译文--应用于火车车轮检测的磁传感器阵列的设计和信号处理

应用于火车车轮检测的磁传感器阵列的设计和信号处理摘要：本文提出了一个基于使用电感式传感器阵列的火车轮检测系统。这个系统允许多个探测点，并且使用编码信号,以便于以较低的信噪比运行。在每一个检测点上，这个传感器阵列都通过成对的线圈组成，在这个过程中,不像之前那么麻烦，这些线圈相互串联在一起，成为麦克斯韦桥的一部分，用于激发线圈并且接收当火车经过探测点引起震动后传来的不平衡信号。此外,通过互补序列解码的信号，允许一个单独的多点检测处理。最后，该过程的实现可以使信号处理模块原理检测点，这使得这个检测系统工作时可以不放置电子器件在铁路周围。关键词：传感器阵列；互补序列；车轮探测器；麦克斯韦桥；铁路1、引言旨在提高铁路交通的自动化的铁路安全与交通控制的发展是高优先级。基础设施和车辆方面的新技术，使得安全系统的安装启用成为必要，就像基于可靠性和远程状态监测为一体的预测维护系统RCM2一样。为了实现铁路交通的自动化,在铁路网络的临界点或者检测点（DP）有可靠的火车车轮检测是非常重要的。几乎所有市场上的的商业电子车轮探测器都使用磁性原理。这些系统使火车车轮检测可以通过对电流的改变实现，这是与介质的磁导率直接相关。其他车轮检测器在各检测点使用一对线圈，放置在轨道两侧，作为发射器和接收器。在检测点的火车车轮的检测是由线圈中的[16,19]之间的磁通变化实现的。这些系统之一是使用巴克码为编码来提高探测器信号的性能，使它能以低信噪比（SNR）运行。以防止发生事故，一些关于铁路安全的工作是以轨道异常检测为参照的。铁路上的[3]位移传感器和探测器是基于线圈和桥接电路的使用而提出的。在本文中，桥式电路时用以是传感器阵列产生电路上的连接，传感器真理的线圈通过麦克斯韦桥串联起来，用麦克斯韦桥作为传感器系统的一个重要因素是要在轨道处于自由状态时达到平衡。存在许多麦克斯韦桥自动平衡技术，他们都基于自动选择桥梁替代的使用，然后使用使用最小均方（LMS）自适应算法（[17,18]），或者使用一个MOSFET和二极管调谐作为控制元素[5]。本文中提出的火车车轮监测系统开发了一种通过编码序列实现的传感器阵列，以实现不在轨道周围设置信号处理电路的情况下在不同的检测点上监测车轮。这个传感器阵列有N个检测点，都各自由安装在轨道两侧的成对的线圈组成。编码信号的使用使在其他来源的大量电磁噪声和干扰下对车轮进行监测得以实现。为了达到这个目的，在检测过程中我们选用GOLAY序列和互补序列。本文提出的解决方案为铁路安全应用提供了以下优点：•多个检测点。•在外部噪声和线路衰减下检测的稳定性。•易于安装和维护。第二节进行了基于一组线圈和桥式电路使用上的传感器序列的设计，第三节描述了用以实现可靠的车轮检测的信号的产生和处理，第四节提出了一些实际的结果，第五节得出了本文一些主要的结论。2、传感器序列传感器线圈放置在轨道旁边的具体的监测点，位置和方向都是固定的。这个方位是通过对传感器线圈周围的磁场进行研究后获得的。这个研究是通过有限元法进行得，具体见4.12。这项工作的目标之一是设计一个有多个检测点的传感器系统，且不需要在每一个检测点上都配备信号处理的电路板。为了实现这一目标，提出了一种基于使用不同线圈对作为车轮每个检测点传感器的传感器阵列。传感器线圈分布在轨道的某一部分，是相互串联的，其相应的终端又以不同的方式连接（图1）。因此，整个传感器阵列只有两条线路和一个等效电感xL，这个电感可以通过每一个电感的值和检测点的互感值来表示。niTiRixMLLL1)2(（1）在方程（1）中，i是检测点，iM是与监测点对应的线圈对的互感值，{RiTiLL,}是线圈的自感值。每对线圈的互感取决于每个线圈的自感和它们之间的耦合系数。同样，iM也对阵列连接的极性有影响，也就是说，iM的符号取决于感应电压的极性和当前阵列中循环的极性。