高速磁浮长定子牵引行波磁场检测系统的制作方法
本发明涉及一种高速磁浮轨道检测系统，尤其是涉及一种高速磁浮长定子牵引行波磁场检测系统。
背景技术：
高速磁浮列车是未来高速交通的一个重要发展方向，与轮轨交通不同，高速磁浮虽然与轨道没有接触，但是车辆与轨道之间存在着悬浮电磁力、导向电磁力以及推进电磁力，特别是高速磁浮列车牵引系统实际上是一种高速运行的长定子直线电机系统，轨道就是电机的长定子。
高速磁浮列车的运行平稳性和乘坐舒适性与轨道状态密不可分，因此，定期对轨道进行检测与维护，使轨道状态保持良好是十分有必要的。
目前对磁浮轨道的检测和维护与轮轨列车轨道类似，直接利用线路几何参数的测量来获取轨道真实的几何状态，对轨道的故障进行评估和检测。但长定子轨道几何参数的检测只是轨道检测维护的基础，由于轨道也是同步直线电机的长定子，相比传统轮轨交通，长定子轨道还具有电气特性，其中行波磁场是影响高速磁浮交通系统性能的主要因素。
因此，需要设计一款能够实现对高速磁浮长定子牵引行波磁场检的系统，通过对行波磁场进行检测分析，从而更全面深入的研究长定子轨道的检测和维护。
技术实现要素：
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种高速磁浮长定子牵引行波磁场检测系统。该系统是一种搭载式系统，能够安装于尾车的端部悬浮电磁铁箱梁处，随车对长定子的牵引行波磁场进行检测，且可获取里程信息，实现磁场的检测结果与里程相关联，并通过数据对比和挖掘，发现或预警长定子轨道的一些缺陷，如绝缘性能下降、电缆下挂等，使之成为长定子轨道几何尺寸检测和图像检测的补充手段。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：
一种高速磁浮长定子牵引行波磁场检测系统，包括磁场信息采集系统、离线分析系统和信息管理系统；
所述磁场信息采集系统搭载安装在磁浮列车其尾车的端部悬浮电磁铁箱梁处，随磁浮列车运动的同时对磁浮长定子轨道的牵引行波磁场以及磁浮列车上的主磁极的上端面与磁浮长定子轨道的定子面之间的间隙距离进行实时检测，并且实时获取磁浮列车的里程信息。
所述离线分析系统将磁场信息采集系统采集的牵引行波磁场以及磁浮列车上的主磁极的上端面与磁浮长定子轨道的定子面之间的间隙距离的检测数据与里程信息进行拟合获得牵引行波磁场分布曲线，为磁浮长定子轨道电气故障诊断提供牵引行波磁场的幅值、相位、频率的信息；
所述信息管理系统负责牵引行波磁场分布和磁浮长定子轨道电气故障信息的显示和数据管理，从离线分析系统中获取牵引行波磁场分布曲线，将牵引行波磁场与历史测量数据比对，进行故障的判断以及故障类型的分析并获取故障的位置信息，同时该系统可以进行磁场检测信息以及故障信息的检索并形成报表。
本发明中磁场信息采集系统包括磁场检测结构平台，所述磁场检测结构平台搭载安装在磁浮列车其尾车的端部悬浮电磁铁箱梁处，且与牵引行波磁场同步运行。
所述磁场检测结构平台上安装有电源模块、数据存储模块、里程检测模块和传感器模块，其中电源模块为磁场检测结构平台上的各用电设备提供工作电压，数据存储模块存储里程检测模块检测的里程信息以及传感器模块检测到的牵引行波磁场数据信息。传感器模块包括磁敏传感器以及激光位移传感器，磁敏传感器安装在磁场检测结构平台的上端面上，磁敏传感器与磁浮长定子轨道其定子面正对。激光位移传感器安装在磁场检测结构平台的外侧面上，激光位移传感器的激光发射面与磁浮长定子轨道的定子面相对，且激光位移传感器的激光发射面、磁敏传感器检测面与磁浮列车上的主磁极的上端面齐平。磁敏传感器用于测量磁浮长定子轨道其定子面下方轨道空间处的牵引行波磁场；激光位移传感器用于采集激光发射面与磁浮长定子轨道的定子面之间的间隙距离，也即磁浮列车上的主磁极的上端面与磁浮长定子轨道的定子面之间的间隙距离。在正常情况下，牵引行波磁场与激光位移传感器所测的间隙距离存在对应关系，该对应关系在磁浮列车出厂调试阶段已经给出，为已知的或者是给定的对应关系。在通过实时检测磁浮长定子轨道其定子面下方轨道空间处的牵引行波磁场以及磁浮列车上的主磁极的上端面与磁浮长定子轨道的定子面之间的间隙距离，通过判断牵引行波磁场与该间隙距离是否对应，即可为磁浮长定子轨道电气故障诊断提供判断依据。
