传感器在高速铁路的测速和定位技术中的应用

1 引言

随着高速铁路飞速发展，在时速超过350 km/h的高速铁路线路上，列车的测速定位问题显得越来越重要。传统的轨道电路定位法由于定位粗糙、精度不够，并且无法检知列车的即时速度，难以满足高速列车的定位要求。还有一种利用电机方式实现测速定位方法，该方式只适用于列车运行速度较低的线路。测速和定位还可通过外加输入信号直接获取列车的位置和速度信息，但该方式的测量精度受到一些因素的制约，在性价比方面存在局限性。传感器在高速铁路的测速和定位技术中成为当前的主流产品，应用较广，有多种类型：脉冲转速传感器、惯性加速度传感器、相对传感器、地面传感器、绝对传感器等。

2 列车测速

2.1 轮轴脉冲转速传感器

转速传感器的种类很多，有磁电式、光电式、离心式、霍尔式等转速传感器。其中轮轴脉冲转速传感器在高速铁路中应用较为广泛。轮轴脉冲转速传感器测速的基本工作原理：利用车轮的周长作为“尺子”测量列车走行距离，根据所测距离测算列车运行速度，其基本公式为：

V=πDn/3.6

式中，π=3.14，D为车轮直径，n为车轮转速。

从上式可知，测量列车速度就是检测列车车轮转速和列车轮径。脉冲转速传感器安装在轮轴上，轮轴每转动一周，传感器输出一定数目的脉冲，使脉冲频率与轮轴转速成正比。输出的脉冲经隔离和整形后直接输入计算机CPU进行频率测量，再经换算从而得出车组速度和走行距离闭。其原理框图如图1所示。

2.2 惯性加速度传感器

加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力是物体在加速过程中作用在物体上的力，可以是常量或变量。一般加速度传感器根据压电效应原理工作，加速度传感器利用其内部由于加速度造成的晶体变形产生电压，只要计算出产生的电压和所施加的加速度之间的关系，就可将加速度转化成电压输出。还有很多其他方法制作加速度传感器，如电容效应、热气泡效应、光效应，但其最基本的原理都是由于加速度使某种介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。

轮轴脉冲转速传感器也存在一定缺陷：即车轮空转或打滑会使列车速度的测量结果存在误差，为解决此类问题，在列车车轴上加装一个加速度传感器，配合脉冲转速传感器使用。该方式工作原理：在列车打滑期间，把机车的内加速度作为测速的信息源，该信息与车轮旋转的状态等信息不相关，而在其余工作时间仍用轮轴脉冲传感器测速，所以该方式称为基于惯性加速度传感器的测速。在车轮打滑时，由加速度传感器测得加速度及车轮打滑前加速度的倾斜分量，而计算出车轮打滑时的列车运行加速度，再将该值积分即得车轮打滑时列车实时运行的速度。具体原理如图2所示。

3 列车定位

在高速列车运行过程中，能否准确及时地获得列车位置信息是列车安全有效运行的保障。

3.1 相对传感器

相对传感器是根据预先确定的或先前测量的距离、位置等信息所安装的一种设备。该方式目前由轮轴传感器实现。其工作原理：将传感器输出频率与轮轴转速成正比的脉冲信号，通过对频率进行一系列换算先得出速度，再由速度对时间进行积分得到距离。

3.2 地面传感器

相对传感器在工作时必须首先确定其相对于大地的绝对位置和取向。为此，在地面适当位置必须加装地面传感器，俗称信标。当机车通过时，车上感应器接收到地面传感器提供的绝对位置信息，使列车对距离信息进行更新，得到新的初始位置，从而克服了相对传感器的误差缺陷。

3.3 绝对传感器

由于相对传感器工作的局限性，绝对传感器成为未来高速铁路运行中列车定位的主流技术。绝对传感器可直接提供绝对位置和取向信息，进而实现列车的测距定位。

4 结束语

通过以上论述表明，利用传感器进行测速和定位方法简单、经济实用，测量数据误差在规定范同，冈而传感器在高速铁路的应用较广，是目前应用的主导产品。现已出现的GPS移动通信和卫星定位技术方式就是通过外加输入信号直接获取列车的位置和速度信息来实现测速和定位的，但该方式的测量精度受到一些因素的制约，暂时尚未推广。但随着其技术成熟，移动通信、卫星定位在高速铁路的应用前景将更为广阔。