虚拟仪器在轨道列车测试中的运用

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【摘要】采用基于多普勒测速原理的虚拟仪器测试系统，以DASYLAB软件为平台构建的数据采集控制系统，测试轨道列车制动系统性能是否良好，从制动距离、制动时间、最大减速度等多个方面分析，验证虚拟仪器在轨道列车测试中运用的优越性。

【关键词】多普勒；制动；DASYLAB软件

1、概述

高速列车制动系统是车辆行驶安全的关键装置。了解列车的制动系统是否达到设计要求，必须有稳定性和准确性较好的高速列车制动试验测量分析装置。

随着电子技术、通信技术以及计算机技术的飞速发展，传感器的输出形式也越来越多，有数字量、模拟量、电荷量以及串行、并行与USB通信口等各种类型的输出。新型的A/D、D/A数据采集器一般都有能与计算机直接通信的接口，因此利用计算机再加上适当的软件就可以组成一台通用型的具有采集、显示、二次处理及输出控制的多功能测试仪器。

2、硬件设备

2.1 GSS25型多普勒雷达测速传感器

2.1.1多普勒效应

波源与接收机之间相对运动时，接收器接收到的波源频率会发生变化的现象叫做多普勒效应。波源频率与接收到的波源频率之差称为多普勒频率。以连续波作为波源，发射微波信号，接收目标反射回来的回波信号，如已知波源频率，测量出多普勒频率就可以计算出目标的运动速度。这种测速装置称为连续波多普勒雷达。

2.1.2多普勒频率与相对径向运动速度

设雷达发射信号为

（1）

式中：U是发射信号振幅，ω是发射信号的角频率。

若目标是固定不动的，那么该目标反射到雷达的回波信号为：

（2）

式中：K为比例常数，，R0是目标与雷达距离，C是电磁波速度，它等于光速，时延t0是常数。

由指数ω（t-t0）=ωt-ωt0可知，回波信号频率不变[1]。

当目标以速度v相对雷达作径向运动时，那么在时间t时刻目标距雷达的距离

R（t）=R0±v・t （3）

式中目标向雷达运动取负号，背离雷达运动取正号。

这时由运动目标反射的回波具有时延tr，tr是电磁波往返雷达与目标所需的时间，

反射回波

（4）

上式说明，在t时刻接收到的波形Sr（t）上的某点，是在t-tr时刻发射的，由于通常雷达和目标的相对速度v远小于电磁波速度C，所以时延tr可以近似写为：

（5）

时延tr是时间t的函数。代入上式：

（6）

由指数项可知，接收到的回波信号频率变为接收信号频率与发射信号频率之差：

（7）

?就是多普勒频率。波源发射信号频率?一定时，?d与目标径向速度v成正比。当目标向雷达运动时，多普勒频率为正值，接收信号频率高于发射信号频率。而当目标背离雷达运动时，多普勒频率为负值，接收信号频率低于发射信号频率。由已知的发射信号频率?，测量出多普勒频率?d，就可以由上式计算出目标的运动速度v。

2.1.3连续波多普勒雷达测速装置

测速装置使用一只环流器使发射和接收合用一个天线。微波信号经环流器由天线发射至目标。目标发射的回波信号由同一个天线接收，经环流器至检波器。由于环流器的隔离性能不是理想的，总有一小部分发射信号发射至检波器，同时天线与波导匹配的不完善，也会将一小部分发射信号反射至检波器。这样，检波器混合发射信号和回波信号后滤除高频成份输出它们的差频信号，即多普勒频率。

2.2 三向加速度传感器

该陀螺传感器可测量前进、侧向和垂直三个方向的加速度。它可测量的最大加速度为10g。

2.3 红外线温度传感器

传感器利用红外线的物理性质来进行测量。红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类[3]。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化[4]。

2.4 Personal Daq数据采集器

该数据采集器有16路单点（或8路差分）模拟量输入、8路数字量输入/输出、8路脉冲输入、8路温度输入。数据通过USB端口与计算机连接，组成虚拟仪器测试系统。

3、虚拟仪器测试系统

3.1 系统功能

以DASYLAB软件为平台来构建的数据采集控制系统。DASYLab 是一款专业图形化高速数据采集、显示、控制、分析软件包，拥有图形化界面，无需繁琐的编程工作[3]。多达118个功能模块，可方便的完成数据采集、显示、存储、分析、统计、运算、控制、触发等各种功能。

功能模块[5]包括以下10个部分：输入、输出；触发功能；信号处理；统计功能；控制功能；显示模式；运算功能；数据压缩；读写数据；特殊模块。

3.2 程序设计

点击图1中所需的各功能模块， 模块的名字就在模块图标下的一个小窗口中显示出来，对应的标记会出现在工作区域中。工作笺的两个模块必须用数据通道来连接以便数据能在模块间传递。数据通道是模块输出和另一模块输入之间的连接。数据通过这些连接，在各处的模块间传递。

4、试验与数据处理

试验初速度80km/h制动试验结果如表1所示。

表1 满载制动性能

5、结语

虚拟仪器组成的测试系统，使用方便、灵活，适应性广，扩充性强，与传统仪器相比，虚拟仪器有许多优点：对测试量的处理和计算可更复杂且处理速度更快，测试结果的表达方式更加丰富多样，可以方便地存储和交换测试数据，价格低，技术更新快。它的最大特点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，满足多种多样的应用需求。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，任何使用者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模，这充分体现了软件就是仪器的设计思想。

参考文献

[1]韩放.脉冲多普勒雷达信号处理仿真研究[D].哈尔滨工程大学，2007.

[2]任仲伟，刘微微等.对220kV电压互感器红外检测结果异常的分析[J].2010（3），电气时代.

[3]刘航.桌面自平衡机器人的研究与实现[D].北京工业大学，2010.

[4]姜国微.冲量式谷物质量流量测量装置设计研究[D].江苏大学，2011.

[5]刘斌.预应力混凝土桥梁动载试验理论及其方法的研[D].武汉理工大学，2008.