用于復雜環境電渦流傳感器的開發及應用*

戴楊

（淮南職業技術學院信息與電氣工程系，安徽淮南 232001）

經驗交流

用于復雜環境電渦流傳感器的開發及應用*

戴楊

（淮南職業技術學院信息與電氣工程系，安徽淮南 232001）

針對礦井電磁場干擾信號強、濕度高、溫差大、傳感器采集礦車信號不準確的問題，開發了由可控幅值振蕩器、檢波電路、低通濾波器、反相幅值比較放大、滯回電壓比較器、輸出電路及偏置電路組成的新型電渦流傳感器。采用差分對管振蕩電路消除溫度變化對靜態工作點的影響，通過自動增益控制電路補償高頻自激振蕩信號的幅值，消除傳感器自激和誤檢。應用表明，傳感器靈敏度高，信號采集準確，抗電磁場干擾能力強，撞擊損壞率＜2%。

電渦流傳感器；差分振蕩器；AGC穩幅

1 前言

現代煤礦井下機車運行的特點是高速、重載、大密度。為了保證井下機車的運行安全、高效，必須使用完備的信號設施，電氣設備集中監督調度，信號與道岔實現閉鎖，簡稱“信、集、閉”系統［1］。但是，目前非常理想的煤礦“信、集、閉”系統并不多。主要是機車位置傳感器對信號采集不夠準確可靠，直接影響“信、集、閉”系統的推廣和使用。

由于礦井電磁場干擾信號較強、濕度高、溫差大，目前對礦車信號采集的傳感器容易受到干擾，容易產生自激、誤檢和漏檢測情況，使用壽命短。本研究從傳感器工作原理與安裝方式出發，分析了礦井大巷電磁場干擾信號、高濕度及大溫差對傳感影響的成因，提出了一種簡便的電路補償方式，給出了相應的電路原理。經現場實際使用，傳感器靈敏度高，信號采集準確，抗電磁場干擾能力強，滿足了監督調度系統的要求。

2 傳感器工作原理

傳感器的主要作用是對礦車車輪緣信息進行采集，上傳到計算機調度系統，由軟件根據采集信息判斷礦車方位、速度和車輪對數。傳感器在礦井大巷運輸監督調度系統中，數量多、檢測信息量大，是最重要的信息采集器。新型的傳感器采用有源電渦流效應感應方式，能靜態和動態地、高線性度、非接觸、高分辨率地測量被測金屬導體。電渦流傳感器主要是通過高頻激勵信號使傳感頭的線圈產生高頻交變磁場，當被測車輪緣靠近感應線圈時，在磁場作用范圍的礦車輪緣表層（導體）產生電渦流，而電渦流又將產生交變磁場，阻礙外磁場的變化。能量損耗使傳感器感應線圈的等效阻抗Z、品質因數Q值和電感L均發生改變，引起傳感器感應線圈交流電壓的振蕩頻率和幅度的變化，經檢測電路將電壓幅度變化信號轉變成準數字信號輸出，由此判斷有無車輪通過傳感器的感應線圈，并以此判定機車的運行方向及車速。

井下電場和磁場環境復雜，傳感器安裝在軌道內側的軌腰上，電子電路易受到電磁場、溫度、濕度和機械振動的影響。傳感器感應線圈表面容易受到掉落小金屬件的干擾，如：道釘、電線頭、小鐵片等都會使傳感器誤測或不能正常工作，直接影響運輸監控系統的正常運行。因此，必須對電路合理設計，采用對稱差分電路，并具有自適應功能，能從復雜的環境中提取有效的電信號。

3 新型電渦流傳感器開發

3.1 開發設計

新型電渦流傳感器采用以下技術：

1）采用差分對管振蕩電路，具有溫度補償作用，克服了礦井溫差大對傳感器電路靜態工作點的影響。

2）振蕩電路頻率選擇在200 kHz～500 kHz，為低頻透射式和高頻反射式之間的頻率。小金屬物件掉落在傳感頭上，能使高頻交變電磁信號透射小金屬件，保證傳感器正常工作。

3）盡量提高自激振蕩信號的電壓幅值，可有效提高檢測靈敏度和信噪比，但電渦流傳感器要滿足礦用電器本質安全的要求，自激振蕩信號的電壓幅值過高，會使傳感器的偏置電路設計困難。

