動(dòng)車(chē)組列車(chē)結(jié)冰狀態(tài)傳感器原理及試驗(yàn)研究

趙云行，桂 康，杜衛(wèi)超，葛俊鋒，陳 夢(mèng)，葉 林

(1.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 鐵路安全研究中心，北京 100081; 2.華中科技大學(xué) 人工智能與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

隨著我國(guó)高速鐵路網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，冰雪災(zāi)害對(duì)其運(yùn)營(yíng)的影響也逐漸凸顯。作為高速鐵路的主要運(yùn)載工具，動(dòng)車(chē)組的結(jié)冰防護(hù)問(wèn)題得到越來(lái)越多的關(guān)注[1]。我國(guó)處于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，大部分地區(qū)在冬季有積雪結(jié)冰等現(xiàn)象，動(dòng)車(chē)組在這種環(huán)境條件下運(yùn)行出現(xiàn)不同程度的結(jié)冰。其中列車(chē)底部轉(zhuǎn)向架位置結(jié)冰情況較為嚴(yán)重[2]。王東屏等[3]通過(guò)仿真計(jì)算，表明轉(zhuǎn)向架表面的雪花顆粒黏附堆積情況與轉(zhuǎn)向架的安裝位置及其周?chē)目諝饬鲌?chǎng)壓差有關(guān)。動(dòng)車(chē)組在高速運(yùn)行過(guò)程中在車(chē)底形成負(fù)壓，將冰雪緊緊壓在底盤(pán)上，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架、剎車(chē)夾等重要機(jī)械部件失靈，這嚴(yán)重威脅動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行安全。目前國(guó)內(nèi)外主要依靠在動(dòng)車(chē)組底部噴涂防冰液來(lái)防止轉(zhuǎn)向架等主要部件結(jié)冰。動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程中，防冰液會(huì)逐漸失效，出現(xiàn)表面結(jié)冰的現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)結(jié)冰，在雨雪風(fēng)的作用下，很快形成大面積結(jié)冰，設(shè)備性能受到限制，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。因此有必要研發(fā)一種針對(duì)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行環(huán)境的結(jié)冰狀態(tài)傳感器，能夠判斷車(chē)輛結(jié)冰狀態(tài)，保障高鐵運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了多種不同原理的結(jié)冰傳感器[4]，包括光纖結(jié)冰傳感器、電容結(jié)冰傳感器、超聲波結(jié)冰傳感器、反射光強(qiáng)式結(jié)冰傳感器、諧振式結(jié)冰傳感器等。光纖結(jié)冰傳感器[5]基于冰對(duì)光強(qiáng)的反射和散射調(diào)制作用，通過(guò)測(cè)量光纖中接收的反射和散射光強(qiáng)大小來(lái)獲取冰層的厚度和類(lèi)型。Ikiades等[6]最早使用光纖結(jié)冰傳感器對(duì)飛行器表面結(jié)冰的厚度進(jìn)行了測(cè)量。Zou等[7]利用斜端面光纖改變光入射冰層的角度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛行器表面結(jié)冰厚度及冰型的測(cè)量，并應(yīng)用到風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰檢測(cè)及輸電線覆冰監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。電容結(jié)冰傳感器用等間隔的排布的電極來(lái)進(jìn)行電容測(cè)量[8]，由于空氣、水和冰的介電常數(shù)不同，當(dāng)電極接觸不同介質(zhì)時(shí)，引起電容大小的變化，從而可以判斷傳感器表面的結(jié)冰狀態(tài)。Troiano等[9]提出了一種基于多頻段電容測(cè)量的結(jié)冰狀態(tài)識(shí)別方法，能夠?qū)β访娼Y(jié)冰狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。超聲波結(jié)冰傳感器主要是采用了脈沖回波技術(shù)。利用發(fā)射器發(fā)射聲波脈沖到探測(cè)區(qū)域的表面，從接收器中接收表面的回波。最后根據(jù)信號(hào)調(diào)節(jié)器測(cè)量發(fā)射聲波和接收到返回波的時(shí)間差來(lái)判斷附著冰的量。在超聲波結(jié)冰傳感器眾多研究中，Zhao等[10]通過(guò)構(gòu)建超聲換能器陣列進(jìn)行了金屬表面結(jié)冰位置的實(shí)時(shí)精確定位，這對(duì)飛行器防除冰工作具有重要意義。李巖等[11]將該方法用于風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)冰檢測(cè)，取得良好的效果。反射光強(qiáng)式結(jié)冰傳感器主要是利用冰和水等介質(zhì)對(duì)光的不同波段的吸收和反射作用不同來(lái)進(jìn)行結(jié)冰檢測(cè)，通過(guò)分析不同波段的反射光強(qiáng)來(lái)判斷結(jié)冰狀態(tài)。Jonsson等[12]提出了一種多探測(cè)器的光強(qiáng)檢測(cè)方法來(lái)對(duì)路面結(jié)冰狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，能對(duì)干燥、積水、結(jié)冰、積雪等各個(gè)路面狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分。諧振式結(jié)冰傳感器主要是利用冰和水的剛度不同，從而引起傳感器諧振頻率的不同變化，通過(guò)測(cè)量諧振頻率的變化方向和大小進(jìn)行冰和水的測(cè)量。鄭燕等[13]研究諧振式結(jié)冰傳感器的時(shí)間較早，最早應(yīng)用于飛行器結(jié)冰探測(cè)，后將其應(yīng)用于路面結(jié)冰監(jiān)測(cè)，可對(duì)路面黑冰進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

