基于激光位移傳感器的鋼軌沉降監測系統研究

劉忠南 王忠慶

（山西晉中理工學院，山西 晉中 030600）

1 引言

我國是一個擁有14億多人口的大國，隨著人們生活物質水平的逐漸提高，人們對交通出行的要求也越來越高。鐵路作為交通出行中不可或缺的出行方式，也獲得了更多人的青睞。我國作為世界的人口大國，同時也是世界上對交通出行和交通消費有巨大需求量的大國，目前人們的出行方式以鐵路為主[1]。隨著中國科技產業化的不斷集中，大量的頂尖人才和資金投入到鐵路運輸業的發展計劃之中，使我國鐵路運輸業的整體技術不斷提升發展[2]。

縱觀人類歷史，高鐵鋼軌沉降產生的影響對高鐵列車的安全運行正變得愈來愈明顯，輕者使列車車輛的輪對造成損壞，嚴重情況會造成列車脫軌等安全事故的發生[3]。所以高鐵鋼軌沉降監測對高鐵安全運輸具有極大的現實意義[4]。針對這種情況，本文設計一套基于激光位移傳感器的鋼軌沉降監測系統，可以實現對高鐵鋼軌沉降進行多方位、高精度、自動與實時在線監測。

2 系統總體方案設計

基于激光位移傳感器的鋼軌沉降監測系統是一種測量高速鐵路鋼軌沉降信息的系統，通過數字電路對其進行控制達到測量高速鐵路沉降的目的。高速鐵路沉降監測系統是在沉降監測點安裝振動傳感器和激光位移傳感器，通過數據采集模塊將傳感器采集到的信號進行匯總，結合激光位移傳感器和振動傳感器狀態的變化來綜合判斷鋼軌沉降狀態。監測到的數據通過GPRS數據傳輸方式傳送到監控中心，實時對數據進行分析、整理、存儲、顯示及報警，從而實現對高速鐵路鋼軌沉降的實時監測。根據系統設計功能要求，設計的系統總體組成框圖如圖1所示。

圖1 系統的總體組成框圖

本文設計的基于激光位移傳感器的鋼軌沉降監測系統可實現以下功能：通過激光位移傳感器和振動傳感器對鋼軌的沉降實時監測；判斷沉降數值是否超過安全沉降值；在監控中心顯示沉降數值，并對數據進行存儲、預警等。本文設計的基于激光位移傳感器的鐵路鋼軌沉降監測系統的測量精度不低于0.98mm[5]。

3 系統硬件設計

根據設計要求和系統的整體方案，選擇合適的元器件。采集沉降信息的傳感器采用激光位移傳感器和振動傳感器相結合的方法，單片機采用意法半導體公司(ST)的STM32。根據硬件設計原則，按模塊對整個沉降監測終端的硬件電路進行設計。

3.1 激光位移傳感器模塊

對鋼軌沉降進行實時檢測，并將檢測到的實際沉降數值與安全沉降數值進行比較，檢測是否超過安全沉降值，并作出預警。激光位移傳感器由激光發射裝置和激光接收裝置組成。激光位移傳感器的示意圖如圖2所示。

圖2 激光位移傳感器示意圖

激光發射裝置是由激光控制電路控制激光發射器的發射，根據不同的天氣以及振動傳感器產生的數據調整控制激光發射的間隔時間實現沉降數值的檢測。

激光發射裝置的選型，考慮到激光的使用壽命、精度要求、體積要求、抗干擾能力要求、分辨率要求、特性參數、耗能、價格等方面的要求，以及要求具有實時處理數據的功能，且不得干擾列車正常運行，選用圓點狀光斑的半導體激光，故系統采用加拿大Nanoline Laser 公司生產的SNF-501 型激光器。

激光控制電路工作原理如下：考慮在不同天氣條件狀態下，通過激光發射裝置中CD4060振蕩器產生所要求頻率的振蕩脈沖，驅動繼電器工作，控制激光在不同的時間間隔發出，采集產生沉降數值信息；有列車經過系統監測點時，振動傳感器對沉降信息進行采集，觸發繼電器工作進而收集沉降數值；當發生雨、雪特殊天氣時，利用雨或雪能導電的原理將電路連通，觸發光耦工作，改變了光耦器件工作的晶振頻率，減小激光發射裝置的激光發射頻率，達到動態實時監測的目的。

本次設計的激光控制電路如圖3所示。

圖3 激光控制電路

相比CCD、PSD 等光接收裝置，光敏二極管在相同的接收信息量的條件下，價格相對低廉，所以激光接收部分設計了以光敏二極管面陣作為光接收裝置。該面陣由72個光敏二極管相互并聯構成，以蜂窩狀進行排列，72 個光敏二極管輸出電流信號的總和作為光敏二極管面陣輸出。

