CN105115742B - 一种超导磁浮车辆试验运行关键参数车载检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导磁浮车辆试验运行关键参数车载检测系统，包括安装在磁悬浮车辆上的传感器系统、采集和处理传感器系统数据的车载检测系统。传感器系统布置在试验车辆底板及转向架上，所采集到的信号接入车载检测系统。检测系统包括安装在磁悬浮试验车辆上的传感器、采集和处理传感器数据的车载检测系统。传感器布置在试验车辆底板及转向架上，接入车载检测系统，检测系统以磁悬浮车辆运行时的关键物理参数为主要检测对象，对超导磁浮车体运行状态进行实时在线监测。本发明提供一种磁悬浮试验车辆传感器布置方案和参数检测方法。采用本发明的布置，不仅可以满足磁悬浮试验车辆测试的特殊要求，而且可以简化其关键参数测试的复杂度，提高测试精度。
Description
技术领域
本发明涉及超导磁浮车辆试验运行参数测量领域，具体涉及一种超导磁浮车辆试验运行参数实时检测方法。
背景技术
传统的轮轨粘着式铁路利用车轮与钢轨的粘着力使列车前进，而其粘着系数随着速度的增加而减小，走行阻力随着速度的增加而加大。当速度超过粘着系数曲线和走行阻力曲线的交点时，速度就不可能再进一步提高。与轮轨列车相比，磁悬浮列车具有更加安全、振动噪声更小、能耗更低等优势。磁悬浮超高速车辆经过几十年的研究和试验，已取得了重大的进展，特别是超导磁悬浮技术的突破性进展，极大的促进了磁悬浮列车技术的研究。
世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车2000年诞生于我国西南交通大学，此后开展的大量针对悬浮、导向和驱动方面的研究工作大大推进了高温超导磁悬浮列车的实用化发展。除了上述三大核心技术外，在实际运行中的超导磁浮车运行状态参数监测，如车辆悬浮高度、悬浮重量、运行速度、加速度、运行方向、位置、车体偏移等，一方面能够直观地实时反映超导磁浮车的悬浮性能，增加与乘客的互动；另一方面检测到的运行状态参数为超导磁浮车的控制提供反馈，以实现车辆的加减速和定点停车等功能。与传统轮轨车辆技术相比，超导磁浮车具有其特殊性：悬浮和导向通过车载超导磁悬浮装置与永磁轨道相互作用实现，驱动采用大气隙直线电机完成。目前，高温超导磁悬浮车尚处于实验室阶段，还没有成熟可靠的运行监测系统可供参考。
发明内容
本发明的目的在于满足超导磁浮车辆技术研究过程对关键参数检测的需要，提供一种磁悬浮试验车辆传感器布置方案和参数检测方法。通过此方法，不仅可以满足磁悬浮试验车辆测试的特殊要求，而且可以简化其关键参数测试的复杂度，提高测试精度。
本发明的目的是通过如下的手段实现的。
一种超导磁浮车辆试验运行关键参数车载检测系统，包括安装在磁悬浮车辆上的传感器系统、采集和处理传感器系统数据的车载检测系统；传感器系统布置在试验车辆底板及转向架上，所采集到的信号接入车载检测系统。
所述的传感器系统包括加速度传感器、速度传感器、位移传感器、力传感器和倾角仪。其中，加速度传感器和倾角仪安装在车体底板中部位置，检测车体横向和纵向加速度；速度传感器安装在转向架底部，检测车辆运行实时速度；位移传感器安装转向架底部，倾角仪安装在转向架中心，检测车体悬浮高度；力传感器安装在车体底板与转向架连接处，检测车体悬浮重量。
所述车载检测系统包括控制模块、电源模块、信号采集模块、无线传输模块和大容量存储器；大容量存储器、电源模块和信号采集模块分别与控制模块连接；受控制模块的控制，车上各传感器信号经过信号采集模块采集，存储到大容量的存储器中并同时通过无线数据传输模块发送到主控服务器。
本发明提供一种磁悬浮试验车辆传感器布置方案和参数检测方法。采用本发明的布置，不仅可以满足磁悬浮试验车辆测试的特殊要求，而且可以简化其关键参数测试的复杂度，提高测试精度。
附图说明
图1是本发明的检测系统的结构示意图
图2是本发明的车载检测系统的结构示意图
具体实施方式
下面，将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案、计算方法进行清楚的、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分具体实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
悬浮重量测试：在转向架和超导悬浮装置之间布置力传感器，每个超导悬浮装置上布置3个力传感器。
车体离心力测试和纵向加速度测试：在车体底部中心布置加速度传感器和倾角仪。
悬浮高度测试：在每个超导悬浮装置内侧安装激光位移传感器，方向竖直向下。
速度测试：在转向架上布置调制光发射设备和调制光接收检测设备，后端接入脉冲检测设备。
数据检测与传输：在车体内部布置车载检测系统，其中包含无线数据传输模块和电源模块。
1、悬浮重量测试：
每个力传感器测得的重力与所有超导悬浮装置自身重量之和，即为悬浮重量。
其中，wdi为单个超导悬浮装置重量，wi为每个称重传感器输出，n为超导悬浮装置个数。
2、车体离心力测试和纵向加速度测试：
由三轴高精度倾角仪的输出车体姿态矩阵与加速度传感器的输出的三向加速度ab联合推导出车体的实时三向加速度
其中，atx为车体纵向加速度，atyw为车体离心力。
3、悬浮高度测试：
