CN112946758B - 一种非接触电容式列车接近传感器及其工作方法 - Google Patents

一种非接触电容式列车接近传感器及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非接触电容式列车接近传感器，包括第一极板模块、第二极板模块、差分阻抗变换模块、两级电压放大模块、高通滤波模块、低通滤波模块、第一AD转换模块、第二AD转换模块、FPGA模块、双端口动态存储模块、报警模块，第一极板模块和第二极板模块均与地面平行设置，且用于感应铁路接触网的电压，差分阻抗变换模块的输入端分别与第一极板模块和第二极板模块电连接，用于将第一极板模块感应到的铁路接触网的电压和第二极板模块感应到的铁路接触网的电压之间的电压差转换成单端电压信号。本发明能解决现有磁钢传感器由于采用固定安装导致无法移动、且安装过程耗费人力物力过大的技术问题。

Description

一种非接触电容式列车接近传感器及其工作方法
技术领域
本发明属于铁路运营安全技术领域，更具体地，涉及一种非接触电容式列车接近传感器及其工作方法。
背景技术
在铁路信息化建设的快速发展下，铁路施工作业中广泛使用了列车接近传感器，来对列车是否到来进行监测，同时提醒施工人员在列车即将到达之前撤离，以保证列车运行和人员安全。常用的列车接近传感器是采用磁钢传感器，磁钢传感器安装在铁轨内侧，当列车到达时，列车车轮切割磁钢传感器磁感线，进而产生脉冲电流，以此做为列车到达指示。
然而，现有的磁钢传感器存在一些不可忽视的技术问题：第一，磁钢传感器是固定安装，一旦安装无法移动，而且安装需要埋线，耗费人力物力过大；第二，磁钢传感器安装在铁轨上，一旦磁钢传感器安装位置过高，容易造成列车车轮直接接触并碾压磁钢传感器，从而影响列车运行安全；第三，列车经过钢轨后，摩擦过程会产生许多细小的铁屑附着在磁钢传感器上，此外，伴随着日积月累，也会有很多灰层堆积在磁钢传感器上，这都会影响磁场强度，并进而导致磁钢传感器无法正常检测；第四，其功能过于单一，只能用于检测列车是否到达，无法实现列车提前预警；第五，磁钢传感器的价格高昂。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种非接触电容式列车接近传感器及其工作方法。其目的在于，解决现有磁钢传感器由于采用固定安装导致无法移动、且安装过程耗费人力物力过大的技术问题，以及在磁钢传感器安装位置过高时，会导致列车车轮直接接触并碾压磁钢传感器，从而影响列车运行安全的技术问题，以及由于铁屑和灰尘附着在磁钢传感器上，会影响磁场强度，并进而导致磁钢传感器无法正常检测的技术问题，以及其功能过于单一，只能用于检测列车是否到达，无法实现列车提前预警的技术问题，以及磁钢传感器的价格高昂的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种非接触电容式列车接近传感器，是设置在距离铁路线20米以内的位置，且包括第一极板模块、第二极板模块、差分阻抗变换模块、两级电压放大模块、高通滤波模块、低通滤波模块、第一AD转换模块、第二AD转换模块、FPGA模块、双端口动态存储模块、报警模块，第一极板模块和第二极板模块均与地面平行设置，且用于感应铁路接触网的电压；
差分阻抗变换模块的输入端分别与第一极板模块和第二极板模块电连接，用于将第一极板模块感应到的铁路接触网的电压和第二极板模块感应到的铁路接触网的电压之间的电压差转换成单端电压信号，差分阻抗变换模块的输出端与两级电压放大模块电连接。
两级电压放大模块用于对来自于差分阻抗变换模块的单端电压信号进行放大处理；
两级电压放大模块的输出端分别与高通滤波模块和低通滤波模块电连接；
