CN103552581B - 车轮传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种车轮传感器，相应的调幅单元包括电桥电路和两个参数相同的线圈，电桥电路和两个线圈设置在铁轨的同侧；相位单元包括发送线圈和接收线圈，发送和接收线圈分别位于铁轨两侧，发送线圈用于产生交变磁通，并通过耦合接收线圈感应出同频交流信号；信号处理单元用于产生预定频率的方波并提供给发送线圈和以及产生预定频率的正弦波提供给电桥电路，并根据电桥电路的输出信号以及接收线圈输出的交变磁通信号获得车辆处于区域内的计轴状态。本发明可以检测车轮到达和离开并准确捕捉车轮的物理中心，工作状态不受道床、轨道状况、线路状况的影响，能够消除由外界白噪声，以及电气化铁路附近的高压电场、电磁波等对线圈的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种可以检测火车通过轴数和车轮物理中心位置的车轮传感器，属于铁路运输安全监控及故障预警***领域。
背景技术
为了保证铁路运输生产安全，铁道部运输局建设性地提出列车车辆运行安全防范预警***(简称“5T”***)，具体包括红外线轴温探测***、货车运行状态地面安全监测***、货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断***、货车运行故障动态图像检测***和客车运行安全监控***。“5T”***采用智能化、网络化和信息化技术，实现对运行中的列车的状况进行动态检测、数据集中、远程监控、信息共享，并实时汇总到铁道部，这样铁路各相关部门就可以根据***信息进行合理的调度工作“5T”***的实施，不仅有利于提高铁路运输能力，而且还可以降低铁路员工的工作强度。因此，“5T”***具有广泛的应用前景。
“5T”***的设备必须配备“车轮传感器”才能正常运行。目前，现有的车轮传感器普遍采用有源霍尔车轮传感器和无源车轮传感器。有源霍尔车轮传感器主要原理是当电流垂直于外磁场方向而流过导体时，在垂直于电流和磁场的方向导体的两侧会产生一定的电势差，该电势差与外界磁场的变化有关。当机车车轮经过霍尔元器件表面时，由于磁场变化相对检测距离的增大迅速减小，通常霍尔传感器检测的最大距离为10mm左右，并且感应信号随温度变化比较明显，检测基线非常不稳定，在寒冷地区的应用受到限制，使用范围具有一定的局限性。无源车轮传感器主要是利用电磁感应原理，将钕铁硼制成的永磁体置于缠绕着的线圈间，当列车车轮经过永磁体正上方时，将引起永磁体的磁场发生变化，从而使线圈两端产生感应电动势，通过检测该感应电动势的有无来确定车轮物理中心到达时刻，但是当列车运行速度比较低时，例如，在低于5km/h的情况下，由于车轮运动所引起的磁场变化很小，因而线圈产生的感应电动势也就很小，导致无源传感器无法检测到感应电动势，也就无法测得车轮物理中心到达时刻。
发明内容
本发明为解决现有的车轮传感器存在的受环境影响较大、无法对低速运行的列车进行检测的问题，进而提供一种车轮传感器。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种车轮传感器，包括：调幅单元、相位单元和信号处理单元；
所述调幅单元包括电桥电路和两个参数相同的线圈，所述电桥电路和两个所述线圈设置在铁轨的同侧；
所述相位单元包括发送线圈和接收线圈，所述发送和接收线圈分别位于铁轨两侧，所述发送线圈用于产生交变磁通，并通过耦合所述接收线圈感应出同频交流信号；
所述信号处理单元用于产生预定频率的方波并提供给所述发送线圈和以及产生预定频率的正弦波提供给所述电桥电路，并根据所述电桥电路的输出信号以及所述接收线圈输出的交变磁通信号获得车辆处于区域内的计轴状态。所述信号处理单元包括振荡电路、交流放大电路、分频电路、低通滤波电路、检波电路、选频滤波电路、鉴相电路和主控单元，所述振荡电路的信号输出端与所述交流放大电路的信号输入端连接，所述交流放大电路的信号输出端与所述分频电路的信号输入端连接，所述分频电路的信号输出端与所述低通滤波电路和所述发送线圈的信号输入端连接，所述低通滤波电路的信号输出端与所述电桥电路的信号输入端连接，所述电桥电路的信号输出端与所述检波电路的信号输入端连接，所述接收线圈的信号输出端与所述选频滤波电路的信号输入端连接，所述选频滤波电路的信号输出端与所述鉴相电路的信号输入端连接，所述检波电路和鉴相电路的信号输出端与所述主控单元的信号输入端连接。
