1、應用于火車車輪檢測的磁傳感器陣列的設計和信號處理摘要：本文提出了一個基于使用電感式傳感器陣列的火車輪檢測系統。這個系統允許多個探測點，并且使用編碼信號,以便于以較低的信噪比運行。在每一個檢測點上，這個傳感器陣列都通過成對的線圈組成，在這個過程中,不像之前那么麻煩，這些線圈相互串聯在一起，成為麥克斯韋橋的一部分，用于激發線圈并且接收當火車經過探測點引起震動后傳來的不平衡信號。此外,通過互補序列解碼的信號，允許一個單獨的多點檢測處理。最后，該過程的實現可以使信號處理模塊原理檢測點，這使得這個檢測系統工作時可以不放置電子器件在鐵路周圍。關鍵詞：傳感器陣列；互補序列；車輪探測器；麥克斯韋橋；鐵路1、

2、引言 旨在提高鐵路交通的自動化的鐵路安全與交通控制的發展是高優先級。基礎設施和車輛方面的新技術，使得安全系統的安裝啟用成為必要，就像基于可靠性和遠程狀態監測為一體的預測維護系統rcm2一樣。為了實現鐵路交通的自動化,在鐵路網絡的臨界點或者檢測點（dp）有可靠的火車車輪檢測是非常重要的。幾乎所有市場上的的商業電子車輪探測器都使用磁性原理。這些系統使火車車輪檢測可以通過對電流的改變實現，這是與介質的磁導率直接相關。其他車輪檢測器在各檢測點使用一對線圈，放置在軌道兩側，作為發射器和接收器。在檢測點的火車車輪的檢測是由線圈中的 16,19 之間的磁通變化實現的。這些系統之一是使用巴克碼為編碼來提高探測

3、器信號的性能，使它能以低信噪比（snr）運行。 以防止發生事故，一些關于鐵路安全的工作是以軌道異常檢測為參照的。鐵路上的3位移傳感器和探測器是基于線圈和橋接電路的使用而提出的。在本文中，橋式電路時用以是傳感器陣列產生電路上的連接，傳感器真理的線圈通過麥克斯韋橋串聯起來，用麥克斯韋橋作為傳感器系統的一個重要因素是要在軌道處于自由狀態時達到平衡。存在許多麥克斯韋橋自動平衡技術，他們都基于自動選擇橋梁替代的使用，然后使用使用最小均方（lms）自適應算法（17,18），或者使用一個mosfet和二極管調諧作為控制元素 5 。 本文中提出的火車車輪監測系統開發了一種通過編碼序列實現的傳感器陣列，以實現不

4、在軌道周圍設置信號處理電路的情況下在不同的檢測點上監測車輪。這個傳感器陣列有n個檢測點，都各自由安裝在軌道兩側的成對的線圈組成。編碼信號的使用使在其他來源的大量電磁噪聲和干擾下對車輪進行監測得以實現。為了達到這個目的，在檢測過程中我們選用golay序列和互補序列。本文提出的解決方案為鐵路安全應用提供了以下優點：多個檢測點。在外部噪聲和線路衰減下檢測的穩定性。易于安裝和維護。 第二節進行了基于一組線圈和橋式電路使用上的傳感器序列的設計，第三節描述了用以實現可靠的車輪檢測的信號的產生和處理，第四節提出了一些實際的結果，第五節得出了本文一些主要的結論。2、 傳感器序列 傳感器線圈放置在軌道旁邊的具體

5、的監測點，位置和方向都是固定的。這個方位是通過對傳感器線圈周圍的磁場進行研究后獲得的。這個研究是通過有限元法進行得，具體見4.12。 這項工作的目標之一是設計一個有多個檢測點的傳感器系統，且不需要在每一個檢測點上都配備信號處理的電路板。為了實現這一目標，提出了一種基于使用不同線圈對作為車輪每個檢測點傳感器的傳感器陣列。傳感器線圈分布在軌道的某一部分，是相互串聯的，其相應的終端又以不同的方式連接（圖1）。因此，整個傳感器陣列只有兩條線路和一個等效電感，這個電感可以通過每一個電感的值和檢測點的互感值來表示。（1） 在方程（1）中，i是檢測點，是與監測點對應的線圈對的互感值，是線圈的自感值。每對線圈