所述里程检测模块可以采用专利号为zl201720845873.1的一种基于电涡流效应的高速磁浮轨检绝对里程读取装置。所述里程检测模块提供等间隔(如设置采用间隔为43mm)采样脉冲信号对磁敏传感器测量的牵引行波磁场数据进行采样，同时采用得到的牵引行波磁场离散数据所对应的里程信息也被记录，这样实现牵引行波磁场数据与里程信息的的拟合获得牵引行波磁场分布曲线。牵引行波磁场数据与里程信息的关联有利于后期及时发现轨道的故障点的准确位置。
本发明中磁敏传感器有8个，8个磁敏传感器呈2×4的矩形阵列排布，其中x方向每行有4个，z方向每列有2个，其中x方向为磁浮列车的行进方向也即磁场检测结构平台的上端面的长度方向，y方向是磁浮列车上的主磁极与磁浮长定子轨道之间的垂直方向，z方向是磁场检测结构平台的上端面的宽度方向。
为提高测量精度减少测量误差同时减小磁敏传感器的尺寸，本发明中的磁敏传感器采用内部集成有放大电路和ad采样的三维霍尔传感器，单个三维霍尔传感器可以实现牵引行波磁场x，y方向上的测量，并以数字量形式输出，功耗较低，采用锂电池供电，续航能力可达4h。采用三维霍尔传感器可以避免了建立复杂的平台系统控制磁敏传感器的方向而进行各个方向的测量，同时霍尔传感器体积较小，适合小气隙的磁场的测量。
本发明中，牵引行波磁场与磁浮长定子轨道电气故障情况的对应关系如表1所示。
表1牵引行波磁场与故障情况对应关系
与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：
高速磁浮列车轨道相当于同步牵引电机的长定子，其具有齿槽结构，齿槽中嵌有三相绕组，当绕组中通以三相交流电时，会产生所谓的“牵引行波磁场”，牵引行波磁场是长定子轨道电气性能的一个直观表现，利用对牵引行波磁场的检测可以反推出长定子轨道的一些电气故障，相较传统的通过电流等电气参数来判断电气故障的方法，利用对牵引行波磁场的检测，通过牵引行波磁场表现反推故障的情况可以更为直观的展现故障情况。同时定子绕组电缆下挂，定子绝缘性能下降等不易从电流等电气参数上检测到的故障可以通过对牵引行波磁场的检测来获得。
本发明的目的在于提供一种适用于高速磁浮长定子轨道，体积小、重量轻、拆装快捷、功耗低、能够搭载在磁浮列车上，随磁浮列车对长定子牵引行波磁场进行检测的系统。
本发明提供的高速磁浮长定子牵引行波磁场检测系统，系统可搭载在列车尾端部，随车高速运动，检测最高速度可达150km/h，采用阵列三维霍尔传感器对牵引行波磁场情况进行检测，检测效率较高，且系统体积小、功耗较低。
参考根据本发明的高速磁浮长定子牵引行波磁场检测系统的各种实施的如下描述将使得本发明的上述和其它方面显而易见。
附图说明
图1是磁场信息采集系统的硬件功能框图；
图2是霍尔传感器的功能结构框图；
图3是磁场信息采集系统搭载位置示意图；其中3(a)为磁敏传感器检测磁场位置示意图；图3(b)为磁场信息采集系统搭载位置示意图；
图4是磁敏传感器布局示意图；
图5是磁场信息采集系统的结构示意图；其中图5(a)为其立体示意图；图5(b)为其俯视图；
图6是离线分析系统流程图；
图7是信息管理系统流程图；
图例说明：
1、激光位移传感器；2、磁敏传感器；3、覆膜；4、磁敏传感器安装孔；5、磁敏传感器安装平台；6、通信接口；7、电源开关；8、磁场检测结构平台。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的实施方式进行进一步的详细说明。
一种高速磁浮长定子牵引行波磁场检测系统，包括磁场信息采集系统、离线分析系统和信息管理系统；