高通滤波模块用于滤除两级电压放大模块放大后的单端电压信号中的低频信号，并将滤波后得到的直流电压信号输入第一AD转换模块；
低通滤波模块用于滤除两级电压放大模块放大后的单端电压信号中的高频信号，并将滤波后得到的直流电压信号输入第二AD转换模块；
第一AD转换模块与高通滤波模块电连接，用于将高通滤波模块滤波后得到的直流电压信号转换为第一数字信号，并将该第一数字信号输入FPGA模块；
第二AD转换模块与低通滤波模块电连接，用于将低通滤波模块滤波后得到的直流电压信号转换为第二数字信号，并将该第二数字信号输入FPGA模块；
FPGA模块与第一AD转换模块、第二AD转换模块、以及报警模块电连接，用于根据来自于第一AD转换模块的第一数字信号和第二AD转换模块的第二数字信号确定是否需要启动报警模块工作；
双端口动态存储模块与FPGA模块电连接，用于存储第一数字信号和第二数字信号；
报警模块用于在FPGA模块的控制下发送报警信息。
优选地，第一极板模块和第二极板模块之间的间距范围为20cm到50cm；
第一极板模块和第二极板模块的面积范围为100平方厘米到400平方厘米。
优选地，第一极板模块和第二极板模块是铜板；
差分阻抗变换模块为高阻抗输入，低阻抗输出，输入漏电流为pA级别；
两级电压放大模块是由两个一级电压放大模块直接级联构成，每一个一级电压放大模块的放大倍数范围为10到100倍；
高通滤波模块是过滤掉两级电压放大模块放大后的单端电压信号中频率为50Hz及以下的信号。
低通滤波模块是过滤掉两级电压放大模块放大后的单端电压信号中频率为50Hz以上的信号。
总体而言，通过本发明所构思的以上非接触电容式列车接近传感器与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明能够固定安装，也能够活动安装在靠近铁路的位置，且无需进行入网埋线处理，因此能够解决现有磁钢传感器由于采用固定安装导致无法移动、且埋线的安装过程耗费人力物力过大的技术问题；
2、由于本发明通过非接触电容式设计，即采用两个极板监测铁路接触网电压变化，就能够识别列车是否到达，安装位置可根据需要固定安装或者做成便携式设备，安装位置只需要在铁路周边即可，因此能够解决现有磁钢传感器安装位置过高时，会导致列车车轮直接接触并碾压磁钢传感器，从而影响列车运行安全的技术问题。
3、由于本发明通过采用两个极板的差分模式监测接触网电场变化的方式来监测列车是否到达，因此铁屑及灰层不会对其电场产生影响。
4、本发明所采用的极板材料采用常用的铜板即可，用量少，价格低廉。
5、本发明通过监测两个极板之间的电场变化来监测接触网电场变化，通过该原理可以进一步对接触网供电的健康状态、铁路周围雷电状态等进行分析，从而进一步扩展该传感器的功能性和应用性。
6、本发明通过高通滤波模块和低通滤波模块分离高频信号和低频信号，在保证宽频谱范围的基础上，减小了单通道数据计算量，降低了计算延时。
按照本发明的另一方面，提供了一种非接触电容式列车接近传感器的工作方法，包括以下步骤：
(1)FPGA模块设置第一AD转换模块和第二AD采样模块的采样率分别为10MHz和1000Hz，并设置计数器i＝1；
(2)FPGA模块控制第一AD转换模块和第二AD采样模块开始工作，并在第一AD转换模块的单次采样时间到达时将第一AD转换模块在第i次获取的第一数字信号集合Ai(其包括1000个数字信号)分别存储在双端口动态存储模块中，在第二AD转换模块的单次采样时间到达时将第二AD转换模块在第i次获取的第二数字信号集合Bi(其包括1000个数字信号)分别存储在双端口动态存储模块中；
(3)FPGA模块从双端口动态存储模块获取第二数字信号集合Bi，并利用数字低通滤波算法对第i次获取的第二数字信号集合Bi进行处理，以得到第i次获取的低通滤波后的第二数字信号集合Bi’，并获取第i次获取的低通滤波后的第二数字信号集合Bi’的振幅；
