（机械电子工程专业论文）基于超声波的受电弓滑板磨耗测量实验装置研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 受电弓滑板的过度磨耗不仅影响电力机车的正常供电，由此产生的电弧 放电还会进一步加剧受电弓滑板和接触网的磨耗，同时还会产生无线电干 扰，这种情况在机车运行速度提高的情况下更加明显。根据机车现场应用的 经验来看，滑板不同部位的异常磨损还可以反映弓网碰打的原因。准确掌握 受电弓与接触网之间的磨损及监测受电弓滑板的表面状态，正确评价集电受 流性能和诊断接触线路设备已经成为提速条件下的一个重要问题。 国内外针对受电弓滑板磨耗的检测先后采取了人工测量，光纤测量，工 业c c d 摄像测量，激光位移传感器测量等多种测量方法。本文主要研究和开 发了基于超声波测距的受电弓滑板磨耗测量及表面状态在线检测系统的实 验装置。该系统由基于d s p 的下位机系统和p c 上位机系统构成。下位机主 要负责模拟实际检测系统与滑板的相对运动，测量和存储被测物体表面各点 的高度值。上位机系统主要负责被测表面的三维建模和显示。上位机和下位 机之间的通讯采用r s 2 3 2 串口通讯 本文下位机采用的c p u 芯片为美国t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片，该 芯片内置了c a n 模块，r s 2 3 2 4 8 5 模块，s p i 串行外设总线，a d 转换模块等 扩展模块，满足了系统开发的需要。上位机软件开发主要基于v i s u a lc + + 和o p e n g l 。 该实验装置为进步开发现场检测设备打下了良好的基础。 关键词：受电弓滑板：磨耗测量；超声波；实验装置 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t i ft h ep a n t o g r a p h i cs l i p p e rh a sb e e nw o r nd o w ne x c e s s i v e l y , t h es l i p p e r w i l ln o to n l ya f f e c tt h en o r m a lp o w e r s u p p l yb u ta l s op r o d u c er a d i oi n t e r f e r e n c e t h i sp h e n o m e n o nw i l lb e c o m em o r eo b v i o u sw h e nt h el o c o m o t i v e ss p e e d b e c o m eh i g h e r a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c ef r o mt h el o c o m o t i v ea p p l i c a t i o n ， t h ed i f f e r e n tp a r t sa b n o r m a la b r a s i o no ft h es l i p p e rc a r lt e l lu st h er e a s o n st h a t c a u s e dt h ec o l l i s i o no ft h ep a n t o g r a p ha n dt h ec a t c n a r y s oi ti si m p o r t a n tf o ru s t oa c c u r a t em e a s u r e m e n ta n dm o n i t o rt h es u r f a c eo ft h es l i p p e rb e c a u s et h e l o c o m o t i v e ss p e e dh a sb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e la tt h es a m et i m e ，w ec a n e v a l u a t et h e e l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e a n dd i a g n o s et h eo c s e q u i p m e n t t h ed e t e c t i o nm e t h o d st h a th a v eb e e nu s e di nh o m ea n da b r o a di n c l u d e a r t i f i c i a ld e t e c t i o n ，d e t e c t i o nb yu s i n go p t i c a lf i b e r , d e t e c t i o nb yi n d u s t r i a lc c d c a m e r aa n dd e t e c t i o nb yl a s e rs e n s o r i nt h i st h e s i s ，w eh a v er e s e a