一種礦山窄軌車輛用接近傳感器

程玉龍

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

窄軌運(yùn)輸是礦山運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，在許多煤礦都有應(yīng)用。隨著智能化礦山逐漸成為今后礦山生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的自動(dòng)化控制需求不斷增加，窄軌運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)發(fā)展趨勢(shì)是向無人化發(fā)展，而建設(shè)窄軌礦車監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)就是礦車的定位。目前礦山常見的對(duì)礦車定位主要有無線定位卡定位、接近傳感器定位等方法。使用接近傳感器定位是較為通用的測(cè)量方法。由于井下環(huán)境的具有一定的復(fù)雜性如灰塵大、積水、軌道多樣、車輪及軌道的磨損嚴(yán)重、軌道的平直度不一等等，要準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)定位，并非易事。采用電渦流原理的接近傳感器可以非接觸的檢測(cè)金屬車輪位置，是一種較好的測(cè)量方式，因此需要對(duì)及其應(yīng)用進(jìn)行深入研究，提高其工作穩(wěn)定性，保障礦山安全生產(chǎn)。

1 電渦流傳感器工作原理

電渦流傳感器是根據(jù)電渦流效應(yīng)進(jìn)行工作的。即變化的磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而在金屬導(dǎo)體表面形成若干漩渦狀的閉合電流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。

常見電渦流傳感器的核心部件是一個(gè)線圈，為了增強(qiáng)線圈的品質(zhì)因數(shù)，線圈一般通過骨架或者直接纏繞于鐵氧體磁芯之上。線圈需要與其他部件構(gòu)成振蕩電路，在傳感器正常工作時(shí)，振蕩電路及線圈內(nèi)部一直存在一定頻率振蕩電流，因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)原理，振蕩線圈內(nèi)的交變電場(chǎng)會(huì)在周圍產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場(chǎng)[1-4]。磁力線會(huì)從線圈的端面密集穿過。電渦流傳感器工作示意圖如圖1。

圖1 電渦流傳感器工作示意圖Fig.1 Diagram of electric vortex sensor work

在線圈周圍磁場(chǎng)中，有金屬導(dǎo)體材質(zhì)的被測(cè)物體靠近時(shí)，交變的磁場(chǎng)就會(huì)在金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生一個(gè)渦流電流，而渦流電流又會(huì)形成與線圈磁場(chǎng)相反的磁場(chǎng)，反作用于線圈，這樣，造成了原振蕩電路的能量損耗，導(dǎo)致原振蕩波形幅值變小。即線圈的電感、阻抗以及品質(zhì)因數(shù)的值都會(huì)發(fā)生變化。線圈的幾何形狀、線圈的材質(zhì)、繞制方式、磁芯的形狀、線圈的工作頻率、線圈周圍金屬導(dǎo)體的分布[5]，以及周圍金屬導(dǎo)體的材質(zhì)、電阻率、磁導(dǎo)率、幾何形狀等參數(shù)均影響電渦流的大小[6]。實(shí)際應(yīng)用中，線圈的參數(shù)基本固定，安裝在固定位置檢測(cè)金屬車輪時(shí)，車輪的大小、形狀基本不變，周圍的金屬導(dǎo)體也基本不變，這樣，檢測(cè)振蕩波形的變化，可以反映出線圈周圍環(huán)境的變化情況，從而檢測(cè)出車輪是否經(jīng)過。

2 傳感器的設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

傳感器整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 傳感器整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Brief diagram of the overall structure of the sensor

礦用接近傳感器的整體結(jié)構(gòu)可以分為3 個(gè)部分。其中，振蕩電路作用是在線圈中產(chǎn)生電磁振蕩，向周圍發(fā)出振蕩電磁波；比較電路則對(duì)振蕩線圈的品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)線圈周圍的振蕩電磁場(chǎng)中出現(xiàn)金屬導(dǎo)體，導(dǎo)致振蕩電磁波能量被吸收，線圈品質(zhì)因數(shù)下降時(shí)，將電磁振蕩波形幅值與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，判斷金屬導(dǎo)體是否進(jìn)入或離開有效檢測(cè)區(qū)域，其結(jié)果輸出一個(gè)動(dòng)作信號(hào)；電流轉(zhuǎn)換電路則是根據(jù)比較電路檢測(cè)出的結(jié)果，切換不同的分流電路，從而改變傳感器的輸出電流[7]。

傳感器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是二線制，輸出為1 mA 和5 mA 的電流信號(hào)。未檢測(cè)到金屬導(dǎo)體時(shí)，電流值為1 mA；檢測(cè)到金屬導(dǎo)體時(shí)，電流值為5 mA；對(duì)低碳鋼標(biāo)準(zhǔn)樣塊的檢測(cè)距離為30 mm。