(4)FPGA模块判断步骤(3)得到的第i次获取的低通滤波后的第二数字信号集合Bi’的振幅是否大于预设的第一阈值，如果是则进入步骤(5)，否则返回步骤(2)；
(5)FPGA模块计算步骤(3)得到的第i次获取的低通滤波后的第二数字信号集合Bi’的能量，并判断该能量是否大于预设的第二阈值，如果是则进入步骤(6)，否则返回步骤(2)；
(6)FPGA模块使用互相关函数计算第i次获取的第一数字信号集合Ai与预设的多个样本集合中每个样本集合之间的相关系数，并判断得到的多个相关系数中的最大值是否大于预设的第三阈值，如果是则进入步骤(7)，否则返回步骤(2)；
(7)FPGA模块进一步判断步骤(6)得到的相关系数是否大于预设的第四阈值，如果是则进入步骤(8)，否则转入步骤(10)；
(8)FPGA模块将第i次获取的第一数字信号集合Ai作为新的样本集合，并为该新的样本集合分配置信系数；
(9)FPGA模块判断得到的所有样本集合的总数是否大于预设的第五阈值，如果是则转入步骤(10)，否则转入步骤(11)；
(10)FPGA模块将得到的所有样本集合的置信系数按照从大到小的顺序进行排列，并删除置信系数最小值所对应的样本集合；
(11)FPGA模块判断计数器i是否大于等于3，如果是则进入步骤(12)，否则进入步骤(13)；
(12)FPGA模块计算第i次获取的第一数字信号集合Ai、第i-1次获取的Ai-1以及第i-2次获取的Ai-2的能量(即将每个数字信号集合所包括的1000个数字信号的电压值相加)，并判断是否有第i次获取的第一数字信号集合Ai的能量>第i-1次获取的第一数字信号集合Ai-1的能量>第i-2次获取的第一数字信号集合Ai-2的能量，如果是则进入步骤(13)，否则进入步骤(14)；
(13)FPGA模块控制报警模块发出列车接近的预报警信息，并进入步骤(15)；
(14)FPGA模块控制报警模块发出列车接近的报警信息，并进入步骤(15)；
(15)FPGA模块设置计数器i＝i+1，并判断是否接收到来自用户的关机指令，如果是则过程结束，否则返回步骤(2)。
优选地，步骤(2)中，第一AD转换模块和第二AD转换模块的输入都是直流电压信号，其获取过程如下：
(a)差分阻抗变换模块分别从第一极板模块和第二极板模块获取其感应到的铁路接触网的电压，并将二者之间的电压差作为单端电压信号输出到两级电压放大模块；
(b)两级电压放大模块对来自于差分阻抗变换模块的单端电压信号进行放大处理，并将放大后的单端电压信号分别输出到高通滤波模块和低通滤波模块；
(c)高通滤波模块滤除两级电压放大模块放大后的单端电压信号中的低频信号，并将滤波后得到的直流电压信号输入第一AD转换模块，同时低通滤波模块滤除两级电压放大模块放大后的单端电压信号中的高频信号，并将滤波后得到的直流电压信号输入第二AD转换模块。
优选地，步骤(3)中使用的数字低通滤波算法是算术平均滤波法或递推平均滤波法；步骤(6)中每个预设的样本集合中元素的数量和第i次获取的第一数字信号集合Ai中的数字信号数量相同，其中样本集合中的元素包括列车接近本发明的非接触电容式列车接近传感器时，在不同时刻、和/或不同位置、和/或不同来车方向、和/或不同气候条件、和/或不同列车类型条件下，从第二AD转换模块采集到的多个第二数字信号。
优选地，步骤(8)中的置信系数是和步骤(6)得到的相关系数相等；
对于步骤(6)中所述预设的多个样本集合而言，每个样本集合的置信系数都是1。
优选地，步骤(13)中的预报警信息用于指示列车即将到达，步骤(14)中的报警信息用于指示列车已经到达。
