鐵路貨車制動壓力采集與記錄系統(tǒng)

1、傳感器原理及應用課題研究課題名稱：鐵路貨車制動壓力采集與記錄系統(tǒng) 院 系： 機械與電子控制工程學院 專 業(yè)： 測控技術與儀器 姓 名： 金文濤、張樹偉、李建迎 學 號： 08222010、08222028、09222069 教 師： 邱成 鐵路貨車制動壓力采集與記錄系統(tǒng) 作者：金文濤、張樹偉、李建迎摘要：本文針對機車運行過程中制動壓力進行采集，設計了一種以EPCOS(愛普科斯)C28壓力傳感器和Atmega128L微控制器為核心的列車制動采集系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的總體結構、硬件組成及軟件功能框圖。此系統(tǒng)能對制動機進行實時監(jiān)測、狀態(tài)分析、故障報警與排除，從而保證列車安全穩(wěn)定的進行制動，具有很好的經(jīng)

2、濟效益和應用前景。 關鍵字：列車，制動，精簡指令集（RISC），GPRS無線數(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 單片機的選擇和技術參數(shù) 數(shù)據(jù)處理的選擇 電池的選擇 系統(tǒng)報價 總結1系統(tǒng)背景鐵路貨車是完成鐵路貨物運輸任務的運載工具，而制動裝置是鐵路貨車的重要組成部分之一，是機車車輛實施減速和停車作用的執(zhí)行機構，是確保列車運行安全的必備裝置。對現(xiàn)代鐵路而言，制動的重要性不僅僅是安全問題，制動已經(jīng)成為制約列車速度和牽引質(zhì)量進一步提高的重要因素。建國 50 多年來，隨著國民經(jīng)濟的增長，我國鐵路制動技術發(fā)展迅速。特別是改革開放以來，為適應鐵路快速、重載運輸?shù)男枨螅麄€制動系統(tǒng)

3、采用了大量的新技術，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輸能力的主要措施，其關鍵取決于轉向架和制動系統(tǒng)的性能。我國貨車轉向架經(jīng)過近幾年來的大力發(fā)展和持續(xù)改進，已經(jīng)基本定型，故制動技術成為貨物列車今后發(fā)展的關鍵。機車是靠兩個制動閥來完成制動的,一個是單閥,俗稱小閘,是機車單機制動的,另一個是自閥,用于整個列車制動.平日里車廂里的制動閥都保持鎖閉定位,只由司機在機車內(nèi)對列車進行制動和緩解.所以說火車在剎車的時候是整列都在剎車。火車的制動靠風?；疖嚨娘L是靠裝在機車內(nèi)的空氣壓縮機來產(chǎn)生的,貯存在機車的總風缸內(nèi),然后由均衡風缸均壓,一般為600KPa,這些風由總風管傳遞到各個車廂,總

4、風管就在每兩節(jié)車廂連接處,在車鉤的旁邊。當火車剎車的時候,司機打開制動閥,風就從這根管子里壓到各車廂的制動缸里,推動活塞運動,活塞是和制動的閘瓦連在一起的,所以閘瓦就緊緊地抱住車輪,從而使火車停下來。先用壓縮空氣將所有制動閘瓦頂起，火車就能開動。需要制動時，司機只要開啟閥門泄氣，全列車的制動立即同步進行。 而且這樣的反向方式還有一個優(yōu)點，車廂在離開機車的時候，自然處于制動狀態(tài)，不會溜車。可見機車剎車過程中檢測車輛的制動缸壓力、列車管壓力、副風缸壓力成為列車制動控制的關鍵。 系統(tǒng)功能要求以內(nèi)燃機車為對象，采集列車剎車中的一些參量。采集的參量包括20節(jié)機車制動缸壓力、列車管壓力、副風缸壓力。系統(tǒng)要

5、求在列車高溫及振動的環(huán)境下對各參數(shù)檢測是誤差不大于1%，采集頻率100Hz,運行20小時后要將記錄的數(shù)據(jù)轉到地面PC機進行分析。2系統(tǒng)方框圖列車管制動缸副風缸壓力傳感壓力傳感壓力傳感器隔離整形濾波單片機Atmega128LGPRS模塊MC55地面終端PC機等其他設備RS232第一節(jié)車廂12V電源、電壓轉換器第二節(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.響應速度 4.適當?shù)倪^載能力等3.2選擇傳感器EPCOS(愛普科斯)C28系列壓力傳感器工作原理：利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術制成，單晶硅材料在受到力

6、的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。當力作用于硅晶體時，晶體的晶格產(chǎn)生變形,使載流子從一個能谷向另一個能谷散射,引起載流子的遷移率發(fā)生變化，擾動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，因此硅的壓阻效應與晶體的取向有關。硅的壓阻效應不同于金屬應變計（見電阻應變計），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（應變），而且前者的靈敏度比后者大50100倍。piezoresistors：壓阻silicon：單晶硅Diaphragm:薄膜傳感器結構：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，它不同于粘貼式應變計需通過彈性敏感元件間接感受外力，而是直接通過硅膜片感受被測壓力的。硅膜片的一面是與被測壓力連通的高壓腔，另一面是與大氣連通的低壓腔。硅膜片一般設計成周邊固支的圓形，直徑與厚度比約為2060。在圓形硅膜片(N型)定域擴散4條P雜質(zhì)電阻條,并接成全橋，其中兩條位于壓應力區(qū)，另兩條處于拉應力區(qū)，相對于膜片中心對稱。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上擴散制作電阻條 ，兩條受拉應力的電阻條與另兩條受壓應力的電阻條構成全橋。 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極相關技術指標測量方式表壓量程系列總精度0.2、0.5、1.0級過載能力300%破壞壓力4倍滿量程工作溫度-40-140穩(wěn)定性無故障連續(xù)工作時間大于5000小時年穩(wěn)定性0.2%FS防護等級IP165被測介質(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（

9、日雜用品地 區(qū)：廣東省 廣州市發(fā)布時間：2009-07-03有效期限：一年詳細內(nèi)容： 詳細信息 品牌森銳類型儲能用蓄電池電池蓋和排氣拴結構閥控式密閉蓄電池荷電狀態(tài)免維護蓄電池電壓6（V）不需維護（無需充水），無需均衡充電，用途廣泛使用壽命長，0.5AH to 24AH可達5年，33AH to 100AH 可達10年，100Ah to 3000ah 可達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，無酸性氣體溢出）自放電小，可任意方向使用 ，運輸方便型號額定電壓(v)額定外型尺寸約重(約)端子位置容量長(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、單片機使用，然后再經(jīng)三端集成穩(wěn)壓器LM137分別轉換成3.

11、7V供GPRS模塊。經(jīng)計算選用總容量為3.5Ah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項目報價名稱數(shù)目單價總價傳感器6080048000隔離整形濾波電路2015300單片機2015300傳輸設備2025500電池及相關調(diào)壓電路2040800合計24990元8結論我們所設計的這個鐵路貨車制動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?shù)母?，能夠在復雜的環(huán)境下進行正常工作，并且誤差范圍很小，