r c h e da n d d e s i g n e dt h ee x p e r i m e n t a ld e v i c et om e a s u r ea n dm o n i t o rt h ep a n t o g r a p h i c s l i p p e r ss u r f a c eb a s e do nu l t r a s o n i cm e a s u r e m e n t t h ed e v i c ec o n s i s t so ft h e p ca n dt h el o w e rc o m p u t e rb a s e do nd s et h el o w e rc o m p u t e rm a i n l yr e s p o n d s f o rs i m u l a t i n gt h er e l a t i v em o t i o nb e t w e e nt h ep a n t o g r a p h i cs l i p p e ra n dt h e u l t r a s o n i cs e n s o r , m e a s u r i n ga n ds t o r i n gd i f f e r e n tp o i n t s h i g hv a l u e t h ep c m a i n l yr e s p o n d sf o rb u i l d i n ga n dd i s p l a y i n gt h es u r f a c e s3 dm o d e l t h ep c c o m m u n i c a t e sw i t ht h el o w e rc o m p u t e rb yr s 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o np o r t t h ec p u c h i pa d o p t e db y t h el o w e rc o m p u t e ri st h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h e c a nm o d u l e ，r s 2 3 2 4 8 5m o d u l e ，s p is e r i a lp e r i p h e r a lb u sa n da dm o d u l eh a s b e e ne m b e d d e di nt h ec h i p t h ec h i pi sv e r ys u i t a b l ef o ro u rr e q u i r e m e n t t h e t o o l sw h i c hw eh a v eu s e dt od e v e l o pt h ep cs o f t w a r ea r ev i s u a lc + + a n d o p e n o l t h ed e v i c eh a sm a d eag o o df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：p a n t o g r a p h i cs l i p p e r ；a b r a s i o nm e s u r e m e n t ；u l t r a s o n i c ； e x p e r i m e n t a ld e v i c e 西南交通大学硕士学位论文第1 页 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 受电弓是装于电力机车或电动车组车顶上，从一条或多条接触导线上集 取电流的电器设备，它是由链杆铰接装置和受电头所构成。受电头俗称弓头， 是框架支撑的受电弓的部分，它包括导向装置、支撑装置、托架、单个或 多个接触板和弓角，如图1 1 所示。其中接触板俗称滑板，它的表面直接 和接触导线接触，是受电头上用来汇集电流的可更换部分，由托架支撑。 图1 1t s g 3 6 3 0 2 5 型单臂受电弓结构示意图 1 一绝缘子；2 一纵粱；3 一推杆支座；4 一调整螺栓；5 一下臂杆；6 一弧形调整板：7 一挂绳； 8 一升弓弹簧；9 一弓头；1 卜弹簧盒；1 1 一升弓弹簧调整杆；1 2 一横梁；1 3 一转轴；1 4 一阻尼 西南交通大学硕士学位论文第2 页 器；1 5 一上部框架；1 6 一推杆；1 7 一中间绞链座；1 8 一平衡杆；1 9 一转臂；2 0 u 形连杆；2 1 一 传动绝缘子；2 2 一传动气缸；2 3 一缓冲阀 弓角是受电头上用以保证与接触导线平滑接触的端部其特定的工作状 态要求它上面的滑板在与导线作高速接触摩擦运动中向机车传输大电流电 能。根据制造材料的不同，受电弓滑板可分为两种：粉末冶金滑板和碳滑板 粉末冶金滑板应用普遍，5 条滑板按“一”字排列安装在受电弓的基座上， 共前后两排；碳滑板主要安装在新式受电弓上，需两条，每条碳滑板的长度 与5 条粉末冶金滑板的长度之和相当。 准确掌握受电弓与接触网之间的磨损及监测受电弓滑板的表面状态，正 确评价集电受流性能和诊断接触线路设备已经成为提速条件下的一个重要 问题。