摘要：传感器被广泛应用于列车测速上，但由于单个传感器自身存在局限性，无法在列车运行的复杂环境中精确测量列车车速，因此需要利用多个传感器冗余设计，优势互补、取长补短从而测得高精准的速度信息，保证列车的安全运行。
关键词：光电传感器，霍尔传感器，多传感器冗余
1研究背景
如今社会经济高速发展，我国高速铁路发展迅猛[1]。列车速度测量的准确性与可靠性影响着整个列车的行车安全。测速不精确可能会导致铁路区间内列车调度的失调，更严重的可能会引发交通事故，造成乘客以及工作人员的人身安全及财产的损失。本文结合光电传感器和霍尔传感器的特性，研究了多传感器信息进行融合的列车测速方法，通过多传感器冗余会弥补单一传感器的缺点，以提高测速的精度和可靠性。
2光电传感器测速原理
光电测速传感器主要由圆盘、光源、光电管构成[2]。它的测速原理是将轮盘固定在所测轮轴上，在轮盘上装有刻度均匀分布的小孔，在轮盘的左右侧分别有光源发射器和光源接收器（光电管），当测速的轮轴旋转时，光源发出的光线会贯穿轮盘上的小孔或被轮盘阻断，有光束照在光电管上会产生脉冲，无光时则不产生脉冲。因此无光和有光的交替在光电管上可以让光信号转换为有规律的电脉冲信号，经过整形后可以输出与转速成正比例关系的脉冲序列，从而实现对速度的测量[3]。
3霍尔传感器测速原理
霍尔速度传感器主要由永磁体、霍尔元件和信号处理电路等组成。永磁体的磁感线穿过霍尔元件到达齿轮，齿轮的旋转运动能够改变通过霍尔元件的磁通量的大小，使得霍尔元件可以输出一个变化的电压信号[4]。霍尔传感器测得的转速为脉冲信号，这种信号较微弱，因此需要经过光电耦合电路将微弱的脉冲信号进行放大。经光电耦合后，霍尔元件输出的脉冲变为单片机计数器的计数脉冲。这样转速可以通过单片机计得脉冲数计算出，从而实现对速度的测量。
4多普勒雷达测速原理
多普勒雷达测速传感器一般安装在列车的底部，工作原理是多普勒频移效应。通过雷达发出无线电信号，无线电信号会在接触轨面后反射回来，这种无线电信号通常为电磁波。当电磁波照射在运动的物体表面电磁波会发生频移现象，而且运动的越快，频谱位移越强。这样根据雷达朝轨面发射和接收的无线电信号就可以计算列车的运行速度。频移与机车运动速度成正比，并且频移信号被放大和整形以形成指定的脉冲数据。送入DSP数字处理系统，最后输出信号供机车速度表使用[5]。
5多传感器冗余测速方法研究
5.1光电和霍尔传感器冗余分析
由于光电测速传感器受环境影响大，不能在震动、油污、粉尘等恶劣环境下工作，同时霍尔测速传感器容易受温度的影响，在列车高速运行时，会导致轮对升温，会导致霍尔传感器产生误差。
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光电和霍尔测速传感器组合方式的优点：在粉尘、油污、温度过高等恶劣环境下可以做到冗余互补，减少环境对传感器产生的影响。但缺点是这两种测速传感器无法识别出列车空转打滑。
5.2光电和霍尔传感器及多普勒雷达测速方法冗余分析
由于光电测速传感器、霍尔测速传感器都是测得轮轴端的转速，因此当列车发生空转打滑时，车轮无法产生有效位移，而此时用光电和霍尔传感器测出的速度值是无法反映列车实际运行速度的。为克服这种情况产生的误差就需要一种不直接测量列车轮轴转速的传感器。而多普勒雷达不受车轮空转打滑的影响，它安装在列车底部，通过接收轨面反射的电磁波来计算速度。所以基于光电和霍尔传感器及多普勒雷达测速冗余方法可以有效的防止车轮空转打滑对速度值的影响。在列车正常运行时，采用光电和霍尔传感器数据融合后的值，当发生空转打滑时，多普勒雷达测量出来的速度与光电和霍尔传感器融合出来的速度大小会有所差距，这样系统可以判断出列车正处于空转打滑，系统应采用多普勒雷达测量出的数据。这种方法的缺点是只能通过速度值对比来判断列车是否发生空转打滑。当发生细微的空转打滑时，速度差值小，可能忽略。
5.3光电和霍尔传感器及加速度计冗余分析
加速度计是一种测量加速度并将这一物理信号转换成电信号的一种装置，在列车发生空转打滑时，加速度大小会发生变化，因此加速度计可以检测出列车空转打滑现象。其方法是加（减）速度检测法。通过比较列车现时刻的速度和t时刻前的列车速度，如果速度差超过设定加速度a时，则可以判定列车出现空转现象。由于此方法中采用的光电和霍尔传感器仍是轴端测速传感器，这样在加速度计判断出列车处于空转滑行状态时，光电和霍尔传感器仍无法测量列车的实际运行速度。因此这种方法只能判断列车是否空转打滑，无法测量打滑时的速度值大小。
5.4光电、霍尔、加速度计传感器及多普勒雷达冗余分析
这种方法所测出的速度值是最精准的，速度信号先由光电和霍尔测速传感器以及多普勒雷达测量融合得出，同时加速度计判断列车是否出现空转打滑，如果没有，则输出融合后的速度值，如果有空转打滑，则要用多普勒雷达来测量此时的速度值。这种方法的造价成本高，但能准确测出列车的速度值。
6小结
本文研究了基于多传感器融合的列车测速方法，通过分析传感器的特性提出了多传感器冗余的几种方法，通过比较得出基于光电和霍尔传感器测速，并采用多普勒雷达和加速度计辅助测速的冗余方法可以准确测量速度信息。
参考文献
[1]徐威.列车提速对铁路信号技术发展推动[J].城市建设理论研究(电子版).2013(4).
[2]周永健.列控车载设备测速测距技术研究[D].北京:中国铁道科学研究院.2016.
[3]吴亮.基于脉冲测速传感器的空转打滑补偿算法研究[J].铁道通信信号工程技术.2016.11:2-3.
[4]孙佳明.基于FPGA的霍尔测速传感器系统[D].镇江:江苏科技大学.2016.
[5]刘智.多普勒测速传感器信号处理算法的研究[D].武汉:华中科技大学.2014.
论文作者:李伟伟
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/12
标签：霍尔论文; 传感器论文; 多普勒论文; 列车论文; 测速论文; 速度论文; 光电论文; 《基层建设》2019年第25期论文;