差动式霍尔位移传感器设计及其静态特性分析

摘要

铁路运输是我国最重要的陆上运输方式之一，在促进经济发展方面起到重要作用。随着近年来我国高速铁路的蓬勃发展，铁路运输的安全性也越发受到国民的关注。轨道不平顺严重影响着列车行驶的平稳性与安全性，而钢轨波浪形磨耗（简称：波磨）作为轨道不平顺的一种，是造成列车行驶啸叫噪声和轮轨接触振动的主要原因，严重时会导致钢轨扣件失效等影响列车行驶安全和钢轨使用寿命的问题。因此，钢轨波磨检测十分重要，及时检测出钢轨波磨并对轨道进行打磨，可以减小波磨对铁路运输安全性的威胁。
　　目前，钢轨波磨检测主要采用对钢轨表面法向位移进行检测的方法。其核心传感器为接触式或非接触式直线位移传感器。由于钢轨波磨的幅值很小，该位移传感器属于精密微位移传感器范畴，同时，由于钢轨波磨波长较短，要求被测位移点的位置准确，作用范围小。接触式测量过程中，使用接触式直线位移传感器与钢轨踏面进行接触测量，检测结果直观，精度较高，但是由于传感器敏感元件与钢轨直接接触，会导致传感器特性变差，甚至导致传感器的损坏。非接触式测量是利用非接触式传感器，对钢轨轨面进行测量，而非接触式传感器特性的好坏将直接影响测量结果。由于目前主流使用的非接触式传感器普遍成本高，使用环境具有一定局限性，因此本文提出了使用霍尔传感器进行钢轨非接触式测量的技术方案。
　　本文通过分析几种用于非接触式测量的位移传感器，选定霍尔传感器为研究对象，设计了霍尔传感器位移测量实验，并通过实验得到了霍尔传感器静态特性指标。实验结果表明霍尔传感器灵敏度高，分辨率满足测量需求，但非线性误差较大。因此提出了设计一种差动式霍尔位移传感器减小测量非线性误差的技术方案，包括了设计差动式霍尔位移传感器样机、建立测量模型、搭建标定实验平台、标定静态特性和测量数据分析在内的系统研究工作。
　　本文通过分析差动式霍尔位移传感器位移测量数据，验证了设计方案的可行性，差动式霍尔传感器满足测量需求并有效的减小了非线性误差。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 钢轨波磨检测设备国内外研究现状

1.3 典型位移传感器技术现状

1.4 波磨检测用位移传感器选型

1.5 课题来源及意义

1.6 本文研究内容安排

第二章 霍尔位移传感器静态特性研究

2.1 霍尔效应原理

2.2 霍尔元件位移测量原理

2.3 永磁体磁场分析

2.4 霍尔元件静态特性实验方案设计

2.5 霍尔元件静态特性实验

2.6 霍尔元件静态特性模型及主要技术指标

2.7 本章小结

第三章 差动式霍尔位移传感器设计

3.1 差动式霍尔位移传感器设计方案选型

3.2 差动式霍尔位移传感器结构设计

3.3 差动式霍尔位移传感器测量原点分析

3.4 差动式霍尔位移传感器标定实验平台设计

3.5 差动式霍尔位移传感器再标定方法及实验

3.6 差动式霍尔位移传感器测量原点对比试验

3.7 本章小结

第四章 差动式霍尔位移传感器实验与分析

4.1 差动式霍尔位移传感器样机

4.2 差动式霍尔位移传感器样机测量实验

4.3 差动式霍尔位移传感器静态特性分析

4.4 误差分析

4.5 本章小结

第五章 总结及展望

5.1 本文工作总结

5.2 本文工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果