（光学工程专业论文）电弧式弓网离线检测系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生生学位论文 摘要 电弧式离线检测技术作为一种非接触式检测技术已经日益受到世界 各国的重视。国外对此种技术作了大量的研究，同时在某些技术先进的国 家已经有相应的产品出现，但是在国内，虽然也有大量学者对此作了许多 的研究工作，但目前尚无基于此种技术的产品出现。 本论文在借鉴国内外对电弧检测研究的成果的基础上，对国内外弓网 离线的检测方式作了深入的调查，并且查阅各种资料，对电弧的产生原理 以及影响电弧特性的各种条件做了分析。并基于我国的弓网离线电弧的特 性，提出了一种基于检测离线电弧来检测弓网离线的方法，同时针对此法 设计了一套电弧式弓网离线检测系统，并且对系统进行了模拟实验，分析 了模拟实验的结果。 在本论文中，作者分析了各种因素对离线电弧的影响，推导了部分有 关气体放电的公式，对离线检测系统的软件和硬件结构进行了设计，同时 对设计好的系统进行了模拟实验，完成了系统的软件和硬件部分的调试工 作，并分析了实验的结果，同时针对实验中所出现的问题，提出系统的改 进意见，对于系统的完善起到了推进的作用。 在文章的最后，作者还展望了电弧式离线检测的发展趋势，指出了电 弧式弓网离线检测系统在实际中的应用前景，同时指出了进一步完善系统 所需要做的工作，促进了离线电弧检测系统最终的完成。 关键词：受电弓，接触网，电弧，光电传感器，离线 西南交通大学硕士研究生生学位论文 旦 a b s t r a c t a r c - l i n ed e t e c t i o nt e c h n o l o g ya san o n - c o n t a c td e t e c t i o nt e c h n o l o g yh a s b e e nm o r ea t t e n t i o nb yt h ew o r l d i na b r o a d , t h e r ea r eal o to fr e s e a r c hh a s a l r e a d yb e e nm a d eo ns u c ht e c h n o l o g i e s ，i ns o m ed e v e l o p e dc o u n t r i e s 。s o m e p r o d u c t su s e dt h i st e c h n o l o g yh a sa l r e a d yc a m et r u e ，i n0 1 1 1 c o u n t r y , t h o u g h m a n yr e s e a r c hh a v eb e e nd o n e0 1 1 t h i sf i e l d , t h e r eh a v en of m i s h o dp r o d u c t s b a s e d0 1 1t h i st e c h n o l o g yh a sc a m et r u e n l i sp a p e rw a sc o m p l e t e db a s eo nt h er e s u l to fm a n yr e s e a r c h e so nt h e a r cd e t e c t i n gw h i c hh a sb e e nd o n ei na b r o a da n di no u rc o u n t r y ，a n di ta l s o m a d es o m er e s e a r c h e so i lt h em e t h o d st od o t e c tw h e t h e rt h ep a n t o g r a p hl o s s f r o mt h ec o n t a c tl i n e t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e