中低速磁浮列车测速与相对定位传感器研究与实现

国防科学技术大学

硕士学位论文

中低速磁浮列车测速与相对定位传感器研究与实现

姓名：姜锐

申请学位级别：硕士

专业：控制科学与工程

指导教师：龙志强

2010-11

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

摘要

测速定位技术是中低速磁浮列车的核心技术之一。测速定位系统通过向地面控制中心和车上其它系统提供速度与位置信号，使磁浮列车实现牵引、制动和运行控制。本文以工程实际应用为背景，以国防科技大学研制的CMS04型工程化样车为应用对象，以实现列车准确测速与相对定位为目的，研究并实现了一种新型测速与相对定位传感器。该传感器弥补了现有测速定位系统所采用的电感式接近开关传感器对检测距离敏感的缺陷，克服了检测距离对测量结果的影响，消除了因车体抖动而带来的测速定位误差，具有较强的工程应用前景。本文主要研究以下几个方面的内容：

（1）通过分析电感式接近开关传感器的缺陷及其原因，提出一种基于相邻检测线圈电感量进行一阶差分计算以实现准确定位的设计方法。在此基础上，为了提高传感器检测灵敏度，增强传感器的抗干扰性，避免误判断问题，又提出了对相邻三个检测线圈的电感量进行二阶差分的检测方法，提高了该传感器的可用性。

（2）在对检测线圈进行理论推导计算的基础上，应用有限元软件仿真、分析与验证了匝数、线径、激磁线圈与检测线圈之间距离和检测距离对线圈性能的影响，设计并绕制了适用于本文所研究传感器的检测线圈。

（3）根据中低速磁浮列车“传感器计数法”测速定位系统对传感器的性能要求，对传感器的激磁电路，功率放大电路，解调电路和数字处理电路进行了分析与设计，最终实现了一套传感器试验系统。

（4）通过标定台对传感器线圈进行标定，并模拟列车各种运行情况，对传感器进行定位试验。

通过地面模拟试验测试，验证了新型测速与相对定位传感器的可用性。试验结果表明，新型传感器各项性能满足设计要求。

关键词：磁浮列车传感器测速定位电涡流一阶差分二阶差分

第 i 页

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

ABSTRACT

The technology of speed and location detection is one of the key technologies of low speed maglev train. It provides speed and location signals for ground control center and other systems in maglev train to carry out traction, braking and operation control. Based on engineering application, and taking the CMS04 maglev train developed by National University of Defense Technology as the application object, this paper accomplishes the design and realization of a new speed detection and relative location sensor to realize high-precision LSD for maglev train. This sensor overcomes the defect of the inductive proximity switch which is sensitive to detecting distance, and eliminates the influence of detecting distance and train body vibration on the measurement results. Thus is promising in engineering application. The main jobs done in this thesis are as follows:

(1). A new speed and relative location detection scheme which uses first difference to detect the inductance values of two adjacent coils for high-precision LSD is proposed by analyzing the defects of the inductive proximity switch. Based on this, in order to improve detection sensitivity, enhance noise immunity and avoid misjudgments, a further detection method applying second difference to the inductance of three adjacent coils is proposed which enhances the sensor’s availability.

(2). On the basis of theoretical derivation, the finite element software is applied to simulate and verify the effect of turn number, wire diameter, detecting distance, the distance between exciting coil and detecting coil on the detecting coil. The detecting coil which is suitable for the new sensor is designed and entwined

(3). According to the performance requirements of the speed and relative location detection system of “sensor-counting method” for low speed maglev train, the exciting circuit, the power amplifier circuit, the demodulation circuit and the digital processing circuit are analyzed and designed. Finally, a test sensor system is accomplished.

(4). The new sensor is calibrated though calibration table and its location detection function is tested in different operation conditions which are simulated by calibration table.

The availability of the new speed and relative location detection sensor is verified by ground simulated experiment. The test results show that the properties of the new sensor satisfy the design requirements.

