基于電磁感應原理的感應無線位置檢測技術

1自動探測增加傳感器技術是推動移動設備自動駕駛的一項工業(yè)應用技術，包括傳感器技術和傳感器網絡技術。移動機車要實現計算機控制,必須隨時了解機車的行走位置。感應無線位置檢測技術采用一條獨特編碼電纜,能在長達幾千米路程中連續(xù)地檢測機車處于任何一點的位置。其技術特點是:1)絕對位置檢測,一種只與機車當前所處位置有關而與過程和其它因素無關的檢測方式。2)檢測分辨率高,可達到2mm檢測分辨率。3)連續(xù)位置檢測,給出任何一點的位置數據。4)非接觸式檢測,可靠性高;編碼電纜內部電線的交叉結構,能有效地抑制外來雜散電磁場的干擾,適應惡劣的工業(yè)環(huán)境。2地面檢測位置系統(tǒng)的組成感應無線位置檢測,分為地面檢測位置和車上檢測位置2種方式。地面檢測位置,是在地面中控室得到移動機車的位置;車上檢測位置,是在移動機車上得到本車的位置。地面檢測位置系統(tǒng)組成如圖1所示。編碼電纜安裝在機車的軌道旁邊,天線箱安裝在機車上并隨著機車移動,始終與編碼電纜保持距離z(z≈10cm)。當車上載波發(fā)生器通過天線箱中發(fā)送線圈發(fā)送載波時,編碼電纜中各傳輸對線中產生感應信號,地面位置檢測器檢測這些信號,經過運算得到發(fā)送線圈中心所在位置x坐標,以此作為移動機車的位置。3發(fā)送線圈均勻磁場模型天線箱內是一個矩形多圈發(fā)送線圈。編碼電纜內部有若干對傳輸線,各傳輸對線按照一定的編碼規(guī)則在不同位置交叉,任何一傳輸對線2個交叉間的網孔,可以看成一個矩形單圈線圈,如圖2所示。根據電磁感應理論,當發(fā)送線圈通過交變電流時,傳輸對線中就會產生感應電動勢。發(fā)送線圈在空間產生的磁場分布較為復雜。為了便于分析,建立均勻磁場模型:當發(fā)送線圈與編碼電纜間距離z較小時(圖2中z=5cm),近似認為發(fā)送線圈產生的磁力線垂直穿過傳輸對線且磁感強度沿x軸方向均勻分布。圖3是為了分析方便,將發(fā)送線圈與編碼電纜中某一傳輸對線畫在同一平面。發(fā)送線圈寬度與該傳輸對線兩交叉間距相等都為W,W=2r。以發(fā)送線圈中心線的x坐標為位置數據;傳輸對線兩交叉間的區(qū)域稱為K區(qū)域(K=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,…);發(fā)送線圈中心線偏離所在K區(qū)域的中心線距離為d。1應力電動勢交叉?zhèn)鞑サ奶匦愿鶕鶆虼艌瞿Ｐ?磁力線垂直穿過傳輸對線,只有感應面積(發(fā)送線圈所覆蓋的傳輸對線區(qū)域)才產生感應電動勢,由于存在一個交叉,傳輸對線相鄰兩區(qū)域產生的感應電動勢相位相反。從端口得到的感應電動勢e是相鄰兩個區(qū)域產生的感應電動勢的合成,e的相位與發(fā)送線圈中心線所對著區(qū)域產生的感應電動勢相位相同。2相鄰區(qū)域應力面積之差根據均勻磁場模型,磁感強度沿x軸方向均勻分布,傳輸對線產生的感應電動勢e的幅度A與傳輸對線有效感應面積成正比,有效感應面積是相鄰兩個區(qū)域感應面積之差。圖3中,位置1,d=0,有效感應面積最大S=Smax=W×B,A=Amax(y,z);在位置3,d=r,有效感應面積S=0,A=0。在位置2,有效感應面積S=(W-2d)×B。于是:A=Amax(y,z)×(W-2dW)=Amax(y,z)×(r-dr)(1)A=Amax(y,z)×(W?2dW)=Amax(y,z)×(r?dr)(1)4基本測量位置的基本原則4.1電纜段的傳輸結構指示編碼電纜中有R、G、G′3類傳輸對線。