一種基于光纖測溫的碳滑板溫度監(jiān)測和控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：在高速鐵路與城市軌道交通系統(tǒng)中，隨著列車運行速度的提升及運行環(huán)境的復(fù)雜多變化，碳滑板在高電壓、大電流工況下易因溫度過高而導(dǎo)致磨損加速、性能衰退乃至失效，嚴(yán)重影響列車的運行效率與安全。因此，對碳板溫度進行實時、準(zhǔn)確的監(jiān)測與控制成為保障軌道交通安全高效運營的重要課題。該文的核心是開展光纖溫度傳感器的系統(tǒng)開發(fā)，研究終端熒光測溫節(jié)點與配套的無線監(jiān)控硬件架構(gòu)，此架構(gòu)涵蓋了從電源管理、測溫警報機制、串口通信接口到無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)汝P(guān)鍵電路模塊的設(shè)計，確保了從熒光信號捕捉至數(shù)據(jù)發(fā)送端與接收端的順暢運作，為軌道交通的智能化與安全保障水平提升奠定了堅實的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：碳滑板；光纖測溫；硬件電路

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.10.004

中圖分類號：TP 212 文獻標(biāo)志碼：B 文章編碼：1672-7274（2024）10-00-03

Design of a Carbon Skateboard Temperature Monitoring and Control System Based on Fiber Optic Temperature Measurement

Abstract： In high-speed railway and urban rail transit systems， with the increase of train operating speed and the complex and changing operating environment， carbon skateboards are prone to wear acceleration， performance degradation， and even failure due to high temperature under high voltage and high current conditions， seriously affecting the efficiency and safety of train operation. Therefore， real-time and accurate monitoring and control of carbon plate temperature has become an important issue in ensuring the safe and efficient operation of rail transit. The core of this study lies in the development of a fiber optic temperature sensor system， researching the terminal fluorescence temperature measurement node and the supporting wireless monitoring hardware architecture. This architecture covers the design of key circuit modules from power management， temperature measurement alarm mechanism， serial communication interface to wireless network transmission， ensuring smooth operation from fluorescence signal capture to data transmission and reception ends， laying a solid theoretical foundation and technical support for the intelligence and safety assurance level of rail transit.

Keywords： carbon skateboard; fiber optic temperature measurement; hardware circuit

0 引言

在高速鐵路與城市軌道交通系統(tǒng)中，受電弓碳滑板作為電流傳輸?shù)年P(guān)鍵部件，其工作狀態(tài)直接影響著供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[1]。隨著列車運行速度的提升及運行環(huán)境的復(fù)雜多變化，碳滑板在高電壓、大電流工況下易因溫度過高而導(dǎo)致磨損加速、性能衰退乃至失效，嚴(yán)重影響列車的運行效率與安全[2]。光纖傳感技術(shù)在各種惡劣環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的測量性能，被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域的溫度監(jiān)測[3]。

本文介紹了一種基于光纖測溫技術(shù)的碳滑板溫度監(jiān)測和控制系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)對碳滑板溫度的精準(zhǔn)監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)警潛在的過熱風(fēng)險，同時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)相關(guān)運行參數(shù)，以維護碳滑板處于最佳工作狀態(tài)，延長其使用壽命，保障軌道交通的安全運行和提高能效[4]。此外，本文還將探討該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的可行性、可靠性及經(jīng)濟效益，為軌道交通行業(yè)的智能化、安全化升級提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐[5]。本文能夠為解決碳滑板溫度監(jiān)測與控制這一關(guān)鍵技術(shù)難題提供一種創(chuàng)新思路和實用方法，推動軌道交通裝備技術(shù)的進步與發(fā)展[6]。

1 碳滑板的溫度監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計

碳滑板溫度檢測系統(tǒng)構(gòu)成涉及電路控制模塊、信號處理及數(shù)據(jù)通信相關(guān)模塊。本試驗中，系統(tǒng)設(shè)計步驟如圖1所示，其運作機制如下：首先電路驅(qū)動的光源發(fā)射脈沖光，內(nèi)部的熒光粉發(fā)出熒光，然后熒光被轉(zhuǎn)變?yōu)槌跏嫉碾娦孕盘枺浑S后導(dǎo)入信號調(diào)節(jié)單元，信號調(diào)節(jié)階段聚焦于增強熒光余暉電信號，并通過數(shù)據(jù)獲取模塊將之?dāng)?shù)字化。經(jīng)數(shù)字化處理的信息，再經(jīng)由算法分析，準(zhǔn)確映射出受電弓碳滑板的實時溫度狀態(tài)。

2 碳滑板測溫系統(tǒng)控制單元設(shè)計

2.1 電源驅(qū)動模塊設(shè)計

電路組件對電源質(zhì)量具有高敏感性，設(shè)計側(cè)重于低能耗實時監(jiān)控與高度電源穩(wěn)定性。針對STM32F103微控制器需3.3 V工作電壓及GPRS模塊需12 V供電的差異化需求，精心規(guī)劃電源設(shè)計，利用降壓穩(wěn)壓技術(shù)將鋰電池14 V電壓分別轉(zhuǎn)化為12 V與3.3 V，以適配不同子系統(tǒng)，具體布局如圖2所示。電源模塊設(shè)計中，電容器選型不當(dāng)可能干擾電源芯片內(nèi)振蕩電路的穩(wěn)定性，進而影響輸出電壓的準(zhǔn)確性。電源輸出電壓的嚴(yán)格調(diào)控至關(guān)重要，過高可致STM32F103與USR-LTE-7S4損壞；過低則影響二者正常運作。

