一种自诊断的高速磁悬浮列车间隙传感器及自诊断方法

技术领域

本发明涉及间隙传感器技术领域，尤其涉及一种自诊断的高速磁悬浮列车间隙传感器及自诊断方法。

背景技术

磁悬浮列车依靠其无磨损、速度高、噪声低等优点，已经发展成轨道交通技术未来的一大方向。在悬浮电磁铁中通入直流电流，悬浮电磁铁与轨道中的铁芯之间产生电磁吸引力将车体浮起。如果不加控制，悬浮电磁铁将牢牢吸附在轨道铁芯上，列车无法行走。为此在悬浮电磁铁附近装有间隙传感器，测量悬浮电磁铁与轨道铁芯之间的距离(即悬浮间隙)。

悬浮间隙传感器是高速磁悬浮列车上整个列车控制系统的关键部件，需要实时检测车辆悬浮轨道的高度间隙，并将结果反馈给后端悬浮控制器，用于实时控制列车的悬浮高度。其可靠性和稳定性直接影响着磁悬浮列车运行的舒适性和安全性。

但是实际使用中传感器不可避免的会出现一定的故障或损坏，如果系统无法及时识别的话，将错误的传感器检测信息带入实时控制中，会导致列车出现误操作或安全事故。每个传感器自带2路信号采集输出，目前传感器是靠后端控制器对这2路信号的一致性进行比较判断，来作为传感器的故障判别依据，但存在以下技术问题：

①该故障判断交由后端控制器进行，需要对一段时间的输入进行比较，延时较长，同时无法甄别是传感器本身故障，还是列车内部的线缆连接故障，还是控制器本身故障。此外2路信号不一致只能判断其中一路有故障，无法具体进一步定位故障路数。

②传感器的2路信号采集，是依靠垂直于轨道延伸方向分布的2个探头线圈实现的，物理上存在错位，轨道的不一致可能本身就带来测量偏差，造成2路信号的不一致，使得控制器造成误判。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自诊断的高速磁悬浮列车间隙传感器及自诊断方法，用以解决间隙传感器在线诊断效率和准确性差的问题；

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种自诊断的高速磁悬浮列车间隙传感器，包括：

高频信号源；

探头线圈模块，与所述高频信号源连接；

信号处理模块，与所述探头线圈模块连接，所述信号处理模块用于将探头线圈模块采集的交流信号进行处理后得到间隙信号和齿槽信号；

加速度计，与自诊断模块连接，用于对列车竖直方向的加速度进行测量，并将测量得到的加速度值发送给自诊断模块；

自诊断模块，用于根据所述间隙信号、齿槽信号和加速度值进行故障诊断，并得到故障信号标志位的状态信息；

诊断输出模块，用于根据故障信号标志位状态通过预设输出编码格式输出对应的信号波形给控制器。

进一步的，探头线圈模块包括间隙探头线圈模组和速度探头线圈模组；

所述间隙探头线圈模组包括间隙探头线圈L1和间隙探头线圈L2，所述间隙探头线圈L1和间隙探头线圈L2之间平行设置，并且所述间隙探头线圈L1与高频信号源S1连接，所述间隙探头线圈L2与高频信号源S2连接；

所述速度探头线圈模组包括速度探头线圈L3和速度探头线圈L4，所述速度探头线圈L3和所述速度探头线圈L4之间平行设置，并且所述速度探头线圈L3和所述速度探头线圈L4都与高频信号源S3连接。

