一种能够补偿齿槽效应的磁浮列车悬浮间距传感器 【技术领域】
本发明涉及一种磁浮车悬浮间距的非接触式间距传感器。
背景技术
现有磁浮车悬浮间距的非接触位移传感器(间距传感器)是基于电磁感应原理实现距离的测量，它利用传感器内的探头线圈来检测探头线圈与被测金属体(轨道)之间的距离，实现悬浮间距的检测。
基于电磁感应原理的非接触位移传感器有多种类型，其中的一类电感式非接触位移传感器的工作原理是：当通电的传感器检测线圈(探头线圈)附近有金属体靠近时，由于金属体改变了检测线圈所产生的感生电磁场磁路的磁阻，从而影响线圈的电感量，因此线圈的电感量与线圈和金属体之间的距离相关，其关系为L＝N2μS/2δ，其中N为线圈匝数；μ为空气导磁率；S为线圈围成的面积；δ为线圈与被检测金属体表面的距离。其中空气的导磁率μ为常数，线圈绕成后N与S为定值，因此，线圈的电感量L与检测线圈与金属体表面的距离值δ成反比。
检测时，高频信号源向检测线圈馈入高频交流信号，该高频信号在检测线圈内产生感生电动势，该感生电动势的大小与线圈的电感量有关，检测装置测量该感生电动势所形成的电压信号的大小，即可得到检测线圈与被测金属体表面的距离δ。
根据以上的工作原理分析可知，利用电感式非接触位移传感器测距时，要求被检测的金属体表面最好为标准的平面形状，如被检测金属体表面凹凸不平，检测装置的输出将产生误差，使得测量结果不准确。
高速磁浮列车发展迅速，为保证高速磁浮列车的正常运行，需要控制列车与轨道间的垂向距离，该距离通常也是用电感式位移传感器进行测量的。但是由于高速磁浮列车的轨道为齿槽交替的长定子轨道，轨道上的齿为全金属体，而槽则是在金属体上开的槽，槽中绕有电缆，当电感式位移传感器在长定子轨道的表面上移动时，输出值将随轨道齿槽的周期性变化而变化，出现所谓的齿槽效应，产生垂向间距值的测量误差(又称为齿槽误差)，这种齿槽误差使检测输出值不准确，无法满足高速磁浮车进行实时精确控制以确保悬浮间距高精度恒定一致的要求。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种能够补偿齿槽效应的磁浮列车悬浮间距传感器，该传感器能够对齿槽效应进行补偿，检测出的悬浮距离准确、可靠，精度高。
本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是：一种能够补偿齿槽效应的磁浮列车悬浮间距传感器，包括车体上的与高频信号源相连的探头线圈，探头线圈还与信号处理电路相连，其结构特点是：探头线圈由位移检测线圈和补偿线圈组成，
其中位移检测线圈为沿轨道横向并排的两个相同的8字形的检测线圈构成，每个检测线圈由两个大小相等、绕向相反的矩形线圈串连而成，且也沿轨道横向方向排列，检测线圈沿轨道纵向方向的宽度为轨道齿槽单元长度D；
补偿线圈为两对，两对补偿线圈沿轨道纵向错开1/4齿槽单元长度D，一对补偿线圈叠合在对应的一个检测线圈的范围内；每对补偿线圈又由沿轨道纵向的距离为1/2齿槽单元长度D的两列补偿线圈组成，每列补偿线圈则由沿轨道横向排列的四个大小相等的矩形小线圈连接构成，且每列线圈中地任意相邻的小线圈中的电流方向相反。
本发明的工作原理是：
磁浮列车行进时，安装在磁浮车上的探头线圈也随车体沿轨道纵向方向行进，同时检测出磁浮车与轨道之间的垂向间距：
两个独立的位移检测线圈检测出车体与轨道之间的垂向间距，得到两个独立的间距值，并且由于检测线圈沿轨道纵向方向的宽度为轨道齿槽单元长度D；因此，该两个间距值中包含有与轨道齿槽周期变化规律一致的齿槽误差。
每对补偿线圈中的两列线圈沿轨道纵向的距离为1/2齿槽单元长度D，因此两列线圈产生的感生电动势的相位差为180°，在信号处理电路中，先将同一对补偿线圈中的两列线圈的相位差为180°的两个正弦波(感生电动势)信号相减，即可去除直流成份，输出纯交流的正弦波信号；同时，由于两对补偿线圈沿轨道纵向错开1/4齿槽单元长度D，因此，两对线圈输出的纯交流的正弦波信号的相位差为90°。在信号处理电路中再对相位差为90°的该两路纯交流正弦信号进行三角函数运算，即可求出当前位置的相位值，并由该相位值得出当前位置对应的齿槽垂向距离补偿值。
将检测线圈得到的两个间距值与补偿线圈得到的间距补偿值，由信号处理电路进行分析诊断处理；将两个间距值分别加上间距补偿值作为两个独立的间距检测值输出。同时将这两个补偿后的间距值进行诊断处理，如两个间距值之差大于设定阈值时，表明两个检测线圈至少有一个工作在非正常状态，此时诊断电路将产生故障报警信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、相差1/2齿槽单元长度的两列补偿线圈构成一对补偿线圈，两对补偿线圈之间又相差1/4齿槽单元长度，从而对这些补偿线圈的输出信号进行运算后，可测定出检测线圈在齿槽单元中的位置(相位)，并根据不同位置对应的不同垂向间距补偿值，对检测线圈的检测值进行补偿后，再输出。消除了齿槽效应产生的误差，检测结果可靠，精度高，能够满足高速磁浮列车对悬浮距离(垂向间距)进行精确的恒定控制要求。
