CN103332207A - 钢轨温度、应变和加速度的数据在线采集方法和装置 - Google Patents

钢轨温度、应变和加速度的数据在线采集方法和装置 Download PDF

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张志新
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王立鼎
王大志
徐征
梁军生
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周闯
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本发明钢轨温度、应变和加速度的数据在线采集方法和装置属于温度、应变和振动加速度的测量技术领域,涉及一种钢轨温度、应变和加速度的数据在线采集方法和装置。该装置由温度传感器,应变传感器,加速度传感器,第一、第二无线数据采集节点,第一、第二、第三供电单元,网关和远程PC客户端构成。第一、第二无线数据采集节点由组桥电路、放大电路、滤波电路、A/D转换电路、微处理器电路、同步采集触发电路、存储电路、无线通信单元构成。采用无线通信方式进行数据传输,第一、第二无线数据采集节点根据设定的参数自动采集钢轨静、动态数据。本装置自动采集火车通过时钢轨的动态应变和加速度信号,不影响铁路行车安全,完全不需要人的控制。

Description

钢轨温度、应变和加速度的数据在线采集方法和装置
技术领域
[0001] 本发明属于温度、应变和振动加速度的测量技术领域,尤其涉及一种钢轨温度、应变和加速度的数据在线采集方法和装置。
背景技术
[0002] 随着世界高速铁路科学技术的研发改进以及各国铁路运输管理体制改革的深入,世界高速铁路进入了大发展时期。在实现高速重载的同时,钢轨所承受的摩擦、挤压、和冲击作用也更加突出,不仅增加了钢轨产生疲劳裂纹的概率,还加快了钢轨从裂纹发展到断裂的速度。为了保证列车运行的安全性,对钢轨静、动态特性的要求也越来越高,依靠传统的人工方式维护路轨安全的手段已远远不够。实现钢轨温度、应变和振动加速度信号的实时在线监测,对于研究和利用钢轨静、动态性能评价轨道安全具有重要意义。
[0003]目前,国内外钢轨静、动态量检测方式主要有间接法和直接法。间接法,依靠轨道检测车或车载式轨道动态检测装置获得列车车体的动态信号量,然后根据轮轨作用力耦合关系式解算出钢轨对应的动态量。轨道检测车功能齐全、精度高,但造价高昂,一般针对多段线路采用定期巡检方式,无法实现长期实时监测;发明专利号200920073984.0,唐德尧等人发明了一种轨道交通车辆走行部及钢轨故障车载在线监测诊断系统,车载监测诊断系统通过无线网络或人工数据存储设备向地面数据诊断分析管理系统存入数据。其功能集中、造价低、使用方便,但易受承载列车本身性能差异影响,检测精度和故障定位精度不高。直接法,采用基于多通道高速数据采集卡的通用采集系统,将固定于钢轨某处的传感器通过有线方式连接到PC机或者工控机进行现场数据采集。通用采集系统通道多、精度较高,可同时进行多点测量,适用于以实验为目的的短时间数据采集,但其体积较大,引线复杂,不利于大范围长距离布置。发明专利号201010611577.8,张文涛等发明了一种可监测裂纹和变形的钢轨,该装置包括一根钢轨,光纤及解调设备,光纤安装在钢轨底部沿钢轨纵向凹槽内,用于监测钢轨的温度和应变。其测量精度和故障定位精度比较高,但功能单一,不便于维护,而且需要替换运用中的钢轨,施工复杂。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷,发明了一种钢轨温度、应变和加速度的数据在线采集方法和装置。本发明采用无线通信的方式进行数据的传输,安装、布线简单,方便维护,能自动采集钢轨的温度、静态应变、动态应变和振动加速度。
