CN114325134B - 一种机车信号接收天线频响特性自动测试*** - Google Patents
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Abstract
本发明的机车信号接收天线频响特性自动测试***，由主控单元、锁相放大器单元、电流采集单元、测试***主机和测试台架构成，自动测试***能够自动完成接收天线频响特性测试，记录并分析测试结果，输出测试报告；还能够对接收天线频响特性设计提供优化参考模型。本发明的技术效果如下：本发明基于锁相放大技术，能够抑制干扰，提高测量精度；采用自动控制技术，能够实现接收天线频响特性全自动测试，提高测试效率；搭配可调节频响特性接收天线，能够快速完成定制化频响特性的接收天线设计。
Description
技术领域
本发明涉及铁路行业机车信号控制领域，具体涉及一种机车信号接收天线频响特性自动测试***。
背景技术
机车信号接收天线，是机车信号车载***设备和轨道电路读取器(TCR)接收轨道电路信号的关键零部件，在中国铁路行业具有大量的应用。机车信号接收天线通过电磁感应原理接收钢轨中的轨道电路电流信号，转换成电压信号后输出给车载主机进行译码。在《TB/T 3287-2013机车信号车载***设备》中规定接收天线的主要技术参数有直流电阻、电感、品质因数和频响特性。接收天线的频响特性是指钢轨中轨道电路电流信号大小与接收天线感应电压信号大小的关系。
在《TB/T 3287-2013机车信号车载***设备》中对接收天线频响特性给出了标准的测试方法。测试方法为在平行放置的两根4米长钢轨上，发送固定大小的轨道电路电流信号，测试接收天线所感应的电压信号。测试的频点共有9个，分别为25Hz、550Hz、650Hz、750Hz、850Hz、1700Hz、2000Hz、2300Hz和2600Hz，并且每一个频点的轨道电路电流大小不一。目前测试接收天线频响特性时，采用信号发生器、功率放大器、电流表、电压表等分立设备，并需要人工调节电流大小、读取和记录测量数据，具有测试效率低、测量精度低等缺点。
随着科技进步和社会发展，电气电子设备已经无处不在，这就导致空间中存在大量的电磁干扰，因此在进行接收天线频响特性测试时，极易受到干扰的影响，导致测试结果不准确。
伴随着接收天线应用范围越来越广，覆盖大铁、地铁、城际铁路等多种应用场景，对接收天线的需求不再局限于满足标准要求的频响特性，而是针对各种应用场景提出了不同的频响特性需求。目前没有可调节频响特性的接收天线以及配套的测试***。
发明内容
针对上述接收天线频响特性测试的缺点和不足，本发明提出了一种接收天线频响特性自动测试***。
本发明提供一种机车信号接收天线频响特性自动测试***，所述自动测试***由主控单元、锁相放大器单元、电流采集单元、测试***主机和测试台架构成，
所述测试台架，由钢轨和接收线圈吊装架构成，所述接收线圈吊装架用于将待测试接收天线吊装在两根钢轨上方，并可调节接收天线下表面距钢轨轨面的距离；
所述测试***主机包括驱动模块和信号采集模块，所述驱动模块对锁相放大器单元输出的测试驱动信号进行功率放大，经高精度电阻后，驱动测试台架中的钢轨产生待测试轨道电路电流信号，同时向电流采集单元提供高精度电阻两端的测试点，供其测量高精度电阻两端的电压值；所述信号采集模块的与被测试接收天线进行阻抗匹配，并将该接收天线的感应电压信号输出给锁相放大器单元；
所述主控单元为该自动测试***的控制核心，与锁相放大器单元和电流采集单元通过有线或无线的方式进行信息传输，发送控制命令并接收采集数据；
所述锁相放大器单元采用锁相放大技术，能够对特定频率信号进行超窄带解调，抑制无用噪声；所述锁相放大器单元接收主控单元的控制命令，产生所述测试驱动信号，输出给所述测试***主机，同时，锁相放大器单元接收该测试***主机输出的接收天线感应电压信号；
所述电流采集单元采用高精度电压表，测量所述测试***主机中的所述驱动模块输出的两路电压采集信号，并将测量结果输出给所述主控单元；
所述自动测试***能够自动完成接收天线频响特性测试，记录并分析测试结果，输出测试报告；还能够对接收天线频响特性设计提供优化参考模型。
本发明的技术效果如下：本发明基于锁相放大技术，能够抑制干扰，提高测量精度。
本发明采用自动控制技术，能够实现接收天线频响特性全自动测试，提高测试效率。
本发明搭配交大思诺公司发明的可调节频响特性接收天线，能够快速完成定制化频响特性的接收天线设计。