這些傳感器在各自的應(yīng)用領(lǐng)域中已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，但對(duì)于動(dòng)車(chē)組車(chē)底結(jié)冰這種較為特殊的環(huán)境，常見(jiàn)的結(jié)冰傳感器并不適用。對(duì)于大多數(shù)結(jié)冰傳感器而言，動(dòng)車(chē)組車(chē)底環(huán)境較為苛刻：首先動(dòng)車(chē)組車(chē)底結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝空間有限，對(duì)傳感器小型化提出了很高的要求；其次，列車(chē)運(yùn)行時(shí)卷起大量的灰塵與泥土而污染傳感器表面，這要求傳感器具有良好的抗污染能力，由此光纖式及反射光強(qiáng)式傳感器便不太適用；再者，動(dòng)車(chē)組底部將會(huì)被噴灑大量的防冰液，在極端條件下，防冰液表面結(jié)冰，不能在此環(huán)境下工作或不能區(qū)分液體與冰層的傳感器，如超聲波式、電容式等亦不能適用。本文提出一種動(dòng)車(chē)組列車(chē)結(jié)冰狀態(tài)傳感器進(jìn)行動(dòng)車(chē)組結(jié)冰狀態(tài)探測(cè)的方法。該傳感器通過(guò)測(cè)量敏感表面附著冰或防冰液后的幅頻特性來(lái)判斷結(jié)冰狀態(tài)，其體積較小，易于安裝。另外，灰塵等污染物對(duì)傳感器的測(cè)量并沒(méi)有影響，而且傳感器具備測(cè)量液體厚度的能力[14]，能夠區(qū)分防冰液與冰層，相比于其他類(lèi)型的結(jié)冰傳感器，這種傳感器應(yīng)用于動(dòng)車(chē)組列車(chē)結(jié)冰狀態(tài)監(jiān)測(cè)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

1 傳感器基本原理

動(dòng)車(chē)組列車(chē)結(jié)冰狀態(tài)傳感器的敏感元件由恒彈合金及壓電陶瓷組成，見(jiàn)圖1。A為壓電陶瓷上的激勵(lì)電極，B為壓電陶瓷上的反饋電極，C為金屬膜片。壓電陶瓷是一種能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)的特殊材料，壓電效應(yīng)通常分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。

圖1 動(dòng)車(chē)組列車(chē)結(jié)冰狀態(tài)傳感器敏感元件示意圖

壓電陶瓷對(duì)外呈現(xiàn)電中性，在應(yīng)力的作用下偶極矩在量值上發(fā)生一定的變化，該變化會(huì)引起電極上電荷的變化[15]。在電場(chǎng)的作用下，由于同性電荷相互排斥，導(dǎo)致壓電器件壓縮；反之，異性電荷相互吸引，導(dǎo)致壓電器件伸長(zhǎng)。壓電效應(yīng)的定量關(guān)系

q=dF

(1)

式中：d為壓電常數(shù)；F為極板上的應(yīng)力；q為受到應(yīng)力激發(fā)出的感應(yīng)電荷。

給壓電陶瓷的激勵(lì)電極A施加一定頻率的交流電壓，逆壓電效應(yīng)引起壓電陶瓷及金屬膜片發(fā)生形變，而形變又通過(guò)正壓電效應(yīng)，在反饋電極B上產(chǎn)生電荷，電荷量與形變的大小直接相關(guān)。當(dāng)激勵(lì)頻率與敏感元件的諧振頻率相同時(shí)，其形變最大，其反饋電極上的電壓也最大。因此反饋電壓最大時(shí)對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率即為諧振頻率。

