一種高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試方案的設(shè)計(jì)

聶錫成，陳春俊

（西南交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引 言

高速列車(chē)運(yùn)行引起的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)[1-2]，可通過(guò)理論分析及數(shù)值模擬仿真計(jì)算進(jìn)行研究[3-4]，還需通過(guò)試驗(yàn)對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證[5-6]。高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試，主要測(cè)量列車(chē)在各種工況下運(yùn)行時(shí)，列車(chē)車(chē)外空氣流場(chǎng)、氣壓分布以及車(chē)內(nèi)外氣壓變化趨勢(shì)[7]。

為保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，需要用較小尺寸的氣壓傳感器[8]，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，滿(mǎn)足尺寸要求的空氣壓力傳感器靈敏度一般為2mV/10V/kPa左右，列車(chē)表面氣壓變化范圍一般為相對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓±5kPa。常規(guī)測(cè)試方法會(huì)遇到以下問(wèn)題：（1）若直接對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行放大，由于共模輸出信號(hào)也一并放大，變化信號(hào)占比依然較小，且增加放大倍數(shù)后信號(hào)輸出幅值較大，不適用于常規(guī)數(shù)據(jù)采集器；（2）直接測(cè)試絕對(duì)氣壓變化不能反應(yīng)出列車(chē)表面相對(duì)于車(chē)外大氣環(huán)境的氣壓值，需消除當(dāng)?shù)丨h(huán)境大氣壓值才能得出列車(chē)表面氣壓具體分布情況。因此需要改變測(cè)試方法。

1 測(cè)試方案總體設(shè)計(jì)

針對(duì)提出的問(wèn)題，提出改進(jìn)測(cè)試方案，增加信號(hào)調(diào)理模塊，其主要功能是：消除傳感器共模輸出、信號(hào)放大、提升信號(hào)基準(zhǔn)、濾波。并通過(guò)兩種方法消除線路氣壓變化趨勢(shì)：引入絕壓傳感器測(cè)量線路氣壓變化趨勢(shì)和通過(guò)線路海拔數(shù)據(jù)用最小二乘法擬合出線路氣壓變化趨勢(shì)。兩種方法配合使用，達(dá)到消除線路氣壓變化趨勢(shì)的目的，最終測(cè)得列車(chē)表面相對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境氣壓變化值。信號(hào)處理流程圖如圖1所示。

圖1 信號(hào)處理流程圖

1.1 消除共模輸出

空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試目的主要關(guān)注氣壓變化情況，測(cè)量共模輸出無(wú)實(shí)用價(jià)值；因此，可把共模輸出去除，得到傳感器輸出差分信號(hào)，再把差分信號(hào)進(jìn)行放大，消除共模輸出的影響。當(dāng)氣壓減小時(shí)，電壓信號(hào)輸出小于0，負(fù)電壓信號(hào)不能被主流電子原器件識(shí)別，可在信號(hào)放大后加一個(gè)正電壓基準(zhǔn)；當(dāng)氣壓減小時(shí)，輸出小于設(shè)定的正電壓值，電壓信號(hào)仍然為正，電子器件可正常識(shí)別。

當(dāng)氣壓發(fā)生變化時(shí)，是在一個(gè)大氣壓基礎(chǔ)上發(fā)生的變化，對(duì)應(yīng)于傳感器輸出電壓信號(hào)，即在一個(gè)電壓基準(zhǔn)上產(chǎn)生變化，表達(dá)式為

式中：Pt——測(cè)量氣壓；

P0——靜態(tài)氣壓（一個(gè)正常大氣壓）；

ΔPt——?jiǎng)討B(tài)氣壓變化。

轉(zhuǎn)換為電壓形式有

式中：Ut——測(cè)量電壓；

U0——靜態(tài)電壓；

ΔUt——?jiǎng)討B(tài)電壓變化。

列車(chē)靜止時(shí)，去除信號(hào)共模輸出，得到差分信號(hào)U=ΔUt，把差分信號(hào)放大 K 倍，得 U=K·ΔUt，再把放大的信號(hào)增加一個(gè)正壓基準(zhǔn)，即 U=+K·ΔUt，輸出零點(diǎn)由0變?yōu)?。?dāng)氣壓增大時(shí)，輸出電壓大于，反之則小于。

1.2 消除線路氣壓趨勢(shì)

