译文--应用于火车车轮检测的磁传感器阵列的设计和信号处理

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1、应用于火车车轮检测的磁传感器阵列的设计和信号处理摘要：本文提出了一个基于使用电感式传感器阵列的火车轮检测系统。这个系统允许多个探测点，并且使用编码信号,以便于以较低的信噪比运行。在每一个检测点上，这个传感器阵列都通过成对的线圈组成，在这个过程中,不像之前那么麻烦，这些线圈相互串联在一起，成为麦克斯韦桥的一部分，用于激发线圈并且接收当火车经过探测点引起震动后传来的不平衡信号。此外,通过互补序列解码的信号，允许一个单独的多点检测处理。最后，该过程的实现可以使信号处理模块原理检测点，这使得这个检测系统工作时可以不放置电子器件在铁路周围。关键词：传感器阵列；互补序列；车轮探测器；麦克斯韦桥；铁路

2、1、引言旨在提高铁路交通的自动化的铁路安全与交通控制的发展是高优先级。基础设施和车辆方面的新技术，使得安全系统的安装启用成为必要，就像基于可靠性和远程状态监测为一体的预测维护系统RCM2一样。为了实现铁路交通的自动化,在铁路网络的临界点或者检测点（DP）有可靠的火车车轮检测是非常重要的。几乎所有市场上的的商业电子车轮探测器都使用磁性原理。这些系统使火车车轮检测可以通过对电流的改变实现，这是与介质的磁导率直接相关。其他车轮检测器在各检测点使用一对线圈，放置在轨道两侧，作为发射器和接收器。在检测点的火车车轮的检测是由线圈中的[16,19]之间的磁通变化实现的。这些系统之一是使用巴克码为编码来

3、提高探测器信号的性能，使它能以低信噪比（SNR）运行。以防止发生事故，一些关于铁路安全的工作是以轨道异常检测为参照的。铁路上的[3]位移传感器和探测器是基于线圈和桥接电路的使用而提出的。在本文中，桥式电路时用以是传感器阵列产生电路上的连接，传感器真理的线圈通过麦克斯韦桥串联起来，用麦克斯韦桥作为传感器系统的一个重要因素是要在轨道处于自由状态时达到平衡。存在许多麦克斯韦桥自动平衡技术，他们都基于自动选择桥梁替代的使用，然后使用使用最小均方（LMS）自适应算法（[17,18]），或者使用一个MOSFET和二极管调谐作为控制元素[5]。本文中提出的火车车轮监测系统开发了一种通过编码序列实现的传

4、感器阵列，以实现不在轨道周围设置信号处理电路的情况下在不同的检测点上监测车轮。这个传感器阵列有N个检测点，都各自由安装在轨道两侧的成对的线圈组成。编码信号的使用使在其他来源的大量电磁噪声和干扰下对车轮进行监测得以实现。为了达到这个目的，在检测过程中我们选用GOLAY序列和互补序列。本文提出的解决方案为铁路安全应用提供了以下优点：•多个检测点。•在外部噪声和线路衰减下检测的稳定性。•易于安装和维护。第二节进行了基于一组线圈和桥式电路使用上的传感器序列的设计，第三节描述了用以实现可靠的车轮检测的信号的产生和处理，第四节提出了一些实际的结果，第五节得出了本文一些主要的结论。1、传感器序列传感器

5、线圈放置在轨道旁边的具体的监测点，位置和方向都是固定的。这个方位是通过对传感器线圈周围的磁场进行研究后获得的。这个研究是通过有限元法进行得，具体见4.12。这项工作的目标之一是设计一个有多个检测点的传感器系统，且不需要在每一个检测点上都配备信号处理的电路板。为了实现这一目标，提出了一种基于使用不同线圈对作为车轮每个检测点传感器的传感器阵列。传感器线圈分布在轨道的某一部分，是相互串联的，其相应的终端又以不同的方式连接（图1）。因此，整个传感器阵列只有两条线路和一个等效电感，这个电感可以通过每一个电感的值和检测点的互感值来表示。（1）在方程（1）中，i是检测点，是与监测点对应的线圈对的互感值

6、，{}是线圈的自感值。每对线圈的互感取决于每个线圈的自感和它们之间的耦合系数。同样，也对阵列连接的极性有影响，也就是说，的符号取决于感应电压的极性和当前阵列中循环的极性。（图1）（2）在方程2中，是第i对线圈的耦合系数，代表连接的极性，通过方程（1）和（2）我们可以推断出的数量级取决于受到影响的监测点，因为所有相应的终端都通过不同的方式连接，此外，所有的线圈对都不同。为了把车轮磁场中产生的变化和感应联系起来，我们必须分析当车轮处于某一个特定的检测点时会发生什么，线圈之间的耦合系数是一个线圈连接另一线圈产生的磁通量与第一个线圈的磁通量之比。所以的变化和磁通量的变化是成比例的，假设不受车轮影

7、响，则的衰减率是：（3）车轮在检测点的状态只影响那个检测点的线圈对的互感值，不影响放置在其他点的线圈，因此，在任意检测点都没有车轮经过和第i点有车轮经过两种情况下的数学表达式（4）（5）（6）从方程（3）和（6）可以看出，当火车经过检测点i的时候，等效电感的变化可以表示为：（7）因此，电感的变化和磁通量的变化时成正比的，由于互感电感的衰减率在0到1之间，所以的取值范围为（8）的符号取决于与检测点P的线圈对相应的终端的连接，然而，的值