CN104554343B - 高速铁路断轨监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速铁路断轨监测系统，包括：MCU用于根据接收的指令信息产生测试信号并发送至超声波发送探头；超声波发送探头用于接收测试信号，根据测试信号向高速铁路铁轨发送超声波信号；超声波接收探头用于接收高速铁路铁轨传播的超声波信号并将超声波信号发送至FPGA处理电路；FPGA处理电路用于对超声波信号进行数字滤波和FFT分析，将FFT分析结果进行频谱比较和信号相关性比对分析以确定高速铁路断轨的情况，其使用了屏蔽和隔离回路的措施使得信号转换质量高，减小了电磁环境对检测结果的影响，并且FPGA处理电路采用的小波分析算法，使得信号接收的灵敏度高，有效拓展了测量距离。

Description

高速铁路断轨监测系统

技术领域

本发明涉及铁路断轨监测领域，具体而言，涉及高速铁路断轨监测系统。

背景技术

高速铁路(简称高铁)，是指通过改造原有线路(直线化、轨距标准化)，使最高营运速率达到不小于每小时200公里，或者专门修建新的“高速新线”，使营运速率达到每小时至少250公里的铁路系统。高速铁路除了在列车在营运达到一定速度标准外，车辆、路轨、操作都需要配合提升。

高速铁路的出现无疑给人们的生活带来了很大的方便，但是高速铁路上，列车一直处于高速行驶状态，故较容易使铁轨发生断轨，当铁轨发生断轨时，若不及时对断轨处进行维护施工，将会带来严重的后果，故相关技术引入了铁轨探伤测量技术，该技术主要使用人力探伤小车和大型铁轨探伤车，并通过巡检方式对高速铁路进行探测，但是巡检的方式不能实时监测，并且该技术的探伤的手段主要包括漏磁探伤和涡流探伤等非接触方式，使得探测深度浅且探测精度差；还有一种方式是采用轨道电路进行铁轨探伤测量，该方式是采用电气耦合的方式接收微小电信号，容易受周围电磁环境干扰，潮湿雨雪等影响，故同样使得测量结果不精确。

发明人在研究中发现，相关技术中进行铁轨探伤测量的方式均不理想，针对这一问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供高速铁路断轨监测系统，以提高高速铁路铁轨断轨检测结果的准确性。

第一方面，本发明实施例提供了一种高速铁路断轨监测系统，其特征在于，包括：微控制单元MCU、现场可编程门阵列FPGA处理电路、超声波发送探头以及超声波接收探头；

MCU用于根据接收的指令信息产生测试信号，并将测试信号发送至超声波发送探头；

超声波发送探头与MCU电连接，用于接收测试信号，根据测试信号向高速铁路铁轨发送超声波信号，以便超声波信号在高速铁路铁轨中传播；

超声波接收探头用于接收高速铁路铁轨传播的超声波信号并将超声波信号发送至FPGA处理电路；

FPGA处理电路与超声波接收探头电连接，用于接收高速铁路铁轨传播的超声波信号，对超声波信号进行数字滤波和FFT分析，将FFT分析结果进行频谱比较和信号相关性比对分析，以确定高速铁路断轨的情况。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，高速铁路断轨监测系统还包括发送驱动电路；

FPGA处理电路与MCU电连接，还用于对测试信号进行预处理并将预处理后的测试信号发送至发送驱动电路；

发送驱动电路分别与FPGA处理电路和超声波发送探头电连接，用于接收预处理后的测试信号并将测试信号发送至超声波发送探头，以便超声波发送探头根据测试信号向高速铁路铁轨发送超声波信号。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，高速铁路断轨监测系统还包括输出变压器；

输出变压器分别与发送驱动电路和超声波发送探头电连接，用于对发送驱动电路发送的测试信号的电压进行升压处理，以使得升高后的电压为超声波发送探头需要的第一预设电压。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，高速铁路断轨监测系统还包括输入变压器；

输入变压器分别与超声波接收探头和FPGA处理电路电连接，用于对超声波接收探头发送的超声波信号的电压进行降压处理，以使得降压后的电压为FPGA处理电路需要的第二预设电压。

结合第一方面的第一种可能的实施方式至第三种可能的实施方式中的任意一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，高速铁路断轨监测系统还包括放大滤波电路；

