电位器式传感器测量触线抬升量

在电气化铁路中，接触网导线与受电弓之间的可靠接触，是保证电力机车良好受流的重要条件。在电力机车运行中，其受电弓的抬升力对接触悬挂产生机械作用，使接触线升高，并产生振动。接触线位移抬升量的数值与接触悬挂的结构、弹性以及受电弓在跨距内的位置有关。因此，通过实际测量，获得机车高速运行时接触线典型位置的位移抬升量数值及振动特性，对高速受流稳定性的研究和最佳弓网参数的选择具有重要意义。

1.实验目的

①掌握电位器式位移传感器的结构、工作原理及使用方法。

②分析电位器式位移传感器线性不均匀及产生滞后误差的原因。

③了解用电位器式位移传感器测量接触线位移抬升量的方法。

2.实验原理

1）电位器式位移传感器

图11.1所示为电位器式位移传感器的外形，图11.2是其接插头的结构。

图11.1　电位器式位移传感器的外形

图11.2　电位器式位移传感器的接插头结构

电位器式位移传感器的接插头是四芯航空插头，1端和3端是固定端，通过它们输入传感器的工作电压；4端是空端头；2端是滑动端，作为传感器信号输出端。其等效端头如图11.3所示。

图11.3　电位器式位移传感器的等效端头

电位器式位移传感器的内部结构如图11.4所示，多股细钢丝绕成的钢丝绳绕在内轴上，钢丝绳的一端固定在内轴的C点处，另一端接外加位移量，内轴通过联轴器与电位器和簧条片相连。当外力拉伸钢丝绳产生位移时，钢丝绳由其固定点C端带动内轴转动，簧条被拉紧，角位移电位器经联轴器产生相应的转动，其阻值发生相应变化。当在电位器两固定端加上电压后，其滑动端就有相应的电压输出，且与外加位移量成比例。当外力撤除后，钢丝绳在簧条片回复力作用下恢复到初始位置。

图11.4　电位器式位移传感器的内部结构

传感器的输出信号电压为

式中　a——角位移电位器的旋转角度；

amax——角位移电位器的最大旋转角度；

x——传感器钢丝绳的拉伸长度；

xmax——传感器钢丝绳的最大拉伸长度；

Umax——传感器的最大输出电压范围，即满量程输出。若工作电压为－5～+5 V，一般Umax＝10 V。

2）接触线位移抬升量的测量方法

在电气化铁路中，对于通常的接触线，在机车通过时的振动频率都在60 Hz以下，因此，这种电位器式位移传感器的响应频率（fmax＝100 Hz）满足测量要求。

实际的接触网结构及传感器的安装位置、固定方法如图11.5所示。为测量接触线在156#～157#支柱（跨距L＝50 m）内典型位置的振动位移抬升量，将电位器式位移传感器分别安装在跨中（L/2＝25 m）、1/4跨（L/4＝12.5 m及37.5 m）和定位点（L＝0 m及50 m）的位置。

图11.5　接触网结构以及传感器的安装位置和固定方法

156#和157#是原有的定位支柱，1#、2#和3#是为实验增设的支柱。传感器则通过定位支柱和增设支柱的横腕臂固定在接触线的正上方，保证列车通过时，传感器相对地面不振动。传感器的钢丝绳用接触网专用吊弦线夹固定在接触线上，并经调整工作在其线性区域。当列车经过这段接触网时，机车受电弓的抬升力对接触线产生机械作用，使接触线发生振动。安装在跨距内典型位置的电位器式位移传感器，将各点的振动位移情况分别转换为相应的电信号输出。

3）接触网导线模拟实验架(www.xing528.com)

图11.6所示为实验设计的接触网模拟实验架，它由支撑杆、模拟承力索、吊悬及模拟接触线等几部分组成。

图11.6　接触网模拟实验架

3.实验仪器及材料

①接触网模拟实验架

②电位器式位移传感器

③稳压电源（DHl718-4型）

④万用表（DT9208）

⑤示波器（40 MHz）

⑥弹簧秤（10 kg量程）

⑦导线若干

⑧电烙铁及焊锡等

⑨卷尺（精度1 mm）

⑩X-Y记录仪

4.实验内容及步骤

①用万用表的欧姆挡测量传感器接插头的各连接端子，根据测量结果判断端子属性，并正确连线（工作电压－5～＋5 V）。

②上下拉伸位移传感器的钢丝绳，用示波器观察输出信号的变化情况。

③拉伸传感器的钢丝绳，先逐渐拉伸至最大，再慢慢收缩回至最小，记录拉伸长度和对应的输出电压值，将实验结果填入表11.1中。

表11.1　实验结果（Ⅰ）

④根据实验数据绘出传感器的输入-输出特性曲线，计算其灵敏度，找到传感器的线性中点及线性工作区。

⑤在接触网模拟实验架上固定、安装传感器，并根据其线性中点和线性工作区调整钢丝绳的拉伸长度。

⑥用弹簧秤向下拉伸和向上抬升模拟接触线，记录拉伸（抬升）力和对应的输出电压，填入表11.2中，并绘出其关系曲线。

表11.2　实验结果（Ⅱ）

⑦用手给导线加载，再突然松开，用X-Y记录仪记录下这一过程的输出电压的波形，并说明此波形的含义。

5.实验报告要求

①简述电位器式位移传感器的结构和工作原理。

②根据表11.1的数据结果计算传感器的滞后误差，并说明产生滞后误差的原因。

③根据表11.1的数据结果确定传感器的拟合直线，并说明产生线性不均匀的原因。

④比较表11.2和表11.1的结果，并说明原因。

⑤回答实验步骤⑦的问题。