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1、思科网络技术学院理事会. 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 2 思科网络技术学院理事会. 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 3 思科网络技术学院理事会. 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。 4 思科网络技术学院理事会. 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
2、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 5 思科网络技术学院理事会. 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 6 思科网络技术学院理事会. 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
3、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，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 7 思科网络技术学院理事会. 1.2.2性能参数 8 思科网络技术学院理事会. 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
4、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）来放大光电信号以提高检测的灵敏度。 9 思科网络技术学院理事会. 10 思科网络技术学院理事会. 1.3传感器安装 激光测速传感器 轨面 11 思科网络技术学院理事会. 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
5、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 12 思科网络技术学院理事会. 调理电路设计 13 思科网络技术学院理事会. 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。 14 思科网络技术学院理事会. 3.单片机程序设计 软件部分由数据
6、处理程序、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。 15 思科网络技术学院理事会. 软件设计 16 思科网络技术学院理事会. 动态显示仿真 17 思科网络技术学院理事会. 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
7、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 dt 18 思科网络技术学院理事会. 4.2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AT89C51，是 一种高性能CMOS 8位微处理器，并且从模拟信号转到数 字信号的翻转时间为200ns，与信号脉宽相比为极微小量 ，可以忽略不计。 综上所述，代入速度公式计算测速精度为0.08%. 19 思科网络技术学院理事会. 谢 谢！