放大滤波电路分别与输入变压器和FPGA处理电路电连接，用于接收输入变压器降压后的超声波信号并对超声波信号进行放大和滤波处理。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，高速铁路断轨监测系统还包括模拟数字转换器ADC采样电路；

ADC采样电路分别与放大滤波电路和FPGA处理电路电连接，用于接收放大滤波电路处理后的超声波信号并将超声波信号进行模数转换。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，高速铁路断轨监测系统还包括保护电路；

保护电路分别与MCU、FPGA处理电路、超声波发送探头、超声波接收探头、发送驱动电路、输入变压器、输出变压器、放大滤波电路及ADC采样电路电连接，用于在检测到上述电路中电压、电流或者功率超出预设值时，自动切断电路。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，高速铁路断轨监测系统还包括电源模块；

电源模块包括第一电源模块和第二电源模块；第一电源模块与FPGA处理电路电连接，用于为FPGA处理电路提供电源；

第二电源模块与发送驱动电路电连接，用于为发送驱动电路提供电源。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，高速铁路断轨监测系统还包括传感器采集电路；

传感器采集电路分别与MCU和发送驱动电路电连接，用于在检测到超声波发送探头的预设参数不符合预设条件时，对预设参数进行实时补偿。

结合第一方面的第八种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，高速铁路断轨监测系统中，传感器采集电路包括：温度传感器接口和应力传感器接口；

温度传感器接口，用于与温度传感器电连接，用以对整个测试电路的温度进行补偿；

应力传感器接口，用于与应力传感器电连接，用以对整个测试电路的应力值进行补偿。

本发明实施例提供的一种高速铁路断轨监测系统，采用如下技术方案，包括：微控制单元MCU、现场可编程门阵列FPGA处理电路、超声波发送探头以及超声波接收探头；MCU用于根据接收的指令信息产生测试信号，并将测试信号发送至超声波发送探头；超声波发送探头与MCU电连接，用于接收测试信号，根据测试信号向高速铁路铁轨发送超声波信号，以便超声波信号在高速铁路铁轨中传播；超声波接收探头用于接收高速铁路铁轨传播的超声波信号并将超声波信号发送至FPGA处理电路；FPGA处理电路与超声波接收探头电连接，用于接收高速铁路铁轨传播的超声波信号，对超声波信号进行数字滤波和FFT分析，将FFT分析结果进行频谱比较和信号相关性比对分析，以确定高速铁路断轨的情况，与相关技术中进行铁轨探伤测量的方式均不理想的方案相比，本发明由于使用了屏蔽和隔离回路的措施，使得信号转换质量高，减小了本地电磁环境对检测过程和检测结果的影响，并且FPGA处理电路采用了小波分析算法，使得信号接收的灵敏度高，有效拓展了测量距离。

进一步，本发明实施例提供的一种高速铁路铁轨断轨监测系统，还可以通过输出变压器将发送驱动电路发送的测试信号的电压进行升压处理，以使得升压处理后的电压为超声波发送探头需要的第一预设电压；并通过输入变压器对超声波接收探头发送的超声波信号的电压进行降压处理，以使得降压后的电压为第一FPGA处理电路需要的第二预设电压，这样能够使得各个器件的电压相互匹配，能够保证更好的数据通信。

并且，还能够通过放大滤波电路对高速铁路铁轨传播的超声波信号进行放大和滤波处理，滤除干扰波，以便后续噪声小，抗干扰性强的测试信号；

并且，还能够通过ADC采样电路将模拟超声波信号转换为数字超声波信号，数字信号的抗干扰能力强，且稳定性好，便于后续的分析。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种高速铁路铁轨断轨监测系统的结构示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的高速铁路铁轨断轨监测系统中FPGA的原理图；

