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瞬間測定

機(jī)車承受著巨大的拉伸負(fù)荷和沖擊負(fù)荷。但是，用于測定這些應(yīng)力的傳感器很容易被列車傳動系統(tǒng)中的電機(jī)和轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電磁干擾所影響。為了解決這個問題，西門子開發(fā)了精度達(dá)100微秒的無線傳感器。

無線傳感器不僅易于安裝，維護(hù)要求也很低。安裝在機(jī)車上的無線傳感器可以測定拉伸負(fù)荷和沖擊負(fù)荷。

嬰兒監(jiān)護(hù)器與無線頭戴式耳機(jī)的相同之處是什么？答案當(dāng)然是，它們都是無線裝置。事實(shí)上，我們的生活中處處都有通過無線電信號進(jìn)行通信的裝置，這樣的通信通常是快速、可靠的無損傳輸。當(dāng)今世界無線技術(shù)大行其道，雜亂的電纜漸漸退出歷史舞臺。

然而，并非每個地方都在使用無線數(shù)據(jù)通信。譬如，在機(jī)車中，用于在列車運(yùn)行期間測定拉伸負(fù)荷和沖擊負(fù)荷的傳感器，依然通過線纜連接至*處理器。西門子軌道交通集團(tuán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和計(jì)算部門負(fù)責(zé)人Werner Breuer博士解釋道：“風(fēng)輪機(jī)、汽車和飛機(jī)等也是如此。它們都還在使用硬連線傳感器。”

對于軌道車輛，這帶來了諸多弊端。首先，用線纜將機(jī)車內(nèi)的所有傳感器連接起來，是一項(xiàng)棘手的工作。其次，電機(jī)室里各種裝置產(chǎn)生的電磁干擾，是另一個更為嚴(yán)重的問題。就電磁干擾而言，受諸如電機(jī)和轉(zhuǎn)換器等各種裝置產(chǎn)生的電磁干擾影響，機(jī)車環(huán)境極其“惡劣”。對于硬連線傳感器，這會導(dǎo)致讀取錯誤和數(shù)據(jù)傳輸問題。對此，傳統(tǒng)解決方案是盡可能地沿機(jī)車車身外側(cè)布線。然而，這又引起了別的問題。譬如，線纜*暴露在外，備受風(fēng)吹日曬、風(fēng)霜雨雪的侵蝕。同樣，列車清潔也會對其造成影響。如果將傳感器和線纜布置在機(jī)車下方，則容易被承托路軌枕木的道碴破壞。

換句話說，迫切需要將無線傳感器用于所有軌道車輛?，F(xiàn)代化機(jī)車使用了各式各樣的組件，包括電機(jī)、集電器和用于啟動電阻的步進(jìn)式開關(guān)等，這些與日俱增的組件來自不同制造商。為了保證所有這些組件順利進(jìn)行交互作用，必須對多種不同的機(jī)械負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)測。在行駛中，機(jī)車的走行裝置和上部結(jié)構(gòu)（即車身）會遭受強(qiáng)大的作用力。這些擁有堅(jiān)固設(shè)計(jì)和巨大重量的組件承受了*的應(yīng)力。然而，設(shè)計(jì)要素之一是盡可能減輕重量，以提高機(jī)車的能效和廣泛適用性。因此，至關(guān)重要的是精確監(jiān)測組件所承受的機(jī)械負(fù)荷。只有在確保機(jī)車的靜態(tài)和動態(tài)安全的情況下，工程師才能開始考慮減少用料。

西門子*研究院（CT）高頻解決方案開發(fā)工程師Martin Glanzer說：“我們的目標(biāo)是打造一個可以在機(jī)車運(yùn)行期間監(jiān)測其性能的無線解決方案。”西門子*研究院坐落于慕尼黑，是西門子的核心研究機(jī)構(gòu)。2009年6月發(fā)起的獲得德國聯(lián)邦教育及研究部資助的Akusens計(jì)劃，也以此為目標(biāo)。Akusens計(jì)劃的合作伙伴包括西門子及其他6家企業(yè)。西門子*研究院傳感器技術(shù)項(xiàng)目Hubert Mooshofer博士解釋道：“這是*試驗(yàn)在機(jī)車內(nèi)使用無線傳感器。”

