基于涡流反射式的磁浮列车绝对定位传感器的研究

李 俊，吴 峻，汤钧元，李洪鲁

(1.国防科技大学智能科学学院，湖南长沙 410073；2.中国人民解放军31108部队，江苏南京 210016)

0 引言

磁浮列车是一种与轨道无接触运行的新型轨道交通工具，具有速度快、能耗低、噪音小、安全舒适、无污染等优点[1-2]。为了磁悬浮列车的安全运营，实现列车行驶过程中的精确定位和速度闭环控制，必须在磁悬浮列车上安装列车测速定位系统[3]。

目前磁浮列车的定位方式包括相对定位技术和绝对定位技术，相对定位技术主要有基于轨间电缆的测速定位法、基于长定子齿槽计数的测速定位法、基于长定子齿槽谐波检测的测速定位法。绝对定位技术主要有涡流电感式检测法、应答器式检测法、脉宽编码式检测法和电磁感应式检测法[4-8]。其中基于电磁感应式的测速定位方法作为广泛应用的方法之一，主要依靠车载有源读码器读取按照一定规律安装在轨道下方的定位标志板的编码来确定列车位置信息的。该方式不依赖具体的轨枕，安装及维护比较方便且对环境有较好的适应性，但是其存在线圈数量多、结构复杂，整体体积质量大、可移植性差等问题。

通常轨道上每相隔200 m左右设置一套含有绝对位置编码的定位标志板。当列车通过定位标志板时，车上安装的绝对定位传感器可以读取标志板上的位置编码，获取列车的绝对位置信息。一组定位标志板含有3块等间隔设置的定位标志板，标志板表面敷铜，长度为258 mm，宽度为80 mm，厚度为大于等于35 μm。每一块的定位标志板有4位二进制编码，每一位编码的状态为1或0。如图1所示，绝对定位标志板上有狭窄的缝隙，每个缝隙相对于定位标志板的五等分线在左或者在右，代表该位编码为1或者是为0。

图1 绝对定位标志板

传统绝对位置读取装置由有源传感器、信号处理单元、通信单元和显示单元组成，其中有源传感器为U型槽结构，U型槽两侧各安装10个电感线圈，其中有8个尺寸相同的宽线圈、2个尺寸相同的窄线圈，如图2所示。高频信号源激励其中一侧的电感线圈，为发射线圈，另一侧的线圈为接收线圈[9]。线圈之间的距离为定位标志板宽度的1/5，即51 mm。

图2 传统绝对定位传感器检测线圈布局方式

该传感器中的8个宽线圈作为定位线圈，2个窄线圈用于依次读取定位标志板的四位二进制信息。正是上述U型槽结构以及逐一读码方式导致传感器线圈数量多，使得绝对定位传感器的体积较大(长度接近600 mm)、质量重。如果能够同时读取定位标志板4个编码，那么传感器的体积将显著缩小，可进一步增强装置的可移植性。

为了解决上述问题，本文提出一种基于涡流反射式的绝对定位传感器，设计一种错位分布的阵列式线圈实现对定位标志板信息的读取，具有结构简单紧凑、体积小、质量轻等优势；同时通过对阵列式线圈参数的优化，避免列车运行中晃动导致传感器误码的问题，提高测速定位系统的稳定性和可靠性。

1 基于涡流反射式的定位原理分析

如图1所示，定位标志板上的编码可视为一种缺陷，可利用涡流无损检测原理进行检测。检测线圈与被测导体关系的等效电路见图3。其中，R1为检测线圈电阻，L1为检测线圈电感，R2和L2为被测导体中涡流区的电阻和电感，M为检测线圈与被测导体之间的互感。U为激励电压，I1为检测线圈电流，I2为产生的涡流，两者电流方向相反。检测线圈发射的电磁场在被测导体中产生电涡流，被测导体的涡流回路等效为一个短路线圈，它与检测线圈通过磁场耦合，影响着检测线圈的等效电感。

图3 电涡流传感器的等效电路模型

以图3中所示电流为正方向，根据基尔霍夫定律得到方程：

(1)

由式(1)可得等效阻抗：

(2)

从而得到线圈的等效阻抗与电感分别为：

(3)

由式(3)可知， 在涡流的影响下，线圈的实部的等效电阻增加，而虚部的等效电感减小，线圈的等效阻抗因此发生变化，称为反射阻抗作用。所以电涡流传感器的工作原理，实质上是受到交变磁场影响的导体产生了涡流使线圈原有的阻抗发生变化。因此通过上式的推导，可以将等效阻抗Z用函数表达。

Z=F(λ,μ,ρ,f)

(4)

式中：λ为检测距离；μ为被测体的磁导率；ρ为被测体电阻率；f为线圈中激励电流的频率。

当改变其中一个参数而其他参数固定时，可以通过测量等效阻抗Z或者电感L的变化来确定参数的变化。

在检测定位标志板的窄缝时，可将窄缝对阻抗的影响视为对电导率、磁导率的影响。当激励线圈处于标志板窄缝正上方时，由于窄缝的长度较长，对涡流的形成产生阻断，改变电涡流的分布，减弱了涡流对探头线圈的耦合，所以线圈位于窄缝时其等效电感值会变大；当线圈处于标志板的镀铜层的上方时，在镀铜层中产生的涡流会使线圈的等效电感变小。