[0005] 本发明采用如下技术方案是一种钢轨温度、应变和加速度的数据在线采集装置,其特征是,该装置由温度传感器,应变传感器,加速度传感器,第一、第二无线数据采集节点N1、N2,第一、第二、第三供电单元,网关和远程PC客户端构成;温度传感器、应变传感器和加速度传感器,安装在钢轨上;温度传感器和应变传感器安装到一块薄钢片一面的中间位置,薄钢片安装到钢轨的中性轴处;温度传感器和应变传感器与第一无线数据采集节点NI连接,加速度传感器通过夹具与钢轨可靠的连接为一个整体与第二无线数据采集节点N2连接;第一无线数据采集节点NI与第二无线数据采集节点N2连接;第二无线数据采集节点N2与第二供电单元连接;第一无线数据采集节点NI第二无线数据采集节点N2连接;网关与第三供电单元连接;远程PC客户端与网关、网关与第一、第二无线数据采集节点N1、N2进行无线通信;
[0006] 所述的一种钢轨温度、应变和加速度的数据在线采集装置,其特征是,所述的第一、第二无线数据采集节点N1、N2由组桥电路1、放大电路2、滤波电路3、A/D转换电路4、微处理器电路5、同步采集触发电路6、存储电路7、无线通信单元8构成;所述的组桥电路1,由精密低温漂电阻组成,组桥电路I的输入与应变传感器或加速度传感器相连,组桥电路I的输出与放大电路2的输入相连;所述的放大电路2的输出与滤波电路3相连,放大电路2包括一级放大和二级可编程放大;所述的滤波电路3采用2阶巴特沃斯滤波器进行抗混叠滤波,滤波电路3的输出与A/D转换电路4的输入相连;所述的A/D转换电路4采用24位过采样Σ-Λ型模数转换器,A/D转换电路4的输出与微处理器电路5通过SPI接口相连;所述的微处理器电路5采用基于ARM Cortex-M3内核架构的STM32系列处理器;所述的同步采集触发电路6由限流电阻构成,与微处理器电路5相连;所述的存储电路7采用外部大容量FLASH存储器,与微处理器电路5提供的静态存储器控制器FSMC接口相连;所述的无线通信单元8,通过串口与微处理器电路5相连。
[0007] 该装置所采用的方法是采用无线通信的方式进行数据的传输,第一、第二无线数据采集节点N1、N2根据设定的参数自动采集钢轨的静、动态数据;第二无线数据采集节点N2向第一无线数据采集节点NI发送同步采集触发信号,第一、第二无线数据采集节点N1、N2同时开始工作,分别采集钢轨的温度、动态应变和振动加速度;第二无线数据采集节点N2实时监测钢轨的振动加速 度,当火车通过此装置安装位置的钢轨时,采集到的振动加速度信号经调理、放大、滤波、模数转换和数值计算,所得到的数值与预先设定的阈值做比较,若数值不大于设定的阈值,则不存储数据继续采集;若数值大于设定的阈值,则存储数据并向第一无线数据采集节点NI发送同步采集触发信号;完成采集后将数据进行保存或者通过无线通信网络上传给网关,由网关通过3G网络上传给远程PC客户端;没有火车通过时,第一无线数据采集节点NI定时采集钢轨的温度和静态应变。
[0008] 本发明具有以下有益效果是:本装置结构简单,数据采用无线通信方式进行传输,节约布线的费用和安装时间,适用于工程中的应用推广。应用多个装置可组建分布式无线数据采集网络。通过灵活的参数设置可完成不同数据的采集要求。本装置的无线数据采集节点通过夹具安装在钢轨上,不会影响铁路的行车安全,能实时检测火车是否到达安装位置,自动采集火车通过时钢轨的动态应变和加速度信号,完全不需要人的控制。
附图说明
[0009] 图1是本发明装置的结构简图。
[0010] 图2是第一、第二无线数据采集节点组成框图.[0011] 图中:I组桥电路;2放大电路;3滤波电路;4A/D转换电路;5微处理器电路;6同步采集触发电路;7存储电路;8无线通信单元。
具体实施方式[0012] 以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
