格雷母线位移检测系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种位移检测装置，具体来说是一种格雷母线位移检测系统。本发明的主要有益效果在于：通过安装在移动站的天线箱和敷设在移动机车轨道旁的格雷母线进行电磁耦合来传递信息的，无机械性接触磨损；由于格雷母线芯线以格雷码方式交叉扭绞排列，保证格雷母线芯线全程无重叠的交叉点，能够在移动机车行走范围内连续地、高精度地检测绝对地址，而且由于格雷母线使用了特有的交叉扭绞结构及相位检测技术，能够消除电源开、停过程中产生的电磁干扰，也不受环境噪音和接收信号电平波动的影响，能够在诸如铁矿石场等恶劣环境条件中长期可靠的工作。
【专利说明】格雷母线位移检测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种位移检测装置，具体来说是一种格雷母线位移检测系统。
技术背景
[0002]现有的用于检测位置或位移的设备存在很多的弊端和不足，例如通过接触性检测获取位移的设备，对接触部件有机械性磨损，或对于一些利用电磁信号进行检测的设备，检测的结果容易受到电磁干扰、环境噪音、接收信号电平波动等情况的影响，抑或容易受到雨水、灰尘、酸碱等自然环境的影响，从而导致检测精度低、误差大、可靠性低。
【发明内容】
[0003]本发明克服了上述缺点，提供一种结构简单，检测结果精确、抗干扰能力强的格雷母线位移检测系统。
[0004]本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:包括用作编码电缆的格雷母线、地址编码发射器、地址编码接收器和天线，且有两种连接形式:
[0005]所述天线与所述地址编码发射器相连，并设置在移动站中，所述格雷母线与设置在固定站中的所述地址编码接收器相连，
[0006]或，所述天线与所述地址编码接收器相连，并设置在移动站中，所述格雷母线与设置在固定站中的所述地址编码发射器现联，
[0007]所述格雷母线中包括至少两对芯线，其中一对为相互平行的基准线，其余各对地址线为每隔一个步长交叉一次的地址线，每对地址线的步长各不相同，分别为最小步长的24咅，其中 i = 0,1,2.......[0008]所述地址编码接收器和地址编码发射器都可连接有可编程控制器，所述可编程控制器还连接有无线通讯模块。
[0009]所述移动站中的可编程控制器还可连接有一个显示屏。
[0010]所述线圈可包括参数相同、方向相同的主线圈和副线圈，所述主线圈比副线圈与所述格雷母线之间的距离近。
[0011]所述格雷母线还可包括与至少一对地址线步长相等，且错开半个步长的地址线。
[0012]所述格雷母线的最小步长可为20?400毫米，较佳值为200毫米。
[0013]所述格雷母线的总长度可为其中，η为地址线的对数，W为最小步长。
[0014]本发明通过本发明的主要有益效果在于:通过安装在移动站的天线箱和敷设在移动机车轨道旁的格雷母线进行电磁耦合来传递信息的，无机械性接触磨损；由于格雷母线芯线以格雷码方式交叉扭绞排列，保证格雷母线芯线全程无重叠的交叉点，能够在移动机车行走范围内连续地、高精度地检测绝对地址，而且由于格雷母线使用了特有的交叉扭绞结构及相位检测技术，能够消除电源开、停过程中产生的电磁干扰，也不受环境噪音和接收信号电平波动的影响，能够在诸如铁矿石场等恶劣环境条件中长期可靠的工作。【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明中实施例1的结构示意图
[0016]图2为本发明中格雷母线的电缆芯线展开图
[0017]图3为本发明中实施例1的工作原理图
[0018]图4为本发明中实施例2的结构示意图
[0019]图5为本发明中实施例2工作原理图
[0020]图6为本发明中精密地址检测工作原理图
[0021]图7为本发明中线圈箱与格雷母线分布示意图
【具体实施方式】
[0022]实施例1为一种通过移动站发出编码信号，有固定站接收编码信号的位移检测方式，也称地上检测方式。如图1所示，格雷母线的两端分别连接有终端箱和始端箱，所述始端箱经过引线电缆连接到固定站中的地址编码接收器，一个可编程控制器PLCl连接所述地址编码接收器，一个无线模块与所述可编程控制器PLC I相连，与移动站进行无线通信；所述移动站中包括天线箱和与所述天线箱相连的地址编码发射器，所述地址编码发射器还连接有一个可编程控制器PLC2，所述可编程控制器PLC2还同时连接用于显示检测状态和结果等相关信息的显示屏，以及与所述固定站进行无线通信的无线模块。