當(dāng)冰聚集于敏感元件表面時(shí)，隨著質(zhì)量的增加，傳感器的諧振頻率減?。浑S著剛度的增加，傳感器的諧振頻率增加；隨著阻尼的提高，降低傳感器的振幅。

對(duì)于一個(gè)彈性振動(dòng)元件，如果將其假定為一個(gè)單自由度的受迫振動(dòng)系統(tǒng)[16]，見(jiàn)圖2。

圖2 單自由度受迫振動(dòng)系統(tǒng)示意圖

根據(jù)牛頓第二定律描述其振動(dòng)

(2)

最終可得單自由度線性系統(tǒng)的微分方程

(3)

式中：c為系統(tǒng)參數(shù)；k為等效剛度。

當(dāng)振動(dòng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時(shí)，彈性力與慣性力相平衡，外部激勵(lì)只需克服阻尼就可以維持系統(tǒng)振動(dòng)，即

(4)

由(4)式可知，在阻尼極小的狀況下，只用非常小的外部激勵(lì)就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的振動(dòng)。

由于在機(jī)械振動(dòng)中速度矢量始終超前位移矢量90°，要使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)諧振，外部激勵(lì)的大小應(yīng)始終等于阻尼力[17]，同時(shí)振動(dòng)元件位移矢量要始終滯后外部激勵(lì)的矢量90°。

(5)

該運(yùn)動(dòng)方程的通解

y(t)=Asin(ωnt+φ)

(6)

式中：A為振幅；ωn為角速度；φ為相位差。

動(dòng)車(chē)組列車(chē)結(jié)冰狀態(tài)傳感器可以等效為一種無(wú)阻尼的單自由度機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，其諧振頻率fr與等效質(zhì)量m、等效剛度k之間的關(guān)系

(7)

從式(7)可知，當(dāng)?shù)刃偠萲增加時(shí)，諧振頻率fr將增加；當(dāng)?shù)刃з|(zhì)量m增加時(shí)，諧振頻率fr將降低。當(dāng)傳感器表面結(jié)冰時(shí)，等效剛度和等效質(zhì)量的增加將同時(shí)影響其諧振頻率。但是，由于等效剛度引起增加的量遠(yuǎn)大于等效質(zhì)量增加的量，傳感器的諧振頻率主要受等效剛度的影響，隨著冰層厚度的增加而上升。結(jié)冰厚度越大，其諧振頻率也就越高，從而可以通過(guò)諧振頻率的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)冰厚度的測(cè)量。另一方面，隨著冰層厚度的增加，系統(tǒng)振動(dòng)阻尼增加，反饋電壓逐漸下降，因此能夠通過(guò)反饋電壓的幅值判斷系統(tǒng)振動(dòng)阻尼的大小。

當(dāng)水聚集于敏感元件表面時(shí)，也會(huì)對(duì)等效剛度、等效質(zhì)量產(chǎn)生影響。但因?yàn)橐后w本身不具有剛度，傳感器的等效剛度保持不變，而水膜厚度的增加，使得等效質(zhì)量變大，其諧振頻率逐漸減小。同時(shí)，液體對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)阻尼的影響很小，當(dāng)液體厚度增加，反饋電壓幾乎不下降。

動(dòng)車(chē)組列車(chē)結(jié)冰狀態(tài)傳感器的電路框圖及工作流程見(jiàn)圖3。

圖3 傳感器電路框圖及工作流程示意圖

傳感器信號(hào)調(diào)理電路以MSP430微控制器為核心單元，其通過(guò)SPI串行外設(shè)總線接口與程控頻率發(fā)生器、溫度測(cè)量芯片及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路通信，通過(guò)USART通用串行通信接口與RS485通信芯片連接。程控頻率發(fā)生器依據(jù)MSP430的指令從低頻至高頻以固定步長(zhǎng)及時(shí)間間隔有序輸出正弦電壓波形。

