便攜式接觸網(wǎng)幾何參數(shù)激光測量儀的研制*

陳忠斌，周燕芳，韋寶泉

（1．華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌 330013;2．華東交通大學(xué)圖書館，江西南昌 330013）

0 引言

電氣化鐵路的接觸網(wǎng)是電氣化鐵路的重要供電設(shè)備，列車高速運行時通過受電弓和接觸網(wǎng)滑動接觸，向整個電力機車牽引系統(tǒng)和列車附屬設(shè)備供電。它在空間架設(shè)的幾何參數(shù)影響著列車的行車安全和接觸網(wǎng)的使用壽命。接觸網(wǎng)的空間幾何參數(shù)檢測變得尤為重要［1］。為保證接觸網(wǎng)供電的安全可靠，供電部門必須周期性地對接觸網(wǎng)各項幾何參數(shù)進行巡檢和檢修，以保證行車安全［2］。

長期以來，我國依賴梯車、絕緣測桿線墜、鋼卷尺對接觸網(wǎng)進行人工步行測量，該方式效率低，時間長，浪費大量人力和物力［3，4］。隨著我國列車運行速度的不斷提高，列車對接觸網(wǎng)的參數(shù)測量精度的要求越來越高，傳統(tǒng)的檢測工具已不能滿足要求，為了配合供電段檢修工區(qū)接觸網(wǎng)巡檢的快速作業(yè)，本文提出一種便攜式的接觸網(wǎng)參數(shù)檢測儀，并通過實驗驗證了測量儀的正確性與可行性。

1 檢測方法設(shè)計

1．1 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)

接觸網(wǎng)檢測的參數(shù)可以分為3種類型:幾何參數(shù)、弓網(wǎng)關(guān)系參數(shù)和輔助參數(shù)。導(dǎo)高值和拉出值、跨中高度和跨中偏移、接觸網(wǎng)支柱的側(cè)面限界、中心投影、紅線高度、非支高差和非支間距、500高差和500間距、結(jié)構(gòu)高差、輸電線高差、定位器坡度、規(guī)矩值和超高值等屬于接觸網(wǎng)幾何參數(shù)，它們是接觸網(wǎng)中與運營安全密切相關(guān)的接觸網(wǎng)自身結(jié)構(gòu)參數(shù)。接觸壓力、硬點等是弓網(wǎng)關(guān)系參數(shù)，它們是影響弓網(wǎng)關(guān)系之間受流質(zhì)量的重要因素。其他一些如速度、定位點、溫度、補償?shù)仁墙佑|網(wǎng)檢測的輔助參數(shù)，對檢測結(jié)果起到定位參考、輔助分析等作用。其中，又以接觸網(wǎng)導(dǎo)高、拉出值 、磨耗等幾何參數(shù)的檢測最為頻繁［4］。

1．2 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測模型

經(jīng)過對以上參數(shù)的分析，設(shè)計了如圖1所示的測量模型。通過激光傳感器，可以直接測量出圖1中三角形的斜邊X的長度，再通過高精度角度編碼器，可測量出圖1中的激光測量儀的轉(zhuǎn)動角度α。接觸網(wǎng)導(dǎo)線的導(dǎo)高值是指懸掛定位點處接觸線距軌面的垂直高度，即圖1中三角形的一個直角邊H的值，通過簡單的計算即可求出導(dǎo)高值，接觸網(wǎng)其他幾何參數(shù)均可通過類似導(dǎo)高值的測量方法計算得到。

圖1 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測量模型示意圖Fig 1 Schematic diagram of measurement model of catenaries geometry parameter

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

2．1 總體設(shè)計

如圖2所示，接觸網(wǎng)激光測量系統(tǒng)是采用TMS320F2812數(shù)字信號處理器作為主控單元，并利用高精度激光測距單元來完成激光發(fā)射點至目標(biāo)點距離X的測量;激光轉(zhuǎn)角測量單元來完成激光轉(zhuǎn)角α的測量;水平傾角測量單元和位移測量單元結(jié)合可以測出軌距值和超高值。SD卡的數(shù)據(jù)存儲設(shè)計，可以方便數(shù)據(jù)的管理與記錄。系統(tǒng)設(shè)計了由CMOS攝像頭和TFT液晶顯示器組成的視頻圖像顯示系統(tǒng)，以方便參數(shù)測量時對目標(biāo)測量點的瞄準(zhǔn)定位。另外，編碼方式的鍵盤設(shè)計可以減少主控制器通用I/O管腳資源的使用。由于系統(tǒng)外部電源采用充電電池供電，所以，需要對電池的輸出電壓實時監(jiān)測，以及時向用戶提供電池電量情況。

