钢轨状态实时监测的无线传感装置的研究

摘要

无缝钢轨作为高铁速度提升的关键，其健康状态至关重要，有必要对钢轨的状态进行实时监测。我国现有的以大型探伤车为主、小型探伤仪为辅的钢轨探伤模式只能对钢轨进行不定期的安全检测，无法做到长期的实时监测，具有一定的局限性。因此，有必要研究一种高效的、实时的钢轨安全监测手段来及时获取钢轨的状态，对确保列车行车安全具有重大意义。
　　无线传感网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）的出现，为解决监控与诊断中的分布数据获取和快速抢修、健康信息自动识别、监控系统快速扩充等问题提供了新的途径和方法，WSN为钢轨安全监测进一步发展提供了一个新的方向。为此，本文展开了基于钢轨动态应变和加速度的无线传感装置的研究，具体工作如下:
　　本文结合钢轨安全监测的需求以及无线传感器网络的特点，采用了分层模块化的设计思路，开发了可直接叠装成节点的数据采集模块，供电模块以及无线发射模块。将各类节点和对应的传感器进行集成，成为一个可以直接在钢轨上方便安装的整体装置。同时对装置进行抗电磁干扰的屏蔽设计，实现了用于钢轨安全监测的无线传感装置的硬件设计。
　　本文对太阳能和蓄电池供电的方案加以改进。设计中选用防雷模块和短信开关，避免整个系统遭受雷击，且能时刻查询节点工作状况及蓄电池充电情况。
　　基于Zigbee无线通信技术和嵌入式技术，在无线传感网络通信协议基础上，实现了多采样率、多采集模式的动态应变和加速度的数据采集软件设计，并且对数据进行存储和发送，同时基于DS18B20实现钢轨温度采集的软件设计。
　　对无线传感节点与网关组网的通讯距离进行了测试，来验证节点的通讯质量。搭建模拟钢轨振动的平台来测试装置采集数据的完整性和稳定性。将无线传感装置与标准的测量仪器进行温度、应变和加速度数据采集的对比试验，来验证装置采集数据的准确性。通过三方面实验对无线传感装置进行性能测试。最后，对整个装置进行了长期的铁路现场监测实验，实验结果表明，整个装置运行稳定，采集数据准确可靠，抗干扰能力强，适用于野外无人值守的复杂环境。