基于激光位移傳感器的鋼軌沉降監(jiān)測系統(tǒng)研究

劉忠南 王忠慶

（山西晉中理工學(xué)院，山西 晉中 030600）

1 引言

我國是一個擁有14億多人口的大國，隨著人們生活物質(zhì)水平的逐漸提高，人們對交通出行的要求也越來越高。鐵路作為交通出行中不可或缺的出行方式，也獲得了更多人的青睞。我國作為世界的人口大國，同時也是世界上對交通出行和交通消費(fèi)有巨大需求量的大國，目前人們的出行方式以鐵路為主[1]。隨著中國科技產(chǎn)業(yè)化的不斷集中，大量的頂尖人才和資金投入到鐵路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展計劃之中，使我國鐵路運(yùn)輸業(yè)的整體技術(shù)不斷提升發(fā)展[2]。

縱觀人類歷史，高鐵鋼軌沉降產(chǎn)生的影響對高鐵列車的安全運(yùn)行正變得愈來愈明顯，輕者使列車車輛的輪對造成損壞，嚴(yán)重情況會造成列車脫軌等安全事故的發(fā)生[3]。所以高鐵鋼軌沉降監(jiān)測對高鐵安全運(yùn)輸具有極大的現(xiàn)實(shí)意義[4]。針對這種情況，本文設(shè)計一套基于激光位移傳感器的鋼軌沉降監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對高鐵鋼軌沉降進(jìn)行多方位、高精度、自動與實(shí)時在線監(jiān)測。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

基于激光位移傳感器的鋼軌沉降監(jiān)測系統(tǒng)是一種測量高速鐵路鋼軌沉降信息的系統(tǒng)，通過數(shù)字電路對其進(jìn)行控制達(dá)到測量高速鐵路沉降的目的。高速鐵路沉降監(jiān)測系統(tǒng)是在沉降監(jiān)測點(diǎn)安裝振動傳感器和激光位移傳感器，通過數(shù)據(jù)采集模塊將傳感器采集到的信號進(jìn)行匯總，結(jié)合激光位移傳感器和振動傳感器狀態(tài)的變化來綜合判斷鋼軌沉降狀態(tài)。監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式傳送到監(jiān)控中心，實(shí)時對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理、存儲、顯示及報警，從而實(shí)現(xiàn)對高速鐵路鋼軌沉降的實(shí)時監(jiān)測。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計功能要求，設(shè)計的系統(tǒng)總體組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體組成框圖

本文設(shè)計的基于激光位移傳感器的鋼軌沉降監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：通過激光位移傳感器和振動傳感器對鋼軌的沉降實(shí)時監(jiān)測；判斷沉降數(shù)值是否超過安全沉降值；在監(jiān)控中心顯示沉降數(shù)值，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、預(yù)警等。本文設(shè)計的基于激光位移傳感器的鐵路鋼軌沉降監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度不低于0.98mm[5]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求和系統(tǒng)的整體方案，選擇合適的元器件。采集沉降信息的傳感器采用激光位移傳感器和振動傳感器相結(jié)合的方法，單片機(jī)采用意法半導(dǎo)體公司(ST)的STM32。根據(jù)硬件設(shè)計原則，按模塊對整個沉降監(jiān)測終端的硬件電路進(jìn)行設(shè)計。

3.1 激光位移傳感器模塊

對鋼軌沉降進(jìn)行實(shí)時檢測，并將檢測到的實(shí)際沉降數(shù)值與安全沉降數(shù)值進(jìn)行比較，檢測是否超過安全沉降值，并作出預(yù)警。激光位移傳感器由激光發(fā)射裝置和激光接收裝置組成。激光位移傳感器的示意圖如圖2所示。

圖2 激光位移傳感器示意圖

激光發(fā)射裝置是由激光控制電路控制激光發(fā)射器的發(fā)射，根據(jù)不同的天氣以及振動傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)調(diào)整控制激光發(fā)射的間隔時間實(shí)現(xiàn)沉降數(shù)值的檢測。

