專利名稱：電渦流非接觸臨近軌道計軸器的制作方法
技術領域：
本發明涉及應用于鐵路交通、礦山冶金的軌道車輛的自動檢測裝置。
背景技術：
現有的軌道車輛的自動檢測主要有兩種方式一是軌道電路檢測方式，該方式利用兩根鐵軌已有的電位差(或檢測裝置本身對兩條鐵軌施予激勵信號)在車輛臨近時，金屬車輪對兩條鐵軌的短接所造成的鐵軌電位變化，進行有無車輛的檢測。該測量方式存在以下弊病1、無法測量車軸數，亦就無法測量過車車皮次；2、無法測量過車車速；3、欲要測量過車行車方向，需在兩段相互絕緣且位置相對較遠的鐵軌處分設兩個測量裝置，不僅增加施工難度，也加大了成本；4、因鐵軌生銹又可能造成分路不良。由于該測量方式依賴于兩條鐵軌的電位差變化進行過車測量，也就限制了該測量方式無法在一些有特殊環境要求的場合使用，如煤礦井下軌道車輛的測量，因為煤井運輸系統有著嚴格的防爆安全要求，嚴禁運輸軌道的兩條鐵軌相互絕緣。
二是機械測量方式，該方式主要利用過車車輛輪緣對機械觸點的碾壓，產生通斷信號，從而對車輛進行監測。該方式易磨損、安裝難度大、可靠性低。漸已淘汰。
發明內容
針對上述現有軌道測量裝置所存在的弊端，本發明的目的是提供檢測靈敏度高、抗干擾能力強、檢測速率高、能滿足煤礦井下防爆運輸要求的電渦流非接觸臨近軌道計軸器。
實現上述目的的技術解決方案如下1、電渦流非接觸臨近軌道計軸器，包括傳感器、有源振蕩維持電路單元、檢波及電平轉換電路單元、輸出比較及脈寬修正電路單元、電流轉換電路單元、電源及穩壓電路單元和振蕩強度自適應控制單元；其特征在于A、所述傳感器包括半環形開口式磁性體、沙包線和兩個電容，沙包線均繞在半環形開口式磁性體上，兩個電容并聯在沙包線兩端；
B、所述振蕩強度自適應控制單元包括差分運算放大器U2D、電容C10、二極管D2、D3、D7和電阻R11，差分運算放大器U2D的反相輸入端分別與電容C10的負極、二極管D7的陽極、電阻R11的一端連接，差分運算放大器U2D的正相輸入端分別與二極管D2的陽極、D3的陰極相連，差分運算放大器U2D的輸出端分別與二極管D7的陰極、電容C10的正極相連，二極管D2的陰極、D3的陽極與電阻R11的另一端相連；差分運算放大器U2D的輸出端與有源振蕩維持單元中的電阻R12一端相連，差分運算放大器U2D的正相輸入端分別與輸出比較及脈寬修正單元中的運算差分放大器U1A的反相輸入端、電源及穩壓單元中的運算放大器U2B的輸出端相連，差分運算放大器U2D的電源正極與電流轉換單元中的三極管Q6的集電極相連，差分運算放大器U2D的電源負極與線路板公共地端相連。
2、根據上述1所述的電渦流非接觸臨近軌道計軸器，其特征在于所述沙包線為沙包多股銅芯線，所述兩個電容的容值分別為1000pF、10000pF。
所述傳感器利用LC諧振的原理，磁環、沙包銅芯線與并接的兩個電容共同組成了LC諧振電路，由A、B、C引出的三根導線分別與線路板內有源振蕩維持單元的直流10V(DC10V)電源、三極管Q4的基極、三極管Q3的集電極相連，與線路板內有源振蕩維持電路構成一個完整的有源振蕩單元。
3、根據上述1所述的電渦流非接觸臨近軌道計軸器，其特征在于所述差分運算放大器U2D為OP07，所述電容為容值為10uF的電解電容，電阻R11為400KΩ。
該振蕩強度自適應控制單元的反饋控制過程是這樣的積分器U2D同相輸入端接參考電平DC3.5V，根據運放“虛地”特性，積分器反相輸入端也應保持電平DC3.5V。當檢波及電平轉換單元輸出低于DC3.5V時，則R11兩端電位不等，此時，積分器輸出電壓提高，對電容C10充電，充電電流流向R11(因為運放輸入端電流視為0)，產生電壓降使電路配平。