[0023]所述格雷母线为以格雷码方式排列的检测母线，包括电缆护套和由所述电缆护套包裹的电缆芯线和模芯，所述电缆芯线如图2中所示，所述电缆芯线有两种，即基准线R线和地址线GO线-G9线，基准线R线在整个`格雷母线段中不交叉，用于获取标准信号，地址线用于检测地址。各对地址线按不同步长规律编排，每隔一个步长交叉一次，设格雷母线的最
小步长为 W,则 G0、G1、G2...G8、G9 步长分别为 2、、2噌、22胃......28W、29W，即 1W、2W、4W…256W、
512W。
[0024]通过上述布置的地址线，可实现绝对地址的检测，移动站上安装一个带有发射天线的天线箱，天线箱距离格雷母线电缆8~20CM，天线箱发射的高频信号通过电磁感应被地面的格雷母线电缆接收，R线为平行敷设的一对线，接收到的信号作为基准信号，GO~G9在不同的位置有不同的交叉点，其接收到的信号在经过偶数个交叉后，相位与基准信号相同，在经过奇数个交叉点后，相位与基准信号的相位相反，若规定同相位时地址为“0”，反相位时地址为“1”，则在格雷母线电缆的某一位置得到唯一 10位的地址编码，此对应于机车的一个地址。
[0025]如图3中所示，通过一个最小的地址检测系统来描述地上检测方式工作原理，该系统中的格雷母线仅由一对交叉的地址线和一对平行的基准线组成。当移动站的天线线圈中通入交变电流时，在天线附近会产生交变磁场，由于天线离格雷母线很近(约80毫米)，故所述格雷母线近似处在一个交变的、均匀分布的磁场中，因此每对格雷母线芯线会产生感应电动势。由所述移动站的天线发射的地址信号通过电磁耦合方式传送到格雷母线的地址线和基准线上，并通过地址线和基准线把信号传送到固定站的地址编码接收器。地址编码接收器对接收到的信号进行相位比较。当地址“O”的地址线的信号相位与基准线的信号相位相同，那么定义移动站地址为“O”；当地址“I”的地址线的信号相位与基准线的信号相位相反，那么移动站地址为“I”。从而实现了在固定站完成地址检测。[0026]此过程中，移动站天线箱为信号“发射天线”，固定站格雷母线芯线为信号“接收天线”；由固定站来检测移动站的地址，所述移动站要获得本机车地址需通过无线通信方式得到。
[0027]实施例2为一种通过固定站发出编码信号，由移动站接收编码信号的位移检测方式，也称车上检测方式。如图4所示，格雷母线的两端分别连接有终端箱和始端箱，所述始端箱经过引线电缆连接到固定站中的地址编码发射器，所述地址编码发射器连接一个可编程控制器PLC1，所述可编程控制器PLCl连接一个用于与移动站进行无线通信的无线模块，所述移动站中包括天线箱和与所述天线箱相连的地址编码接收器，所述地址编码接收器与另一可编程控制器PLC2相连，还同时连接用于显示检测状态和结果等相关信息的显示屏和用于与所述固定站进行无线通信的无线模块(此处连接关系与地上检测方式有所不同，无线模块和显示屏不与PLC相连，如何进行相应输出？)。
[0028]所述格雷母线为以格雷码方式排列的检测母线，包括电缆护套和由所述电缆护套包裹的电缆芯线和模芯，所述电缆芯线也如图2中所示，所述电缆芯线有两种，即基准线R线和地址线GO线-G9线，基准线R线在整个格雷母线段中不交叉，用于获取标准信号，地址线用于检测地址。各对地址线按不同步长规律编排，每隔一个步长交叉一次，设格雷母线
的最小步长为W，则G0、G1、G2...G8、G9步长分别为2、、2噌、22胃......28W、29W，即1W、2W、4W…
256W、512W。
[0029]通过上述布置的地址线，可实现绝对地址的检测，地面站的地址编码发生器在Tkq时刻接通标准信号线R0，首先发送一个同步头，紧接着发送RO信号；Te(1时刻接通地址线G0，发送GO信号；依次 接通并向Gl、G2…G8、G9发送信号。车上的接收天线接收到同步头信号后，下一个时间的信号便是R0，紧接着是GO、GU G2…G8、G9。车上地址检测单元根据接收到的RO信号产生一个标准信号，紧接着将接收到的各路地址线信号放大整形后送入进行鉴相和计数，G0、G1、G2?"G8、G9信号相位与RO信号相同，若规定地址为“0”，反相位时地址为“1”，即可得到一组格雷码。最后将格雷码转换成十进制数即可得到移动机车的位置。