激光二極管面陣示意圖如圖4所示。

圖4 激光二極管面陣示意圖

3.2 振動傳感器模塊

采用振動傳感器采集沉降值的目的是用來消除因列車經過造成鋼軌震動對激光位移傳感器所采集到的錯誤的沉降數值的影響，可通過位移傳感器來測量由震動產生的瞬間，物體位移所產生的加速度，進而得到震動瞬間的鋼軌實際產生的沉降數值，并將該值傳輸給監控中心。系統選用GT02型力平衡加速度傳感器作為振動傳感器來消除錯誤的沉降值。GT02型力平衡加速度傳感器的原理如圖5所示。

圖5 GT02型力平衡加速度傳感器原理圖

3.3 主控模塊

當前，在工程設計中最常用的微控制器是采用51 內核的，由于本系統對實時性和協調性要求較高，普通的51內核已經不能滿足系統的設計需求，無法實行嵌入式實時操作，執行效率和速度低，故采用STM32 作為系統的主控模塊。STM32 是基于ARM Cortex-M3 內核的微控制器，享有豐富的片內資源，價格低，能實現系統的實時穩定運行。

系統在STM32接收到沉降信息后，將信息處理并通過串口將數據發送到GPRS模塊，再將數據傳輸給監控中心。本系統的主控模塊是基于STM32系列搭建的，并對外圍電路進行了設計。鋼軌沉降監測裝置主控模塊電路圖如圖6所示。

圖6 鋼軌沉降監測裝置主控模塊電路圖

3.4 通訊系統模塊

當前市場上，通信系統模塊種類繁多，通過對典型的通信模塊進行比較，華為公司的GTM900-C模塊由于為兩頻段GSM/GPRS無線模塊，工作溫度范圍廣，同其他類產品相比，具有更高的性價比，所以更為適合鋼軌沉降實時數據監控系統的應用[6]。又根據檢測現場實際需要，監測點距離監控中心較遠，本次設計我們采用的通信方式是GPRS通信，其接線圖如圖7所示。

圖7 GPRS模塊接線圖

4 系統軟件設計

通過監控中心中友好的人機界面來保存和處理激光位移傳感器和振動傳感器所監測的沉降信息，并通過監控中心可以直接控制沉降監測系統的工作，進而達到信息監測處理的數字化與智能化，并根據實際的數值及時做出科學的預判，對可能產生的沉降進行預防處理，達到保障安全的目的。通過對鐵路工作人員的監測經驗分析，本系統的監控中心應具有對沉降數值的采集、沉降信息的統計與分析、與沉降系統的通信等功能，并可根據監測點的實際情況科學調整系統的部分參數。

軟件流程首先設定好激光位移傳感器在不同天氣條件下的采樣時間，初始化系統，判斷是否到達設定的傳感器采集沉降數據時間點。每一次到達傳感器采集數據的時間點都先通過激光位移傳感器檢測天氣環境因素，以便對不同天氣情況下傳感器對數據采集時間進行調整，如果天氣狀況為晴天，每隔120秒進行一次采樣，同時上傳數據到監控中心；如果環境因素為雨雪天氣，則調整沉降數據采樣的時間間隔為30秒，并將此時的數值信息上傳給監控中心。若沉降數據采集異常，則發送信息給鐵路工作人員進行現場查看，及時關注并記錄這一異常情況。

其系統的主流程圖如圖8所示。

圖8 主流程圖

5 實測結果及分析

為了驗證系統功能實現情況，本系統已經成功安裝在中國鐵路太原局集團有限公司太原動車所存車場既有線路上，測試現場僅安裝了一個測試沉降點，現場安裝測試點如圖9所示。

圖9 現場安裝測試圖片

系統調試運行后對沉降數據簡單的分析結果如下：

（1）通過對系統調試運行時采集到的沉降數值信息得知，在不同天氣條件下，當列車未經過監測點的沉降值的平均值保持在8毫米左右，如圖10。

圖10 列車未經過時的沉降數值

（2）當有列車經過時，沉降數值的平均值大約為25毫米左右，如圖11。

圖11 列車經過時的沉降值

6 結語

本設計針對鋼軌產生沉降的情況，結合嵌入式系統、激光位移傳感器模塊、振動傳感器模塊等實現鋼軌沉降的自動檢測，并通過監控中心設置報警值提醒相關工作人員。通過實地安裝調試，本裝置可靠、有效，對預防鋼軌發生沉降產生的安全事故有較大的實用價值。