图3示出了本发明实施例所提供的高速铁路铁轨断轨监测系统中发送驱动电路的电路图；

图4示出了本发明实施例所提供的高速铁路铁轨断轨监测系统中输出变压器对应的升压电路的电路图；

图5示出了本发明实施例所提供的高速铁路铁轨断轨监测系统中输出变压器对应的升压电路的电路图；

图6示出了本发明实施例所提供的高速铁路铁轨断轨监测系统中输出变压器对应的升压电路的电路图；

图7示出了本发明实施例所提供的高速铁路铁轨断轨监测系统中传感器采集电路和放大滤波电路的电路图；

图8示出了本发明实施例所提供的高速铁路铁轨断轨监测系统中传感器采集电路和放大滤波电路的电路图；

图9示出了本发明实施例所提供的高速铁路铁轨断轨监测系统中传感器采集电路和放大滤波电路的电路图；

图10示出了本发明实施例所提供的高速铁路铁轨断轨监测系统中传感器采集电路和放大滤波电路的电路图；

图11示出了本发明实施例所提供的一种高速铁路铁轨断轨监测系统中第一电源模块的电路图；

图12示出了本发明实施例所提供的另一种高速铁路铁轨断轨监测系统中第一电源模块的电路图；

图13示出了本发明实施例所提供的一种高速铁路铁轨断轨监测系统中MCU的电路图；

图14示出了本发明实施例所提供的一种高速铁路铁轨断轨监测系统中第一电源模块为温度传感器接口和应力传感器接口供电的电路图；

图15示出了本发明实施例所提供的另一种高速铁路铁轨断轨监测系统中第一电源模块为温度传感器接口和应力传感器接口供电的电路图；

图16示出了本发明实施例所提供的另一种高速铁路铁轨断轨监测系统中第一电源模块为温度传感器接口和应力传感器接口供电的电路图。

主要元件符号说明：

11、MCU；12、FPGA处理电路；13、超声波发送探头；14、超声波接收探头；15、发送驱动电路；16、输出变压器；17、输入变压器；18、放大滤波电路；19、ADC采样电路；20、保护电路；21、存储模块；22、电源模块；23、第一数据接口；24、第二数据接口；25、传感器采集电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的一种高速铁路断轨监测系统，该系统与相关技术中进行铁轨探伤测量的方式均不理想的方案相比，本发明由于使用了屏蔽和隔离回路的措施，使得信号转换质量高，减小了本地电磁环境对检测过程和检测结果的影响，并且FPGA处理电路12采用了小波分析算法，使得信号接收的灵敏度高，有效拓展了测量距离。

结合图1示出的本发明实施例所提供的高速铁路铁轨断轨监测系统的结构示意图以及图2-图16示出的高速铁路铁轨断轨监测系统中的具体电路图对本发明提供的高速铁路铁轨断轨监测系统进行详细说明，具体实施例如下：

本发明提供了一种高速铁路断轨监测系统，如图1所示，包括：微控制单元MCU11(Micro Controller Unit，中文名微控制单元)、FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)处理电路、超声波发送探头13以及超声波接收探头14；

MCU11用于根据接收的指令信息产生测试信号，并将测试信号发送至超声波发送探头13；超声波发送探头13与MCU11电连接，用于接收测试信号，根据测试信号向高速铁路铁轨发送超声波信号，以便超声波信号在高速铁路铁轨中传播；超声波接收探头14用于接收高速铁路铁轨传播的超声波信号并将超声波信号发送至FPGA处理电路12；FPGA处理电路12与超声波接收探头14电连接，用于接收高速铁路铁轨传播的超声波信号，对超声波信号进行数字滤波和FFT分析，将FFT分析结果进行频谱比较和信号相关性比对分析，以确定高速铁路断轨的情况。

本发明实施例提供的一种高速铁路断轨监测系统，采用如下技术方案，包括：MCU11、FPGA处理电路12、超声波发送探头13以及超声波接收探头14；MCU11用于根据接收的指令信息产生测试信号，并将测试信号发送至超声波发送探头13；超声波发送探头13与MCU11电连接，用于接收测试信号，根据测试信号向高速铁路铁轨发送超声波信号，以便超声波信号在高速铁路铁轨中传播；超声波接收探头14，用于接收高速铁路铁轨传播的超声波信号并将超声波信号发送至FPGA处理电路12；FPGA处理电路12与超声波接收探头14电连接，用于接收高速铁路铁轨传播的超声波信号，对超声波信号进行数字滤波和FFT分析，将FFT分析结果进行频谱比较和信号相关性比对分析，以确定高速铁路断轨的情况，与相关技术中进行铁轨探伤测量的方式均不理想的方案相比，本发明由于使用了屏蔽和隔离回路的措施，使得信号转换质量高，减小了本地电磁环境对检测过程和检测结果的影响，并且FPGA处理电路12采用了小波分析算法，使得信号接收的灵敏度高，有效拓展了测量距离。