进一步的，所述信号处理模块包括第一信号处理电路和第二信号处理电路；

所述第一信号处理电路与所述间隙探头线圈模组连接，所述第二信号处理电路与所述速度探头线圈模组连接。

进一步的，所述第一信号处理电路包括信号处理电路P1和信号处理电路P2；

所述信号处理电路P1与所述间隙探头线圈L1连接，所述信号处理电路P2与所述间隙探头线圈L2连接。

进一步的，所述信号处理电路P1和所述信号处理电路P2都包含有：

检波电路，用于提取所述间隙探头线圈模组采集的交流信号的幅值包络线信号；

滤波与信号调理电路，用于将幅值包络线信号进行滤波和信号放大调理，得到间隙信号。

进一步的，所述速度探头线圈L3和所述速度探头线圈L4都与所述第二信号处理电路连接；

所述第二信号处理电路包括：

检波电路，用于分别提取所述速度探头线圈L3和所述速度探头线圈L4采集的交流信号的幅值包络线信号；

滤波与信号调理电路，用于将两路幅值包络线信号分别进行滤波和信号放大调理；

减法器电路，用于将滤波和信号放大调理后的两路信号做差，得到齿槽信号。

进一步的，所述自诊断模块包括：

第一计算单元，用于根据齿槽信号、间隙信号分别计算齿槽信号周期和实时间隙值；

加速度判断单元，用于根据加速度计测量的加速度值判断列车竖直方向的加速度是否发生变化；

间隙信号判断单元，用于根据计算获得的实时间隙值计算间隙值的平均值，并判断间隙平均值是否发生变化，并得到对应的判断结果；

同频判断单元，用于计算间隙值的平均值与实时间隙值之间的差值，并判断两者的差值与所述齿槽信号周期是否为相同频率，并得到对应的判断结果；

信号标志位设置单元，用于根据间隙信号判断单元和同频判断单元的判断结果设置对应的信号标志位值，并生成故障信号标志位的状态信息。

一种自诊断的高速磁悬浮列车间隙传感器的自诊断方法，包括步骤：

S1、根据齿槽信号计算齿槽信号的信号周期；

S2、根据间隙信号计算实时间隙值；

S3、根据加速度计测量的加速度值判断列车竖直方向的加速度是否发生变化；若是，则返回步骤S1；

S4、若加速度未发生变化，则根据实时间隙值计算间隙值的平均值；

S5、判断间隙值的平均值是否发生变化，若发生变化，则设置对应的信号标志位值为第一预设值，并返回步骤S1；

S6、若间隙值的平均值未发生变化，则计算间隙值的平均值与实时间隙值之间的差值，并判断两者的差值与所述齿槽信号周期是否为相同频率；

若是，则设置对应的信号标志位值为第二预设值，并返回步骤S1；

若否，设置对应的信号标志位值为第一预设值，并返回步骤S1。

本发明与现有技术相比，至少包含以下有益效果：

（1）传感器内有四个独立的探头线圈和对应的三个信号处理电路P1、P2和P3，通过信号源驱动探头线圈，实现对于轨道的精确检测；

（2）结合速度线圈齿槽信号和加速度计的多维度信号故障判断，有效提高传感器的在线诊断效率和准确性，方便及时发现故障并进行更换，提高磁悬浮列车的运营安全性，并可以降低传感器的下线检修频次，减少维保费用；

（3）故障输出编码有效实现故障类型区分，减少传感器的误报，降低维修频次。

附图说明

图1是本发明实施例的总体架构示意图；

图2是本发明实施例中具体结构示意图；

图3是本发明实施例中探头线圈的设置方式示意图；

图4是本发明实施例中信号处理电路P1的电路结构示意图；

图5是本发明实施例中第二信号处理电路的电路结构示意图；

图6是本发明实施例中加速度测量的示意图；

图7是本发明实施例中自判断模块的结构示意图；

图8是本发明实施例中故障输出波形的示意图；

图9是本发明实施例中自诊断方法的流程图。

图中，1、轨道长定子，2、间隙探头线圈L1，3、间隙探头线圈L2，4、速度探头线圈L3，5、速度探头线圈L4，6、加速度计，7、电缆。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

如图1所示，一种自诊断的高速磁悬浮列车间隙传感器，包括高频信号源、探头线圈模块、信号处理模块、加速度计、自诊断模块和诊断输出模块；

其中，探头线圈模块与所述高频信号源连接，信号处理模块与所述探头线圈模块连接，自诊断模块与信号处理模块连接，诊断输出模块与自诊断模块连接，加速度计与自诊断模块连接。

信号处理模块用于将探头线圈模块采集的交流信号进行处理后得到间隙信号和齿槽信号，加速度计用于对列车竖直方向的加速度进行测量，并将测量得到的加速度值发送给自诊断模块，自诊断模块用于根据所述间隙信号、齿槽信号和加速度值进行故障诊断，并得到故障信号标志位的状态信息，诊断输出模块用于根据故障信号标志位状态通过预设输出编码格式输出对应的信号波形给控制器。

本发明通过高频信号源驱动探头线圈实现对于轨道的检测以及加速度计对列车竖直方向的加速度进行检测，所有信号经过处理后进入自诊断模块进行运算和判断，最后的诊断结果通过诊断输出模块输出给后端控制器进行识别。

