CN214703991U - 轨检小车用轨枕识别系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了轨检小车用轨枕识别系统，通过设置带通滤波放大器对有用的信号进行放大，并抑制其它的噪声和干扰，从而得到最大信噪比，避免轨枕识别器出现漏识别和误识别的情况；通过设置电位比较器，同时电位比较器的阈值电平可调，可以根据输入信号大小调节电位比较器的阈值电平，以便将有用信号鉴别出来，解决现有电位比较器阈值电平为零时，轨枕识别器容易出现误识别的情况，以及解决现有电位比较器阈值电平为固定电平时，轨枕识别器容易出现漏识别的情况。

Description

轨检小车用轨枕识别系统

技术领域

本实用新型涉及高速铁路轨检小车技术领域，尤其涉及轨检小车用轨枕识别系统。

背景技术

高速铁路要求轨道具有极高的平顺性，因为在高速行车状态下，即使是微小的轨道变形也可能带来很大的轮轨作用力，影响行车安全和限制行车速度。国内大多数铁路基础建设单位和铁路运营维护单位使用的轨检小车仍以进口产品为主，Amberg GRP1000和Trimble GEDO是其中两个应用最广泛的品牌，占据了我国轨检小车的大部分市场份额。近年来，随着我国高速铁路建设的迅猛发展，轨检小车的需求越来越大，国内公司和研究单位开始从模仿国外轨检小车逐步走向自主研发，相继推出了各自的绝对测量型轨检小车。

高铁无砟轨道只能通过调整扣件系统来精调钢轨的轨向和高低，因此轨检小车的轨道测量值，如轨道调整量的输出最终要落实到具体的轨枕上。为此，轨检小车上面设计了轨枕识别器，用于识别轨枕的位置，其基本原理为：当轨检小车经过轨枕时，轨枕识别器发出一个脉冲信号，数据采集系统记录该脉冲信号的时间，与轨检小车的其他传感器测量值进行时间同步。在数据后处理中，根据轨枕识别器脉冲信号的时间查找绝对位置坐标，进而反算出该脉冲信号(轨枕)对应的轨道里程，最终输出轨枕里程处的各项测量结果。由于测量现场存在比较多的干扰因素，轨枕识别器可能出现漏识别或误识别的情况。因此，为解决上述问题，本实用新型提供轨检小车用轨枕识别系统，可以较高精度的检测轨枕，降低轨枕误识别以及漏识别的概率，提高轨枕识别系统的可靠性。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提出了轨检小车用轨枕识别系统，可以较高精度的检测轨枕，降低轨枕误识别以及漏识别的概率，提高轨枕识别系统的可靠性。

本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型提供了轨检小车用轨枕识别系统，其包括单片机、超声波发射电路、轨枕识别器以及信号处理电路，信号处理电路包括带通滤波放大器、检波电路和电位比较器；

单片机输出控制脉冲经至超声波发射电路放大后输出至轨枕识别器，驱动轨枕识别器发射超声波信号至轨枕，轨枕识别器接收轨枕的反射信号，所述反射信号经带通滤波放大器滤波放大后，再经检波电路选频，检波电路输出高低电平至电位比较器，所述高低电平与电位比较器的基准电压进行比较，电位比较器输出的低电平触发单片机的外中断引脚。

在以上技术方案的基础上，优选的，带通滤波放大器包括一阶低通滤波器和一阶高通滤波器；

轨枕识别器接收的反射信号依次经过一阶低通滤波器和一阶高通滤波器滤波处理后输出至检波电路。

在以上技术方案的基础上，优选的，带通滤波放大器的带宽为90-210KHz。

在以上技术方案的基础上，优选的，检波电路包括：LM567解码器、电阻R1、电阻R2、可调电阻RP1和电容C1-C3；

轨枕识别器接收的反射信号经过带通滤波器滤波放大后输入至LM567解码器的引脚3，LM567解码器的引脚1通过电容C1接地，LM567解码器的引脚2通过电容C2接地，LM567解码器的引脚4与电源电性连接，LM567解码器的引脚5通过顺次连接的滑动电阻RP1、电阻R2与LM567解码器的引脚6电性连接，LM567解码器的引脚6通过电容C3接地，LM567解码器的引脚7接地，LM567解码器的引脚8输出高低电平至电位比较器，电源通过电阻R1与LM567解码器的引脚8电性连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，电位比较器包括：LM311比较器、电阻R3、电阻R4和可调电阻RP2；