激光發(fā)射裝置的選型，考慮到激光的使用壽命、精度要求、體積要求、抗干擾能力要求、分辨率要求、特性參數(shù)、耗能、價格等方面的要求，以及要求具有實(shí)時處理數(shù)據(jù)的功能，且不得干擾列車正常運(yùn)行，選用圓點(diǎn)狀光斑的半導(dǎo)體激光，故系統(tǒng)采用加拿大Nanoline Laser 公司生產(chǎn)的SNF-501 型激光器。

激光控制電路工作原理如下：考慮在不同天氣條件狀態(tài)下，通過激光發(fā)射裝置中CD4060振蕩器產(chǎn)生所要求頻率的振蕩脈沖，驅(qū)動繼電器工作，控制激光在不同的時間間隔發(fā)出，采集產(chǎn)生沉降數(shù)值信息；有列車經(jīng)過系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)時，振動傳感器對沉降信息進(jìn)行采集，觸發(fā)繼電器工作進(jìn)而收集沉降數(shù)值；當(dāng)發(fā)生雨、雪特殊天氣時，利用雨或雪能導(dǎo)電的原理將電路連通，觸發(fā)光耦工作，改變了光耦器件工作的晶振頻率，減小激光發(fā)射裝置的激光發(fā)射頻率，達(dá)到動態(tài)實(shí)時監(jiān)測的目的。

本次設(shè)計的激光控制電路如圖3所示。

圖3 激光控制電路

相比CCD、PSD 等光接收裝置，光敏二極管在相同的接收信息量的條件下，價格相對低廉，所以激光接收部分設(shè)計了以光敏二極管面陣作為光接收裝置。該面陣由72個光敏二極管相互并聯(lián)構(gòu)成，以蜂窩狀進(jìn)行排列，72 個光敏二極管輸出電流信號的總和作為光敏二極管面陣輸出。

激光二極管面陣示意圖如圖4所示。

圖4 激光二極管面陣示意圖

3.2 振動傳感器模塊

采用振動傳感器采集沉降值的目的是用來消除因列車經(jīng)過造成鋼軌震動對激光位移傳感器所采集到的錯誤的沉降數(shù)值的影響，可通過位移傳感器來測量由震動產(chǎn)生的瞬間，物體位移所產(chǎn)生的加速度，進(jìn)而得到震動瞬間的鋼軌實(shí)際產(chǎn)生的沉降數(shù)值，并將該值傳輸給監(jiān)控中心。系統(tǒng)選用GT02型力平衡加速度傳感器作為振動傳感器來消除錯誤的沉降值。GT02型力平衡加速度傳感器的原理如圖5所示。

圖5 GT02型力平衡加速度傳感器原理圖

3.3 主控模塊

當(dāng)前，在工程設(shè)計中最常用的微控制器是采用51 內(nèi)核的，由于本系統(tǒng)對實(shí)時性和協(xié)調(diào)性要求較高，普通的51內(nèi)核已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求，無法實(shí)行嵌入式實(shí)時操作，執(zhí)行效率和速度低，故采用STM32 作為系統(tǒng)的主控模塊。STM32 是基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的微控制器，享有豐富的片內(nèi)資源，價格低，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時穩(wěn)定運(yùn)行。

系統(tǒng)在STM32接收到沉降信息后，將信息處理并通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS模塊，再將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心。本系統(tǒng)的主控模塊是基于STM32系列搭建的，并對外圍電路進(jìn)行了設(shè)計。鋼軌沉降監(jiān)測裝置主控模塊電路圖如圖6所示。