本实施例中MCU11根据用户触发的指令信息或者以其他方式获得的指令信息产生测试信号，具体的，测试信号可以是方波，也可以是正弦波、三角波或者上述波形的任意组合波形，而本实施例中用于断轨的检测对波形没有具体要求。具体电路图如图2和图7所示，图2示出了本发明实施例所提供的高速铁路铁轨断轨监测系统中FPGA的原理图，图13示出了本发明实施例所提供的一种高速铁路铁轨断轨监测系统中MCU的电路图，本实施例中是通过主控单片机STM32F103的I/O接口产生一路35K的方波。

另外，本实施例中也可以在增加一个FPGA任意波形处理电路，使FPGA任意波形处理电路与MCU11和超声波发送探头13电连接，用于根据MCU11的控制指令选择并生成预设波形样点，以便将预设波形的样点发送至超声波发送探头13。具体的，本实施例中根据检测的高速铁路铁轨的不同，其需要选择不同的波形向超声波发送探头13发送能量值，而FPGA任意波形处理电路其能够实现该功能，即选择检测所需要的某一个或多个波形或任意波形组合的组合波形，并将选择的波形的样点发送至超声波发送探头13。

具体的，本实施例中使用的FPGA处理电路12具体为EP4C6E622型号的FPGA，该FPGA不同的接口分别使用不同的伏值的电源模块进行供电，具体如使用5V、3.3V、2.5V和1.2V的供电模块进行供电。

并且，本实施例中的超声波接收探头14可以为一个，即超声波接收探头14可以为多个，如2个、3个、4个、5个、6个、10个甚至更多，当然，使用的超声波接收探头14越多，可以分别根据多个超声波接收探头14的分析结果的平均值，确定高速铁路断轨的情况，这样能够更精确的确定高速铁路断轨情况。

而使用一个超声波接收探头14测得的高速铁路断轨情况相比使用多个超声波接收探头14的结果较粗糙，但是其能将成本降到最低，且操作简单方便；而无论使用的超声波接收探头14的数量为多少，其均是基于一个发射点而实现的方案，即均是接收同一个超声波发送探头13且在同一个发送点发送的超声波信号。需要说明的是，使用本实施例的超声波的方式测量的高速铁路断轨的情况较现有技术相比，均能够检测到铁轨应力值，且检测精确较高。

本实施例中的超声波发送探头13的发送功率优选大于40W，超声波接收探头14的接收灵敏度小于1uV；有效工作距离2Km；1+1双倍冗余设计；远端和近端双自环监测设计；反射波监测且可进行深度模态分析。

进一步的，如图1和图3所示，该高速铁路断轨监测系统还包括发送驱动电路15；FPGA处理电路12与MCU11电连接，还用于对测试信号进行预处理并将预处理后的测试信号发送至发送驱动电路15；发送驱动电路15分别与FPGA处理电路12和超声波发送探头13电连接，用于接收预处理后的测试信号并将测试信号发送至超声波发送探头13，以便超声波发送探头13根据测试信号向高速铁路铁轨发送超声波信号。

图3示出了本发明实施例所提供的高速铁路铁轨断轨监测系统中发送驱动电路的电路图。具体的，将MCU11发送的测试信号经过发送驱动电路15进行驱动处理，然后将驱动处理后的信号发送至超声波发送探头13上。

其中，本发明实施例中也可以通过功放驱动电路代替，功放驱动电路将第二FPGA处理电路15选择后的波形的样点经过功放驱动电路进行放大，并提高功率，经过功率驱动的信号强度才能保证超声波接收探头对超声波信号的有效接收，然后将功放处理后的信号发送至超声波发送探头上。

进一步的，该高速铁路断轨监测系统还包括输出变压器16；输出变压器16分别与发送驱动电路15和超声波发送探头13电连接，用于对发送驱动电路15发送的测试信号的电压进行升压处理，以使得升高后的电压为超声波发送探头13需要的第一预设电压。

