传感器课程设计列车测速测距系统

传感器原理及应用课题研究课题名称：列车测速测距系统院系：机械与电子控制工程学院专业：测控技术与仪器-1-目录一、各种检测方式与比较.....................................................................................-2-（一）测速电机.......................................................................................-2-（二）光电式...........................................................................................-2-（三）GPS...............................................................................................-2-（四）航位推算系统...............................................................................-2-（五）雷达测速.......................................................................................-3-（六）未来的方向...................................................................................-3-二、传感器的选择及安装.....................................................................................-3-三、光电转速传感器的系统设计.........................................................................-4-（一）光电传感器..........................................................................................-4-（二）调理电路..............................................................................................-5-（三）测量系统主机部分设计......................................................................-8-①单片机...................................................................................................-8-②程序模块设计.....................................................................................-10-③主程序流程图程序流程图.................................................................-11-④动态显示仿真.....................................................................................-12-四、雷达部分.......................................................................................................-13-（一）雷达测速系统....................................................................................-13-①雷达测速原理及安装.........................................................................-13-②系统框图.............................................................................................-14-③环节选型.............................................................................................-14-五、修正部分.......................................................................................................-15-（一）定位技术背景....................................................................................-15-（二）多传感器融合测速方法及问题........................................................-16-（三）修正方法............................................................................................-17-（四）列车打滑实验的传感器速度曲线....................................................-18-六、无线传输.......................................................................................................-19-七、电源...............................................................................................................-20-八、参考文献.......................................................................................................-20-附录A光电传感系统总程序清单.......................................................................-21--2-摘要：目前,安全问题日益受到重视,使得对各种列车运行控制系统的研究不断加强,列车速度和位置的检测,作为实现系统功能的先决条件也就显得越来越重要。随着铁路大提速，列车运行速度越来越快，传统的测速方法存在一些不足之处。为此本文提出了一种适合列车运行中实时监测的多传感器融合的测速测距系统。论文重点研究了多传感器信息融合在城市轨道交通列车测速定位的应用。以信息融合技术为基础，研究以速度传感器为核心的多传感器融合列车测速定位系统，并且有效地防止空转等故障现象的发生。关键词：光电式传感器；航位推算系统；雷达测速；列车；测速测距一、各种检测方式与比较（一）测速电机从应用情况看,测速电机方式虽然比较简单,但在低速时感生电动势较低,造成测量精度降低,车速低于一定值时甚至不能推动测速单元工作,并且系统可靠性较差。（二）光电式转速传感器由于车轴的转动直接反映列车的运动,因此可以利用车轴转动信息获得列车的运行速度,所以我们可以采用光电式转速传感器。不足：由于利用轮轴旋转信息进行测速测距,不可避免地受到车轮走行状态的影响。（三）GPS不足：①当线路平行股道十分接近或有多个列车进出站时,难以识别列车占用的是哪一股道;②在地形复杂地段,例如在山区和隧道内,由于无线电波传播特性的影响会产生信号盲区。（四）航位推算系统受到传感器本身温漂、敏感度等的影响，航位推算系-3-统在短时间内测量具有较高的精度，但长时间使用会导致较大的累积误差，因此在使用航位推算系统进行列车测速定位时，需要解决累积误差的补偿问题。（五）雷达测速雷达测速是一种直接测量速度的方法，可以直接得到列车实际的运行速度，不需要通过车轮转动的信息来间接测量。在机车上安装雷达,始终向轨面发射电磁波,由于机车和轨面之间有相对运动,根据多普勒频移效应原理,在发射波和反射波之间产生频差,通过测量频差可以计算出机车的运行速度,并累积求出走行距离。有效地防止空转、滑行外,也推动了定位停车装置的开发。不足：由于信号传输波段有时会受到干扰。原理：多普勒频率的直观理解：振荡源发射的电磁波以恒速传播，如果接受者相对于振荡源是不动的，则它在单位时间内收到电磁波的振荡数目与振荡源发出的相同，即两者的频率相等。若振荡源与接受者之间有相对接近的运动，则接受者在单位时间内收到的振荡数目要比不动时多一些，也就是接受的频率增高，当二者背向相对运动时，接受频率降低。（六）未来的方向综合化；尽量采用智能化、数字化的处理方法；各种方法如何提升测量精度；整合化系统。二、传感器的选择及安装最终选用：光电式+雷达测速+航位推算系统。安装位置光电转速传感器此检测装置根据实际安装情况位置进行安装。如右图，将信号盘固定在车轮转轴上，光电转速传感器正对着信号盘。-4-雷达如图三、光电转速传感器的系统设计（一）光电传感器光电式传感器是将被测量的变化转换成光信号的变化，再通过光电器件把光信号的变化转换成电信号的一种传感器。传感器的输出信号易于数字化处理，满足列车运行控制系统智能化、小型化的发展趋势。另外，它具有频谱宽、不易受电磁干扰的影响、非接触式测量、响应快、可靠性高等优点。选用的传感器型号为SZGB-3（单向）-5-SZGB-3,20电源电压为12VDCSZGB-3型传感器主要性能介绍如下：1)供单向计数器使用，测量转速和线速度.2)采用密封结构性能稳定.3）光源用红外发光管，功耗小，寿命长.4)SZGB-3,20电源电压为12VDCSZGB-3型传感器主要性能介绍如下：SZGB-3.型光电转速传感器，使用时通过连轴节与被测转轴连接，当转轴旋转时，将转角位移转换成电脉冲信号，供二次仪表计数使用。(1)输出脉冲数：60脉冲（每一转）(2)输出信号幅值：50r/min时30mV(3)测速范围:50---5000r/min(4)使用时间:可连续使用,使用中勿需加润滑油5)工作环境:温度-10～40℃,相对湿度≤85%无腐蚀性气体（二）调理电路因为SZGB-3型传感器50r/min时30mV，单片机输入电压0~5伏左右，调理电路放大倍数在100倍左右。转速信号处理电路包括信号放大电路、整形及三极管整形电路。采用两级放大电路，每一级都采用反响比例运算电路如图4.4.设计的电压放大倍数为3000倍。其中第一级放大倍数为10，第二级放大倍数-6-为10.放大后电压变化范围为0～4.8V。LM324采用12V双电源供电，由于电源的供电电压在一定范围内有副值上的波动，形成干扰信号。为起到消除干扰，实现滤波作用，故供电电源两端需接10UF的电容接地，电容选择金属化聚丙已烯膜电容。两级运放放大所采用的供电电源均采用此接法。。LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可