动车组测速测距系统设计

1、动车组测速测距系统设计传感器原理及应用研究性专题一组员及分工符 晗：系统方案设计，传感器的选择。杜天明：单片机程序设计。高 潇：信号调理电路设计。赵逸然：误差修正及算法设计前言 近些年来，我国的铁路发展迅速，列车速度越来越快，然而，在高速度的背后需要我们对列车进行更加全面的监测，保证列车的安全性。动车组速度和位置的检测, 作为实现系统功能的先决条件也就显得越来越重要。1.1系统总体方案设计测量动车组速度和距离的方法有很多，比如利用光电式传感器通过测量万向轴的转速来间接测得动车组的速度，其缺点则是容易受空转以及打滑的影响而产生较大误差，因此我们选择的是激光测速测距传感器通过不间断地向轨面发出激光

2、束，由于列车和轨道的相对运动，根据多普勒频移效应原理，利用发射光和反射光的频率差计算出动车行驶的距离和速度，可以有效的避免空转和打滑对测量结果的影响流程框图回波信号传感器频率信号信号调理数据处理单片机实时显示1.2传感器的选型1.2.1激光测距测速传感器激光测距测速传感器是通过激光对物体位移以及运行速度进行测量，它相对于传统测距测速传感器有这很大的优势，同时也是一种新型的测量仪器。市场上常用的激光测距测速传感器是LDM301激光测距测速传感器，它是基于激光脉冲反射时差法原理，相对于传统测距测速传感器，它适用大量程测量，具有很高的响应频率，并且测量灵活以及精度高。优点：1.外形设计紧凑，易于安装

3、，便于操作；2.远距离测量，在无反光板和反射率低的情况下能测量较远的距离；3.有同步输入端，可多个传感器同步测量；4.测量范围广，响应时间短；5.金属外壳，结实耐用1.2.2性能参数1.2.3传感器工作原理激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。雪崩光电二极管：雪崩光电二极管是一种p-n结型的光检测二极管，其中利用了载流子的雪崩倍增效应（即光电流成倍地激增）来放大光电信号以

4、提高检测的灵敏度。1.3传感器安装激光测速传感器轨面2.调理电路设计采用两级放大电路，每一级都采用反响比例运算电路，如图，设计的电压放大倍数约为100倍，其中第一级放大倍数约为10倍，第二级放大倍数约为10倍，放大后电压变化范围为04.8V调理电路设计调理电路设计调理电路设计是一种置回电压比较器，它具有惯性，具有抗干扰的作用，在整形电路输入端接一个电容，起到的作用是阻止其他电路干扰，并将放大的电信号进行滤波、解耦。经过放大后的信号基本为5V的电平脉冲信号，在脉冲计数是常用5V的脉冲信号，如采用-5V的信号会增加电路的复杂性故一般不使用，所以进行二次整形。3.单片机程序设计 软件部分由数据处理程

5、序、安检程序设计、中断服务子程序、LED显示程序等几个部分组成。 数据处理完成对各种测试数据的处理，如各种数据的计算、数据格式的转换等。 按键程序包括按键防抖动处理、判键及修改项目等。定时器1完成定时功能，定时20ms，并每隔20ms进行一次显示，每隔1秒读一次计数结果。单片机对在1秒内计数的值进行处理，转换成每分钟的速度送进显存以便显示。软件设计动态显示仿真4.误差修正及算法设计4.1算法设计传感器采用激光脉冲反射时差法原理获取径向速度Vr= fdc/2f0（其中f0是发射波段，选用f0=24.15GHz.）根据几何关系计算可得列车运行速度 V=a fdc/2f0 （其中常数a由角度决定，有a=1/cos ）则由积分关系得到行驶距离 L= Vdt= fdc/2f0 cos dt4.2误差修正频率误差fd：在速度测量中，接受波频率由于列车运动而发生改变，产生误差。由于光速c=3*(108)(m/s)远大于动车时速v=80m/s，则有 fd 10(-5)MHz角度误差：由于火车自身震动以及环境温度产生的影响，将使传感器发射角度产生误差。传感器材质膨胀系数(外部主体硬质塑料)约为k=-10(-6)，假定环境温度-1545，则有T= 30，则形变量s=kT=3*10(-5)由几何关系：sins，解得=10(-5) 。时间误差t：LED显示所使用的芯片型号为AT89C