附图说明
图1为本发明自动测试***的架构示意图。
图2为可调节频响特性接收天线的结构示意图
图3为接收天线“C型”折耳俯视剖面图
附图标记1-吊装杆、2-尾缆、3-铁质卡头、4-铁芯、5-感应线圈组件、6-塑料外壳、7-填充物、8-定位外壳
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细的说明。以下实施例将有助于技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应该指出的是，对普通技术人员来讲，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
参见图1，本发明自动测试***由主控单元、锁相放大器单元、电流采集单元、测试***主机和测试台架构成。
主控单元为测试***的控制核心，与锁相放大器单元和电流采集单元通过有线或无线的方式进行信息传输，发送控制命令并接收采集数据。主控单元提供人机交互接口，方便测试人员设置测试参数并向测试人员显示测试进度和测试结果。测试参数有预期的频响特性和测试次数等。预期的接收天线频响特性，可以是符合标准要求的频响特性，也可以是自定义的频响特性，是一组预期的轨道电路电流与接收天线感应电压之间的关系。主控单元以多种接收天线频响特性的调节手段为基础，自动收集和分析历史测试数据建立目标驱动型调节手段数据库，并智能推荐优化的接收天线设计模型。
所述锁相放大器单元采用锁相放大技术，能够对特定频率信号进行超窄带解调。锁相放大技术是一种对交流信号进行相敏检波的技术，它利用与被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和参考信号同频(或倍频)、同相的噪声分量有响应，能够大幅度抑制无用噪声，提高检测信噪比。锁相放大器单元接收主控单元的控制命令，产生测试驱动信号，输出给测试***主机，同时，锁相放大器单元接收测试主机输出的接收天线感应电压信号。
所述电流采集单元采用高精度电压表，测量测试***主机中驱动模块输出的两路电压采集信号，并将测量结果输出给主控单元。
所述测试***主机，包括驱动模块和信号采集模块。驱动模块的功能是对锁相放大器单元输出的测试驱动信号进行功率放大，经高精度电阻后，驱动测试台架中的钢轨产生待测试轨道电路电流信号。同时，驱动模块向电流采集单元提供高精度电阻两端的测试点，供其测量高精度电阻两端的电压值。信号采集模块的功能是与被测试接收天线进行阻抗匹配，并将接收天线的感应电压信号输出给锁相放大器单元。
所述测试台架，由钢轨和接收线圈吊装架构成。钢轨共两根，每根长度为4米，平行放置，间距1435mm。接收线圈吊装架用于将待测试接收天线吊装在两根钢轨上方，并可以调节接收天线下表面距钢轨轨面的距离。
本发明自动测试***的工作过程包括***标定和测试执行。***标定是在测试环境确定后，包括测试***各部件的放置和连接，根据设置的预期频响特性，测试并获得一组当前环境下，在各测试频点产生符合要求的轨道电路电流信号的数据，进行参数化存储，以便能够进行快速批量测试。如果测试环境发生改变或预期的频响特性发生改变，则需要重新进行***标定，以便保证测试的准确性。测试执行是对待测试机车信号接收天线进行频响特性测试。
***标定过程：首先由主控单元根据预期的频响特性计算出默认的***标定数据，将第一个测试频点，即25Hz的信号频率信息和信号强度信息输出给锁相放大单元，信号强度为U输出。锁相放大单元根据接收到的控制命令，产生相应频率和强度的信号，输出给测试***主机。测试***主机内的驱动模块对信号进行放大处理，经高精度电阻后输出至测试台架中的钢轨。电流采集单元的两个通道分别采集测试***主机驱动模块内高精度电阻两端的电压值Ua和Ub，输出给主控单元。主控单元根据欧姆定律，计算出当前钢轨中的电流强度I采集＝|Ua-Ub|/r(r为高精度电阻的阻值)，并与该测试频点标准规定的电流强度I标准进行比较，如果I采集与I标准大小相等，则当前测试频点的信号强度U输出不需要进行调整。如果I采集大于或小于I标准，则需要减小或增大当前测试频点的信号强度，调整后的信号强度为：U输出×(1+(I标准-I采集)/I标准)。最后将调整后的信号强度替换***标定数据中该测试频点的信号强度，即完成了该测试频点的标定。按照上述过程，将所有测试频点进行标定，即完成了***标定过程，得到了***标定数据。
测试执行时，首先将待测试机车信号接收天线吊装在测试台架的吊装架上，接收天线的输出端口接到测试***主机的信号采集接口。主控单元按照***标定数据，控制锁相放大单元依次发送各测试频点的轨道电路电流信号。锁相放大单元接收接收天线感应的电压信号，根据测试频点信息进行锁相放大，去除无用干扰信号。处理后的信号输出给主控单元进行显示和记录。待所有测试频点测试完成后，自动生成测试报告。
