基于IEPE型加速度傳感器的鋼軌變形監測設計

金天 栗一鳴 孟元成 陳傳虎

摘? 要：保障高鐵的安全運行是維持我國軌道交通鐵路系統高效穩定發展的重要組成部分。本文以高性能振動傳感器作為監測器件，通過監測高鐵運行過程中車輪與鋼軌間應力變化的波形參數，結合軌道路況的改變，來分析非路況變化條件下輪軌間的異常摩擦形成原因，達到維護高鐵安全通行和分擔軌道檢查復雜工作的雙重目的。該設計將協助地面探測設備掌握軌道路況的細微變化，輔助日常軌檢工作高效化進行。

關鍵詞：高鐵軌道? 應力變化監測? 不平順指數? 壓電式傳感器

中圖分類號：G712 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）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

我國鐵路軌道狀況檢查工作復雜而繁重。通常路段平均每月兩次使用軌檢車進行軌道的全區段動態檢查，日常則采用軌旁地面設備進行靜態探測檢查。在實現高效利用軌檢車層面上，我國軌道檢查工作面臨兩方面問題：第一，相比于白天在鋼軌上駛過的數輛高鐵列車車次，軌檢車進行輪軌間應力測試的次數占比較小，測試結果普適性不足;第二，由于軌檢車在每次檢測中所得的輪軌間應力參數特別龐大，對數據進行詳細分析的效率是極低下的[1]。往往會拋棄大量一般性結果，只研究頻譜中維持時間較長的特異性結果，數據利用程度欠缺。

在高鐵列車運行控制系統中，使用各種類型的傳感器探測設備是車載設備里有效保障列車安全平穩運行及列車關鍵部件正常工作的主要測控手段。其中，配置的振動傳感器主要用于防范各車輪所受壓力不平衡、車輪與軌道不密貼或車輪脫軌等重大危險災害。該傳感器并不負責傳輸輪軌間應力變化波形，其本身仍具有開發價值。

1? 高鐵輪軌間應力波形檢測總體設計

1.1 傳感器測量電路

本文選用以壓電陶瓷為敏感元件的IEPE型加速度傳感器EA-192為例，根據傳感器探測所得的輪軌間振動變化參數，EA-192傳感器自動將輪軌間振動的幅值-時間信號轉為電壓信號，并通過電壓放大電路（如圖1），記錄于單片機處理器中以便分析處理。

1.2 信號處理單元模塊

以單片機為核心構件，搭建包含信號濾波、數字化顯示、過電壓報警、干擾信號識別、車—地設備通信多功能一體的信號處理模塊（如圖2）。由此繪制出監測模塊的主體，傳感器電壓信號處理電路（如圖3）。

1.3 過電壓報警電路

鑒于本設計進行聲光報警時，無需立即對報警信息加以處理。故在滿足基本的提醒功能前提下，按照節約材料的原則，設置簡易、低能耗、穩定的聲光報警處理電路（如圖4），僅采用單個的LED發光二極管和揚聲器，達到提醒和指示工作人員的目的。

1.4 車—地無線通信

作為連結車載設備與地面設備之間密切交互的重要手段，車—地無線通信的信號傳輸要求地面設備在接收列車傳來的輪軌間應力變化異常信息時，設備記錄該異常，并在地面設備再次監測高鐵軌道路況后，判斷是否存儲或忽略該異常信號。借此形成以下邏輯框圖（如圖5）。

2? 實驗總結

2.1 硬件選型

目前市面上廣泛采用IEPE型壓電式加速度傳感器來滿足寬頻率振動檢測要求[2]。本設計采用EA-192 IEPE型壓電加速度傳感器（如圖6），其內部結構（如圖7）與一般壓電陶瓷類的加速度傳感器并無不同，但其低噪聲、抗干擾能力較好，特別是耐溫范圍廣泛，在應對檢測高速列車輪軌應力變化的復雜條件上占有優勢。