積分器輸出電位提高，導致有源振蕩維持單元的振蕩強度調節三極管Q2基極電流加大，Q2ce集、射極間的動態阻抗降低，相當于有源振蕩維持單元LC振蕩回路的交流阻抗降低，使得振蕩強度增大，導致檢波及電平轉換單元輸出電位增高。
當檢波及電平轉換單元輸出電位增高等于DC3.5V時，R11兩端電位相等，運放輸出端則勿須改變電位對C10充放電，流經R11的電流為零，振蕩強度也就維持不變。
關于積分器積分常數設計是這樣確定的由于鉗位二極管的作用，R11上壓降不會超過D2、D3的正向導通壓降，根據設計，D2、D3上的最大鉗位電流為0.1mA，對應壓降為0.15V(由V-A曲線查得)，此時積分器輸出電壓變化率為ΔVc10/ΔT＝I/C10＝37.5mV/S這樣的變化率對快速移過的感應體基本沒有影響，而只會對器件參數變化、靜止物體引起的損耗補償。因此，該振蕩強度自適應控制單元對有源振蕩維持單元所起的作用可以形象的描述為慢補償(抑制干擾)、快響應(信號觸發)！振蕩強度調節管工作點分析振蕩強度調節管Q2集電極無直流通路，無法采用直流工作點方法對其分析，現用類比法予以分析(請參考有源振蕩維持單元原理圖)。
假定有源振蕩維持單元振蕩管Q3的集電極極限動態電流為2mA(因有源振蕩維持單元Q1恒流管集、射極流經電流＝2mA，故Q3最大靜態電流只能為2mA)，則其基極極限動態電流Isb3＝Isc3/β＝2/70＝30nA(設Q3放大倍數β＝70)。
假定Isb3全部經C5、Q2通過，則Iq2b僅需1nA電流即可。
為使積分電容C10保持正向電壓，設計積分器輸出電壓低限為2.0V，此時R15的分壓電壓為0.5V(使Q2處于截止狀態)。故有0.5V/2.0V＝R15/(R12+R15)即R12＝5R15本電路中，積分器最高輸出電壓約為10V，設定在此使(R12+R15)支路電流為1mA左右，則(R12+R15)＝10V/1mA＝10K。
綜合以上分析，選已有阻值系列，取R12＝8.2KΩ，R15＝1.8KΩ，則最大支路電流為1mA，積分器輸出2..0V時，R15分壓電壓為0.36V，滿足電路要求。
當積分器U2d輸出為2.0V時，Q2截止，而當積分器輸出為最高電壓Vh＝10V時，Q2基極電流Ib與R9關系為
設R9、R15、R12相連處電壓為Vx，則有Ir12＝Ir15+Ir19；即(V1-Vx)/R12＝Vx/R15+Ib；Vx＝Vr9+Vbe；即Vx＝Ib×R9+Vbe；解上述公式，得R9＝(Vh/Ib-R12)/(1+R12/R15)-Vbe/Ib；為使Q2處于深度飽和，取Ib＝4nA，將Vh＝10V、Vbe＝0.6V、R12＝8.2KΩ、R15＝1.8KΩ帶入上式，得R9≈450KΩ。
本發明首次在電渦流感應技術的測試方式中，采用了半環形開口式磁性體作為軌道計軸器的傳感器，應用于軌道車輛的輪軸檢測，降低了軌道計軸器非檢測面的干擾，提高了檢測面的靈敏度。
將自適應反饋控制電路應用于有源振蕩電路的振蕩強度控制，并首次應用于軌道車輛的輪軸檢測，增強了軌道計軸器抑制溫度、潮濕、元器件參數漂移等干擾因素的能力，提高了軌道計軸器本身的檢測速率。