受电弓滑板的磨损不仅直接影响正常供电，而且由此产生的电弧放电 还会进一步加剧弓网的磨损并导致无线电干扰，这种情况在机车运行速度提 高的情况下更加显著同时根据机车应用现场的经验来看，滑板不同部位的 表面异常形态还可以直接反映弓网碰打的原因。因此，掌握受电弓滑扳的磨 损状况和表面异常形态对及时更换调整弓网零部件，对及早发现，预防和消 除弓网故障，把事故消灭在萌芽状态具有重大意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 传统检测方法 图1 2 人工测试滑板磨耗 西南交通大学硕士学位论文第3 页 一直以来，我国铁路运营部门对受电弓滑板磨耗状况和表面异常形态的 检测大量采取人工检测的传统方法啪1 ，如图l 一2 所示即由工人攀登到车 顶上使用游标卡尺等工具进行人工测量和目测表面磨耗状态。这种方法费时 费力且属于高空危险作业，测量的次数也不可能很多，因此对异常磨损的监 控力度也随之减弱。同时在现场中由于测量不便，造成很多滑板在没有磨耗 到限的情况下就被更换下来，形成很大的浪费。 1 2 2 车载光纤检测系统 目前国内外开发了一系列的滑板磨损测量及表面状态监测装置。日本新 干线t o k a i d o 检查车利用监测受电弓磨损后其电位波形的改变及由此产生 的电流波形的改变来精确测量接触磨损，如图1 3 所示。长宏淝树使用并 排放置塑料光纤维，通过光纤维因磨损而减少受光量来间接测量滑板磨损， 先拜罐 图1 3 光纤测试滑板磨耗 已经在东北新干线进行了现车试验。这种方法可靠性好，不易受干扰但只 能检测滑板某个固定点处的磨耗值，不能对整个滑板进行整体监控和检测。 1 2 3 定点检测系统 j r 西日本铁路公司开发的受电弓自动监视装置采用定点设置的4 台c c d 摄像机对运行中的机车车辆的受电弓进行摄像，通过图像处理可自动检查出 西南交通大学硕士学位论文第4 页 滑板超限及阶梯状磨、缺口、翘曲等异常现象。摄影图像可以保存在电脑里， 并通过观察画面确认检查出来的异常问题。这种装置能根据周围照明度及滑 板的种类，调节照明度和摄像机的光圈，并通过分析受电弓各个部分的特征， 找出各部分最合适的图像处理方法，以实现完全自动化。这种方法在实际使 用中由于车顶的环境极其恶劣，既有强烈的电磁干扰，又有自然界风霜雨雪 砂及阳光变化的干扰，所以测量精度受到较大的影响。 中国西南交通大学研制的“入库受电弓状态检测装置”则采用激光位移 传感器测量滑板磨耗，并能绘制磨耗曲线。这种方法的特点是必须停车检测， 磨耗值测量精度为i m m ，无法做到在线测试。 1 3 本文采取的检测方法 超声波指向性强，能量消耗缓慢，本身波形不易受外界干扰，反射、折 射及衍射性质与光波接近。使用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、 易于做到实时控制 这些年来，随着超声波技术研究的不断深入，再加上其具有的无损、非 接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。国外在提高超声波测距精度方 面做了大量的研究，国内一些学者也作了相关的研究。对超声波测距的精度 主要取决于所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传输速度，二者中以 传输时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传输时间的不确定度的 方法来提高测距精度。目前相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的 方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。 厦门大学的童峰研究了一种回波轮廓分析法“”。该方法在测距中通过两 次探测求取回波包络曲线来得到回波的起点，通过这样处理后超声波的传输 时间的精度得到了很大提高_ p a r r i l l a m 3 等人介绍了一种自适应系统，采 用特殊的发射波形来获得好的回波包络，同时采用对环境的噪声进行估测， 设置一定的回波开门电平，且采用自动增益的控制放大器，通过这些措施来 提高超声波的探测精度。另外也有大量的文献研究采用数字信号处理技术和 小波变换理论来提高传输时间的精度这些处理方法都取得了较好的结果。 因此本文拟采取基于超声波精确测距的检测方法来测量和监控滑板的磨耗 状况。 超身波传感器尺寸较小，可以做到排列成阵列进行多点测量，这就为生 西南交通大学硕士学位论文第s 页 成滑板表面形态计算机三维图像打好了基础。使用超声波装置可以精确测量 滑板剩余厚度平均值，磨耗允许界限值，并准确直观地监测表面的异常形态。 超声波检测可以做成在线检测系统，每当机车从超声波探头下方经过时 就测量一次，可以有效地监控异常磨耗状况。当与车号识别装置联合应用时 还可以为每台机车的滑板磨耗状况建立数据库档案，从而可以预测最佳更换 滑板的时机，极大地减轻受电弓检修工作量。 1 4 本文的主要工作和内容 本论文的主要工作是基于超声波精确测距的新型受电弓滑板磨耗监测 装置的研究。