车载环境下电磁耦合传感器性能研究

袁佳怡 刘旭

中国电子科技集团公司第四十九研究所 黑龙江省哈尔滨市 150000

摘要：传感器作为信息获取信息和信息转换的重要手段，是实现信息化的基础技术之一。对于宏观及微观位移（或位置）的测量，较为成熟的能量控制型传感器有半导体电阻应变传感器、光纤传感器和变电容（或电感）式位移传感器等。半导体电阻应变位移传感器灵敏度高，但精确程度受温度的影响很大

关键词：车载环境电磁耦合传感器性能

前言：通常认为,传感器的空间刻线越细越密,极对数越多,传感器的精度就越高。因此,为了提高传感器的测量精度,应尽量提高光栅、感应同步器、旋转变压器等传感器的刻线密度,增加其极对数。但是,刻线密度越高,其加工(刻划)难度也越大。针对目前高速动车车载电磁耦合式水位传感器存在的问题，运用高速数据采集系统，开发了电磁耦合开关的综合性能检测平台。结果表明:干簧管和外部控制磁铁的相对运动路径决定电磁耦合的转换效率，同时干簧管在极限温度与暂态过负荷条件下性能依旧稳定，控制磁铁性能在一定范围内受到工作温度的限制。

1. 概述

愈发宽广的运行区域带来了更加复杂的工作环境:区间内温差较大;外界电磁辐射干扰下伴随暂态过负荷;地理环境的差异使传感器处在无规则机械振动下，使得动车组水位传感器故障频发，影响动车水箱的正常使用。现阶段大部分液位传感器采用电磁耦合形式，为了改善其性能国内外开展多方面的研究工作。主要集中在算法优化和建模诊断方面，通过使用双线性插值算法计算电磁铁的输出作用力，通过信息校正方式减小磁滞效应来达到精确的控制效果;一种对电磁阀常见故障和特征信号的非测试性诊断技术，建立瞬态仿真模型为电磁阀故障的快速检测诊断奠定基础;国外同样对此开展研究工作，根据现实工况使用有限元法设计电磁阀，同时对整体系统进行优化设计;为了提高开关电磁铁的精确度将其按照比例转换为比例执行器。现有的电磁耦合传感器工作集中在算法、测量精度优化以及诊断方面，高速铁路环境与正常工况差异较大，传感器在这种环境下工作性能需要进一步研究。高速列车车载水箱传感器进行针对性研究十分有必要的。在线运行使用的传感器进行多维度故障分析提高可靠性。本文针对传感器的电磁耦合问题进行相关研究工作外部温度变化对电磁耦合影响较小。

2. 车载环境下电磁耦合传感器性能研究

1.工作原理。传感器结构有两个明显独立部分通过可旋转的旋钮连接。活动端是液位信号感应部分，固定端是信号处理及传输部分。传感器工作原理:活动端由密度明显小于水的塑料材质制成。在活动端和固定端内分别嵌有铁氧体磁铁Y-30和干簧管MKA－14103。活动端与固定端距离随水位高度相应改变。铁氧体和干簧管的距离决定了车载水箱水位传感器的输出信号。闭环负反馈控制系统通过外部调理电路获得传感器的输出信号实现水箱水位自动调节。

