无缝钢轨巴克豪森信号检测与传输电路优化设计方法研究

发布时间：2020-04-20 13:33

【摘要】：针对多因素作用下的巴克豪森信号特征值变化关系的评估模型缺乏、相关性分析不足等关键性研究难点,和电路资源配置限制、电磁环境复杂条件下检测信号安全、稳定、高效传输的研究存在不足等情况。论文通过建立深度变化、温度变化和磁轭提离变化与应力变化和巴克豪森信号特征值之间的模型方程,优化设计了信号衰减补偿方案,提高了检测精度。优化设计了信号传输关键电路,提高了信号传输的安全性、传输速率和质量,降低了硬件资源消耗。论文的主要工作和创新点如下。论文提出了压应力和拉应力条件下的深度变化模型方程,实测数据和优化曲线的变化趋势都一定程度上验证了深度变化模型的正确性。基于RBF神经网络算法优化设计了沿深度变化的巴克豪森信号检测方案,提高了检测精度。论文通过对巴克豪森效应基本方程和趋肤效应方程的推导,建立了模型方程,并对其进行了仿真分析。利用应力拉伸和四点应力加载平台,施加不同的应力条件,获得相应的巴克豪森信号各特征值的测试数据。通过数据归一化的对比,选择随应力呈线性变化的信号均方根值作为分析对比的特征值,进而确定了可进行深度变化分析的最优输入激励信号频率和幅值组合。通过4组应力拉伸和四点应力加载试验进行了检测数据的梳理对比。利用RBF算法对测试结果进行了优化,并将优化结果和实测数据及模型仿真结果进行了对比分析。测试结果显示,检测精度偏差可控制在6%的范围内。论文提出了温度应力模型方程并优化设计了基于RBF神经网络算法的信号衰减小波重构温度补偿方案,有效降低了温度效应影响,大幅提高了检测精度。论文通过实施四点应力加载试验,对比在温度、应力变化时测得的巴克豪森信号特征值,结合温度应力模型方程分析了巴克豪森信号各特征值随温度、压力变化的紧密关联性,进行了数据误差分析。针对温度变化引起的特征值下降,利用RBF算法进行温度补偿优化。通过对信号的小波分解,提取出关键层信号,并再次对关键层进行RBF算法优化。测试结果显示,初步优化的数值偏差控制在0.11%至3.6%之间。利用重构信号进行优化的结果还要再有1-2个数量级精度的提升。论文提出了提离变化模型方程,优化设计了传感器结构和基于RBF神经网络算法的信号衰减补偿方案,有效降低了提离效应影响,大幅提高了检测精度。论文通过漏磁方程,推导建立了模型方程。数学分析了提离距离、应力变化与巴克豪森信号特征值之间的相关性。结合磁轭提离电磁仿真结果,优化设计了传感器结构电路和信号衰减补偿方案。测试数据显示,优化后的结果虽然会形成标定值的偏差,但偏差远远低于检测精度的提升,优化精度偏差可以控制在1%以内。论文优化设计了基于重组优化策略的GF(((2~2)~2)~2)域掩码AES加密电路S盒电路,利用0.18μm CMOS工艺库进行综合的结果表明,乘法逆单元和掩码S盒经优化后分别减少了74个门单元和83个门单元,面积消耗分别减少了9.45%和8.84%。无论是电路占用量还是处理速度等性能均大幅优化。论文优化设计了应用于可重构结构的自适应预编码/STBC基带收发电路,通过增加CSD反馈回路,可实现UCD和UCD+STBC工作模式间的灵活变换,以获得较好的传输性能和较高的数据传输速率。通过0.18μm ASIC工艺和Xilinx xc4vlx Virtex-4 FPGA在工作频率150MHz条件下实现并验证了优化结果。论文优化设计了由可变逐次逼近寄存器控制的ADDLL电路,实现芯片间时钟同步,消除了谐波锁定,在65nm CMOS低功耗工艺条件下,整个工作频率范围内最长锁定时间固定为103个输入时钟周期。论文将相应的研究成果进行整合,研制了一套可在线检测的无缝钢轨应力检测装置,通过不同温度、不同工种模式下的铁路现场实测,检验了检测方案的可行性和检测装置的可靠性,进一步验证了模型方程的分析结论。
【图文】：

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图 2. 9 四点应力加载平台图 2. 10 四点弯曲示意图所谓的四点弯曲应力加载，，是利用在材料两端四个点施加力的作用形成的弯矩，建立一力与深度的线性关系，在材料正反两个表面分别形成了拉应力作用和压应力作用，如图示。

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图 2. 9 四点应力加载平台图 2. 10 四点弯曲示意图所谓的四点弯曲应力加载，是利用在材料两端四个点施加力的作用形成的弯矩，建立一力与深度的线性关系，在材料正反两个表面分别形成了拉应力作用和压应力作用，如图示。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U216.3;TN911.23

【参考文献】