标志板的读码问题就是判断窄缝在定位标志板等分线左侧还是右侧的问题。使用一个线圈只能解决识别有无窄缝的问题，无法判断该窄缝是在其对应等分线的左侧还是右侧，若要解决此问题，需要两个检测线圈同时工作，线圈分别布置在标志板等分线的左侧与右侧，此时两个线圈的等效电感因窄缝存在而不同，通过此差异可判断出窄缝在等分线的左侧或者右侧，即读取定位标志板的编码。

一块标志板包含4位编码信息，所以传感器组需要8个线圈，为避免定位标志板等分线两侧的线圈相互耦合，采用错位布局的方式，如图4所示，每位编码对应一组线圈，同组间的两个线圈电感值和几何尺寸应保持一致。

图4 有源阵列式线圈布局结构

2 阵列式检测线圈的优化

在实际运行时，车体在悬浮和导向上都有一定程度的晃动，通常在±4 mm以内[10]。根据式(4)的分析，在线圈其他条件不变的基础上，检测线圈与绝对定位标志板之间位置关系发生变化，会对线圈等效电感造成影响。当位置关系不同时，线圈等效电感的变化将导致传感器输出电压的变化，该变化易造成传感器的误码，影响列车的正常运行。

传感器与标志板之间位置变化分别有悬浮和导向两个方向。对于涡流传感器来说，由于悬浮方向±4 mm的偏离并不改变检测线圈在窄缝上或者不在窄缝上的状态，对传感器的性能影响不大。即列车主要是导向方向±4 mm的偏离会改变传感器的检测距离，易造成绝对定位传感器的误码。

因此，需要提升绝对定位传感器的读码范围来避免此类误码情况的发生。对于涡流反射式绝对定位传感器来说，阵列式线圈参数的优化设计是提升传感器读码范围的关键。

Maxwell是用于求解电磁场问题的有限元分析软件，分析导体中时变电流或外界交变磁场源所引起的时变磁场可用其中的Maxwell 3D涡流场模块，它进行网格剖分是利用自适应分析法，可提高求解问题的速度与精度[11]。利用Maxwell仿真软件，绘制材料为铜的定位标志板与检测线圈，通过改变检测线圈的形状、宽度等参数，计算得到线圈等效电感的绝对变化率，设计性能最优的检测线圈，从而提升传感器的读码范围，以避免车体晃动对传感器的影响。

2.1 仿真模型的参数优化

在Ansoft Maxwell软件中建立定位板检测仿真模型，其步骤如下：

2.1.1 创建工程

本文设计的模型为三维模型,设计中使用到涡流场求解器。

2.1.2 三维实体模型绘制

仿真模型主要由带裂缝的金属板和激励线圈组成。在仿真空间内部放置体积为160 mm×160mm×2 mm的铜板，在铜板上表面设置一个80 mm×2 mm×2 mm的窄缝。在铜板上方建立激励线圈模型，设计的线圈使用铜线缠绕成环，因为缠绕的铜线圈可以等效为铜环，所以这里将线圈近似为铜环处理，并采用参数化建模方式建立不同形状(圆形/矩形)的线圈模型，模型如图5所示。

图5 仿真模型

将线圈的内径设置为1.5 mm，通过改变外径的宽度改变线圈尺寸，相关几何参数如图6所示，设矩形线圈和圆形线圈厚度为1 mm，提离高度分别为h。采取控制变量法，在保证其余参数不变的情况下，分别改变a1、s1、h观察线圈在缝隙和不在缝隙上的电感绝对变化量。

图6 线圈几何尺寸

2.1.3 激励设置和边界条件

选择线圈在YOZ平面的一个截面作为激励源，采用电流激励方式，绕组采用stranded绞线形绕组。激励安匝数设定为N×0.01 A，其中N为线圈的匝数，N设为50，N值随着激励线圈模型改变，保证每次仿真时线圈电流密度相同，激励频率设为1 MHz。

2.1.4 剖分和自适应参数设定

选择自适应剖分，这种方法在不需要人工指定网格参数时也能够获得较为理想的收敛结果。

2.2 仿真结果分析

由仿真结果如图7、图8和图9所示，可以得出以下结论：a1、h固定时，矩形线圈和圆形线圈的电感绝对变化率随s1的增大而增大；h1、s1固定时，矩形线圈的电感绝对变化率随a1的增大而增大；a1、s1固定时，矩形线圈和圆形线圈的电感绝对变化率随提离高度的增大而减小；相同几何尺寸下，矩形线圈的电感绝对变化率比圆形线圈的电感绝对变化率更大。