[0013] 本发明的一种钢轨温度、应变和加速度数据在线采集装置,该装置由温度传感器,应变传感器,加速度传感器,第一、第二无线数据采集节点N1、N2,第一、第二、第三供电单元,网关和远程PC客户端构成,如图1所示。温度传感器、应变传感器和加速度传感器用于感知钢轨的温度、应变和振动加速度信号。第一、第二无线数据采集节点N1、N2根据设定的参数自动采集钢轨的静、动态数据。第二无线数据采集节点N2实时监测钢轨的振动加速度,当火车通过此装置安装位置的钢轨时,第二无线数据采集节点N2向第一无线数据采集节点NI发送同步采集触发信号,第一、第二无线数据采集节点N1、N2同时开始工作,分别采集钢轨的温度、动态应变和振动加速度。完成采集后,将数据保存到第一、第二无线数据采集节点N1、N2内或通过无线通信网络上传给网关。
[0014] 当有火车通过时,第二无线数据采集节点N2实时监测钢轨的加速度,采集到的振动加速度信号经调理、放大、滤波和模数转换和数值计算,所得到的数值与预先设定的阈值做比较,若数值不大于设定的阈值,则不存储数据继续采集。若数值大于设定的阈值,则存储数据并向第一无线数据采集节点NI发送同步采集触发信号。第一、第二无线数据采集节点N1、N2同时开始工作,分别采集钢轨的温度、动态应变和振动加速度。完成采集后将数据进行保存或者通过无线通信网络上传给网关,由网关通过3G网络上传给远程PC客户端。没有火车通过时,第一无线数据采集节点NI定时采集钢轨的温度和静态应变。
[0015] 本实施例中,温度传感器采用数字温度传感器DS18B20,检测温度范围为_55°C〜+125°C,精度为±0.5°C,硬件设计简单,抗干扰能力比较强。应变传感器采用日本共和生产的小型防水型箔式应变计,双轴90°交叉式应变花,横向应变片用于测量钢轨的静态应变,垂向应变片用于测量钢轨的动态应变。加速度传感器采用美国MEAS单轴压阻式加速度计,具有卓越的动态范围和稳定性。以上传感器均通过电缆连接到无线数据采集节点的输入;
[0016] 所述第一、第二无线数据采集节点N1、N2的组成如图2所示,包括组桥电路1、放大电路2、滤波电路3、A/D转换电路4、微处理器电路5、同步采集触发电路6、存储电路7、无线通信单元8。所述组桥电路1,由精密低温漂电阻组成,经调理过的电信号连接到放大电路的输入端;所述放大电路2,输入端接电桥的输出,由于电桥输出的电压信号是十分微弱的,因此要将微弱的电压信号进行放大,放大电路的一级运放采用低偏置电压、低温漂、轨到轨精密仪表放大器,二级运放采用可编程精密运放,两级放大器放大倍数适中,信噪比高,工作区域最佳。另外,可编程运算放大器允许通过软件根据输入信号源电压幅值切换量程。放大电路的输出连接到滤波电路的输入;所述滤波电路3,采用2阶巴特沃斯滤波器进行抗混叠滤波。经滤波后的信号连接到A/D转换电路的输入;所述A/D转换电路4,负责将电压信号转换成数字信号,便于后期的数据处理和传输。A/D转换芯片采用24位过采样Σ-Δ型模数转换器,具有低失调漂移、高信噪比、低功耗等优点。经A/D转换成的数字信号输入到微处理器电路;所述微处理器电路5,是数据采集系统的控制核心,协调和管理着模拟部分和数字部分的各个组件。微处理器采用基于ARM CorteX-M3内核架构的STM32系列处理器。CorteX-M3内核是一种新型的增强型ARM架构,性能优异且功耗低。微处理器根据设置的工作模式处理数据,处理后的数据发送到存储电路进行存储或者发送到无线通信单元上传给网关;所述同步采集触发电路6,无线数据采集节点N2的微处理器将采集到的加速度信号与预先设定的阈值比较,若不大于阈值则继续采集,若大于等于阈值,微处理器的I/o 口输出触发信号,经限流电阻输入到无线数据采集节点NI的微处理器I/O 口,NI接收到触发信号则开始工作,完成NI和N2的同步采集。所述存储电路7,与微处理器提供的静态存储器控制器FSMC接口连接,用于数据的存储,采用外部大容量FLASH存储器实现,具有容量大、功耗低、擦写方便等特点,是实现嵌入式系统及便携式终端设备大容量存储的最佳选择。所述无线通信单元8,采用Zigbee网络实现数据的收发,接收数据采集与处理单元发出的数据上传给网关。或接收网关下发的采集参数和命令发送至数据采集与处理单元,更新数据采集与处理单元预先设定的采集参数和阈值;
