。

经过实际测试，磁芯形状对Q 值的影响较大，在同样使用了80 匝小截面线绕制线圈的情况下，外径75 mm 的半圆形磁芯的Q 值明显高于外径34 mm 的磁芯。在100 kHz 附近，Q 值达到了峰值。

使用100 kHz 的正弦波驱动线圈，对线圈检测金属导体的工作距离进行测试，34 mm 外径的半圆形磁芯线圈的线性度在5～15 mm 内较好，一旦大于20 mm，随着距离的增加，Q 值的变化逐渐趋于平缓，即在100 匝绕线的情况下，34 mm 外径的半圆形磁芯更适合感应距离在20 mm 以内的检测；外径75 mm 的半圆磁芯线圈可以有更大的测量范围。

对罐型磁芯同样进行了测试。其中2 个线圈均绕制了100 匝，使用了2 种不同的线。使用利兹线的性能明显优于使用小截面线的线圈。Q 值的峰值同样出现在100 kHz 附近，因此，同样可以将线圈的工作频率设置在100 kHz 左右，这样距离变化引起的Q 值变化更大，更容易设计后继电路。

在100 kHz 条件下，罐型磁芯在30 mm 附近的Q 值变化比较接近线性，以此制作传感器，可以获得良好的性能。而空罐型磁芯由于线圈为中空，其Q值距离曲线较为平坦，不适合应用。

综上，半圆形磁芯与罐型磁芯满足目标检测距离的应用，但半圆形磁芯在应用中存在几个问题：首先，这是异型磁芯，需要定制烧制，对产品的批次不容易控制；其次，测试中发现检测距离增加之后，半圆形磁芯的磁力线较为发散，很容易受到空间内其他金属物体的影响；最后，半圆形磁芯体积较大，不利于缩小传感器体积。

因此，选用半圆形磁芯不方便现场的应用要求，经过选择，罐型磁芯比较适合。

2.2.3 电路设计

线圈使用更多的绕线匝数，会得到更好的灵敏度。但是，电感也会相应的增加，导致对传感器电路进行本安化设计的难度增加。因此，根据实验数据，将传感器的工作频率设定于100 kHz 附近，使用LC谐振电路设计。根据相关公式，LC 振荡电路的频率计算由式（1）决定：

式中：f 为振荡频率，Hz；L 为电感，H；C 为电容，F。

对式（1）进行变形，得到如下计算对应电容值C的公式:

线圈的电感可以从测量若干样品统计出平均值而定，预设工作频率，即可计算出相应的电容取值。但是电容产品的值分不同的系列，并不连续，需要反复使用式（1）和式（2），根据电容的可选容值，取得近似的频率即可，因为对设计而言，振荡频率在一定范围内，均可接受。感应距离可以通过后继电路进行微调。

3 现场试验

在小宝鼎煤矿地面车场对接近传感器进行了现场试验，整个试验系统包括接近传感器4 只，KJ562-Z 分站1 台，以及安装有上位机监控软件的计算机1 台。其中，传感器分为2 组，每组2 台，1 组安装于入井的空车轨道上；另1 组安装于出井的重车轨道上。传感器按照一前一后的位置进行安装[11]。这样，在检测车轮经过的同时，可以利用2 台传感器信号的时间差完成轨道车行进方向以及行进速度的检测。监控分站以及监控计算机安装在井口车场值班室内。现场试验拓扑图如图3。