本發明電渦流非接觸臨近軌道計軸器僅需在鐵軌任意側敷設一對(彼此距離30-100厘米，根據過車車速快慢以及計算機采樣速率大小作相應調整)，并配備相應的計算機數據采集處理單元，即可實現對過車車輛車皮次、速度、方向的非接觸測量。而且由于其采用的是物體臨近時對計軸器激勵磁場的侵蝕而產生的信號觸發測量方式，使得電渦流非接觸臨近式軌道計軸器與鐵軌、過車車輛相對分離，無電氣連接，因此極大的拓寬了軌道計軸器的使用場合。同時，由于軌道計軸器采用非接觸測量方式，功耗極低(P≤240mW)，其使用壽命較一般軌道過車測量裝置大為提高。
本發明電渦流非接觸臨近軌道計軸器經在安徽淮南煤炭礦務局潘一礦、潘三礦、張集礦，淮北煤炭礦務局祁南礦、岱河礦、桃源礦、童亭礦，銅陵有色金屬公司獅子山銅礦，山東泰安翟鎮煤礦，甘肅酒泉鋼鐵公司鏡鐵山鐵礦，河南焦作中馬煤礦等井下運輸系統的大量實際試用，性能穩定、工作可靠，解決了長期困擾井下軌道運輸系統車輛的測量問題，可取得顯著的社會、經濟效益。
圖1為本發明電路原理框圖，圖2為傳感器結構圖，圖3為振蕩強度自適應控制單元電路原理圖，圖4為有源振蕩維持單元電路原理圖，圖5為檢波及電平轉換單元電路原理圖，圖6為比較及脈寬整形單元電路原理圖，圖7為電流轉換單元電路原理圖，圖8為電源電路原理圖。
具體實施例方式
實施例該電渦流非接觸臨近軌道計軸器，包括傳感器、有源振蕩維持電路單元、檢波及電平轉換電路單元、輸出比較及脈寬修正電路單元、電流轉換電路單元、電源及穩壓電路單元和振蕩強度自適應控制單元，見圖1。
參見圖2，傳感器包括半環形開口式磁性1、沙包多股銅芯線2和兩個電容3，沙包多股銅芯線2均勻繞制在半環形開口式磁性體1上，兩個電容3并聯在沙包多股銅芯線2兩端，兩個電容的容值分別為1000pF、10000pF；共同組成了LC諧振電路，由A、B、C引出的三根導線分別與線路板內有源振蕩維持單元電路的直流8V電源、三極管Q4的基極、三極管Q3的集電極相連，與有源振蕩維持電路構成一個完整的有源振蕩單元。
參見圖3，振蕩強度自適應控制單元包括差分運算放大器U2D、電容C10、二極管D2、D3、D7和電阻R11，差分運算放大器U2D的反相輸入端分別與電容C10的負極、二極管D7的陽極、電阻R11的一端連接，差分運算放大器U2D的正相輸入端分別與二極管D2的陽極、D3的陰極相連，差分運算放大器U2D的輸出端分別與二極管D7的陰極、電容C10的正極相連，二極管D2的陰極、D3的陽極與電阻R11的另一端相連；差分運算放大器U2D的輸出端與有源振蕩維持單元中的電阻R12一端相連，差分運算放大器U2D的正相輸入端分別與輸出比較及脈寬修正單元中的運算差分放大器U1A的反相輸入端、電源及穩壓單元中的運算放大器U2B的輸出端相連，差分運算放大器U2D的電源正極與電流轉換單元中的三極管Q6的集電極相連，差分運算放大器U2D的電源負極與線路板公共地端相連。
所述差分運算放大器U2D為OP07，所述電容為容值為10uF的電解電容，D2、D3為二極管，電阻R11為400KΩ。
該裝置的工作原理是這樣的初始上電，由計算機采集單元提供的直流12V電源通過電流轉換電路對電源電路中的4700uF(C1)電容進行充電，約3秒鐘充電完畢后，線路板進入正常工作狀態。
正常工作時，由磁環傳感頭與線路板內有源振蕩維持電路共同構成的LC有源振蕩單元維持一個穩定、平衡的振蕩狀態，且由于線路板內所具備的震蕩強度自適應控制單元的反饋控制作用，其諧振波形的頻率、幅值基本不受外界緩慢干擾信號的影響。而脈寬整形單元的濾波作用又避免了電火花等尖峰瞬時毛刺信號的干擾。
