专利名称：一种车载测速装置的制作方法
技术领域：
本发明属于测量仪器技术领域，涉及一种速度测量装置。
背景技术：
轨道交通运行控制领域中需要对列车运行速度进行准确测量，确保列车运行安全。目前，轨道交通列车车载的速度测量主要通过安装在列车转向架的光电脉冲式转速传感器实现。光电脉冲式转速传感器通过传动轴连接到列车轮轴，当列车轮轴旋转时，带动转速传感器同步旋转。转速传感器内部有一圆盘，沿半径方向均匀蚀刻若干条细缝，圆盘一侧安装红外线发射管，另一侧装有红外线接收管。当传感器轮轴旋转时，圆盘及其细缝不断地遮断和通过红外线，红外线接收管不断产生光电脉冲信号。该脉冲信号的频率和传感器转速(列车车轮)存在确定关系，因此在测出光电脉冲信号的频率后，可以结合车轮直径计算出当前列车速度。由于光电脉冲式转速传感器必须通过传动轴和列车转向架轮轴直接连接，而转向架是列车运行安全的关键部位，对其进行任何改动都需要经过严格的安全论证和风险评估，安装过程复杂。列车在长期运营过程中不断磨损，车轮直径逐渐变小，直接导致列车速度测量误差增大，因此必须定期精确测量车轮直径，以修正测速误差，导致维护工作量增大。另外，光电脉冲式转速传感器的测速精度不易保证。列车在雪天特别在加速阶段，容易发生空转情况，即车轮/转速传感器在旋转而列车并不向前运动，形成较大的测速误差；在制动阶段，容易发生滑行情况，即车轮/转速传感器被阀瓦抱死而停止转动，但列车由于惯性仍然在沿轨道向前滑行，也形成较大的测速误差。经过专利检索，发现申请号为200920065102.6的专利提出了一种抗干扰光电转速传感器，通过转速传感器获得转速从而计算出列车速度的方案。该专利属于对传统光电转速传感器的局部改进，没能从根本上消除安装复杂和维护工作量大的缺点。申请号为99205558.X的专利提出了一种高智能铁路列车测速仪，利用设置在钢轨外侧的两个传感器接收信号来测量列车速度的地面测速仪。该专利描述一种安装在地面的测速装置，不能应用在车载环境。可见，上述现有技术均不能较好地符合前述的使用需求场景。因此，如何设计一种能够满足上述需求的适用于地铁列车的车载速度测量装置成为一个待解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于在列车上安装的，无需和车轮轮轴发生联系的车速测量装置。为了达到上述目的，本发明的解决术方案是:一种车载测速装置，包括控制单元、空气室、以及位于所述空气室内两端并分别与所述控制单元相连的声发射单元和声接收单元；所述空气室为内部空气与外部大气相通的容器；所述声发射单元发射声信号；所述声接收单元接收所述声发射单元发射的信号；所述控制单元控制所述声发射单元发射声信号，接收所述声接收单元的信息，通过比较行车时所述声发射单元发射信号到所述声接收单元接收到所述信号的时间与静止时所需时间来计算列车的运行速度。所述空气室为一个带孔长方体容器。 所述空气室内部的声波传播方向与轨道线路的走向重合。所述声接收单元具有窄带接收特征，仅接收特定频率范围的声信号，并滤除其他频率的声干扰信号。所述声接收单元包括声电换能器、带通滤波环节和放大环节。所述声发射单元通过脉冲信号驱动发射特定频率的信号。所述声接收单元接收到所述声发射单元发射的特定频率的声信号时输出有效信号至所述控制单元，没有接收到时输出无效信号到所述控制单元。所述装置还包括与所述控制单元相连的时钟单元,为所述控制单元提供高精度的计时脉冲信号。所述装置还包括与所述控制单元相连的温度测量单元，为所述控制单元提供温度数据并以此为校准声速的参数。根据所述温度数据校准声速的公式为:V声=331.3+0.606XT
其中，为校准后的声速，单位为米/秒^为所述带孔空气室当前的温度，单位为摄氏度。 由于采用上述方案，本发明的有益效果是:与现有技术相比，本发明的车载测速装置可直接测量列车运行速度；消除传统光电脉冲式测速装置因列车轮径变化、列车打滑和空转等导致的测速误差；同时由于该装置不与列车转向架接触，也无旋转的机械零件，因此安装方便且可靠性高。