6、的互感取決于每個線圈的自感和它們之間的耦合系數。同樣，也對陣列連接的極性有影響，也就是說，的符號取決于感應電壓的極性和當前陣列中循環的極性。（圖1）（2） 在方程2中，是第i對線圈的耦合系數，代表連接的極性，通過方程（1）和（2）我們可以推斷出的數量級取決于受到影響的監測點，因為所有相應的終端都通過不同的方式連接，此外，所有的線圈對都不同。為了把車輪磁場中產生的變化和感應聯系起來，我們必須分析當車輪處于某一個特定的檢測點時會發生什么，線圈之間的耦合系數是一個線圈連接另一線圈產生的磁通量與第一個線圈的磁通量之比。所以的變化和磁通量的變化是成比例的，假設不受車輪影響，則的衰減率是：（3） 車輪在檢

7、測點的狀態只影響那個檢測點的線圈對的互感值，不影響放置在其他點的線圈，因此，在任意檢測點都沒有車輪經過和第i點有車輪經過兩種情況下的數學表達式 （4）（5）（6） 從方程（3）和（6）可以看出，當火車經過檢測點i的時候，等效電感的變化可以表示為：（7） 因此，電感的變化和磁通量的變化時成正比的，由于互感電感的衰減率在0到1之間，所以的取值范圍為（8）的符號取決于與檢測點p的線圈對相應的終端的連接，然而，的值取決于耦合系數的取值，因此的取值范圍與耦 耦合系數成比例，如果耦合程度很大，那么就很高，那么的取值范圍就足夠用以檢測。如果耦合程度很低，那么就低，那么的取值范圍就會縮小。在這種情況下，由于一

8、些對絕對值變化的辨別上的困難，利用的取值來檢測火車的狀態就不合適了。在本文中，對強耦合和若耦合兩種不同的實際應用情況都有描述。2.1強耦合狀態下的傳感器陣列 傳感器陣列連接在一個麥克斯韋橋的分支（圖2），當軌道自由時，橋是平衡的，電壓為空；當火車車輪在某一個檢測點時，線圈間的耦合系數下降，因為耦合系數的變化影響了分支的電感，橋失去了平衡。由圖2可以推導出的數學表達式。(9) 電壓值取決于橋中元件的值，有用的是和之間的聯系。當系統正常工作時，其他元件的值是常數，是一個關于的復雜函數。從方程(9)可以推出得到=0時的平衡條件，滿足這些條件的電感值稱為。(10) 在橋的平衡點的周圍區間，與電感呈近似

9、的線性遞增。這種現象被用于實現傳感器陣列和辨別不同的檢測點。的模塊和如圖3 所示，平衡點的遞增曲線如圖4所示，在整個域中是連續的，但是在平衡點上是不連續的（方程10）。從圖4 可以看出，在平衡點附近的遞減區間內是近似對稱的，這在橋的設計中是很有用的。此外，橋的最大靈敏度是在派生更大的同一區間獲得的。 在設計中要考慮的因素有： 靈敏度 對稱性 幅值 為了減小消耗。這個傳感器系統選擇了50vac電壓級，在每個傳感器分支上帶有大概5ma電流。橋的靈敏度與r3成比例，而且由平衡條件得到（方程10），電阻rx也與r3成比例。我們必須調整r3的值來獲得合適的橋的靈敏度。分支a 的時間常數通過來選擇。（11