需要说明的是，所述的第一预设电压为超声波发送探头13对应的电压：本实施例中，发送驱动电路15所需电压值小于超声波接收探头14所需电压值；具体的发送驱动电路15所需电压值约为1.2V-5V，而超声波发送探头13所需电压值约为9V～24V，优选为12V。

具体的，图4、图5和图6示出了本发明实施例所提供的高速铁路铁轨断轨监测系统中输出变压器对应的升压电路的电路图。其中，图4中的引脚①和②分别连接图5中的引脚①和②，而图5中的引脚⑧和⑨对应连接图6中的引脚⑧和⑨。

进一步的，该高速铁路断轨监测系统还包括输入变压器17；输入变压器17分别与超声波接收探头14和FPGA处理电路12电连接，用于对超声波接收探头14发送的超声波信号的电压进行降压处理，以使得降压后的电压为FPGA处理电路12需要的第二预设电压。

需要说明的是，所述的第二预设电压为FPGA处理电路12对应的电压：本实施例中，FPGA处理电路12所需电压值小于超声波接收探头14所需电压值；具体的，FPGA处理电路12所需电压值约为1.2V-5V，而超声波接收探头14所需电压值约为9V～24V，优选为12V。

本发明实施例提供的一种高速铁路断轨监测系统，还可以通过输出变压器16将发送驱动电路15发送的超声波信号的电压进行升压处理，以使得升压处理后的电压为超声波发送探头13需要的第一预设电压，通过输入变压器17对超声波接收探头14发送的超声波信号的电压进行降压处理，以使得降压后的电压为FPGA处理电路12需要的第二预设电压，这样能够使得各个器件的电压相互匹配，能够保证更好的数据通信。

进一步的，该高速铁路断轨监测系统还包括放大滤波电路18；放大滤波电路18分别与输入变压器17和FPGA处理电路12电连接，用于接收输入变压器17降压后的超声波信号并对超声波信号进行放大和滤波处理。

本发明实施例提供的一种高速铁路断轨监测系统，还能够通过放大滤波电路18对高速铁路铁轨传播的超声波信号进行放大和滤波处理，滤除干扰波，以便后续噪声小，抗干扰性强的测试信号。

具体的，图7、图8、图9和图10示出了本发明实施例所提供的高速铁路铁轨断轨监测系统中传感器采集电路和放大滤波电路的电路图。其中，图7中的引脚③对应连接图8中的引脚③，而图9中的引脚④、⑤、⑥、⑦分别对应连接图10中的引脚④、⑤、⑥、⑦。

进一步的，该高速铁路断轨监测系统还包括模拟数字转换器ADC采样电路19；ADC采样电路19分别与放大滤波电路18和FPGA处理电路12电连接，用于接收放大滤波电路18处理后的超声波信号并将超声波信号进行模数转换。

本发明实施例提供的一种高速铁路断轨监测系统，还能够通过ADC采样电路19将模拟超声波信号转换为数字超声波信号，数字信号的抗干扰能力强，且稳定性好，便于后续的分析。

进一步的，该高速铁路断轨监测系统还包括保护电路20；保护电路20分别与MCU11、FPGA处理电路12、超声波发送探头13、超声波接收探头14、发送驱动电路15、输入变压器17、输出变压器16、放大滤波电路18及ADC采样电路19电连接，用于在检测到上述电路中电压、电流或者功率超出预设值时，自动切断电路。

进一步的，该高速铁路断轨监测系统还包括电源模块；电源模块包括第一电源模块22和第二电源模块26；第一电源模块22与FPGA处理电路电连接，用于为FPGA处理电路12提供电源；第二电源模块26与发送驱动电路电连接，用于为发送驱动电路提供电源。

具体的，图11和图12示出了本发明实施例所提供的一种高速铁路铁轨断轨监测系统中第一电源模块的电路图；第一电源模块22为小功率电源模块，其专用于为FPGA处理电路12提供电源，如使用5V、3.3V、2.5V和1.2V的供电模块进行供电；而第二电源模块26为大功率电源模块，其专用于为发送驱动电路15供电，如使用72V的供电模块进行供电。