Key Words：maglev train sensor speed and location detection eddy current first difference second difference

第 ii 页

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

第 III 页 图 目 录

图1. 1 交叉感应回线的铺设 (2)

图1. 2 交叉感应回线测速定位系统框图 (3)

图1. 3 三路线圈信号合成逻辑示意图 (3)

图1. 4 “轨枕计数法”示意图 (5)

图1. 5 “传感器计数法”测速定位传感器位置示意图 (6)

图1. 6 接近式电感传感器工作原理示意图 (7)

图1. 7 接近开关传感器脉冲信号 (7)

图1. 8 正常高度时，传感器与轨枕相对位置示意图 (8)

图1. 9 高度降低时，传感器与轨枕相对位置示意图 (8)

图1. 10 高度升高时，传感器与轨枕相对位置示意图 (8)

图1. 11 接近开关输出信号对比图 (9)

图2. 1 传感器原理框图 (11)

图2. 2 检测线圈排列位置示意图 (12)

图2. 3 单线圈与轨枕相对运动示意图 (13)

图2. 4 单线圈电感变化仿真曲线 (13)

图2. 5 双线圈运动位置示意图 (14)

图2. 6 双线圈电感变化曲线 (14)

图2. 7 两线圈高度变化曲线 (15)

图2. 8 电感变化率最小时，线圈运动区域示意图 (16)

图2. 9 传感器工作示意图 (16)

图2. 10 三线圈电感变化曲线 (17)

图2. 11 三线圈高度变化曲线 (18)

图2. 12 传感器波形示意图 (18)

图3. 1 线圈等效电路模型...........................................................................................20 图3. 2 ()f k 与k 的关系曲线.......................................................................................22 图3. 3 电涡流回路单元...............................................................................................23 图3. 4 双线圈几何模型...............................................................................................26 图3. 5 相邻三线圈几何模型.......................................................................................26 图3. 6 模型网格划分...................................................................................................27 图3. 7 材料属性选择...................................................................................................27 图3. 8 匝数对性能影响对比曲线...............................................................................29 图3. 9 线径对线圈性能影响对比曲线.......................................................................30 图3. 10 激磁线圈与检测线圈距离对线圈性能影响对比曲线 (31)

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

第 IV 页 图3. 11 检测距离对线圈性能影响对比曲线.............................................................32 图4. 1 传感器功能结构示意图...................................................................................33 图4. 2 方波信号示意图...............................................................................................35 图4. 3 管脚设置...........................................................................................................37 图4. 4 激磁信号频率设置...........................................................................................38 图4. 5 丙类谐振功率放大器电路示意图...................................................................40 图4. 6 c i 曲线................................................................................................................40 图4. 7 功率放大电路...................................................................................................41 图4. 8 包络检波电路原理图.......................................................................................42 图4. 9 包络检波器检波前后波形图...........................................................................42 图4. 10 同步解调模型图.............................................................................................43 图4. 11 同步解调电路.................................................................................................44 图4. 12 传感器同步解调示意图.................................................................................45 图4. 13 处理程序流程图.............................................................................................48 图5. 1 传感器信号流向图...........................................................................................50 图5. 2 标定台照片.......................................................................................................51 图5. 3 高度50mm 时，线圈标定曲线.......................................................................51 图5. 4 三线圈标定曲线...............................................................................................52 图5. 5 C1和C2差值与位置关系曲线........................................................................52 图5. 6 C2和C3相邻线圈差值与位置关系曲线........................................................53 图5. 7 二阶差分后，电压差值与位置关系曲线.......................................................53 图5. 8 高度60mm 时，线圈标定曲线.......................................................................54 图5. 9 高度65mm 时，线圈标定曲线.......................................................................55 图5. 10传感器实物图..................................................................................................56 图5. 11 高度不变时，二阶差分的三维曲线.............................................................56 图5. 12 二阶差分的高度对比三维曲线.....................................................................57 图5. 13 高度变化3mm 时，二阶差分的三维对比曲线...........................................57 图5. 14 高度变化3mm 时，二阶差分的二维对比曲线...........................................58 图5. 15 高度变化5mm 时，二阶差分的三维对比曲线...........................................58 图5. 16 高度变化5mm 时，二阶差分的二维对比曲线. (59)

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

第一章绪论

1.1 论文研究背景与目的意义

中低速磁悬浮列车是一种新兴的先进轨道交通系统工具，利用电磁力支撑列车脱离轨道，通过直线电机实现列车的无接触牵引，避免了传统轮轨系统车辆的机械磨损和振动。它具有噪声低，转弯半径小，爬坡能力强，选线灵活，节约土地资源，运行安全性好，维护成本低等地铁和城市轻轨所无法比拟的优势[1]。