4）高頻自激振蕩信號電路采用振幅鑒別，對振幅具有AGC自動增益的功能。當有小鐵件遮擋傳感頭或傳感器浸泡在水中，能使傳感頭線圈中的Q值和Z變化得到補償。

5）傳感器外殼為鑄鋼件，電路采用了柔性材料和環氧樹脂復合封裝，可防止機車掉道對傳感器的撞擊。

6）傳感器有兩種輸出形式，便于和上級電路毗連：BTJ晶體管OC輸出（3根輸出線）；有無電流輸出（2根輸出線）。

3.2 應用參數

新型電渦流傳感器體積小、重量輕、容易安裝，其準數字量輸出便于與計算機調度系統毗連，是在用礦車車輪緣信息采集方式。傳感器適用于相對濕度100%或持久浸泡水中；環境溫度范圍-6～42℃；正向最大傳感間距27 mm；允許礦車車輪軸向擺幅最大50 mm，傳感器的輸入電源（12±3）V，電流＜5 mA，滿足礦用電器本質安全的要求。

3.3 電路構成

新型電渦流傳感器電路構成如圖1所示。

圖1 新型電渦流傳感器電路組成

該傳感器由可控幅值振蕩器、檢波電路、低通濾波器、反相幅值比較放大、滯回電壓比較器、輸出電路及偏置電路組成?？煽卦鲆嬲袷幤?，產生自激正弦波振蕩信號。當機車輪緣（導體）接近振蕩器的自激振蕩電感線圈時，會使線圈Q值和等效阻抗Z降低，使振蕩器的自激振蕩信號幅值降低。經過檢波和低通濾波器，去除高頻信號，獲得的電平幅值降低。一路電平信號通過滯回電壓比較器與標準電位比較；當有機車輪緣通過時，電壓比較器輸出低電平，使輸出電路三極管截止，集電極與地處于高阻狀態，輸出高電平，當無機車輪緣通過時，電壓比較器輸出高電平，使輸出電路的三極管飽和導通，輸出低電平。

另一路電平信號與標準電壓比較放大，獲得AGC自動增益控制的電壓。當有小鐵件遮擋傳感頭或傳感器浸泡在水中，傳感頭線圈中的Q值和Z變化時，使得振蕩器振幅降低，AGC自動增益控制的電壓增大，組成振蕩器三極管發射極IE的靜態電流，提高三極管的放大倍數，使振蕩幅值趨于不變。反饋控制環只補償靜態導體對幅值的影響。

3.3.1 可控幅值振蕩器電路

圖2為可控幅值振蕩電路原理。

不失真正弦波振蕩幅值與UAGC和直流電位的關系如表1所示。

圖2 可控幅值振蕩電原理路

表1 弦波振蕩幅值與UAGC和直流電位的關系V

三極管VT7、VT9和VT8組成電流源差動放大電路。VT7與VT9具有鏡像對稱性。當VT7和VT9三極管參數等同時，能夠抑制串入干擾（抑制共模信號），自激振蕩信號得到放大（放大差模信號）。用三極管VT8構成的電流源替換射極耦合電阻，使得對稱電路共模抑制比增大，提高了電路的對稱性和反饋強度，減少了外界電場和磁場的串入量，降低了溫度對靜態Q值的影響［3］。三極管VT8構成的電流源還有一個作用是電路的自適應功能，改變UAGC的電位幅值，VT8和電阻組成電流源的靜態電流值發生變化，使得VT7、VT9的靜態電流IE發生改變，進而VT7、VT9的正向轉移導納Yfe（放大倍數）改變，使振蕩幅值可以調整。

圖2中VT8、R14、R13、R11構成電流源，具有很大的直流電導和較小的動態電導，對于自激振蕩信號通路而言相當于斷開。圖2是共集—共基放大單元與LC反饋網絡組成的振蕩電路，放大電路為同相放大，且環路增益可設定為1，可維持振蕩輸出。LC回路的電容C7的值遠遠大于晶體管的結電容，可以忽略結電容對振蕩電路頻率影響。電容C8、C9的值遠遠大于C7，對于振蕩頻率信號而言相當于短路。振蕩電路的信號通路見圖3。