所述磁场信息采集系统搭载安装在磁浮列车其尾车的端部悬浮电磁铁箱梁处，随磁浮列车运动的同时对磁浮长定子轨道的牵引行波磁场以及磁浮列车上的主磁极的上端面与磁浮长定子轨道的定子面之间的间隙距离进行实时检测，并且实时获取磁浮列车的里程信息；
所述离线分析系统将磁场信息采集系统采集的牵引行波磁场以及磁浮列车上的主磁极的上端面与磁浮长定子轨道的定子面之间的间隙距离的检测数据与里程信息进行拟合获得牵引行波磁场分布曲线，为磁浮长定子轨道电气故障诊断提供牵引行波磁场的幅值、相位、频率的信息；
所述信息管理系统负责牵引行波磁场分布和磁浮长定子轨道电气故障信息的显示和数据管理，从离线分析系统中获取牵引行波磁场分布曲线，将牵引行波磁场与历史测量数据比对，进行故障的判断以及故障类型的分析并获取故障的位置信息，同时该系统可以进行磁场检测信息以及故障信息的检索并形成报表。
在正常情况下，牵引行波磁场与激光位移传感器所测的间隙距离存在对应关系，该对应关系在磁浮列车出厂调试阶段已经给出，为已知的或者是给定的对应关系；在通过实时检测磁浮长定子轨道其定子面下方轨道空间处的牵引行波磁场以及磁浮列车上的主磁极的上端面与磁浮长定子轨道的定子面之间的间隙距离，通过判断牵引行波磁场与该间隙距离是否对应，即可为磁浮长定子轨道电气故障诊断提供判断依据。
磁场信息采集系统
参照图1、图2、图3和图4，磁场检测采集子系统属搭载设备，所述磁场检测结构平台8搭载安装在磁浮列车其尾车的端部悬浮电磁铁箱梁处，随磁浮列车同步运动，沿磁浮长定子轨道全线连续采集磁浮列车端部的牵引行波磁场信息。
所述磁场检测结构平台8上安装有电源模块、数据存储模块、里程检测模块和传感器模块，其中电源模块为磁场检测结构平台上的各用电设备提供工作电压。参照图4，磁场检测结构平台的一侧设置有电源开关7和通信接口6，电源开关7控制电源模块的工作状态，通信接口6实现磁场检测采集子系统与离线分析系统的数据通信连接。数据存储模块存储里程检测模块检测的里程信息以及传感器模块检测到的牵引行波磁场数据信息。传感器模块包括磁敏传感器2以及激光位移传感器1，磁敏传感器安装在磁场检测结构平台的上端面(磁场检测结构平台的上端面也即图4中的磁敏传感器安装平台5)上，磁敏传感器2与磁浮长定子轨道其定子面正对；激光位移传感器安装在磁场检测结构平台的外侧面上，激光位移传感器1的激光发射面与磁浮长定子轨道的定子面相对，且激光位移传感器1的激光发射面、磁敏传感器检测面与悬浮列车上的主磁极的上端面齐平；磁敏传感器2用于测量磁浮长定子轨道其定子面下方轨道空间处的牵引行波磁场；激光位移传感器1用于采集激光发射面与磁浮长定子轨道的定子面之间的间隙距离，也即磁浮列车上的主磁极的上端面与磁浮长定子轨道的定子面之间的间隙距离。
本发明中：传感器模块包含8个三维霍尔传感器和1个激光位移传感器。8个三维霍尔传感器呈2×4的矩形阵列排布，其中x方向每行有4个，z方向每列有2个，其中x方向为磁浮列车的行进方向也即磁场检测结构平台的上端面的长度方向，y方向是磁浮列车上的主磁极与磁浮长定子轨道之间的垂直方向，z方向是磁场检测结构平台的上端面的宽度方向。参照图2，其中每个霍尔传感器自带信号处理与模数转换电路(adc)且还带有温度检测模块，可以直接顺序输出x、y、z方向的磁通密度以及温度数字信号，将激光位移传感器数据处理得到的间隙数字信号用于对霍尔传感器采集的磁场信息进行校准，消除磁浮列车正常的上下波动的影响。
所述里程检测模块提供43mm等间隔采样脉冲信号对磁敏传感器测量的牵引行波磁场数据进行采样，同时采用得到的牵引行波磁场离散数据所对应的里程信息也被记录，这样实现牵引行波磁场数据与里程信息的拟合获得牵引行波磁场分布曲线。里程检测模块参考专利：一种基于电涡流效应的高速磁浮轨检绝对里程读取装置(zl201720845873.1)。这种磁场数据与里程信息的关联有利于后期及时发现轨道的故障点的准确位置。实时检测磁浮长定子轨道其定子面下方轨道空间处的牵引行波磁场以及磁浮列车上的主磁极的上端面与磁浮长定子轨道的定子面之间的间隙距离，通过判断牵引行波磁场与该间隙距离是否对应，即可为磁浮长定子轨道电气故障诊断提供判断依据。同时也可查找出牵引行波磁场与间隙距离不对应时所对应的里程位置，及时发现轨道的故障点的准确位置。
