铁路桥梁碰撞报警系统的制作方法

本发明涉及铁路桥梁检测领域，具体是一种铁路桥梁碰撞报警系统。

背景技术：

长江等江河上架设的大桥由于种种原因，桥梁经常受到船舶的碰撞，尤其是公铁两用大桥受到碰撞后，如没有及时发现碰撞，将会造成重大行车安全隐患。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种铁路桥梁碰撞报警系统，采用拉力检测报警技术有效、及时发现船舶对桥梁的碰撞，避免铁路交通事故的发生。

本发明的技术方案为：

铁路桥梁碰撞报警系统，包括有依次连接的设置于钢丝绳上的拉力传感器，输出信号比较电路和报警单元；所述的钢丝绳设置于铁路桥梁每个桥墩的碰撞面上，所述的钢丝绳一端与拉力传感器固定连接，钢丝绳的另一端与缠绕于定滑轮下坠后与一平衡物固定连接；所述的输出信号比较电路包括有两个电压比较器，其中一个电压比较器ic1的负极输入端与下比较电压输出端连接，另一个电压比较器ic2的正极输入端与上比较电压输出端连接，电压比较器ic1的正极输入端、电压比较器ic2的负极输入端均与拉力传感器的信号输出端连接，电压比较器ic1的输出端、电压比较器ic2的输出端均与报警单元连接。

所述的拉力传感器包括有基体，基体的上端面上设置有凸起，凸起上设置有拉力盲孔，基体相对的前、后端面上均设置有两个受力盲孔，前端面上的两个受力盲孔与后端面上的两个受力盲孔一一同轴相对设置，基体四个受力盲孔所在部分形成两个工字梁结构，四个受力盲孔内均设置有电阻应变片，四个电阻应变片连接组成惠斯通电桥。。

所述的钢丝绳上套装有多个吊环，每个吊环与固定的对应支座连接，所述的钢丝绳的一端与拉力传感器的拉力盲孔固定连接，另一端缠绕于定滑轮下坠后与一平衡物固定连接。

所述的相邻吊环之间的距离为2-5m，所述的平衡物重量为13-17kg。

所述的钢丝绳被分成两段，且两段钢丝绳之间连接有阻尼装置，所述的阻尼装置包括有基座、定位于基座上的齿轮和齿条，齿条与齿轮相互啮合，所述的齿条的两端分别与两段钢丝绳的内端连接，一段钢丝绳的外端与拉力传感器固定连接，另一段钢丝绳的外端缠绕于定滑轮下坠后与一平衡物固定连接。

所述的输出信号比较电路还包括有可变电阻rp1和可变电阻rp2，可变电阻rp1的可调端、其中一固定端均与上比较电压输出端连接，可变电阻rp2的可调端、其中一固定端均与下比较电压输出端连接，可变电阻rp1的另一固定端、可变电阻rp2的另一固定端均与供电电源连接。

所述的每个桥墩碰撞面上报警单元的信号输出端均与对应的无线信号发射器连接，多个无线信号发射器均与无线接收主机连接，无线接收主机通过gsm短信报警系统与移动客户端连接。

所述的无线信号发射器包括有编码电路和发射电路，编码电路的输入端与外部的编码开关连接，编码电路的输出端发射电路的输入端连接，发射电路的输出端输出无线信号；所述的无线接收主机包括有依次连接的用于接收无线信号的高频放大电路、解调电路、译码电路和执行电路。

本发明的优点：

本发明采用拉力传感器将桥墩的碰撞力转换为拉力电压信号并采集发送给输出信号比较电路，输出信号比较电路通过电压信号的比较得出比较结果，并根据比较结果发出报警信号，从而实现桥梁碰撞报警的功能，防止安全事故发生。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明拉力传感器的安装示意图。