总体而言，通过本发明所构思的以上非接触电容式列车接近传感器的工作方法与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明由于采用了步骤(1)，其通过对第一AD转换模块设置高采样率，对第二AD转换模块设置低采样率，可以在保证足够长的采样窗口情况下，缩短单次采样时间，减小采样点数和计算复杂度，减小报警延时。
2、本发明由于采用了步骤(3)和(4)，其通过计算第i次获取的低通滤波后的第二数字信号集合Bi’的振幅对是否有列车接近进行预判断，可以减小步骤(5)能量计算和步骤(6)和(7)互相关运算的计算次数，降低计算所消耗功耗，进一步降低报警延时。
3、本发明由于采用了步骤(6)到(8)，其通过将第一数字信号集合Ai与预设的多个样本集合中每个样本集合之间的相关系数中的最大值与预设的阈值进行比较，对样本集合进行实时更新，并为更新的样本集合配置置信系数，从而能够丰富列车到达的场景，并进一步提升方法的可靠性。
4、本发明由于采用了步骤(12)到(14)，其通过动态监测第一数字信号集合在不同时刻的能量，实现了预报警和报警两个功能，因此能够解决现有磁钢传感器功能过于单一，只能用于检测列车是否到达，却无法实现列车提前预警的技术问题。
附图说明
图1是本发明非接触电容式列车接近传感器的模块示意图；
图2是本发明非接触电容式列车接近传感器的工作方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，根据本发明的第一方面，提供了一种非接触电容式列车接近传感器，包括第一极板模块1、第二极板模块2、差分阻抗变换模块3、两级电压放大模块4、高通滤波模块5、低通滤波模块6、第一模数(Analog-digital，简称AD)采集模块7、第二AD转换模块8、FPGA模块9、双端口动态存储模块10、报警模块11。本发明的非接触电容式列车接近传感器是设置在距离铁路线20米以内的位置。
第一极板模块1和第二极板模块2均与地面平行设置，且用于感应铁路接触网的电压；第一极板模块1和第二极板模块2之间的间距范围为20cm到50cm，第一极板模块1和第二极板模块2的面积范围为100平方厘米到400平方厘米。差分阻抗变换模块3的输入端分别与第一极板模块1和第二极板模块2电连接，用于将第一极板模块1感应到的铁路接触网的电压和第二极板模块2感应到的铁路接触网的电压之间的电压差转换成单端电压信号，差分阻抗变换模块3的输出端与两级电压放大模块4电连接。
具体而言，第一极板模块1和第二极板模块2是导电性能好的金属板，优选为铜板。
差分阻抗变换模块3为高阻抗输入，低阻抗输出，输入漏电流为pA级别。
两级电压放大模块4用于对来自于差分阻抗变换模块3的单端电压信号进行放大处理。
具体而言，两级电压放大模块4是由两个一级电压放大模块直接级联构成，每一个一级电压放大模块的放大倍数范围为10到100倍。
两级电压放大模块4的输出端分别与高通滤波模块5和低通滤波模块6电连接。
高通滤波模块5用于滤除两级电压放大模块4放大后的单端电压信号中的低频信号，并将滤波后得到的直流电压信号输入第一AD转换模块7。
具体而言，高通滤波模块5是过滤掉两级电压放大模块4放大后的单端电压信号中频率为50Hz及以下的信号。
低通滤波模块6用于滤除两级电压放大模块放大后的单端电压信号中的高频信号，并将滤波后得到的直流电压信号输入第二AD转换模块8。
具体而言，低通滤波模块是过滤掉两级电压放大模块4放大后的单端电压信号中频率为50Hz以上的信号。
第一AD转换模块7与高通滤波模块5电连接，用于将高通滤波模块5滤波后得到的直流电压信号转换为第一数字信号，并将该第一数字信号输入FPGA模块9。
第二AD转换模块8与低通滤波模块6电连接，用于将低通滤波模块6滤波后得到的直流电压信号转换为第二数字信号，并将该第二数字信号输入FPGA模块9。