论文的主要内容有： ( 1 ) 超声波精确测距方法的研究及超声波传感器的选型。 ( 2 ) 基于d s p 芯片的下位机设计 ， ( 3 ) 实验台机械部分的设计与制作 ( 4 ) 下位机软件设计。 ( 5 ) 上位机软件设计。 ( 6 ) 系统联合调试与试验 西南交通大学硕士学位论文第6 页 第2 章超声波精确测距及传感器选型 2 1 超声波及其特性简介 2 1 1 超声波简介 超声波简单地说就是音频超过了人类耳朵所能够听到的范围的种 声波一般而言是指声音超过了2 0 k h z 以上时称之为超声波。与光波不同 超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。电磁波的 传播速度为3 x l o s m s ，而超声波在空气中的传播速度为3 4 0 m s ，其速度 相对电磁波是非常慢的。超声波在相同的传播媒体里( 如大气条件) 传播速 度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与 振动方向一致，是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运 动而传播的，波动方程描述方法n n 与电磁波是类似的； 4 - a ( x ) c o s ( m + 缸) ( 2 1 ) 彳o ) 一一o e l 。( 2 2 ) 其中，4 ( 砷为振幅，, 4 0 为常数，为圆频率，t 为时间，石为传播距 离，七- 新，a 为波数，4 为波长，a 为衰减系数而衰减系数与声波所在 介质及频率的关系为： a 一口，2 ( 2 3 ) 式中。口为介质常数，为振动频率。在空气里，口- 2 x 1 0 - 2 c m ， 将振动的声波频率f = 4 0 k h z ( 超声波) 代入式( 2 3 ) ，可得 口一3 2 x 1 0 - 4 ( 1 1 c m ) ，即形- 3 1 皿；若，2 3 0 k h z ，则- 5 6 m 它的物理 意义是：在长度上，平面声波的振幅衰减为原来的e 分之一，由此可 西南交通大学硕士学位论文第7 页 以看出，频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短声波在空气媒质 里传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量将被吸收损耗。 2 1 2 超声波的传播特性 2 1 21 超声波的反射特性 超声波通过声阻抗不同的两种介质时，在媒质界面上将产生反射，声 阻抗差别越大，反射的超声波强度越大反射能量与入射能量之比值q 称 为反射系数m ，可用下式表示： 反射系数= 吴禁器黼 在不考虑超声吸收的情况下，当超声波垂直投射到两种声阻不同的介 质分界面时，其声压反射系数艮为： r p _ 筹慧p 2 c 2 c 2 。n c l + ”一7 声强反射系数r l 为： r 1 2 ( 堂粥也+ p 2 刍c 2 2 ( 2 5 ) p 为超声波传播媒质密度，c 为超声波波速，从上式2 4 和2 5 可 知，若鹏- p 2 c 2 则r p 、r l 均为零，即无反射如声阻抗p c 不同，则有 回声。反射波的方向与入射角度有关，当入射超声波呈垂直投射到两种声 阻抗不同的介质分界面时，反射的超声波也呈垂直方向，如图2 1 所示。 若超声波倾斜入射到声阻抗不同的介质分界面上，则反射超声波也呈一斜 西南交通大学硕士学位论文第s 页 角，且反射波的角度等于入射波的角度，与光波的反射定律相同，即： s i n 0s i n o i 一。7 _ ( 2 6 ) c 1c l “” 因公式两侧的分母均为c l ，显然s i n o 必然等于s i n 口。即反射角等于 入射角，如图2 2 所示、 少射凌 入射使， 介曩llf 介囊2 透射谴 。 1 图2 1 超声波垂直入射后的传播图2 2 超声波倾斜入射后的传播 2 1 0 2 超声波的折射特性 折射发生在入射角0 不为零的情况下，超声波的折射定律与光波的折 射定律也相同，可用下式表示： s i n 0s i n 良 i 一。_ 三( 2 7 ) c c l2 ”y ”7 上式中，日代表入射角、如代表折射角，如图2 - - 2 所示如果介质 中波速有c 1 c 2 ，则折射角如 入射角口，即折射波折向法线；如c 1 入射角0 ，即折射波偏离法线。在c l c 2 时，入射角逐渐增大， 折射角也随着增大，设入射角达b 值时，折射角增大至9 0 ；若入射角比b 值大，超声波就在介质分界面上全部反射。上述b 角叫临界角。据实验测 值及计算结果，当超声波经液体入射到液体体表时，临界角b 约为1 5 2 0 ，即当入射角大于2 0 。时，超声波在介质分界面上全部反射。 2 1 23 超声波的透射特性 超声波垂直入射或倾斜入射到两种介质的分界面时，都可有部分超声 波能量透射穿过，垂直入射时经过分界面后会变更波动的传播方向。倾斜 入射时通过分界面后折射的超声波能量即为透射能量。透射系数的定义与 反射系数相似，为透过的超声波能量与入射的超声波能量的比值。当超声 波入射角垂直时，声压的透射系数“3 1 为： 声强的透射系数为： 耳- 2 p 2 c 2 j d 2 c 2 + p l c l t t - l - r # 小c 鲁鲁耪2 仁功 从透射系数的公式可知，当两种介质的声阻抗近似时，透射的超声波 能量多。