论文部分内容阅读
[摘 要]轨道横向位移测量的研究是脱轨预警系统的一个测量子项目，本文主要是从位移传感器和图像处理技术测量位移介绍了各种位移测量方式，并介绍了各种位移测量方式的优缺点。
[关键词]轨道横向位移 位移传感器 图像处理技术测量位移
中图分类号：TU 712.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）31-0176-01
一、研究背景
我国铁路自提速以来，货物列车脱轨呈上升趋势，脱轨在铁路部门重大事故、大事故中所占比例达到了70%。脱轨是指车轮离开钢轨，失去了钢轨对其垂向和横向约束而导致车辆不能继续在轨道上正常运行的现象。对货物列车来说，空载车辆提速是增加重载铁路运力和工作效率的有效手段，但因空载时车辆垂向作用力的减小，空载车辆提速以后容易发生脱轨事故，因此脱轨预警系统的设计研发尤为重要，本项目是脱轨预警系统的一个测量子项目。对轮轨横向相对位移的测量进行了研究，结合我国铁路发展的实际情况及铁路货车的实际使用，使其在最短的时间内使有脱轨倾向的车辆进行相应操作，防止脱轨事故，保证铁路运输安全。
二、位移测量方式简介
位移测量方式，可归为两大类：位移传感器和数字图像处理技术。位移传感器有电阻式、电容式、涡流式、压电式、感应同步式、磁栅式和光电式等传感器等等。数字图像处理技术有MATLAB图像处理技术、SOPC图像处理技术和CCD图像处理技术等等。
位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。模拟式又可分为物性型和结构型两种。常用位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。这种传感器发展迅速，应用日益广泛。
数字图形处理技术测量位移，主要是利用一些软件或硬件，如MATLAB软件、FPGA硬件和CCD软件等等，对图像进行处理，通过编程等一些方法测量所需的位移。数字图形处理技术测量位移具有较高的测量精度和较大的测量距离，可以适应较恶劣的环境，目前该技术已经比较成熟较实用。
三、位移传感器
感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术通常用来测量大的位移，而轨道横向相对位移数值较小，所以我们只考虑电阻应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测。
1、电阻应变式传感器
电阻应变式传感器以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量所测对象的位移。
2、LVDT电感式直线位移传感器
LVDT电感式位移传感器主要分为：无芯式、回弹式和双端万向接头式。工作原理简单地说是铁芯可动变压器。它由一个初级线圈，两个次级线圈，铁芯，线圈骨架，外壳等部件组成。当铁芯由中间向两边移动时，次级两个线圈输出电压之差与铁芯移动成线性关系。
3、 LVDT差动变压器式位移传感器
LVDT差动变压器式位移传感器主要有气动式LVDT位移传感器，其特点为无摩擦测量、无限的机械寿命、无限的分辨率、零位可重复性、径向不敏感和输入/输出隔离。
4、电涡流传感器
电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。
四、图像处理技术测量位移
1、SOPC图像处理技术
SOPC（SystemonaProgrammableChip）是一种灵活、高效的SOC技术与电子设计自动化技术（EDA）相结合的一种全新的嵌入式系统设计技术。使用SOPC技术在硬件上对实时图像进行处理，将图像处理算法固化在FPGA芯片上，并在其中嵌入NiosII软核处理器，可以加快图像处理的速度，满足图像实时处理的需要。
2、MATLAB图像处理技术
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件和图形处理的软件，除主包外， 还包含许多功能各异的工具箱， 用于解决各个领域的特定问题。它的工具箱主要有通信、控制系统、滤波器设计、图像处理、非线性控制设计、系统识别、神经网络、最优化、模糊逻辑、信号处理、鲁棒控制、统计等。借助于这些工具箱， 用户可以非常方便地进行分析、计算及设计工作。该软件被越来越多的人群接受和长期使用。
五、各种位移测量方式的特点
电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广寿命长，结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。适用于几毫米到几百毫米的位移测量。
电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。适用于零点几毫米到几百毫米的位移测量。
LVDT差动变压器式位移传感器优点：动态特性好，可用于高速在线检测，进行自动测量，自动控制，可在强磁场，大电流，潮湿，粉尘等恶劣环境下使用，可靠性非常好，能承受冲击达150g/11ms ，振动频率2KHZ加速度20g，体积小，价格低，性能价格比高。缺点：由于LVDT传感器工作原理是差动变压器式，通过线圈绕线，对于超大行程来说（超过1米），生产难度大，传感器和拉杆之和长度将达2米以上，使用不方便，且线性度也不高。
电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高等优点。
SOPC图像处理技术在于它设计的灵活性和更强的适应性，它可以根据需要决定是提高系统速度还是节省系统资源，能够更好地实现并行处理，从而提高系统的性能。
MATLAB语言简洁，可读性强，工具箱涉及的专业领域广泛且功能强大。MATLAB工具箱几乎包括所有经典的图像处理方法。因此，在图像处理技术中使用MATLAB语言可以快速实现模拟仿真，大大提高实验效率。
参考文献
[1] 安宁.图像处理方法研究及其应用.仪器仪表学报，2006，27（6）：7922793.
[2] 贾爱莲，等.《基于Matlab的植物叶面积数字摄像图像处理》，山西农业大学学报，2006年.
[3] 王翀，《重载铁路空载车辆脱轨预警系统的研究》，硕士学位论文
[4] 郁优文.传感器原理及工程应用[M].西安：电子科技大学出版，2003：128-146，111-126.
