传感器在高铁中的应用

1、转向架转向架是支承车体并沿着轨道走行的装置。转向架是车辆最重要的组成部件之一，它的结构是否合理直接影响车辆的运行品质、动力性能和行车安全。CHR1动车组转向架上安装有用于多个系统用的速度传感器。速度传感器(1)光电式车速传感器--由带孔的转盘两个光导体纤维，一个发光二极管，一个作为光传感器的光电三极管组成。发光二极管透过转盘上的孔照到光电二极管上实现光的传递与接收。(2)磁电式车速传感器--模拟交流信号发生器，产生交变电流信号，通常由带两个接线柱的磁芯及线圈组成。磁组轮上的逐个齿轮将产生一一对应的系列脉冲，其形状是一样的。输出信号的振幅与磁组轮的转速成正比(车速)，信号的频率大小表现于磁组轮的转速大小。(3)霍尔式车速传感器--它们主要应用在曲轴转角和凸轮轴位置上，用于开关点火和燃油喷射电路触发，它还应用在其它需要控制转动部件的位置和速度控制电脑电路中。由一个几乎完全闭合的包含永久磁铁和磁极部分的磁路组成，一个软磁铁叶片转子穿过磁铁和磁极间的气隙，在叶片转子上的窗口允许磁场不受影响的穿过并到达霍尔效应传感器，而没有窗口的部分则中断磁场。红外轴温探测传感器列车在运行中，车轴与轴承相互摩擦产生热能。当车轴与轴承间出现故障时，摩擦力增大，产生的热能就随之增加,轴箱的温度也随之升高。因此,测定轴箱的温度变化，可以确定轴箱的工作状态是否正常。铁路行车早期，采用手摸轴箱的办法来判断温度的变化情况，并以手的感觉来确定车辆与轴承间的工作状态。采用这种方法，检测人员劳动强度大，效率低，而且人的手感有差异，没有标准。红外线轴温探测设备由探头、轴温信息处理装置、传输线路、信号报警装置等部分组成。探头由光敏器件和光电转换器件组成。轨道清障器CHR1动车组两个端部转向架上各装有一个轨道清障器，用来防止轨道有异物导致出现脱轨现象。2、弓网系统电弓是电力牵引机车从接触网取得电能的电气设备，安装在机受车或动车车顶上。受电弓与接触电网直接接触，为电力机车提供电力。（包括高压牵引电机电力以及车厢照明等低压电力）受电弓可分单臂弓和双臂弓两种，菱形受电弓，也称钻石受电弓，以前非常普遍，后由于维护成本较高以及容易在故障时拉断接触网而逐渐被淘汰，近年来多采用单臂弓（图）。弓网电弧是指由于接触导线的不平顺、接触网的振动、受电弓弓头的振动、轨道的不平顺等多种因素的影响，受电弓与接触导线在相对高速滑动中分离而产生的气体放电现象。弓网电弧的危害有：侵蚀和磨损接触导线和受电弓滑板；产生过电压；产生高频噪声；使电力机车的供电质量下降等针对以上问题，人们提出许多应对方案，如最初的人工观察记录的方法，到后来的检测车，再到现在的视频监测等。而随着光开关，即光电传感器技术的快速发展，这一技术也被用到了弓网离线电弧的检测方面。由于受电弓离线时，受电弓上的电流为零，所以可通过检测此时受电弓的电流状态来测定离线。而这一检测可通过光电传感器来完成。激光位移传感器对接触线（车顶）位置和高度的准确测量对接触网的监控和安装非常重要。恰当的无接触的接触线测量系统已经为韩国高速铁路公司（KHRC）和英国OLE联盟所采用。激光三角扫描仪在运行中在线测量接触线的高度和侧面位置，另外5个激光传感器安装于车箱上，用于测量车箱的倾斜度、侧面位移和轨道间距，所有的这些数据都可以图形显示，这套测量系统几乎可在任何环境下操作（下雨、高温或结霜天气）。3、制动系统闸瓦制动，又称踏面制动，是自有铁路以来使用最广泛的一种制动方式。它用铸铁或其他材料制成的瓦状制动块（闸瓦）紧压滚动着的车轮踏面，通过闸瓦与车轮踏面的机械摩擦将列车的动能转变为热能，消散于大气，并产生制动力。其他制动方式除闸瓦制动外，铁路机车车辆还有一些其他制动方式。（一）盘形制动盘形制动（摩擦式圆盘制动）是在车轴上或在车轮辐板侧面装上制动盘，一般为铸铁圆盘，用制动夹钳使合成材料制成的两个闸片紧压制动盘侧面，通过摩擦产生制动力，把列车动能转变成热能，消散于大气。