dt h er e a s o nt h a tt h ea r cc a m e i n t ob e h a g a n da n a l y z e dt h ef a c t o r sw h i c hc a na f f e c tt h ea r c sc o n d i t i o n 1 1 1 i s p a p e ra l s op u tf o r w a r dan e wm e t h o dw h i c hw a sf i tf o ro u rc o u n t u ，t od e t e c t w h e t h e rt h ep a n t o g r a p hc o n t a c tl o s ef r o mt h ec o n t a c tl i n e a tt h es a m et i m e m i sp a p 。e ra l s od e s i g nal l e ws y s t e mu s et l l i sm e t h o d a n dh a v em a d es o m e e x p e r i m e n t s i nt 1 1 i sp a p e r ，t h ea u t h o ra n a l y z e dh o wt h ev a r i o u sf a c t o r st oa f f e c tt h ea r c ， t h ea u t h o ra l s oh a v ed e d u c e dp a r to f t h ef o r m u l aa b o u tg a s e o u sd i s c h a r g e t h e a u t h o ra l s oh a sd e s i g n e dt h eh a r d w a r ea n dt h es u f h c a r eo f t h i ss y s t e m , a n dh a s d o n es o m ee x p e r i m e n t s c o m p l e t e dt h ew o r kt od e b u gt h eh a r d w a r ea n dt h e s o f t w a r eo ft h i ss v s t e m n 坨a u t h o ra l s oh a sa n a l y z e dt h er e s u l t so ft h o s e e x p e r i m e n t s ，a n dg a v es o m es u g g e s t i o n st oi m p r o v et h i ss y s t e m ；i tw a sg o o d f o rt h es y s t e mt ob em o r ep e r f e c t a tt h ee n do ft h i sp a p e r , t h ea u t h o ra l s ol o o k e df o r w a r dt ot h e d e v e l o p m e n tt r e n do fa r c 1 i n et e s t i n g a n dd o i mo u tt h em o r ew o r kt h a tm u s t b ed o w nt oc o m p l e t et h i ss y s t e m k e yw o r d s ：p a n t o g r a p h ；c a t e n a r i e s ；a r c ；p h o t o t u b es e n s o r ；c o n t a c tl o s s 西南交通大学硕士研究生生学位论文 三 1 1 论文研究的背景 第1 章绪论 在电气化铁路中，机车的运行需要通过其顶部的受电弓与接触导线的 接触来取电能。