解析傳感器在高速鐵路中的應用研究

1 引言

　　隨著(zhù)高速鐵路飛速發(fā)展，在時(shí)速超過(guò)350 km／h的高速鐵路線(xiàn)路上，列車(chē)的測速定位問(wèn)題顯得越來(lái)越重要。測速和定位的精度從根本上制約著(zhù)高速鐵路列車(chē)運行中自動(dòng)控制系統的控制精度。為確保列車(chē)運行安全，并充分發(fā)揮運輸效能，只有時(shí)刻掌握高速列車(chē)運行的即時(shí)速度和位置，才能確保列車(chē)的正點(diǎn)到達和安全運行。傳統的軌道電路定位法由于定位粗糙、精度不夠，并且無(wú)法檢知列車(chē)的即時(shí)速度，難以滿(mǎn)足高速列車(chē)的定位要求。還有一種利用電機方式實(shí)現測速定位方法，該方式只適用于列車(chē)運行速度較低的線(xiàn)路。測速和定位還可通過(guò)外加輸入信號直接獲取列車(chē)的位置和速度信息，但該方式的測量精度受到一些因素的制約，在性?xún)r(jià)比方面存在局限性。傳感器在高速鐵路的測速和定位技術(shù)中成為當前的主流產(chǎn)品，應用較廣，有多種類(lèi)型：脈沖轉速傳感器、慣性加速度傳感器、相對傳感器、地面傳感器、絕對傳感器等。

2 列車(chē)測速

　　2．1 輪軸脈沖轉速傳感器

　　轉速傳感器的種類(lèi)很多，有磁電式、光電式、離心式、霍爾式等轉速傳感器。其中輪軸脈沖轉速傳感器在高速鐵路中應用較為廣泛。輪軸脈沖轉速傳感器測速的基本工作原理：利用車(chē)輪的周長(cháng)作為“尺子”測量列車(chē)走行距離，根據所測距離測算列車(chē)運行速度，其基本公式為：

　　V=πDn／3．6

　　式中，π=3．14，D為車(chē)輪直徑，n為車(chē)輪轉速。

　　從上式可知，測量列車(chē)速度就是檢測列車(chē)車(chē)輪轉速和列車(chē)輪徑。脈沖轉速傳感器安裝在輪軸上，輪軸每轉動(dòng)一周，傳感器輸出一定數目的脈沖，使脈沖頻率與輪軸轉速成正比。輸出的脈沖經(jīng)隔離和整形后直接輸入計算機CPU進(jìn)行頻率測量，再經(jīng)換算從而得出車(chē)組速度和走行距離閉。其原理框圖如圖1所示。

　　2．2 慣性加速度傳感器

　　加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備。加速力是物體在加速過(guò)程中作用在物體上的力，可以是常量或變量。一般加速度傳感器根據壓電效應原理工作，加速度傳感器利用其內部由于加速度造成的晶體變形產(chǎn)生電壓，只要計算出產(chǎn)生的電壓和所施加的加速度之間的關(guān)系，就可將加速度轉化成電壓輸出。還有很多其他方法制作加速度傳感器，如電容效應、熱氣泡效應、光效應，但其最基本的原理都是由于加速度使某種介質(zhì)產(chǎn)生變形，通過(guò)測量其變形量并用相關(guān)電路轉化成電壓輸出。

　　輪軸脈沖轉速傳感器也存在一定缺陷：即車(chē)輪空轉或打滑會(huì )使列車(chē)速度的測量結果存在誤差，為解決此類(lèi)問(wèn)題，在列車(chē)車(chē)軸上加裝一個(gè)加速度傳感器，配合脈沖轉速傳感器使用。該方式工作原理：在列車(chē)打滑期間，把機車(chē)的內加速度作為測速的信息源，該信息與車(chē)輪旋轉的狀態(tài)等信息不相關(guān)，而在其余工作時(shí)間仍用輪軸脈沖傳感器測速，所以該方式稱(chēng)為基于慣性加速度傳感器的測速。在車(chē)輪打滑時(shí)，由加速度傳感器測得加速度及車(chē)輪打滑前加速度的傾斜分量，而計算出車(chē)輪打滑時(shí)的列車(chē)運行加速度，再將該值積分即得車(chē)輪打滑時(shí)列車(chē)實(shí)時(shí)運行的速度。具體原理如圖2所示。