傳感器在高速鐵路中的應(yīng)用研究

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，列車的測速定位問題顯得越來越重要。測速和定位的精度從根本上制約著高速鐵路列車運(yùn)行中自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制精度。為確保列車運(yùn)行安全，并充分發(fā)揮運(yùn)輸效能，只有時(shí)刻掌握高速列車運(yùn)行的即時(shí)速度和位置，才能確保列車的正點(diǎn)到達(dá)和安全運(yùn)行。傳統(tǒng)的軌道電路定位法由于定位粗糙、精度不夠，并且無法檢知列車的即時(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。測速和定位還可通過外加輸入信號直接獲取列車的位置和速度信息，但該方式的測量精度受到一些因素的制約，在性價(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(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、相對傳感器、地面?zhèn)鞲衅?、絕對傳感器等。

2 列車測速
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)速傳感器測速的基本工作原理：利用車輪的周長作為“尺子”測量列車走行距離，根據(jù)所測距離測算列車運(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，測量列車速度就是檢測列車車輪轉(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速，所以該方式稱為基于慣性加速度傳感器的測速。在車輪打滑時(shí)，由加速度傳感器測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。

3 列車定位
    在高速列車運(yùn)行過程中，能否準(zhǔn)確及時(shí)地獲得列車位置信息是列車安全有效運(yùn)行的保障。
3．1 相對傳感器
    相對傳感器是根據(jù)預(yù)先確定的或先前測量的距離、位置等信息所安裝的一種設(shè)備。該方式目前由輪軸傳感器實(shí)現(xiàn)。其工作原理：將傳感器輸出頻率與輪軸轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號，通過對頻率進(jìn)行一系列換算先得出速度，再由速度對時(shí)間進(jìn)行積分得到距離。
3．2 地面?zhèn)鞲衅?br />    相對傳感器在工作時(shí)必須首先確定其相對于大地的絕對位置和取向。為此，在地面適當(dāng)位置必須加裝地面?zhèn)鞲衅?，俗稱信標(biāo)。當(dāng)機(jī)車通過時(shí)，車上感應(yīng)器接收到地面?zhèn)鞲衅魈峁┑慕^對位置信息，使列車對距離信息進(jìn)行更新，得到新的初始位置，從而克服了相對傳感器的誤差缺陷。
3．3 絕對傳感器
    由于相對傳感器工作的局限性，絕對傳感器成為未來高速鐵路運(yùn)行中列車定位的主流技術(shù)。絕對傳感器可直接提供絕對位置和取向信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)列車的測距定位。

4 結(jié)束語
    通過以上論述表明，利用傳感器進(jìn)行測速和定位方法簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，測量數(shù)據(jù)誤差在規(guī)定范同，岡而傳感器在高速鐵路的應(yīng)用較廣，是目前應(yīng)用的主導(dǎo)產(chǎn)品?，F(xiàn)已出現(xiàn)的GPS移動(dòng)通信和衛(wèi)星定位技術(shù)方式就是通過外加輸入信號直接獲取列車的位置和速度信息來實(shí)現(xiàn)測速和定位的，但該方式的測量精度受到一些因素的制約，暫時(shí)尚未推廣。但隨著其技術(shù)成熟，移動(dòng)通信、衛(wèi)星定位在高速鐵路的應(yīng)用前景將更為廣闊。