2．2 硬件設(shè)計

1）激光測距單元是系統(tǒng)中的關(guān)鍵電路，采用進口德國PD型激光傳感器，該激光傳感器提供的SCI接口為RS—232電平，而主控制器TMS320F2812的SCI外設(shè)接口為TTL電平，因此，系統(tǒng)必須設(shè)計一個RS—232電平轉(zhuǎn)TTL電平的接口轉(zhuǎn)換電路，考慮工作溫度要求，項目開發(fā)選擇工業(yè)級芯片MAX3223EEAP，SCI接口轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

2）SSI信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

圖2 接觸網(wǎng)激光測量系統(tǒng)總體方框圖Fig 2 Overall block diagram of laser measurement system of catenaries

圖3 SCI接口（TTL轉(zhuǎn)RS—232）電路圖Fig 3 Circuit diagram of SCI interface（TTL to RS—232）

激光角度測量傳感器采用TG60角度傳感器，該傳感器的輸出采用SSI（同步串行）接口，其時鐘和數(shù)據(jù)信號均采用差分方式（DATA+DATA－，CLK+，CLK－）傳輸，采用RS—422電平接口，而 TMS320F2812的 I/O口是采用3．3 V TTL電平標(biāo)準(zhǔn)［5］，所以，需要再將5 V TTL 電平信號轉(zhuǎn)為3．3 V TTL電平信號，接口轉(zhuǎn)換電路如圖4所示，該電路利用MAX490ESA將2對RS—422信號轉(zhuǎn)換為5 V TTL電平信號，采用高速光耦6N137實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。

圖4 SSI信號轉(zhuǎn)換電路圖Fig 4 Circuit diagram of SSI digital transformation

2．3 軟件設(shè)計

軟件開發(fā)在CCS3．3集成開發(fā)環(huán)境下完成了DSP2812的程序設(shè)計，程序完成后燒入DSP2812的FLASH存儲器，系統(tǒng)上電后設(shè)置為直接從DSP2812的FLASH存儲器啟動，將常量表格和需要頻繁訪問的常量從FLASH存儲器拷貝到RAM空間后再進行操作，以加快系統(tǒng)的運行速度［6，7］。其中，系統(tǒng)關(guān)鍵代碼激光測量主程序的流程圖如圖5所示。

圖5 激光測量主程序流程圖Fig 5 Main program flow chart of laser measurement

3 測試結(jié)果

以關(guān)鍵測量參數(shù)導(dǎo)高為例，對一平面（與軌面平行）的接觸網(wǎng)導(dǎo)線上各點測試，根據(jù)導(dǎo)高的定義，如果激光測量點在同一平面，無論旋轉(zhuǎn)多少角度，其導(dǎo)高都應(yīng)相同。經(jīng)過對某一光滑平面測試，其導(dǎo)高數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 導(dǎo)高測量實驗數(shù)據(jù)Tab 1 Experimental data of wire height

分析表中數(shù)據(jù)可知，在不同激光角度下對同一平面的各點導(dǎo)高測量結(jié)果基本相同。由此驗證了接觸網(wǎng)幾何參數(shù)激光測量儀系統(tǒng)設(shè)計的正確性，同時也在一定程度上反映了儀器的測量的精度。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種接觸網(wǎng)激光測量儀，能夠滿足接觸網(wǎng)各項靜態(tài)幾何參數(shù)的非接觸式測量，該儀器可完全取代傳統(tǒng)接觸式的人工道尺測量模式。目前，該儀器軟硬件運行相對可靠，成本低，功耗小，重量輕，操作簡單，界面美觀。具有廣闊的推廣前景和良好的經(jīng)濟效益。

［1］ 韓丙虎．新型激光接觸網(wǎng)全參數(shù)檢測儀的研制［J］．鐵道技術(shù)監(jiān)督，2007，35（12）:28 －30．

［2］ 于志剛，吳東波．接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測儀的原理及應(yīng)用［J］．山東科學(xué)，2009，22（3）:77 －79．

［3］ 孫德英，吳榮權(quán)．鐵路接觸網(wǎng)激光數(shù)字檢測裝置的研制［J］．鐵道技術(shù)監(jiān)督，2007，37（5）:10 －12．

［4］ 彭朝勇．便攜式接觸網(wǎng)導(dǎo)線幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)［D］．成都:西南交通大學(xué)，2005．

［5］ 蘇奎峰，呂 強．TMS320X281xDSP原理及C程序開發(fā)［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009．

［6］ TMS320F2810．TMS320F2812 digital signal processors［Z］．Texas Instruments Incorporated，2003．

［7］ TMS320F28x DSP boot ROM reference guide［Z］．Texas Instruments Incorporated，2003:214 －217．