2.2 檢測(cè)線圈

基于比較線圈品質(zhì)因數(shù)Q 值的接近傳感器，設(shè)計(jì)上應(yīng)該遵循2 個(gè)原則：①在檢測(cè)量程附近，金屬導(dǎo)體與線圈的距離變化△L 時(shí)，Q 值的變化△Q，應(yīng)該盡量大，這樣才容易控制檢測(cè)距離閾值，同時(shí)傳感器的靈敏度也越高[8]；②應(yīng)該保證振蕩電路在工作頻率運(yùn)行時(shí)，Q 值盡量大，后繼電路才容易設(shè)計(jì)。

檢測(cè)線圈主要由線圈、骨架、鐵氧體磁芯構(gòu)成。線圈的電感主要由繞線匝數(shù)及繞制形狀決定。線圈的品質(zhì)因數(shù)則與磁芯的材質(zhì)及形狀、線圈骨架的形狀及材質(zhì)、線圈繞線的材質(zhì)及類型、線圈的繞線匝數(shù)及繞線密度等均有關(guān)。因此，要設(shè)計(jì)滿足需求的傳感器，需要重點(diǎn)研究磁芯及線圈的性能與相關(guān)參數(shù)的聯(lián)系。

2.2.1 磁芯和線材

選擇了3 種不同形狀的鐵氧體磁芯：半圓形磁芯、罐型磁芯和空罐型磁芯。其中半圓形磁芯選取了2 個(gè)不同尺寸：34 mm 的外徑和75 mm 的外徑；罐型磁芯選取了外徑42、59、68 mm 的3 種型號(hào)；空罐型磁芯選取了59 mm 外徑一種。

選取了2 種線材作為線圈的繞制之用：一種是適用于高頻電路的利茲線[9-10]，一種是小截面線。

2.2.2 測(cè) 試

電磁波是沿空間發(fā)散的，線圈周圍的金屬物體，都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。因此，測(cè)試中選用了固定的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，以避免環(huán)境周圍因素的影響。測(cè)試采用1 塊專門加工的低碳鋼材質(zhì)的測(cè)試樣塊，令其正對(duì)線圈，沿標(biāo)尺逐步推進(jìn)，同時(shí)利用電感參數(shù)測(cè)試儀監(jiān)測(cè)線圈Q 值的變化情況。

經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，磁芯形狀對(duì)Q 值的影響較大，在同樣使用了80 匝小截面線繞制線圈的情況下，外徑75 mm 的半圓形磁芯的Q 值明顯高于外徑34 mm 的磁芯。在100 kHz 附近，Q 值達(dá)到了峰值。

使用100 kHz 的正弦波驅(qū)動(dòng)線圈，對(duì)線圈檢測(cè)金屬導(dǎo)體的工作距離進(jìn)行測(cè)試，34 mm 外徑的半圓形磁芯線圈的線性度在5～15 mm 內(nèi)較好，一旦大于20 mm，隨著距離的增加，Q 值的變化逐漸趨于平緩，即在100 匝繞線的情況下，34 mm 外徑的半圓形磁芯更適合感應(yīng)距離在20 mm 以內(nèi)的檢測(cè)；外徑75 mm 的半圓磁芯線圈可以有更大的測(cè)量范圍。

對(duì)罐型磁芯同樣進(jìn)行了測(cè)試。其中2 個(gè)線圈均繞制了100 匝，使用了2 種不同的線。使用利茲線的性能明顯優(yōu)于使用小截面線的線圈。Q 值的峰值同樣出現(xiàn)在100 kHz 附近，因此，同樣可以將線圈的工作頻率設(shè)置在100 kHz 左右，這樣距離變化引起的Q 值變化更大，更容易設(shè)計(jì)后繼電路。

在100 kHz 條件下，罐型磁芯在30 mm 附近的Q 值變化比較接近線性，以此制作傳感器，可以獲得良好的性能。而空罐型磁芯由于線圈為中空，其Q值距離曲線較為平坦，不適合應(yīng)用。

綜上，半圓形磁芯與罐型磁芯滿足目標(biāo)檢測(cè)距離的應(yīng)用，但半圓形磁芯在應(yīng)用中存在幾個(gè)問題：首先，這是異型磁芯，需要定制燒制，對(duì)產(chǎn)品的批次不容易控制；其次，測(cè)試中發(fā)現(xiàn)檢測(cè)距離增加之后，半圓形磁芯的磁力線較為發(fā)散，很容易受到空間內(nèi)其他金屬物體的影響；最后，半圓形磁芯體積較大，不利于縮小傳感器體積。

