专利名称：电涡流非接触临近轨道计轴器的制作方法
技术领域：
本发明涉及应用于铁路交通、矿山冶金的轨道车辆的自动检测装置。
背景技术：
现有的轨道车辆的自动检测主要有两种方式一是轨道电路检测方式，该方式利用两根铁轨已有的电位差(或检测装置本身对两条铁轨施予激励信号)在车辆临近时，金属车轮对两条铁轨的短接所造成的铁轨电位变化，进行有无车辆的检测。该测量方式存在以下弊病1、无法测量车轴数，亦就无法测量过车车皮次；2、无法测量过车车速；3、欲要测量过车行车方向，需在两段相互绝缘且位置相对较远的铁轨处分设两个测量装置，不仅增加施工难度，也加大了成本；4、因铁轨生锈又可能造成分路不良。由于该测量方式依赖于两条铁轨的电位差变化进行过车测量，也就限制了该测量方式无法在一些有特殊环境要求的场合使用，如煤矿井下轨道车辆的测量，因为煤井运输系统有着严格的防爆安全要求，严禁运输轨道的两条铁轨相互绝缘。
二是机械测量方式，该方式主要利用过车车辆轮缘对机械触点的碾压，产生通断信号，从而对车辆进行监测。该方式易磨损、安装难度大、可靠性低。渐已淘汰。
发明内容
针对上述现有轨道测量装置所存在的弊端，本发明的目的是提供检测灵敏度高、抗干扰能力强、检测速率高、能满足煤矿井下防爆运输要求的电涡流非接触临近轨道计轴器。
实现上述目的的技术解决方案如下1、电涡流非接触临近轨道计轴器，包括传感器、有源振荡维持电路单元、检波及电平转换电路单元、输出比较及脉宽修正电路单元、电流转换电路单元、电源及稳压电路单元和振荡强度自适应控制单元；其特征在于A、所述传感器包括半环形开口式磁性体、沙包线和两个电容，沙包线均绕在半环形开口式磁性体上，两个电容并联在沙包线两端；
B、所述振荡强度自适应控制单元包括差分运算放大器U2D、电容C10、二极管D2、D3、D7和电阻R11，差分运算放大器U2D的反相输入端分别与电容C10的负极、二极管D7的阳极、电阻R11的一端连接，差分运算放大器U2D的正相输入端分别与二极管D2的阳极、D3的阴极相连，差分运算放大器U2D的输出端分别与二极管D7的阴极、电容C10的正极相连，二极管D2的阴极、D3的阳极与电阻R11的另一端相连；差分运算放大器U2D的输出端与有源振荡维持单元中的电阻R12一端相连，差分运算放大器U2D的正相输入端分别与输出比较及脉宽修正单元中的运算差分放大器U1A的反相输入端、电源及稳压单元中的运算放大器U2B的输出端相连，差分运算放大器U2D的电源正极与电流转换单元中的三极管Q6的集电极相连，差分运算放大器U2D的电源负极与线路板公共地端相连。
2、根据上述1所述的电涡流非接触临近轨道计轴器，其特征在于所述沙包线为沙包多股铜芯线，所述两个电容的容值分别为1000pF、10000pF。
所述传感器利用LC谐振的原理，磁环、沙包铜芯线与并接的两个电容共同组成了LC谐振电路，由A、B、C引出的三根导线分别与线路板内有源振荡维持单元的直流10V(DC10V)电源、三极管Q4的基极、三极管Q3的集电极相连，与线路板内有源振荡维持电路构成一个完整的有源振荡单元。
3、根据上述1所述的电涡流非接触临近轨道计轴器，其特征在于所述差分运算放大器U2D为OP07，所述电容为容值为10uF的电解电容，电阻R11为400KΩ。
该振荡强度自适应控制单元的反馈控制过程是这样的积分器U2D同相输入端接参考电平DC3.5V，根据运放“虚地”特性，积分器反相输入端也应保持电平DC3.5V。当检波及电平转换单元输出低于DC3.5V时，则R11两端电位不等，此时，积分器输出电压提高，对电容C10充电，充电电流流向R11(因为运放输入端电流视为0)，产生电压降使电路配平。
积分器输出电位提高，导致有源振荡维持单元的振荡强度调节三极管Q2基极电流加大，Q2ce集、射极间的动态阻抗降低，相当于有源振荡维持单元LC振荡回路的交流阻抗降低，使得振荡强度增大，导致检波及电平转换单元输出电位增高。
当检波及电平转换单元输出电位增高等于DC3.5V时，R11两端电位相等，运放输出端则勿须改变电位对C10充放电，流经R11的电流为零，振荡强度也就维持不变。