因此受电弓与接触导线的接触状态直接影响着机车的受流 质量。通常情况下，高速运行的机车将很难获得稳定的接触，而机车受电 弓与接触导线在接触状态较差时又将会出现很多问题，如产生离线电弧， 加大受电弓滑板与接触导线间的损耗等，机车行驶的速度越大，这些问题 就会越严重。 良好接触可以通过将接触线的几何特征维持在最佳值得到。为了让 机车能够获得较好的受流质量，需要检测受电弓与导线的接触状态来指导 维修工作。 目前，国外研究的主要目标是通过对测量数据的统计分析和对接触线 每公里受流质量的量化来确定受流质量指数，以帮助维修工作。测量这个 指数可以通过三种方法f - 】： 1 检测由离线引起的电弧； 2 测量受电弓滑板与接触线间的接触压力； 3 测量接触线与静止状态有关的动态抬升状态。 而在上述三种检测方法中，检测离线电弧作为一种非接触式的测量方 法，同时又具有成本低、可靠性高的特点，因此，开发出一种基于检测弓 网离线所产生的电弧从而来检测弓网离线状态的办法是具有实际意义的。 1 2 国内外现有弓网离线检测方法综述 1 2 1 电流法 交流电式离线检测法 这是一种将受电弓电流及其微分值两者都为零的情形作为离线判定 依据的方法，检测原理如图1 1 所示1 2 1 在电力机车中，电流沿接触网一受 电弓一变流器一电动机一钢轨流动。若受电弓离开接触线，流过受电弓的 电流f 为零。由于i 1 是交流电，即使没有离线，电流也可能为零。但是从 图1 2 可以看出，离线时由于电流微分值也是同时为零，故用这种方法可 以正确检测出离线。 西南交通大学硕士研究生生学位论文 ! 簧越线 圈1 - 1 交流电式离线检测原理图1 2 离线时受电弓的电流分布 根据实验，这种检测方法能够比以往更方便地测得离线率和最长离线 时间等数据。但在受电弓电流波形畸变较大、电流大小急剧变化等情况下 不能正确测定离线。 电流循环式离线检测法 流循环式离线检测法测量结构图如图1 3 所示 3 1 1 4 1 。检测车中振荡器产 生的高频信号由电容器和测量用受电弓送至接触网，再经接触网接地电容 流回地面。电容器在接触网电压频率较低时为高阻抗，频率较高时为低阻 抗。离线时，电容的阻抗由低到高发生突变，从而使通过接触网的高频率 电流产生突变，通过检测高频率电流变化情况就可以检测到离线是否发 生。 羹 圈1 3 电流循环式检测法原理 根据试验：这种方法对离线火花检测，正确率达9 9 5 以上，这种技 术已经应用于我国j j c 1 型接触网检测车上。 1 2 2 电阻法 电阻法是根据离线时受电弓与接触导线间电阻变大的原理进行检测， 如图l - 4 所示 5 1网接触时，电流i 通过c 1 受电弓接触网c 2 钢轨构成 回路，使流入j 的电流变小。一旦离线，弓网问电阻变大，电流流入j 内， 从而检出离线信号。 西南交通大学硕士研究生生学位论文 ! 图1 4 电阻法检测原理 该方法技术简单、费用低，为大多数接触网检测车所采用。 1 2 3 电容- 电阻法 电阻电容法是在测量用受电弓与地间接入两个电容器和一个电阻， 如图1 5 所示【碰1 ，利用电容器c 1 测量受电弓电压，电阻测量受电弓电流， 电容器c o 充当分压器。当受电弓与接触线良好接触时，在接触线电压发 生改变时，对电容充电和放电的电流将流经受电弓：而当离线时，电流将 随着受电弓与接触线间的距离和电压差的变化而变化：离线时电压呈阶梯 状，而电流为间隔不规则的脉冲或零电流情况，如图l - 6 所示。通过检测 这些波形的变化来可以检测离线。 图1 - 5 电容电阻法检测原理图】- 6 离线时电流和电压波形 此方法测量精确度高，已用于日本铁路线检测车上。 1 2 4 压力检测法 列车在高速下运行时，因接触线沿跨距的弹性不均匀以及受电弓的惯 性力影响，会使受电弓在垂直方向产生具有一定振幅的振动，从而导致接 触线与受电弓之间的接触压力变化。在接触压力趋于零值或小于零值时， 会导致离线。压力检测法就是通过对弓网接触压力的检测来判断离线的。 测量框图如图1 7 所示，为提高测量的准确度，4 个压力传感器分别安装 在受电弓横向支撑架的四个角落嗍。 