因此，選用半圓形磁芯不方便現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用要求，經(jīng)過選擇，罐型磁芯比較適合。

2.2.3 電路設(shè)計(jì)

線圈使用更多的繞線匝數(shù)，會(huì)得到更好的靈敏度。但是，電感也會(huì)相應(yīng)的增加，導(dǎo)致對(duì)傳感器電路進(jìn)行本安化設(shè)計(jì)的難度增加。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將傳感器的工作頻率設(shè)定于100 kHz 附近，使用LC諧振電路設(shè)計(jì)。根據(jù)相關(guān)公式，LC 振蕩電路的頻率計(jì)算由式（1）決定：

式中：f 為振蕩頻率，Hz；L 為電感，H；C 為電容，F(xiàn)。

對(duì)式（1）進(jìn)行變形，得到如下計(jì)算對(duì)應(yīng)電容值C的公式:

線圈的電感可以從測(cè)量若干樣品統(tǒng)計(jì)出平均值而定，預(yù)設(shè)工作頻率，即可計(jì)算出相應(yīng)的電容取值。但是電容產(chǎn)品的值分不同的系列，并不連續(xù)，需要反復(fù)使用式（1）和式（2），根據(jù)電容的可選容值，取得近似的頻率即可，因?yàn)閷?duì)設(shè)計(jì)而言，振蕩頻率在一定范圍內(nèi)，均可接受。感應(yīng)距離可以通過后繼電路進(jìn)行微調(diào)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在小寶鼎煤礦地面車場(chǎng)對(duì)接近傳感器進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)包括接近傳感器4 只，KJ562-Z 分站1 臺(tái)，以及安裝有上位機(jī)監(jiān)控軟件的計(jì)算機(jī)1 臺(tái)。其中，傳感器分為2 組，每組2 臺(tái)，1 組安裝于入井的空車軌道上；另1 組安裝于出井的重車軌道上。傳感器按照一前一后的位置進(jìn)行安裝[11]。這樣，在檢測(cè)車輪經(jīng)過的同時(shí)，可以利用2 臺(tái)傳感器信號(hào)的時(shí)間差完成軌道車行進(jìn)方向以及行進(jìn)速度的檢測(cè)。監(jiān)控分站以及監(jiān)控計(jì)算機(jī)安裝在井口車場(chǎng)值班室內(nèi)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)拓?fù)鋱D如圖3。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)拓?fù)鋱DFig.3 Diagram of the on-site tests

試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間，以收集傳感器的采集數(shù)據(jù)。為參考對(duì)比，在車輛運(yùn)行期間，由人工手動(dòng)記錄車輛數(shù)量?？哲嚨赖膯芜呠囕啽O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1，重車道車輪監(jiān)測(cè)見表2。

表1 空車道的單邊車輪數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Number of unilateral wheels in track for the empty cars

表2 重車道的單邊車輪數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Number of unilateral wheels in track for the full-load cars

可見，對(duì)單邊車輪數(shù)的檢測(cè)基本準(zhǔn)確。傳感器誤差產(chǎn)生的原因與靈敏度控制、安裝距離的調(diào)整有關(guān)；另一方面，礦車經(jīng)過井口車場(chǎng)，經(jīng)常停車，每次啟停，礦車都會(huì)產(chǎn)生前后的晃動(dòng)，如果車輪剛好停在檢測(cè)區(qū)域邊緣，就可能造成單邊輪數(shù)統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)偏差。可以通過監(jiān)控軟件的算法處理減小誤差的影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）接近傳感器的關(guān)鍵是振蕩電路線圈的選擇，磁芯形狀、繞線類型均有顯著影響。使用合適的磁芯形狀、利茲線可以大幅提高線圈性能。

2）電渦流傳感器由于其原理原因，會(huì)受到被測(cè)周圍金屬導(dǎo)體、電磁輻射等的影響，在安裝調(diào)試時(shí)，需要考慮接近傳感器周圍的環(huán)境因素。

3）基于電磁感應(yīng)的接近傳感器在軌道上安裝時(shí)，安裝方式、軌道磨損程度，都會(huì)對(duì)最終應(yīng)用有影響。礦用窄軌機(jī)車的軌道附近一般環(huán)境惡劣，不容易準(zhǔn)確檢測(cè)，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，需要盡量選擇平直、磨損小的軌道進(jìn)行安裝，而且，檢測(cè)路段最好是車輛暢通的路段，以獲得一定的準(zhǔn)確度。