傳感器在高速鐵路的測速和定位技術中的應用

　　1 引言

　　隨著高速鐵路飛速發(fā)展，在時速超過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。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速度，難以滿足高速列車的定位要求。還有一種利用電機方式實現(xiàn)測速定位方法，該方式只適用于列車運行速度較低的線路。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，在性價比方面存在局限性。傳感器在高速鐵路的測速和定位技術中成為當前的主流產(chǎn)品，應用較廣，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算機CPU進行頻率測量，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，只要計算出產(chǎn)生的電壓和所施加的加速度之間的關系，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、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，通過測量其變形量并用相關電路轉(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，而在其余工作時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，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，而計算出車輪打滑時的列車運行加速度，再將該值積分即得車輪打滑時列車實時運行的速度。具體原理如圖2所示。

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　　3 列車定位

　　在高速列車運行過程中，能否準確及時地獲得列車位置信息是列車安全有效運行的保障。

　　3.1 相對傳感器

　　相對傳感器是根據(jù)預先確定的或先前測量的距離、位置等信息所安裝的一種設備。該方式目前由輪軸傳感器實現(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，通過對頻率進行一系列換算先得出速度，再由速度對時間進行積分得到距離。

　　3.2 地面?zhèn)鞲衅?/p>

　　相對傳感器在工作時必須首先確定其相對于大地的絕對位置和取向。為此，在地面適當位置必須加裝地面?zhèn)鞲衅?，俗稱信標。當機車通過時，車上感應器接收到地面?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行中列車定位的主流技術。絕對傳感器可直接提供絕對位置和取向信息，進而實現(xiàn)列車的測距定位。

　　4 結(jié)束語

　　通過以上論述表明，利用傳感器進行測速和定位方法簡單、經(jīng)濟實用，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用較廣，是目前應用的主導產(chǎn)品?，F(xiàn)已出現(xiàn)的GPS移動通信和衛(wèi)星定位技術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，暫時尚未推廣。但隨著其技術成熟，移動通信、衛(wèi)星定位在高速鐵路的應用前景將更為廣闊。