2001年北京控股磁悬浮技术发展有限公司和国防科技大学联合在长沙建成了204m长的中低速磁浮试验线，并研制成功一辆CMS-03型中低速磁浮试验样车。2008年5月在唐山机车车辆厂内建成了长1.547km的中低速磁浮试验示范线，并于2009年4月试制成功两辆CMS-04实用型磁浮工程化样车。历经近十年发展，国防科技大学成功研制了三代磁浮列车，目前我国自主研发的磁浮列车技术已经日渐成熟，并逐步进入到商业化运营阶段。

测速定位系统是中低速磁悬浮列车的系统技术之一，为牵引系统、制动系统、运行系统和监控系统提供速度与位置信号。测速定位系统所提供信号的准确性与可靠性是列车安全、稳定、可靠运行的保障和必要条件。

中低速磁浮列车测速定位系统功能可归结为如下几点：

（1）在列车自动控制（ATC）子系统中，提供区段占用与否的信息，作为转换轨道检测信息和速度控制信息发送的依据；

（2）为牵引控制（DCU）子系统、制动控制（BCU）子系统提供速度信号，实现列车速度的闭环控制。

（3）为列车自动监控(ATS)子系统提供列车位置信息和速度信息，测定列车运行方向，作为显示列车运行状态的基本信息，为驾驶员驾驶列车提供依据。

（4）为列车自动防护（ATP）子系统提供准确的位置信息和速度信息，作为列车在车站打开车门以及站内屏蔽门的依据和实现自动驾驶与自动保护功能。

（5）为列车自动驾驶(ATO)子系统提供列车精确的位置信息，确保列车站台定点停车。

（6）保持与外部设备的通信，将速度与位置信号实时的传送给列车上其他用户系统。

总之，测速定位系统的重要作用决定了它首先必须保证提供准确的列车位置和速度信息；其次，列车朝便捷、舒适的方向发展，对列车测速定位技术的精度和实时性也提出了更高的要求。为满足测速定位系统的性能要求，需要研究与设计性能更加优良的测速与相对定位传感器。

第 1 页

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

传感器是测速定位系统主要构成部分。为更好实现测速定位系统功能，向磁浮列车及地面控制中心提供准确的位置和速度信息，测速定位系统需要选取可靠、准确、灵敏度高的位置传感器。即使在复杂环境下，所选取位置传感器依然可以为测速定位系统提供准确的位置信号。

测速与相对定位传感器所满足的需求：

（1）不接触轨道（地面）。

（2）在0~60mm范围内均可准确检测位置，灵敏度高。

（3）在温度-30℃~ +70℃条件下稳定可靠。

（4）不受雨、雪、霜、冰等天气变化影响，不受环境污秽影响。

（5）良好的抗干扰性和可靠性。

（6）成本低廉，结构简单，便于安装。

1.2 磁浮列车测速定位方法研究概况

由于磁浮列车特点决定其无法直接采用轮轨铁路的测速定位方法，目前，国内外中低速磁浮交通领域采用的测速与相对定位主要如下：

1.2.1 交叉感应回线测速定位

交叉感应回线测速定位是利用电磁感应原理来检测磁浮列车相对位置，然后根据列车位置增加量动态计算列车运行速度。环线铺设方法如图1. 1所示。将交变电流送入沿磁浮线路铺设的交叉感应回线。交叉感应回线按矩形环路逐一展开的方式铺设，每个环线长度为L，而且相邻环路回线交叉且产生磁场方向相反[2]~[7]。

图1. 1 交叉感应回线的铺设

当列车运行时，车载线圈在交叉感应回线的环路上将产生互感电压，该互感电压信号是一个均值为0且与激磁信号同频率的高频振荡信号。车载线圈处于交叉感应回路的正上方时，产生的感应电压幅值最大，而位于相邻回路的交叉部分时，其感应电压幅值为零。经过检波，整形可得到感应电压的包络，这个包络反映了车载线圈与交叉感应回线的环路之间的相对位置情况，再经过整形处理可得位置脉冲。位置脉冲与固定的时间基准相比，得到速度信号。

