单侧车轮传感器优化方案的一点思考

赵宝亮

摘要：分析了现有单侧车轮传感器存在的不足和原因，利用电磁仿真技术模拟了钢轨牵引回流所产生的磁场，并提出了一种包含5个线圈的设计方案，该方案为单侧车轮传感器的优化提供了可行的思路，并具有较好的借鉴价值。

关键词：车轮传感器；电磁感应；牵引回流；脱落；温漂

0 引言

计轴设备是一种用于铁路区段列车占用/空闲检查的信号设备，利用计轴车轮传感器来探测车轮。计轴电磁式车轮传感器按检测方式及安装方法通常分为单侧式和双侧式两种，双侧式车轮传感器的励磁线圈和感应线圈分别布置在钢轨两侧，主要探测整个车轮，也称为轮辐式车轮传感器；单侧式车轮传感器的励磁线圈和感应线圈均布置在钢轨一侧，主要探测车轮轮缘，也称为轮缘型车轮传感器[1]。

轮缘型车轮传感器相较轮辐车轮传感器，大多采用夹具安装方式，且室外除车轮传感器外轨旁无需其它电子设备，具有灵敏度高、体积小以及便于安装维护等优点，近年来已经成为用户接受度最高的一种制式。但是轮缘型传感器相比轮辐型传感器，在抗扰性、温漂控制及脱落检测等方面略有不足。

目前，已有文献对单侧车轮传感器的磁场进行仿真，并对检测原理进行了分析[2]，同时也对其干扰影响进行了研究[3]，但是均未提出解决方法，因此在已有研究的基础上，以电磁式轮缘型车轮传感器为例，分析了单侧车轮传感器不足产生的原因，并提出了优化思路。

1 现有单侧计轴传感器存在的不足

为判别列车行车方向，电磁式车轮传感器通常由两组探测系统构成，两组探测系统的激励源可以相互独立也可以共用，由于其激励原理类似，图1描述了共用激励源的单侧传感器系统感应原理，由于相关文献已对该探测原理进行了分析，本文不再赘述。

图1 现有单侧式车轮传感器励磁感应系统示意图

1.1 抗干扰性能不足分析

电气化铁路区段，列车由接触网供电，电力机车经受电弓接入，机车消耗后，经钢轨、扼流变、吸上线、回流线等回流至变电所。随着铁路运输向高速重载方向发展，牵引电流越来越大，由于钢轨也是牵引回流的通道，因此牵引回流也相应增大，牵引回流可达数百安培甚至上千安培[4]。根据电流磁效应，将钢轨看作通电直导线，其周围会产生闭合交变磁场。通过磁场仿真软件对通电钢轨的磁场分布进行仿真计算，可知牵引回流的磁力线绕钢轨一周闭合。变化的磁场将对基于电磁感应探测原理的计轴车轮传感器带来一定的影响，特别是在牵引回流急剧变化时，其干扰更为明显。

图2 钢轨牵引回流磁场分布图

单侧计轴传感器安装在钢轨轨腰处，感应线圈横截面与钢轨轨面平行，根据感应电动势公式：E=n*ΔΦ/Δt，式中E为感应电动势(V)，n为感应线圈匝数，ΔΦ/Δt为磁通量的变化率，牵引回流产生的交变磁场在感应线圈中产生感应电动势Eg，该电动势会叠加在励磁线圈磁场产生的感应电动势Ej上，从而对Ej产生干扰。

对上述干扰，目前通常采用多阶带通滤波抑制或设置合适的积分时间抑制，但是当干扰信号很强时，对计轴设备的干扰仍不可避免。

1.2 温度稳定性分析

单侧车轮传感器励磁线圈多采用利兹线在铁氧体磁棒上绕制而成，带铁芯线圈电感量计算经验公式如下：

L=(K*μ0*μs*N2*S)/I            (1-1)