[0030]如图5所示，以4个地址的检测系统为例来具体描述移动检测过程:所述固定站的地址编码发射器以同频率分时方式分别将信号送给格雷母线标准线、地址线1、地址线2，并通过电磁耦合方式把信号传送到移动站的天线。
[0031]移动站的地址编码接收器按顺序接收信号后，将两对地址线的信号分别与基准线信号进行相位比较，如果地址线的信号相位与基准线的信号相位相同，那么定义地址为“O”；如果相位相反，定义地址为“I”。图3中地址I的两对地址线的信号相位与基准线的信号相位相同，因此地址I为“00”。地址2中的第一对地址线的信号相位与基准线的信号相位相同，第二对地址线的信号相位与基准线的信号相位相反，因此地址2为“01”。
[0032]从上面的分析可以看到，格雷母线用一对地址线可以检测到2个地址，用二对地址线可以检测到4个地址。实际上，用η对地址线可以检测到2"个地址。
[0033]根据电磁学理论:
[0034]Φ = S*B 其中:Φ为磁通量，S为线圈面积，B为电磁强度。
[0035]e = N*dO/dt其中:e为感应电压，N为线圈的匝数。
[0036]理论上讲，只要将格雷母线最小步长W取得足够小，格雷母线定位精度就可以做得很高，但在工程上由于格雷母线芯线、天线尺寸误差、机车摆动，磁场分布不均匀性，以及外界干扰等因素，格雷母线最小步长W取值受到一定限制。W取得太小，电磁感应面积变小，地址检测的信噪比低，造成地址不稳定。根据工程经验，W = 200毫米较好。
[0037]格雷母线最小步长W根据定位精度来确定，电缆长度由格雷母线芯线的数量和最小步长W确定。一般来说:
[0038]绝对定位精度μ = W/2 (其中W为格雷母线最小步长)
[0039]格雷母线长度L = 2η* μ (其中η为格雷母线芯线的数量)
[0040]通过上面的分析我们知道当格雷母线最小步长W = 200毫米时，大地址的检测精度为:
[0041]μ = W/2 = 200/2 = 100 毫米。
[0042]如果格雷母线地址线为10对(G0-G9)，当W = 200毫米时，则格雷母线长度为:
[0043]L = 210*100 (毫米)=102.4 米。
[0044]格雷母线长度可依工程需要而定，单根格雷母线长度可达102.4米，多根格雷母线可拼接以满足工程需要。
[0045]地址线GO步长200晕米,在100晕米开始交叉；G1步长400晕米,在200晕米开始交叉；G2步长800毫米，在400毫米开始交叉，……；G8步长51.2米，在25.6米交叉一次，；G9步长102.4米，在51.2米交叉一次。
[0046]选择那一种地址检测工作方式要根据控制系统的需求来考虑决定。如果控制系统的重心在移动站上，则采用移动检测方式较好；如果控制系统的重心在固定站，则采用固定检测方式较合适。
[0047]此外，可以在所述格雷母线中增加一对地址线L0，如图4中所示，所述地址线LO的步长即交叉间隔跟GO —样，只是错开半个步长。
[0048]与绝对地址检测方法一样，精密地址也分为车上检测方式和地上检测方式。两种工作方式原理相同，这里以地上检测方式为例，在格雷母线电缆中增加一对地址线L0，其交叉间隔跟GO —样，只是错开半个最小步长。
[0049]如图6所示，GO, L O两对线的交叉间距一致，均为200毫米，且错开100毫米，其中R线为基准线，不交叉。
[0050]当移动站的天线线圈中通入交变电流时，地址线GO、LO产生的感应电动势如下:
[0051]VO = -N*dOO/d t....................(1)
[0052]Vl = -N*d01/d t....................(2)
[0053]Φ = S*B..................(3)
[0054]其中，VO、Vl——电缆芯线GO、LO上感应电动势信号幅度；
[0055]?ΦΟ,?Φ 1——通过电缆芯线GO、LO的磁通变化量；
[0056]N—格雷母线芯线圈数，在这里N = I ；
[0057]B——磁场强度；
[0058]S——磁场作用在电缆芯线GO、LO上的有效面积；
[0059]设SO是磁场作用在芯线GO上的有效面积，SI是磁场作用在芯线LO上的有效面积，H为电缆的宽度，W为格雷母线芯线的最小步长。当移动站上的天线按图5中方式移动时(移动距离为X，X < 100毫米)。[0060]则:V0= -(ΙΦΟ/dt = -BdSO/dt = -Bd (HW-2HX)/dt....(4)