在超导悬浮装置内侧竖直向下方向安装激光位移传感器，布点数量与实际测试车辆超导悬浮装置数量相等。结合转向架上倾角仪的输出实时检测磁浮车辆转向架的悬浮高度。
4、速度测试：
通过光纤传输发射调制光到轨道表面布置的黑白条纹标识上；调制光接收设备检测反射调制光，根据其强弱与阈值比对输出脉冲，由脉冲检测设备来记录脉冲数，与条纹宽度的乘积即为对应的运行里程；通过单位时间内的运行里程来推导车辆行驶速度。
5、数据检测及传输：
如图2所示车载检测系统由控制模块、电源模块、信号采集模块、无线传输模块和大容量存储器构成。由控制模块作为车载主机系统的控制单元，其它模块连接到控制模块上。磁浮车辆各传感器信号经过信号调理模块处理后接入信号采集模块。信号采集模块将模拟信号经过AD转换后发送到控制模块，由控制模块控制数据存储并通过无线模块将数据传输主控服务器。控制模块为PC104主板搭配嵌入式系统WindowsXP Embedded构成，大容量存储器为固态硬盘，无线模块为工业级WIFI模块，控制模块通过SATA接口将所接收的数据存储到固态硬盘上，外部可以通过控制模块的USB接口和WIFI接口读取原始数据。
信号采集模块包括信号调理和AD转换两个部分，信号采集模块和控制模块通过PC104总线进行数据传输，每个传感器配备一组相应的信号调理电路，由于磁浮列车试验运行相对平稳，所需的信号采样率无需过高，故所有经过调理的模拟信号共用一个高速AD转换模块。
信号调理电路对应所测试模拟信号共有三种：直接电压信号调理电路、电压源供电的微电压信号调理电路和电流信号调理电路。加速度传感器、倾角仪、陀螺仪和光脉冲检测模块输出为直接电压信号，力传感器输出为微电压信号，激光位移传感器输出为电流信号。
(1)直接电压信号AD转换
直接电压信号AD转换电路只需对输入信号进行低通抗混叠滤波，然后进行AD转换。此处低通滤波器选用MAX291实现。
(2)电压源供电的微电压信号AD转换
针对电压源供电的微电压信号，需搭建调理电路，对微电压信号进行调零及放大。此处调零部分电路采用AD芯片ADS8521先读取初始电压值，然后输出到DA芯片DAC7513作为零点值，通过运算放大器OPA2347，搭建减法电路和加法电路，实现调零功能；另外此处放大部分电路采用AD624进行放大，放大倍数是可根据具体需求进行调整。微电压信号放大后采用(1)中所述抗混跌滤波器滤波，然后进行AD转换。
(3)微电流信号AD转换
通过串联电阻将微电流信号转换为电压信号，此处选用电阻为250欧姆的精密电阻。通过由运算放大器组建的跟随器使转换得到的电压信号更加稳定，再通过(1)中所述抗混叠滤波器滤波，然后进行AD转换。
系统基本工作流程如下：
整个检测系统由工控主板控制，工控主板通过无线模块接收主控服务器指令，包括数据采集模块和各传感器的工作状态设置和工作参数设置。磁浮车辆上的各传感器输出模拟信号经各自调理电路处理后，由AD采集模块转换成数字信号并通过PC104总线传送到工控主板，工控主板对数据进行存储和无线传输。系统采用大容量可充电锂电池供电。
以上所述的具体实施方式，对于本发明的技术路线，传感器布置方法，数据处理算法和有益效果进来了详细的说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡是在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种超导磁浮车辆试验运行关键参数车载检测系统，其特征在于，包括安装在磁悬浮车辆上的传感器系统、采集和处理传感器系统数据的车载检测系统；传感器系统布置在试验车辆底板及转向架上，所采集到的信号接入车载检测系统；
所述的传感器系统包括加速度传感器、速度传感器、位移传感器、力传感器和倾角仪；其中，加速度传感器和倾角仪安装在车体底板中部位置，检测车体横向和纵向加速度；速度传感器安装在转向架底部，检测车辆运行实时速度；位移传感器安装转向架底部，倾角仪安装在转向架中心，检测车体悬浮高度；力传感器安装在车体底板与转向架连接处，检测车体悬浮重量；
所述车载检测系统包括控制模块、电源模块、信号采集模块、无线传输模块和大容量存储器大容量存储器、电源模块和信号采集模块分别与控制模块连接；受控制模块的控制，车上各传感器信号经过信号采集模块采集，存储到大容量的存储器中并同时通过无线数据传输模块发送到主控服务器；
由倾角仪的输出车体姿态矩阵与加速度传感器输出的三向加速度ab可得出车体的实时三向加速度at：
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通过光纤传输发射调制光到轨道表面布置的黑白条纹标识上；调制光接收设备检测反射调制光，根据其强弱与阈值比对输出脉冲，由脉冲检测设备来记录脉冲数，与条纹宽度的乘积即为对应的运行里程；通过单位时间内的运行里程得出车辆行驶速度；
在超导悬浮装置内侧竖直向下方向安装激光位移传感器，布点数量与实际测试车辆超导悬浮装置数量相等；结合转向架上倾角仪的输出实时检测磁浮车辆转向架的悬浮高度。
2.根据权利要求1所述的超导磁浮车辆试验运行关键参数车载检测系统，其特征在于，所述的信号采集模块包括信号调理和AD转换两个部分，信号采集模块和控制模块通过PC104总线进行数据传输，每个传感器配备一组相应的信号调理电路，所有经过调理的模拟信号共用一个高速AD转换模块。
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