图1本发明实施例中车载测速装置的结构示意图；图2本发明实施例中车载测速装置的带孔空气室的安装示意图；图3本发明实施例中车载测速装置所在列车上行运行与下行运行的对照示意图；图4本发明实施例中车载测速装置所在列车上行运行测速时I1时刻与t2时刻列车位置的对照示意图；图5本发明实施例中车载测速装置所在列车下行运行测速时t3时刻与t4时刻列车位置的对照示意图；图6本发明实施例中车载测速装置中带孔空气室反向安装时所在列车上行运行与下行运行的对照示意图；图7本发明实施例中车载测速装置中带孔空气室反向安装时所在列车上行运行测速时t3时刻与t4时刻列车位置的对照示意图；图8本发明实施例中车载测速装置中带孔空气室反向安装时所在列车下行运行测速时A时刻与t2时刻列车位置的对照示意图。图中:1、声发射单元；2、声接收单元；3、带孔空气室；4、控制单元；5、时钟单元；6、温度测量单元；7、车厢；8、轨道中间线。
具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本发明作进一步说明。本发明车载测速装置的结构示意图如由图1所示，从中可以看出，该装置包括声发射单元1、声接收单元2、带孔空气室3、控制单元4，时钟单元5和温度测量单元6。其中，带孔空气室3为一个带孔的容器，声发射单元I和声接收单元2位于该带孔空气室3内的两端；控制单元4分别与声发射单元1、声接收单元2、时钟单元5和温度测量单元6相连。带孔空气室3是一个长度为L的带孔长方体容器，声发射单元I与声接收单元2分别位于带孔空气室3内的两端，带孔空气室3内部的空气作为声的传播介质。为了保证空气室内的空气是静止而不是跟随 列车运动的，空气室内的空气应该与外界大气保持连通，这里采用带孔结构能够保证这一点，同时带孔结构能消除列车运行时周围空气的干扰，减小测速误差。带孔空气室3的安装与轨道中间线8平行，如图2所示，其中7为该装置所在列车的车厢。声发射单元I受控制单元4输出的测速启动指令控制。当收到测速启动指令时，声发射单元I立刻发射特定频率的声波；当测速启动信号无效时，声发射单元I立刻停止发射声波。声接收单元2由声电换能器、带通滤波和放电等环节组成,具有窄带接收特征。声电换能器将接收到的声波转换成电信号，经过带通滤波，使得只有符合特定频率的信号通过，其他频率信号被滤除，消除了其他频率信号的干扰。列车的运行方向只有上行与下行方向，并且在地铁运营过程中由于没有环形轨道供列车掉头运行，所以地铁列车均采用折返的方式改变运营方向，即列车两端司机室只对应一个运行方向，将上行方向的车头定义为司机室TC1，下行方向的车头定义为司机室TC2，如图3至图8所示。时钟单元5向控制单元4输出高精度的计时脉冲。温度测量单元6向控制单元4输出当前温度数据，作为校准声速的参数。控制单元4是装置的逻辑控制核心。由于时钟单元5提供的高精度计时脉冲的频率已知，记为f，所以控制单元4通过累计计时脉冲的个数n，按公式(I)可以计算出声波的传输时间:t 动=n + f(I)公式(I)中，t动表示计时时间，单位为秒(s) ;n表示计时脉冲的个数；f表示计时脉冲频率，单位为赫兹(Hz)。控制单元4接收到温度测量单元6的温度数据，通过公式(2)计算当前温度下的声传播速度:V声=331.3+0.606XT(2)公式(2)中，Vp表示声传播速度,单位为米/秒(m/s) ;T表示带孔空气室当前温度，单位为摄氏度(°C)。图3所示为将该车速装置安装于待测列车上进行测速的实施方法。其中声发射单元I靠近列车一端司机室TC1，声接收单元2距TCl较远，靠近列车另一端司机室TC2。