FPGA模块9与第一AD转换模块7、第二AD转换模块8、以及报警模块11电连接，用于根据来自于第一AD转换模块7的第一数字信号和第二AD转换模块8的第二数字信号确定是否需要启动报警模块11工作。
本发明中的FPGA模块9采用Intel公司的5CEFA5U19I7芯片。
作为进一步优选的，本发明的非接触电容式列车接近传感器还可以包括双端口动态存储模块10，其与FPGA模块9电连接。
在本发明中，双端口动态存储模块10采用CYPRESS公司的CY7C028芯片。
本发明的FPGA模块9还可用于对来自于第一AD转换模块7的第一数字信号和第二AD转换模块8的第二数字信号先后添加控制信息(即读或者写)和地址信息(即存储地址)，并将添加信息后的第一数字信号和第二数字信号存储在双端口动态存储模块10中。
报警模块用于在FPGA模块的控制下以多种报警提示方式发送报警信息，如声音报警、灯光报警等，或者通过无线模块(如LORA模块，4G模块)透传，配合其它报警***工作。
根据本发明的另一个方面，提供了一种上述非接触电容式列车接近传感器的工作方法，包括以下步骤：
(1)FPGA模块设置第一AD转换模块和第二AD转换模块的采样率分别为10MHz和1000Hz，并设置计数器i＝1；
本步骤的优点在于，通过对第一AD转换模块设置高采样率，对第二AD转换模块设置低采样率，可以在保证足够长的采样窗口情况下，缩短单次采样时间，减小报警延时。
(2)FPGA模块控制第一AD转换模块和第二AD转换模块开始工作(其中设置第一AD转换模块的单次采样时间10ms，两次采样间隔2s，并设置第二AD转换模块的单次采样时间1s，两次采样间隔1.01s)，并在第一AD转换模块的单次采样时间到达时将第一AD转换模块在第i次获取的第一数字信号集合Ai(其包括1000个数字信号)分别存储在双端口动态存储模块中，在第二AD转换模块的单次采样时间到达时将第二AD转换模块在第i次获取的第二数字信号集合Bi(其包括1000个数字信号)分别存储在双端口动态存储模块中；
本步骤将数字信号存储在双端口动态存储模块的目的，是对数字信号进行缓存处理。
在本步骤中，第一AD转换模块和第二AD转换模块的输入都是直流电压信号，其获取过程如下：
(a)差分阻抗变换模块分别从第一极板模块和第二极板模块获取其感应到的铁路接触网的电压，并将二者之间的电压差作为单端电压信号输出到两级电压放大模块；
(b)两级电压放大模块对来自于差分阻抗变换模块3的单端电压信号进行放大处理，并将放大后的单端电压信号分别输出到高通滤波模块和低通滤波模块；
具体而言，两级电压放大模块是由两个一级电压放大模块直接级联构成，每一个一级电压放大模块的放大倍数范围为10到100倍。
(c)高通滤波模块滤除两级电压放大模块放大后的单端电压信号中的低频信号，并将滤波后得到的直流电压信号输入第一AD转换模块，同时低通滤波模块滤除两级电压放大模块放大后的单端电压信号中的高频信号，并将滤波后得到的直流电压信号输入第二AD转换模块；
(3)FPGA模块从双端口动态存储模块获取第二数字信号集合Bi，并利用数字低通滤波算法对第i次获取的第二数字信号集合Bi进行处理，以得到第i次获取的低通滤波后的第二数字信号集合Bi’，并获取第i次获取的低通滤波后的第二数字信号集合Bi’的振幅(即1000个数字信号中电压最大值与电压最小值之间的差)；
具体而言，本步骤中使用数字低通滤波算法是算术平均滤波法或递推平均滤波法(又称滑动平均滤波法)。
(4)FPGA模块判断步骤(3)得到的第i次获取的低通滤波后的第二数字信号集合Bi’的振幅是否大于预设的第一阈值，如果是则进入步骤(5)，否则返回步骤(2)；
具体而言，预设的第一阈值是第二AD转换模块的参考电压的0.1倍到0.5倍，优选为参考电压的0.3倍。