[0017] 所述第一、第二、第三供电单元用于提供传感器、无线数据采集节点和网关的工作电压。所述网关,负责向无线数据采集节点下发控制命令,同时接收节点上传的数据和状态信息,并通过3G网络传送给远程PC客户端。所述远程PC客户端,基于C++语言编写的客户端软件,用于显示钢轨当前的或者历史的温度、静态应变、动态应变和加速度的数据和曲线,远程控制无线数据采集节点的工作状态和参数设置等。
[0018] 本发明能够实现钢轨静、动态数据的实时采集、传输和存储等功能。本发明不仅仅局限应用于钢轨,对于其他钢结构的状态监测同样适用,具有很高的实用价值和广阔应用前景。

Claims (3)

1.一种钢轨温度、应变和加速度的数据在线采集装置,其特征是,该装置由温度传感器,应变传感器,加速度传感器,第一、第二无线数据采集节点(N1、N2),第一、第二、第三供电单元,网关和远程PC客户端构成;温度传感器和应变传感器安装在一块薄钢片一面的中间位置,薄钢片安装在钢轨的中性轴处;温度传感器和应变传感器与第一无线数据采集节点(NI)连接,加速度传感器通过夹具与钢轨可靠的连接为一个整体与第二无线数据采集节点(N2)连接;第一无线数据采集节点(NI)与第一供电单元连接;第二无线数据采集节点(N2)与第二供电单元连接;第一无线数据采集节点(NI)与第二无线数据采集节点(N2)相连接;网关与第三供电单元连接;远程PC客户端和网关与第一、第二无线数据采集节点(N1、N2)进行无线通信。
2.根据权利要求1所述的一种钢轨温度、应变和加速度数据在线采集装置,其特征是,所述的第一、第二无线数据采集节点(N1、N2)由组桥电路(I)、放大电路(2)、滤波电路(3)、A/D转换电路(4)、微处理器电路(5)、同步采集触发电路(6)、存储电路(7)、无线通信单元(8)组成;所述的组桥电路(I ),由精密低温漂电阻构成,组桥电路(I)的输入与应变传感器或加速度传感器相连,组桥电路(I)的输出与放大电路(2)的输入相连;所述的放大电路(2)的输出与滤波电路(3)相连,放大电路(2)包括一级放大和二级可编程放大;所述的滤波电路(3)采用2阶巴特沃斯滤波器进行抗混叠滤波,滤波电路(3)的输出与A/D转换电路(4)的输入相连;所述的A/D转换电路(4)采用24位过采样Σ-Λ型模数转换器,A/D转换电路(4)的输出与微处理器电路(5)通过SPI接口相连;所述的微处理器电路(5)采用基于ARM Cortex-M3内核架构的STM32系列处理器;所述的同步采集触发电路(6)由限流电阻构成,与微处理器电路(5)相连;所述的存储电路(7)采用外部大容量FLASH存储器,与微处理器电路(5 )提供的静态存储器控制器FSMC接口相连;所述的无线通信单元(8 ),通过串口与微处理器电路(5 )相连。
3.根据权利要求1或2所述的一种钢轨温度、应变和加速度数据在线采集装置,其特征是,该装置所采用的方法是采用无线通信的方式进行数据的传输,第一、第二无线数据采集节点(N1、N2)根据设定的参数自动采集钢轨的静、动态数据;第二无线数据采集节点(N2)向第一无线数据采集节点(NI)发送同步采集触发信号,第一、第二无线数据采集节点(N1、N2)同时开始工作,分别采集钢轨的温度、动态应变和振动加速度;第二无线数据采集节点(N2)实时监测钢轨的振动加速度,当火车通过此装置安装位置的钢轨时,采集到的振动加速度信号经调理、放大、滤波、模数转换和数值计算,所得到的数值与预先设定的阈值做比较,若数值不大于设定的阈值,则不存储数据继续采集;若数值大于设定的阈值,则存储数据并向第一无线数据采集节点(NI)发送同步采集触发信号;完成采集后将数据进行保存或者通过无线通信网络上传给网关,由网关通过3G网络上传给远程PC客户端;没有火车通过时,第一无线数据采集节点(NI)定时采集钢轨的温度和静态应变。
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