便携式接触网几何参数激光测量仪的研制*

2013-10-22陈忠斌周燕芳韦宝泉

传感器与微系统 2013年4期

陈忠斌，周燕芳，韦宝泉

（1．华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌 330013;2．华东交通大学图书馆，江西南昌 330013）

0 引言

电气化铁路的接触网是电气化铁路的重要供电设备，列车高速运行时通过受电弓和接触网滑动接触，向整个电力机车牵引系统和列车附属设备供电。它在空间架设的几何参数影响着列车的行车安全和接触网的使用寿命。接触网的空间几何参数检测变得尤为重要［1］。为保证接触网供电的安全可靠，供电部门必须周期性地对接触网各项几何参数进行巡检和检修，以保证行车安全［2］。

长期以来，我国依赖梯车、绝缘测杆线坠、钢卷尺对接触网进行人工步行测量，该方式效率低，时间长，浪费大量人力和物力［3，4］。随着我国列车运行速度的不断提高，列车对接触网的参数测量精度的要求越来越高，传统的检测工具已不能满足要求，为了配合供电段检修工区接触网巡检的快速作业，本文提出一种便携式的接触网参数检测仪，并通过实验验证了测量仪的正确性与可行性。

1 检测方法设计

1．1 接触网几何参数

接触网检测的参数可以分为3种类型:几何参数、弓网关系参数和辅助参数。导高值和拉出值、跨中高度和跨中偏移、接触网支柱的侧面限界、中心投影、红线高度、非支高差和非支间距、500高差和500间距、结构高差、输电线高差、定位器坡度、规矩值和超高值等属于接触网几何参数，它们是接触网中与运营安全密切相关的接触网自身结构参数。接触压力、硬点等是弓网关系参数，它们是影响弓网关系之间受流质量的重要因素。其他一些如速度、定位点、温度、补偿等是接触网检测的辅助参数，对检测结果起到定位参考、辅助分析等作用。其中，又以接触网导高、拉出值、磨耗等几何参数的检测最为频繁［4］。

1．2 接触网几何参数检测模型

经过对以上参数的分析，设计了如图1所示的测量模型。通过激光传感器，可以直接测量出图1中三角形的斜边X的长度，再通过高精度角度编码器，可测量出图1中的激光测量仪的转动角度α。接触网导线的导高值是指悬挂定位点处接触线距轨面的垂直高度，即图1中三角形的一个直角边H的值，通过简单的计算即可求出导高值，接触网其他几何参数均可通过类似导高值的测量方法计算得到。

图1 接触网几何参数测量模型示意图Fig 1 Schematic diagram of measurement model of catenaries geometry parameter

2 系统方案设计

2．1 总体设计

如图2所示，接触网激光测量系统是采用TMS320F2812数字信号处理器作为主控单元，并利用高精度激光测距单元来完成激光发射点至目标点距离X的测量;激光转角测量单元来完成激光转角α的测量;水平倾角测量单元和位移测量单元结合可以测出轨距值和超高值。SD卡的数据存储设计，可以方便数据的管理与记录。系统设计了由CMOS摄像头和TFT液晶显示器组成的视频图像显示系统，以方便参数测量时对目标测量点的瞄准定位。另外，编码方式的键盘设计可以减少主控制器通用I/O管脚资源的使用。由于系统外部电源采用充电电池供电，所以，需要对电池的输出电压实时监测，以及时向用户提供电池电量情况。

2．2 硬件设计

1）激光测距单元是系统中的关键电路，采用进口德国PD型激光传感器，该激光传感器提供的SCI接口为RS—232电平，而主控制器TMS320F2812的SCI外设接口为TTL电平，因此，系统必须设计一个RS—232电平转TTL电平的接口转换电路，考虑工作温度要求，项目开发选择工业级芯片MAX3223EEAP，SCI接口转换电路如图3所示。

2）SSI信号转换电路设计

图2 接触网激光测量系统总体方框图Fig 2 Overall block diagram of laser measurement system of catenaries

图3 SCI接口（TTL转RS—232）电路图Fig 3 Circuit diagram of SCI interface（TTL to RS—232）

激光角度测量传感器采用TG60角度传感器，该传感器的输出采用SSI（同步串行）接口，其时钟和数据信号均采用差分方式（DATA+DATA－，CLK+，CLK－）传输，采用RS—422电平接口，而 TMS320F2812的 I/O口是采用3．3 V TTL电平标准［5］，所以，需要再将5 V TTL 电平信号转为3．3 V TTL电平信号，接口转换电路如图4所示，该电路利用MAX490ESA将2对RS—422信号转换为5 V TTL电平信号，采用高速光耦6N137实现电平的转换。

图4 SSI信号转换电路图Fig 4 Circuit diagram of SSI digital transformation

2．3 软件设计

软件开发在CCS3．3集成开发环境下完成了DSP2812的程序设计，程序完成后烧入DSP2812的FLASH存储器，系统上电后设置为直接从DSP2812的FLASH存储器启动，将常量表格和需要频繁访问的常量从FLASH存储器拷贝到RAM空间后再进行操作，以加快系统的运行速度［6，7］。其中，系统关键代码激光测量主程序的流程图如图5所示。