关于积分器积分常数设计是这样确定的由于钳位二极管的作用，R11上压降不会超过D2、D3的正向导通压降，根据设计，D2、D3上的最大钳位电流为0.1mA，对应压降为0.15V(由V-A曲线查得)，此时积分器输出电压变化率为ΔVc10/ΔT＝I/C10＝37.5mV/S这样的变化率对快速移过的感应体基本没有影响，而只会对器件参数变化、静止物体引起的损耗补偿。因此，该振荡强度自适应控制单元对有源振荡维持单元所起的作用可以形象的描述为慢补偿(抑制干扰)、快响应(信号触发)！振荡强度调节管工作点分析振荡强度调节管Q2集电极无直流通路，无法采用直流工作点方法对其分析，现用类比法予以分析(请参考有源振荡维持单元原理图)。
假定有源振荡维持单元振荡管Q3的集电极极限动态电流为2mA(因有源振荡维持单元Q1恒流管集、射极流经电流＝2mA，故Q3最大静态电流只能为2mA)，则其基极极限动态电流Isb3＝Isc3/β＝2/70＝30nA(设Q3放大倍数β＝70)。
假定Isb3全部经C5、Q2通过，则Iq2b仅需1nA电流即可。
为使积分电容C10保持正向电压，设计积分器输出电压低限为2.0V，此时R15的分压电压为0.5V(使Q2处于截止状态)。故有0.5V/2.0V＝R15/(R12+R15)即R12＝5R15本电路中，积分器最高输出电压约为10V，设定在此使(R12+R15)支路电流为1mA左右，则(R12+R15)＝10V/1mA＝10K。
综合以上分析，选已有阻值系列，取R12＝8.2KΩ，R15＝1.8KΩ，则最大支路电流为1mA，积分器输出2..0V时，R15分压电压为0.36V，满足电路要求。
当积分器U2d输出为2.0V时，Q2截止，而当积分器输出为最高电压Vh＝10V时，Q2基极电流Ib与R9关系为
设R9、R15、R12相连处电压为Vx，则有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；为使Q2处于深度饱和，取Ib＝4nA，将Vh＝10V、Vbe＝0.6V、R12＝8.2KΩ、R15＝1.8KΩ带入上式，得R9≈450KΩ。
本发明首次在电涡流感应技术的测试方式中，采用了半环形开口式磁性体作为轨道计轴器的传感器，应用于轨道车辆的轮轴检测，降低了轨道计轴器非检测面的干扰，提高了检测面的灵敏度。
将自适应反馈控制电路应用于有源振荡电路的振荡强度控制，并首次应用于轨道车辆的轮轴检测，增强了轨道计轴器抑制温度、潮湿、元器件参数漂移等干扰因素的能力，提高了轨道计轴器本身的检测速率。
本发明电涡流非接触临近轨道计轴器仅需在铁轨任意侧敷设一对(彼此距离30-100厘米，根据过车车速快慢以及计算机采样速率大小作相应调整)，并配备相应的计算机数据采集处理单元，即可实现对过车车辆车皮次、速度、方向的非接触测量。而且由于其采用的是物体临近时对计轴器激励磁场的侵蚀而产生的信号触发测量方式，使得电涡流非接触临近式轨道计轴器与铁轨、过车车辆相对分离，无电气连接，因此极大的拓宽了轨道计轴器的使用场合。同时，由于轨道计轴器采用非接触测量方式，功耗极低(P≤240mW)，其使用寿命较一般轨道过车测量装置大为提高。
本发明电涡流非接触临近轨道计轴器经在安徽淮南煤炭矿务局潘一矿、潘三矿、张集矿，淮北煤炭矿务局祁南矿、岱河矿、桃源矿、童亭矿，铜陵有色金属公司狮子山铜矿，山东泰安翟镇煤矿，甘肃酒泉钢铁公司镜铁山铁矿，河南焦作中马煤矿等井下运输系统的大量实际试用，性能稳定、工作可靠，解决了长期困扰井下轨道运输系统车辆的测量问题，可取得显著的社会、经济效益。
图1为本发明电路原理框图，图2为传感器结构图，图3为振荡强度自适应控制单元电路原理图，图4为有源振荡维持单元电路原理图，图5为检波及电平转换单元电路原理图，图6为比较及脉宽整形单元电路原理图，图7为电流转换单元电路原理图，图8为电源电路原理图。
具体实施例方式
实施例该电涡流非接触临近轨道计轴器，包括传感器、有源振荡维持电路单元、检波及电平转换电路单元、输出比较及脉宽修正电路单元、电流转换电路单元、电源及稳压电路单元和振荡强度自适应控制单元，见图1。
参见图2，传感器包括半环形开口式磁性1、沙包多股铜芯线2和两个电容3，沙包多股铜芯线2均匀绕制在半环形开口式磁性体1上，两个电容3并联在沙包多股铜芯线2两端，两个电容的容值分别为1000pF、10000pF；共同组成了LC谐振电路，由A、B、C引出的三根导线分别与线路板内有源振荡维持单元电路的直流8V电源、三极管Q4的基极、三极管Q3的集电极相连，与有源振荡维持电路构成一个完整的有源振荡单元。