10、） 為了簡化傳感器陣列的設計，我們提出，由于檢測點在物理上是等價的，所以我們認為所有的耦合系數和衰減率都是常數，且。2.2 弱耦合的傳感器陣列 當傳感器線圈之間的磁耦合很弱時，就提出了其他傳感器陣列和麥克斯韋橋的實現方式。為了提高火車車輪對磁耦合的影響，發射和接收線圈屬于電絕緣的，檢測通過電壓實現的（圖6）。在傳感器分支b 中，發射線圈串聯，放在軌道的一邊，接收線圈也是串聯，放在軌道的另一邊，電壓的測量是通過接收線圈陣列直接得到的，電壓是通過電壓得到的。 電壓與接收線圈的感應電壓總和成比例，也與放大器的增益成比例。每個接收線圈的感應電壓取決于每對線圈的互感電感和流過相應的發射線圈的電流。（12

11、）是第i個檢測點的互感電感，是流過發射線圈的電流。如果接收器線圈是串聯連接的，那么就與每個線圈的感應電壓的總和相等。（13）替換得：（14） 當第i個檢測點處于自由狀態時，耦合系數為，當火車經過第i個檢測點時，耦合系數為。（15）的數學表達式可以通過方程15得到：（16） 當車輪在不同的檢測點時，如表二所示，而且各個元件的值也在表二中重新開始。3、 信號的產生和處理 在目前開發的火車車輪檢測系統中，使用編碼信號更加可靠穩定。車輪的狀態通過傳感器線圈磁場的干擾來檢測，這引起了電壓的變化。3.1信號產生過程的描述 信號通過golay序列編碼，golay序列是一個特別的二元互補序列，他由兩個元素-1

12、和+1組成，可產生長= 2n比特的序列。給出一對長度為的golay序列，他們的自相關函數總和為：（17）golay序列自相關函數的總和，給出了無旁瓣的結果，這個結果對同步或一部的相關性是獨立的，這個特點是其他序列沒有的。3.2 序列的重疊性和多樣性 互補序列的特性是當它們從1到比特重疊時，不會有影響，在這種特別的疊加中，給定一對互補序列，發射的疊加序列對可以如下表示：（18）從兩個輸出量的自相關總量可以得到：（19）互補序列的特性使得對于任何都是有效的。在圖8 中，我們可以看到一對golay互補序列，假設長度為并且連續發射，如圖9 所示，兩個重疊的序列會通過一個簡單的延時變成一個單一的輸出，用

13、以下公式可以表達出來：（20）為了輸出編碼信號ek，必須用bpsk技術調制這個信號。在這個過程中，調制符號是由一個有兩個周期的、50khz的正弦波組成的（圖9）。然后，調制信號轉換、擴增，得到了橋電壓。3.3 完整系統 本部分已經實現了為了驗證傳感器的操作，在simulink®中用電路裝備模擬傳感器陣列。我們用到了在2.1中所描述的傳感器陣列和一對長度為比特的互補序列，疊加位。調制頻率為，抽樣頻率為。圖12 顯示了在沒有噪聲干擾和火車順利通過所有監測點的模擬結果。 當火車通過檢測點時，對應于每個檢測點的電感變化與磁通量成比例。相關峰值出現梯形的形狀，因為軌道兩邊對應與火車車輪到達和離

14、開檢測點的瞬間角度不同。3.4噪聲影響 檢測系統必須在混合頻率的干擾下也能工作，最壞的情況是在一個和調制頻率一樣的頻率下工作。圖14 顯示了一個檢測點上這種相關振幅的干擾。所選擇的點對應著較小的，振幅的峰值被信噪比影響，通過圖14的分析，可以推斷出如果信噪比大于-5db，那么檢測結果將是正確的。4、 結果 這個部分將會闡述一些在實驗室中所獲得結果。一個擁有四個檢測點的傳感器系統投入應用，這四個檢測點分布在軌道的一部分上（圖15）。每個檢測點都由一個帶有鐵氧體磁芯和高磁導率的軌道連接的發射線圈和一個帶有空氣磁芯和地磁導率的軌道連接的接收線圈組成（磁場的衰減特性）。 檢測點1和2具有相同的線圈結構，但連接的極性不同，檢測點3和4也是如此。對應于檢測點1和2,3和4，相關峰之間幅值的差異是因為線圈的公差和每對線圈的實際對準誤差。5、 結論 為了實現在高噪