基于IEPE型加速度传感器的钢轨变形监测设计
作者：金天 栗一鸣 孟元成 陈传虎 来源：《科技创新导报》2024年第21期
摘 要：保障高铁的安全运行是维持我国轨道交通铁路系统高效稳定发展的重要组成部分。本文以高性能振动传感器作为监测器件，通过监测高铁运行过程中车轮与钢轨间应力变化的波形参数，结合轨道路况的改变，来分析非路况变化条件下轮轨间的异常摩擦形成原因，达到维护高铁安全通行和分担轨道检查复杂工作的双重目的。该设计将协助地面探测设备掌握轨道路况的细微变化，辅助日常轨检工作高效化进行。
关键词：高铁轨道 应力变化监测 不平顺指数 压电式传感器
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2024）07（c）-0070-03 Abstract： To ensure the safe operation of high-speed railway is an important part of maintaining the efficient and stable development of China's rail transit railway system. In this paper， the high-performance vibration sensor is used as the monitor， through monitoring the wave parameters of the stress changes between the wheel and rail during the operation of high-speed rail， combined with the changes of the track conditions， to analyze the causes of abnormal friction between the wheel and rail under the conditions of non-road conditions， so as to achieve the dual purpose of maintaining the safe passage of high-speed rail and sharing the complex work of track inspection. The design will assist the ground detection equipment to master the subtle changes of track conditions， and assist the daily track inspection work to be carried out efficiently.
Key Words： High speed rail; Stress change monitoring; Irregularity index; Piezoelectric sensor 我国铁路轨道状况检查工作复杂而繁重。通常路段平均每月两次使用轨检车进行轨道的全区段动态检查，日常则采用轨旁地面设备进行静态探测检查。在实现高效利用轨检车层面上，我国轨道检查工作面临两方面问题：第一，相比于白天在钢轨上驶过的数辆高铁列车车次，轨检车进行轮轨间应力测试的次数占比较小，测试结果普适性不足;第二，由于轨检车在每次检测中所得的轮轨间应力参数特别庞大，对数据进行详细分析的效率是极低下的[1]。往往会抛弃大量一般性结果，只研究频谱中维持时间较长的特异性结果，数据利用程度欠缺。 在高铁列车运行控制系统中，使用各种类型的传感器探测设备是车载设备里有效保障列车安全平稳运行及列车关键部件正常工作的主要测控手段。其中，配置的振动传感器主要用于防范各车轮所受压力不平衡、车轮与轨道不密贴或车轮脱轨等重大危险灾害。该传感器并不负责传输轮轨间应力变化波形，其本身仍具有开发价值。 1 高铁轮轨间应力波形检测总体设计 1.1 传感器测量电路
本文选用以压电陶瓷为敏感元件的IEPE型加速度传感器EA-192为例，根据传感器探测所得的轮轨间振动变化参数，EA-192传感器自动将轮轨间振动的幅值-时间信号转为电压信号，并通过电压放大电路（如图1），记录于单片机处理器中以便分析处理。 1.2 信号处理单元模块
以单片机为核心构件，搭建包含信号滤波、数字化显示、过电压报警、干扰信号识别、车—地设备通信多功能一体的信号处理模块（如图2）。由此绘制出监测模块的主体，传感器电压信号处理电路（如图3）。 1.3 过电压报警电路
鉴于本设计进行声光报警时，无需立即对报警信息加以处理。故在满足基本的提醒功能前提下，按照节约材料的原则，设置简易、低能耗、稳定的声光报警处理电路（如图4），仅采用单个的LED发光二极管和扬声器，达到提醒和指示工作人员的目的。 1.4 车—地无线通信
作为连结车载设备与地面设备之间密切交互的重要手段，车—地无线通信的信号传输要求地面设备在接收列车传来的轮轨间应力变化异常信息时，设备记录该异常，并在地面设备再次监测高铁轨道路况后，判断是否存储或忽略该异常信号。借此形成以下逻辑框图（如图5）。 2 实验总结 2.1 硬件选型
目前市面上广泛采用IEPE型压电式加速度传感器来满足宽频率振动检测要求[2]。本设计采用EA-192 IEPE型压电加速度传感器（如图6），其内部结构（如图7）与一般压电陶瓷类的加速度传感器并无不同，但其低噪声、抗干扰能力較好，特别是耐温范围广泛，在应对检测高速列车轮轨应力变化的复杂条件上占有优势。
该传感器工作在12～24V直流电压下，输出最大电压为5V。对于列车运行控制系统供电压力的影响微乎其微。不仅兼具体积小、重量轻和密封防水的特点，而且它的适应温度范围为-50℃～120℃，在中国各气候条件下均能无障碍工作[3]。
在轨检车检测高铁轨道过程中，轨道不平顺质量指数（TQI）是衡量轨道区段是否存在钢轨表面变形的主要指标[4]。其测量原理是利用更加精密稳定的加速度传感器及其配套设备，由探测结果生成不平顺指数数据波形，判断钢轨质量是否仍然可靠稳固。
基于IEPE型加速度传感器的钢轨变形监测设计