2.电磁耦合系统建模与检测平台搭建结合电磁耦合式传感器的工作原理和结构特点，参数值建立静态电磁模型和动态运动模型，使用对各种运动路径进行模拟仿真，理论上获取临界工作距离点;搭建综合性能测试平台，测试电磁耦合式传感器在极端温度以及过负荷下性能。在实际铁路运营环境下，磁铁并不处于一个完全静止状态。列车在机械制动时，车载水箱传感器会短时间处在非正常工作位置。在验证静态仿真模型适用基础上，根据水位传感器可能存在各种运动轨迹绘制对应曲线，称为考察路径。干簧管极限温度测试平台动车组各个零部件短时间耐受环境极端温差的性能在长期运行中要求更加苛刻，为此制定更为标准的实验方案去获得车载水箱传感器的稳定工作温度范围。搭建极限温度测试平台，平台有两部分组成:上方是真空高温干燥箱，下方是低温试验箱。根据动车水箱环境理论工作温度－50℃～100℃，为防止极端情况发生，设计温度测试区间为－70℃～160℃，以间隔10℃为单位相应划分成多个测试区间，将车载水箱传感器的干簧管置于不同的测试温度下10min，再测量其性能和相应参数的改变。在电桥中输入电源由信号发生器提供，在实验中选择较高的输出频率为信号发生器的角频率，测试时将铁氧体样品放入线圈中心的加热棒中加热，随着样品温度升高，示波器输出波形随着变化，当电压数值单位时间变化率明显增大时，放低加热速度，数据采集系统记录下实验参数。过负荷测试平台外部调理电路以及控制电路在外界电磁干扰下难以维持安全稳定运行状态，同时伴有纹波干扰、脉冲电流的暂态或稳态过负荷现象，严重出现短路。搭建的过负荷测试平台有两部分:稳态过负荷是模拟外部电路的故障未被切除，干簧管过负荷状态去工作;暂态过负荷是模拟瞬间的短路或以及脉冲电流直接注入对干簧管性能的影响.稳态过负荷测试有三部分:绝缘电压，开关电压和工作过电流。将干簧管并联在保护电阻两端，同时将示波器接入电路中实时观测波形的变化，在干簧管导通和断开两种状态下使用开关电源在两端施加从0～220V等间距稳恒直流电压。在外部结构没有异常改变的情况下，反复测量其工作性能的好坏和导通速度的改变，同时记录下相应波形的变化。暂态过负荷测试使用便携式电涌保护器测试仪和数字脉冲信号采集装置。先把一个大功率水泥电阻和干簧管串联，接着将所示仪器直接并联在干簧管和电阻的两端。通过改变施加的脉冲电压数值和大功率水泥电阻的阻值去调节脉冲电流的峰值和上升时间，数字脉冲采集装置实时记录。

3.通过理论推导结果去计算相对路径上磁场强度值，磁铁做螺旋线运动时，磁场强度曲线峰值点在运动曲线与磁铁柱面的交点位置，在一倍直径范围内磁场强度随着距离的增大而线性减小。超过一倍直径范围，磁场强度忽略不计;当磁铁做上下简谐振动或沿着工作路径移动时，磁场强度随着距离的增加而缓慢降低，呈负相关关系，当距离到达一倍直径左右时磁场强度呈现突变，急剧下降且最终趋于0，这里一倍直径相当于电子电路上的二极管导通电压，在这个临界值附近磁场强度有非常明显的差异，使得电磁耦合的转换效率与正确率明显增大。依据高速列车车载水箱传感器的具体尺寸，同时结合前一部分的计算结果可以得电磁耦合距离的临界数值干簧管稳定度较高，正常温度场波动范围内，干簧管性能几乎没有受到影响，极端情况下温度到达－70°或160°，对干簧管的性能会产生影响和改变。结合实际情况可知:干簧管的开关电阻却随着温度相应变化，正常情况下开关电阻在0.5Ω以内，在临界温度条件下开关电阻接近1Ω，开关损耗随着增大同时，灵敏度随着降低，即温度对干簧管性能的影响较小，对其灵敏度有一定的影响电压降在一定的温度范围内没明显变化，稍有小幅波动，总体趋于稳定的状态。随着温度上升到某一个固定的数值时，外部控制磁铁的铁氧体铁磁性转变为顺磁性，两点间的电位差发生突变并趋于零，电桥最终又趋于平衡，这个突变的温度数值98°就是居里温度。当水箱内外的温度或者环境超过此温度，磁铁的性能将会受到严重的影响和干扰。直接影响车载水箱传感器液面的准确判断以及水源供给。最后造成水资源的浪费甚至是严重事故的发生。据此可以判断在极端环境下外部控制磁铁工作稳定性有限。

结束语：本文通过对高速列车车载水位传感器原理进行分析，建立电磁耦合模型。干簧管和外部控制磁铁的相对距离以及运动路径决定电磁耦合效率，圆柱形磁铁轴方向1倍直径点是电磁耦合转化的临界点;温度在一定范围内影响磁铁的工作性能。

参考文献：

1彭东林,张兴红,刘小康等.场式时栅位移传感器研究.仪器仪表学报,2018,24(3):329~331

2刘小康,彭东林,张兴红等.自动增益控制技术在时栅位移传感器信号处理中应用.仪器仪表学报,2019,26(5):530~533

3彭东林,刘小康,张兴红等.时栅位移传感器的研究.重庆工学院学报,2019,20(5):1~4