图3是本发明拉力传感器的主视图。

图4是本发明拉力传感器的后视图。

图5是本发明拉力传感器的俯视图。

图6是本发明拉力传感器受到垂直压力时的状态图。

图7是本发明拉力传感器受到垂直拉力时的状态图。

图8是荷柱式梁的力学模型示意图。

图9是本发明拉力传感器工字梁部分的应变区位置及应力分布图。

图10是本发明拉力传感器惠斯通电桥的结构示意图。

图11是本发明拉力传感器环境变化时测量数据图。

图12是本发明拉力传感器外力变化时测量数据图。

图13是本发明阻尼装置的安装结构示意图。

图14是本发明输出信号比较电路的电路图。

图15是本发明多个报警单元的无线信号传输框图。

图16是本发明无线信号发射器和无线接收主机的连接框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

见图1，铁路桥梁碰撞报警系统，包括有依次连接的设置于钢丝绳上的拉力传感器01，输出信号比较电路02和报警单元03。

见图2，钢丝绳04设置于铁路桥梁每个桥墩的碰撞面上，钢丝绳04上套装有多个吊环41，每个吊环41与固定的对应支座42连接，钢丝绳04的一端与拉力传感器01的拉力盲孔固定连接，另一端缠绕于定滑轮43下坠后与一平衡物44固定连接，相邻吊环41之间的距离为2-5m，平衡物44重量为13-17kg。图6为钢丝绳04受到外压力冲击时(视为垂直压力)，通过受力区间邻近的两个吊环41的定位功能，使钢丝绳04到拉力传感器01的拉力变为水平的拉力。图7为垂直拉力变为水平拉力。在一个单元受力区间内，钢丝绳04受到的瞬间(轮船碰撞到钢丝绳上时为快速的冲击)最大压力或拉扯力会大于平衡物44的重量，拉力传感器01检测这个冲击压力值，可以判断出桥墩是否碰撞。

见图3-图5，拉力传感器01包括有基体11，基体11的上端面上设置有凸起12，凸起12上设置有拉力盲孔13，基体11相对的前、后端面上均设置有两个受力盲孔14，前端面上的两个受力盲孔14与后端面上的两个受力盲孔14一一同轴相对设置，基体11四个受力盲孔14所在部分形成两个工字梁结构，四个受力盲孔14内均设置有电阻应变片，四个电阻应变片连接组成惠斯通电桥(见图10)。

见图13，钢丝绳04被分成两段，且两段钢丝绳04之间连接有阻尼装置，阻尼装置包括有基座51、定位于基座51上的齿轮52和齿条53，齿条53与齿轮52相互啮合，齿条53的两端分别与两段钢丝绳04的内端连接，一段钢丝绳04的外端与拉力传感器01固定连接，另一段钢丝绳04的外端缠绕于定滑轮下坠后与一平衡物44固定连接。

见图14，输出信号比较电路02包括有可变电阻rp1、可变电阻rp2和两个电压比较器ic1和ic2，可变电阻rp1的可调端、其中一固定端均与上比较电压输出端连接，可变电阻rp2的可调端、其中一固定端均与下比较电压输出端连接，可变电阻rp1的另一固定端、可变电阻rp2的另一固定端均与供电电源连接，其中一个电压比较器ic1的负极输入端与下比较电压输出端连接，另一个电压比较器ic2的正极输入端与上比较电压输出端连接，电压比较器ic1的正极输入端、电压比较器ic2的负极输入端均与拉力传感器的信号输出端连接，电压比较器ic1的输出端、电压比较器ic2的输出端均与报警单元03连接。s1s2s3sn

见图15和图16，每个桥墩碰撞面上报警单元03的信号输出端均与对应的无线信号发射器06连接，多个无线信号发射器06均与无线接收主机07连接，无线接收主机07通过gsm短信报警系统08与移动客户端09(手机或其它移动设备)连接；其中，无线信号发射器06包括有编码电路61和发射电路62，编码电路61的输入端与外部的编码开关连接，编码电路61的输出端发射电路62的输入端连接，发射电路62的输出端输出无线信号；无线接收主机07包括有依次连接的用于接收无线信号的高频放大电路71、解调电路72、译码电路73和执行电路74。

一、拉力传感器受力分析：

1、拉力传感器力学模型：

拉力传感器可简化成两端受力集中载荷剪切梁或柱式梁，力学模型示意图8。

中间受力载荷作用的应力计算：

梁的剪应力及剪应变计算：

剪切梁传感器的一般均在应变梁的拐点加二个受力盲孔(局部形成工字梁)，其剪应力可用茹拉夫斯基公式进行计算：

局部工字梁结构的应变区位置及应力分布如图9如示。

式中:

剪力q

剪切截面对中轴的静矩sy

剪切截面对中轴的惯矩jy

则

45°方向的主应力和主应变计算，沿梁中线轴成45°方向压力的长度变化，正是纯剪切力状态下的主应力方向，其主应力与最大剪切力，主应变与最大剪应变的在下列关系：

传感器灵敏度计算：

式中：k――电阻应变片灵敏系数

拉力传感器核心电路--惠斯顿电桥：

测量电路是惠斯通电桥电路，简称测量电桥。测量电桥由于具有灵敏度高、测量范围宽、电路结构简单、精度高、容易实现温度补偿等优点，因此能很好地满足应变测量的要求。惠斯通电桥根据电源的性质分直流电桥和交流电桥两种，当ui为直流时该电桥为直流电桥，电桥电路如图10所示。