假設(shè)某一時(shí)刻頻率發(fā)生器輸出頻率為f的正弦波，經(jīng)信號(hào)放大電路放大后加載于傳感器壓電陶瓷的激勵(lì)電極A。通過(guò)逆壓電效應(yīng)，激勵(lì)電壓驅(qū)動(dòng)傳感器敏感元件進(jìn)行受迫振動(dòng)。同時(shí)，通過(guò)正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷的反饋電極B處采集到由受迫振動(dòng)產(chǎn)生的電荷，經(jīng)過(guò)電荷放大器及信號(hào)調(diào)理電路后轉(zhuǎn)換為當(dāng)前峰值電壓，并由模數(shù)轉(zhuǎn)換器上傳給MSP430微控制器。在MSP430內(nèi)部將當(dāng)前頻率發(fā)生器輸出頻率與當(dāng)前峰值電壓對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)。

當(dāng)程控頻率發(fā)生器由低頻至高頻完成一次掃頻后，MSP430即可獲得在該頻段內(nèi)傳感器的幅頻響應(yīng)曲線。

由于防冰液黏度大，遇水混溶慢，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)附著于防冰液表面的雪水結(jié)冰而防冰液仍然呈液態(tài)的情況。動(dòng)車(chē)組結(jié)冰探測(cè)的難點(diǎn)在于準(zhǔn)確識(shí)別防冰液表面結(jié)冰狀態(tài)。一般結(jié)冰傳感器因只能探測(cè)敏感表面的狀態(tài)，所以很容易判斷為未結(jié)冰。動(dòng)車(chē)組列車(chē)結(jié)冰狀態(tài)傳感器在此情況下的響應(yīng)具有諧振頻率下降，同時(shí)反饋電壓下降的特點(diǎn)，傳感器可以準(zhǔn)確判斷出其敏感表面直接接觸的為液體，而液體上方發(fā)生了結(jié)冰的狀態(tài)。

2 基本特性分析

為驗(yàn)證動(dòng)車(chē)組列車(chē)結(jié)冰狀態(tài)傳感器的單純積水及結(jié)冰效果，進(jìn)行傳感器基本特性試驗(yàn)。傳感器基本特性試驗(yàn)不僅驗(yàn)證傳感器對(duì)單純結(jié)冰和水的測(cè)量能力，而且為建立噴灑防冰液條件下的結(jié)冰狀態(tài)判斷準(zhǔn)則提供依據(jù)。

動(dòng)車(chē)組列車(chē)結(jié)冰狀態(tài)傳感器試驗(yàn)布局圖4。將傳感器及數(shù)字顯微攝像頭置于常溫環(huán)境中，對(duì)傳感器分多次進(jìn)行緩慢加水。此時(shí)傳感器敏感表面為水層，通過(guò)計(jì)算機(jī)采集傳感器的輸出電壓和頻率信號(hào)，并通過(guò)數(shù)字顯微攝像頭測(cè)量水層的厚度。清除水層，然后降低高低溫箱內(nèi)溫度至-20 ℃，再次對(duì)傳感器分多次進(jìn)行緩慢加水。此時(shí)傳感器敏感表面為冰層，通過(guò)計(jì)算機(jī)采集傳感器的輸出電壓和頻率信號(hào)并按照對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算冰層厚度，繪制傳感器輸出信號(hào)與水和冰的厚度之間的關(guān)系曲線，并通過(guò)數(shù)字顯微攝像頭驗(yàn)證冰層的厚度。本試驗(yàn)中主要采集的傳感器信號(hào)為諧振頻率和反饋電壓，其試驗(yàn)曲線可以驗(yàn)證傳感器對(duì)單純結(jié)冰和水的測(cè)量能力。

圖4 動(dòng)車(chē)組列車(chē)結(jié)冰狀態(tài)傳感器試驗(yàn)布局

在傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，基于COMSOL MULTIPHYSICS等多物理場(chǎng)耦合仿真軟件對(duì)傳感器進(jìn)行了有限元仿真以?xún)?yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)及性能。傳感器諧振頻率特性仿真曲線及試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖5，從圖5中可以看出積水試驗(yàn)曲線與仿真曲線幾乎重合，而結(jié)冰試驗(yàn)曲線與結(jié)冰仿真曲線基本吻合，從而間接驗(yàn)證了動(dòng)車(chē)組列車(chē)結(jié)冰狀態(tài)傳感器的設(shè)計(jì)方案及其基本功能參數(shù)。同時(shí)，當(dāng)結(jié)冰檢測(cè)器顯示冰層厚度為3 mm時(shí)，通過(guò)數(shù)字顯微攝像頭對(duì)冰層進(jìn)行了拍照和測(cè)量(見(jiàn)圖6)，可以測(cè)出實(shí)際的冰層厚度為2.991 mm。傳感器對(duì)結(jié)冰及積水都有良好的測(cè)量能力，其分辨率在0.2 mm以?xún)?nèi)。