2.2 測溫報警模塊設(shè)計

溫度監(jiān)測與報警機制融入了TPS22810型芯片，芯片集成了熱保護特性的單路負(fù)載開關(guān)，能自主響應(yīng)過熱狀況，實施熱關(guān)斷以守護器件免遭高溫?fù)p傷，確保其運行于安全的溫控區(qū)間，工作電壓范圍為2.7～18 V。如圖3所示，TPS22810開關(guān)可通過簡單的數(shù)字信號控制其開啟與關(guān)閉，兼容低電壓指令輸入，提升使用的靈活性。

2.3 串口通信模塊設(shè)計

為實現(xiàn)全系統(tǒng)低能耗運行的目標(biāo)，集成具有喚醒機制的串行通信模塊，其在系統(tǒng)常態(tài)下處于節(jié)能休眠模式，僅當(dāng)接收到外設(shè)通過串行通信接口發(fā)送的低能耗喚醒信號時，才會激活進入工作狀態(tài)。此設(shè)計采納SP3485E與SRV05-4-P-T7兩款芯片協(xié)同工作。通過STM32單片機的PA1和PA2端口向SP3485E發(fā)送激活指令后，該芯片即可通過A、B引腳輸出正向與反向驅(qū)動信號，對接后續(xù)的SRV05-4-P-T7芯片。

2.4 GPRS模塊設(shè)計

在本系統(tǒng)設(shè)計中，采納了USR-LTE-7S4無線模塊，它基于4G技術(shù)，提供高速數(shù)據(jù)服務(wù)，且具備RNDIS遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)接口能力。模塊的具體電路布局如圖4所示，設(shè)計工作電壓范圍寬泛（5～16 V），待機功耗低，適應(yīng)性強，能在廣泛的溫度與緊湊的空間條件下穩(wěn)定運行。

針對GPRS通信環(huán)節(jié)，系統(tǒng)采用了TPS22810負(fù)載開關(guān)，該組件融合了快速輸出放電與可編程上升時間特性，加之熱保護和低能耗設(shè)計，確保了在高效率工作的同時，設(shè)備的長期穩(wěn)定與安全。TPS22810憑借其寬泛的電壓適應(yīng)性和直接低電壓信號控制能力，通過STM32單片機的精準(zhǔn)控制，實現(xiàn)了對USR-LTE-7S4模塊供電的有效管理，支持其在12 V電壓下的順暢運行。

2.5 光纖測溫發(fā)送端與接收端單元設(shè)計

光纖熒光測溫系統(tǒng)發(fā)送端電路核心搭載了PIC8F1XK22微控制器，負(fù)責(zé)整體協(xié)調(diào)與控制。系統(tǒng)采用壓控電流源技術(shù)來精密調(diào)節(jié)激發(fā)光源的強度，確保LED光源達到預(yù)設(shè)閾值，進而誘發(fā)足夠強度的熒光信號，實現(xiàn)準(zhǔn)確測溫。該光纖測溫系統(tǒng)分為TX發(fā)送與RX接收兩大模塊，兩部分通過標(biāo)準(zhǔn)化接口與系統(tǒng)主板對接。

TX發(fā)送模塊核心部分采用的PIC8F1XK22為MCU，MCP623運算放大器的核心職責(zé)是對來自U3的模擬信號進行調(diào)整與增益放大，并通過電流負(fù)反饋機制來實現(xiàn)這一目標(biāo)。RX接收端確保了信號的精確辨識與光電變換功能，其中的光電探測組件負(fù)責(zé)感應(yīng)并轉(zhuǎn)換照射其表面的光能為電信號，隨后對該電壓信號實施放大處理，并通過電壓比較器將其穩(wěn)定在0～5 V的范圍內(nèi)，以此優(yōu)化信號質(zhì)量。

3 結(jié)束語

本文通過模擬真實的機車弓網(wǎng)互動實驗，基于纖熒光傳感技術(shù)實現(xiàn)在動態(tài)條件下的精確溫度測量，與多物理場有限元分析的溫度結(jié)果做對比，在控制其他變量的前提下，研究了電流強度與接觸壓力對碳滑板溫升效應(yīng)的影響，實驗評估了弓網(wǎng)交互中電流與壓力因素對溫度的影響。仿真與試驗的結(jié)果顯示出高度的一致性，兩者之間的溫度變化趨勢吻合，相對誤差維持在10%以內(nèi)，說明本文中所設(shè)計的碳滑板測溫系統(tǒng)能夠全方位適應(yīng)不同場合下，不同溫度的溫度監(jiān)測需求，特別是在高溫監(jiān)測環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)集測溫與預(yù)警于一體，集成了報警功能以強化安全管控。總體而言，本文介紹的智能實時溫度監(jiān)測系統(tǒng)緊密貼合了工業(yè)及日常生產(chǎn)環(huán)境中的溫度監(jiān)控要求，滿足了多樣化的碳滑板溫度實時監(jiān)測的需求。

參考文獻

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