如图2所示，高频信号源包括高频信号源S1、高频信号源S2和高频信号源S3，三个高频信号源之间相互独立。

探头线圈模块包括间隙探头线圈模组和速度探头线圈模组，其中，如图3所示，高速磁悬浮列车的轨道是由一根根标准长定子拼接组成的，长定子内部为硅钢片，外部为灌封胶包裹，长定子表面为均匀排布的齿槽结构，齿槽结构用于放置电缆，当该电缆中通过交变电流时，在长定子上方就会产生悬浮磁场，使整个车辆悬浮。

本发明在垂直于轨道长定子延伸方向设置有间隙探头线圈模组，用于检测传感器与轨道之间的高度间隙；在平行于轨道长定子延伸方向设置有速度探头线圈模组，用于检测轨道长定子上的齿槽结构。

具体的，间隙探头线圈模组包括间隙探头线圈L1和间隙探头线圈L2，所述间隙探头线圈L1和间隙探头线圈L2之间平行设置，并且间隙探头线圈L1与高频信号源S1连接，所述间隙探头线圈L2与高频信号源S2连接。

速度探头线圈模组包括速度探头线圈L3和速度探头线圈L4，所述速度探头线圈L3和所述速度探头线圈L4之间平行设置，并且所述速度探头线圈L3和所述速度探头线圈L4都与高频信号源S3连接。

如图2所示，信号处理模块包括第一信号处理电路和第二信号处理电路，第一信号处理电路和所述第二信号处理电路之间相互独立。

其中，第一信号处理电路包括信号处理电路P1和信号处理电路P2，信号处理电路P1与所述间隙探头线圈L1连接，信号处理电路P2与所述间隙探头线圈L2连接，速度探头线圈L3和速度探头线圈L4都与第二信号处理电路连接。

具体的，如图4所示，信号处理电路P1和信号处理电路P2的电路结构一致，但信号处理电路P1和信号处理电路P2之间相互独立。

在此只描述信号处理电路P1的电路结构，而不再重复赘述信号处理电路P2的电路结构。

信号处理电路P1包括检波电路和滤波与信号调理电路，滤波电路与间隙探头线圈L1连接，滤波与信号调理电路与自诊断模块连接。

其中，检波电路用于提取所述间隙探头线圈L1采集的交流信号的幅值包络线信号，具体的是将探头线圈采集的交流信号与同频标准信号进行相乘，提取交流信号幅值的包络线信号，同时能够去除其他频率的干扰信号。

滤波与信号调理电路用于将幅值包络线信号进行滤波和信号放大调理，得到间隙信号，具体的是在通过检波电路得到幅值包络线信号后，通过滤波、信号调理和放大等处理，能够得到比较稳定、合适范围的信号便于自诊断模块能够进行处理。

如图5所示，第二信号处理电路，即信号处理电路P3，包括检波电路、滤波与信号调理电路和减法器电路。

其中，检波电路用于分别提取速度探头线圈L3和速度探头线圈L4采集的交流信号的幅值包络线信号，具体的是将探头线圈采集的交流信号与同频标准信号进行相乘，提取交流信号幅值的包络线，同时能够去除其他频率的干扰信号。

滤波与信号调理电路用于将两路幅值包络线信号分别进行滤波和信号放大调理，其原理与信号处理电路P1中的滤波与信号调理电路也是一样的。

减法器电路用于将滤波和信号放大调理后的两路信号做差，得到齿槽信号。

如图6所示，本发明在传感器内部集成了一个加速度计，加速度计能够对列车竖直方向的加速度进行测量，该加速度值是用于对列车悬浮上升或下降动作的测量，通过该加速值的测量能够来判断当前间隙变化时由于传感器故障带来的还是列车正常悬浮上升或者下降动作带来的。

如图7所示，自诊断模块包括第一计算单元、加速度判断单元、间隙信号判断单元、同频判断单元和信号标志位设置单元。

其中，第一计算单元用于根据齿槽信号、间隙信号分别计算齿槽信号周期和实时间隙值。

加速度判断单元用于根据加速度计测量的加速度值判断列车竖直方向的加速度是否发生变化，当测量的加速度发生变化时，则会判断列车正处于正常的悬浮上升或者下降动作，便会继续重新根据齿槽信号、间隙信号分别计算齿槽信号周期和实时间隙值。