上述步骤(3)和(4)的优点在于，通过计算第i次获取的低通滤波后的第二数字信号集合Bi’的振幅对是否有列车接近进行预判断，可以减小步骤(5)能量计算和步骤(6)和(7)互相关运算的计算次数，降低计算所消耗功耗，进一步降低报警延时。
(5)FPGA模块计算步骤(3)得到的第i次获取的低通滤波后的第二数字信号集合Bi’的能量(即将每个数字信号集合所包括的1000个数字信号的电压值相加)，并判断该能量是否大于预设的第二阈值，如果是则进入步骤(6)，否则返回步骤(2)；
具体而言，预设的第一阈值是第二AD转换模块的参考电压的100倍到500倍，优选为参考电压的300倍。
(6)FPGA模块使用互相关函数计算第i次获取的第一数字信号集合Ai与预设的多个样本集合中每个样本集合之间的相关系数，并判断得到的多个相关系数中的最大值是否大于预设的第三阈值，如果是则进入步骤(7)，否则返回步骤(2)；
具体而言，预设的第三阈值取值范围是0.2到0.7，优选为0.5。
本步骤中每个预设的样本集合中元素的数量和第i次获取的第一数字信号集合Ai中的数字信号数量相同，其中样本集合中的元素包括列车接近本发明的非接触电容式列车接近传感器时，在不同时刻、和/或不同位置、和/或不同来车方向、和/或不同气候条件、和/或不同列车类型(列车、客车、单列车车头、维修用列车等)条件下，从第二AD转换模块采集到的多个第二数字信号。
(7)FPGA模块进一步判断步骤(6)得到的相关系数是否大于预设的第四阈值，如果是则进入步骤(8)，否则转入步骤(10)；
具体而言，预设的第四阈值取值范围是0.7到0.9，优选为0.8。
(8)FPGA模块将第i次获取的第一数字信号集合Ai作为新的样本集合，并为该新的样本集合分配置信系数；
具体而言，置信系数是和步骤(6)得到的相关系数相等。
对于步骤(6)中所述预设的多个样本集合而言，每个样本集合的置信系数都是1。
(9)FPGA模块判断得到的所有样本集合的总数是否大于预设的第五阈值，如果是则转入步骤(10)，否则转入步骤(11)；
具体而言，第五阈值的取值范围是800到1200，优选为1000。
(10)FPGA模块将得到的所有样本集合的置信系数按照从大到小的顺序进行排列，并删除置信系数最小值所对应的样本集合；
步骤(7)到(10)的优点在于，通过将第一数字信号集合Ai与预设的多个样本集合中每个样本集合之间的相关系数中的最大值与预设的阈值进行比较，对样本集合进行实时更新，并为更新的样本集合配置置信系数，从而能够丰富列车到达的场景，并进一步提升方法的可靠性。
(11)FPGA模块判断计数器i是否大于等于3，如果是则进入步骤(12)，否则进入步骤(13)；
(12)FPGA模块计算第i次获取的第一数字信号集合Ai、第i-1次获取的Ai-1以及第i-2次获取的Ai-2的能量(即将每个数字信号集合所包括的1000个数字信号的电压值相加)，并判断是否有第i次获取的第一数字信号集合Ai的能量>第i-1次获取的第一数字信号集合Ai-1的能量>第i-2次获取的第一数字信号集合Ai-2的能量，如果是则进入步骤(13)，否则进入步骤(14)；
(13)FPGA模块控制报警模块发出列车接近的预报警信息，并进入步骤(15)；
本步骤中的预报警信息用于指示列车即将到达。
(14)FPGA模块控制报警模块发出列车接近的报警信息，并进入步骤(15)；
本步骤中的报警信息用于指示列车已经到达。
步骤(12)到(14)的优点在于，通过动态监测第一数字信号集合在不同时刻的能量，实现了预报警和报警两个功能，因此能够解决现有磁钢传感器功能过于单一，只能用于检测列车是否到达，却无法实现列车提前预警的技术问题。