按照上述过程，本发明可以根据设置的测试参数自动完成接收天线频响特性测试，减少人工操作，提高测试效率。
本发明除了能够完成对接收天线频响特性测试外，还能够对接收天线频响特性设计提供优化参考模型。本自动测试***以多种频响特性调节手段为基础，结合历史测试数据，通过对每一次测试的接收天线设计参数(即各调节手段的具体使用情况及程度)和频响特性测试结果进行统计分析，得到每种调节手段的使用程度与接收天线频响特性之间的关系，建立目标驱动型调节数据库，可以以用户设置的预期频响特性为目标，智能推荐频响特性优化调节方案。该功能需要搭配交大思诺公司设计的频响特性可调节的接收天线来实现。该接收天线采用频响特性可调节式设计，通过对接收天线内各部件的参数进行调整，实现对接收天线频响特性的改变，以使得接收天线的频响特性满足预期。本测试***对比用户设置的预期频响特性与实际测试频响特性的差别，根据调节数据库反馈的调节手段，向用户推荐接收线圈优化模型(包括当前测试阶段定量化的接收天线的上述可调节参数)。
该接收天线由吊装杆1、尾缆2、铁质卡头3、铁芯4、感应线圈组件5、塑料外壳6、填充物7和定位外壳8等几部分组成，其结构见图2。感应线圈组件5由漆包线按照一定匝数绕制在骨架上，然后按照一定间距固定在套有定位外壳8的铁芯4上，铁芯4两端装有铁质卡头3，起到固定铁芯4和吊装杆1的作用。感应线圈组件5的引线连接到尾缆2上作为接收天线对外信号接口。然后装入塑料外壳6中，并使用填充物7进行灌封密闭处理。
上述调节接收天线频响特性的手段有：
1)调整复合铁芯的材料组成和调整感应线圈与铁芯的相对位置。例如，本***在测试中发现，增加硅钢片能够提升高频段频响特性，抑制低频段频响特性；增加铁片能够提升低频段频响特性，抑制高频段频响特性；感应线圈越靠近铁芯两端越抑制全频段的频响特性，越靠近中心越提升全频段的频响特性。
2)调整铁质卡头的宽度。铁质卡头越宽越能提升低频段频响特性，抑制高频段频响特性。
3)在铁质卡头两侧增加由硅钢片制作而成的“C型”折耳，参见图3，该方法能够提升高频段频响特性。
本发明的自动测试***对比当前测试得到的频响特性与预期频响特性的差距，根据上述调节手段给出定量调节方案。待调节完成后，使用本自动测试***能快速完成频响特性测试，以验证调节后的接收天线频响特性是否满足预期。如果仍不满足预期，则可继续通过本自动测试***推荐的优化模型进一步对接收天线频响特性进行优化调节，直到满足预期。相对于现有的接收天线测试***，本自动测试***专门针对接收天线的频响特性测试进行了优化设计，对比实际测试结果与预期值，根据所述调节数据库中的优化模型继续推荐进一步的接收天线频响特性有效调节手段，并快速辅助完成调节后的接收天线频响特性测试，使得被测接收天线的频响特性可以快速收敛于目标值。
本发明的技术优势：
1)本测试***能够抑制无用噪声，保证在复杂的电气环境条件下完成接收天线频响特性测试，提高了测试***的可用性和测试的准确性。
2)本测试***能够自动完成接收天线频响特性测试，记录并分析测试结果，输出测试报告，提高了测试的效率。
3)本测试***能够智能推荐优化的接收天线设计模型，有效缩短接收天线设计周期，提高效率。
本文中采用的术语和表达方式只是用于描述，本发明并不局限于这些术语和表述，使用这些术语和表达也不意味着排除任何示意和描述的等效特征，可能存在的各种修改、变换和替换也应该包含在权利要求范围内，权利要求应视为覆盖这些等效物。
Claims (8)
1.一种机车信号接收天线频响特性自动测试***，所述自动测试***由主控单元、锁相放大器单元、电流采集单元、测试***主机和测试台架构成，
所述测试台架，由钢轨和接收线圈吊装架构成，所述接收线圈吊装架用于将待测试接收天线吊装在两根钢轨上方，并可调节接收天线下表面距钢轨轨面的距离；
所述测试***主机包括驱动模块和信号采集模块，所述驱动模块对锁相放大器单元输出的测试驱动信号进行功率放大，经高精度电阻后，驱动测试台架中的钢轨产生待测试轨道电路电流信号，同时向电流采集单元提供高精度电阻两端的测试点，供其测量高精度电阻两端的电压值；所述信号采集模块的与被测试接收天线进行阻抗匹配，并将该接收天线的感应电压信号输出给锁相放大器单元；