与闸瓦制动相比，盘形制动有下列主要优点：（1）可以大大减轻车轮踏面的热负荷和机械磨耗。（2）可按制动要求选择最佳“摩擦副”（采用闸瓦制动时，作为“摩擦副”一方的车轮的构造和材质不能根据制动的要求来选择），盘形制动的制动盘可以设计成带散热筋的，旋转时它具有半强迫通风的作用，以改善散热性能，为采用摩擦性能较好的合成材料闸片创造了有利的条件，适宜于高速列车。（3）制动平稳，几乎没有噪声。但是，盘形制动也有它不足之处：（1）车轮踏面没有闸瓦的磨刮，轮轨粘着将恶化，所以，还要考虑加装踏面清扫器（或称清扫闸瓦），或采用以盘形为主、盘形加闸瓦的混合制动方式，否则，即使有防滑器，制动距离也比闸瓦制动要长。（2）制动盘使簧下重量及其引起的冲击振动增大，运行中还要消耗牵引功率。盘形制动的制动力（二）磁轨制动磁轨制动（摩擦式轨道电磁制动）是在转向架的两个侧架下面，在同侧的两个车轮之间，各安置一个制动用的电磁铁（或称电磁靴），制动时将它放下并利用电磁吸力紧压钢轨，通过电磁铁上的磨耗板与钢轨之间的滑动摩擦产生制动力，并把列车动能变为热能，消散于大气。参看图4—1－5。磁轨制动的制动力式中K——每个电磁铁的电磁吸力；φ一一电磁铁与钢轨间的滑动摩擦系数。与闸瓦和盘形制动相比，磁轨制动的优点是，它的制动力不是通过轮轨粘着产生的，自然也不受该粘着的限制。高速列车加上它，就可以在粘着力以外再获得一份制动力，使制动距离不致于太长。磁轨制动的不足之处是，它是靠滑动摩擦来产生制动力的，电磁铁要磨耗，钢轨的磨耗也要增大，而且，滑动摩擦力无论如何也没有粘着力大。所以，磁轨制动只能作为紧急制动时的一种辅助的制动方式，用于粘着力不能满足紧急制动距离要求的高速列车上，在施行紧急制动时与闸瓦（或盘形）制动一起发挥作用。（三）轨道涡流制动轨道涡流制动又称线性涡流制动或涡流式轨道电磁制动。它与上述磁轨制动（摩擦式轨道电磁制动）很相似，也是把电磁铁悬挂在转向架侧架下面同侧的两个车轮之间。不同的是，轨道涡流制动的电磁铁在制动时只放下到离轨面几毫米处而不与钢轨接触。它是利用电磁铁和钢轨的相对运动使钢轨感应出涡流，产生电磁吸力作为制动力，并把列车动能变为热能消散于大气。轨道涡流制动既不通过轮轨粘着（不受其限制），也没有磨耗问题。但是，它消耗电能太多，约为磁轨制动的10倍，电磁铁发热也很厉害，所以，它也只是作为高速列车紧急制动时的一种辅助制动方式。（四）旋转涡流制动旋转涡流制动（涡流式圆盘制动）是在牵引电动机轴上装金属盘，制动时金属盘在电磁铁形成的磁场中旋转，盘的表面被感应出涡流，产生电磁吸力，并发热消散于大气，从而产生制动作用。与盘形制动（摩擦式圆盘制动）相比，旋转涡流制动（涡流式圆盘制动）的圆盘虽然没有装在轮对上，但同样要通过轮轨粘着才能产生制动力，也要受粘着限制。而且，与轨道涡流制动相似，旋转涡流制动消耗的电能也太多。（五）电阻制动电阻制动广泛用于电力机车、电动车组和电传动内燃机车。它是在制动时将原来驱动轮对的自励的牵引电动机改变为他励发电机，由轮对带动它发电，并将电流通往专门设置的电阻器，采用强迫通风，使电阻发生的热量消散于大气，从而产生制动作用。（六）再生制动与电阻制动相似，再生制动也是将牵引电动机变为发电机。不同的是，它将电能反馈回电网，使本来由电能或位能变成的列车动能获得再生，而不是变成热能消散掉。显然，再生制动比电阻制动在经济上合算，但是技术上比较复杂，而且它只能用于由电网供电的电力机车和电动车组，反馈回电网的电能要马上由正在牵引运行的电力机车或电动车组接收和利用。上述各种制动方式中，除磁轨制动和轨道涡流制动外，都要通过轮轨粘着来产生制动力并受粘着限制，所以习惯上统称为“粘着制动”，并把不通过粘着者统称为“非粘（着）制动”。