基于交叉感应回线方法的测速定位系统可以分为地面设备与车载设备。地面

第 2 页

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

第 3 页 设备包括激磁源和用于发射信号的交叉感应回线；车载设备包括接收线圈、输入回路、模拟信号处理电路和数字信号处理电路。接收线圈接收地面发射的电磁信号输出相应的电压信号；输入回路主要负责选择有用信号，滤除杂波信号；模拟电路主要完成滤波、检波以及形成位置脉冲信号；数字电路负责从位置脉冲信号中求得列车速度和相对位置、显示并且传送到相关设备。系统框图如图1. 2所示。

图1. 2 交叉感应回线测速定位系统框图

在实际使用中，为了提高定位精度，可以采用多个接收线圈获得多路信号来实现。图1. 3中，线圈1、线圈2、线圈3为三个相同的线圈，在一个环路周期（2L ）内等间隔设置，相邻线圈中心距为L ，这样线圈间的感应电压信号的相差为120 。经过对接收线圈输出信号发生顺序的检知可以得到车辆的实际移动方向。同时，将三路信号进行合成并作差分处理后，可以得到/3L 的定位精度。

图1. 3 三路线圈信号合成逻辑示意图

交叉感应回线测速定位方式，由轨道上铺设长度均一的环线，利用车载装置读取距离刻度标识，通过对刻度增加量的计算可以求出列车移动距离和速度，定位测速精度较高。

然而，这种测速定位方式必须沿轨道全线铺设环线，且必须保证回线内的激励信号满足车载线圈检测需要。在长距离轨道线路中，由于激励信号驱动功率及

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

第 4 页 可靠性的需要，感应回线一般需要分区段控制，地面环线驱动系统较为复杂，一旦某一段出现故障，则全线列车运行就会受到影响。

日本名古屋8.9km 的HSST 试验线和18.4km 的超导高速磁悬浮山梨试验线以及国防科学技术大学204m 试验线都采用了交叉感应环线实现列车的测速定位。

1.2.2 多普勒雷达测速定位

根据微波传输的多普勒效应原理，可以测定移动物体相对地面（路基）的运动速度。在列车上安装雷达，雷达天线向轨面发射电磁波，经过轨面反射回天线。列车相对轨面的运动会使得发射波和接收波之间存在一定的频率差，即多普勒频率d f ，其值正比于列车速度和天线波束方向与水平地面夹角的余弦值。根据这个

原理可以测得列车运行速度V [8]： 2cos d c f c V f α×= （1. 1）

其中：d f 为多普勒频率；c f 为雷达工作频率；V 为列车运行速度；c 为光速；α为天线辐射角度。

雷达测速具有维护量小，适用范围比较宽，可以求得列车运行的绝对速度的优点，但是，由于雷达测速波束在传输的途径中不能有障碍物，另外，如果作为检测面的地面（路基）不能为镜面（或吸波材料），将导致雷达波束发生镜面反射（折射），从而使雷达天线无法接收到足够的雷达回波，无法测算多普勒频率。因此雷达测速定位方法在实际使用中需要注意如下几个方面：

（1）雷达天线安装时须保证行驶中与地面（轨道）俯仰角及偏航角与产品设计参数一致；

（2）雷达波束范围内不能有与运动载体关联的物体；

（3）作为检测面的地面（轨道）须保证雷达有足够的回波，由于雨雪天气易造成检测面折射雷达波，尤其是在检测面结冰时，会造成误测量，因此使用需考虑天气情况的适用性；

（4）低速时多普勒频率比较小，容易受到外界干扰，会导致测量精度下降； 在唐山低速磁浮工程化试验线上，采用了德国DEUTA-WERKE 公司的DRS05a 型雷达传感器，以直线电机反应板为检测面，为运控系统车载设备提供速度与相对定位信号，但正是基于上述特点的约束，在使用中该传感器仅能作为辅助使用。

国内方面，湖南湘依铁路机车电器有限公司研制的车载雷达测速传感器在青藏铁路上应用，主要用于配合机车光电转速传感器，在铁路机车轮子打滑时对速度信号进行修正，目前尚无在信号系统中独立使用的例子。国外方面，韩国研制

