傳感器在高速鐵路的測(cè)速和定位技術(shù)中的應(yīng)用

1 引言

隨著高速鐵路飛速發(fā)展，在時(shí)速超過350 km/h的高速鐵路線路上，列車的測(cè)速定位問題顯得越來(lái)越重要。傳統(tǒng)的軌道電路定位法由于定位粗糙、精度不夠，并且無(wú)法檢知列車的即時(shí)速度，難以滿足高速列車的定位要求。還有一種利用電機(jī)方式實(shí)現(xiàn)測(cè)速定位方法，該方式只適用于列車運(yùn)行速度較低的線路。測(cè)速和定位還可通過外加輸入信號(hào)直接獲取列車的位置和速度信息，但該方式的測(cè)量精度受到一些因素的制約，在性價(jià)比方面存在局限性。傳感器在高速鐵路的測(cè)速和定位技術(shù)中成為當(dāng)前的主流產(chǎn)品，應(yīng)用較廣，有多種類型：脈沖轉(zhuǎn)速傳感器、慣性加速度傳感器、相對(duì)傳感器、地面?zhèn)鞲衅?、絕對(duì)傳感器等。

2 列車測(cè)速

2.1 輪軸脈沖轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)速傳感器的種類很多，有磁電式、光電式、離心式、霍爾式等轉(zhuǎn)速傳感器。其中輪軸脈沖轉(zhuǎn)速傳感器在高速鐵路中應(yīng)用較為廣泛。輪軸脈沖轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)速的基本工作原理：利用車輪的周長(zhǎng)作為“尺子”測(cè)量列車走行距離，根據(jù)所測(cè)距離測(cè)算列車運(yùn)行速度，其基本公式為：

V=πDn/3.6

式中，π=3.14，D為車輪直徑，n為車輪轉(zhuǎn)速。

從上式可知，測(cè)量列車速度就是檢測(cè)列車車輪轉(zhuǎn)速和列車輪徑。脈沖轉(zhuǎn)速傳感器安裝在輪軸上，輪軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，傳感器輸出一定數(shù)目的脈沖，使脈沖頻率與輪軸轉(zhuǎn)速成正比。輸出的脈沖經(jīng)隔離和整形后直接輸入計(jì)算機(jī)CPU進(jìn)行頻率測(cè)量，再經(jīng)換算從而得出車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(cè)量加速力的電子設(shè)備。加速力是物體在加速過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(jù)壓電效應(yīng)原理工作，加速度傳感器利用其內(nèi)部由于加速度造成的晶體變形產(chǎn)生電壓，只要計(jì)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(zhuǎn)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(yīng)、熱氣泡效應(yīng)、光效應(yīng)，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，通過測(cè)量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出。

輪軸脈沖轉(zhuǎn)速傳感器也存在一定缺陷：即車輪空轉(zhuǎn)或打滑會(huì)使列車速度的測(cè)量結(jié)果存在誤差，為解決此類問題，在列車車軸上加裝一個(gè)加速度傳感器，配合脈沖轉(zhuǎn)速傳感器使用。該方式工作原理：在列車打滑期間，把機(jī)車的內(nèi)加速度作為測(cè)速的信息源，該信息與車輪旋轉(zhuǎn)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(cè)速，所以該方式稱為基于慣性加速度傳感器的測(cè)速。在車輪打滑時(shí)，由加速度傳感器測(cè)得加速度及車輪打滑前加速度的傾斜分量，而計(jì)算出車輪打滑時(shí)的列車運(yùn)行加速度，再將該值積分即得車輪打滑時(shí)列車實(shí)時(shí)運(yùn)行的速度。具體原理如圖2所示。