在进行测速时，控制单元4首先输出测速启动指令，声发射单元I立刻开始发射特定频率的声波，控制单元4同时开始累积计时脉冲的个数。声波在带孔空气室3中向声接收单元2行进。当声波传输至声接收单元2时，声接收单元2经过声电转换、滤波和放大，输出测速结束指令给控制单元4。控制单元4收到该测速结束指令，立刻停止累积计时脉冲的个数，由公式(I)计算得到声波实际传输时间;同时令列车在静止状态下从声发射单元I发射特定频率的声信号到声接收单元2接收到该信号的时间为t#，即可根据ta，t!!计算出列车的运行速度，其中为声发射单元I与声接收单元2之间的距离L与声波传输速度V $的比值。图4所示为此时当列车运行方向为上行时的情况。以大地为参照物，列车向上行方向行驶，声接收单元I也随着以相同速率向上行方向运动。在&时刻，列车司机室TCl位于上行股道A点，此时开始测速。在控制单元4的协调控制下，声发射单元I开始发射声波，声波在带孔空气室3内向声接收单元2传播。声波发出后，在空气中反复振荡并向前传播。由于声接收单兀2随列车向上行方向运动,与声波的传输方向相反，因此声波的实际传输路径距离小于声发射单元I和声接收单元2的间距L。在t2时刻，声波传输至声接收单元2，此时列车司机室TCl位于股道B点。根据公式(3)求解列车移动距离Lc:Lc = L-Ls(3)公式(3)中，L。为列车移动距离，单位为米(m);LsS声波传播距离，单位为米U)。控制单元4在从h至t2期间累计的计时脉冲的个数为n，计时脉冲的频率f已知，因此根据公式(I)计算声波的传输时间ta。控制单元4在h至t2期间接收温度测量单元6的温度测量数据，根据公式(2)计算声波的实际传播速度，记为Vp显然，声波的传输距离Ls满足如下公式:
Ls = V声 Xt动(4)根据已知的物理定律v=L/t，可得列车的运行速度满足如下公式:v=Lc+1 动(5)将公式(3) (5)联立，可推导出列车速度最终公式:V= (L-v声 Xt动)+t动 (6)控制单元4根据公式(6)即可求解列车当前运行速度。图5所示为此时当列车运行方向为下行时的情况。以大地为参照物，列车向下行方向行驶，声接收单元I也随着以相同速率向下行方向运动。在&时刻，列车司机室TCl位于下行股道C点，此时开始测速，在控制单元4的协调控制下，声发射单元I开始发射声波，声波在带孔空气室3内向声接收单元2传播。声波发出后，在空气中反复振荡并向前传播。由于声接收单兀2随列车向下行方向运动,与声波的传输方向相同，因此声波的实际传输路径距离大于声发射单元I和声接收单元2的间距L。在t4时刻，声波传输至声接收单元2，此时列车司机室TCl位于股道D点。根据公式(7)求解列车移动距离La:
Lcl = Lsl-L(7)公式(7)中，LaS列车移动距离，单位为米(m);Lsl为声波传播距离，单位为米U)。控制单元4在从t3至t4期间累计的计时脉冲的个数为n，计时脉冲的频率f已知，因此根据公式(I)计算声波的传输时间tai。控制单元4在t3至t4期间接收温度测量单元6的温度测量数据，根据公式(2)计算声波的实际传播速度，记为vm。显然，声波的传输距离Lsi满足如下公式:Lsl = V * ! X t a!(S)根据已知的物理定律v=L/t，可得列车的运行速度满足如下公式:V1 = Lci^tai(9)将公式(7 )、公式(8 )和公式(9 )联立，推导出列车速度公式:V1 = (^1Xt 动「L)+I^1(10)控制单元4根据公式(10)即可求解列车当前运行速度。图6所示为带孔空气室3以与图3、图4和图5中相反的方向安装在列车上的情形。声发射单元I靠近司机室TC2，声接收单元2靠近司机室TCl。图7所示为带孔空气室3反向安装时列车运行在上行方向的情况。以大地为参照物，列车向上行方向行驶，声接收单元I也随着以相同速率向上行方向运动，列车运行方向与声波的传输方向相同，因此声波的实际传输路径距离大于声发射单兀I和声接收单兀2的间距L，可按公式(10)求解列车当前运行速度。图8所示为带孔空气室3反向安装时列车运行在下行方向的情况。以大地为参照物，列车向下行方向行驶，声接收单元I也随着以相同速率向下行方向运动，列车运行方向与声波的传输方向相反，因此声波的实际传输路径距离小于声发射单兀I和声接收单兀2的间距L，可按公式(6)求解列车当前运行速度。