圖5 傳感器諧振頻率特性仿真曲線及試驗(yàn)曲線

圖6 顯微攝像頭測(cè)量圖

傳感器反饋電壓曲線仿真曲線及試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖7。圖中反映傳感器反饋電壓隨負(fù)載厚度變化的特性，當(dāng)負(fù)載為水時(shí)，因?yàn)樗畬硬痪哂袆偠?，?duì)振動(dòng)的阻尼可以忽略不計(jì)，所以積水電壓曲線基本維持在初始電壓值附近，電壓變化值為0.1 V。當(dāng)負(fù)載為冰時(shí)，因?yàn)楸鶎訉?duì)振動(dòng)的阻尼影響較大，所以隨著冰層的厚度從0 mm增長(zhǎng)到1 mm，其反饋電壓從3.2 V下降到1.4 V。隨著冰層厚度增長(zhǎng)到2 mm，反饋電壓從1.4 V下降到1.2 V。之后冰層繼續(xù)增長(zhǎng)，而反饋電壓基本無(wú)變化。這主要是因?yàn)?.2 V為反饋電壓檢測(cè)電路的最小輸出值，反饋電壓降至1.2 V附近時(shí)振動(dòng)已十分微弱。傳感器基本特性試驗(yàn)不僅直接驗(yàn)證了其對(duì)單純結(jié)冰和積水的測(cè)量能力，還說(shuō)明了反饋電壓可用于判斷傳感器表面的狀態(tài)，為后續(xù)防冰液試驗(yàn)提供依據(jù)。

圖7 傳感器反饋電壓曲線

考慮東北地區(qū)高鐵沿線降雪時(shí)最低溫度不低于-30 ℃，考慮到動(dòng)車(chē)組的風(fēng)寒效應(yīng)，因此選定-40 ℃為最低試驗(yàn)溫度。并選取-10、-20、-30、-40 ℃，進(jìn)行干燥狀態(tài)下的測(cè)試，具體頻率和電壓的變化見(jiàn)表1。

表1 溫度對(duì)測(cè)量頻率和電壓的影響

由表1可以看到，隨著溫度的降低諧振頻率略有升高(0.1 kHz左右)，而電壓出現(xiàn)輕微波動(dòng)(±0.1 V)。對(duì)比結(jié)冰狀態(tài)、防冰液狀態(tài)以及防冰液表面結(jié)冰狀態(tài)對(duì)諧振頻率和電壓的影響，溫度引起的變化較小，且不影響各種狀態(tài)的判斷，因此傳感器可用于高速動(dòng)車(chē)組結(jié)冰監(jiān)測(cè)工作。

噴灑防冰液條件下的結(jié)冰狀態(tài)判斷準(zhǔn)則是依據(jù)傳感器的頻率特性及反饋電壓隨負(fù)載狀態(tài)變化的規(guī)律確定的。其基本原理是通過(guò)諧振頻率變化確定是否有負(fù)載，若頻率高于初始頻率，則判斷傳感器表面結(jié)冰；若頻率在初始頻率附近，則判斷傳感器表面干燥；若頻率低于初始頻率，則判斷傳感器表面存在液體。再通過(guò)反饋電壓的變化確定是否為防冰液結(jié)冰，若電壓低于初始電壓，則判斷防冰液表面結(jié)冰。具體判斷準(zhǔn)則見(jiàn)表2。

表2 結(jié)冰狀態(tài)判斷準(zhǔn)則

3 防冰液試驗(yàn)設(shè)計(jì)

防冰液試驗(yàn)主要涉及有防冰液存在的應(yīng)用環(huán)境，與單純結(jié)冰或水有明顯區(qū)別，一方面防冰液本身具有黏性，且隨著溫度下降其黏稠度上升，最終呈現(xiàn)一種半固體的狀態(tài)，使大多數(shù)傳感器無(wú)法判斷是否結(jié)冰；另一方面，防冰液與大量冰雪在無(wú)攪拌的自然條件下互溶性不佳，出現(xiàn)較明顯的分層現(xiàn)象，由于防冰液的冰點(diǎn)低于水的冰點(diǎn)，在動(dòng)車(chē)組底部經(jīng)常發(fā)生在防冰液表面結(jié)冰的現(xiàn)象，這使得多種常見(jiàn)的結(jié)冰傳感器難以用于測(cè)量。防冰液試驗(yàn)的目的主要是驗(yàn)證防冰液存在時(shí)傳感器判別結(jié)冰狀態(tài)能力。試驗(yàn)條件與傳感器基本特性試驗(yàn)相同。