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

第 5 页 的中低速磁浮列车采用了该方案。

1.2.3 轨枕计数法测速定位

“轨枕计数法”测速定位，采用电感式接近开关作为测速与相对定位传感器[9]。在列车低速时，测量通过两枕木之间的时间t ，则 1.21/()V t =×米/秒；列车高速时，采集列车单位时间t 内通过轨枕的轨枕数目n ，再结合每两根轨枕间距L(固定值)已知的信息，即可测出列车已经过的里程S n L =×，也就可以算出列车的运行速度1/V S t =×。如图1. 4所示。

图1. 4 “轨枕计数法”示意图

这种方法设备简单，但传感器和轨枕间的距离不宜太大，因而对列车运行时的车体的振动适应能力较弱；轨枕与传感器间的距离不同或者轨枕的宽度有差异，输出脉冲的占空比也不同，会导致速度测量误差。最关键的是，在轨枕间距不规则的情况下，这种依赖于固定轨枕间距的测速方法无法使用。

在国防科大204米试验线及唐山中低速磁浮列车工程化试验示范线上，轨枕间距铺设经过精密设计，该方案提供的速度脉冲信号基本满足了列车牵引控制系统的要求。

1.2.4 传感器计数法测速定位

“传感器计数法”是基于“轨枕计数法”提出来的改进方法。其同样采用电感式接近开关作为测速与相对定位传感器。

传感器呈直线安装在平行于线路的支架上，支架安装在车体底部，传感器安装如图1. 5所示。当车辆运行时传感器依次划过轨枕，一组传感器经过同一根轨枕时会产生依次相邻的方波，求出相邻方波的时间间隔，从而得到车辆的速度和位置信息[10]。

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

图1. 5 “传感器计数法”测速定位传感器位置示意图

与原方法相比其优点在于：“传感器计数法”利用传感器间距替代了“轨枕计数法”法采用的轨枕间距作为测速基准。“传感器计数法”可以允许轨枕在一定范围内任意铺设，降低了施工要求，提高了测速精度。在处理复杂线路（如道岔、不规则轨距等）的能力上，“传感器计数法”的表现要明显优于“轨枕计数法”。

应用“传感器计数法”进行测速定位，只要存在金属材质的轨枕，利用电涡流传感器通过非接触主动检测，就可以完成测速定位，不需要地面增设专用设备，抗干扰性能好、结构简单、便于维护、可靠性高、成本较低。同时不需要轨枕均匀排列，减小了轨道设计和安装难度。

通过以上几种测速定位方法的比较可知，采用感应环线进行测速定位，系统过于复杂，且成本较高；采用多普勒雷达进行测速定位，无法克服天气变化对测量精度的影响；而“轨枕技术法”和“传感器计数法”由于采用电感式接近开关作为传感器，成本低廉、结构简单、不受天气变化的影响、使用可靠，基本上满足测速定位系统的要求。

1.3 基于接近开关的“传感器计数”测速定位方法分析

1.3.1 电感式接近开关传感器的工作原理

电感式接近开关，一般由LC主频振荡、检波、放大、触发及输出等组成。振荡器产生一个交变磁场，当金属物体（检测体）接近这一磁场（开关感应面），并达到相应的感应距离时，便会在金属检测体内产生涡流，而这个涡流反作用于接近开关，使开关振荡能力衰减，从而使内部电路参数发生变化，进一步导致振荡衰减，直至停振。振荡器振荡和停振的变化被后级放大电路处理转换成开关信号，触发控制驱动器件，由此识别出有无金属物体的接近，进而控制开关的通或断[11][12][13]。

第 6 页

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

第 7 页

图1. 6 接近式电感传感器工作原理示意图

图1. 6为电感式接近开关原理示意图，三点式LC 振荡电路，当电感L 不与金属接近时，设其电感值为L1，选择C2、C3，使电路振荡，振荡频率见公式1.2。此时OUT1处的波形方波，OUT2处的波形为正弦波。