本发明的有益效果：不仅可以检测车轮到达和离开，也可以准确捕捉车轮的物理中心；由振荡电路产生激励信号，抗干扰能力强，其工作状态不受道床、轨道状况、线路状况的影响；通过对线圈的感应电压以及电桥输出电压进行选频、滤波，可以消除由外界白噪声，以及电气化铁路附近的高压电场、电磁波等对线圈的影响，进一步提高了传感器的判断准确率；如果调幅单元的线圈发生了故障，也不会涉及到相位单元，相位单元还能够继续工作，依然可以检测到车轮的到达和离开，提高了安全性和可靠性。
附图说明
图1为本发明提供的车轮传感器设置在铁轨上的结构示意图；
图2为本发明提供的车轮传感器的电路结构示意图；
图3为本发明提供的相位单元的工作原理示意图。
具体实施方式
为了能够更清晰地阐明本发明的特点和工作基本原理，以下结合附图及实施例，对本发明进行说明。
本具体实施方式提供了一种车轮传感器，包括：调幅单元、相位单元和信号处理单元；
所述调幅单元包括电桥电路和两个参数相同的线圈，所述电桥电路和两个所述线圈设置在铁轨的同侧；
所述相位单元包括发送线圈和接收线圈，所述发送和接收线圈分别位于铁轨两侧，所述发送线圈用于产生交变磁通，并通过耦合所述接收线圈感应出同频交流信号；
所述信号处理单元用于产生频率为62.5kHz的方波并提供给所述发送线圈和以及产生频率为62.5kHz的正弦波提供给所述电桥电路，并根据所述电桥电路的输出信号以及所述接收线圈输出的交变磁通信号获得车辆处于区域内的计轴状态。
具体的，线圈可采用大匝数漆包线的空心线圈，线圈中间不添加任何磁性材料，电桥电路由电容和电阻组成。
本具体实施方式提供的车轮传感器的工作原理是：如图1所示，火车车轮先后经过第一线圈a和第二线圈b，当经过第一线圈a但没经过第二线圈b时，由于对第一线圈a和第二线圈b产生的影响不相同，电桥电路失去平衡会产生输出信号；当经过第一线圈a和第二线圈b的中点且车轮物理中心位置与该中点重合时，由于对第一线圈a和第二线圈b产生的影响相同，所以电桥电路依然平衡，输出信号同没有火车经过时一致，之后经过第二线圈b但没经过第一线圈a，由于对第一线圈a和第二线圈b产生的影响不相同，电桥电路失去平衡同样会产生输出信号，通过信号处理单元就可以检测出中间平衡时刻，并计算出车轮的物理中心，此时可以认为该时刻为火车车轮中心位置到来时刻，如图3所示的t4即为中心位置到来时刻。
本具体实施方式提供的车轮传感器中的相位单元的工作原理是：如图1所示，当使用第一相位单元A和第二相位单元B时，第一相位单元A和第二相位单元B中的发送线圈分别产生交变磁通，且同时第一相位单元A和第二相位单元B的接收线圈分别接收两个发送线圈产生的两组交变磁通信号，并通过脉冲形式各输出一个信号单元，如图3中的t1、t2和t6、t7间的信号单元，当火车高速行驶时，t1、t2间和t6、t7间的时间间隔很小，此时可以认为t1或t6时刻为火车车轮中心位置到来时刻。
本具体实施方式提供的车轮传感器中的信号处理单元如图2所示，包括振荡电路、交流放大电路、分频电路、低通滤波电路、检波电路、选频滤波电路、鉴相电路和主控单元，所用器件包括高精度运放OPA2277、单稳态触发器CD4098、锁相环CD4096、计数器CD4024和通用运放TL072等，所述振荡电路的信号输出端与所述交流放大电路的信号输入端连接，所述交流放大电路的信号输出端与所述分频电路的信号输入端连接，所述分频电路的信号输出端与所述低通滤波电路和所述发送线圈的信号输入端连接，所述低通滤波电路的信号输出端与所述电桥电路的信号输入端连接，所述电桥电路的信号输出端与所述检波电路的信号输入端连接，所述接收线圈的信号输出端与所述选频滤波电路的信号输入端连接，所述选频滤波电路的信号输出端与所述鉴相电路的信号输入端连接，所述检波电路和鉴相电路的信号输出端与所述主控单元的信号输入端连接。