参见图3，振荡强度自适应控制单元包括差分运算放大器U2D、电容C10、二极管D2、D3、D7和电阻R11，差分运算放大器U2D的反相输入端分别与电容C10的负极、二极管D7的阳极、电阻R11的一端连接，差分运算放大器U2D的正相输入端分别与二极管D2的阳极、D3的阴极相连，差分运算放大器U2D的输出端分别与二极管D7的阴极、电容C10的正极相连，二极管D2的阴极、D3的阳极与电阻R11的另一端相连；差分运算放大器U2D的输出端与有源振荡维持单元中的电阻R12一端相连，差分运算放大器U2D的正相输入端分别与输出比较及脉宽修正单元中的运算差分放大器U1A的反相输入端、电源及稳压单元中的运算放大器U2B的输出端相连，差分运算放大器U2D的电源正极与电流转换单元中的三极管Q6的集电极相连，差分运算放大器U2D的电源负极与线路板公共地端相连。
所述差分运算放大器U2D为OP07，所述电容为容值为10uF的电解电容，D2、D3为二极管，电阻R11为400KΩ。
该装置的工作原理是这样的初始上电，由计算机采集单元提供的直流12V电源通过电流转换电路对电源电路中的4700uF(C1)电容进行充电，约3秒钟充电完毕后，线路板进入正常工作状态。
正常工作时，由磁环传感头与线路板内有源振荡维持电路共同构成的LC有源振荡单元维持一个稳定、平衡的振荡状态，且由于线路板内所具备的震荡强度自适应控制单元的反馈控制作用，其谐振波形的频率、幅值基本不受外界缓慢干扰信号的影响。而脉宽整形单元的滤波作用又避免了电火花等尖峰瞬时毛刺信号的干扰。
当有车时，车缘作为磁导体，改变了由LC谐振传感头、振荡器构成的振荡回路的交流阻抗，回路的Q值也随之改变，且其变化速率已超出振荡强度控制单元的调节响应范围，导致振荡器谐振平衡被打破。因此，振荡器输出的经检波及电平转换单元处理后的信号与原稳态振荡时的信号状态相比发生变化，从而通过输出比较及脉宽整形单元输出一个电平翻转信号。
当计轴器采用二线制(一根直流12V电源线、一根地线)检测模式时(电流输出型)，电平翻转信号控制电流转换单元直流12V电源线上的开关三极管Q6导通与关断，由计算机采集单元检测流经该直流12V电源线电流强度的大小，进而判断出车辆有无状况。
当计轴器采用三线制检测模式时(电压输出型)，电平翻转信号由计算机采集单元直接检测其高低状态，判断车辆运行状况。
电源单元中的电容C1(4700uF)在线路板中起到蓄电池的作用。无车经过时，电流转换换接中的开关三极管Q6始终导通，线路板由计算机采集单元提供直流12V工作电源。有车时，三极管Q6被比较及脉宽整形单元输出的电平翻转信号关断，线路板的工作电源由电容C1储存的电能提供，所能维持的最长供电时间约为1175mS。因此，当停车时间超过1175mS时，线路板有一个重新充电的过程，而一般车辆的过车速度远高于该放电时间(可根据实际车速的快慢，通过调整两只计轴器之间的埋设距离来实现该时间值的匹配)，故正常工作时，因C1放电完毕而产生的重新充电现象绝少发生。
以下，就电路框图中各功能电路单元的原理予以描述。
①有源振荡维持单元有源振荡维持单元采用两只三极管(Q3、Q4)构成差分放大器，差分放大器左管(Q3)与LC谐振传感头构成共基极反馈电容三点式振荡器，振荡器输出信号经右管(Q4)集电极电阻(R8)输出给下一级的检波及电平转换单元。改变调节三极管Q2的基极电平(控制信号由振荡强度自适应控制单元的输出提供)，便可改变差分电路左管Q3经电容C5接地的阻抗(即三极管Q2ce间的动态阻抗)，从而实现振荡强度的自动调整，见图4。
②检波及电平转换单元检波及电平转换单元将有源振荡维持单元输出的振荡信号经检波、倍压，转换为合适的电平提供给振荡强度自适应控制单元以及输出比较及脉宽修正单元，见图5。