1)磁场检测采集子系统搭载位置与牵引行波磁场情况
参照图3，由于磁场检测结构平台搭载安装在磁浮列车其尾车的端部悬浮电磁铁箱梁处，该搭载位置无悬浮列车(即直线同步电机无次级位置)，其牵引行波磁场没有对应悬浮列车上的主磁极闭合形成回路，而是在空气中闭合故该位置处的牵引行波磁场可看作是漏磁场。本发明磁场信息采集系统主要测量牵引行波磁场x和y方向这两个方向上的磁场，经计算牵引行波磁场其x和y向分量为幅值大小约为0.024t、周期为
高速磁浮长定子轨道是由360片0.5mm厚的硅钢片彼此紧贴组成的，可以抑制涡流，故磁浮长定子轨道下方轨道空间处磁通密度在z方向上基本一致，本发明中磁场信息采集系统所测的牵引行波磁场分布于x和y方向，根据牵引行波磁场的计算，该磁敏传感器量程需至少达到±50mt，相对测量误差为4％，带宽至少达到1khz，为提高测量精度减少测量误差同时减小磁敏传感器的尺寸，本发明中的磁敏传感器采用内部集成有放大电路和ad采样的三维霍尔传感器，单个霍尔传感器模块可以实现牵引行波磁场x，y方向上的测量，并以数字量形式输出，功耗较低，采用锂电池供电，续航能力可达4h。采用三维霍尔传感器可以避免了建立复杂的平台系统控制磁敏传感器的方向而进行各个方向的测量，同时霍尔传感器体积较小，适合小气隙的磁场的测量。
3)磁敏传感器布局
参照图3，磁场检测结构平台搭载安装在磁浮列车其尾车端部的悬浮电磁铁箱梁处，且与牵引行波磁场同步运行，磁敏传感器其检测到的磁场是相对时间静止的，根据牵引行波磁场的特点对磁敏传感器进行布局。
8个磁敏传感器采用矩形阵列的方式排列。由于正弦波具有周期性，所以只需检测大于1/4个周期即可，根据2τp＝516mm，可设计8个磁敏传感器布局区域大小为193.5mm×180mm(即在磁场检测结构平台的上端面中部的193.5mm×180mm的区域内布设这8个磁敏传感器)，在磁场检测结构平台的上端面上分两排布局磁敏传感器，每排布局4个，分别对应牵引行波磁场正弦波的零点、峰值以及零点-峰值中间的位置。参照图4，x方向同一排相邻的磁敏传感器之间的间距为64.5mm，z方向同一列相邻的两个磁敏传感器之间的间距为60mm。本发明这种磁敏传感器阵列式布局可以高效地实现大面积的磁场的检测，根据正弦波的周期性，故障点导致的行波磁场的畸变必定也是中心对称的，所以x方向每行布局4个磁敏传感器即可有效的检测到牵引行波磁场的波形，达到故障检测的目的，由于z方向上的磁场情况基本不变，所以在z方向上每列布局2个磁敏传感器是对磁场测量进行的冗余处理。
参照图5，根据磁敏传感器2的布局和待检测位置结构空间情况，本发明中的磁场检测结构平台的上端面即磁敏传感器安装平台5为一块尺寸大小为200mm×180mm，厚度为5mm的复合薄板。其中，8个磁敏传感器2按上述矩形阵列的方式排列于磁场检测结构平台的上端面上，其中8个磁敏传感器2均凸出基本高度为2mm，在该8个磁敏传感器形成的传感器阵列表面上设有覆膜3，通过覆膜3将整个传感器阵列加以封装。将所有磁敏传感器安装在磁敏传感器安装平台5上并贴覆有覆膜3之后，通过磁敏传感器安装平台5外侧边上开设的磁敏传感器安装孔4以及螺栓将整个磁敏传感器安装平台5安装在磁场检测结构平台8的上端形成其上端面。