制动机种类按制动原动力和操纵控制方法的不同，机车车辆制动机可分类为：手制动机、空气制动机、真空制动机、电空制动机和电（磁）制动机。•动车组采用复合制动方式，即动车使用电制动＋空气制动、拖车使用空气制动的复合制动方式。•M车、T车的基础制动装置都是采用进行空油变换的增压缸和油压盘式装置。4M4T的编组构成下，T车为全机械制动。•再生制动与空气制动的切换，通过电－空协调控制，由制动控制装置判断制动力，当再生制动力不足时由空气制动补充。4、列车控制系统列车运行控制系统是对列车速度进行自动控制的各种装置的统称,主要由列车自动防护系统(ATP)和列车自动运行系统(ATO)组成。列车定位系统的基本功能:能够在任何时刻、任何地方按要求确定列车的位置,包括列车行车安全的相关间隔、速度;对轨旁设备和车载设备等资源进行分配和故障诊断;在局部出现故障时,能够在满足一定精度要求的前提下,降级运行。高速铁路已在发达国家取得了很大发展,所采用的列车定位技术是多种多样的。如法国AS2TREE系统采用多普勒雷达进行测速定位;北美ARES、PTC、PTS系统采用GPS(全球定位系统)进行定位;欧洲ETCS、日本CARAT系统采用查询/应答器和速度传感器进行定位;德国LZB系统采用轨间电缆进行列车定位;美国AATC系统采用无线测距进行定位。（1）轮轴速度传感器。目前采用的测速装置,大多是光电式的。当车轮旋转一周,产生脉冲的个数是固定的,通过对脉冲的计数,得到车轮的旋转周数,通过已知的轮径,即可得到运行距离,再除以计数时间就可得到运行速度。但是当轮径由于磨损改变时,会带来误差。此外在运行过程中,车轮出现的滑行和空转也会带来误差。目前采用铺设用于位置校核的查询/应答器来修正运行距离,可以将误差限制在要求的范围内。（2）全球卫星定位系统(GPS)。GPS由位于地球上空24颗卫星和监视管理这群卫星的5个地面站组成。这些卫星用原子钟作为标准时间,24h连续向地球播发精确的时间及位置信息。配有GPS接收机的用户,可在地球上任何地方、任何时刻收到卫星播发的信息,通过测量卫星信号发射和接收的时间间隔,计算出用户至卫星的距离,然后根据4颗卫星的数据,即可实时地确定用户所在地理位置。GPS定位的优点是设备简单,成本低,易于维护,但在某些受地形、建筑或树木遮蔽的地区,由于可捕获卫星的数目少于4颗,将导致定位精度显著下降,甚至无法应用。（3）惯性导航系统。惯性导航系统是通过加速度计和陀螺等惯性传感器来测量角速度和加速度的数值,进而通过积分获得速度和位置信息。它的优点是自主性强,但由于其位置需要对加速度进行2次积分得到,所以定位误差会随着时间的平方增长。光纤陀螺惯性系统能够准确获取高速列车实时运行中的状态参数,特别是能够分辨列车过道岔的信息,从而可以准确判断列车是在上行线还是在下行线行驶。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，通过测量变形量并用相关电路转化成电压输出。（4）查询/应答器。查询/应答器是铺设在轨道中央,能够给列车提供位置、路况等信息的装置,分为有源和无源2种。它可以用作连续式列车速度自动控制系统的列车精确定位设备,也可以用作点式列车速度自动控制系统的列车检测、定位辅助设备。显然采用这种方法,想要准确定位就必须在轨道上设置大量的应答器。（5）多普勒雷达。多普勒雷达通过多普勒频移效应,直接测量列车相对于雷达波反射面的速度,从而避免了车轮滑行、空转和由于磨损导致轮径改变而带来的误差。但是,反射面的表面特性会对雷达的性能产生影响,列车加速和制动导致的雷达波与反射面的夹角的改变也会影响定位的精度,此外列车的振动也会带来误差。(6)交叉感应回线定位在整个轨道线路沿线铺设电缆环线，电缆环线位于轨道中间，每隔一定的距离交叉一次。列车经过每个电缆交叉点时通过车载设备检测环线内信号的相位变化（相位变化原理见图6。并对相位变化的次数进行计数，从