Giải pháp kỹ thuật cho công nghệ xây dựng, thiết kế,
chế tạo thiết bị đo lờng cảm ứng bánh tàu
dùng trong điều khiển các phơng tiện trên ray
TS. Lê mạnh việt
Bộ môn Trang bị điện - Điện tử
Khoa Điện - Điện tử
Trờng Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Bi báo phân tích các nguyên tắc cơ bản về cơ - điện tử để tạo ra phần tử đo
lờng cảm ứng bánh tu, đánh giá các loại cảm ứng bánh tu đã có trên thế giới v đã sử dụng
ở Việt nam, qua đó đề xuất giải pháp kỹ thuật công nghệ cho việc xây dựng, hớng thiết kế,
chế tạo thiết bị cảm ứng bánh tu đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật hiện đại v phù hợp với đờng
sắt Việt nam hiện tại v lâu di.
Summary: The article analyses the base electro - mechanic principle of realising an
element able to detect the exiting of train wheels and assessment of the existing wheel
detectors on the world and that are in use in Vietnam so that propose a technology method for
setting design orientation of wheel detector having proper characteristics for use in the Viet
nam Railway in current as well as the time to come.

I. Đặt vấn đề
Cảm ứng bánh tàu sử dụng chủ yếu trên
các phơng tiện giao thông bánh sắt. Dù cảm
ứng bánh tàu có nguyên lý hoạt động nh thế
nào, cũng đều phải đảm bảo thực hiện đợc
nhiệm vụ là phát hiện chính xác tuyệt đối một
bánh tàu đang tồn tại trên nó, đang chuyển
động qua nó với mọi tốc độ của giao thông
đờng sắt hiện đại (tới 300 km/giờ) hoặc đã
chuyển động qua nó và đếm chính xác 100%

điểm của công tắc làm bằng kim loại nhiễm từ
không vĩnh cửu. Khi cặp tiếp điểm của công
tắc nằm trong từ trờng có cờng độ nhất định
thì hai má của tiếp điểm nhiễm từ và sẽ hút
nhau làm cho công tắc thông mạch. Cảm biến
dùng công tắc từ có cấu tạo gồm một công tắc
từ và một nam châm vĩnh cửu, chúng xắp xếp
sao cho khi lắp vào má ray lúc không có gờ
bánh xe thì công tắc sẽ đóng (hoặc mở) tuỳ
vào sự xắp xếp từ trờng ban đầu.
+ Pê đan từ. Quanh một nam châm vĩnh
cửu quấn nhiều vòng dây và lắp cơ cấu ấy
vào má ray, sao cho mỗi khi có một bánh tàu
chuyển động qua thì gờ bánh xe sẽ cắt ngang
đờng sức từ của nam châm và sự biến thiên
từ thông này sẽ cảm ứng một sức điện động
hai nửa gần bằng nhau của một hình sin.
+ Cảm biến điện tử. Mạch cộng hởng
gồm cuộn cảm và tụ điện mắc song song phối
hợp với một vài linh kiện điện tử bán dẫn phi
tuyến thờng thiết lập đợc dao động điều
hoà ổn định. Khi có sự thay đổi bên ngoài đủ
lớn làm lệch tần số cộng hởng thì có thể sẽ
làm ngừng dao động. Ngời ta thiết kế sao
cho cứ có một bánh tàu tới gần cảm biến thì
sẽ làm lệch tần số cộng hởng và xác định có
một bánh tàu.
+ Cảm biến tia hồng ngoại. Một máy thu
tia hồng ngoại đặt ở vị trí thích hợp bên cạnh
đờng ray có thể phát hiện đợc từng bánh

- Cũng cảm biến điện từ nhng của hãng
SUMUNG dùng cho Đờng sắt có mặt tại Việt
nam khoảng năm 2003.
Mặc dù rất nhiều cảm biến đã đợc
nghiên cứu chế tạo trong nớc và nhập khẩu
dùng cho Đờng sắt, nhng dễ thấy tất cả đều

