钢轨应变实时监测节点研究
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摘 要： 为了实现对钢轨应变的远距离、实时监测，以MSP430F149单片机为主控制器，结合ZigBee技术，设计了实时监测节点，完成了钢轨应变、温度的采集及数据无线传输。将节点进行了实验室测试和标定并将其安装在某铁路路段进行了实际测试，实际测得的数据与理论分析相符，节点安装简单、运行稳定、速度快、功耗低，适用于户外无人值守的恶劣监测环境。
关键词： 钢轨应变； 无线节点； 远程； 实时监测； ZigBee
中图分类号： TN926?34； TP216.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）19?0135?05
0 引 言
随着我国铁路提速战略的实施及高速铁路的蓬勃发展，轨道安全成为人们关心的热点。无缝钢轨利用扣件阻力、道床阻力等外力强制限制其自由伸缩[1]，由于物体的热胀冷缩效应，在钢轨内部会产生很大的纵向温度力[2?3]。若不能及时、准确掌握钢轨温度力状况，并对温度力超限地段及时调整、放散，就可能发生断轨、胀轨跑道等事故，危及行车安全[4?5]。因此，无缝钢轨温度力的准确、实用测量是无缝线路安全状态研究中的一个关键课题[6]。
王建文等人利用钢轨在弹性变形范围内，其侧向挠曲变形与温度内力变化有密切关系的原理，建模分析了二者的变化规律，并研制出钢轨温度内力测试系统[6?7]。彭小丹利用超声波在弹性体中传播时，其传播速度与介质的应力状态之间存在线性关系的理论，研制了超声波无缝钢轨温度应力检测系统。系统中的超声波接收电路接收检测温度应力。系统中的超声波发射电路产生的超声波，经钢轨反射和折射后，由接收电路接收，其后测得其传播速度，进而计算出钢轨的温度应力[8]。王骁利用铁磁材料被交变磁场磁化过程中，材料内部磁畴错动产生壁移，向外辐射电磁和声能量的现象，设计了巴克豪森噪讯无缝线路检测仪[9]。澳洲有一种被称作“RAILSCAN”的检测方法[10]，是以摄像原理，对轨道断面相关部位几何尺寸的检测来判断钢轨是否因温度应力等原因发生异常。英国某公司还提出一种被称作VERSE（Vertical Rail Stiffness Equipment）的测量方法[11]，它是基于抬起钢轨所需的的垂向力因钢轨纵向力的不同而不同，从而间接得到钢轨的温度应力。以上测试方法都对钢轨的温度应力的测试做了有益的探索，但钢轨本身作为行车信号的通道，对钢轨测试时不能影响该信号，故以上测试方法不够完善，设备的安装使用较为复杂，推广使用有一定困难。另外，上述温度应力测试装置都是便携式仪器，须在无车时对钢轨进行现场测试，无法实现实时远程监测。
应变能准确反映钢轨内部温度力的状况，本文采用应变法，结合无线通信技术，研制了钢轨应变实时监测节点，实现对数据的实时采集及远程传输。通过高低温实验验证节点性能，并用标准应变模拟仪标定节点，校正其初始值和线性度，最终实现对钢轨应变的实时在线监测。实践证明该方法切实可行，节点适用于钢轨线路等封闭性测量环境。
1 节点应变检测电路设计
1.1 测量原理
应变与钢轨温度变化有直接关系，故节点采集应变的同时也应采集钢轨的温度。本文中将应变片和温度传感器粘贴在钢轨表面，直接测得钢轨应变和温度。
在钢轨轨腰中性轴处粘贴应变片，则应变片的丝栅随钢轨一起发生长短变化。图1为应变片和节点内的低温漂电阻组成的全桥桥路。电阻[R1，R2]的低温漂特性从一定程度上补偿温度变化对测量值的影响，纵向应变片[R3]主要测量钢轨纵向应变，而竖向应变片[R4]先贴在与被测轨热胀系数相同的补偿块上，再将补偿块贴在钢轨上与钢轨保持同样的温度，用于温度补偿和参照系数。
在B端给桥路供电，AC两端的压差[ΔU]输出为：
[ΔU=UC-UA=VexcR2+R3×R4-VexcR1+R4×R3=Vexc×R2R4-R1R3R2+R3R1+R4] （1）
当钢轨应变发生变化，应变片阻值[R3，R4]变化引起AC两端压差变化，经过后续处理单元，计算出钢轨应变的改变量。
1.2 检测电路设计
节点主要由采集单元、无线通信单元和供电单元3部分组成。原理框图如图2所示。
采集单元主要实现对桥路信号的放大、滤波等处理，经A/D转换后对数据进行采集、存储，并对控制命令及时响应。由于桥路输出的微小信号易受影响，而桥臂电阻、放大器、滤波器等器件的温漂不可避免，故本文中选用低温漂电阻及本身温度系数小、性能良好的芯片对模拟信号进行处理，尽量减小系统温漂。选用MSP430系列芯片做CPU，该芯片采用精简指令结构，执行速度快，片内含有本文中需要的定时器、串行口、SPI口等资源，并有多种低功耗模式，也可根据系统运行速度灵活选择不同频率的运行时钟，以降低功耗。而工作于恶劣环境中的设备，由于强磁干扰、强辐射等影响，可能会造成程序跑飞，发生不可预知的后果。为了防止上述意外发生，使单片机可在无人状态下连续稳定工作，本系统为微处理器添加看门狗芯片监测程序运行状态。若程序正常运行，CPU能在规定时间内喂狗，否则看门狗溢出使单片机复位。
为了实现对钢轨应变的实时远程监测，本文选用ZigBee网络进行节点数据的无线传输。该网络容量大、功耗低，且网络的自组织、自愈能力强。应用该网络，节点与网关间可自动动态组网，快速建立连接。其协议紧凑简单，对资源要求少，并建立了碰撞避免和应答通信机制，从而避免了发送数据时的竞争和冲突，保证了传输信息的高效和高可靠性。
节点应用于户外，且要实现全天候监测，由于供电不便且节点进行了低功耗设计，对能源消耗不大，故采用太阳能电池板加蓄电池的方式供电；另外，为了防止雷击损坏节点、影响行车信号，在供电模块中添加避雷装置，以吸收雷击时的瞬间高压，保护节点安全。