(15)FPGA模块设置计数器i＝i+1，并判断是否接收到来自用户的关机指令，如果是则过程结束，否则返回步骤(2)。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非接触电容式列车接近传感器，是设置在距离铁路线20米以内的位置，且包括第一极板模块、第二极板模块、差分阻抗变换模块、两级电压放大模块、高通滤波模块、低通滤波模块、第一AD转换模块、第二AD转换模块、FPGA模块、双端口动态存储模块、报警模块，其特征在于，
第一极板模块和第二极板模块均与地面平行设置，且用于感应铁路接触网的电压；
差分阻抗变换模块的输入端分别与第一极板模块和第二极板模块电连接，用于将第一极板模块感应到的铁路接触网的电压和第二极板模块感应到的铁路接触网的电压之间的电压差转换成单端电压信号，差分阻抗变换模块的输出端与两级电压放大模块电连接；
两级电压放大模块用于对来自于差分阻抗变换模块的单端电压信号进行放大处理；
两级电压放大模块的输出端分别与高通滤波模块和低通滤波模块电连接；
高通滤波模块用于滤除两级电压放大模块放大后的单端电压信号中的低频信号，并将滤波后得到的直流电压信号输入第一AD转换模块；
低通滤波模块用于滤除两级电压放大模块放大后的单端电压信号中的高频信号，并将滤波后得到的直流电压信号输入第二AD转换模块；
第一AD转换模块与高通滤波模块电连接，用于将高通滤波模块滤波后得到的直流电压信号转换为第一数字信号，并将该第一数字信号输入FPGA模块；
第二AD转换模块与低通滤波模块电连接，用于将低通滤波模块滤波后得到的直流电压信号转换为第二数字信号，并将该第二数字信号输入FPGA模块；
FPGA模块与第一AD转换模块、第二AD转换模块、以及报警模块电连接，用于根据来自于第一AD转换模块的第一数字信号和第二AD转换模块的第二数字信号确定是否需要启动报警模块工作；
双端口动态存储模块与FPGA模块电连接，用于存储第一数字信号和第二数字信号；
报警模块用于在FPGA模块的控制下发送报警信息。
2.根据权利要求1所述的非接触电容式列车接近传感器，其特征在于，
第一极板模块和第二极板模块之间的间距范围为20cm到50cm；
第一极板模块和第二极板模块的面积范围为100平方厘米到400平方厘米。
3.根据权利要求1或2所述的非接触电容式列车接近传感器，其特征在于，
第一极板模块和第二极板模块是铜板；
差分阻抗变换模块为高阻抗输入，低阻抗输出，输入漏电流为pA级别；
两级电压放大模块是由两个一级电压放大模块直接级联构成，每一个一级电压放大模块的放大倍数范围为10到100倍；
高通滤波模块是过滤掉两级电压放大模块放大后的单端电压信号中频率为50Hz及以下的信号；
低通滤波模块是过滤掉两级电压放大模块放大后的单端电压信号中频率为50Hz以上的信号。
4.一种根据权利要求1至3中任意一项所述的非接触电容式列车接近传感器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）FPGA模块设置第一AD转换模块和第二AD采样模块的采样率分别为10MHz和1000Hz，并设置计数器i=1；
（2）FPGA模块控制第一AD转换模块和第二AD采样模块开始工作，并在第一AD转换模块的单次采样时间到达时将第一AD转换模块在第i次获取的第一数字信号集合Ai分别存储在双端口动态存储模块中，在第二AD转换模块的单次采样时间到达时将第二AD转换模块在第i次获取的第二数字信号集合Bi分别存储在双端口动态存储模块中；
（3）FPGA模块从双端口动态存储模块获取第二数字信号集合Bi，并利用数字低通滤波算法对第i次获取的第二数字信号集合Bi进行处理，以得到第i次获取的低通滤波后的第二数字信号集合Bi’，并获取第i次获取的低通滤波后的第二数字信号集合Bi’的振幅；
（4）FPGA模块判断步骤（3）得到的第i次获取的低通滤波后的第二数字信号集合Bi’的振幅是否大于预设的第一阈值，如果是则进入步骤（5），否则返回步骤（2）；