當有車時，車緣作為磁導體，改變了由LC諧振傳感頭、振蕩器構成的振蕩回路的交流阻抗，回路的Q值也隨之改變，且其變化速率已超出振蕩強度控制單元的調節響應范圍，導致振蕩器諧振平衡被打破。因此，振蕩器輸出的經檢波及電平轉換單元處理后的信號與原穩態振蕩時的信號狀態相比發生變化，從而通過輸出比較及脈寬整形單元輸出一個電平翻轉信號。
當計軸器采用二線制(一根直流12V電源線、一根地線)檢測模式時(電流輸出型)，電平翻轉信號控制電流轉換單元直流12V電源線上的開關三極管Q6導通與關斷，由計算機采集單元檢測流經該直流12V電源線電流強度的大小，進而判斷出車輛有無狀況。
當計軸器采用三線制檢測模式時(電壓輸出型)，電平翻轉信號由計算機采集單元直接檢測其高低狀態，判斷車輛運行狀況。
電源單元中的電容C1(4700uF)在線路板中起到蓄電池的作用。無車經過時，電流轉換換接中的開關三極管Q6始終導通，線路板由計算機采集單元提供直流12V工作電源。有車時，三極管Q6被比較及脈寬整形單元輸出的電平翻轉信號關斷，線路板的工作電源由電容C1儲存的電能提供，所能維持的最長供電時間約為1175mS。因此，當停車時間超過1175mS時，線路板有一個重新充電的過程，而一般車輛的過車速度遠高于該放電時間(可根據實際車速的快慢，通過調整兩只計軸器之間的埋設距離來實現該時間值的匹配)，故正常工作時，因C1放電完畢而產生的重新充電現象絕少發生。
以下，就電路框圖中各功能電路單元的原理予以描述。
①有源振蕩維持單元有源振蕩維持單元采用兩只三極管(Q3、Q4)構成差分放大器，差分放大器左管(Q3)與LC諧振傳感頭構成共基極反饋電容三點式振蕩器，振蕩器輸出信號經右管(Q4)集電極電阻(R8)輸出給下一級的檢波及電平轉換單元。改變調節三極管Q2的基極電平(控制信號由振蕩強度自適應控制單元的輸出提供)，便可改變差分電路左管Q3經電容C5接地的阻抗(即三極管Q2ce間的動態阻抗)，從而實現振蕩強度的自動調整，見圖4。
②檢波及電平轉換單元檢波及電平轉換單元將有源振蕩維持單元輸出的振蕩信號經檢波、倍壓，轉換為合適的電平提供給振蕩強度自適應控制單元以及輸出比較及脈寬修正單元，見圖5。
③輸出比較及脈寬修正單元輸出比較及脈寬修正單元將檢波及電平轉換單元輸出的電平信號與比較電路的基準電位相比較。當有車臨近時，車緣作為感應體靠近LC傳感頭，使得有源振蕩維持單元振蕩回路的Q值發生改變，振蕩波形輸出強度下降，導致檢波電位下降，檢波及電平轉換單元輸出電平亦下降。當該輸出電平信號電位低于輸出比較及脈寬修正單元比較電路的基準電位時，引起比較電路U1A/LM393輸出一個低電平，經脈寬整形電路濾波整形后(一方面消除2mS以下的電火花等干擾脈沖，另一方面將波形脈寬整定為15mS，以便計算機采集單元采樣)，由U1B/LM393輸出一個高電平。一方面截止電流轉換單元開關管Q6，使其作為電流輸出類型輸出一個低電流有車信號，供計算機采集單元采集；另一方面，該高電平信號作為電平輸出類型信號，可直接提供給計算機采集單元采集，見圖6。
④電流轉換單元電流轉換單元有兩種功能，一方面作為軌道計軸器線路板的電源開關，將來自計算機采集單元的直流12V電源提供給線路板電源單元，其最大允許導通工作電流≤20mA，即軌道計軸器最大功耗P≤12V×20mA＝240mW；另一方面，電流轉換單元將輸出比較及脈寬修正單元U1B/LM393輸出的車緣(車軸)有無電平信號(高電平—有車；低電平—無車)轉換為直流12V電源線上的電流通斷(有車—電源線供電電流≤2mA；無車—電源線供電電流＝8~16mA)。見圖7。