西南交通大学硕士研究生生学位论文 一4 图1 7 压力检测法框图 目前已有基于此技术的相关产品出现。 西南交通大学硕士研究生生学位论文 ! 第2 章基本知识 2 1 关于电弧的基本知识( 气体放电物理) 离线电弧是一种大气放电现象的产物，下面我们先从物理学的角度来 了解一些有关气体放电学的基本知识。 2 1 1 气体放电中的基本过程与分类嘲 通过某种机制使一个或者几个电子从气体原予或分子脱离而形成的 气体媒质称为电离气体。电离气体中含有电子、离子和中性原子或分子。 如果电离气体由外电场产生并形成传导电流，这种现象称之为气体放电。 气体放电中的基本粒子 气体放电过程中一般存在着六种基本粒子：光子、电子、基态原子( 或 分予) 、激发态原子( 或分子) 以及正离子和负离子。 光子的能过决定于它的频率y ，其能量表示为= h v ，h 是普朗克 1 常数。自由电子的能量由它的运动速度v 。决定：t = 喜m v ；，m 是电子的 2 质量。 原子的能级图是由原子内部所有的粒子共同决定的，但我们感兴趣的 只是原子最外层的电子即价电子的能量，因为气体放电过程，主要是由这 些电子参加的。原子通常处于稳定的能级，称为基态：当价电子从外界获 得额外的能量时，它可以跳跃到更高的能级，我们就说原子处于激发态。 电子停留在激发能级上的时间很短，然后就跃迁回到基态或另一个较低的 激发能级，并以光子的形式辐射出激发时获得的额外能量。 分子一般是由几个原子组成，由于这些原子之间的相互影响，分子能 级比原子能级复杂，但仍可用能级图表示。 原子或分子的正离子的能态也可用能级图来表示，正离子一次电离的 原子的电离能相应于原子产生二次电离所需的能量。 负离子是电子附着到某些原予或分子( 特别是那些外电子壳层几乎填 满的原子或分子) 上而形成的。负离子的能量等于原子或分子的基态能量 加上电子亲和能。 气体放电中的中性粒子，是原子或分子。原子可以足惰性气体原子或 金属蒸气原子，分子可以是比较简单的双原子分子，也可以是相当复杂的 多原子分子。 西南交通大学硕士研究生生学位论文 ! 气体放电中的带电粒子是电子和各种离子。典型的气体放电的电子密 度是l o “一1 0 2 0 m 3 。 粒子碰撞的基本规律圳 气体放电的现象是带电粒子、光子和气体原子等基本粒子之间，及它 们同电极之间相互碰撞的结果。其中最普遍、最基本的是电子与气体原子 的碰撞。 碰撞分为弹性碰撞和非弹性碰撞两种。弹性碰撞就是碰撞的粒子交换其动 量和动能，但碰撞前后的动能总和保持不变，即 竺乒- i - 竺= 竺粤+ 竺譬。非弹性碰撞就是粒子的内部能量有了变化， 二 二 二 因而动能的总和也有了变化。 气体原子的激发和电离嗍 气体原子被激发和电离的途径是很多的：原子受到电子或离子的非弹 性碰撞；原子受到其他原子的非弹性碰撞；以及通过光予与原子的非弹性 碰撞。上述非弹性碰撞过程都是把碰撞粒1 2 予的动能转换成被碰撞板子 的位能，称为第一类非弹性碰撞。显然，产生激发或电离的必要条件足碰 撞粒子的动能必须对于或等于被碰粒子的激发能或电离能。 电子与气体原子碰撞致激发和电离 原子的激发和电离可以用简式表示如下： 一 p + a 彳+ p + e( 2 1 ) ：+ 彳爿+ + 2 p + e ( 2 - 2 ) 其中e 是快速电子，p 是慢电子，4 是被碰原子，4 为激发态原子， 十斟等乃 ， 其中为原子第，能级向较低的| i 能级跃迁时所发射光谱线的激发 西南交通大学硕士研究生生学位论文 三 截面，盯，为第，能级的激发截面，彳m 是从，能级向某七能级跃迁的几率， a ，= 彳且是_ ，能级向所有较低的七能级跃迁的几率总和，以为高于，能 t 级的第f 级向j 能级跃迁时所发射的光子数，。则是从_ ，能级向i 能级跃 迁时所发射的光子数。 