李福川

（濟南軌道交通集團有限公司，山東聊城 250100）

0 引言

目前地鐵主要使用直流供電方式[1-2]，地鐵的直流牽引供電系統(tǒng)中，電流通過鋼軌回流，而有一部分電流經(jīng)鋼軌雜散流入大地，該部分電流被稱為雜散電流[3-4]。這些雜散電流對地鐵附近地下或者地面的金屬構(gòu)件，如結(jié)構(gòu)鋼筋、地下管線、通信電纜等會產(chǎn)生嚴(yán)重的化學(xué)腐蝕，使其強度受到嚴(yán)重的破壞，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性的意外事故[5-6]。地鐵的軌道對地過渡電阻與鋼軌縱向電阻是影響雜散電流的重要因素[7-9]，可靠而準(zhǔn)確地測量軌道對地過渡電阻與鋼軌縱向電阻對治理雜散電流有著至關(guān)重要的意義。

針對現(xiàn)有檢測方法工作量大、需要人力較多、檢測時間較長等問題，本文在傳統(tǒng)的離線國際標(biāo)準(zhǔn)檢測方法基礎(chǔ)上，根據(jù)地鐵實際結(jié)構(gòu)模式，設(shè)計了一種新型的地鐵軌道對地過渡電阻檢測系統(tǒng)，便于檢測人員檢測軌道對地過渡電阻值。檢測系統(tǒng)最終準(zhǔn)確快速地實現(xiàn)了軌道對地電阻的檢測，并且具有良好的人機交互功能。

1 檢測系統(tǒng)總體方案

為了達到準(zhǔn)確測量過渡電阻與縱向電阻的大小、減少人為誤差與后期計算量、檢測裝置更加便捷自動化以及節(jié)省大量人力與時間的目標(biāo)，在傳統(tǒng)檢測方法的基礎(chǔ)上，針對其檢測裝置存在的缺點，將原有的人工測量計算方法改進為自動化無線檢測裝置，提出基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的新型自動檢測系統(tǒng)，其整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖?1?所示，主要包括后臺主機、無線傳感器、中央處理單元、恒流電源、顯示控制單元等。檢測裝置在檢測軌道對地過渡電阻前需對鋼軌縱向電阻進行檢測，使用的檢測方法與軌道對地過渡電阻檢測方法有所不同，使用的無線傳感器數(shù)量與序號也有所差異。

如圖?1?所示，在檢測過渡電阻時分別在標(biāo)定的鋼軌檢測區(qū)間段?A、B?端與電流注入端放置?1?號無線傳感器、2?號無線傳感器、3?號無線傳感器和?5?號無線傳感器，用以檢測?A、B?端的鋼軌電壓?UA1、UB1與軌道對地電壓?URTA、URTB以及電流注入端的軌道對地電壓?URT和外部直流穩(wěn)流電源注入的電流?IST，同時該檢測區(qū)間段距離?L?也可以通過無線傳感器?4?測得并上傳至終端中央處理單元計算處理。軌道對地過渡檢測裝置在測量鋼軌縱向電阻時，無線傳感器的使用方法與具體布置見圖?1?左上圖，但其檢測時必須與軌道對地過渡電阻的檢測分別進行。

圖1 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的新型過渡電阻檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

所有無線傳感器從機由中央處理單元進行控制檢測并通過無線網(wǎng)絡(luò)向中央處理單元回傳所測得的數(shù)據(jù)。中央處理單元收集所有無線傳感器的檢測數(shù)據(jù)后，對接收到的數(shù)據(jù)進行計算處理，并分別計算得出鋼軌縱向電阻與軌道對地過渡電阻值，同時將計算與收到的所有數(shù)據(jù)存儲于?SD?存儲卡中，以便于檢測結(jié)束后將檢測數(shù)據(jù)存于后臺主機進行進一步的處理與備份。檢測系統(tǒng)配有觸摸屏，所有檢測與計算得到的數(shù)據(jù)可以在觸摸屏上進行直觀的觀察與讀取，而且檢測系統(tǒng)可以通過觸摸屏界面的控制按鈕控制各無線傳感器的工作過程，檢測人員可以使用界面的數(shù)據(jù)錄入框設(shè)置部分參數(shù)。

2 無線傳感器從機硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集傳感器為無線傳感器，其硬件部分主要包括前段信號的輸入單元、信號放大單元、電壓抬升單元、線性光耦隔離單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、中央處理單元、無線通信模塊。無線傳感器從機主要實現(xiàn)的功能是：分別測量待測區(qū)段各指定待測點的信號，并對其進行相應(yīng)的信號處理，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換單元完成數(shù)模轉(zhuǎn)換后做相應(yīng)的計算處理，最終通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至中央處理單元。檢測裝置的無線傳感器的中央處理單元采用STM32F103C8T6。由于檢測過程中沿線同時檢測點較多，并且檢測區(qū)段距離相對較長，因此，選取相對簡單與便捷的無線通信。由于設(shè)計的檢測系統(tǒng)的無線通信距離相對較大，系統(tǒng)選用了工業(yè)級長距離無線通信模塊nRF24L01+PA+LNA，并且為了保證無線通信質(zhì)量，增加了外接天線。

軌道對地過渡電阻檢測裝置采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)信號比較微弱，為了更加方便與準(zhǔn)確地采集所需數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)最終采用的方案是先將微弱信號進行放大處理，為避免一些干擾信號，在信號輸入端并聯(lián)了?2?個容值較小的濾波電容。運算放大器設(shè)計電路如圖?2?所示，圖?2?中?R20為增益調(diào)整電阻。