LM567解码器的引脚8与LM311比较器的同相输入端电性连接，LM311比较器的反相输入端分别与电阻R3的一端以及可调电阻RP2的一端电性连接，电阻R3的另一端与电源电性连接，可调电阻RP2的另一端以及调节端均接地，LM311比较器的输出端与单片机的外中断引脚电性连接，电源通过电阻R4与LM311比较器的输出端电性连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，超声波发射电路包括电阻R5-R7、电容C4以及反相器TM74HC04；

单片机输出控制脉冲至反相器TM74HC04的第一通道输入端、第二通道输入端以及第三通道输入端，第一通道的输出端与第二通道的输出端电性连接，第二通道的输出端通过顺次连接的电阻R6和电容C4与轨枕识别器内超声波发射探头的一端连接，第三通道的输出端分别与第四通道的输入端以及第五通道的输入端电性连接，第四通道的输出端以及第五通道的输出端分别与电阻R7的一端电性连接，电阻R7的另一端与轨枕识别器内超声波发射探头的另一端连接。

本实用新型的轨检小车用轨枕识别系统相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)通过设置带通滤波放大器对有用的信号进行放大，并抑制其它的噪声和干扰，从而得到最大信噪比，避免轨枕识别器出现漏识别和误识别的情况；

(2)通过设置检波电路，一方面，起到缓冲、放大、滤波和隔离作用，可以实现识别系统的电气隔离，起到保护作用，同时对毫伏级的输入信号具备噪声抑制能力；另一方面，起到选频作用，捕捉有用信号，避免噪声干扰信号进入电位比较器，引起轨枕识别器容易出现误识别的情况；

(3)通过设置电位比较器，同时电位比较器的阈值电平可调，可以根据输入信号大小调节电位比较器的阈值电平，以便将有用信号鉴别出来，解决现有电位比较器阈值电平为零时，轨枕识别器容易出现误识别的情况，以及解决现有电位比较器阈值电平为固定电平时，轨枕识别器容易出现漏识别的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。

图1为本实用新型轨检小车用轨枕识别系统的结构图；

图2为本实用新型轨检小车用轨枕识别系统中超声波发射电路的电路图；

图3为本实用新型轨检小车用轨枕识别系统中检波电路的电路图；

图4为本实用新型轨检小车用轨枕识别系统中电位比较器的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，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方式，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型的轨检小车用轨枕识别系统，其包括单片机、超声波发射电路、轨枕识别器以及信号处理电路。

轨枕识别器，可采用超声波开关或反射式光电开关，通过感应垂向距离的变化来识别轨枕；或者采用磁识别开关，但是需要在轨枕上面预先布设RFID标签，比较麻烦。优选的，本实施例中，轨枕识别器选用反射式超声波传感器来识别轨枕，反射式超声波传感器内置超声波探头，本实施例中用T1表示超声波探头。

超声波发射电路，用于驱动轨枕识别器产生超声波信号。优选的，如图2所示，超声波发射电路包括电阻R5-R7、电容C4以及反相器TM74HC04；单片机输出控制脉冲至反相器TM74HC04的第一通道输入端、第二通道输入端以及第三通道输入端，第一通道的输出端与第二通道的输出端电性连接，第二通道的输出端通过顺次连接的电阻R6和电容C4与轨枕识别器内超声波发射探头的一端连接，第三通道的输出端分别与第四通道的输入端以及第五通道的输入端电性连接，第四通道的输出端以及第五通道的输出端分别与电阻R7的一端电性连接，电阻R7的另一端与轨枕识别器内超声波发射探头的另一端连接。本实施例中，反相器TM74HC04包含六通道反相器。本实施例中，采用压电式传感器的谐振作用进行工作，当驱动频率达到压电晶体的谐振频率时，压电晶体产生同频率的振荡，从而产生超声波。由单片机输出频率为40kHz的驱动信号，其中输出的40kHz方波经由第二通道反相器输入到超声波发射探头的一个电极，另外一路经由第三通道反相器以及第四通道反相器和第五通道反相器组成的两级反相器输入到超声波发射探头的另一电极。采用该推挽方式驱动超声波发射器，能够增强超声波的发射强度。此外，采用两路信号并联的方式，可以提高电路的驱动能力并增强超声波传感器的阻尼作用，传感器阻尼增强，可以减少传感器振荡的时间。

采用反射式超声波传感器识别轨枕过程中，存在以下两个问题：一是，轨枕反射的回波信号可能被反射式超声波传感器的发射电路吸收，使本来就很微弱的回波信号更加微弱，造成信号处理电路检测不到回波，轨枕识别器出现漏检的情况；二是，反射式超声波传感器的工作频率远远高于人类能够听到的频率，但是周围环境也会产生类似频率的噪音，容易造成反射式超声波传感器因环境噪音引起的误识别的情况。因此，为了解决上述两个问题，本实施例中，优化了信号处理电路的结构，可以滤除环境噪声并对有用信号进行放大，实现有用信号的有效读取，避免出现漏识别或误识别的情况。优选的，信号处理电路包括带通滤波放大器、检波电路和电位比较器。

