不同加速度传感器对高速列车舒适度影响
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摘要：通过线路试验的方法，在相同位置分别布压电式加速度传感器，伺服式加速度传感器，以比较两种类型传感器在相同激励下的响应以及不同类型传感器对高速列车舒适度影响。
关键词：加速传感器；高速列车；舒适度
中图分类号：TB
文献标识码：A
doi：10.19311/ki.16723198.2017.09.089
加速度传感器是一种用来测量加速度大小，并且能够加速度大小这一物理量转换为可以用仪器采集的电信号量的一种电子设备。根据所测得物理量值的不同，可以分为线加速度传感器和角加速度传感器。线加速度传感器根据实现测量原理的不同又可以分为压电式、压阻式、电容式、伺服式。本文主要讨论压电式加速度传感器与伺服式加速度传感器的不同。
1不同类型加速度传感器原理
1.1压电式加速度传感器
压电式加速度传感器是通过压电晶体或者压电陶瓷的压电效应设计而成的。
某些晶体在一定方向上受力而产生变形时，这些晶体在力的方向上的两个表面便会产生符号相反的电荷；当作用在晶体上的外力消失后，两个表面的电荷消失，又恢复到刚开始的不带电状态，这种现象称为“压电效应”。
当压电式加速度传感器在测量方向上受振动时，质量块施加到压电原件上的力便会变化，从而引起压电元件两个表面电荷量的不同。当加速度计的固有频率远高于被测振动频率时，被测加速度值与施加到压电元件的力成正比关系。从而通过测量压电元件电荷量的变化测得加速度值。
压电式加速度传感器与其他加速度传感器相比具有较大的动态响应范围，较宽的频率响应范围。同时电荷信号为压电材料受力自身所产生电荷信号，因而不需要专门的外部供电设备，可以做到轻便易携。但与其他类型加速度传感器的频响相比，压电式加速度传感器最大的缺点是不能测量零频率的信号。
1.2伺服式加速度传感器
伺服式加速度传感器主要由永久磁铁、电磁线圈、簧、质量块、位移传感器、伺服电路等部分组成。原理见图1所示，当被测物体振动引起加速度测试方向振动时，质量块偏离原来的静平衡位置，引起电容式位移变换器电荷量的变化，经伺服电路进行放大后输出电流作用于电磁线圈，从而改变质量块所受电磁力的大小，使质量块回到原来的静平衡位置。由此可以看出伺服加速度传感器工作在闭环状态中，传感器的输出值与加速度值成一定比例。通过测量电流的变化，即可知道被测物体的加速度。
由于伺服传感器有反馈的作用，增强了传感器的抗干扰能力，从而大大提高伺服传感器的测量精度，提高了传感器的应用范围。
2试验分析方法
2.1频谱分析方法
为识别信号频域特征，需要将时域数据信号变换到频域，因此需要采用快速傅立叶变换，即FFT算法。连续数据x（t）的连续傅立叶变换及逆变换如下式表示：
3试验方案
为比较不同传感器性能，将不同类型传感器均布置于同一块铁板上，并将铁板放于列车舒适性测试位置。每种类型传感器分别布一个横向一个垂向，共计4个传感器，传感器布置见图2所示。列车以线路实际运营速度运行。采集某一区间数据进行分析。
通过时域信号可以看出对相同的振动，伺服加速度传感器所测得值较压电式加速度传感器所测得值小，对时域信号进行频谱变换，得到两种传感器频域的对比，结果见图5，图6。
根据UIC513关于舒适度的计算方法，分别求两种传感器所测得的该点舒适度，通过舒适度随速度的变化曲线可以看出，在低速段，两种传感器所求得舒适度值差别不大，高速段伺服传感器所求得舒适度值小于压电式传感器所求得值，对比结果见图7。
5结论
（1）通过传感器频谱对比可以看出，伺服式加速度传感器有较好的零频响应特性，在低频部分（3Hz-35Hz）两者所测得幅值相差不大，当频率大于35Hz时，伺服传感器所测得结果比压电式传感器所测得结果偏小。
（2）通过舒适性对比可以看出速度较低时，两种传感器所测得结果相差不大，当速度提高时，伺服传感器比压电式加速度传感器所测得值小，这主要是由于速度低时车辆地板振动以低频为主，速度提高时，振动逐渐变为高频信号，而两种传感器对低频信号测量结果相差不大，高频信号伺服传感器测得值较压电式传感器测得值偏小。
后续可以将两种传感器与传感器鉴定试验台标准传感器进行频谱对比，以选出那种类型传感器误差较小，为以后试验传感器选型提供数据支持，更准确的测出高速列车舒适度。
参考文献
[1]胡用生.现代轨道车辆动力学[M].北京：中国铁道出版社，2009.
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[3]International Union of Railways（UIC）& European Committee For Standardization（CEN）.UIC Code 513 for Evaluating Passenger Comfort in Relation to Vibration in Railway Vehicles[Z].Paris：International Union of Railways （UIC） & European Committee For Standardization（CEN），1994.