原子和离子与气体原子碰撞致激发和电离 重粒子之间的碰撞使原子激发和电离的过程可用简式表示为 ；+ a a + b + e ( 2 - 4 ) 吾+ 彳_ a + + 占+ p + a e( 2 5 ) j 口+ + 4 _ 彳+ + b + + e b + + a _ a + b + e + 蚯 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) + 其中曰和曰+ 分别表示快速原子和快速离子。 实验表明原子和正离子与原子碰撞时产生激发或电离的几率都比较 小，对此对从两个方面来解释： 一是根据力学原理。设k 为碰撞粒子的动能，如认为被碰撞粒子 相对静止，则碰撞后能量的转移量为殳置，其中m t ，朋，分别为碰 ，扎十，n ， 撞和被碰撞粒子的质量。在电子与原子作非弹性碰撞时，由于m l 各类粒子有它们自身的能量数值，即有它们自身的温度数值。 在完全热力学平衡的等离子体中，上述三个基本参量不是独立的，它 们应该服从沙哈方程，等离子体的电离度取决于带电粒子的密度和温度。 对于大多数等离子体来说，气体的电离由外电场决定，该气体并非处 西南交通大学硕士研究生生学位论文 旦 于热力学平衡状态，当然这种气体还是可能达到某一个稳定状态的。对于 一个没有达到热力学平衡，但是稳定的等离子体来说，就得用下列五参量 去表征，它们是石行，疋，正和瓦。 等离子体的基本长度 等离子体的基本长度表示着与等离子体中粒子间碰撞作用有关现象的 线度范围。等离子体的基本长度依其大小排列有：经典电子半径、康普顿 波长、热德布罗意波长、朗道参量、粒子间的平均距离、德拜屏蔽长度、 库仑散射的平均自由程以及带电粒子的回旋半径。 ( 1 ) 经典电子半径r o = e 2 m c 2 是等离子体中的最小长度，在一般情 况下这个长度不太重要，只在考虑辐射与等离子体相互作用时，它是一个 与散射截面有关的量。 ( 2 ) 康普顿长度上和热德布罗意波长喜是比r o 较大的长度， 川c 、m k t 讨论经典等离子体时，这两个长度很少涉及。 ( 3 ) 朗道参量屹= 备是经典等离子体第一个有意义的长度，这是等 离子体中电子和电子碰撞最可接近的距离，# 值直接与卢瑟福散射截面 成正比。 ( 4 ) 粒子间的平均距离d = 押- 1 ”，它要比朗道参量大很多。 ( 5 ) 德拜屏蔽长度厶= 专笋是等离子体物理中具有决定意义的长 度，其中矗是真空中的介电常数。以该距离为半径的球体内的粒子将不 受球外带电粒子场的作用( 即屏蔽效应) 。 ( 6 ) 库仑散射的平均自由程五z ，l “化2 k r ) - 2 也是等离子体中个重 要的长度，通常我们感兴趣的等离子体中，a 厶。有时五甚至可以大于 等离子体的线度值三。 西南交通大学硕士研究生生学位论文 旦 ( 7 ) 当等离子体存在于磁场中时，还有新的等离子体长度：粒子的回 旋半径，r c = ( m k t ) ”2 c e b ，b 是磁场强度皮，通常与乃是同数量级的。 2 1 3 气体放电【9 】【1 0 】【1 1 】 气体放电的基本形式 气体放电主要包括辉光放电，弧光放电，火花放电，电晕放电，高频 和微波放电，介质阻挡放电以及光学放电等几种形式。 弧光放电 弧光的定义和分析 弧光放电是一种自持放电，其主要特点是它的维持电压很低，这是与 其他类型放电明显不同之处。 要给弧光放电个严格的定义是困难的，但是从放电的电特性来说， 弧光放电是一种阴极位降低、电流密度大的放电，一般说来，它具有负的 伏安特性。 辉光向弧光的过渡 从放电的伏安特性，可以看到辉光放电具有高电压、低电流密度 的特征，而弧光放电的特性却是低电压，高电流密度。 要建立一个弧光放电可以有三种办法： ( 1 ) 把两个电极接触，随后拉开，只要回路电压足以维持放电，就 以建立弧光放电。 ( 2 ) 在两个电极间外加一个足以使放电间隙击穿的电压，这样，就 可形成个火花而转成稳定的弧光放电。 ( 3 ) 改变辉光放电的放电条件，使之向弧光过渡，这里所谓放电条 件有两种：在一定的气压下增加放电电流，或在一定的电流下增加气压。 实验指出，弧光放电的阴极位降是很低的，只是气体最小电离电位的 量级，显然，它远小于辉光放电阴极位降的数值，这也正表明在弧光放电 中阴极发射过程一定要比汤生放电的，过程有效得多。 