不同加速度傳感器對(duì)高速列車舒適度影響

李明洋　崔杰

摘要：通過線路試驗(yàn)的方法，在相同位置分別布?jí)弘娛郊铀俣葌鞲衅?，伺服式加速度傳感器，以比較兩種類型傳感器在相同激勵(lì)下的響應(yīng)以及不同類型傳感器對(duì)高速列車舒適度影響。

關(guān)鍵詞：加速傳感器；高速列車；舒適度

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.09.089

加速度傳感器是一種用來測(cè)量加速度大小，并且能夠加速度大小這一物理量轉(zhuǎn)換為可以用儀器采集的電信號(hào)量的一種電子設(shè)備。根據(jù)所測(cè)得物理量值的不同，可以分為線加速度傳感器和角加速度傳感器。線加速度傳感器根據(jù)實(shí)現(xiàn)測(cè)量原理的不同又可以分為壓電式、壓阻式、電容式、伺服式。本文主要討論壓電式加速度傳感器與伺服式加速度傳感器的不同。

1不同類型加速度傳感器原理

1.1壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器是通過壓電晶體或者壓電陶瓷的壓電效應(yīng)設(shè)計(jì)而成的。

某些晶體在一定方向上受力而產(chǎn)生變形時(shí)，這些晶體在力的方向上的兩個(gè)表面便會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)作用在晶體上的外力消失后，兩個(gè)表面的電荷消失，又恢復(fù)到剛開始的不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。

當(dāng)壓電式加速度傳感器在測(cè)量方向上受振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊施加到壓電原件上的力便會(huì)變化，從而引起壓電元件兩個(gè)表面電荷量的不同。當(dāng)加速度計(jì)的固有頻率遠(yuǎn)高于被測(cè)振動(dòng)頻率時(shí)，被測(cè)加速度值與施加到壓電元件的力成正比關(guān)系。從而通過測(cè)量壓電元件電荷量的變化測(cè)得加速度值。

壓電式加速度傳感器與其他加速度傳感器相比具有較大的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍，較寬的頻率響應(yīng)范圍。同時(shí)電荷信號(hào)為壓電材料受力自身所產(chǎn)生電荷信號(hào)，因而不需要專門的外部供電設(shè)備，可以做到輕便易攜。但與其他類型加速度傳感器的頻響相比，壓電式加速度傳感器最大的缺點(diǎn)是不能測(cè)量零頻率的信號(hào)。

1.2伺服式加速度傳感器

伺服式加速度傳感器主要由永久磁鐵、電磁線圈、彈簧、質(zhì)量塊、位移傳感器、伺服電路等部分組成。原理見圖1所示，當(dāng)被測(cè)物體振動(dòng)引起加速度測(cè)試方向振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊偏離原來的靜平衡位置，引起電容式位移變換器電荷量的變化，經(jīng)伺服電路進(jìn)行放大后輸出電流作用于電磁線圈，從而改變質(zhì)量塊所受電磁力的大小，使質(zhì)量塊回到原來的靜平衡位置。由此可以看出伺服加速度傳感器工作在閉環(huán)狀態(tài)中，傳感器的輸出值與加速度值成一定比例。通過測(cè)量電流的變化，即可知道被測(cè)物體的加速度。

由于伺服傳感器有反饋的作用，增強(qiáng)了傳感器的抗干擾能力，從而大大提高伺服傳感器的測(cè)量精度，提高了傳感器的應(yīng)用范圍。

2試驗(yàn)分析方法

2.1頻譜分析方法

為識(shí)別信號(hào)頻域特征，需要將時(shí)域數(shù)據(jù)信號(hào)變換到頻域，因此需要采用快速傅立葉變換，即FFT算法。連續(xù)數(shù)據(jù)x（t）的連續(xù)傅立葉變換及逆變換如下式表示：

3試驗(yàn)方案

為比較不同傳感器性能，將不同類型傳感器均布置于同一塊鐵板上，并將鐵板放于列車舒適性測(cè)試位置。每種類型傳感器分別布一個(gè)橫向一個(gè)垂向，共計(jì)4個(gè)傳感器，傳感器布置見圖2所示。列車以線路實(shí)際運(yùn)營(yíng)速度運(yùn)行。采集某一區(qū)間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

通過時(shí)域信號(hào)可以看出對(duì)相同的振動(dòng)，伺服加速度傳感器所測(cè)得值較壓電式加速度傳感器所測(cè)得值小，對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行頻譜變換，得到兩種傳感器頻域的對(duì)比，結(jié)果見圖5，圖6。

根據(jù)UIC513關(guān)于舒適度的計(jì)算方法，分別求兩種傳感器所測(cè)得的該點(diǎn)舒適度，通過舒適度隨速度的變化曲線可以看出，在低速段，兩種傳感器所求得舒適度值差別不大，高速段伺服傳感器所求得舒適度值小于壓電式傳感器所求得值，對(duì)比結(jié)果見圖7。

5結(jié)論

（1）通過傳感器頻譜對(duì)比可以看出，伺服式加速度傳感器有較好的零頻響應(yīng)特性，在低頻部分（3Hz-35Hz）兩者所測(cè)得幅值相差不大，當(dāng)頻率大于35Hz時(shí)，伺服傳感器所測(cè)得結(jié)果比壓電式傳感器所測(cè)得結(jié)果偏小。

（2）通過舒適性對(duì)比可以看出速度較低時(shí)，兩種傳感器所測(cè)得結(jié)果相差不大，當(dāng)速度提高時(shí)，伺服傳感器比壓電式加速度傳感器所測(cè)得值小，這主要是由于速度低時(shí)車輛地板振動(dòng)以低頻為主，速度提高時(shí)，振動(dòng)逐漸變?yōu)楦哳l信號(hào)，而兩種傳感器對(duì)低頻信號(hào)測(cè)量結(jié)果相差不大，高頻信號(hào)伺服傳感器測(cè)得值較壓電式傳感器測(cè)得值偏小。

后續(xù)可以將兩種傳感器與傳感器鑒定試驗(yàn)臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行頻譜對(duì)比，以選出那種類型傳感器誤差較小，為以后試驗(yàn)傳感器選型提供數(shù)據(jù)支持，更準(zhǔn)確的測(cè)出高速列車舒適度。

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