4 結(jié)果分析

防冰液厚度測(cè)量試驗(yàn)的結(jié)果如表3所示，隨著防冰液厚度從0 mm增加到2 mm，傳感器諧振頻率從14.4 kHz下降到12.5 kHz,反饋電壓從3.3 V變?yōu)?.2 V。同時(shí)傳感器判斷表面狀態(tài)為液體，其數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與傳感器基本特性試驗(yàn)的結(jié)果相符。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，相同厚度的防冰液傳感器諧振頻率誤差在±0.1 kHz以?xún)?nèi)，因此可以判斷，當(dāng)諧振頻率變化超過(guò)0.2 kHz時(shí)，應(yīng)是防冰液厚度發(fā)生了變化。試驗(yàn)的結(jié)果表明，當(dāng)傳感器諧振頻率從14.4 kHz變化到14.1 kHz時(shí)，防冰液厚度從0 mm增長(zhǎng)到0.25 mm，防冰液的最小檢出限為0.25 mm。諧振頻率的變化與防冰液的厚度呈非線性關(guān)系。

表3 防冰液厚度測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果

防冰液表面結(jié)冰原理試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表4。環(huán)境溫度為-40 ℃。當(dāng)傳感器表面干燥時(shí)，頻率為14.4 kHz，電壓為3.3 V，輸出狀態(tài)為干燥。在涂抹1 mm防冰液后，傳感器諧振頻率下降到13.1 kHz，反饋電壓變?yōu)?.2 V，狀態(tài)顯示為液體，與防冰液測(cè)量試驗(yàn)的結(jié)果相吻合。使用噴壺進(jìn)行噴水結(jié)冰。當(dāng)防冰液表面完全結(jié)冰，諧振頻率下降到12.8 kHz，同時(shí)反饋電壓大幅下降到1.5 V，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)榉辣罕砻娼Y(jié)冰并不影響系統(tǒng)的剛度，卻增加了系統(tǒng)的質(zhì)量，因此諧振頻率下降，另外冰層的出現(xiàn)導(dǎo)致系統(tǒng)振動(dòng)阻尼增加，所以反饋電壓大幅下降。此時(shí)傳感器判斷表面狀態(tài)為防冰液表面結(jié)冰。最后去除冰層，傳感器表面有殘留防冰液，諧振頻率和反饋電壓恢復(fù)至涂抹防冰液后的狀態(tài)，傳感器判斷表面狀態(tài)為液體狀態(tài)。在多次防冰液表面結(jié)冰狀態(tài)下，反饋電壓基本上都是(1.4±0.1)V，因此可以將反饋電壓降低到1.5 V，設(shè)定為判斷防冰液失效的依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了動(dòng)車(chē)組列車(chē)結(jié)冰狀態(tài)傳感器可以穩(wěn)定區(qū)分干燥、液體負(fù)載、結(jié)冰、液體負(fù)載上結(jié)冰四種典型狀態(tài)，可以滿(mǎn)足動(dòng)車(chē)組結(jié)冰探測(cè)的基本需求。

表4 防冰液表面結(jié)冰原理試驗(yàn)結(jié)果

不同條件防冰液表面結(jié)冰試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表5，試驗(yàn)中共使用了兩種不同粘度的防冰液，均涂抹1 mm于傳感器表面，降雪量根據(jù)試驗(yàn)要求分別選定為10 min噴1次(小雪)和2 min噴1次(大雪)，若觀察到傳感器顯示結(jié)冰則記錄時(shí)間。從數(shù)據(jù)表格中可以觀察到低黏度防冰液在-20 ℃環(huán)境中效果較好，而高黏度防冰液在-10 ℃環(huán)境中效果較好。而在-30、-40 ℃環(huán)境中，兩種防冰液的效果都明顯下降。