间隙信号判断单元用于根据计算获得的实时间隙值计算间隙值的平均值，并判断间隙平均值是否发生变化，如果列车稳定运行的话，间隙信号在一段时间内的平均值是稳定的，否则就会认为是存在故障，存在故障时就会通过信号标志位设置单元设置对应的信号标志位值，后端控制器就实时能够获知传感器的故障情况，并采取相应的措施来防止意外事故的发生。

同频判断单元用于计算间隙值的平均值与实时间隙值之间的差值，并判断两者的差值与所述齿槽信号周期是否为相同频率，具体的，正常间隙信号受到轨道长定子的影响，会存在高低起伏的信号变化，该变化在减去间隙值的平均值后就是齿槽结构带来的特征波形，该特征波形应与速度探头线圈测得的齿槽信号频率一致，否则就会认为是传感器存在故障，存在故障时就会通过信号标志位设置单元设置对应的信号标志位值。

信号标志位设置单元用于根据间隙信号判断单元和同频判断单元的判断结果设置对应的信号标志位值，并生成故障信号标志位的状态信息，信号标志位设置单元能够实时对两个间隙信号分别进行故障诊断，一旦判断出其中一路存在故障，就能将对应的信号标志位值设置为0.而当判断某一间隙信号正常时，则对应的信号标志位的值则会设置为1。

本发明结合速度线圈齿槽信号和加速度计的多维度信号故障判断，有效提高传感器的在线诊断效率和准确性，方便及时发现故障并进行更换，提高磁悬浮列车的运营安全性，并可以降低传感器的下线检修频次，减少维保费用。

诊断输出模块根据每个间隙信号对应的信号标志位值生成故障信号标志位的状态信息，故障信号标志位的状态信息采用三位制编码规格，其中，第一位为第一路间隙信号对应的信号标志位值，其中，“1”为正常，“0”为发生故障，第二位为第二路间隙信号对应的信号标志位值，第三位为固定标志位值，其值为“1”，用于通过标记区分前后两个状态信息，诊断输出模块将故障信号标志位的状态信息通过不同的波形方式发送给后端控制器，其具体波形如图8所示，后端控制器可以转却获取当前传感器的故障情况，并识别出是传感器本身故障或是线缆松动引起的故障。

本发明通过故障输出编码有效实现故障类型区分，减少传感器的误报，降低维修频次。

实施例二

如图9所示，本发明一种自诊断的高速磁悬浮列车间隙传感器的自诊断方法，包括步骤：

S1、根据齿槽信号计算齿槽信号的信号周期；

S2、根据间隙信号计算实时间隙值；

S3、根据加速度计测量的加速度值判断列车竖直方向的加速度是否发生变化；若是，则返回步骤S1；

S4、若加速度未发生变化，则根据实时间隙值计算间隙值的平均值；

S5、判断间隙值的平均值是否发生变化，若发生变化，则设置对应的信号标志位值为第一预设值，并返回步骤S1；

S6、若间隙值的平均值未发生变化，则计算间隙值的平均值与实时间隙值之间的差值，并判断两者的差值与所述齿槽信号周期是否为相同频率；

若是，则设置对应的信号标志位值为第二预设值，并返回步骤S1；

若否，设置对应的信号标志位值为第一预设值，并返回步骤S1。

本发明结合间隙信号、齿槽信号、加速度值按图9所示综合判断间隙信号是否正确，一方面加速度值用于判断列车是否实际上升或下降，如果列车稳定运行的话，正常间隙信号在一段时间内的平均值应是稳定的，否则就是存在故障。

另一方面正常间隙信号受轨道长定子影响，存在高低起伏信号变化，该变化在减去平均值后即为齿槽带来的特性变化，该特征波形应与速度探头线圈测得的齿槽信号的频率一致，否则就是存在故障。通过该自诊断方法实时对2个间隙信号分别进行故障诊断，一旦判断出其中1路存在故障，即将相应的信号标志位值设置为0。

本发明结合速度线圈齿槽信号和加速度计的多维度信号故障判断，有效提高传感器的在线诊断效率和准确性，方便及时发现故障并进行更换，提高磁悬浮列车的运营安全性，并可以降低传感器的下线检修频次，减少维保费用。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。