（5）FPGA模块计算步骤（3）得到的第i次获取的低通滤波后的第二数字信号集合Bi’的能量，并判断该能量是否大于预设的第二阈值，如果是则进入步骤（6），否则返回步骤（2）；
（6）FPGA模块使用互相关函数计算第i次获取的第一数字信号集合Ai与预设的多个样本集合中每个样本集合之间的相关系数，并判断得到的多个相关系数中的最大值是否大于预设的第三阈值，如果是则进入步骤（7），否则返回步骤（2）；
（7）FPGA模块进一步判断步骤（6）得到的相关系数是否大于预设的第四阈值，如果是则进入步骤（8），否则转入步骤（10）；
（8）FPGA模块将第i次获取的第一数字信号集合Ai作为新的样本集合，并为该新的样本集合分配置信系数；
（9）FPGA模块判断得到的所有样本集合的总数是否大于预设的第五阈值，如果是则转入步骤（10），否则转入步骤（11）；
（10）FPGA模块将得到的所有样本集合的置信系数按照从大到小的顺序进行排列，并删除置信系数最小值所对应的样本集合；
（11）FPGA模块判断计数器i是否大于等于3，如果是则进入步骤（12），否则进入步骤（13）；
（12）FPGA模块计算第i次获取的第一数字信号集合Ai、第i-1次获取的Ai-1以及第i-2次获取的Ai-2的能量，并判断是否有第i次获取的第一数字信号集合Ai的能量>第i-1次获取的第一数字信号集合Ai-1的能量>第i-2次获取的第一数字信号集合Ai-2的能量，如果是则进入步骤（13），否则进入步骤（14）；
（13）FPGA模块控制报警模块发出列车接近的预报警信息，并进入步骤（15）；
（14）FPGA模块控制报警模块发出列车接近的报警信息，并进入步骤（15）；
（15）FPGA模块设置计数器i=i+1，并判断是否接收到来自用户的关机指令，如果是则过程结束，否则返回步骤（2）。
5.根据权利要求4所述的非接触电容式列车接近传感器的工作方法，其特征在于，步骤（2）中，第一AD转换模块和第二AD转换模块的输入都是直流电压信号，其获取过程如下：
（a）差分阻抗变换模块分别从第一极板模块和第二极板模块获取其感应到的铁路接触网的电压，并将二者之间的电压差作为单端电压信号输出到两级电压放大模块；
（b）两级电压放大模块对来自于差分阻抗变换模块的单端电压信号进行放大处理，并将放大后的单端电压信号分别输出到高通滤波模块和低通滤波模块；
（c）高通滤波模块滤除两级电压放大模块放大后的单端电压信号中的低频信号，并将滤波后得到的直流电压信号输入第一AD转换模块，同时低通滤波模块滤除两级电压放大模块放大后的单端电压信号中的高频信号，并将滤波后得到的直流电压信号输入第二AD转换模块。
6.根据权利要求4或5所述的非接触电容式列车接近传感器的工作方法，其特征在于，
步骤（3）中使用的数字低通滤波算法是算术平均滤波法或递推平均滤波法；
步骤（6）中每个预设的样本集合中元素的数量和第i次获取的第一数字信号集合Ai中的数字信号数量相同，其中样本集合中的元素包括列车接近非接触电容式列车接近传感器时，在不同时刻、和/或不同位置、和/或不同来车方向、和/或不同气候条件、和/或不同列车类型条件下，从第二AD转换模块采集到的多个第二数字信号。
7.根据权利要求4或5所述的非接触电容式列车接近传感器的工作方法，其特征在于，
步骤（8）中的置信系数是和步骤（6）得到的相关系数相等；
对于步骤（6）中所述预设的多个样本集合而言，每个样本集合的置信系数都是1。
8.根据权利要求4所述的非接触电容式列车接近传感器的工作方法，其特征在于，
步骤（13）中的预报警信息用于指示列车即将到达；
步骤（14）中的报警信息用于指示列车已经到达。
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