当金属物接近电感时，磁路中的气隙减小，电感值增加，振荡条件消失，OUT1 输出低电平，由此即可判断出接近开关检测范围内存在金属物体。

f = （1.2）

1.3.2 “传感器计数”测速定位方法的特点

“传感器计数法”采用接近开关传感器检测轨枕的方法进行测速定位。位置示意图如图1. 5所示，当安装在列车底部的接近开关传感器通过轨枕上方时，传感器输出一个脉冲信号，如图1. 7。测速定位系统根据有无脉冲信号来判断有无轨枕。运用该方法的测速定位原理是：利用计算机来采集列车单位时间t 内经过轨枕上方的传感器数目n ，再结合传感器间距L ，即可计算出列车已经过的位移S n L =× 和列车的运行速度1/V S t =×。

图1. 7 接近开关传感器脉冲信号

这种方法的优点是：系统结构简单，可靠性较高。但也存在很大的不足。如图1. 8所示。正常情况下，列车运行时，传感器距轨枕距离为H 1，当传感器S1位置处经过轨枕上方，接近开关输出信号发生跳变，触发上升沿脉冲。当传感器

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

第 8 页

S2处经过轨枕上方，接近开关输出信号再次发生跳变，触发下降沿脉冲。

图1. 8 正常高度时，传感器与轨枕相对位置示意图

但当车体发生抖动，传感器与轨枕距离发生改变，检测距离变为H 2（H 2

致所测量到的速度脉冲占空比和相位变大，引起速度测量误差。

图1. 9 高度降低时，传感器与轨枕相对位置示意图

同理，传感器与轨枕的距离变为H 3（H 3>H 2）时，触发脉冲上升沿和下降沿的位置变为S5、S6，速度脉冲占空比和相位变小，如图

1. 10所示。

图1. 10 高度升高时，传感器与轨枕相对位置示意图

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

第 9 页 在“轨枕计数法”测速定位方法中，为减小因检测距离变化而带来的误差，采用L 3作为测速序列对的时间间隔，如图1. 7所示，L 3=（T 4+T 3-T 1-T 2）/2。但这种方法只有在列车经过轨枕时始终处于同一高度的情况下，才可以消除误差。但当列车发生抖动时，检测距离变化十分迅速，在列车经过一个轨枕宽度的时间内，检测距离就会发生很大变化。 图1. 11即为经过轨枕上方时，检测距离发生变化，接近开关输出信号示意图。从图中可以清楚看出， 当检测距离变小时，输出脉冲占空比变大，12t t Δ<Δ，会导致测得的速度变小；同理，检测距离变大时，输出脉冲占空比变小，13t t Δ>Δ，导致测得的速度变大。

时脉冲信号

图1. 11 接近开关输出信号对比图 所以，为彻底消除因列车抖动带来的测速定位误差，需要从原理上解决电涡流式传感器对检测距离敏感的缺陷，克服因检测距离变化导致的测量误差。随着中低速磁浮列车实用化，商业化运营的日益临近，寻找一种不受检测距离变化影响的测速与相对定位传感器变得迫在眉睫。本文基于此工程应用背景，设计、研发并制造了一种新型传感器，从原理上解决了检测距离影响检测灵敏度的问题，彻底消除了因列车抖动带来的测速定位误差。

1.4 本文主要研究内容

本文针对现有中低速磁浮列车测速定位传感器存在的对车体振动敏感而带来的测速与定位误差问题，提出一种基于二阶差分结构的测速与相对定位传感器设计方案，并予以实现。本文的具体内容和结构安排如下：

第一章 绪论：本章介绍了课题研究的背景和意义，对当前国内外中低速磁浮列车所采用的测速定位方法进行了综述，总结了磁浮测速定位的理论与实践成果；阐述了应用于磁悬浮列车的测速定位传感器的研究现状及发展方向。通过对目前所用传感器的优缺点进行比较，并针对国防科大研制的CMS04实用型磁浮工程化样车所采用的测速定位方法及测速与相对传感器的优缺点，提出研究一种新型测

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

速与相对定位传感器的构想。在此基础上，引出本文的主要研究内容。

第二章新型测速与相对定位传感器：本章针对当前所用传感器的缺陷与不足，提出了一种基于二阶差分结构的测速与相对定位传感器，介绍了所研究传感器的系统结构，并对其工作原理进行了详细分析。最后在综合分析传感器性能和实际工作环境的基础上，对检测线圈提出设计要求。