這是由于黏度決定了防冰液與降雪混合的難易程度，-20 ℃下低黏度防冰液混合程度好，因此防冰時(shí)間長(zhǎng)，而高黏度防冰液容易出現(xiàn)表面結(jié)冰的情況。而在-10 ℃下，高黏度防冰液和水的混合程度加快，由于其黏度較高，不容易流失，因此具有較好的效果，反觀低黏度防冰液，與水混合后，流失較快，因此效果較差。隨著溫度的降低，兩種防冰液都會(huì)變得黏稠，噴水后表面結(jié)冰，從而失去防冰效果。動(dòng)車(chē)組實(shí)際噴涂防冰液時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的環(huán)境情況，使用不同黏度的防冰液，以達(dá)到最佳效果。

表5 不同條件防冰液表面結(jié)冰試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，動(dòng)車(chē)組列車(chē)結(jié)冰狀態(tài)傳感器在各類(lèi)試驗(yàn)中均能可靠地判斷出不同的實(shí)際結(jié)冰狀態(tài)，且能幫助判斷不同黏度防冰液的防凍特性，同時(shí)傳感器也滿(mǎn)足了動(dòng)車(chē)組的結(jié)冰實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)要求、狹小環(huán)境下安裝的要求以及惡劣工作環(huán)境下的可靠性要求。

試驗(yàn)過(guò)程中觀察到，在結(jié)冰狀態(tài)改變的瞬間，傳感器輸出狀態(tài)有不穩(wěn)定的現(xiàn)象，其根本原因是表1中的狀態(tài)判斷準(zhǔn)則使?fàn)顟B(tài)之間相互變化呈現(xiàn)非線性的特性。為了提高傳感器輸出穩(wěn)定性，將結(jié)冰狀態(tài)的反饋電壓判斷閾值上限降低至2.5 V，而2.5 V至3.1 V之間由正在結(jié)冰狀態(tài)表達(dá)，見(jiàn)表6，即結(jié)冰達(dá)到一定的厚度(0.5 mm)時(shí)，傳感器才判定其表面凝固了較為穩(wěn)定的冰層。對(duì)防冰液厚度測(cè)量試驗(yàn)、防冰液表面結(jié)冰原理試驗(yàn)、不同條件防冰液表面結(jié)冰試驗(yàn)應(yīng)用優(yōu)化后的判斷準(zhǔn)則，觀察到試驗(yàn)過(guò)程中傳感器輸出狀態(tài)準(zhǔn)確且穩(wěn)定，證明優(yōu)化后的判斷準(zhǔn)則更加符合實(shí)際使用的需求。

表6 優(yōu)化后的結(jié)冰狀態(tài)判斷準(zhǔn)則

動(dòng)車(chē)組列車(chē)結(jié)冰狀態(tài)傳感器安裝在高速動(dòng)車(chē)組上時(shí)，高速氣流和振動(dòng)可能會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生影響。由于壓電諧振結(jié)冰傳感器在以前的結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)中已經(jīng)證明了在機(jī)翼表面安裝時(shí)高速氣流和振動(dòng)對(duì)傳感器沒(méi)有影響。因此，該傳感器可以在高速動(dòng)車(chē)組上正常工作，不會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)和虛警。

5 結(jié)論

針對(duì)高速鐵路動(dòng)車(chē)組列車(chē)結(jié)冰實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面的迫切需求，開(kāi)展了動(dòng)車(chē)組列車(chē)結(jié)冰狀態(tài)傳感器在防冰液條件下進(jìn)行結(jié)冰探測(cè)的試驗(yàn)研究。結(jié)合諧振頻率及反饋電壓的變化，判定傳感器表面上有無(wú)防冰液，有無(wú)結(jié)冰。得出以下結(jié)論：

(1)傳感器表面有防冰液時(shí)，諧振頻率有所下降，電壓基本不變，防冰液厚度最小檢出限為0.25 mm。

(2)防冰液表面結(jié)冰后，電壓下降到1.5 V左右，可以此判定表面結(jié)冰狀態(tài)。

(3)傳感器能夠在不同環(huán)境條件下，準(zhǔn)確判定不同黏度防冰液的結(jié)冰時(shí)點(diǎn)?；緷M(mǎn)足了動(dòng)車(chē)組結(jié)冰狀態(tài)監(jiān)測(cè)的要求，驗(yàn)證了動(dòng)車(chē)組列車(chē)結(jié)冰狀態(tài)傳感器在動(dòng)車(chē)組列車(chē)防除冰工作中應(yīng)用的可行性。