1各段叉開,li對線雙絞實際應用中,將長度為L的若干段標準編碼電纜連接起來,采用R傳輸對線分段技術;Ri對線僅在i段叉開,在其余段Ri對線雙絞,如圖4所示。若發(fā)送線圈位于第i(i=0,1,2…)段,則:①Ri傳輸對線的信號幅度最大,Rj(j≠i)的信號幅度約等于0,比較各路R信號幅度確定發(fā)送線圈位于哪一段;②Ri在i段不交叉,Ri傳輸對線的信號相位不變,以此信號相位作基準相位。2編碼電纜傳輸對線交叉編碼電纜內有若干對G傳輸對線G0,G1,…,Gn-1,按格雷碼規(guī)則交叉編制,因而在編碼電纜中任何位置不存在2對G傳輸對線同時交叉,避免了發(fā)送線圈處在G傳輸對線交叉點時可能造成的誤差。n的大小取決于L和r。例如:L=102.4m,r=10cm,n=10,210=1024,1024×10cm=102.4m。3g0線傳輸編碼電纜內有一對G0′傳輸對線,如圖5所示。4.2gj與gd相位比較感應無線位置檢測由一般位置檢測(APD)和高分辨率位置檢測(HRPD)組成。APD位置檢測,是檢測感應信號的相位經運算得到APD位置。分辨率為任意2個交叉之間距離r。中控室地面局以信號幅度最大的R傳輸對線感應信號Ri作為基準信號,各路G傳輸對線感應信號與之進行相位比較,若Gj與Ri相位相同記為Gj=0,相位相反記為Gj=1,由于各G對線按照格雷碼規(guī)則交叉,所以相位比較的結果數據是一組格雷碼,其對應的十進制數為g,則g×r為APD位置數據。圖5中,R0感應信號幅度最大,i=0。在位置①,信號G2、G1與R0同相,而信號G0經過一個交叉與R0反相,G2G1G0=001,g=1。在位置②,G2G1G0=110,g=4。在位置③,發(fā)送線圈中心對準G0交叉點,G0信號幅度為0,G2G1G0=101,g=6,或G2G1G0=100,g=7。由于處于6、7交界處,故g=6或g=7都認為正確。綜合分析:得到APD位置公式:APD=L×i+g×r(2)4.3霍判決位置檢測原理HRPD位置檢測,是檢測編碼電纜中G0、G′0傳輸對線信號幅度,經運算得到HRPD位置。4.3.1y、zrr外來文h設發(fā)送線圈中心線偏離G0、G′0交叉間中心的距離分別為d0、d1,r=d0+d1;設A(G0)、A(G′0)分別為檢測的傳輸對線G0、G0′感應信號幅度。根據公式(1)有:A(G0)=Amax(y,z)×(r-d0r)(3)A(G0)=Amax(y,z)×(r?d0r)(3)A(G′0)=Amax(y,z)×(r-d1r)(4)令:Ρ0=A(G0)A(G0)+A(G′0)=r-d0r=d1r(5)Ρ0=A(G′0)A(G0)+A(G′0)=r-d1r=d0r(6)從式(5)、(6)得,只要檢測得到A(G0)、A(G′0),便可計算出與y、z無關的P0、P1。分2種情況討論:1)發(fā)送線圈中心左邊是G0交叉,g為奇數,HRPD=d1=P0×r。如圖5位置①,g=1。2)發(fā)送線圈中心左邊是G′0交叉,g為偶數,HRPD=d0=P1×r。如圖3位置②,g=4。由此,得到HRPD公式和綜合位置ADD公式:ΗRΡD={d0=Ρ1×r?當g為偶數d1=Ρ0×r?當g為奇數(7)ADD=APD+HRPD(8)4.3.2霍夫位置檢測分析圖5中,設r=10cm,分析如下。1理論幅度值的確定中心線位置15cm,d0=d1=0.5r檢測:G2G1G0=001計算:g=1,APD=g×r=1×10=10cm傳輸對線G0、G′0的有效感應面積相等且為最大值的一半。