（图1）10,)1(iRiTiiiikLLkM（2）在方程2中，ik是第i对线圈的耦合系数，i)1(代表连接的极性，通过方程（1）和（2）我们可以推断出xL的数量级取决于受到影响的监测点，因为所有相应的终端都通过不同的方式连接，此外，所有的线圈对都不同。为了把车轮磁场中产生的变化和感应xL联系起来，我们必须分析当车轮处于某一个特定的检测点时会发生什么，线圈之间的耦合系数是一个线圈连接另一线圈产生的磁通量与第一个线圈的磁通量之比。所以ik的变化和磁通量的变化是成比例的，假设RiTiLL,不受车轮影响，则iM的衰减率是：freeibusyiMiMMr（3）车轮在检测点的状态只影响那个检测点的线圈对的互感值，不影响放置在其他点的线圈，因此，xL在任意检测点都没有车轮经过和第i点有车轮经过两种情况下的数学表达式nnfreeiRiTifreexMLLL112)(（4）busypnnpifreeiRiTibusyxMMLLL1,122)(（5）busyPfreePfreexbusyxMMLL22（6）从方程（3）和（6）可以看出，当火车经过检测点i的时候，等效电感xL的变化可以表示为：freeiMibusyxfreexxMrLLL)1(2（7）因此，电感的变化和磁通量的变化时成正比的，由于互感电感的衰减率在0到1之间，所以xL的取值范围为02xfreeiLM（8）freeiM的符号取决于与检测点P的线圈对相应的终端的连接，然而，freeiM的值取决于耦合系数ik的取值，因此xL的取值范围与耦耦合系数成比例，如果耦合程度很大，那么ik就很高，那么xL的取值范围就足够用以检测。如果耦合程度很低，那么ik就低，那么xL的取值范围就会缩小。在这种情况下，由于一些对xL绝对值变化的辨别上的困难，利用xL的取值来检测火车的状态就不合适了。在本文中，对强耦合和若耦合两种不同的实际应用情况都有描述。2.1强耦合状态下的传感器阵列传感器阵列连接在一个麦克斯韦桥的分支（图2），当轨道自由时，桥是平衡的，电压BAV为空；当火车车轮在某一个检测点时，线圈间的耦合系数下降，因为耦合系数的变化影响了分支的电感，桥失去了平衡。由图2可以推导出BAV的数学表达式。)]()([))(()()(432121212321321321RRRCRRRLjRRCLRRRRRCRLRjRRRRVxxxxxBA(9)电压值BAV取决于桥中元件的值，有用的是BAV和xL之间的联系。当系统正常工作时，其他元件的值是常数，BAV是一个关于xL的复杂函数。从方程(9)可以推出得到BAV=0时的平衡条件，满足这些条件的电感值称为xeqL。32321,RCRLRRRRxeqx(10)在桥的平衡点的周围区间，BAV与电感呈近似的线性递增。这种现象被用于实现传感器阵列和辨别不同的检测点。BAV的模块和xL如图3所示，平衡点的递增曲线如图4所示，BAV在整个域中是连续的，但是xL在平衡点上是不连续的（方程10）。从图4可以看出，BAV在平衡点附近的递减区间内是近似对称的，这在桥的设计中是很有用的。此外，桥的最大灵敏度是在派生更大的同一区间获得的。在设计中要考虑的因素有：灵敏度对称性幅值为了减小消耗。这个传感器系统选择了50Vac电压级，在每个传感器分支上带有大概5mA电流。桥的灵敏度与R3成比例，而且由平衡条件得到（方程10），电阻Rx也与R3成比例。我们必须调整R3的值来获得合适的桥的灵敏度。分支A的时间常数通过kHzpA502来选择。RiTifreeiMiixiLLkrL)1(2)1(（11）为了简化传感器阵列的设计，我们提出RiTiTRiLLL，由于检测点在物理上是等价的，所以我们认为所有的耦合系数和衰减率都是常数，freefreeikk且MMirr。2.2弱耦合的传感器阵列当传感器线圈之间的磁耦合很弱时，就提出了其他传感器阵列和麦克斯韦桥的实现方式。