所述信号处理单元的工作原理是：信号处理单元通过振荡电路、交流放大电路、分频电路和低通滤波电路产生预定频率的正弦波供给调幅单元的电桥电路，再通过检波电路提取不平衡的电桥电路的输出信号；信号处理单元还通过振荡电路、交流放大电路和分频电路产生预定频率的方波供给相位单元的发送线圈产生交变磁通，再通过选频滤波电路及鉴相电路接收处理相位单元的接收线圈感应的来自发送线圈的交变磁通信号，通过交变磁通信号和不平衡的电桥电路的输出信号获得车辆处于区域内的计轴状态。
其中，当信号处理单元通过振荡电路、交流放大电路和分频电路产生预定频率的方波供给相位单元的发送线圈的同时，该预定频率的方波信号通过无源巴特沃斯滤波电路产生相同频率的正弦波供给调幅单元的交流电桥电路。
采用本具体实施方式提供的技术方案，具有以下的优点：
1、不仅可以检测车轮到达和离开，也可以准确捕捉车轮的物理中心。本发明是相位式和调幅式相结合的新型火车车轮传感器，火车在高速运行时，传感器相位单元就可检测火车轮的数目和中心位置，并且当使用第一相位单元A和第二相位单元B时，还可以得到火车的行车方向和行驶速度；在低速缓行时，相位单元同样可以检测到火车轮的数目，但检测不到车轮的中心位置，与此同时，火车轮对调幅单元C产生作用，使调幅单元C中交流平衡电桥的桥臂等效阻抗发生变化，使电桥失去平衡产生输出信号，传感器信号处理单元对电桥的输出信号进行处理，从而检测到火车车轮的物理中心位置，这样不论火车是在高速状态还是在低速状态，新型车轮传感器都能够准确的检测到车轮的中心位置；
2、通过振荡电路产生激励信号，抗干扰能力强，其工作状态不受道床、轨道状况、线路状况的影响；
3、使用的线圈为密集缠绕的漆包线，即使用大匝数线圈的方式，可以提高感应电压的幅度，从而提高该传感器的灵敏度；
4、信号处理单元通过对线圈的感应电压以及电桥输出电压进行选频、滤波，可以消除由外界白噪声，以及电气化铁路附近的高压电场、电磁波等对线圈的影响，进一步提高了传感器的判断准确率；
5、如果调幅单元的线圈发生了故障，其涉及不到相位单元，相位单元还能够继续工作，依然可以检测到车轮的到达和离开，这有利于保证本发明使用的安全性和可靠性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种车轮传感器，其特征在于，包括：调幅单元、相位单元和信号处理单元；
所述调幅单元包括电桥电路和两个参数相同的线圈，所述电桥电路和两个所述线圈设置在铁轨的同侧；
所述相位单元包括发送线圈和接收线圈，所述发送和接收线圈分别位于铁轨两侧，所述发送线圈用于产生交变磁通，并通过耦合所述接收线圈感应出同频交流信号；
所述信号处理单元用于产生预定频率的方波并提供给所述发送线圈和以及产生预定频率的正弦波提供给所述电桥电路，并根据所述电桥电路的输出信号以及所述接收线圈输出的交变磁通信号获得车辆处于区域内的计轴状态；
所述信号处理单元包括振荡电路、交流放大电路、分频电路、低通滤波电路、检波电路、选频滤波电路、鉴相电路和主控单元，所述振荡电路的信号输出端与所述交流放大电路的信号输入端连接，所述交流放大电路的信号输出端与所述分频电路的信号输入端连接，所述分频电路的信号输出端与所述低通滤波电路和所述发送线圈的信号输入端连接，所述低通滤波电路的信号输出端与所述电桥电路的信号输入端连接，所述电桥电路的信号输出端与所述检波电路的信号输入端连接，所述接收线圈的信号输出端与所述选频滤波电路的信号输入端连接，所述选频滤波电路的信号输出端与所述鉴相电路的信号输入端连接，所述检波电路和鉴相电路的信号输出端与所述主控单元的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的车轮传感器，其特征在于，所述电桥电路由电容和电阻组成。
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