二、利用两个位移检测线圈进行检测，并对检测结果进行诊断性处理，从而确保检测结果的可靠：由于各种因素导致检测线圈发生故障或误检时，两个检测线圈的输出值差别过大，系统会产生报警信号，避免产生严重不良后果，确保磁浮车悬浮距离检测的高度可靠性，以进一步保证磁浮列车的运行安全。
三、位移检测线圈由左右两个大小相等绕向相反的矩形线圈串连成8字形而成，由于同向外磁场在这种线圈中产生的感生电动势大小相等方向相反，从而可以抵消，因此，能克服外磁场对其检测线圈的影响。同样，每列补偿线圈又由沿轨道横向排列的四个大小相等的小线圈连接构成，且每列线圈中的任意相邻的小线圈中的电流方向相反；这样，既能使补偿线圈不会给位移检测线圈引入磁场干扰，同样也能抵制外磁场对其自身的影响。使本发明的传感器尤其适用于磁悬浮车这种强外磁场的环境。
上述的探头线圈与高频信号源相连的方式是：探头线圈中的两个位移检测线圈对应连接的两个高频信号源的频率不同，补偿线圈连接的高频信号源的频率与任一位移检测线圈的高频信号源的频率也不同。
上述的两个位移检测线圈对应连接的高频信号源各自独立，补偿线圈连接的高频信号源也为独立的高频信号源。
这样，有利于感应电动势电信号的独立提取，减少相互干扰，提高检测结果的精度和准确度。
上述的探头线圈与信号处理电路相连的具体结构是：每个位移检测线圈与相应的位移信号处理单元、补偿运算单元依次相连，构成一组独立的检测电路；补偿线圈均与独立的补偿信号处理单元相连，补偿信号处理单元的输出端同时与两个补偿运算单元相连；两个补偿运算单元的输出端还均与诊断信号处理单元的输入端相连。
这样，结合两个位移检测线圈分别连接的两个独立的高频信号源，本发明有两路独立的高频信号源，信号检测、处理及输出电路，确保检测输出值为冗余的两路独立输出值。并且可由诊断信号处理单元对两路独立输出值进行比较，从而判断出检测电路是否发生故障，并由诊断信号处理单元将其判断结果输出，进一步确保传感器输出结果的可靠性。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
【附图说明】
图1是本发明实施例的各种线圈的排列及其电原理的示意图。线圈上的实心小箭头方向为馈入电流方向，空心大箭头的方向为轨道的纵向方向。
图2是本发明实施例的电气原理结构示意图。
【具体实施方式】
图1及图2示出，本发明的一种具体实施方式为：一种能够补偿齿槽效应的磁浮列车悬浮间距传感器，包括车体上的与高频信号源相连的探头线圈，探头线圈还与信号处理电路相连。探头线圈由位移检测线圈和补偿线圈组成。
其中位移检测线圈为沿轨道横向并排的两个相同的8字形的检测线圈La、Lb构成，每个检测线圈La或Lb由两个大小相等、绕向相反的矩形线圈串连而成，且也沿轨道横向方向排列，检测线圈La、Lb沿轨道纵向方向的宽度为轨道齿槽单元长度D；
补偿线圈为两对，两对补偿线圈L1、L2和L3、L4沿轨道纵向错开1/4齿槽单元长度D，一对补偿线圈L1、L2或L3、L4叠合在对应的一个检测线圈La或Lb的范围内；每对补偿线圈L1、L2或L3、L4又由沿轨道纵向的距离为1/2齿槽单元长度D的两列补偿线圈L1、L2或L3、L4组成，每列补偿线圈L1、L2、L3或L4则由沿轨道横向排列的四个大小相等的矩形小线圈连接构成，且每列线圈中的任意相邻的小线圈中的电流方向相反。也即某一小线圈中各处电流方向若构成一圈逆时针的方向，则相邻的小线圈中各处流过的电流必构成一圈顺时针的方向。
图2还示出：
本例的探头线圈与高频信号源相连的方式是：探头线圈中的两个位移检测线圈La和Lb对应连接的两个高频信号源Sa和Sb的频率不同(即位移检测线圈La对应连接高频信号源Sa，位移检测线圈Lb对应连接高频信号源Sb，高频信号源Sa和高频信号源Sb的频率不同)，补偿线圈L1、L2、L3和L4连接的高频信号源Sc的频率与任一位移检测线圈La或Lb的高频信号源Sa或Sb的频率也不同。
本例的两个位移检测线圈La和Lb对应连接的高频信号源Sa和Sb各自独立，补偿线圈L1、L2、L3和L4连接的高频信号源Sc也为独立的高频信号源。
本例的探头线圈与信号处理电路相连的具体结构是：每个位移检测线圈La或Lb与相应的位移信号处理单元A或B、补偿运算单元Pa或Pb依次相连，构成一组独立的检测电路(即位移检测线圈La与相应的位移信号处理单元A、补偿运算单元Pa依次相连，构成一组独立的检测电路，位移检测线圈Lb与相应的位移信号处理单元B、补偿运算单元Pb依次相连，构成另一组独立的检测电路)；补偿线圈L1、L2、L3和L4均与独立的补偿信号处理单元C相连，补偿信号处理单元C的输出端同时与两个补偿运算单元Pa和Pb相连；两个补偿运算单元Pa和Pb的输出端还均与诊断信号处理单元Z的输入端相连。所有这些信号处理单元和诊断处理单元构成信号处理电路。