cha đạt yêu cầu đã nêu ở trên. Có thể thấy
các khuyết điểm chung là không chính xác
(tiến tới 100%) và làm việc kém ổn định trong
điều kiện Đờng sắt Việt nam. Tại sao ở các
nớc khác các cảm biến này lại dùng tốt. Vấn
đề là sự không chuẩn của ray và bánh tàu
Việt nam do không đợc thờng xuyên kiểm
tra, thay thế khi mài mòn vợt tiêu chuẩn,
cộng với thời tiết, khí hậu quá nóng ẩm nhiệt
đới Việt nam và lại đặt ngoài trời của Đờng
sắt, chúng đã phá vỡ các điều kiện làm việc
để ổn định của các cảm biến theo thiết kế ban
đầu. Ngoài ra còn thấy một vài cảm biến chế
tạo trong nớc đã chế tạo theo nguyên lý mà
khó ứng dụng khả thi vào điều kiện làm việc
và mục đích sử dụng của cảm biến (cảm biến
địa chấn hay sự hạn chế của cảm biến
quang ). Nhìn chung vấn đề nhiệt đới hoá
cha đợc quan tâm đúng mức ở trong nớc
và nhất là các cảm biến nhập ngoại.
3. Hớng chế tạo mới
Để khắc phục các nhợc điểm đã phân
tích trên và bám theo chức năng cơ bản của

dụng vị trí hoặc chuyển động qua thiết bị làm
tín hiệu, tín hiệu này làm dập tắt nhanh chóng
một mạch dao động LC đã đợc thiết lập ở
điều kiện bình th
ờng lúc không có bánh tàu
tác động. Mỗi khi bánh tàu ra khỏi vị trí do
thiết bị kiểm soát thì mạch dao đông LC lại
đợc tự kích và nhanh chóng thiết lập dao
động. Cứ mỗi lần mất dao động sẽ xác định
một tín hiệu là một bánh tàu đi qua thiết bị.
Yêu cầu khoảng biến thiên tốc độ đoàn tàu sẽ
liên quan tới cả vấn đề kỹ thuật và công nghệ.
Nhóm tác giả đã phân tích và tìm đợc
giải pháp kỹ thuật (có thể có) cho việc nhanh
chóng tự kích và dập tắt dao động ở mạch
cộng hởng LC. Sau đó chỉ ra yêu cầu về
công nghệ để đạt đợc giải pháp kỹ thuật ấy.
5. Nghiên cứu tự kích, thiết lập, ổn
định và dập tắt dao động
Một hệ điện tử phi tuyến tổng quát thiết
lập đợc dao động có dạng phơng trình
chuẩn:

x
dt
dx
)m,x(2
dt
xd
2

(x, m, t)
còn phụ thuộc vào chính dao động
x(t), các thông số m và năng
lợng kích ban đầu trong các kho
từ L hoặc điện C Tuy vậy có
thể viết nghiệm dới dạng liên quan tới dao
động đã đợc thiết lập hay ổn định là:
x(t) = A
0
exp(-t). cos(
r
t + ) (3)
với:
A
0
- biên độ sẽ đạt đợc khi ổn định;

r
=
22
0

- tần số trong quá trình
thiết lập dao động.
Nhận xét các công thức (1), (2) và (3) có
thể coi rằng nghiệm của hệ dao động vòng LC
tiến tới ổn định là nghiệm tuyến tính của
phơng trình:

0x

quả này để xử lý tiếp:
quá trình hình
thành dao động
D
ngừng dao động
t
> 0= 0
< 0
> 0
< 0
> 0< 0
0
x(t)
ổn
định
t
ự hiệu chỉnh
tự kích
C
B
A
Hình 1. Các quá trình trong mạch vòng dao động LC
|x(t)| |x
min
(t)| (5)
Yêu cầu thời gian để từ giá trị bình
thờng x(t) giảm tới giá trị nhỏ |x
C
(t
C

có thời gian càng ngắn càng tốt. Dễ thấy hệ
số (x, m) phải biến thiên nhanh, vì thế cần
nghiên cứu loại dao động nào cho phép có
quá trình nhanh tự kích và cũng nhanh dập tắt
dao động.
6. Lựa chọn dạng mạch dao động
Trong nhiệm vụ đã phân tích, vì tín hiệu
bánh xe sắt liên quan đến từ tính và chỉ có các
thông số sau đây trực tiếp với nó nhất, đó là tự
cảm L, hỗ cảm M. Do đó hớng mạch dao
động quan tâm phải là LC. Để bù vào năng
lợng mất mát, các hệ số dao động cần các
bộ khuếch đại năng lợng. Có thể chọn cả hai
mạch dùng Tranzistor hay Op - am (KĐTT)
cho các mạch khuếch đại này. Tuy vậy chọn
các linh kiện có đặc tuyến, thông số nh thế
nào để đạt đợc yêu cầu tự kích nhanh và
ngừng dao động nhanh là yêu cầu cơ bản. Có
thể tổng quát đa ra 2 hệ dạng mạch dao
động và phơng trình của nó.
Từ mạch dao động KĐTT trên hình 2, có
thể xác định U
ra
(t) = x (t) từ phơng trình:
0U
LC
1
dt
dU
.