当n c l 等于岛c 2 时，超声波的能量全部透射，而不发生反射实 际上反射、折射、透射三者往往同时并存，超声波在传播经过介质分界面 时均会产生反射、折射和透射。三者所占能量的大小主要取决于介质声阻 抗差别的大小、入射角度以及有时存在的夹层情况( 其厚度及声阻抗值) 西南交通大学硕士学位论文第1 0 页 2 1 2 4 超声波的散射特性 超声波在媒质中传播时，如果在媒质中含有大量杂乱微小粒子( 如气 体媒质中尘埃、烟雾等悬浮粒子，液体中杂质、小气泡、固体中的颗粒结 构，缺陷，掺杂物等) ，并且这些粒子的线度与波长可以相比时，则超声 波遇到这些排列不规则的粒子后，将使其成为新的波源而向四周发射波 动，这一现象称为波的散射显然，散射体的线度比波长越小，散射的影 响越小散射体越大，散射越厉害，使沿原来方向进行的声强有所减弱。 如果散射体的线度远大于波长，就可将散射体当作一个大的障碍物来处 理，在其障碍物上引起反射、折射和衍射。每个散射体被发出的散射超声 波，在散射体周围形成散射声场。其分布状态与投射波的种类、波长、散 射体形状、尺寸、数量和性质有关 2 1 3 超声波的方向特性 根据惠更斯一弗涅尔原理，对于单个振子，当它的尺寸极小时可以将 它看成是一个子波声源( 点声源) ，它所产生的声场是没有指向性的球面 波如果振源尺寸不足够小，则可以将其辐射面上的每一点看成是一个子 波声源，由于各个子波叠加的结果，其声场区域就具有指向性。声扬的指 向性是指声场中口方向的声压振幅p ) 与口为0 0 时的声压振幅p 帅( 0 ) 之 比，它表达了声场中声压p 的振幅与方向角0 之间的变化关系，以q 来表 示。以两个点声源所产生的声场为例，由于两个子波叠加的结果，将具有 如下式所示的指向性函数“”： d j - c o s ( 竿s i n8 ) ( 2 1 0 ) 式中：d 为两个点声源之间的距离，a 为辐射声波的波长 指向性函数为一无量纲的参量，q 随0 而变化的图形称作指向性图 案。根据式( 2 1 0 ) 便可作出两个点声源合成声场的指向性图案，如图2 一 西南交通大学硕士学位论文第l l 页 3 所示 从上式可见，当d a 时，则不论口值大小d l _ c o s 0 。- 1 ，所以接近于 “， 无方向的球面波。当7 a 有一定比值时，q 仍在0 = 0 0 时等于1 ，口逐渐增 大而达到某一角度q 时，d i = o ，在岛和睦之间形成指向性图案的主瓣。 当一继续增大时，则q 又增大，在主瓣旁边出现一些边辩或称副瓣。用同 样的分析方法亦可求出若干个点声源所形成的指向性图案。 厦试 图2 - - 3 两个点声源合成声场的指向性图案 圆形振源是超声波应用最广泛的一种，如图2 4 所示。设该振源的 半径为，直径为d ，根据惠更斯原理，可以把它看成是由无限多个频率、 图2 4 圆形振源 西南交通大学硕士学位论文第1 2 页 振幅和相位相同的点声源所组成。因此，求出各个点声源所发出的予波在 距离较远的b 点所产生的声压，对其积分，就能求出b 点处的总声压 弓 ) ，从而得到圆形振源的指向性函数： 即桨纠k 型业掣( 2 1 1 ) r ( o 。1 rs i n 0 工 、。7 式中为一阶贝塞尔函数。自变量为x 的一阶贝塞尔函数可展开成如 下级数： 、蜘j x 一嘉+ 毛 由此可见，g ) = o 有很多根，从贝塞尔函数表查得，其中最小根 - - - - 3 8 3 ， 其它根为7 0 2 ，1 0 1 7 ，1 3 1 2 等等。 由式( 2 1 1 ) 可知，仅当s # z m o ) = 0 时，才满足口= o ，因而可求得 声场范围内的各个零辐射角分别为岛，岛，岛等。通常把第一零辐射角色 称为主辩的半扩散角，也称为主瓣指向角。当岛较小时，有近似公式： 以- 半( 2 1 2 ) 上式即为主瓣指向角的佛朗赫费公式由式( 2 1 1 ) 可知，当口从b 继 续增大时，q 亦逐渐增大，但当日增大到岛值时， ( 打s i n 0 ) = o ，q 重 新回到零值，从b 到吃之间就是第一个副瓣。此后还可能有第二，第二个 副瓣等等，而各个副瓣都逐次交小。由此可以绘出圆形振源的指向性图案 如图2 - - 5 所示， 同时由式( 2 1 2 ) 可知，当圆形振源面积越大，超声波波长越短，即频 率越高的时候，+ 主瓣指向角越小，即超声波的方向性越强。 西南交通大学硕士学位论文第1 3 页 t d l 2 2 超声波测距 图2 5 圆形振源的指向性图案 2 2 1 超声波测距原理 超声波测距的原理一般采用渡越时间法t o f ( t i m eo ff l i g h t ) 首 先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间t ，再乘以超声波的 速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，距离s 的一般计算公式是： 1 s 。- - v t ( 2 1 3 ) 超声波的传播速度与温度密切相关，为减小测量误差必须进行声速的 温度补偿。