为了提高火车车轮对磁耦合的影响，发射和接收线圈属于电绝缘的，检测通过电压''ABV实现的（图6）。在传感器分支B中，发射线圈串联，放在轨道的一边，接收线圈也是串联，放在轨道的另一边，电压'BV的测量是通过接收线圈阵列直接得到的，电压'AV是通过电压AV得到的。电压'BV与接收线圈的感应电压总和RXV成比例，也与放大器的增益BG成比例。每个接收线圈的感应电压RXiV取决于每对线圈的互感电感和流过相应的发射线圈的电流。dtdiMVBiRXi（12）iM是第i个检测点的互感电感，Bi是流过发射线圈的电流。如果接收器线圈是串联连接的，那么'BV就与每个线圈的感应电压的总和相等。NRXiBBVGV1'（13）替换RXiV得：niBBBMdtdiGV1'（14）当第i个检测点处于自由状态时，耦合系数为freeiMM，当火车经过第i个检测点时，耦合系数为busyiMM。nigxBBgAAMdtdVZZGVVZZZGV13'212')(,)(（15）BABAVG的数学表达式可以通过方程15得到：])()([12123ngAigxBBABABAVZZZGMdtdVZZGGVG（16）当车轮在不同的检测点时，BABAVG如表二所示，而且各个元件的值也在表二中重新开始。3、信号的产生和处理在目前开发的火车车轮检测系统中，使用编码信号更加可靠稳定。车轮的状态通过传感器线圈磁场的干扰来检测，这引起了电压BAV的变化。3.1信号产生过程的描述信号通过GOLAY序列编码，GOLAY序列是一个特别的二元互补序列，他由两个元素-1和+1组成，可产生长Γ=2n比特的序列。给出一对长度为Γ的GOLAY序列]}[],[{kbkann，他们的自相关函数总和为：0,0kCCbbaa0,2kCCbbaa（17）GOLAY序列自相关函数的总和，给出了无旁瓣的结果，这个结果对同步或一部的相关性是独立的，这个特点是其他序列没有的。3.2序列的重叠性和多样性互补序列的特性是当它们从1到1比特重叠时，不会有影响，在2这种特别的叠加中，给定一对互补序列]}[],[{kbkann，发射的叠加序列对可以如下表示：0),2(NiikakAn0),2(NiikbkBn（18）从两个输出量的自相关总量可以得到：0)2(2ikCCBbAa（19）互补序列的特性使得对于任何N2都是有效的。在图8中，我们可以看到一对GOLAY互补序列]}[],[{kbkann，假设长度为并且连续发射，如图9所示，两个重叠的序列会通过一个简单的延时变成一个单一的输出，用以下公式可以表达出来：4kBkAke（20）为了输出编码信号e[k]，必须用BPSK技术调制这个信号。在这个过程中，调制符号是由一个有两个周期的、50kHz的正弦波组成的（图9）。然后，调制信号kem转换、扩增，得到了gV桥电压。3.3完整系统本部分已经实现了为了验证传感器的操作，在Simulink®中用电路装备模拟传感器阵列。我们用到了在2.1中所描述的传感器阵列和一对长度为32比特的互补序列，叠加2位。调制频率为kHzf50mod，抽样频率为MHzfs1。图12显示了在没有噪声干扰和火车顺利通过所有监测点的模拟结果。当火车通过检测点时，对应于每个检测点的电感变化与磁通量成比例。相关峰值出现梯形的形状，因为轨道两边对应与火车车轮到达和离开检测点的瞬间角度不同。3.4噪声影响检测系统必须在混合频率的干扰下也能工作，最坏的情况是在一个和调制频率一样的频率下工作。图14显示了一个检测点上这种相关振幅的干扰。所选择的点对应着较小的BAV，振幅的峰值被信噪比影响，通过图14的分析，可以推断出如果信噪比大于-5dB，那么检测结果将是正确的。4、结果这个部分将会阐述一些在实验室中所获得结果。一个拥有四个检测点的传感器系统投入应用，这四个检测点分布在轨道的一部分上（图15）。每个检测点都由一个带有铁氧体磁芯和高磁导率的轨道连接的发射线圈和一个带有空气磁