⑤電源及穩壓單元電源及穩壓單元接收來自電流轉換單元提供的10-12V直流電源(因電容C1充放電的影響，電流轉換單元提供的來自計算機采集單元直流工作電源電壓在10-12V之間波動)，為軌道計軸器提供兩種電源功能。一方面，電源單元中的U2A、U2B/OP07運放分別提供穩定、精準的直流10V、3.5V兩種工作電壓給線路板各工作單元，同時，U2C/OP07與有源振蕩維持單元中的Q1三極管一起構成2mA恒流源，作為振蕩電路的工作電流；另一方面，電源單元中電容C1作為蓄能元件，無車時由電流轉換單元對其充電，有車時，因電流轉換單元被截止(導通電流≤2mA)，該電容放電提供給線路板，使其在有車斷電期間仍能正常工作，見圖8。C1能夠提供的最大維持工作時間為T＝(Vh-Vl)×Cl/I＝1175mS；其中，Vh-電容充電最高電壓，Vl-線路板工作允許最低電壓，I-線路板工作電流。
權利要求
1.電渦流非接觸臨近軌道計軸器，包括傳感器、有源振蕩維持電路單元、檢波及電平轉換電路單元、輸出比較及脈寬修正電路單元、電流轉換電路單元、電源及穩壓電路單元和振蕩強度自適應控制單元；其特征在于A、所述傳感器包括半環形開口式磁性體、沙包線和兩個電容，沙包線均繞在半環形開口式磁性體上，兩個電容并聯在沙包線兩端；B、所述振蕩強度自適應控制單元包括差分運算放大器U2D、電容C10、二極管D2、D3、D7和電阻R11，差分運算放大器U2D的反相輸入端分別與電容C10的負極、二極管D7的陽極、電阻R11的一端連接，差分運算放大器U2D的正相輸入端分別與二極管D2的陽極、D3的陰極相連，差分運算放大器U2D的輸出端分別與二極管D7的陰極、電容C10的正極相連，二極管D2的陰極、D3的陽極與電阻R11的另一端相連；差分運算放大器U2D的輸出端與有源振蕩維持單元中的電阻R12一端相連，差分運算放大器U2D的正相輸入端分別與輸出比較及脈寬修正單元中的運算差分放大器U1A的反相輸入端、電源及穩壓單元中的運算放大器U2B的輸出端相連，差分運算放大器U2D的電源正極與電流轉換單元中的三極管Q6的集電極相連，差分運算放大器U2D的電源負極與線路板公共地端相連。
2.根據權利要求1所述的電渦流非接觸臨近軌道計軸器，其特征在于所述沙包線為沙包多股銅芯線，所述兩個電容的容值分別為1000pF、10000pF。
3.根據權利要求1所述的電渦流非接觸臨近軌道計軸器，其特征在于所述差分運算放大器U2D為OP07，所述電容的容值為10uF的電解電容，電阻R11為400KΩ。
全文摘要
本發明涉及應用于鐵路交通、礦山冶金的軌道車輛的自動檢測裝置，具體地說是電渦流非接觸臨近軌道計軸器。其特點是采用外部緾繞沙包線的半環形開口式磁性體及并聯的電容組成傳感器；將自適應反饋控制電路應用于有源振蕩電路的振蕩強度控制。提高了檢測靈敏度；增強了軌道計軸器抑制溫度、潮濕、元器件參數漂移等干擾因素的能力，提高了軌道計軸器本身的檢測速率。
文檔編號G01N27/72GK1580758SQ20031011271
公開日2005年2月16日 申請日期2003年12月23日 優先權日2003年12月23日
發明者韓江洪, 蔣建國, 魏臻, 張維勇, 陸陽, 胡敏, 程運安, 程磊 申請人:合肥工大高科信息技術有限責任公司, 韓江洪