動車組測速測距系統(tǒng)設(shè)計

1、思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學院理事會.http:/ 1 動車組測速測距系統(tǒng)設(shè)計動車組測速測距系統(tǒng)設(shè)計 傳感器原理及應(yīng)用 研究性專題一 2 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學院理事會.http:/ 組員及分工組員及分工 符 晗：系統(tǒng)方案設(shè)計，傳感器的選擇。 杜天明：單片機程序設(shè)計。 高 瀟：信號調(diào)理電路設(shè)計。 趙逸然：誤差修正及算法設(shè)計 3 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學院理事會.http:/ 前言前言 近些年來，我國的鐵路發(fā) 展迅速，列車速度越來越 快，然而，在高速度的背 后需要我們對列車進行更 加全面的監(jiān)測，保證列車 的安全性。動車組速度和 位置的檢測, 作為實現(xiàn)系統(tǒng) 功能的先決條件也就顯得 越來越重要。 4 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學院理事會.htt

2、p:/ 1.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計系統(tǒng)總體方案設(shè)計 測量動車組速度和距離的方法有很多，比如利用光電式 傳感器通過測量萬向軸的轉(zhuǎn)速來間接測得動車組的速度， 其缺點則是容易受空轉(zhuǎn)以及打滑的影響而產(chǎn)生較大誤差， 因此我們選擇的是激光測速測距傳感器通過不間斷地向 軌面發(fā)出激光束，由于列車和軌道的相對運動，根據(jù)多 普勒頻移效應(yīng)原理，利用發(fā)射光和反射光的頻率差計算 出動車行駛的距離和速度，可以有效的避免空轉(zhuǎn)和打滑 對測量結(jié)果的影響 5 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學院理事會.http:/ 流程框圖流程框圖 回波信 號 傳感器 頻率信 號 信號調(diào) 理 數(shù)據(jù)處 理 單片機 實時顯 示 6 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學院理事會.http:/ 1

3、.2傳感器的選型傳感器的選型 1.2.1激光測距測速傳感器激光測距測速傳感器 激光測距測速傳感器是通過激光對物體位移以及運行速度進行測量，它相 對于傳統(tǒng)測距測速傳感器有這很大的優(yōu)勢，同時也是一種新型的測量儀器。 市場上常用的激光測距測速傳感器是LDM301激光測距測速傳感器，它是基 于激光脈沖反射時差法原理，相對于傳統(tǒng)測距測速傳感器，它適用大量程 測量，具有很高的響應(yīng)頻率，并且測量靈活以及精度高。 優(yōu)點： 1.外形設(shè)計緊湊，易于安 裝，便于操作； 2.遠距離測量，在無反光 板和反射率低的情況下能 測量較遠的距離； 3.有同步輸入端，可多個 傳感器同步測量； 4.測量范圍廣，響應(yīng)時間 短； 5.

4、金屬外殼，結(jié)實耐用 7 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學院理事會.http:/ 1.2.2性能參數(shù)性能參數(shù) 8 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學院理事會.http:/ 1.2.3傳感器工作原理傳感器工作原理 激光傳感器工作時，先由激光發(fā)射二極管對準目標發(fā)射 激光脈沖。經(jīng)目標反射后激光向各方向散射。部分散射 光返回到傳感器接收器，被光學系統(tǒng)接收后成像到雪崩 光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功 能的光學傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號，并 將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號。 雪崩光電二極管：雪崩光電二極管是一種p-n結(jié)型的光檢 測二極管，其中利用了載流子的雪崩倍增效應(yīng)（即光電 流成倍地激增）來放大光電信號以提高檢測的靈敏度。

5、 9 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學院理事會.http:/ 10 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學院理事會.http:/ 1.3傳感器安裝傳感器安裝 激光測速傳感器 軌面 11 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學院理事會.http:/ 2.調(diào)理電路設(shè)計調(diào)理電路設(shè)計 采用兩級放大電路，每一級都采用 反響比例運算電路，如圖，設(shè)計的電 壓放大倍數(shù)約為100倍，其中第一級 放大倍數(shù)約為10倍，第二級放大倍數(shù) 約為10倍，放大后電壓變化范圍為 04.8V 12 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學院理事會.http:/ 調(diào)理電路設(shè)計調(diào)理電路設(shè)計 13 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學院理事會.http:/ 調(diào)理電路設(shè)計調(diào)理電路設(shè)計 調(diào)理電路設(shè)計是一種置回電壓比較器，它具有慣性，具 有抗干擾的作用

6、，在整形電路輸入端接一個電容，起到 的作用是阻止其他電路干擾，并將放大的電信號進行濾 波、解耦。 經(jīng)過放大后的信號基本為5V的電平脈沖信號，在脈沖 計數(shù)是常用5V的脈沖信號，如采用-5V的信號會增加電 路的復雜性故一般不使用，所以進行二次整形。 14 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學院理事會.http:/ 3.單片機程序設(shè)計單片機程序設(shè)計 軟件部分由數(shù)據(jù)處理程序、安檢程序設(shè)計、中斷服務(wù)子 程序、LED顯示程序等幾個部分組成。 數(shù)據(jù)處理完成對各種測試數(shù)據(jù)的處理，如各種數(shù)據(jù)的計 算、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換等。 按鍵程序包括按鍵防抖動處理、判鍵及修改項目等。定 時器1完成定時功能，定時20ms，并每隔20ms進行一次顯示，

7、每隔1秒讀一次計數(shù)結(jié)果。單片機對在1秒內(nèi)計數(shù)的值進行處 理，轉(zhuǎn)換成每分鐘的速度送進顯存以便顯示。 15 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學院理事會.http:/ 軟件設(shè)計軟件設(shè)計 16 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學院理事會.http:/ 動態(tài)顯示仿真動態(tài)顯示仿真 17 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學院理事會.http:/ 4.誤差誤差修正及算法修正及算法設(shè)計設(shè)計 4.1算法設(shè)計算法設(shè)計 傳感器采用激光脈沖反射時差法原理獲取徑向速度徑向速度 Vr= fdc/2f0 （其中f0是發(fā)射波段，選用f0=24.15GHz.） 根據(jù)幾何關(guān)系計算可得列車運行速度列車運行速度 V=a fdc/2f0 （其中常數(shù)a由角度決定，有a=1/cos ） 則由積分關(guān)系

8、得到行駛距離行駛距離 L= Vdt= fdc/2f0 cos dt 18 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學院理事會.http:/ 4.2誤差修正誤差修正 頻率誤差fd：在速度測量中，接受波頻率由于列車運動 而發(fā)生改變，產(chǎn)生誤差。由于光速c=3*(108)(m/s)遠大 于動車時速v=80m/s，則有 fd 10(-5)MHz 角度誤差：由于火車自身震動以及環(huán)境溫度產(chǎn)生的影 響，將使傳感器發(fā)射角度產(chǎn)生誤差。傳感器材質(zhì)膨脹系 數(shù)(外部主體硬質(zhì)塑料)約為k=-10(-6)，假定環(huán)境溫度- 1545，則有T= 30，則形變量s=kT=3*10(- 5)由幾何關(guān)系：sins，解得=10(-5) 。 時間誤差t：LED顯示所使用的芯