弧光正轴等离子体的热平衡 在气体放电中，电场加速带电粒子使之获得功能，带电粒子与中性粒 子碰撞而分出一部分能量给中性粒子，这样中性粒子也间接地被加热。由 于电子比离子轻很多，电子一方面从电场中得到较多的能量，另一方面当 西南交通大学硕士研究生生学位论文 旦 然也在碰撞中把一小部分能量传给其他粒子，但前者的作用是主要的。所 以在低气压下电子的平均能量比离子的高很多。 关于弧光正柱等离子体的热平衡性质，可从以下三个方面加以讨论： 1 电子与气体原子之间的温度差异 电子温度和气体原子温度疋的差异可以从电子与气体原子发生能 ， 量转移的速率来估计。电子平均能量比气体原子平均能量大t ( t t ) ， 如果电子与气体原子发生一次碰撞平均损失的能量百分比是j ，碰撞频率 为v ，则个电子在单位时间内与气体碰撞而被转移的能量为： 1 觑( 疋一t ) ( 3 1 ) 根据电子能量平衡条件，这部分损失的能量势必从电场中去获取，因 此有： 1 丢矾( 疋一疋) = 卢= o e 2 ( 3 - 2 ) 这里d 是卟电子所提供的电导率数值。 因为仃= e 2 m ，1 ， 所以疋一墨= j 2 丽e ：e 2 ( 3 3 ) 从这个简单的表达式可以看到电场在提高等离子体中粒子温度差别 中的作用；另外还可看到，碰撞频率的增加，或者说气压的提高，可以减 少粒子温度的差别。 高气压下，粒子间主要可以通过弹性碰撞而交换能量，所以有 j ：丝 m 其小埘。和肘分别为电子和气体原子的质量。 又如果把v 写成 ，：喜：一1 墼( 3 - 4 ) 以以1 f 翮， 则有 西南交通大学硕士研究生生学位论文 旦 尘三：坐f ! 堕) ：( 3 5 ) t2 4 m 。、幔 由式可见，即使在相当高的气压下，粒子间的温度差还是不能忽略， 因为在有些弧光中电位梯度可高达l o k v m 。 等离子体平衡分布的近似 完全的热力学平衡状态只有在黑体腔内才能达到。在任意一种实际 的弧光里，由于存在电场强度和温度梯度，会出现能量的大量输入和输出， 这样平衡就受到粒子和能量的定向流动的影响。可以认为，任意一个物理 量只有在个平均自由程内的变化很小时，它们的梯度影响才可以忽略。 在等离子体中，重要的参虽是瘌珂，在平衡时，就要求有： 五坐“r ( 3 一f i ) 咖 五= = ” ( 3 - 7 ) 咖 对于带电粒子，还有 五 记录功能 数据转储功能 数据分析处理功能 t a x 2 型检测装置除基本单元配置外，其它已开发的功能有：t m i s 单 元、轨道检测单元、弓网检测单元、d m i s 单元、无线列调语音单元；另 外，预留4 个单元位置用于备用功能单元的扩展。各配置单元如图2 - 4 所示。 其中，通信记录单元( 主机) 每隔5 0 m s 周期就以r s - - 4 8 5 串行通信方 式向各检测单元( 从机) 发送统一内容的列车运行情况信息，每组4 0 个字 节，内含月、日、时分秒、公里标、时速、车次、机车号、车站号、区段 号、司机( 副司机) 号、总重、计长、辆数等信息。 在系统检测到机车发生的离线信息后，将会在寄存器中自动记录所需 要的数据，等到离线结束信号到来后，再次记录下离线具体信息，然后或 送至i j e e p r o m 里储存，或送至上位机显示、存储。 西南交通大学硕士研究生生学位论文 jj_ j 摹：簟7 tt孰 弓t0鲁 罾 鲁 蠢 讯连磅hh罔 t用 霓 捡蟹ii 簟 曩 簟 石 囊 翻 积s s冗 量 焉五五 -簟簟 簟 簟 l j 元无忑宄 瓦元 - l- 1 j- j千 - 一1 l 图2 4 1 a x 2 型检钡4 装置各配置单元图 弓网检测单元用于机车运行时动态检测弓网状态。该单元对由拉出值 和硬点冲击超限检测传感器检测到的拉出值超限、硬点冲击超限等信号进 行处理，并确定的拉出值和硬点冲击超限点的时间、线路公里标、速度等 信息实时反馈给通信记录单元进行记录，以便地面的进一步分析和及时对 弓网设备进行维护。 