該傳感器工作在12～24V直流電壓下，輸出最大電壓為5V。對于列車運行控制系統供電壓力的影響微乎其微。不僅兼具體積小、重量輕和密封防水的特點，而且它的適應溫度范圍為-50℃～120℃，在中國各氣候條件下均能無障礙工作[3]。

在軌檢車檢測高鐵軌道過程中，軌道不平順質量指數（TQI）是衡量軌道區段是否存在鋼軌表面變形的主要指標[4]。其測量原理是利用更加精密穩定的加速度傳感器及其配套設備，由探測結果生成不平順指數數據波形，判斷鋼軌質量是否仍然可靠穩固。

使用該傳感器雖無法做到如同軌檢車上精密探測設備的準確程度，但其利用率更高，異常信號分析判斷工作將彌補軌檢車海量探測數據的低效益處理。

2.2 結果分析

本設計從模擬試驗角度，闡述了高鐵軌道存在發生鋼軌變形的可能時，通過高鐵車載加速度傳感器設備可探測出故障位置。真實運行情況下，0.1mm級的鋼軌變形程度，都會使高速運行的高鐵承受重大風險。可預見的，在速度尤其高、質量尤其大的現代高鐵運輸中，鋼軌極細微的變形對于通用加速度傳感器來說，也會測量到非常巨大的異常變化。模擬試驗表明在高鐵上加裝該功能傳感器用于監測高鐵軌道情況有很多益處。

3? 成果展望

目前，以美國諾福克南方鐵路公司（NS）為代表的多家I級鐵路公司一直在試驗性使用無人機遙控檢測鐵路軌道路面狀態，并且已經在一次自然災害侵襲鐵路時通過無人機勘測鐵軌，從而進一步設計了更精確的鐵軌修復計劃，為其應用無人機技術提供了豐厚經驗。我國同樣有優異的無人機機器視覺航測技術，國內許多研究學者也在進行基于無人機的軌道狀態勘測測試，但實際上還未能在鐵路檢測中發揮作用[5-6]。

相比于對鋼軌質量標準要求高得多的高鐵列車所使用的軌道，普通鐵路軌道在軌面發生極小程度偏移或形變時，不會對普通中低速列車的安全運行造成干擾。通過非接觸式的無人機視覺勘測就能滿足評估自然災害或其他破壞因素導致的鐵軌路面損壞情況。然而，我們現在面對的是：對高速鐵路所用的無縫鋼軌進行監測。顯然，憑借無人機的機器視覺分辨能力，無人機勘測軌道的方式在較長一段時間內都難以替代人工駕駛的軌檢車探測軌道參數的檢測方式。

4? 結語

本設計根據得出的初步成果，下一步將收集高鐵運行中實際的輪軌間應力參數。同時借助學校實訓平臺提供的機會，運用相關車載及地面設備，使用傳感器探測設備衡量高鐵所用鋼軌發生微小變形前后的質量指數。尋找該設計的不足，驗證模擬試驗的可實踐性。

參考文獻

[1] 劉瀟瀟.基于軌檢車檢測數據的高速鐵路橋梁豎向動態變形評估分析[D].成都：西南交通大學，2019.

[2] 宋先進，王志.基于IEPE加速度傳感器的振動測試系統研究[J].安徽職業技術學院學報，2019（1）：19-22.

[3] 朱守金，倪江利，孫權海，等.功能陶瓷材料研究進展概述[J].科技創新與應用，2019（23）：89-90.

[4] 楊友濤，劉國祥，劉成龍，等.高速鐵路軌道不平順參數多尺度相關性分析[J].吉林大學學報：工學版，2019（2）：416-425.

[5] 管嶺.基于無人機的軌道交通線路環境實時感知技術研究[D].北京：北京交通大學，2018.

[6] 劉成，任利惠，左建勇.無人機軌道跟蹤控制模型[J].城市軌道交通研究，2018（5）：170-173.

[7] 王占友， 何琳. IEPE型智能加速度傳感器的設計[J]. 艦船電子工程， 2017（5）.