其中：

K：电感系数，取决于线圈半径（r）与长度（I）的比值；

μ0：真空磁导率；

μs：磁芯相对磁导率；

N：线圈匝数；

S：线圈截面积，单位为平方米；

I：线圈长度，单位为米；

当线圈各参数固定时，式1-1中除磁芯相对磁导率μs外均为常数，以某磁芯初始磁导率随温度变化曲线为例，其曲线如图3所示。据图3可知，随温度升高，磁芯初始磁导率μi也随之增大，根据式1-1可知，随温度升高，线圈电感量也随之增大。

图3 某磁芯初始磁导率随温度变化曲线图

由于串联谐振阻抗最小且电流最大，而并联谐振阻抗最大，电流最小。励磁线圈需要励磁产生高频磁场，因此其通常选用串联谐振方式，谐振频率计算公式为：

              (1-2)

其中：

L：为电感量，单位为亨利；

C：为电容值，单位为法拉；

串联谐振电路品质因数计算公式为：

                (1-3)

其中：

R：为电阻值，单位为欧姆；

L：为电感量，单位为亨利；

C：为电容值，单位为法拉；

由于单侧式车轮传感器工作频率一般较高，因此调谐电容常选用陶瓷电容，而陶瓷电容一般温度稳定性较高，温度变化其电容值变化很小，同时电感线圈通常为μH，电容值通常为nF，两者相差3个数量级，因此为了方便分析，本文默认电容值不变。根据式1-1、1-2可知，随着温度升高，磁芯初始磁导率增大，电感量增大，谐振中心频率降低，幅频曲线左移。

表1 不同温度下铜的电导率

温度 （℃）	0	20	40	60	80	100
电导率 （Ω*mm2/m）	0.0165	0.0178	0.0192	0.0206	0.0219	0.0233

同样从0℃至100℃，根据图3，初始磁导率变化导致电感量增加5.8%，根据表1，铜线电阻率变化导致电阻增加41.2%。根据式1-3，随着温度升高，电阻R升高，电感量L升高，但R的增长率大于电感量L的增长率，因此品质因数Q随温度升高而变小。

根据上述分析，可大致绘制出温度升高时励磁串联谐振电路幅频曲线，如图4所示。当温度升高，电感量变大导致谐振频率降低，从而曲线左移，同时由于品质因数Q减小，幅值变小，通带增大，曲线变得平缓，其结果是励磁电压变小，从而会影响感应线圈电压变小。

图4 温度升高时的励磁串联谐振电路幅频曲线

笔者实际绕制了电感线圈，并搭建了测试电路，对上述分析进行了验证，测试结果如下：

图5 励磁线圈电感量随温度变化曲线

图6 励磁线圈品质因数随温度变化曲线

图7 励磁线圈电压随温度变化曲线

测试结果表明，随温度升高，励磁线圈电感量增大，品质因数减小，励磁电压变小，与理论分析结果吻合。

1.3 脱落检测

图8 单侧传感器脱落检测原理（脱落后幅值变小）

图9 单侧传感器脱落检测原理（脱落后幅值变大）

传感器正常安装后，感应线圈两端的电压为Un，如果传感器发生脱落，因传感器与钢轨的相对位置发生变化，感应线圈的两端电压也将发生变化。由于脱落后传感器与钢轨之间的相对位置是随机的，因此感应线圈两端的电压可能会变小为Um或变大为Um’，后处理电路可以设置合理的门限Ut或Ut’，如果Um低于Ut或Um’高于Ut’，并持续一定的时间，则可判断其发生脱落。

2改进思路

2.1 励磁及感应系统设计

图10 改进后的励磁及感应系统正视图

图11 改进后的励磁及感应系统侧视图

图12 改进后的感应系统磁场仿真

如图10所示，在原感应系统（1个励磁线圈，2个感应线圈）基础上，增加了2个感应线圈，位于励磁线圈的另一侧。从侧视图11看，感应线圈L1和感应线圈L2为偏心结构，一方面是为了降低L1和L2之间的交链耦合，另一方面是根据图12所示的牵引回流的磁场分析结果，以保证两个线圈穿过的牵引回流磁场的磁通基本相同，从而使得差分运算电路更好的起到干扰抑制的作用。