超声波在理想气体中的传播速度v 可以由以下公式表示： _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 一 节- 、 r r t | m 0 2 1 4 ) 式中：m 代表气体摩尔质量，r 代表气体的比热比，r 代表气体常数，t 代表 热力学温度。 ， 已知现场温度l ( 。c ) 时可以用下式。1 近似计算： ，一3 3 1 4 5 + 0 6 0 7 毛( 2 1 5 ) 西南交通大学硕士学位论文第1 4 页 2 2 2 超声波反射回波识别方法 回波信号中含有目标的多种信息，如幅度、频率、相位、时间等，根 据实际需要有幅度检波、相位检波、频率检波之分，对它们的要求均为波 形失真小、传输系数大、滤波性能好、输入电阻大。由于幅度检波较为简 便，故实际应用中以幅度检波较为常用。由式( 2 1 ) 可知超声波为一正弦 曲线，考虑到实际情况，超声波回波信号可以近似的表示为： y ( f ) - p ( f ) e o s ( d o t + 妒) 4 - m ( 2 1 6 ) 式中y ( f ) 为回波信号，p ( f ) 为回波声压包络信号，n ，为超声波频率，伊为 相位，m 为直流分量。由数字信号处理知识可知，由( 2 1 6 ) 式做时频变换 将无法得到包络信号p ( f ) ，因为l ，p ) 是p ( f ) 经过幅度调制后的高频信号， 无法经过低通滤波后得到包络信号p ( f ) 为了得到包络信号p o ) ，特别对 式( 2 x 6 ) 进行变换，经过变形处理后可得： ( y ( f ) 一m ) 2 。- 睾j 2 0 ) + 睾p 2 ( f ) c o s 2 ( w t + 妒) ( 2 x 7 ) 二 1 由式( 2 1 7 ) 可知o ，o ) 一m ) 2 既含有低频信号妄p 2 0 ) ，又含有高频信号 二 1 妄p 2 ( t ) c o s 2 ( o x + 伊) ，所以o ，( f ) 一m ) 2 信号经过低通滤波器后可以将低频信 二 1 号去p 2 0 ) 分离出来，从而得到超声波回波的声压包络信号p ( f ) 。 超声波换能器是利用压电晶片的逆效应来产生超声波，通过压电效应 来接收超声波，故在实际测距应用中一般是连续发射一段脉冲后再等待回 波脉冲的到来，换能器晶片需要经历受迫振动、平衡振动、衰减振动三个 阶段。其回波包络曲线可以用下式叫表示： 西南交通大学硕士学位论文 第1 5 页 p p ( f ) 懈 旷e 。】 & e 叫 e 一f o t 鼋 鼋 f r 式中风为传播介质空气的密度，c o 为空气中的声速，_ r 为发射脉冲宽 度持续的时间口为发射换能器发射时受迫振动持续的时间，与换能器材 料有关。瓯为理想回波的声压峰值，与换能器和反射介质有关。c 、口。、 则是与换能器和反射介质有关的常数。0 一日的时间段非常短暂，对其表 达函数不作研究。 回波包络信号的起伏是造成测距误差的重要原因，信号的起伏包括幅 度的起伏和时域的漂移，理想情况下的回波包络信号“”为： a t ) 。觚c 卜一o 劫】国 f 刁 起伏条件下的回波包络信号为： ， ) ，( f ) 一w p q + & ) 。髓卵h 一矿。州) 】国 f c f ) ( 2 1 9 ) w 为幅度起伏系数，a t 为漂移时间。缸和在q t f 力时间段里为 常数，两信号经过规一化处理后得： p ( f ) i p p o c 铲a o - e - c o - q ) a y ( f ) 。y 旷眦”ae - e ( t + a t - q ) 佴 经过规一化处理后幅度起伏已经消除。再对】，( f ) 进行近似处理，由泰 西南交通大学硕士学位论文第1 6 页 勒公式得： e t t 1 + ( _ 砂+ ( r 么+ + ( 叫r 么+ 州小1 叫 故有： 】，o ) - ( p o c o c s ) o o + e t ( q 一缸) e t e t ( 口一缸) ，辨 - k f k a4 - b ( 2 2 0 ) 式中：k 一( 助c o c h ，, , f “。埘# ，彳一形，口一( 砌c 0 ) 口。 因此( 叮c f c r ) 时间段的包络曲线可以视为一组直线，a 与b 是与超声 波换能器及反射介质有关的常数，k 则反映了时域的变化一般情况下 一剐+ 矗的值较小，在实际计算中可以将其略去。 图2 6 是超声波的包络检测原理图，从图2 6 所示可知，由门限电 瓣薹刁7 笈射脒冲 ， i 计时开始 i i o 卜， 瓦t 拓一厶弓 二f ， i 图2 - - 6 包络检测原理图 平k 、k 可以得到从发射脉冲计时开始的时刻到触发门限电平的时间间隔 互、瓦。假设回波到达时间为f o ，由门限电压k 、k 所造成的延时分别为 f 1 、t 2 ，则有五_ t o + r 1 、五- t o + f 2 若回波峰值为圪，由回波包络曲线规 西南交通大学硕士学位论文第1 7 页 一化方程( 2 2 0 ) 可知： 因为五一乏- f l t 2 ，故： 由此求得f o 为： y ( f 1 ) - - k t i r c t ：) - - 啦 “高尚j 2 2 ， f 。- 五一f 1 - 五一堕k ( 2 2 2 ) 通过这种方法可以消除幅度波动和时间漂移，和普通的固定门限值检 波方法相比可以较大幅度地提高检波精度 2 3 超声波传感器选型 2 3 1 超声波传感器简介 超声波传感器亦称超声波换能器或超声波探头。