一种高速列车空气动力学测试方案的设计

2012-07-14聂锡成陈春俊

中国测试 2012年4期

聂锡成，陈春俊

（西南交通大学机械学院，四川成都 610031）

0 引言

高速列车运行引起的空气动力学效应[1-2]，可通过理论分析及数值模拟仿真计算进行研究[3-4]，还需通过试验对理论分析进行验证[5-6]。高速列车空气动力学测试，主要测量列车在各种工况下运行时，列车车外空气流场、气压分布以及车内外气压变化趋势[7]。

为保证测试的准确性，需要用较小尺寸的气压传感器[8]，在现有的技术条件下，满足尺寸要求的空气压力传感器灵敏度一般为2mV/10V/kPa左右，列车表面气压变化范围一般为相对一个标准大气压±5kPa。常规测试方法会遇到以下问题：（1）若直接对传感器信号进行放大，由于共模输出信号也一并放大，变化信号占比依然较小，且增加放大倍数后信号输出幅值较大，不适用于常规数据采集器；（2）直接测试绝对气压变化不能反应出列车表面相对于车外大气环境的气压值，需消除当地环境大气压值才能得出列车表面气压具体分布情况。因此需要改变测试方法。

1 测试方案总体设计

针对提出的问题，提出改进测试方案，增加信号调理模块，其主要功能是：消除传感器共模输出、信号放大、提升信号基准、滤波。并通过两种方法消除线路气压变化趋势：引入绝压传感器测量线路气压变化趋势和通过线路海拔数据用最小二乘法拟合出线路气压变化趋势。两种方法配合使用，达到消除线路气压变化趋势的目的，最终测得列车表面相对当地环境气压变化值。信号处理流程图如图1所示。

图1 信号处理流程图

1.1 消除共模输出

空气动力学测试目的主要关注气压变化情况，测量共模输出无实用价值；因此，可把共模输出去除，得到传感器输出差分信号，再把差分信号进行放大，消除共模输出的影响。当气压减小时，电压信号输出小于0，负电压信号不能被主流电子原器件识别，可在信号放大后加一个正电压基准；当气压减小时，输出小于设定的正电压值，电压信号仍然为正，电子器件可正常识别。

当气压发生变化时，是在一个大气压基础上发生的变化，对应于传感器输出电压信号，即在一个电压基准上产生变化，表达式为

式中：Pt——测量气压；

P0——静态气压（一个正常大气压）；

ΔPt——动态气压变化。

转换为电压形式有

式中：Ut——测量电压；

U0——静态电压；

ΔUt——动态电压变化。

列车静止时，去除信号共模输出，得到差分信号U=ΔUt，把差分信号放大 K 倍，得 U=K·ΔUt，再把放大的信号增加一个正压基准，即 U=+K·ΔUt，输出零点由0变为。当气压增大时，输出电压大于，反之则小于。

1.2 消除线路气压趋势

对于实车在线测试，线路上大气绝对气压随海拔高度不同而发生变化，须消除线路气压趋势的影响。方法有两种：（1）在列车合适位置安装绝对压力传感器，实时测试线路上环境气压，得到线路气压变化趋势；（2）提前获取线路海拔数据，以公里标为横坐标，海拔引起的气压变化为纵坐标，通过最小二乘法拟合曲线[9-10]，得出线路气压变化趋势。当列车在复杂工况下运行，可把两种方法配合使用。