综上可知，该装置不仅可以应用于轨道交通领域的地铁列车中，而且可以应用于公路汽车等所有运动设备中。与现有技术相比，本发明的车载测速装置可直接测量列车运行速度；消除传统光电脉冲式测速装置因列车轮径变化、列车打滑和空转等导致的测速误差；同时由于该装置不与列车转向架接触，也无旋转的机械零件，因此安装方便且可靠性闻。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种车载测速装置，其特征在于:包括控制单元、空气室、以及位于所述空气室内两端并分别与所述控制单元相连的声发射单元和声接收单元；所述空气室为内部空气与外部大气相通的容器； 所述声发射单元发射声信号；所述声接收单元接收所述声发射单元发射的信号； 所述控制单元控制所述声发射单元发射声信号，接收所述声接收单元的信息，通过比较行车时所述声发射单元发射信号到所述声接收单元接收到所述信号的时间与静止时所需时间来计算列车的运行速度。
2.根据权利要求1所述的车载测速装置，其特征在于:所述空气室为一个带孔长方体容器。
3.根据权利要求1所述的车载测速装置，其特征在于:所述空气室内部的声波传播方向与轨道线路的走向重合。
4.根据权利要求1所述的车载测速装置，其特征在于:所述声接收单元具有窄带接收特征，仅接收特定频率范围的声信号，并滤除其他频率的声干扰信号。
5.根据权利要求1所述的车载测速装置，其特征在于:所述声接收单元包括声电换能器、带通滤波环节和放大环节。
6.根据权利要求1所述的车载测速装置，其特征在于:所述声发射单元通过脉冲信号驱动发射特定频率的信号。
7.根据权利要求1所述的车载测速装置，其特征在于:所述声接收单元在接收到所述声发射单元发射的特定频率的声信号时输出有效信号至所述控制单元，没有接收到时输出无效信号到所述控制单元。
8.根据权利要求1所述的车载测速装置，其特征在于:所述装置还包括与所述控制单元相连的时钟单元，为所述控制单元提供高精度的计时脉冲信号。
9.根据权利要求1所述的车载测速装置，其特征在于:所述装置还包括与所述控制单元相连的温度测量单元，为所述控制单元提供温度数据，并以此为校准声速的参数。
10.根据权利要求9所述的车载测速装置，其特征在于:根据所述温度数据校准声速的公式为:v 声=331.3+0.606 X T 其中，声为校准后的声速，单位为米/秒；T为所述带孔空气室当前的温度，单位为摄氏度。
全文摘要
本发明提出了一种车载测速装置，属于测量仪器技术领域。该装置包括控制单元、带孔空气室、以及位于带孔空气室内部两端并分别与控制单元相连的声发射单元和声接收单元。其中，带孔空气室为带孔容器；声发射单元发射声信号；声接收单元接收声发射单元发射的信号；控制单元控制声发射单元发射声信号，接收声接收单元的信息，通过比较行车时声发射单元发射信号到声接收单元接收到该信号的时间与静止时所需时间来计算列车的运行速度。本发明的测速装置能够直接测量列车运行速度，消除传统光电脉冲式测速装置因列车轮径变化、列车打滑和空转等导致的测速误差；同时该装置不与列车转向架接触，也无旋转的机械零件，安装方便且可靠性高。
文档编号G01S11/14GK103207392SQ20131007697
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月11日 优先权日2013年3月11日
发明者沈拓, 欧冬秀, 袁志鹏, 韦乐香 申请人:同济大学