故理論幅度值為:A(G0)=A(G′0)=12Amax(y?z)若實際檢測與理論相符則:P0=P1=0.5。HRPD=P0×r=0.5×10=5cmADD=APD+HRPD=10+5=15cm2有效感應面積和理論幅度不同中心線位置42.5cm,d0=0.25r,d1=0.75r檢測:G2G1G0=110計算:g=4,APD=g×r=4×10=40cmG0、G′0有效感應面積和理論幅度分別是:S(G0)=34Smax?A(G0)=34Amax(y?z)S(G′0)=14Smax?A(G′0)=14Amax(y?z)若實際檢測與理論相符則:P0=0.75,P1=0.25。HRPD=P1×r=0.25×10=2.5cmADD=APD+HRPD=40+2.5=42.5cm3實際檢測與理論不符的情況中心線位置70cm,d0=r,d1=0G0、G′0有效感應面積和理論幅度是:S(G0)=0,A(G0)=0;S(G0′)=Smax,A(G′0)=Amax。若實際檢測與理論相符則:P0=0,P1=1。A(G0)=0,G2G1G0=100或G2G1G0=101。a)若檢測G2G1G0=100g=7,APD=g×r=7×10=70cmHRPD=P0×r=0ADD=APD+HRPD=70+0=70cmb)若檢測G2G1G0=101g=6,APD=g×r=6×10=60cmHRPD=P1×r=1×10=10cmADD=APD+HRPD=60+10=70cm不論哪種情況,綜合位置總是:ADD=70cm。5apd位置檢測感應無線地面位置檢測器電路框圖如圖6所示,編碼電纜中各傳輸對線經過連接電纜引到電路端口,通過變壓器隔離后分別送到模擬開關1、2。工作原理:1)CPU控制模擬開關1,分別選擇R0,R1,…,Rk信號,通過A/D1對所選擇的R信號幅度采樣,找到幅度最大的R信號Ri,得到段位置i,并保持選擇Ri信號作為相位比較的基準信號。2)CPU控制模擬開關2,分別選擇Gn-1,Gn-2,…,G1,G0信號與Ri信號進行相位比較,CPU讀取比較結果運算得到APD位置數據。3)CPU控制模擬開關2,分別選擇G0、G′0信號,通過A/D2對G0、G′0信號幅度采樣,得到A(G0)、A(G′0),由此計算出HRPD位置。4)計算出綜合位置ADD。6高分辨率位置檢測實測數據分析多次實驗驗證,根據均勻磁場模型推導的位置檢測公式是與實際情況基本符合的。實驗條件:編碼電纜長度6.4m,r=10cm,內有8對傳輸對線R0、G5、G4、G3、G2、G1、G0、G′0;A/D1與A/D2是12位A/D轉換器;天線箱與編碼電纜保持z=5cm的距離。實驗方法:在編碼電纜任找一處反復移動天線箱,直至檢測到A(G0)為最小,實驗中此位置:A(G0)=30,A(G′0)=3645,g=11,以此位置作為實際位置1100mm。然后將天線箱每2mm移動一次,一直移到實際位置1300mm。記錄每次所檢測的g,A(G0)和A(G′0),并根據檢測的數據計算出位置數據(共101組數據)。表1給出了部分檢測數據和計算結果,其中誤差σ=檢測地址-實際地址。圖7是根據實測數據由Excel自動生成的圖形,橫軸是x,x=實際位置-110cm,單位cm;縱軸對于A(G0)、A(G′0)是實際檢測數據;對于P0來說是擴大了5000倍的數據,這是為了觀察清晰。對實驗結果分析如下:1關于20mm時,x增大而線形按照均勻磁場模型理論,實驗中,在0≤x≤100mm時,A(G0)應隨x增大而線形增大,A(G′0)應隨x增大而線形減小。圖7中,實測A(