[0061]Vl = _(1Φ 1/dt =-BdSl/dt =-Bd (2HX)/dt....(5)
[0062]在同一时间间隔内，由(4) / (5)得:
[0063]V0/V1 = W/2X-1....(6)
[0064]格雷母线安装好后，当天线信号源不变时，由式(6)可知，当X < 100毫米范围内，V0/V1与X成线性关系。由于G0、L O的交叉间距相同且错开100毫米，故在100毫米间距的每个位置总有一个V0/V1比值对应，且这个比值不受环境噪音和接收信号电平波动的影响。
[0065]将V 0、V1整流，A/D转换得数字量，V0、V1送入CPU，计算V0/V1，此比值对应于大地址内(O — 100毫米)的一个地址，其检测精度为μ/m，m为大地址细分的等分数。理论上如果将V0/V1比值无限细分，可以获得非常高的检测精度，但是由于工艺条件的限制，地址细分数不可能很大，根据工程经验，细分数取20较好。例如，如果格雷母线得到的大地址精度为100毫米，细分数为20，则精密地址精度=100/20 = 5毫米。
[0066]所述线圈箱中包括主线圈和副线圈，所述主线圈与副线圈参数一样，同向连接，主线圈距感应电缆信号辐射范围近，副线圈距感应电缆信号辐射范围远。由于主线圈与副线圈有距离差，对地址感应信号来说，两个线圈接收的信号强弱有差异；对干扰信号来说，两个线圈接收的信号强弱相当。信号强弱有差异；对干扰信号来说，两个线圈接收的信号强弱相当。这样，通过对GO线和LO线的采集和比较，既能够消除电源开、停过程中产生的电磁干扰，又不降低位置检测天线的接收灵敏度，较比同轴分布的差分线圈造成系统信噪比要低很多。
[0067]本发明的主要有益效果在于:通过安装在移动站的天线箱和敷设在移动机车轨道旁的格雷母线进行电磁耦合来传递信息的，无机械性接触磨损；由于格雷母线芯线以格雷码方式交叉扭绞排列，保证格雷母线芯线全程无重叠的交叉点，能够在移动机车行走范围内连续地、高精度地检测绝对地址，检测精度达5毫米，完全可以满足移动机车精确定位的需求；而且由于格雷母线使用了特有的交叉扭绞结构及相位检测技术，能够消除电源开、停过程中产生的电磁干扰，也不受环境噪音和接收信号电平波动的影响，能够在诸如铁矿石场等恶劣环境条件中长期可靠的工作；此外，安装在室外的格雷母线、天线箱、始端箱、终端箱和段间箱采用非金属材料制作而且采用密封工艺，不怕雨水、灰尘，耐酸、碱腐蚀。
【权利要求】
1.一种格雷母线位移检测系统，其特征在于:包括用作编码电缆的格雷母线、地址编码发射器、地址编码接收器和天线，且有两种连接形式: 所述天线与所述地址编码发射器相连，并设置在移动站中，所述格雷母线与设置在固定站中的所述地址编码接收器相连， 或，所述天线与所述地址编码接收器相连，并设置在移动站中，所述格雷母线与设置在固定站中的所述地址编码发射器现联， 所述格雷母线中包括至少两对芯线，其中一对为相互平行的基准线，其余各对地址线为每隔一个步长交叉一次的地址线，每对地址线的步长各不相同，分别为最小步长的2i倍，其中 i = 0,1,2.......
2.根据权利要求1所述的格雷母线位移检测系统，其特征在于:所述线圈包括参数相同、方向相同的主线圈和副线圈，所述主线圈比副线圈与所述格雷母线之间的距离近。
3.根据权利要求1或2所述的格雷母线位移检测系统，其特征在于:所述地址编码接收器和地址编码发射器都连接有可编程控制器，所述可编程控制器还连接有无线通讯模块。
4.根据权利要求3所述的格雷母线位移检测系统，其特征在于:所述移动站中的可编程控制器还连接有一个显示屏。
5.根据权利要求1或2所述的格雷母线位移检测系统，其特征在于:所述格雷母线还包括与至少一对地址线步长相等，且错开半个步长的地址线。
6.根据权利要求1或2所述的格雷母线位移检测系统，其特征在于:所述格雷母线的最小步长为20~400毫米，较佳值为200毫米。
7.根据权利要求1或2所述的格雷母线位移检测系统，其特征在于:所述格雷母线的总长度为2η_^，其中，η为地址线的对数，W为最小步长。
【文档编号】G01D5/12GK103759628SQ201110310951
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2011年10月14日 优先权日:2011年10月14日
【发明者】李洋 申请人:李洋