第三章测速与相对定位传感器线圈分析、设计与仿真：本章主要对电涡流传感器的核心部件——检测线圈进行设计与仿真。首先对检测线圈的等效电路进行分析，并对线圈与轨枕之间互感和线圈渗透深度与涡流能量损耗进行计算。详细介绍应用Maxwell3D软件对检测线圈的仿真过程，对各种条件下的检测线圈性能进行对比分析，根据实际工况，对检测线圈进行优化设计。最终确定检测线圈的结构参数。

第四章测速与相对定位传感器的软、硬件设计与实现：本章首先对传感器工作过程进行综述，然后分别讨论了激磁电路部分、解调电路部分和功率放大电路部分的设计。对信号源和激磁频率进行分析与选择，介绍了基于C8051F500的信号源设计方案；对信号同步解调进行理论推导，确定同步解调的方案；对功率放大电路进行分析，选择与设计。最后介绍了单片机程序的工作流程。

第五章测速与相对定位传感器试验分析：本章在实现了整个电涡流测速传感器系统的基础上，通过标定台对传感器进行标定，确定阈值。最后对传感器的定位功能和消除检测距离对测量结果影响的特性进行试验验证，并对试验数据作出分析。

第六章总结与展望：本章对全文的主要研究工作进行了总结，提出了本文最终的研究结论，并指出仍需进一步研究的方向和思路，对以后工作进行了展望。

第 10 页

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

第二章新型测速与相对定位传感器原理与结构

目前“轨枕计数法”和“传感器计数法”这两种测速定位方法均采用电感式接近开关作为测速与相对定位传感器，其优点为简单、可靠、适应性好。但接近开关的工作原理决定了它的检测灵敏度受检测距离影响很大。并且为避免接近开关之间发生互扰，相邻传感器的安装必须保持一定距离，这也限制了这两种方案的测量精度。本章提出一种应用于中低速磁浮列车的新型测速与相对定位传感器，采用二阶差分的方法，从原理上解决了1.3.1和1.3.2节中提到的普通电感式接近开关检测灵敏度受检测距离影响的缺陷。

2.1 新型传感器系统结构

为消除因车体抖动而带来的测量误差，克服检测距离变化带来的影响，并保持原有传感器结构简单、可靠性高、不需轨枕均匀排列的特点，本文提出一种新型的测速与相对定位传感器，其原理框图如图2. 1所示。

图2. 1 传感器原理框图

新型测速与相对定位传感器以电涡流效应为基础，通过相邻检测线圈的组合与差分，准确检测出线圈与轨枕的相对位置，且不受检测距离变化的影响。如图2. 1所示，激磁电路将激磁信号送入检测线圈中。当传感器经过轨枕时，线圈周围的交变磁场在轨枕表面形成涡流。由于受到电涡流效应的影响，线圈阻抗发生变化，导致检测信号发生变化。检测信号处理电路对检测信号进行处理。图中，线圈组合3位于轨枕正上方，通过处理电路对检测信号的处理，判断出轨枕的位置，并将脉冲信号发送给测速定位系统。

测速与相对定位传感器的检测线圈沿轨道纵向安装。相邻轨枕间距最大为120cm，单个线圈长度l为10cm，以达到定位精度10cm的要求，同时为保证测速定位系统所提供速度信号的连续性，必须使检测线圈的长度L足够长，可以跨接

第 11 页

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

在相邻两个轨枕上。为解决定位精度与水平方向测量范围的矛盾，采用多个结构参数相同的单个线圈联合组成检测线圈的方式，检测线圈的排列如图2. 2所示。

图2. 2 检测线圈排列位置示意图

列车运行过程中，斩波器、牵引逆变器等各种设备均会产生较强的电磁场，检测线圈必定会产生感应电压，给传感器带来误差，影响测量结果。为解决这个问题，采用将线圈同向连接，并对相邻线圈进行差分的方法。因为检测线圈水平安装于列车底部，且检测线圈面积很小，所以可以近似认为相邻线圈通过相同的磁通量。由于相邻线圈的绕向和结构参数相同，会产生大小及方向均相同的感应电压。通过对相邻线圈检测电压做差，可以有效消除因车底其他设备干扰而产生的感应电压对传感器的影响。