另外，该高速铁路断轨监测系统还可以包括存储模块21；存储模块21与FPGA处理电路12电连接，用于将FPGA处理电路12接收的超声波信号进行存储。

具体的，本实施例中存储模块21也为FPGA存储模块21，该存储模块21优选为两个。

进一步的，该高速铁路断轨监测系统还包括传感器采集电路25；传感器采集电路25分别与MCU11和发送驱动电路15电连接，用于在检测到超声波发送探头13的预设参数不符合预设条件时，对预设参数进行实时补偿。

本实施例中，预设参数可以为温度；具体的，如当超声波发送探头13的工作环境温度过高或者过低，致使超声波发送探头13产生温度漂移现象时，可以是使用传感器采集电路25对温度进行补偿，如在环境温度过低时，自动补偿环境温度使环境温度适当提高；在环境温度过高时，自动补偿环境温度使环境温度适当降低。

具体的，图7、图8、图9和图10示出了本发明实施例所提供的高速铁路铁轨断轨监测系统中传感器采集电路和放大滤波电路的电路图。其中，图7中的引脚③对应连接图8中的引脚③，而图9中的引脚④、⑤、⑥、⑦分别对应连接图10中的引脚④、⑤、⑥、⑦。

进一步的，该高速铁路断轨监测系统中，传感器采集电路25包括：温度传感器接口和应力传感器接口；温度传感器接口，用于与温度传感器电连接，用以对整个测试电路的温度进行补偿；应力传感器接口，用于与应力传感器电连接，用以对整个测试电路的应力值进行补偿。

具体的，MCU11包括第一数据接口23，以便该MCU11通过第一数据接口23与其他设备进行连接，用以与其他设备进行数据通信；并且该MCU11上还设置有状态指示灯和电源指示灯，用以指示其自身的工作状态及电源使用状态。

而传感器采集电路25上同样设置有第二数据接口24，该第二数据接口24可以为设置有温度传感器接口，应力传感器接口，以便通过该接口与温度传感器和应力传感器连接，用以实现对整个测试电路的补偿。

具体的，图14、图15和图16示出了本发明实施例所提供的一种高速铁路铁轨断轨监测系统中第一电源模块为温度传感器接口和应力传感器接口供电的电路图。

下面结合具体电路图，如图1-图16所示，对本发明提供的高速铁路断轨监测系统进行简要说明：

通过主控单片机STM32103VE的I/O产生一路35K的方波，通过Q3 2N2222驱动Q2BUZ50大功率开关管，释放由U201 UC3483和Q201 SUP85N10，Q202 MBR20100组成的大电流DC-DC电路所产生的72V高压电源能量，通过接口变比谐振变压器T2和C41，C42谐振，把发送能量释放到超声发送探头上去，使超声发送探头发送的超声波的输出功率达到60W，输出幅度达到峰值1000V。

超声发送探头发出的超声波激励信号，通过2KM的无缝铁轨被超声波接收探头14接收到，信号幅度为200nV-500nV，信号通过探头连接的屏蔽电缆把信号传送到接口变压器T1(杜绝了周围电磁骚扰信号的串入)，通过接口的耦合变压器T1隔离耦合(隔离耦合进一步减小了信号串扰，并且起到了保护接口的作用，避免接口电路被意外出现的高压信号损毁)，信号进入接口放大电路，U2把信号放大了2000倍，放大后的信号进入ADC U4 ADS7886，通过采样转化为数字信号进入FPGA EP4C6中，FPGA中进行数字滤波和FFT分析，后经过频谱比较和信号相关性比对分析，判断收到的信号是否为真实监测信号。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种高速铁路断轨监测系统，其特征在于，包括：微控制单元MCU、现场可编程门阵列FPGA处理电路、超声波发送探头、超声波接收探头以及传感器采集电路；

所述MCU用于根据接收的指令信息产生测试信号，并将所述测试信号发送至所述超声波发送探头；

所述超声波发送探头与所述MCU电连接，用于接收所述测试信号，根据所述测试信号向高速铁路铁轨发送超声波信号，以便所述超声波信号在所述高速铁路铁轨中传播；

所述超声波接收探头用于接收高速铁路铁轨传播的所述超声波信号并将所述超声波信号发送至所述FPGA处理电路；

所述FPGA处理电路与超声波接收探头电连接，用于接收高速铁路铁轨传播的所述超声波信号，对所述超声波信号进行数字滤波和FFT分析，将FFT分析结果进行频谱比较和信号相关性比对分析，以确定高速铁路断轨的情况；

