鐵路貨車制動(dòng)壓力采集與記錄系統(tǒng)

1、傳感器原理及應(yīng)用課題研究課題名稱：鐵路貨車制動(dòng)壓力采集與記錄系統(tǒng) 院 系： 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院 專 業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 姓 名： 金文濤、張樹(shù)偉、李建迎 學(xué) 號(hào)： 08222010、08222028、09222069 教 師： 邱成 鐵路貨車制動(dòng)壓力采集與記錄系統(tǒng) 作者：金文濤、張樹(shù)偉、李建迎摘要：本文針對(duì)機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中制動(dòng)壓力進(jìn)行采集，設(shè)計(jì)了一種以EPCOS(愛(ài)普科斯)C28壓力傳感器和Atmega128L微控制器為核心的列車制動(dòng)采集系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、硬件組成及軟件功能框圖。此系統(tǒng)能對(duì)制動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)分析、故障報(bào)警與排除，從而保證列車安全穩(wěn)定的進(jìn)行制動(dòng)，具有很好的經(jīng)

2、濟(jì)效益和應(yīng)用前景。 關(guān)鍵字：列車，制動(dòng)，精簡(jiǎn)指令集（RISC），GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，模塊電源0引言 系統(tǒng)背景 系統(tǒng)方案框圖 傳感器的選擇 單片機(jī)的選擇和技術(shù)參數(shù) 數(shù)據(jù)處理的選擇 電池的選擇 系統(tǒng)報(bào)價(jià) 總結(jié)1系統(tǒng)背景鐵路貨車是完成鐵路貨物運(yùn)輸任務(wù)的運(yùn)載工具，而制動(dòng)裝置是鐵路貨車的重要組成部分之一，是機(jī)車車輛實(shí)施減速和停車作用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是確保列車運(yùn)行安全的必備裝置。對(duì)現(xiàn)代鐵路而言，制動(dòng)的重要性不僅僅是安全問(wèn)題，制動(dòng)已經(jīng)成為制約列車速度和牽引質(zhì)量進(jìn)一步提高的重要因素。建國(guó) 50 多年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，我國(guó)鐵路制動(dòng)技術(shù)發(fā)展迅速。特別是改革開(kāi)放以來(lái)，為適應(yīng)鐵路快速、重載運(yùn)輸?shù)男枨?，整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)

3、采用了大量的新技術(shù)，并且取得了顯著的成效。發(fā)展快速、重載貨物列車是提高鐵路運(yùn)輸能力的主要措施，其關(guān)鍵取決于轉(zhuǎn)向架和制動(dòng)系統(tǒng)的性能。我國(guó)貨車轉(zhuǎn)向架經(jīng)過(guò)近幾年來(lái)的大力發(fā)展和持續(xù)改進(jìn)，已經(jīng)基本定型，故制動(dòng)技術(shù)成為貨物列車今后發(fā)展的關(guān)鍵。機(jī)車是靠?jī)蓚€(gè)制動(dòng)閥來(lái)完成制動(dòng)的,一個(gè)是單閥,俗稱小閘,是機(jī)車單機(jī)制動(dòng)的,另一個(gè)是自閥,用于整個(gè)列車制動(dòng).平日里車廂里的制動(dòng)閥都保持鎖閉定位,只由司機(jī)在機(jī)車內(nèi)對(duì)列車進(jìn)行制動(dòng)和緩解.所以說(shuō)火車在剎車的時(shí)候是整列都在剎車?；疖嚨闹苿?dòng)靠風(fēng)?；疖嚨娘L(fēng)是靠裝在機(jī)車內(nèi)的空氣壓縮機(jī)來(lái)產(chǎn)生的,貯存在機(jī)車的總風(fēng)缸內(nèi),然后由均衡風(fēng)缸均壓,一般為600KPa,這些風(fēng)由總風(fēng)管傳遞到各個(gè)車廂,總