以线圈L1和线圈L2组成的感应系统1为例（以下简称为SYS1），线圈L1绕向与线圈L2相同，同一时刻线圈L1和线圈L2上产生的感应电动势U1和U2的相位相同，幅值不同，此时U1大于U2，同时由于L2下方的金属板对磁场的影响会使其感应电压U2降低，因此综合后U1＞U2。

该方式可有效提高原励磁感应系统的抗干扰能力，减小温度变化对传感器的影响，以下做简要分析。

2.2 前端电路设计

图13 前端电路原理图

如上图所示，前端电路为仪表放大电路。输入信号经A1和A2进行同相放大，然后由A3做减法运算，将双端输入信号转换为单端输出信号。其特点是输入阻抗高、共模抑制比CMRR高、对信号源影响较小。在R1=R2，R3=R4=R5=R6的条件下，电路的增益G=(1+2R1/Rg)。因此电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。由于传感器内部产生负电源比较困难，因此选择二分之一电源作为参考电压。

2.3 增强抗干扰能力分析

           

图14 无干扰时信号波形          图15 有干扰时信号波形

当牵引回流磁场和雷击等强电磁干扰作用情况下，线圈L1和线圈L2中会产生相同的干扰信号，当U1和U2进行相减运算后，该尖峰被滤除，从而起到提高抗干扰能力的目的。

2.4 减小温漂原理分析

图16 温度升高时信号波形

假设当温度升高时，依据前文所述，励磁电压降低，导致接收电压降低，线圈L1的感应电压由U1变为U1-ΔU1，线圈L2的感应电压由U2变为U2-ΔU2，进行相减运算后，输出电压Uo=U1-U2-ΔU1+ΔU2，由于线圈L1和线圈L2参数一致，其变化量ΔU1和ΔU2幅值相差不大即ΔU1≈ΔU2，输出电压Uo=U1-U2-ΔU1+ΔU2≈U1-U2，因此输出电压Uo基本保持稳定。

2.5 提高脱落检测能力原理分析

以SYS1为例，假设脱落前感应线圈1感应电压为U1，感应线圈2感应电压为U2，则经前端电路处理后信号幅值为Uo=β（U1-U2），β为电路增益系数，由于金属板对感应线圈2的受阻影响，U1远大于U2，此时ΔU较大。

假设脱落后，由于感应线圈L1远离钢轨轨腰和轨头从而失去聚磁作用，其感应电压U1变小，同时由于感应线圈2远离下方的金属板从而磁力线偏转影响减弱，其感应电压U2增大，前端处理电路输出信号Uo=β（U1-U2），脱落后U1变小而U2变大，导致Uo从脱落前较大值变为脱落后的很小值，也就是说脱落前后Uo的变化量很大。本设计可扩大变化量的范围，在一定程度上提高后续处理设备识别传感器脱落的灵敏度。

3 结束语

计轴车轮传感器的设计研究，除原理性研究外，还包含工艺性的研究，是一门涉及多学科理论应用研究。目前针对车轮传感器的温度以及电磁环境的抗扰适应研究，还包括诸多方式或方法，如合理选择传感器的工作频率、滤波阶数、积分时间等，或选择具备温度互补的器件，或温度传感器的应用或其它方法，从而达到提高抗扰性能和温度稳定的目的。本文旨在借鉴部分既有计轴车轮传感器的探测原理上，从另一种角度提出了提升单侧车轮传感器的抗扰能力及控制温漂的优化思路，供参考与借鉴。

参考文献：

[1] 王翔.电磁式计轴传感器技术[J].电工材料,2019.

[2] 韩广尧.基于电磁感应原理的单侧计轴传感器研究[D].哈尔滨工业大学硕士学位论文,2015.

[3] 王梓丞,张亚东,郭进,罗蓉.牵引回流对计轴设备的影响分析[J].铁道标准设计,2018,62(02):166-172.

[4] 叶卫东,杨浩军.基于ANSYS的钢轨电流磁场仿真分析[J].仪器仪表用户,2012.