Mooshofer與他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了只有一枚兩歐元硬幣那么大的無線傳感器，它們與手掌大小無線發(fā)射機(jī)連在一起。待順利通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)之后，這些傳感器將在鐵軌上接受實(shí)地考驗(yàn)。在慕尼黑附近的Allach，已經(jīng)利用西門子試驗(yàn)軌道完成了初步試驗(yàn)。在三個月的內(nèi)部試驗(yàn)之后，這些傳感器已經(jīng)做好準(zhǔn)備，可在日常運(yùn)行條件下進(jìn)行試驗(yàn)。zui后選定在鹿特丹與瑞士城市Muttenz之間的一段鐵路上進(jìn)行試驗(yàn)。傳感器在9個月時間內(nèi)對正常運(yùn)行狀態(tài)下的貨車機(jī)車進(jìn)行了監(jiān)測，確保試驗(yàn)是在實(shí)際條件下進(jìn)行的。

提到這輛由西門子提供，輸出功率為6400千瓦，重90公噸的機(jī)車時，Breuer說：“真是一匹好馱馬！”其140公里的zui高時速相對偏低，但這不會對試驗(yàn)造成任何影響。Breuer解釋道：“哪怕是以zui低速度行駛，機(jī)車也會扭轉(zhuǎn)和彎曲。”甚至當(dāng)機(jī)車以步行速度通過一座橋梁或者在進(jìn)站時緩緩經(jīng)過道岔時，也會發(fā)生這種情況。正因如此，研究人員特別渴望測定車身扭轉(zhuǎn)程度。

測定時，傳感器記錄的并非以毫米為單位的實(shí)際扭曲，而是一系列測定點(diǎn)上的加速程度。機(jī)車內(nèi)總共安裝了20個傳感器節(jié)點(diǎn)。通過比對每個傳感器節(jié)點(diǎn)輸出的數(shù)據(jù)，可以繪制出機(jī)車承受的振動和負(fù)荷，進(jìn)而確定各個組件承受的*應(yīng)力。根據(jù)振動數(shù)據(jù)，可以查明扭轉(zhuǎn)對車身和走行裝置的影響。然而，人類憑肉眼是看不到這些變化的，因?yàn)橛纱嗽斐傻慕M件移位僅為幾毫米。

Mooshofer解釋道：“無線傳感器的測定精度與常規(guī)硬連線傳感器不相上下。”這些傳感器必須以高達(dá)100毫秒的精度工作，這樣它們才能化解自身反向運(yùn)動的影響。然而，這些傳感器的*之處不僅在于其高精度。 “另一個非常精巧的特性是，它們都具備*相同的時間戳。”Breuer解釋道。這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)閮H當(dāng)傳感器*在同一時刻執(zhí)行測定時，測得的數(shù)據(jù)才具有可比性。為了確保實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，每個傳感器都配備了自有時鐘發(fā)生器，用于確定其與其他傳感器的同步頻率。兩個讀數(shù)之間哪怕只有一微秒的誤差，也會導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)。

Akusens計(jì)劃已于2012年11月畫上句號。盡管在無線數(shù)據(jù)傳輸方面，還有一些問題尚待解決， 但Breuer表示，“這些傳感器的性能之出色，令我們也頗感驚訝。”譬如，它們甚至能夠在低至零下20攝氏度以及高達(dá)85攝氏度的溫度下，保持可靠、精確地工作。

未來，也將嘗試在其他領(lǐng)域使用這些傳感器。高速列車便是其中一種可能的應(yīng)用。Breuer說：“汽車行業(yè)也對這種傳感器產(chǎn)生了濃厚興趣。”其他潛在應(yīng)用包括，對發(fā)電機(jī)和輪機(jī)進(jìn)行振動監(jiān)測。但是，對于靈敏度足以記錄100噸重的機(jī)車在100毫秒內(nèi)的加速度，并帶有相同時間戳的傳感器而言，這些挑戰(zhàn)不成問題。