對(duì)于實(shí)車(chē)在線測(cè)試，線路上大氣絕對(duì)氣壓隨海拔高度不同而發(fā)生變化，須消除線路氣壓趨勢(shì)的影響。方法有兩種：（1）在列車(chē)合適位置安裝絕對(duì)壓力傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)試線路上環(huán)境氣壓，得到線路氣壓變化趨勢(shì)；（2）提前獲取線路海拔數(shù)據(jù)，以公里標(biāo)為橫坐標(biāo)，海拔引起的氣壓變化為縱坐標(biāo)，通過(guò)最小二乘法擬合曲線[9-10]，得出線路氣壓變化趨勢(shì)。當(dāng)列車(chē)在復(fù)雜工況下運(yùn)行，可把兩種方法配合使用。

即

關(guān)于 a0，a1…，an的線性方程組，用矩陣表示為

對(duì)于一系列的海拔隨公里標(biāo)變化的離散數(shù)據(jù)（xi，yi），由于大氣壓與海拔成一定的比例關(guān)系P=k·y，間接得到公里標(biāo)與海拔之間的關(guān)系序列（xi，Pi）。通過(guò)最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到一條近似曲線，橫坐標(biāo)為公里標(biāo)，縱坐標(biāo)為氣壓，如圖2所示。

圖2 線路氣壓變化趨勢(shì)擬合曲線

2 測(cè)試方案實(shí)現(xiàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，信號(hào)調(diào)理板以單片機(jī)為主控芯片，采用可編程控制芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)氣壓信號(hào)的調(diào)理（包括去除共模輸出、信號(hào)放大、調(diào)整基準(zhǔn)、信號(hào)濾波），通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的調(diào)零以及放大倍數(shù)和低通濾波頻率的設(shè)置，其總體框圖如圖3所示。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要包含供電模塊、信號(hào)調(diào)零模塊、信號(hào)放大模塊、濾波模塊等4個(gè)模塊。

圖3 信號(hào)調(diào)理板總體框圖

供電模塊采用模擬放大器與場(chǎng)效應(yīng)管組成的精密橋壓電路，為傳感器提供穩(wěn)定的電壓源；信號(hào)調(diào)零及放大電路選用可編程控制器件，可通過(guò)主控芯片控制D/A輸出去除共模信號(hào)，調(diào)整零點(diǎn)，并設(shè)置信號(hào)放大倍數(shù)及濾波參數(shù)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)主要是對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行設(shè)置（信號(hào)放大倍數(shù)、濾波參數(shù)）以及控制調(diào)零，實(shí)時(shí)消除線路氣壓變化趨勢(shì)。程序流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

3 實(shí)車(chē)在線測(cè)試驗(yàn)證

按照測(cè)試方案進(jìn)行電路及程序設(shè)計(jì)，選用合適的空氣壓力傳感器進(jìn)行實(shí)車(chē)在線測(cè)試，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出列車(chē)通過(guò)一個(gè)隧道時(shí)頭車(chē)車(chē)體側(cè)表面空氣壓力相對(duì)變化趨勢(shì)波形，如圖5所示。

由測(cè)試結(jié)果知，列車(chē)進(jìn)入隧道前，即明線運(yùn)行時(shí)，車(chē)體側(cè)表面相對(duì)氣壓為負(fù)壓；當(dāng)進(jìn)入隧道，由于測(cè)點(diǎn)位于頭車(chē)，車(chē)體壓縮隧道內(nèi)空氣，使氣壓上升一定幅度；之后隨著列車(chē)在隧道內(nèi)相對(duì)位置的變化，隧道內(nèi)空氣壓縮波與膨脹波來(lái)回交替，使車(chē)體表面氣壓產(chǎn)生波動(dòng)；當(dāng)列車(chē)出隧道后，車(chē)體表面測(cè)點(diǎn)區(qū)域重新恢復(fù)為相對(duì)平穩(wěn)的負(fù)壓狀態(tài)。

圖5 通過(guò)隧道測(cè)試氣壓波形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試方案，可提高測(cè)試靈敏度及準(zhǔn)確性，通過(guò)實(shí)車(chē)在線測(cè)試應(yīng)用，取得較好的效果。同時(shí)，此測(cè)試方法還可進(jìn)行推廣應(yīng)用，如應(yīng)變、溫度等測(cè)試，有較好的實(shí)用價(jià)值。

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