4、風(fēng)管就在每?jī)晒?jié)車廂連接處,在車鉤的旁邊。當(dāng)火車剎車的時(shí)候,司機(jī)打開(kāi)制動(dòng)閥,風(fēng)就從這根管子里壓到各車廂的制動(dòng)缸里,推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng),活塞是和制動(dòng)的閘瓦連在一起的,所以閘瓦就緊緊地抱住車輪,從而使火車停下來(lái)。先用壓縮空氣將所有制動(dòng)閘瓦頂起，火車就能開(kāi)動(dòng)。需要制動(dòng)時(shí)，司機(jī)只要開(kāi)啟閥門泄氣，全列車的制動(dòng)立即同步進(jìn)行。 而且這樣的反向方式還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，車廂在離開(kāi)機(jī)車的時(shí)候，自然處于制動(dòng)狀態(tài)，不會(huì)溜車?？梢?jiàn)機(jī)車剎車過(guò)程中檢測(cè)車輛的制動(dòng)缸壓力、列車管壓力、副風(fēng)缸壓力成為列車制動(dòng)控制的關(guān)鍵。 系統(tǒng)功能要求以內(nèi)燃機(jī)車為對(duì)象，采集列車剎車中的一些參量。采集的參量包括20節(jié)機(jī)車制動(dòng)缸壓力、列車管壓力、副風(fēng)缸壓力。系統(tǒng)要

5、求在列車高溫及振動(dòng)的環(huán)境下對(duì)各參數(shù)檢測(cè)是誤差不大于1%，采集頻率100Hz,運(yùn)行20小時(shí)后要將記錄的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到地面PC機(jī)進(jìn)行分析。2系統(tǒng)方框圖列車管制動(dòng)缸副風(fēng)缸壓力傳感壓力傳感壓力傳感器隔離整形濾波單片機(jī)Atmega128LGPRS模塊MC55地面終端PC機(jī)等其他設(shè)備RS232第一節(jié)車廂12V電源、電壓轉(zhuǎn)換器第二節(jié)車廂第三節(jié)車廂第四節(jié)車廂第二十節(jié)車廂3傳感器選擇3.1選擇依據(jù)： 1.壓力數(shù)據(jù)范圍:0600KPa 2.精度要求：2.5 3.響應(yīng)速度 4.適當(dāng)?shù)倪^(guò)載能力等3.2選擇傳感器EPCOS(愛(ài)普科斯)C28系列壓力傳感器工作原理：利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成，單晶硅材料在受到力

6、的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電路就可得到正比于力變化的電信號(hào)輸出。當(dāng)力作用于硅晶體時(shí)，晶體的晶格產(chǎn)生變形,使載流子從一個(gè)能谷向另一個(gè)能谷散射,引起載流子的遷移率發(fā)生變化，擾動(dòng)了載流子縱向和橫向的平均量，從而使硅的電阻率發(fā)生變化。這種變化隨晶體的取向不同而異，因此硅的壓阻效應(yīng)與晶體的取向有關(guān)。硅的壓阻效應(yīng)不同于金屬應(yīng)變計(jì)（見(jiàn)電阻應(yīng)變計(jì)），前者電阻隨壓力的變化主要取決于電阻率的變化，后者電阻的變化則主要取決于幾何尺寸的變化（應(yīng)變），而且前者的靈敏度比后者大50100倍。piezoresistors：壓阻silicon：?jiǎn)尉Ч鐳iaphragm:薄膜傳感器結(jié)構(gòu)：這種傳感器采用集成工藝將電阻條集

7、成在單晶硅膜片上,制成硅壓阻芯片,并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內(nèi)，引出電極引線。壓阻式壓力傳感器又稱為固態(tài)壓力傳感器，它不同于粘貼式應(yīng)變計(jì)需通過(guò)彈性敏感元件間接感受外力，而是直接通過(guò)硅膜片感受被測(cè)壓力的。硅膜片的一面是與被測(cè)壓力連通的高壓腔，另一面是與大氣連通的低壓腔。硅膜片一般設(shè)計(jì)成周邊固支的圓形，直徑與厚度比約為2060。在圓形硅膜片(N型)定域擴(kuò)散4條P雜質(zhì)電阻條,并接成全橋，其中兩條位于壓應(yīng)力區(qū)，另兩條處于拉應(yīng)力區(qū)，相對(duì)于膜片中心對(duì)稱。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上擴(kuò)散制作電阻條 ，兩條受拉應(yīng)力的電阻條與另兩條受壓應(yīng)力的電阻條構(gòu)成全橋。 傳感器尺寸圖：Checked