圖3 振蕩電路的信號通路

三極管VT9構成的共集放大電路，輸入電導低輸出電導高，增益≤1，在振蕩器中具有阻抗變換作用，使電路容易起振。忽略三極管VT9輸出電導的影響，并將R10歸并到VT7的輸入電導中，可畫出振蕩電路Y參數的微變等效電路如圖4所示?；芈稬C元件性質滿足振蕩器電路的構成原則［3］。

圖4 振蕩電路Y參數的微變等效電路

環路增益：T＝A·F＝gm/gr，gm≈IE/26（ms）。

晶體管結電容很小，│Yfe│=gm。當gT改變時，即受潮和小金屬體影響時，振蕩線圈的Q值下降、Z減小?？梢岳镁w管反向AGC的函數關系，通過UAGC自動增益控制改變IE，使環路增益趨于不變，獲得幅值穩定的高頻正弦波自激振蕩信號。

3.3.2 反饋環控制電路

高頻自激振蕩信號，經檢波二極管組成的檢波電路，并通過阻容低通濾波電路（上限截止頻率為4 kHz，通頻帶為0～4 kHz），去除高頻信號成分，檢出包絡信號電平。信號電平通過反相比較放大電路（低頻放大），對自激振蕩電路提供自動增益AGC電壓。當傳感器振蕩線圈受潮、小鐵件掉落在傳感器敏感頭表面，自激振蕩信號的靜態幅值將會發生改變，通過檢波及濾波將電平信號送入反相比較放大電路（低頻放大），啟動AGC電壓，調整可控幅值振蕩器三極管的放大倍數，使自激振蕩信號幅值趨于不變。當有機車輪緣通過傳感器電感線圈表面時，產生電渦流效應，使高頻自激振蕩信號幅值突變。反相比較放大電路是低頻放大器，對突變的電壓信號放大倍數很低，其只對靜態或緩慢變化的電壓幅值信號提供AGC自動增益補償電平，對突變的電壓幅值信號補償很小。完成了對運動導體的檢測，補償靜態導體對幅值的影響，能在較短的時間內（50 ms），實現下一次輪緣檢測，車速較快時，不會漏檢。

4 應用情況

在礦井大巷運輸監督調度系統中的實際使用和性能分析表明，傳感器靈敏度高，信號采集準確，抗電磁場干擾能力強，具有良好的溫度特性和防潮性能，滿足了監督調度系統的要求。根據現場測試，將0.5 mm鐵片覆蓋敏感頭，輪緣通過傳感器能檢測正常工作信號。在車輪掉道切斷安裝的固定螺絲，傳感器的撞擊損壞率＜2%。傳感器正常使用時間＞12個月，減少了維護工作量。針對有源型傳感器的特點，傳感器的信號輸出采用標準形式，其準數字量輸出便于與計算機調度系統毗連，是在用礦車車輪緣信息采集方式，并且可以與多種礦用監控系統配套。

［1］韓江洪，蔣建國，方仁忠.KT15A礦井機車運輸監控系統［M］.北京：煤炭工業出版社，1997.

［2］商永泰.礦井信集閉［M］.北京：煤炭工業出版社，1993.

［3］曾興雯，劉乃安，陳健.高頻電路原理與分析［M］.3版.西安：西安電子科技大學出版社，2001.

圖2 柱塞油缸改造結構

3.4 油氣潤滑改造

取消導衛潤滑站與軋機的連鎖控制，采用就地模式取代原遠程模式，經測試，完全滿足導衛軸承潤滑要求，潤滑油消耗量得到較好控制。制定完善崗位操作指導書，嚴格標準化操作，確保油氣潤滑站運行模式設在就地模式下，避免非故障狀態下使用測試模式，減少水淬線輥道潤滑站的潤滑油消耗。

4 實施效果

通過對軋線液壓及潤滑系統的改造，機組設備更加趨于穩定節能運行，系統設備故障率大幅降低，油消耗量明顯減少，維修人員的勞動強度大幅降低。提高了整個軋線液壓及潤滑系統運行穩定性，滿足了軋線生產要求，年綜合經濟效益顯著。

TP212.4

A

1004-4620（2015）01-0065-03

*淮南職業技術學院科技基金項目（080902）。

2014-07-03

戴楊，男，1960年生，1983年畢業于淮南礦業學院電氣自動化專業?，F為安徽淮南職業技術學院信息與電氣工程系講師，從事教學與科研工作，研究方向為電路與系統。