带通滤波放大器，在轨枕识别器接收的信号中，除了轨枕反射的回波外，总混有杂波和干扰脉冲等环境噪声，而前端放大电路在放大有用信号的同时，会将一部分的噪声信号同时放大，并没有提高输入信号的信噪比。因此，为解决上述问题，本实施例设置了带通滤波放大器，其作用是对有用的信号进行放大，并抑制其它的噪声和干扰，从而得到最大信噪比，以利于检波电路的正确检测。优选的，带通滤波放大器包括一阶低通滤波器和一阶高通滤波器；轨枕识别器接收的反射信号依次经过一阶低通滤波器和一阶高通滤波器滤波处理后输出至检波电路。基于轨检小车的应用场景，以及周围环境噪声频率，本实施例中，带通滤波放大器的带宽为90-210KHz。

检波电路，当接收信号放大到2V左右时，就可以进行信号检测，信号检测的目的是确定单片机接收信号的到达时间，根据到达时间查找绝对位置坐标，进而反算出该脉冲信号(轨枕)对应的轨道里程。本实施例中，检波电路的作用是完成缓冲、放大、滤波和隔离作用，可以实现识别系统的电气隔离，起到保护作用，同时对毫伏级的输入信号具备噪声抑制能力。优选的，如图3所示，检波电路包括：LM567解码器、电阻R1、电阻R2、可调电阻RP1和电容C1-C3；具体的，轨枕识别器接收的反射信号经过带通滤波器滤波放大后输入至LM567解码器的引脚3，LM567解码器的引脚1通过电容C1接地，LM567解码器的引脚2通过电容C2接地，LM567解码器的引脚4与电源电性连接，LM567解码器的引脚5通过顺次连接的滑动电阻RP1、电阻R2与LM567解码器的引脚6电性连接，LM567解码器的引脚6通过电容C3接地，LM567解码器的引脚7接地，LM567解码器的引脚8输出高低电平至电位比较器，电源通过电阻R1与LM567解码器的引脚8电性连接。其中，LM567解码器的作用是选频，只有当输入信号的频率和检波电路自身的振荡频率相一致时，电路输出低电平，否则输出高电平；LM567解码器的引脚5和引脚6外接的电阻2、可调电阻RP1以及电容C3决定了LM567解码器内部压控振荡器的中心频率；LM567解码器的引脚1和引脚2分别通过电容C1和电容C2接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络，并且引脚2所接电容C2决定LM567解码器内部锁相环路的捕捉带宽：电容C2值越大，环路带宽越窄。本实施例中，当输入至检波电路的频率在LM567解码器带宽范围，LM567解码器输出低电平至电位比较器。

电位比较器，用于触发单片机的外部中断引脚。现有的电位比较器通常采用某一固定电平或滑动门限电平作为比较电平，其中，以零电平作为比较电平在本实施例中的效果很差，主要是因为放大后的信号中含有一定幅值的噪声，即使轨枕识别器没有接收信号，也会造成电位比较器反复触发，从而造成轨枕识别器误识别的情况；若采用某一高于一般噪声峰值的固定电平作为比较电平，虽然可以消除一般噪声的影响，但由于比较电平固定，当信号的幅值发生变化时，这一固定电平所对应的门限就无法将有用信号鉴别出来，造成轨枕识别器漏识别的情况。因此，为了解决上述问题，优选的，本实施例中，如图4所示，电位比较器包括：LM311比较器、电阻R3、电阻R4和可调电阻RP2；具体的，LM567解码器的引脚8与LM311比较器的同相输入端电性连接，LM311比较器的反相输入端分别与电阻R3的一端以及可调电阻RP2的一端电性连接，电阻R3的另一端与电源电性连接，可调电阻RP2的另一端以及调节端均接地，LM311比较器的输出端与单片机的外中断引脚电性连接，电源通过电阻R4与LM311比较器的输出端电性连接。其中，当电位比较器的输入信号幅值发生变化时，通过调节可调电阻RP2的阻值，可以改变LM311比较器的比较电平，以便将有用信号鉴别出来。本实施例中，电位比较器为反向电位比较器，当输入信号电平大于LM311比较器的阈值电平时，LM311比较器输出低电平，反之，输出高电平。单片机接收到高电平时，说明捕捉到信号，并记录捕捉时间。