r为应变片阻抗，传感器在受到外力作用的时候会产生形变，引起紧贴在传感器内部壁上的应变片阻抗线性增加或减小。在有外部供电(3—12vdc)的情况下，输出的差分级mv信号也线性增加减小，传感器通过组桥、调零、配平灵敏度、温补等之后，输出的信号＝供电电压x灵敏度，比如稳压电源是10vdc，传感器灵敏度是1.5mv/v，传感器到满量程时输出的电压＝10x1.5＝15mv，如果需要0-5v(4-20ma等)标准模拟信号需要配信号转换器(变送器)。

传感器技术参数：

量程：0—200kg(可以按使用要求扩大缩小量程)

准确度:0.2％fs

工作电压：12vdc

输出信号：(0-10)mv

工作温度：-20℃-70℃

极限压力：≥300kg

输入阻抗：700±20ω

输出阻抗：700±5ω

绝缘电阻：≥5000mω

非线性：±0.3％f·s

滞后：±0.3％f·s

重复性：±0.5％f·s。

二、钢丝绳的受力分析：

钢丝绳连接的拉力传感器能够测量出钢丝绳所受到的拉力和压力。但由于长距离的钢丝绳在自然界使用中会因为刮风、下雨和其它因素的影响而使钢丝绳产生晃动和振动，所以我们要分析被测对象和环境干扰对测量结果的影响程度。

1、环境变化对测量结果的影响：

图11是环境变化时，加在钢丝绳04上的各种作用力，导致拉力传感器01测量数据的变化图。从图中可以看到，以平衡物15kg计算，钢丝绳04处于“静止”状态时，拉力传感器受到的拉力转换成测量电压约2v，即钢丝绳处于15kg的拉力时，拉力传感器输出约2v。当刮大风时，风对钢丝绳造成的晃动拉力约1kg-3kg，影响信号约0.1v-0.5v；平衡物和钢丝绳的晃动最大值约3.5v。注:传感器设计输出信号为0-10v。

2、外力变化对测量结果的影响：

图12是钢丝绳受到外力拉扯变化时，加在钢丝绳上的拉扯作用力导致拉力传感器测量数据的变化图。从图中可以看到，以平衡物15kg计算，钢丝绳处于静止状态时，拉力传感器受到的拉力转换成测量电压约2v，即钢丝绳始终处于15kg的拉力时，拉力传感器输出约2v。当刮大风时，风对钢丝绳的影响最大值约3.5v。

我们将轮船碰撞桥梁压到钢丝绳时，钢丝绳上局部受到的压力大于25kg。而钢丝绳受到外力超过25kg时，拉力传感器输出信号超过6v以上。

我们以平衡物15kg为基准以此判断，当钢丝绳拉力等于15kg时，拉力传感器输出小于2v；当钢丝绳受到的拉扯力超过25kg时，拉力传感器输出大于6v。2v-6v之间称为窗口电压，也是安全区域。以此窗口电压为安全区域，测量系统就可以判断传感器输出的信号是自然界影响的检测信号还是真正被测信号，只要在安全区域内的为正常值，大于或小于安全区域的为报警值。把这个信号引入报警系统中，实现各种报警功能。

如果需要测量100米以上的距离，拉扯力大于25kg的情况下(根据现场需要检测的对象决定)，钢丝绳超过100米时，平衡物应选择15kg为好。吊环间隔5米左右。拉力传感器应选择测量范围35kg-50kg。拉力传感器输出信号以6v为报警点即可。该拉力传感器有效检测钢丝绳受力的长度最大不要超过200米，否则影响测量精度。

当钢丝绳受到外力碰撞过大导致钢丝绳被拉断线时，拉力传感器测量到的拉力立即变为零。为了及时发现这种情况，设置拉力传感器输出信号小于2v时，也会发生报警。即本系统只要满足以上两个条件之一(传感器受到的拉力大于25kg或小于10kg)，都会发出报警。

三、钢丝绳单向拉力检测:

由于钢丝绳04在正常工作时受到平衡物44拉力的作用，在钢丝绳一端固定的拉力传感器输出基本衡定的拉力值。

见图13，但是由于平衡物与拉力传感器之间通过钢丝绳连接，当钢丝绳受拉扯力变化时，平衡物也会随着拉扯力向上运动，导致传递到拉力传感器上的拉力值变弱，不能反应真实值。根据这种情况，在平衡物端的钢丝绳增加一个单向阻尼装置，作用是当钢丝绳快速被拉扯时，由于阻尼装置的滞后性，加在钢丝绳上的拉扯力大部分都作用在拉力传感器上。而连接在阻尼装置后面的平衡物由于阻尼装置的阻滞作用，使平衡物所受的拉力基本上保持不变。当钢丝绳上的拉扯力持续存在时，平衡物才会缓慢上升，而报警信息已经完成采集。当拉扯力恢复常态后，被拉扯的钢丝绳在平衡物的作用下，通过单向阻尼装置快速回位，又处于正常检测状态。