它主要是由压电晶片 构成的，既可发射超声波，也可接收超声波。压电晶片可采用石英晶片或 压电陶瓷( 如钴酸钡) 片压电陶瓷片的灵敏度高，但熟稳定性不及石荚晶 片压电效应具有可逆性，给压电晶片施加周期性变化的电压时就会发生 形变，产生振动，发出超声波。反之当压电晶片受力后会产生电荷，形成 电压，因此它也可以接收超声波 超声波传感器的典型结构“”如图2 7 所示。它是把里正方形的两个 压电晶片( 亦称双晶扳子) 按照相反的极性粘贴在一起，再引出两个电极。 压电晶片上面有金属振动板( 片) 和圆锥型振子圆锥型振子具有很强的 方向性，便于发送或接收超声波超声波传感器采用金属或塑料外壳，其 西南交通大学硕士学位论文第1 8 页 顶部有屏蔽栅。 屏蔽橱 屏蔽譬 图2 7 超声波传感器的典型结构 2 32 超声波传感器主要参数 ( 1 ) 中心频率，即压电晶片的谐振频率 当施加于它两端的交变电压频率等于晶片的中心频率时，输出能量最 大，传感器的灵敏度最高中心频率越高，测距越短，而分辨力越高常 见超声波传感器的中心频率有3 0 k h z 、4 0 k h z 、7 5 k h z 、2 0 0 k h z 和4 0 0 k h z 等。 ( 2 ) 灵敏度 灵敏度的单位是分贝d b 。它主要取决于晶片材料及制造工艺 ( 3 ) 方向角 代表超声波传感器方向性的一个参数，方向角愈小，方向性就愈强， 一般为几度至几十度 一 ( 4 ) 工作温度 西南交通大学硕士学位论文第1 9 页 能使传感器正常工作的温度范围。其温度上限应远低于居里点温度。 以石英晶片为例，当湿度达到十2 9 0 c 时灵敏度可降低6 。一旦达到居 里温度点( 十5 7 3 c ) ，就会完全丧失压电性能。 2 3 3 u b 5 0 0 - 3 0 g m h 3 型传感器主要参数 u b 5 0 0 3 0 g m h 3 型传感器是德国p + f 公司产品，其特性响应曲线如图 2 8 所示： u b 5 0 0 3 0 g m h 3 型传感器的主要参数如表2 一l 所示 表2 - - 1u b 5 0 0 - - 3 0 6 m - h 3 型传感器参数表 ，项目参数及说明 检测范围3 0 5 0 0 m m ， 盲区范围o 3 0 砌1 换能器频率3 8 0 k h z 工作电压 1 0 3 0 v 输入输出类型脉冲输入与输出，内置检波电路 工作温度 - 2 5 c 一岱c 9 06 07 0 4 03 0 角度慷 蓬一 o 4o 5o bo 70 盐线1 ：平板1 0 0 m i t tx 1 0 0 m m 曲线2 ：圆棒，0 2 5 , m m 图2 8u b 5 0 0 3 0 g m - h 3 型传感器特性响应曲线 西南交通大学硕士学位论文第2 0 页 2 4 本章小结 本章介绍了超声波性质、传播特性、测距方法、回波识别方法等内容。 结合课题的实际需要还介绍了超声波传感器的结构、选型参数及实际所选 用的传感器。 西南交通大学硕士学位论文第2 1 页 第3 章检测原理及实验台设计 3 1 滑板检修要求 受电弓滑板是直接与接触导线接触受流的部件，它是受电弓故障率较 高的部件之一，最常见的故障是磨耗到限和拉槽。目前采用的滑板有碳滑 板、钢滑板、铝包碳滑板、粉末冶金滑板等。其中，碳滑板较软，滑板自 身磨耗较大，需经常更换，适用于钢接触导线；钢滑板较硬，对接触网磨 耗较大，适用于钢铝接触导线；粉末冶金滑板的主要成分是铁、铜和润滑 油，它有较好的自润滑性和一定的机械强度，电阻率也较小，与接触网导 线接触受流性能良好，既能同时适用于铜接触导线和钢铝接触导线，又有 助于减少因滑板损坏而造成的刮弓事故，是较为理想的滑板材料。目前在 线机车大多使用铜基粉末冶金滑板，故本文的测量对象主要针对粉末冶金 滑板。 根据受电弓检修的技术规程，对粉末冶金滑板滑板及支架的检修要求 如下： ( 1 ) 滑板条不允许有严重缺损，安装螺钉不允许凸出。滑板条应安 装牢固，接缝处应平整、密贴。其厚度、局部磨耗深度及接缝间隙不许超 限。 ( 2 ) 滑板托不得有裂损、折损、锈损、变形。滑板托顶面平整。诱 导角安装牢固、不得有变形，与滑板条之间应平滑过渡，间隙不许超限 ( 3 ) 滑板支架的活动部分在任何高度均能动作灵活。 粉末冶金滑板滑板的磨耗标准如表3 - 1 所示 表3 1 粉末冶金滑板滑板磨耗标准 限度 序号名称原形 中侈禁用 l 粉末冶金滑板厚度c m m ) 1 0l o - - 3 西南交通大学硕士学位论文第2 2 页 3 2 检测系统原理 在实际测量中，为提高检测效率采用在线测量的方式，同时为减小受 电弓振动的影响，一般选择在机车低速运行的时候如出入机车库时进行测 量由水平悬挂在机车上方的一排相对于机车前迸方向倾斜布置的超声波 传感器执行测量任务当机车以一定的速度( 通常在5 l o k m h ) 通过测 量点时，受电弓滑板表面的各个被测点将依次通过对应传感器的正下方 此时顺序开启相应的传感器就可以测得各点距离现相应超声波传感器的 距离。由于滑板的磨耗主要发生在滑板中心附近区域，边缘部分几乎没有 磨耗，例如现场更换铜基粉末冶金滑板时只更换中间三根，其余两根一般 不会更换。