在系统检测到弓网离线信息之后，单片机便会将我们所需要的有用信 息保存起来，并可与上位机进行数据交换，经上位机处理后，得到离线产 生的时间、公里标( 杆号) 、离线时间等数据报表。 3 3 5 上位机 本部分主要是通过r s 2 3 2 通信协议与检测系统进行数据交换，并将所 需要的数据采集保存在本机之中。 西南交通大学硕士研究生生学位论文 4 1 数据采集部分 第4 章系统设计 4 1 1 光电传感器的选型 在第三章我们已经说过，在本系统中，对于离线电弧信号的采集我们 主要是通过紫外光电传感器来完成的，而紫外光电传感器是否能够对离线 电弧信号进行正确的采集主要是看其光谱响应范围是否能包含电弧光的 波长范围，在上一节中我们已经介绍过，弓网离线电弧主要有3 个能量集 中波段，他们分别是3 0 4 4 4 - 3 1 2 1 2 n m ，3 2 1 4 8 3 3 1 3 4 n m ，3 9 6 6 1 3 9 8 4 3 r i m ，但是，目前国内生产紫外光电管的厂家并不是很多，因此，通 过几种光电传感器的比较之后，最后选取的是四川天微电子公司生产的 g d 7 1 0 型紫外光电管，其外形如图4 1 所示，各项参数如下： 型号：g d - - 7 1 0 光谱响应范围：2 2 0 3 8 0r e q 峰值波长：3 0 0 h m 启动电压：1 8 0 v 工作电压：2 6 0 4 - 3 5 v d e 平均工作电流：l m a 。7 i 奄t 艚p l - c y r o t l i 瓣s d # 嚣h 2 4 2 图4 - 1 g d - - 7 1 0 型光电传感器 西南交通大学硕士研究生生学位论文 4 1 2 光电传感器数据采集电路 图4 - 2 是g d 7 1 0 型紫外光电管推荐工作电路，在此电路中，当有紫 外光照射到光电传感器的阴极时，传感器将会输出一微弱的电流信号，传 感器右边是采样电阻，其作用是将传感器输出的微弱电流信号进行放大并 将其转换成电压信号，以便于后续电路的处理。 光电传感器 图”紫外光电传感器工作电路 4 2 信号数据采集总电路 信号 本系统信号数据采集的总电路如图4 - 3 所示 1 j。 。，? 。，7 ，。j 一。一。一j ，。m ”。? 图4 _ 3 系统信号采集部分电路图 如图4 - 3 所示，从光电传感器所直接输出来的信号是一系列峰值不等 的无规则脉冲，其峰值大小与密集程度与照射其的紫外光强度有关。因此， 西南交通大学硕士研究生生学位论文 我们先将传感器所输出的信号送入光电隔离开关，将这一系列无规则的尖 脉冲转换成峰值规则化的脉冲，再将这些峰值规则化后的尖脉冲送入八位 3 态缓冲门7 4 h c 2 4 4 对其进行整形，信号通过这些措施之后，变成为了适 合我们测量所用的信号。 表4 1 是八位三态缓冲门7 4 h c 2 4 4 的动态参数： 动态参数c t = 2 5 、c l = 1 5 p f 、l f 礴严鲰s ) 溲声艟 蘸 寥教 携城袈张 v j 秘7 4 h c护 魄辑毓鞋t 鼍瓣鳓 毓# 浆允， a - - y豁；萨 2 0鸺 2 p 勰转输毽愿群i , j赶l t o 钯 鲻走 e y 5潞氆 弘5 ，f l 溉主：辑檬麓l 鏊口 麟一匙- l k 蛩 t v , z 鼹走， e y s嚣琳 a # 轫f 表4 - 1 7 4 h c 2 4 4 的动态特性参数 从上表中我们可以看出，7 4 h c 2 4 4 在工作时的整形延时非常的小，达 到了瑚级别，因此，在本系统中，他的存在不会对我们的测量结果产生 影响。 4 3 单片机信号处理电路部分 此部分是本系统中信号处理的核心部分，他主要是采用a v r 单片机 来完成，图4 - 4 是本部分的电路图： 西南交通大学硕士研究生生学位论文 闰4 4 单片机信号信号处理电路部分电路图 如上图所示，本部分的核心元件是中间的a t m e g a 8 5 1 5 单片机，他 是筒限单片机的一种。 