[5] 张强等，《精通图像处理》，电子工业出版社，2009年3月.
[关键词]轨道横向位移 位移传感器 图像处理技术测量位移
中图分类号：TU 712.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）31-0176-01
一、研究背景
我国铁路自提速以来，货物列车脱轨呈上升趋势，脱轨在铁路部门重大事故、大事故中所占比例达到了70%。脱轨是指车轮离开钢轨，失去了钢轨对其垂向和横向约束而导致车辆不能继续在轨道上正常运行的现象。对货物列车来说，空载车辆提速是增加重载铁路运力和工作效率的有效手段，但因空载时车辆垂向作用力的减小，空载车辆提速以后容易发生脱轨事故，因此脱轨预警系统的设计研发尤为重要，本项目是脱轨预警系统的一个测量子项目。对轮轨横向相对位移的测量进行了研究，结合我国铁路发展的实际情况及铁路货车的实际使用，使其在最短的时间内使有脱轨倾向的车辆进行相应操作，防止脱轨事故，保证铁路运输安全。
二、位移测量方式简介
位移测量方式，可归为两大类：位移传感器和数字图像处理技术。位移传感器有电阻式、电容式、涡流式、压电式、感应同步式、磁栅式和光电式等传感器等等。数字图像处理技术有MATLAB图像处理技术、SOPC图像处理技术和CCD图像处理技术等等。
位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。模拟式又可分为物性型和结构型两种。常用位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。这种传感器发展迅速，应用日益广泛。
数字图形处理技术测量位移，主要是利用一些软件或硬件，如MATLAB软件、FPGA硬件和CCD软件等等，对图像进行处理，通过编程等一些方法测量所需的位移。数字图形处理技术测量位移具有较高的测量精度和较大的测量距离，可以适应较恶劣的环境，目前该技术已经比较成熟较实用。
三、位移传感器
感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术通常用来测量大的位移，而轨道横向相对位移数值较小，所以我们只考虑电阻应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测。
1、电阻应变式传感器
电阻应变式传感器以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量所测对象的位移。
2、LVDT电感式直线位移传感器
LVDT电感式位移传感器主要分为：无芯式、回弹式和双端万向接头式。工作原理简单地说是铁芯可动变压器。它由一个初级线圈，两个次级线圈，铁芯，线圈骨架，外壳等部件组成。当铁芯由中间向两边移动时，次级两个线圈输出电压之差与铁芯移动成线性关系。
3、 LVDT差动变压器式位移传感器
LVDT差动变压器式位移传感器主要有气动式LVDT位移传感器，其特点为无摩擦测量、无限的机械寿命、无限的分辨率、零位可重复性、径向不敏感和输入/输出隔离。
4、电涡流传感器
电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。
四、图像处理技术测量位移
1、SOPC图像处理技术
SOPC（SystemonaProgrammableChip）是一种灵活、高效的SOC技术与电子设计自动化技术（EDA）相结合的一种全新的嵌入式系统设计技术。使用SOPC技术在硬件上对实时图像进行处理，将图像处理算法固化在FPGA芯片上，并在其中嵌入NiosII软核处理器，可以加快图像处理的速度，满足图像实时处理的需要。
2、MATLAB图像处理技术
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件和图形处理的软件，除主包外， 还包含许多功能各异的工具箱， 用于解决各个领域的特定问题。它的工具箱主要有通信、控制系统、滤波器设计、图像处理、非线性控制设计、系统识别、神经网络、最优化、模糊逻辑、信号处理、鲁棒控制、统计等。借助于这些工具箱， 用户可以非常方便地进行分析、计算及设计工作。该软件被越来越多的人群接受和长期使用。
五、各种位移测量方式的特点
电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广寿命长，结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。适用于几毫米到几百毫米的位移测量。
电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。适用于零点几毫米到几百毫米的位移测量。
LVDT差动变压器式位移传感器优点：动态特性好，可用于高速在线检测，进行自动测量，自动控制，可在强磁场，大电流，潮湿，粉尘等恶劣环境下使用，可靠性非常好，能承受冲击达150g/11ms ，振动频率2KHZ加速度20g，体积小，价格低，性能价格比高。缺点：由于LVDT传感器工作原理是差动变压器式，通过线圈绕线，对于超大行程来说（超过1米），生产难度大，传感器和拉杆之和长度将达2米以上，使用不方便，且线性度也不高。
电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高等优点。
SOPC图像处理技术在于它设计的灵活性和更强的适应性，它可以根据需要决定是提高系统速度还是节省系统资源，能够更好地实现并行处理，从而提高系统的性能。
MATLAB语言简洁，可读性强，工具箱涉及的专业领域广泛且功能强大。MATLAB工具箱几乎包括所有经典的图像处理方法。因此，在图像处理技术中使用MATLAB语言可以快速实现模拟仿真，大大提高实验效率。
参考文献
[1] 安宁.图像处理方法研究及其应用.仪器仪表学报，2006，27（6）：7922793.
[2] 贾爱莲，等.《基于Matlab的植物叶面积数字摄像图像处理》，山西农业大学学报，2006年.
[3] 王翀，《重载铁路空载车辆脱轨预警系统的研究》，硕士学位论文
[4] 郁优文.传感器原理及工程应用[M].西安：电子科技大学出版，2003：128-146，111-126.
[5] 张强等，《精通图像处理》，电子工业出版社，2009年3月.