参照图2，本发明的磁敏传感器均采用三维霍尔传感器。霍尔传感器由半导体材料制成，其性能参数如电阻率及迁移率、输入输出电阻、霍尔常数等都与温度的变化有关，所以其测量的准确度容易受到环境温度变化的影响。本发明中可以利用热敏电阻及电阻丝进行补偿，同时采用电压比测量法测量磁场强度，有效抑制激励电流变化带来的影响。另外，因工艺限制难以保证所有的三维霍尔传感器装配在同一等位面上，且三维霍尔传感器的电阻率不均匀或是其厚度不均匀都可能使其存在着不等位电压。对此，本发明可以采用桥路平衡法对其进行补偿。最后，磁浮列车的悬浮间隙不可能始终保持不变，其会有±3mm的波动，该波动影响检测系统与定子面的距离，对行波磁场的检测影响很大，本发明利用激光位移计对磁敏传感器与定子面之间间隙进行实时测量，避免将该波动误认为是长定子轨道故障。
对于数据存储模块，要求其应具有传输速度快、容量大、扩充性能好、系统稳定等特点。为节约空间，采用体积较小的minisd卡对磁场数据进行存储，其存储空间可达4gb，通讯速率可达2mb/s，可存储1200km的磁场检测数据以及相对应的里程位置数据。
关于离线分析系统
将数据存储器的磁场检测数据(包括磁敏传感器检测到数据、激光位移传感器检测到的数据)以及里程信息导入到离线分析系统(计算机)上进行离线分析，将磁场信息采集系统采集的牵引行波磁场以及磁浮列车上的主磁极的上端面与磁浮长定子轨道的定子面之间的间隙距离的检测数据与里程信息进行拟合获得牵引行波磁场分布曲线，为磁浮长定子轨道电气故障诊断提供牵引行波磁场的幅值、相位、频率的信息。
将所得磁场检测数据进行多尺度离散小波分析之后对信号采用不同的小波基函数进行不同层数的分解，最后对低频信号进行重构，将得到的降噪信息通过曲线拟合最终得到完整的行波磁场分布曲线图，具体流程图如图6所示。
其中，根据高速磁浮牵引行波磁场的分布特点，磁场在如图3所示的z方向上几乎没有什么大的变化，两排传感器的布局方式是对传感器的一种冗余处理，在离线分析系统中，同一里程位置的两个磁敏传感器数据可以融合处理，防止某一磁敏传感器故障导致的测量的不准确。
对磁场检测采集子系统中的传感器模块所检测的磁场数据采样一次可以获得4个位置(x方向每排布局4个磁敏传感器)对应的磁场数据，该磁场数据分别对应牵引行波磁场正弦波的零点、峰值以及零点峰值中间的位置，利用该数据可拟合出行波磁场分布曲线，并可获得其波形的峰值、频率以及相位信息。
为保证历史数据之间可以相互比对，故设置标定位置点，每进行完一次磁场信息检测都进行数据的标定，使得标定后的检测系统每次都从同一位置出发，多次检测，建立历史检测数据库。
关于信息管理系统
参照图7，信息管理系统分为数据检索、故障查询、报表打印三部分功能。
1)数据检索
数据检索主要将已形成的数据库(包含当前检测数据和历史检测数据)中存储的数据根据用户的需求提取出来。同时具有数据排序和筛选的功能。如可以根据时间、故障情况筛选记录。
2)故障查询
故障的查询方式分为以下两种：
1、在同一次的磁场信息检测过程中，经过前后检测的数据对比，查询故障情况，在正常情况下，由于磁场检测装置搭载在列车上与行波磁场是同步位移且相对静止的，单个磁敏传感器检测的磁场数据应为随里程变化始终不变的值，而当长定子轨道或是线缆发生故障时，检测到的磁场数据会发生一定的变化，以此判断轨道是否出现故障。
同时，正常情况下，每采样检测一次即可拟合出一条波，不同波之间的相位差则反映不同采样时刻所对应的齿槽距离，以此也可判断轨道是否出现故障。
2、对历史数据库中的数据通过数据挖掘的方式进行故障情况的判断和分类，比对当前检测数据与历史数据的各个类别特征差距，将当前检测数据进行归类，若其特征与某一故障情况最为接近，则判别其存在此故障。
查询出故障后，调取其故障所对应的里程信息，完成对故障的检测，同时将此次故障判断信息加入到历史数据库中，完善历史数据库。
3)报表打印
信息管理系统可实现对故障情况的记录，历史故障记录可形成报表并打印。
以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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