基于PSD的高速铁路路基冻胀远程监测系统

发布时间：2016-11-26 07:25

2路基冻化检测系统方案设计

2.1位置敏感器件PSD简介

暗电流是指PSD在无光源照射的情况下PSD两极的输出信号称为暗电流。但是因为暗电流的产生会同时混杂在PSD的两极输出电流中,所若暗电流太大会严重干扰到检测光源照射在PSD位置的准确性,影响测量精度。对暗电流的大小造成影响的因素主要是偏置电压的大小与工作环境温度的髙低,在对PSD的应用中可选用适宜的反偏电压大小,从而保证系统的测量精度PSD在光源照射位置的变化时所产生的动态响应被称作为PSD的响应速度。响应速度是指光源照射位置变化的幅度达到了PSD的响应输出电流做出变动时所要经历的时间。响应速度对PSD能否用于检测光源照射在光敏面上做高速运动或者应用脉冲调制光消除背景光影响具有极其重要的意义。其主要受光源波长、PSD的极间电阻的分布是否均匀、光点的位置等因素影响。

2.2路基冻化检测系统总体方案

系统主要包括上位机和下位机两部分。下位机主要包括路基冻胀测量系统、信号处理系统、无线通信系统及电源系统四个子系统。系统整体结构框图如图2-5所示。首先通过控制器毎隔一小时产生信号控制化光器打出反光,利用反射原理,棱镜将反光反射到PSD上,PSD测得此时的路基冻胀值,通过信号处理电路后进入控制器中,分别将数据存于本地SD卡中并通过3G模块连接无线网络实时传输到上位机。上位化可通过网络控制下位机电路,检査其工作状态,并获取下位机上传的路基冻胀实时情况,完成显示、存储等功能。

3信号处理系统设计...18

3.1系统硬件电路设计...18
3.2系统程序设计...28
3.3上位机设计...35
4位置敏感器件PSD光照补偿算法...41
4.1PSD光照补偿算法...41
4.2PSD光照补偿实验...44
4.3本章小结...46
5实验与结果分析...47
5.1监测系统环境温度验证实验...47
5.2哈齐客运专线现场实验...53
5.3本章小结.......55

5实验与结果分析

5.1监测系统环境温度验证实验

由于系统的安装基础材料会存在温度特性,在温度变化下会发生一定量的形变?而且前文也提到温度对位置敏感器件PSD也存在一定的影响。所以对系统进行了温度验证实验。通过分析实验结果确定环境温度变化对系统输出的影响。为了验证环境温度变化对系统输出的影响,本文将系统放入温控箱中进行实验。通过改变温控箱内的温度,模拟系统工作环境从而获得在不同温度下系统的输出值,通过比较系统输出值的变化来分析系统的温度特性。为了确保实验测量结果的可靠性,将棱镜与检测系统处于同一安装平台,保证安装平台使用材料的热膨胀系数足够小,消除除系统自身之外的可能影响输出结果的干扰因素。系统温度实验安装示意图如图5-1所示。

5.2哈齐客运专线现场实验

从图中可以直观的看出测量点的路基冻胀值每天都出现规律性的变化。通过分析,路基冻胀值从每天上午8点至下午6点都出现变动,并在下午两点时达到峰值,随后逐渐又恢复稳定。因为白天在太阳的持续照射下,路基表面温度逐渐升高,路基原本的冻胀出现一定的融化现象,路基发生沉降,从数据中可看出路基沉降最大值约2mm。随时间的推移,太阳渐渐下山,温度逐渐降低,路基重新又出现冻胀情况。上文对系统进行环境因素验证实验,可以知道本文提出的路基冻胀测系统在无背景光干扰的情况下系统测量精度可达到约化0.05mm,系统自身由于现场环境温度变化而发生的形变量约为0.09mm。对于中国铁路总公司对本课题提出的测量精度达到化2mm完全满足。同时也测得哈齐客运专线测量点路基确实存在冻胀情况。
.......

6总结与展望

本论文主要完成了以下工作;(1)首先对路基冻胀的形成以及其可能造成的安全隐患进行了调研,对国内外各种路基冻胀检测方法以及各检测方法的优缺点进行了了解,最后总结了路基冻胀检测方法的研究方向及其发展趋势。(2)设计了高速铁路路基冻胀远程监测的整体方案,选择了位置敏感器件PSD,简要分析阐述了路基冻胀检测系统的下位机与上位机所需要完成的功能。(3)设计并完成了基于PSD的高速铁路路基冻胀远程监测系统,系统包括上位机与下位机两部分,下位机系统主要包括硬件电路系统与系统整体安装基础两部分,系统硬件电路又包括激光器控制电路,PSD输出信号处理电路和数据存储与传输电路三部分。激光器电路由ARM完成激励信号的产生,控制激光器每隔一小时打出一束激光,然后通过安装轨道板底座的棱镜反射激光到PSD上,PSD输出信号通过运放处理电路进入ARM中进行AD转换,ARM将数据存储于SD卡中,方便日后的调用,同时通过3G无线通讯模块完成数据上传功能。

.....

参考文献（略）

，

本文编号：193902