4 3 1 a v r 单片机简介d 6 1 7 a v r 单片机是1 9 9 7 年a t m e l 公司挪威设计中心的两位工程师利用 a t m e l 公司的f l a s h 新技术，所共同研制出的r i s c 精简指令集的高速8 位单片机，在本系统中采用a v r 单片机主要是由于其具有以下几个特点： 1 低开发成本 a v r 单片机的开发门槛非常低，只需一台电脑便可以学习a v r 单 片机的开发，仅需一条i s p 下载线，把编辑、调试通过的软件程序直接在 线写入a v r 单片机，即可以开发a v r 单片机系列中各种封装的器件； a v r 单片机便于升级。a v r 单片机的程序写入是直接在电路板上 进行程序修改、烧录等操作，便于升级； a v r 单片机费用低廉。a 、很单片机可以直接把编译好的程序通过 p c 机写到单片机中，不需要仿真器、编程器、擦抹器的芯片适配器等设 备，就可进行所有a v r 单片机的开发应用，切其程序存储器擦写可达 1 0 0 0 0 次以上： a v r 单片机已经是一个比较成型的系列。 西南交通大学硕士研究生生学位论文 卫 2 安全、高速、低功耗 一 a v r 单片机具有预取指令功能，使得指令可以在一个时钟周期之 内执行： 具有多累加器，数据处理速度快。a v r 单片机具有3 2 个通用工作 寄存器，相当于有3 2 条立交桥，可快速通行州； 中断响应快。具有多个固定中断响应响向量入口地址，可快速响应 中断； 保密性能极佳，具有不可破解的位加密锁l o c kb i t 技术。 3 功能强大，集成度高，便于扩展 a v r 单片机内带模拟比较器，可进行a d 转换，组成廉价的a d 转换器： 具有较强能力的i o 口，i o 口资源灵活、功能强大，可充分利用； 拥有精简的指令集，学习应用起来比较方便。 在本系统中采用a v r 单片机主要是看中其与传统的5 1 系列单片机相 比具有两大优势： ( 1 ) 指令运行速度快； 传统的5 1 系列单片机片内一般有时钟十二分频，也就是说他的一个 指令周期等于十二个晶振周期，且5 1 系列单片机运行一条指令一般需要 两个或者四个指令周期：而a v r 单片机是单周期指令系统，片内不设时 钟分频，运行一条指令只需要一个指令周期，因此他的运行速度与5 l 系 列单片机相比要快许多； ( 2 ) 集成度高，便于扩展； 上面已经介绍过，a v r 单片机中内带模拟比较器，且i o 口资源灵活、 功能强大，因此应用a v r 单片机对于系统的升级和扩展具有很大的便利。 在本设计中采用的型号是a t m e g a 8 5 1 5 ，时钟采用8 m h z ，由于a v r 单片机是单周期指令，且其内部无时钟分频，因此，单片机每执行一条指 令仅需o 1 2 5 9 s ，这对于将本系统的响应精度达到郎级是很有帮助的。 如图4 - 4 所示，在本系统中经过第一部分采集处理后的弓网离线信号 送到a v r 单片机的b 口的第6 引脚，同时从b 口的第7 引脚接出一控制 信号到p d 3 引脚( i n t o ，外部中断0 触发) ，用以在弓网离线信号到来的 时候引发中断，以记录所需要的数据。p d 0 ( t x d ，数据输出) 与p d l ( r x d ， 数据接收) 引脚通过m a x 4 8 5 与t a x 2 板相连，以便从t a x 2 板中获取 所需要的数据，t a x 2 板每5 0 m s 向单片机传输一次数据，其通信速率为 2 8 8 刚s 。通信协议入表4 - 2 所表示： 西南交通大学硕士研究生生学位论文 丝 1 弓网检测单元 1 弓网检测单元代号：0 2 h 代号 2 特征码 1 高4 住：0 3 一表上次接收成功，o c 一表 上次接收失败，其它说明本串数据通 讯过程中受干扰，应作无效数据处理； 低四位：o c - 表随后1 6 个字节为有效 内容，且要求记录：o l 一表随后1 6 个 字节有内容，但不要求记录；0 0 - 表无 记录内容，仅返回3 个字节( 即返回 检测插件代号，特征码、检查和三个 字节