所述主控单元为该自动测试***的控制核心，与锁相放大器单元和电流采集单元通过有线或无线的方式进行信息传输，发送控制命令并接收采集数据；
所述锁相放大器单元采用锁相放大技术，能够对特定频率信号进行超窄带解调，抑制无用噪声；所述锁相放大器单元接收主控单元的控制命令，产生所述测试驱动信号，输出给所述测试***主机，同时，锁相放大器单元接收该测试***主机输出的接收天线感应电压信号；
所述电流采集单元采用高精度电压表，测量所述测试***主机中的所述驱动模块输出的两路电压采集信号，并将测量结果输出给所述主控单元；
所述自动测试***能够自动完成接收天线频响特性测试，记录并分析测试结果，输出测试报告；还能够对接收天线频响特性设计提供优化参考模型。
2.如权利要求1所述的自动测试***，其特征在于，所述自动测试***的工作过程包括***标定和测试执行；
***标定是在测试环境确定后，包括所述自动测试***各部件的放置和连接，根据设置的预期频响特性，测试并获得一组当前环境下，在各测试频点产生符合要求的轨道电路电流信号的数据，进行参数化存储，以便能够进行快速批量测试；如果测试环境发生改变或预期频响特性发生改变，则需要重新进行***标定。
3.如权利要求2所述的自动测试***，其特征在于，测试执行时，首先将待测试机车信号接收天线吊装在测试台架的吊装架上，接收天线的输出端口接到测试***主机的信号采集接口；所述主控单元按照***标定数据，控制锁相放大单元依次发送各测试频点的轨道电路电流信号；锁相放大单元接收接收天线感应的电压信号，根据测试频点信息进行锁相放大，去除无用干扰信号；处理后的信号输出给所述主控单元进行显示和记录；待所有测试频点测试完成后，自动生成测试报告。
4.如权利要求3所述的自动测试***，其特征在于，所述自动测试***以多种频响特性调节手段为基础，结合历史测试数据，通过对每一次测试的接收天线设计参数和频响特性测试结果进行统计分析，得到每种调节手段的使用程度与接收天线频响特性之间的关系，建立目标驱动型调节数据库，以用户设置的所述预期频响特性为目标，智能推荐频响特性调节手段的所述优化参考模型。
5.如权利要求4所述的自动测试***，其特征在于，接收天线采用频响特性可调节式设计，通过对接收天线内各部件的参数进行调节，实现对接收天线频响特性的改变，以使得接收天线的频响特性满足预期；所述自动测试***对比用户设置的预期频响特性与实际测试频响特性的差别，根据所述调节数据库反馈的调节手段，向用户推荐接收天线设计的所述优化参考模型，所述优化参考模型包括当前测试阶段定量化的上述接收天线的可调节参数。
6.如权利要求4或5所述的自动测试***，其特征在于，所述接收天线由吊装杆、尾缆、铁质卡头、铁芯、感应线圈组件、塑料外壳、填充物和定位外壳组成，感应线圈组件由漆包线按照一定匝数绕制在骨架上，然后按照一定间距固定在套有定位外壳的铁芯上，铁芯两端装有铁质卡头，起到固定铁芯和吊装杆的作用；感应线圈组件的引线连接到尾缆上作为接收天线对外信号接口，然后装入塑料外壳中，并使用填充物进行灌封密闭处理；
所述频响特性调节手段包括：调整复合铁芯的材料组成和调整感应线圈与铁芯的相对位置；调整铁质卡头的宽度；在铁质卡头两侧增加由硅钢片制作而成的“C型”折耳。
7.如权利要求6所述的自动测试***，其特征在于，增加硅钢片能够提升高频段频响特性，抑制低频段频响特性；增加铁片能够提升低频段频响特性，抑制高频段频响特性；感应线圈越靠近铁芯两端越抑制全频段的频响特性，越靠近中心越提升全频段的频响特性；铁质卡头越宽越能提升低频段频响特性，抑制高频段频响特性；增加折耳能够提升高频段频响特性。
8.如权利要求7所述的自动测试***，其特征在于，所述自动测试***对比当前测试得到的频响特性与预期频响特性的差距，根据上述频响特性调节手段给出定量调节方案；
待接收天线参数调节完成后，使用该自动测试***快速完成频响特性测试，以验证调节后的接收天线频响特性是否满足预期；如果仍不满足预期，则继续通过所述自动测试***推荐所述优化参考模型进一步对接收天线频响特性进行调节，直到满足预期。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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