③输出比较及脉宽修正单元输出比较及脉宽修正单元将检波及电平转换单元输出的电平信号与比较电路的基准电位相比较。当有车临近时，车缘作为感应体靠近LC传感头，使得有源振荡维持单元振荡回路的Q值发生改变，振荡波形输出强度下降，导致检波电位下降，检波及电平转换单元输出电平亦下降。当该输出电平信号电位低于输出比较及脉宽修正单元比较电路的基准电位时，引起比较电路U1A/LM393输出一个低电平，经脉宽整形电路滤波整形后(一方面消除2mS以下的电火花等干扰脉冲，另一方面将波形脉宽整定为15mS，以便计算机采集单元采样)，由U1B/LM393输出一个高电平。一方面截止电流转换单元开关管Q6，使其作为电流输出类型输出一个低电流有车信号，供计算机采集单元采集；另一方面，该高电平信号作为电平输出类型信号，可直接提供给计算机采集单元采集，见图6。
④电流转换单元电流转换单元有两种功能，一方面作为轨道计轴器线路板的电源开关，将来自计算机采集单元的直流12V电源提供给线路板电源单元，其最大允许导通工作电流≤20mA，即轨道计轴器最大功耗P≤12V×20mA＝240mW；另一方面，电流转换单元将输出比较及脉宽修正单元U1B/LM393输出的车缘(车轴)有无电平信号(高电平—有车；低电平—无车)转换为直流12V电源线上的电流通断(有车—电源线供电电流≤2mA；无车—电源线供电电流＝8~16mA)。见图7。
⑤电源及稳压单元电源及稳压单元接收来自电流转换单元提供的10-12V直流电源(因电容C1充放电的影响，电流转换单元提供的来自计算机采集单元直流工作电源电压在10-12V之间波动)，为轨道计轴器提供两种电源功能。一方面，电源单元中的U2A、U2B/OP07运放分别提供稳定、精准的直流10V、3.5V两种工作电压给线路板各工作单元，同时，U2C/OP07与有源振荡维持单元中的Q1三极管一起构成2mA恒流源，作为振荡电路的工作电流；另一方面，电源单元中电容C1作为蓄能元件，无车时由电流转换单元对其充电，有车时，因电流转换单元被截止(导通电流≤2mA)，该电容放电提供给线路板，使其在有车断电期间仍能正常工作，见图8。C1能够提供的最大维持工作时间为T＝(Vh-Vl)×Cl/I＝1175mS；其中，Vh-电容充电最高电压，Vl-线路板工作允许最低电压，I-线路板工作电流。
权利要求
1.电涡流非接触临近轨道计轴器，包括传感器、有源振荡维持电路单元、检波及电平转换电路单元、输出比较及脉宽修正电路单元、电流转换电路单元、电源及稳压电路单元和振荡强度自适应控制单元；其特征在于A、所述传感器包括半环形开口式磁性体、沙包线和两个电容，沙包线均绕在半环形开口式磁性体上，两个电容并联在沙包线两端；B、所述振荡强度自适应控制单元包括差分运算放大器U2D、电容C10、二极管D2、D3、D7和电阻R11，差分运算放大器U2D的反相输入端分别与电容C10的负极、二极管D7的阳极、电阻R11的一端连接，差分运算放大器U2D的正相输入端分别与二极管D2的阳极、D3的阴极相连，差分运算放大器U2D的输出端分别与二极管D7的阴极、电容C10的正极相连，二极管D2的阴极、D3的阳极与电阻R11的另一端相连；差分运算放大器U2D的输出端与有源振荡维持单元中的电阻R12一端相连，差分运算放大器U2D的正相输入端分别与输出比较及脉宽修正单元中的运算差分放大器U1A的反相输入端、电源及稳压单元中的运算放大器U2B的输出端相连，差分运算放大器U2D的电源正极与电流转换单元中的三极管Q6的集电极相连，差分运算放大器U2D的电源负极与线路板公共地端相连。
2.根据权利要求1所述的电涡流非接触临近轨道计轴器，其特征在于所述沙包线为沙包多股铜芯线，所述两个电容的容值分别为1000pF、10000pF。
3.根据权利要求1所述的电涡流非接触临近轨道计轴器，其特征在于所述差分运算放大器U2D为OP07，所述电容的容值为10uF的电解电容，电阻R11为400KΩ。
全文摘要
本发明涉及应用于铁路交通、矿山冶金的轨道车辆的自动检测装置，具体地说是电涡流非接触临近轨道计轴器。其特点是采用外部緾绕沙包线的半环形开口式磁性体及并联的电容组成传感器；将自适应反馈控制电路应用于有源振荡电路的振荡强度控制。提高了检测灵敏度；增强了轨道计轴器抑制温度、潮湿、元器件参数漂移等干扰因素的能力，提高了轨道计轴器本身的检测速率。
文档编号G01N27/72GK1580758SQ20031011271
公开日2005年2月16日 申请日期2003年12月23日 优先权日2003年12月23日
发明者韩江洪, 蒋建国, 魏臻, 张维勇, 陆阳, 胡敏, 程运安, 程磊 申请人:合肥工大高科信息技术有限责任公司, 韩江洪