增益?G?的計算公式為：

電壓抬升電路是依據(jù)同相加法運算電路的原理進行設(shè)計的，同相加法運算電路原理圖如圖?3?所示，且計算公式為：

圖2 運算放大器電路圖

圖3 同相加法運算電路原理圖

為了避免高電壓或高電流串入對測量裝置和檢測人員造成損傷，以及防止傳輸過來的干擾信號隨著有效的采集信號進入到后級采集系統(tǒng)，需要對采集系統(tǒng)與測量信號之間進行有效的電氣隔離，并且同時降低多電路共地對信號傳輸帶來的干擾。所以，在信號處理時增加了光耦隔離，選擇?HCNR201?高線性度光耦隔離芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖?4?所示，圖中?NC?是空角。

輸入端?LED?被導(dǎo)通后，則會通過一定大小電流，LED?產(chǎn)生相應(yīng)強度的光照，此時光敏二極管感應(yīng)生成光電流。因為?2?個光敏二極管在線性光耦隔離芯片內(nèi)的安裝位置對稱，型號完全相同，所以二者得到的光照強度相同，產(chǎn)生了相等的光電流，光敏二極管上產(chǎn)生的光電流IPD1、IPD2大小與通過?LED?的電流IF大小成線性關(guān)系，各電流之間存在的關(guān)系：

圖4 HCNR201內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

式（3）中：IPD1、IPD2分別表示光敏二極管?PD1?與光敏二極管?PD2?產(chǎn)生的電流；IF表示二極管?LED?上流過的電流；G3表示線性光耦隔離的輸入輸出傳輸增益；G1、G2表示芯片中的?2?個光敏二極管的電流傳輸增益。由上可知，HCNR201?的優(yōu)秀封裝結(jié)構(gòu)、IPD1和IPD2之間嚴(yán)格的線性比例關(guān)系、發(fā)光二極管?LED?與光敏二極管?PD?形成的負(fù)反饋作用很好地保證了其極高的穩(wěn)定性與極高的線性度。

3 檢測系統(tǒng)終端軟件設(shè)計

為了確保所設(shè)計的地鐵軌道對地過渡電阻檢測裝置具備高性能以及系統(tǒng)運行時的高穩(wěn)定性等特點，在軟件程序設(shè)計時，采用了嚴(yán)格的程序邏輯控制，確保地鐵軌道對地過渡電阻檢測工作的有效順利進行。在檢測過程中，檢測人員主要是通過觸摸屏直觀便捷地控制整個檢測系統(tǒng)的運行，其通信主要包括觸摸屏與后臺主機通信、后臺主機與各傳感器從機的無線網(wǎng)絡(luò)通信。檢測系統(tǒng)整體控制程序流程框圖如圖?5?所示。

當(dāng)檢測人員按下采集控制按鈕時，觸摸屏將相應(yīng)的按鍵信息通過串口發(fā)送至后臺主機，后臺主機通過收到的信息對按鍵類型進行判斷，隨后后臺主機將根據(jù)按鍵的具體類型通過無線網(wǎng)絡(luò)向?qū)?yīng)的從機發(fā)送采集數(shù)據(jù)指令，當(dāng)從機收到采集數(shù)據(jù)指令后隨即開始數(shù)據(jù)采集并保存。從機采集完數(shù)據(jù)后，后臺主機再次通過無線網(wǎng)絡(luò)向同樣的從機發(fā)送回傳數(shù)據(jù)指令，從機收到來自于后臺主機的回傳數(shù)據(jù)指令后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺主機。最后后臺主機將對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理并計算出對應(yīng)的過渡電阻值與縱向電阻值，并將數(shù)據(jù)存儲至后臺主機中的?SD?存儲卡中，繼而將所有的數(shù)據(jù)通過串口以一定的數(shù)據(jù)包格式發(fā)送至觸摸屏顯示，以供檢測人員在檢測過程中讀取與記錄。觸摸屏的主界面如圖?6?所示。

圖5 系統(tǒng)控制邏輯框圖

主界面的觸摸按鍵區(qū)域主要有?5?個控制按鍵，包括：復(fù)位按鍵，未通電縱向電阻測量、通電縱向電阻測量、未通電過渡電阻測量、通電過渡電阻測量按鍵。檢測人員可以通過界面的復(fù)位按鈕對觸摸屏與后臺主機進行復(fù)位操作，其余?4?個按鍵主要是測量控制按鍵。測量過程需計算的量主要有鋼軌縱向電阻值與軌道對地過渡電阻值。所以，測量按鍵主要分為兩類：縱向電阻測量、過渡電阻測量。為排除軌道自身干擾信號對測量的影響，需要對未通電時的參數(shù)進行測量，使用通電前與通電后的差值進行計算。所以，測量鋼軌縱向電阻和軌道對地過渡電阻均有?2?個控制按鍵將測量過程分為兩步，分別是未通電按鍵與已通電按鍵。

圖6 觸摸屏主界面

4 結(jié)論

（1）本文設(shè)計了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的軌道對地過渡電阻檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括后臺主機、無線傳感器、中央處理單元、恒流電源、顯示控制單元等，可實現(xiàn)多數(shù)據(jù)同時采集、無線數(shù)據(jù)傳輸、自動計算、觸摸屏顯示與控制等功能。

（2）充分考慮軌道對地過渡電阻檢測系統(tǒng)的無線傳感器從機硬件部分的兼容性與檢測效果，通過信號放大單元模塊、電壓抬升處理及線性隔離單元等滿足單片機數(shù)模轉(zhuǎn)換對電壓的范圍要求及檢測效果。

（3）通過嚴(yán)格的邏輯控制功能保證檢測系統(tǒng)的高穩(wěn)定性與可靠性，繼而使用觸摸屏實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)分類直觀顯示，最大地體現(xiàn)出人機交互以及界面友好的優(yōu)越性。