基于电涡流效应原理的一种车辆低速探测装置
摘要:本文介绍一种新型的铁路车辆检测设备(环路线圈车辆判别器),主要用于检测铁路上通过的每一列车的车辆总数。通过该设备,可以解决铁路列车车速低至0km/h时仍能检测列车车辆总数,解决无源车轮传感器无法探测低速列车的难题。讲述了它的原理、软硬件实现方法。
关键词:电涡流传感器 AEI 车号自动识别系统 AD5933
1 引言
环路线圈车辆判别器是铁路上为了解决AEI 车号自动识别系统在列车低速或停车时而无法准确识别列车车辆而开发的一种车辆低速探测装置,它作为与AEI 车号自动识别系统配套使用的设备,已经在整个铁路系统得到了推广和使用,在辅助AEI 车号自动识别设备处理列车低速问题已经发挥了重要作用。本文采用ADI公司的阻抗数字转换器芯片AD5933为核心,设计了铁路车辆环路检测器的硬件电路。采用该设计不仅提高了硬件系统集成度,而且增强了环路线圈车辆判别器配置的灵活性和设备维护的方便性。
2 原理
铁路环路线圈车辆判别器是利用电涡流传感器原理设计实现的。我们首先介绍一下电涡流传感器。电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。电涡流式传感器可以实现非接触地测量物体表面为金属导体的多种物理量,如位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等参数。这种传感器也可用于无损探伤。当通过金属体的磁场变化时,就会在导体中产生感生电流,这种电流在导体中是自行闭合的,这就是所谓电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量,从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化,这一物理现象称为涡流效应。电涡流式传感器是利用涡流效应,将非电量转换为阻抗进行测量。
一般讲,线圈的阻抗变化与导体的电导率、磁导率、几何形状,线圈的几何参数,激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变,而其余参数恒定不变,则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。如其他参数不变,阻抗的变化就可以反映线圈到被测金属导体间的距离大小变化。我们可以把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环,这样就可得到的等效电路。 、 为传感器线圈的电阻和电感。短路环可以认为是一匝短路线圈,其电阻为 、电感为 。线圈与导体间存在一个互感 ,它随线圈与导体间距的减小而增大。
根据等效电路可列出电路方程组:
通过解方程组,可得 、 。
因此传感器线圈的复阻抗为:
线圈的等效电感为 可以看出,线圈与金属导体系统的阻抗、电感都是该系统互感平方的函数。而互感是随线圈与金属导体间距离的变化而改变的。因此,通过测量阻抗变化,就可以确定位移的变化情况。环路线圈车辆判别器由放在两根钢轨之间的环路线圈和处理板构成,环路线圈本身既是一个电感线圈。当车辆在环路线圈上移动时,环路线圈探测车辆部位是在不断变化的,因此线圈的等效电感也是在不断变化的,通过测量线圈的阻抗,就可以确定车辆的运行情况。包括判断列车存在、列车离开以及列车的车辆总数。
3 硬件电路设计
3.1 AD5933阻抗转换电路
AD5933是一款高精度的阻抗测量芯片,内部集成了带有12位,采样率高达1MSPS的AD转换器的频率发生器。它解决了从阻抗到数字直接转换的复杂信号处理难题。它采用直接数字频率合成器(DDS)技术,把模/数转换(ADC)和数字信号处理(DSP)功能结合、提供一种精细频率扫频能力,允许用高达100KHz的已知频率来激励外部复阻抗(100Ω～10MΩ范围)。被激励阻抗元件的响应信号直接被片内的ADC采样,然后用片内DSP处理器进行离散傅立叶变换(DFT)。当工作在固定频率情况下,DSP通过DFT算法返回每个频点的实部 和虚部 数据值,可以很方便地计算出当前阻抗值,阻抗的模 ,相角 。通过不间断采集,可以反映出被测电路的阻抗变化情况。该芯片集成了电涡流传感器所需要的信号源与信号测量电路,可以大大简化电路设计。
3.2 CY7C68013A高速USB接口电路
USB接口设计采用Cypress公司的CY7C68013a芯片,Cypress公司推出的USB2.0控制器CY7C68013a。USB2.0协议提供480Mb/s的传输速度,向下完全兼容流行的USB1.1协议。CY7C68013a是USB2.0的完整解决方案。该芯片包括带16KB片上RAM的高速8051单片机、4KB FIFO存储器以及通用可编程接口(GPIF)、串行接口引擎(SIE)和USB2.0收发器,无需外加芯片即可完成高速USB传输,性价比较高。由于该芯片集成了I2C总线,适合与AD5933接口。
3.3 软件设计
软件程序包括68013固件程序和应用处理程序以及车辆识别模型。
(1)CY7C68013固件程序;68013固件程序完成的主要工作是AD5933的初始化,以及接收USB端口主机命令,完成控制AD5933芯片,接收采集的阻抗转换值,并将结果发送给主机。
(2)应用处理程序;应用软件主要是控制AD5933的转换,并接收转换的数据,根据转换数据,判别列车的运行的各种状态,当列车通过后,根据数据通过模式匹配方法进行模式识别,判断列车车辆总数。
(3)列车车辆的识别;软件设计最关键也是最重要的部分就是列车车辆的识别,通过对大量列车波形数据的研究,建立识别列车车辆的模型。识别过程第一步是建立车辆波形库:在进行列车车辆识别前,首先对采集的波形数据进行了预处理。对采集的数据进行数字滤波处理,然后通过对大量数据分析、对比,将波形数据归类,建立起波形数据库;第二步是模板匹配: 把采集的信息通过与数据库匹配,从而判断出车辆的类型。通过软件的识别,可以将机车、货车区分开来,同时还能识别出列车的车辆数。
4结语
本文讲述了铁路上环路车辆判别器,它能有效地解决AEI系统无法解决的低速、停车问题,介绍了它 的原理,软、硬件实现,以及车辆识别模型。通过采用集成的AD5933阻抗数字变换模块的设计,使设计大大简化,同时增加了设备的易用性和可维护性,提高了效率,为设备的应用开辟更广阔的空间。
参考文献
[1] 胡广书.数字信号处理—理论、算法与实现[M].2版.北京:清华大学出版社,2003.
[2] 铁路车号自动识别系统AEI设备管理检修运行规程[M].北京:铁道出版社,2009-4.
[3] AD5933 data sheet.Analog Devices ,inc.2004.4.
[4] CY7C68013a data sheet.Cypress Semiconductor Corporation.2001.3.