因此以滑板边缘的测量点作为基准点，就可以换算出中间磨耗 区测量点的磨耗量，进一步计算滑板剩余厚度平均值，磨耗允许界限值。 其工作过程如图3 一l 所示。 图3 1 在线检测滑板磨耗原理图 在现场下位机取得测试数据后，通过r s 4 8 5 串行通讯将数据上传到上位 机中，上位机根据测得的数据进一步计算滑板剩余厚度平均值，磨耗允许界 限值等。经过插值处理后还可以生成被测表面的三维图像，从而更加直观的 监测滑板表面状态。 西南交通大学硕士学位论文 第2 3 页 3 3 温度对测量精度的影响 由声速公式可知o c 时声速为3 3 1 4 5 m s ，4 0 c 时声速为3 5 5 7 3 m s 。 由于接触网3 0 0 m m 范围内不允许有任何异物存在，因此可以假设基准点距传 感器高度为f 2 ( v ，t 2 ) 一委吃- 姗l m 。同时由于滑板最大磨耗量为1 0 哪， 故假设磨耗点距传感器高度为甄一矗p ，f t ) 一去嘎- 3 1 0 m m ，式中y 为声速， 、 乞为回波时间，经计算可知f l = 9 , 3 5 3 x 1 0 4 $ ，f 2 二9 0 5 1 x 1 0 - 4 s 当温度由o c 上升到4 0 时，声速变化咖= 2 4 2 8 m s ，时间变化奶= 0 6 3 9 x 1 0 - 4 s ，d t z 2 0 6 1 8 x 1 0 - 4 s 根据测量方法可知磨耗量l - h 1 一日2 一去v 瓴一f 2 ) ，由间接测量误差理论 可以计算当温度由0 c 上升到4 0 c 时引起的测量误差为： d l 一堕o v 西+ 监o , 1d f l 一堕o vd v 一誓d f ： 酏2 丢( f 1 一f 2 沙+ 百1 ，溉一奶) 一0 7 3 3 2 + 0 6 9 6 0 - 1 4 2 9 2 m m 实际应用中一般要求测量系统的精度为0 5 舳，所以必须进行温度补偿 以提高系统精度，本文通过修改软件中计算距离时的超声波传播速度值来进 行温度补偿，现场检测系统可以通过增加一套测温装置来自动补偿温度引起 的误差。 3 4 实验台总体设计 由于目前还不具备设计现场检测系统的条件，所以前期方案验证和试验 工作主要在实验室中进行。试验中所使用实验台主要实现模拟现场的功能， 必须模拟出滑板相对于超声波传感器的移动。由于超声波传感器较为昂贵， 西南交通大学硕士学位论文第2 4 页 所以用一台步进电机驱动超声波传感器作x 方向的运动，模拟滑板上方的传 感器阵列；另一台步进电机则驱动工作台作y 方向的运动，模拟受电弓的平 移。通过两者的配合运动就可以模拟出现场实际测量受电弓滑板磨耗量的情 况。实验台机械部分示意图如图3 - - 2 所示： 图3 2 实验台机械部分示意图 实验台的主要电气组成部分有传感器驱动及回波信号处理电路，x 与y 向步进电机的驱动电路，与上位机通讯串口通讯电路等，其组成框图如图3 - - 3 所示。 西南交通大学硕士学位论文第2 5 页 l 传省动pi 电路卜一 l 传感器回渡l l 处理电路广v 下位机 j x 向步进电k 一 t l $ s 2 0 蛆2 4 0 7 叫机驱动卜一 一y 向步进电仇一 叫棚动r 3 5 本章小结 图3 - - 3 实验台电气部分组成框图 本章主要介绍了滑板的检修要求，现场检测系统的原理及实验台的总体 设计讨论了温度对本系统检测精度的影响，得出了为达到现场检测的精度 要求必须进行温度补偿的结论。 西南交通大学硕士学位论文第2 6 页 第4 章检测系统硬件设计 4 1 实验台机械部分设计 实验台的总体结构如图3 2 所示，本文的主要工作是选择步进电机型 号和传动方式，设计超声波传感器和工作台的安装方式。滚动导轨的选型， 支架和安装板的设计比较简单，在此不再赘述。 4 1 1 传动形式的选择 步进电机的传动方式一般可以选择滚珠丝杠传动或同步带传动。同步带 传动是一种综合了带、链传动优点的新型传动。它在带的工作面及带轮外周 均制成齿形，通过带齿与轮齿相嵌合作无滑动的啮合传动带内采用了承载 后无弹性伸长的材料作为强力层，以保持带的节距不变，使主、从动带轮能 作无滑差的同步传动。与一般带传动相比，同步带传动具有如下优点：( 1 ) 无滑动，传动比准确；( 2 ) 传动效率高，可达9 8 以上，明显节能；( 3 ) 传动平稳，能吸收振动，噪音小；( 4 ) 使用范围较广，传递功率由几瓦至数 千瓦，速度可达5 0m 5 ，速比可达1 0 左右滚珠丝杠传动则具有传动效 率高、摩擦系数小、耐磨性好、刚度高、寿命长的优点。但滚珠丝杠和同步 带相比结构更复杂，成本更高，经过综合考虑后，我们决定在实验台的传动 图4 一l 同步带传动安装示意图 西南交通大学硕士学位论文第2 7 页 方式上选择同步带传动。 由于选用滚珠导轨，摩擦系数较小，步进电机最大扭矩为0 3 2 n m ，属 于轻型传动，所以经查表后选择2 2 1 m x l 型同步带，带轮选用2 3 m x l b 型， 传动比为1 ：1 。固定端带轮通过紧定螺钉固定在步进电机轴上，活动带轮 活套在安装轴上，通过安装轴的左右移动张紧传动带，安装形式如下图4 - - 1 所示 4 1 2 步进电机的选型与安装 实验台选用两相混合式步进电机， ( 1 ) 已知条件为： 带轮传劫比三r ： 直线运动