一种单侧计轴传感器感应线圈空间配置的优化方法与流程

本发明涉及的是列车监控领域，具体是一种基于组合加权法的单侧计轴传感器感应线圈空间配置的优化方法。

背景技术：

随着铁路事业的发展，铁路运输也具有越来越多的职能，可主要分为旅客列车、货运列车、其他职能列车等。列车职能不同，相应的铁轨在材料结构等方面就存在一定的差异。我国铁轨主要根据每米长的钢轨质量千克数进行分类，大体可分为起重机轨、重轨、轻轨，不同种类的铁轨的结构差异可直观地体现在铁轨的剖面上。附图1以重轨的三种类型为例，说明不同种类铁轨在结构上存在的差异。一般在结构上可将铁轨分为轨头、轨腰、轨脚三个部分。

单侧计轴传感器作为列车车轮数检测设备，工作原理是通过检测车轮经过时感应电动势幅值的变化情况来进行计轴，其结构简单、功能全面、维护方便、可靠性高，越来越受到国内外学者及铁路部门的关注。单侧计轴传感器装附于轨腰处、位于轨头和轨脚之间，与铁轨间存在着一定的位置关系。不同型号的铁轨所对应的单侧计轴传感器最优安装位置也将不同，因此，如何根据铁轨型号的不同，提出一种单侧计轴传感器线圈空间配置的快速优化方法，是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种基于加权组合法的单侧计轴传感器线圈空间配制的优化方法，针对不同类型的铁轨，快速地寻找出单侧计轴传感器与铁轨间的最优空间位置关系，借助该方法扩大单侧计轴传感器的适用范围，从而对推广单侧计轴传感器起到积极的作用。

为达上述目的，本发明提出一种单侧计轴传感器感应线圈空间配置的优化方法，包括以下步骤：

s1：对单侧计轴传感器、列车车轮和铁轨进行有限元建模；

s2：令所述单侧计轴传感器中的感应线圈角度、垂直距离和轨腰间距离的参数分别取不同的数值并进行仿真，计算不同取值情况下的感应电动势；其中所述感应线圈角度指的是所述单侧计轴传感器中的感应线圈与水平面之间的角度，所述垂直距离指的是所述单侧计轴传感器的中心距离所述铁轨下底面之间的高度，所述轨腰间距离指的是所述单侧计轴传感器的中心距离所述铁轨的轨腰的垂直距离；

s3：根据仿真计算结果，确定所述感应电动势的幅值变化率较大时所述参数的取值范围；

s4：根据以下加权组合法优化公式对单侧计轴传感器的安装位置进行优化：

其中，x为所述单侧计轴传感器中的参数变量，q为自然数，f(x)为感应电动势的变化函数，ω为加权系数；

当f(x)取最大值时所对应的参数值即为所述单侧计轴传感器感应线圈的最优安装位置。

根据本发明提出的优化方法，其中，所述步骤s2包括：

s21：固定其它参数不变，令所述感应线圈角度分别取值为0°，30°，60°，90°，120°，150°，在不同的取值情况下进行有无车轮时的感应电动势仿真计算，确定感应电动势幅值变化率较大时的感应线圈角度的取值范围；

s22：固定其它参数不变，计算所述垂直距离不同时有无车轮时的感应电动势变化，确定感应电动势幅值变化率较大时的垂直距离的取值范围；

s23：固定其它参数不变，计算感应线圈与轨腰间距离不同时有无车轮时的感应电动势变化，确定感应电动势幅值变化率较大时的轨腰间距离的取值范围。

根据本发明提出的优化方法，其中，所述步骤s4中q取值为3，即对各个参数分别取3个不同的数值，对各个不同取值情况下的感应电动势幅值及有无车轮时的感应电动势幅值变化率进行归一化处理后进行优化；其中f1(x)表示感应电动势的幅值变化率；f2(x)表示无车经过时感应电动势的幅值；f3(x)表示有车经过时感应电动势的幅值。

与现有技术相比，本发明提出的单侧计轴传感器线圈空间配置的优化方法，可以针对不同的铁轨、列车等快速的进行传感器的配置，提高了单侧计轴传感器的安全性能及适用范围。

附图说明

图1为三种不同型号重轨的剖面示意图；

图2为单侧计轴传感器的组成结构示意图；

图3为单侧计轴传感器安装在铁轨上的示意图；

图4为图3的剖面图；

图5为本发明建立的关于计轴传感器、铁轨、车轮的有限元模型。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明涉及一种单侧计轴传感器线圈空间配置的优化方法。请参见图2图3所示，单侧计轴传感器包括感应线圈1、感应线圈2、励磁线圈和铁芯；所述铁芯的轴向方向设置为与铁轨平行，所述励磁线圈缠绕在所述铁芯上；所述感应线圈1和所述感应线圈2对称设置在所述铁芯的两侧，且所述感应线圈1的轴线和所述感应线圈2的轴线与所述铁芯位于同一个平面内。

应用时，该计轴传感器安装于铁轨的轨腰一侧，如图3和图4所示。与单侧计轴传感器的安装位置相关的参数主要包括感应线圈角度θ、垂直距离h和轨腰间距离l；其中所述感应线圈角度θ指的是所述单侧计轴传感器中的感应线圈与水平面之间的角度，所述垂直距离h指的是所述单侧计轴传感器的中心距离所述铁轨下底面之间的高度，所述轨腰间距离l指的是所述单侧计轴传感器的中心距离所述铁轨的轨腰的垂直距离。

本发明所涉及的单侧计轴传感器线圈空间配置的优化方法，充分考虑了铁轨种类不同时对传感器性能的影响情况，具体实施步骤为：

(1)基于有限元软件comsol，对传感器、铁轨、车轮进行建模，如附图5所示；

(2)进行感应线圈不同角度时无车轮与有车轮的感应电动势变化情况仿真计算，将角度θ共分成0°，30°，60°，90°，120°，150°六种情况，计算感应电动势的变化情况，可得出感应电动势幅值变化率变化较大时的角度范围；

(3)固定其他参数不变，将感应线圈的下底面调节到与励磁线圈轴线垂直距离l为-0.004m，-0.002m，0，0.002m，0.004m，0.006m，0.008m，0.01m，计算感应电动势的变化情况，可得出感应电动势幅值变化率变化较大时的距离的范围；

(4)固定其它参数不变，将感应线圈与轨腰间距离d分为0m，0.001m，0.0015m，0.002m，0.0025m，0.003m，0.0035m，0.004m等八种情况，计算感应电动势的变化情况，可得出感应电动势幅值变化率较大时的距离范围；

s5：将各个参数各取3个不同数值，θ：(θ1，θ2，θ3)，l:(l1,l2,l3)，d:(d1,d2,d3)，利用公式α＝(f(x)-fjmin)/(fjmax-fjmin)对各个不同情况的无车轮与有车轮感应电动势幅值ф1,ф2及有无车轮时的感应电动势幅值变化率crψ进行归一化处理，其中，f(x)为各个不同情况感应电动势幅值或变化率；

(6)：根据以下加权组合法优化公式可知，不同参数不同水平下的不同组合可得到27种不同的f(x)值：

其中，x为所述单侧计轴传感器中的参数变量，q为自然数，f(x)为感应电动势的变化函数，ω为加权系数；

根据优化过程中各分目标对传感器性能影响的重要程度，取感应电动势幅值变化率对应的加权系数ω＝0.5，无车轮与有车轮时感应电动势幅值对应的加权系数ω分别为0.25，m,n,k分别等于1,2,3。

当f(x)取最大值时所对应的参数值即为所述单侧计轴传感器感应线圈的最优安装位置。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。