本实施例的工作原理为：反射式超声波传感器发射超声波信号，该超声波信号遇到轨枕产生回波信号，反射式超声波传感器接收该回波信号，该回波信号首先经过带通滤波放大器滤除环境噪声，将有用信号从环境噪声中提取出来，并进行放大，当有用信号放大到2V时，经过检波电路进行解码、隔离和抑制噪声后，输出解码后的信号至电位比较器，该信号与电位比较器的阈值电平进行比较，当该信号电平小于电位比较器的阈值电平时，电位比较器输出高电平至单片机的外部中断引脚，单片机的外部中断引脚被触发，单片机记录触发时间，并根据触发时间查找绝对位置坐标，进而反算出该脉冲信号(轨枕)对应的轨道里程。

本实施例的有益效果为：通过设置带通滤波放大器对有用的信号进行放大，并抑制其它的噪声和干扰，从而得到最大信噪比，避免轨枕识别器出现漏识别和误识别的情况；

通过设置检波电路，一方面，起到缓冲、放大、滤波和隔离作用，可以实现识别系统的电气隔离，起到保护作用，同时对毫伏级的输入信号具备噪声抑制能力；另一方面，起到选频作用，捕捉有用信号，避免噪声干扰信号进入电位比较器，引起轨枕识别器容易出现误识别的情况；

通过设置电位比较器，同时电位比较器的阈值电平可调，可以根据输入信号大小调节电位比较器的阈值电平，以便将有用信号鉴别出来，解决现有电位比较器阈值电平为零时，轨枕识别器容易出现误识别的情况，以及解决现有电位比较器阈值电平为固定电平时，轨枕识别器容易出现漏识别的情况。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.轨检小车用轨枕识别系统，其包括单片机、超声波发射电路、轨枕识别器以及信号处理电路，其特征在于：所述信号处理电路包括带通滤波放大器、检波电路和电位比较器；

所述单片机输出控制脉冲经至超声波发射电路放大后输出至轨枕识别器，驱动轨枕识别器发射超声波信号至轨枕，轨枕识别器接收轨枕的反射信号，所述反射信号经带通滤波放大器滤波放大后，再经检波电路选频，检波电路输出高低电平至电位比较器，所述高低电平与电位比较器的基准电压进行比较，电位比较器输出的低电平触发单片机的外中断引脚。

2.如权利要求1所述的轨检小车用轨枕识别系统，其特征在于：所述带通滤波放大器包括一阶低通滤波器和一阶高通滤波器；

所述轨枕识别器接收的反射信号依次经过一阶低通滤波器和一阶高通滤波器滤波处理后输出至检波电路。

3.如权利要求2所述的轨检小车用轨枕识别系统，其特征在于：所述带通滤波放大器的带宽为90-210KHz。

4.如权利要求1所述的轨检小车用轨枕识别系统，其特征在于：所述检波电路包括：LM567解码器、电阻R1、电阻R2、可调电阻RP1和电容C1-C3；

所述轨枕识别器接收的反射信号经过带通滤波器滤波放大后输入至LM567解码器的引脚3，LM567解码器的引脚1通过电容C1接地，LM567解码器的引脚2通过电容C2接地，LM567解码器的引脚4与电源电性连接，LM567解码器的引脚5通过顺次连接的滑动电阻RP1、电阻R2与LM567解码器的引脚6电性连接，LM567解码器的引脚6通过电容C3接地，LM567解码器的引脚7接地，LM567解码器的引脚8输出高低电平至电位比较器，电源通过电阻R1与LM567解码器的引脚8电性连接。

5.如权利要求4所述的轨检小车用轨枕识别系统，其特征在于：所述电位比较器包括：LM311比较器、电阻R3、电阻R4和可调电阻RP2；

所述LM567解码器的引脚8与LM311比较器的同相输入端电性连接，LM311比较器的反相输入端分别与电阻R3的一端以及可调电阻RP2的一端电性连接，电阻R3的另一端与电源电性连接，可调电阻RP2的另一端以及调节端均接地，LM311比较器的输出端与单片机的外中断引脚电性连接，电源通过电阻R4与LM311比较器的输出端电性连接。

6.如权利要求1所述的轨检小车用轨枕识别系统，其特征在于：所述超声波发射电路包括电阻R5-R7、电容C4以及反相器TM74HC04；

所述单片机输出控制脉冲至反相器TM74HC04的第一通道输入端、第二通道输入端以及第三通道输入端，第一通道的输出端与第二通道的输出端电性连接，第二通道的输出端通过顺次连接的电阻R6和电容C4与轨枕识别器内超声波发射探头的一端连接，第三通道的输出端分别与第四通道的输入端以及第五通道的输入端电性连接，第四通道的输出端以及第五通道的输出端分别与电阻R7的一端电性连接，电阻R7的另一端与轨枕识别器内超声波发射探头的另一端连接。

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