四、输出信号报警系统：

见图14，输出信号比较电路包括有可变电阻rp1、可变电阻rp2和两个电压比较器ic1和ic2，输入信号vin作为被比较电压，比较电位vr1设置上比较电压，比较电位vr2设置下比较电压，由vr1和vr2组成门限电压。当被比较的电压vin位于门限电压之间时(vr1﹤vin﹤vr2)，v0输出高电平。当vin不在门限电压范围之间时(vin﹥vr2或vin﹤vr1)，v0输出低电平。窗口电压△v＝vr2-vr1。它可以判断输入信号电位是否处于设定的门限电压之间。基准电位的调整通过电路中的可调电阻rp2，将vr2电位调整为6v，通过电路中的可调电阻rp1，将vr1电位调整为2v。只要拉力传感器输送来的信号vin在2v-6v之间，说明钢丝绳受到的拉扯力正常，桥梁没有受到碰撞，电路输出v0为高电平，报警电路不发出报警。如果vin大于6v，说明钢丝绳受到了意外碰撞，电路输出v0为低电平，报警电路立即发出报警；如果vin小于2v，说明钢丝绳受到了意外碰撞导致拉断，电路输出v0为低电平，报警电路立即发出报警。

五、无线传输系统：

见图15和图16，由于本系统测量传感器最大测量钢丝绳长度200米，桥梁的桥墩之间的最大跨度一般在120米-200米左右，而一座桥有许多座桥墩和桥墩构成，就要求有许多个报警单元组成报警系统。我们把每个报警单元之间用无线传输方式进行单元信号沟通，每座桥墩采用一套信息发送设备，可以节省设备投资和日常维护费用。报警单元的无线信号发射器06与无线接收主机07之间距离一般在3000m，即可满足一座大桥的报警覆盖。

无线信号发射器06的编码电路61由外部的编码开关(或电位器)控制，使编码电路61能产生所需要的控制指令，控制指令是利用频率特征或码组特征进行表示的。这些控制指令可以是不同的频率信号，即频分制编码；也可以是不同的脉冲数量、宽度、幅度、相位及其组合，即时分制编码(脉冲编码)。编码电路61产生的指令信号都是频率较低的电信号，一般无法直接通过天线传送到遥控目标上去，因此还需要通过调制将其“搭载”在高频载波上，才能由天线发送出去。

根据无线信号发射器06工作原理，选择工作稳定、发射距离远(5000m以上即可)、带编码抗干扰及业余无线电频段的发射机。本技术设置每一组报警器能够监测100m-200m桥梁碰撞情况，每一组报警信号由一个无线信号发射器06将报警信号发送出去，被无线接收主机07接收。

1、无线信号发射器

无线信号发射器06采用扩频通讯技术，大大增强了抗干扰性能。电路使用了美国进口芯片，能够确保抗干扰性能稳定可靠。用该遥控器和配套的接收模块，实测距离达5000米以上。无线信号发射器06有关技术参数如下:

工作电压:dc9v

发射电流:65ma

待机电流:5ua

工作频率:434mhz

编码方式:自定义对码

调制方式:fsk(调频)+lora(扩频)

反馈指示：蜂鸣声音

发射距离：5000m(空旷地，配专用接收机)

工作温度:-20℃～+70℃。

2、无线接收主机

无线接收主机07的高频放大电路71将无线电波转换成微弱的电信号，并经选择和放大后，再经解调电路72，从载波中“卸下”指令信号，由于“卸下”的各种指令信号混杂在一起，还需送到译码电路73进行译码，再分别送到相应的执行电路74中去。执行电路74将指令信号放大，使之具有一定的功率，用以驱动执行机构动作，以实现对被控物体的控制，执行机构是根据控制指令产生动作的装置。

无线接收主机07采用8路接收功能模式，与配套的发射机使用。每一套收发设备编码是唯一的，确保了收发机使用时有极高可靠的抗干扰能力。

无线接收主机07上有8个接收对应输出继电器，能够识别5000m以内8个编码内的发射机发送的报警信号，并有相应的输出:1-8路(输出为继电器s和gnd两个触点)。8路对应的端口号分别为s1-s8，它与gsm短信远传报警装置报警输入端s1-s8和gnd相对应。