8、 bond area ：安裝區(qū)域；Note1：電阻集成的單晶硅膜片電路圖：X1: Vout-; X2: Vdd-; X3: Vdd-; X4: Vout+; X5: Vdd+; X8:二極管P極 X9:二極管N極相關(guān)技術(shù)指標(biāo)測(cè)量方式表壓量程系列總精度0.2、0.5、1.0級(jí)過(guò)載能力300%破壞壓力4倍滿量程工作溫度-40-140穩(wěn)定性無(wú)故障連續(xù)工作時(shí)間大于5000小時(shí)年穩(wěn)定性0.2%FS防護(hù)等級(jí)IP165被測(cè)介質(zhì)液體、氣體供電5V DC輸出15V溫度漂移小于0.01%PS靈敏度-2.5-1.910(-3) /K遲滯-0.10.1%FS3.3具體選擇：量程選擇：01MPa總 精 度：0.2級(jí)（

9、日雜用品地 區(qū)：廣東省 廣州市發(fā)布時(shí)間：2009-07-03有效期限：一年詳細(xì)內(nèi)容： 詳細(xì)信息 品牌森銳類型儲(chǔ)能用蓄電池電池蓋和排氣拴結(jié)構(gòu)閥控式密閉蓄電池荷電狀態(tài)免維護(hù)蓄電池電壓6（V）不需維護(hù)（無(wú)需充水），無(wú)需均衡充電，用途廣泛使用壽命長(zhǎng)，0.5AH to 24AH可達(dá)5年，33AH to 100AH 可達(dá)10年，100Ah to 3000ah 可達(dá)15年端子采用鍍銀銅片或鉛錫端子或內(nèi)螺紋端子，內(nèi)阻小，輸出功率高完全密封（不滲漏液體，無(wú)酸性氣體溢出）自放電小，可任意方向使用 ，運(yùn)輸方便型號(hào)額定電壓(v)額定外型尺寸約重(約)端子位置容量長(zhǎng)(mm)寬(mm)高(mm)總高(mm)1.75V/

10、單格(Ah)毫米英寸毫米英寸毫米英寸毫米英寸千克英磅SW243563.51807.09732.87702.76702.763.27.05T22SW24406430011.81672.64622.44682.683.16.83T1SW244564.52068.11773.03742.91742.913.27.05T22SW24906930211.89652.561003.941003.944.910.79T22SW241806181696.651455.711857.281857.281124.23T22電源可輸出直流6V直接供給傳感器、單片機(jī)使用，然后再經(jīng)三端集成穩(wěn)壓器LM137分別轉(zhuǎn)換成3.

11、7V供GPRS模塊。經(jīng)計(jì)算選用總?cè)萘繛?.5Ah的SW2435就能夠滿足需要。LM137如下：LM137三端可調(diào)式穩(wěn)壓器輸入電壓：340V輸出電壓：1.232v最?。ㄝ斎胼敵觯?.22V連接和轉(zhuǎn)換電路如圖：圖中最左為25V輸入，最上面的電阻R1=0.1歐姆，正下方為R2=0.1歐姆，R3=2千歐，R4=120歐姆，R5為變阻器最大2千歐姆。在輸出端接電壓表，調(diào)節(jié)R5，就可得到3.7V直流電壓。缺點(diǎn)就是體積較大不易于安裝和攜帶，并且穩(wěn)定性不夠好。7項(xiàng)目報(bào)價(jià)名稱數(shù)目單價(jià)總價(jià)傳感器6080048000隔離整形濾波電路2015300單片機(jī)2015300傳輸設(shè)備2025500電池及相關(guān)調(diào)壓電路2040800合計(jì)24990元8結(jié)論我們所設(shè)計(jì)的這個(gè)鐵路貨車制動(dòng)壓力采集與記錄系統(tǒng)具有很高的可行性和可靠性。我們所選用的壓力傳感器以及其他的電子元件的穩(wěn)定性都相當(dāng)?shù)母?，能夠在?fù)雜的環(huán)境下進(jìn)行正常工作，并且誤差范圍很小，