图7 s1变化时，矩形线圈和圆形线圈仿真结果对比

图8 h变化时，矩形线圈和圆形线圈仿真结果对比

图9 a1变化时，矩形线圈仿真结果

综上所述，在满足几何尺寸约束的条件下，应尽量使所设计的矩形线圈长度较长且宽度较宽，这样在检测标志板窄缝时电感的变化量更大，即绝对定位传感器与定位标志板处于不同位置关系时，也能完成读码。

由于标志板的相邻的窄缝间隙较小，所以对矩形的宽度应该严格限制。结合绝对定位标志板的几何尺寸，确定绝对定位线圈尺寸如下：内径宽度3 mm，宽度28 mm，长度为46 mm，制作的阵列式检测线圈如图10。

图10 阵列式检测线圈

3 系统组成

新型绝对定位传感器由激光测距传感器、阵列式检测线圈、信号处理单元、显示单元和供电单元组成，如图11所示。

图11 绝对定位传感器组成

既有的绝对定位传感器通过8组定位线圈判断标志板与装置的位置关系，为了减小体积，采用两个激光测距传感器替代既有装置的定位线圈，只有当检测线圈正对标志板时，两个激光测距传感器均接收到从标志板反射回的信号，均处于正常工作状态。FPGA处理器通过对激光测距传感器的输出电压进行采样，判断读取装置是否和标志板的几何位置严格对齐，当两个激光传感器输出均为正常工作状态时，处理器开始对电路信号进行处理。激光测距传感器布局如图12所示，两个激光测距传感器间的距离等于标志板的长度，在车辆运营过程中始终处于工作状态。

图12 阵列式检测线圈正对定位标志板时的俯视示意图

3.1 仿真模型的参数优化

绝对定位传感器采用了如图13所示的恒频调幅结构，信号源产生高频振荡信号，经过功率驱动，激励分压电阻和检测线圈谐振回路组成的负载，取谐振回路两端的信号作为输出，经模拟开关检波，信号经差分后输入至FPGA中进行处理。

图13 恒频调幅电路结构

由于有8个检测线圈，所以有8组相同处理电路，其中2个线圈组成一组，需4个差分电路，4个差分电路输出信号输入至FPGA经判读后即可得到标志板编码信息。

3.2 软件结构

传感器检测流程如图14所示。

图14 传感器软件结构流程

以一组检测线圈为例进行分析，由于两个检测线圈尺寸相同，根据电涡流效应，当一组线圈中的一个探头(探头2)处于窄缝正上方时如图15所示，该探头的等效电感比另一个探头(探头1)的电感小，等效电感的变化导致并联谐振回路的振荡频率变化，则L1对应的定频调幅电路输出电压小于L2对应的定频调幅电路输出电压。差分电路输出为线圈1与线圈2的差值信号，此时的差分信号小于0且达到最小值，处理器采集该模拟信号并判断符号，从而获取编码信息。

图15 探头2位于窄缝正上方

4 实验结果分析

为了检验绝对定位传感器在车辆发生晃动时仍能够正常读码，本文对矩形线圈在不同提离高度下对窄缝的敏感度进行了测试，利用阻抗分析仪测量矩形线圈电感变化情况。将检测线圈固定在标定台上如图16所示。通过改变提离高度，测量矩形线圈处于窄缝上方与不处于窄缝上方的电感绝对变化率，结果如图17所示。

图16 实验模拟测量装置

图17 矩形线圈的电感绝对变化率

将检测线圈与处理电路连接，测量矩形线圈处于窄缝上方与不处于窄缝上方的传感器输出电压值，结果如图18所示。

图18 传感器输出电压变化率

分析实验结果可知，实际线圈的电感绝对变化率随着提离高度的增加而减小，当提离高度高于13 mm时，电感变化率较小，维持在2%左右不变；通过图18测量的输出电压可知，当提离高度高于13 mm时，电压变化率也维持在20%左右，与图17数据相吻合，因此将所设计的绝对定位传感器的最大读码范围定为15 mm。同时可发现经过定频调幅处理后的电压信号变化率明显高于线圈电感信号变化率，因为当电路偏离谐振点时，电路中阻抗变化是非线性的。

于是将传感器与定位标志板之间标准距离设定为8 mm，那么传感器的读码范围为标准位置左右7 mm，而车体在正常运行中最大只有±4 mm的晃动，因此所设计的绝对定位传感器能够有效避免因车辆晃动造成的误码情况。

5 结束语

本文提出了一种基于涡流反射式的绝对定位传感器，设计了一种阵列式检测线圈，能够实现对定位标志板编码信息的读取，体积质量以及装置的复杂程度明显优于传统的电磁感应式定位传感器；针对列车在实际运行中晃动导致误码的情况，对阵列式检测线圈参数进行优化，提升了传感器的读码范围，使传感器的读码范围增加到标准位置左右7 mm，具有结构简单紧凑、体积小、质量轻、测量准确度高、易于拆卸等优点，能够满足测速定位系统的要求，保证磁浮列车的顺利运行。