số dao động gần nh đợc ổn định
0

1/
LC
. Hình 3. Mạch dao động Tranzitor LC.
U
be
ib
ic
il
M
L
C
R

Từ hình 3, mạch dao động Tranzitor, đáp
ứng ra có thể lấy ra theo tín hiệu của dòng
qua cuộn cảm và phơng trình x (t) có dạng:
0x
LC

dt
dx
C
SM
R
L
1







(10)
Nh vậy, muốn thay đổi dao động có thể
thay đổi hỗ cảm M của mạch LC.
Song, trong công thức (8) và (10) còn
một thông số nữa rất quan trọng ảnh hởng
tới đó là K
0
và S, không phải chúng là hằng
số mà phụ thuộc vào dao động x(t) của nó.
7. Nghiên cứu, lựa chọn tự kích trong
hệ thống dao động
Mặc dù K
0
trong khuếch đại thuật toán
hay các bộ khuếch đại nói chung có thể thay
đổi theo tần số và trị số dao động, song cùng

lập) với biên độ của điện áp sinh ra dòng điện
trên.
Các sơ đồ dùng Tranzitor và với các loại
Tranzitor, có thể tìm đợc:
S
tb
= a
1
+
4
3
a
3
3
m
U
+
8
5
a
5
5
m
U
+
(12)
Và với a
1
, a
3

< 0.
Bằng lý luận ta có thể chứng minh đợc ở
tự kích mềm (S
tbm
) thì quá trình thiết lập dao
động quan hệ của biên độ U
m
với sự thay đổi
hỗ cảm M là liên tục - đơn trị - đờng 1 ở hình
5. Còn với tự kích cứng (S
tbm
) thì quan hệ biên
độ U
m
với hỗ cảm M là nhảy bậc và quá trình
tăng giảm của hỗ cảm M có quá trình là khác
nhau: quá trình tiến (tăng M) và giảm (M lùi) là
khác nhau. Quá trình tăng M theo đờng
0(0, 0) tới điểm Mot nhảy lên B tiến tới . Quá
trình giảm M theo đờng điểm A hạ đột ngôt
xuống Mog về toạ độ 0(0, 0).
Nếu so sánh với tự kích mềm thì tự kích
cứng đặc biệt ở nhảy bậc lên hoặc hạ xuống
của biên độ. Từ các phân tích trên có thể đã
tìm đợc lời giải: với yêu cầu làm nhanh và
thậm chí đột ngột tạo tự kích cũng nh ngừng

hoặc dập tắt dao động thì việc chọn linh kiện
phi tuyến Tranzitor có khả năng tự kích cứng
là rất thích hợp. Nh vậy trong thiết kế phải

mòn của cả ray và bánh tàu vợt 150% cho
phép. Ngoài ra về mặt công nghệ để hạn chế
sự tăng nhiệt của bán dẫn hãy thực việc tăng
điện áp nguồn (tới mức còn cho phép) làm
giảm dòng phát nhiệt đến mức tối đa, nhiệt đới
hoá trong các vật liệu bọc, phủ, cách ly trong
cảm biến. Cho đến nay, tác giả và các cộng
sự đã hoàn thành chế tạo xong, thí nghiệm cơ
bản các đặc tính, thông số chính của cảm ứng
bánh tàu theo hớng nghiên cứu trên đề ra và
phù hợp giữa tính toán và thực tế. Bài báo này
viết trên cơ sở của đề tài KHCN cấp Bộ 2005.
0
S
tb
S
tbm
S
tbc
U
m
a
1
=
S
0
Tài liệu tham khảo
[1] Bạch Vọng Hà, Lê Mạnh Việt, Trần ngọc Thọ.
Nghiên cứu đảm bảo khoa học công nghệ cho tự
động hoá đồng bộ, từng bớc ngành Đờng sắt

tự động hoá và tin học công nghiệp. NXB Khoa học
và Kỹ thuật, 1994.
[10] Donald G. Fink, Donald Christiansen. Sổ tay
Kỹ s điện tử. McGraw - Hill Book Company 1994
(bản dịch 1996).
[11] H. H. Epchikhiep, IA. A. Kypersmidt, B. PH.
Papulôp-ckii, B. H. Skurôpôb, Đo lờng các đại
lợng điện và phi điện (Tiếng Nga). Nhà xuất bản
Tự động hoá năng lợng. Matcơva, 1993Ă