3、对码方法

a、对码：按住无线接收主机07的对码按键3s，对码指示灯亮，按下无线信号发射器06的任一键，对码指示灯闪烁2次，则对码成功。

b、反馈选择：遥控器电路板上j1，短接为接受反馈信号，断开为不接受反馈信号。接收到反馈信号后，无线信号发射器06发出“滴-”蜂鸣声。

c、对码完成后，每一个无线信号发射器06可以将200米一个测量报警单元的信号作为1路信号发送，一套系统共有8路可以形成一个无线监测网，监测距离1600m，完全可以满足一座桥正常使用。

4、gsm短信报警系统

桥梁上使用的无线信号发射器与无线接收主机仅仅是将各个桥梁监测单元之间(每一个桥墩之间的桥梁设为一个监测单元)报警信号组成无线网，如何将一座桥的8个监测单元组成的监测系统报警信号发给几公里至几百公里以外的管理部门实施报警监测，本技术使用了成熟的gsm短信报警系统08作为远传设备。

gsm短信报警系统08也称gsm八回路远程短信报警装置，它具有八个信号输入端，分别发出八个报警位置信号。在本技术中担负着1500m桥梁8个桥梁单元的远传报警功能。具有如下特点:

(1)可以设置6组手机号用于接收报警短信；

(2)可以同时检测8个回路输入端的开关报警信号；

(3)每路报警信号的短信内容可以自行编辑:

(4)适用于有gsm网络覆盖的所有地区；

(5)支持移动或联通卡；

(6)安全性高，无距离限制。

报警时，只要在信号输入s端和gnd端接通短路时，模块立即将与s端对应的短信内容发送给预存在模块内的手机号码。

(1)、gsm短信远传报警装置报警信号编程方法：

a、接通dc5v电源，黄色为网络状态指示灯，红色为状态指示灯。

黄色指示灯快闪(约1秒一次)。表示正在搜索信号网络，一直等待黄色指示灯变为慢闪，慢闪(约3秒一次)，表示模块已网络联接成功，且红灯熄火.此时模块才进入工作状态。

b、将rst(复位口)与gnd(地)接上跳冒短路。

c、设置接收手机的号码(前3组):

发送指令“@#手机号码”到短信模块。

当设置成功后，第一个号码的手机上会接收到”设置成功”的回执短信。例如:设置3组手机接收号码：@#133#####125#133######321#135#####456。

(注:如不需要增加更多号码，可以跳过步骤d)。

d、扩展短信接收号码。

发送指令“@1#手机号码”到短信模块。

当设置成功后.模块将回执短信”设置成功”发送到前3组的第一个号码上。

例如:设置3组手机接收号码:＠1#136#####345#138#####567#139#####323。

依次设置告警短信：(注:编辑的短信内容字数15以下)

<l>设置第一端口短信

发送指令：*1#编辑内容，

当模块设置成功后，第一个被叫号码的于机会接收到”设置成功”短信。

如编辑:“1号桥梁紧急报警”，

*1#1号桥梁紧急报警。

<2>设置第二端口短信

发送指令：*2#编辑内容，

当模块设置成功后，第一个被叫号码的于机会接收到”设置成功”短信。

如编辑:“2号桥梁紧急报警”，

*2#2号桥梁紧急报警。

<3>改置第三端口短信

发送指令：*3#编辑内容，

当模块设置成功后，第一个被叫号码的于机会接收到”设置成功”短信。

如编辑:“3号桥梁紧急报警”，

*3#3号桥梁紧急报警，

……

<4>设置第八端口短信

发送指令：*8#编辑内容，

当模块设置成功后，第一个被叫号码的于机会接收到”设置成功”短信。

如编辑:“8号桥梁紧急报警”，

*8#8号桥梁紧急报警，

一以上模块设置完毕一，

然后模块断电，取下跳帽将rst(复位口)与gnd(地)断开。

(2)、gsm短信远传报警装置使用注意事项：

a、正常工作中，不要将rst(复位口)与gnd(地)短接。否则会将设置好的数据全部清除；

b、设置模块过程中，需等待收到”设置成功”信息后再发送下一条指令；

c、结点触发信号，低电平保持时问应保持至少02秒以上；

d、请不要将天线放置于在金属包围的环境(铁皮箱或配电箱)，这样会导致接收信号变弱甚至没有信号.影响正常使用；

e、电源供电压不能高于dc5v，否则可能会损坏模块。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。