圖6 鋼軌沉降監(jiān)測裝置主控模塊電路圖

3.4 通訊系統(tǒng)模塊

當(dāng)前市場上，通信系統(tǒng)模塊種類繁多，通過對典型的通信模塊進(jìn)行比較，華為公司的GTM900-C模塊由于為兩頻段GSM/GPRS無線模塊，工作溫度范圍廣，同其他類產(chǎn)品相比，具有更高的性價比，所以更為適合鋼軌沉降實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用[6]。又根據(jù)檢測現(xiàn)場實(shí)際需要，監(jiān)測點(diǎn)距離監(jiān)控中心較遠(yuǎn)，本次設(shè)計我們采用的通信方式是GPRS通信，其接線圖如圖7所示。

圖7 GPRS模塊接線圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

通過監(jiān)控中心中友好的人機(jī)界面來保存和處理激光位移傳感器和振動傳感器所監(jiān)測的沉降信息，并通過監(jiān)控中心可以直接控制沉降監(jiān)測系統(tǒng)的工作，進(jìn)而達(dá)到信息監(jiān)測處理的數(shù)字化與智能化，并根據(jù)實(shí)際的數(shù)值及時做出科學(xué)的預(yù)判，對可能產(chǎn)生的沉降進(jìn)行預(yù)防處理，達(dá)到保障安全的目的。通過對鐵路工作人員的監(jiān)測經(jīng)驗(yàn)分析，本系統(tǒng)的監(jiān)控中心應(yīng)具有對沉降數(shù)值的采集、沉降信息的統(tǒng)計與分析、與沉降系統(tǒng)的通信等功能，并可根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)際情況科學(xué)調(diào)整系統(tǒng)的部分參數(shù)。

軟件流程首先設(shè)定好激光位移傳感器在不同天氣條件下的采樣時間，初始化系統(tǒng)，判斷是否到達(dá)設(shè)定的傳感器采集沉降數(shù)據(jù)時間點(diǎn)。每一次到達(dá)傳感器采集數(shù)據(jù)的時間點(diǎn)都先通過激光位移傳感器檢測天氣環(huán)境因素，以便對不同天氣情況下傳感器對數(shù)據(jù)采集時間進(jìn)行調(diào)整，如果天氣狀況為晴天，每隔120秒進(jìn)行一次采樣，同時上傳數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心；如果環(huán)境因素為雨雪天氣，則調(diào)整沉降數(shù)據(jù)采樣的時間間隔為30秒，并將此時的數(shù)值信息上傳給監(jiān)控中心。若沉降數(shù)據(jù)采集異常，則發(fā)送信息給鐵路工作人員進(jìn)行現(xiàn)場查看，及時關(guān)注并記錄這一異常情況。

其系統(tǒng)的主流程圖如圖8所示。

圖8 主流程圖

5 實(shí)測結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)情況，本系統(tǒng)已經(jīng)成功安裝在中國鐵路太原局集團(tuán)有限公司太原動車所存車場既有線路上，測試現(xiàn)場僅安裝了一個測試沉降點(diǎn)，現(xiàn)場安裝測試點(diǎn)如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場安裝測試圖片

系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行后對沉降數(shù)據(jù)簡單的分析結(jié)果如下：

（1）通過對系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行時采集到的沉降數(shù)值信息得知，在不同天氣條件下，當(dāng)列車未經(jīng)過監(jiān)測點(diǎn)的沉降值的平均值保持在8毫米左右，如圖10。

圖10 列車未經(jīng)過時的沉降數(shù)值

（2）當(dāng)有列車經(jīng)過時，沉降數(shù)值的平均值大約為25毫米左右，如圖11。

圖11 列車經(jīng)過時的沉降值

6 結(jié)語

本設(shè)計針對鋼軌產(chǎn)生沉降的情況，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)、激光位移傳感器模塊、振動傳感器模塊等實(shí)現(xiàn)鋼軌沉降的自動檢測，并通過監(jiān)控中心設(shè)置報警值提醒相關(guān)工作人員。通過實(shí)地安裝調(diào)試，本裝置可靠、有效，對預(yù)防鋼軌發(fā)生沉降產(chǎn)生的安全事故有較大的實(shí)用價值。