所述传感器采集电路与所述MCU电连接，用于在检测到所述超声波发送探头的预设参数不符合预设条件时，对所述预设参数进行实时补偿；所述预设参数包括：温度和应力值；

所述传感器采集电路包括：跳线J1、运算放大器U1A、运算放大器U1B、电阻R4、与电阻R4连接的可控精密稳压源Q1、分别与电阻R4和可控精密稳压源Q1连接的电阻R5和电阻R6、与电阻R5连接的可调电阻R13以及与电阻R6连接的铂热电阻PT100；所述铂热电阻PT100连接跳线J1的接口1，跳线J1的接口2接地；

运算放大器U1A的反向输入端通过电阻R9连接电阻R3以及通过电阻R1连接其输出端，其正向输入端通过电阻R12连接电阻R6；运算放大器U1A的反向输入端还通过电阻R10连接运算放大器U1B的正向输入端；运算放大器U1B的反向输入端还通过电阻R16连接其输出端，以及通过电阻R15接地。

2.根据权利要求1所述的高速铁路断轨监测系统，其特征在于，还包括发送驱动电路；

所述FPGA处理电路与所述MCU电连接，还用于对所述测试信号进行预处理并将预处理后的所述测试信号发送至所述发送驱动电路；

所述发送驱动电路分别与所述FPGA处理电路、所述超声波发送探头和传感器采集电路电连接，用于接收预处理后的所述测试信号并将所述测试信号发送至所述超声波发送探头，以便所述超声波发送探头根据所述测试信号向所述向高速铁路铁轨发送超声波信号。

3.根据权利要求2所述的高速铁路断轨监测系统，其特征在于，还包括输出变压器；

所述输出变压器分别与所述发送驱动电路和所述超声波发送探头电连接，用于对所述发送驱动电路发送的所述测试信号的电压进行升压处理，以使得升高后的电压为所述超声波发送探头需要的第一预设电压。

4.根据权利要求3所述的高速铁路断轨监测系统，其特征在于，还包括输入变压器；

所述输入变压器分别与所述超声波接收探头和所述FPGA处理电路电连接，用于对所述超声波接收探头发送的所述超声波信号的电压进行降压处理，以使得降压后的电压为所述FPGA处理电路需要的第二预设电压。

5.根据权利要求4所述的高速铁路断轨监测系统，其特征在于，还包括放大滤波电路；

所述放大滤波电路分别与所述输入变压器和所述FPGA处理电路电连接，用于接收所述输入变压器降压后的所述超声波信号并对所述超声波信号进行放大和滤波处理。

6.根据权利要求5所述的高速铁路断轨监测系统，其特征在于，还包括模拟数字转换器ADC采样电路；

所述ADC采样电路分别与所述放大滤波电路和所述FPGA处理电路电连接，用于接收所述放大滤波电路处理后的所述超声波信号并将所述超声波信号进行模数转换。

7.根据权利要求6所述的高速铁路断轨监测系统，其特征在于，还包括保护电路；

所述保护电路分别与所述微控制单元MCU、所述FPGA处理电路、所述超声波发送探头、所述超声波接收探头、所述发送驱动电路、所述输入变压器、所述输出变压器、所述放大滤波电路及所述ADC采样电路电连接，用于在检测到电压、电流或者功率超出预设值时，自动切断电路。

8.根据权利要求7所述的高速铁路断轨监测系统，其特征在于，还包括电源模块；

所述电源模块包括第一电源模块和第二电源模块；所述第一电源模块与所述FPGA处理电路电连接，用于为所述FPGA处理电路提供电源；

所述第二电源模块与所述发送驱动电路电连接，用于为所述发送驱动电路提供电源。

9.根据权利要求1所述的高速铁路断轨监测系统，其特征在于，所述传感器采集电路包括：温度传感器接口和应力传感器接口；

所述温度传感器接口，用于与温度传感器电连接，用以对整个测试电路的温度进行补偿；

所述应力传感器接口，用于与应力传感器电连接，用以对整个测试电路的应力值进行补偿。