2.2 传感器工作原理

2.2.1 一阶差分方法工作原理及缺点

单个线圈以图2. 3所示方式与轨枕相对运动。通过ANSOFT软件仿真（具体仿真方式及条件在3.2节中详述），在检测距离50mm的条件下，线圈从开始与轨枕有相对覆盖面积到完全离开，线圈电感L相对于线圈与轨枕之间的水平位置变化如图2. 4所示。从图中可以看到，当线圈进入轨枕上方，受电涡流效应影响，电感开始降低；当线圈中线在位置1，即与轨枕中线重合时，受电涡流效应影响最大，线圈电感量最低；离开时，线圈电感量逐渐增加。当线圈与轨枕无相对覆盖面积时，无涡流效应影响，电感量最大。另外还可以看出，当线圈完全处于轨枕上方时，线圈电感变化率明显降低，电感量变化不大，而电感变化率最大的时候发生在线圈一部分进入轨枕上方或一部分离开轨枕上方时。

第 12 页

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

第 13 页

轨枕

图2. 3 单线圈与轨枕相对运动示意图

x 方向位置:mm 电感：u H

图2. 4 单线圈电感变化仿真曲线

两个线圈组成线圈组，以图2. 5所示方式经过轨枕时，通过仿真，得到两个线圈的电感相对于位置的变化曲线，以及二者的电感差值曲线。从图2. 6中可以看出，如果将电感变化曲线近似为余弦曲线，线圈1与线圈2的电感量变化相差1/4个周期，对应线圈运行的空间距离为10cm ，即相邻两个线圈的中心线间隔10cm 。图2. 6下半部分中曲线为线圈1与线圈2电感差值，可以看出，在三个位置上线圈电感差值为0，说明此时涡流效应对两个线圈的影响相同。在下列三种情

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

第 14 页 况下会出现这种结果：线圈尚未进入轨枕上方、两线圈接缝处在轨枕中线附近和线圈完全离开轨枕上方。从图中还可以看到，当两线圈接缝在位置2，即轨枕中线附近时，不但二者电感差值为0，线圈1与线圈2的电感值也均小于正常值。虽然当两线圈尚未进入轨枕上方和完全离开轨枕上方时，虽然差值同样为0，但由于此时线圈无涡流效应影响，线圈电感等于正常值。

位置1位置2位置3

图2. 5 双线圈运动位置示意图

x 方向位置 单位：cm 电感 单位：u H

x 方向位置 单位：cm 电感 单位：u H

图2. 6 双线圈电感变化曲线

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

第 15 页 设相邻线圈的电感值为L 1、L 2。通过以上分析可知，当1L ξ<，2L ξ<，且12L L σ?<（σ趋于0）时，即可判断出这两个线圈的接缝处在轨枕的中线位置附近。由此即可准确检测到轨枕与线圈的相对位置。

由于相邻线圈的检测距离相同，即使车体发生抖动，检测距离发生变化，对相邻线圈的电感的影响也是基本相同的。通过对相邻线圈检测信号进行差分，就可以克服由于检测距离发生变化而带来的影响，得到准确的位置信号，消除了因测量误差而导致的速度误差。如图2. 7仿真曲线所示，线圈以不同高度经过轨枕上方，差分后的电感值为0的位置均相同。

x 方向位置 单位：cm 电感 单位：u H

图2. 7 两线圈高度变化曲线

从上面分析可知，线圈电感变化率在线圈尚未完全进入或尚未完全离开轨枕时最大。而当线圈在图2. 8所示虚线区域内沿前进方向前后移动时，电感处于余弦曲线的底部，电感变化率最低。即当线圈完全处于轨枕上方时，其所受涡流效应影响变化不大，从而导致其电感变化率低。在二者差值曲线上表现为斜率较小，曲线平缓。如图2. 6下半部分星型曲线所示。

为保证传感器有较高的检测灵敏度，相邻线圈的电感差值变化率必须十分大，也就是要求相邻线圈的电感变化率之差非常大。否则既增大了检测的难度，使得阈值难于确定，当受到干扰时，又容易发生误判断。为了有效解决这个问题，本文提出了引入对相邻三个检测线圈的电感量进行二阶差分的检测方法，以提高传感器的抗干扰性和可用性。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nove.html