铁路货车制动压力采集与记录系统

传感器原理及应用传感器原理及应用 课题研究课题研究 课题名称 课题名称 铁路货车制动压力采集与记录系统铁路货车制动压力采集与记录系统 院院 系 系 机械与电子控制工程学院机械与电子控制工程学院 专专 业 业 测控技术与仪器测控技术与仪器 姓姓 名 名 金文涛 张树伟 李建迎金文涛 张树伟 李建迎 学学 号 号 0822201008222010 0822202808222028 0922206909222069 教教 师 师 邱成邱成 铁路货车制动压力采集与记录系统铁路货车制动压力采集与记录系统 作者 金文涛 张树伟 李建迎 摘要摘要 本文针对机车运行过程中制动压力进行采集 设计了一种以 EPCOS 爱普科 斯 C28 压力传感器和 Atmega128L 微控制器为核心的列车制动采集系统 并 给出了系统的总体结构 硬件组成及软件功能框图 此系统能对制动机进行实 时监测 状态分析 故障报警与排除 从而保证列车安全稳定的进行制动 具 有很好的经济效益和应用前景 关键字 关键字 列车 制动 精简指令集 RISC GPRS 无线数据传输 模块电源 0 0 引言引言 系统背景 系统方案框图 传感器的选择 单片机的选择和技术参数 数据处理的选择 电池的选择 系统报价 总结 1 1 系统背景系统背景 铁路货车是完成铁路货物运输任务的运载工具 而制动装置是铁路货车的 重要组成部分之一 是机车车辆实施减速和停车作用的执行机构 是确保列车 运行安全的必备装置 对现代铁路而言 制动的重要性不仅仅是安全问题 制 动已经成为制约列车速度和牵引质量进一步提高的重要因素 建国 50 多年来 随着国民经济的增长 我国铁路制动技术发展迅速 特别是改革开放以来 为 适应铁路快速 重载运输的需求 整个制动系统采用了大量的新技术 并且取 得了显著的成效 发展快速 重载货物列车是提高铁路运输能力的主要措施 其关键取决于转向架和制动系统的性能 我国货车转向架经过近几年来的大力 发展和持续改进 已经基本定型 故制动技术成为货物列车今后发展的关键 机车是靠两个制动阀来完成制动的 一个是单阀 俗称小闸 是机车单机制动 的 另一个是自阀 用于整个列车制动 平日里车厢里的制动阀都保持锁闭定位 只 由司机在机车内对列车进行制动和缓解 所以说火车在刹车的时候是整列都在刹 车 火车的制动靠风 火车的风是靠装在机车内的空气压缩机来产生的 贮存在 机车的总风缸内 然后由均衡风缸均压 一般为 600KPa 这些风由总风管传递到 各个车厢 总风管就在每两节车厢连接处 在车钩的旁边 当火车刹车的时候 司 机打开制动阀 风就从这根管子里压到各车厢的制动缸里 推动活塞运动 活塞是 和制动的闸瓦连在一起的 所以闸瓦就紧紧地抱住车轮 从而使火车停下来 先 用压缩空气将所有制动闸瓦顶起 火车就能开动 需要制动时 司机只要开启 阀门泄气 全列车的制动立即同步进行 而且这样的反向方式还有一个优点 车厢在离开机车的时候 自然处于制动状态 不会溜车 可见机车刹车过程中 检测车辆的制动缸压力 列车管压力 副风缸压力成为列车制动控制的关键 系统功能要求 以内燃机车为对象 采集列车刹车中的一些参量 采集的参量包括 20 节 机车制动缸压力 列车管压力 副风缸压力 系统要求在列车高温及振动的环 境下对各参数检测是误差不大于 1 采集频率 100Hz 运行 20 小时后要将记 录的数据转到地面 PC 机进行分析 2 2 系统方框图系统方框图 3 3 传感器选择传感器选择 3 13 1 选择依据 选择依据 1 压力数据范围 0 600KPa 2 精度要求 2 5 3 响应速度 4 适当的过载能力等 3 23 2 选择传感器选择传感器 EPCOS EPCOS 爱普科斯爱普科斯 C28 C28 系列压力传感器系列压力传感器 工作原理 工作原理 利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成 单晶硅材料在受到力的 列车管 制动缸 副风缸压力传感 压力传感 压力传感 器 隔 离 整 形 滤 波 单 片 机 At me ga1 28 L GPRS 模块 MC55 地 面 终 端 PC 机 等 其 他 设 备 RS232 第一节车厢 12V 电源 电 压转换器 第二节车厢 第三节车厢 第四节车厢 第二十节车厢 作用后 电阻率发生变化 通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出 当力作用于硅晶体时 晶体的晶格产生变形 使载流子从一个能谷向另一个能谷 散射 引起载流子的迁移率发生变化 扰动了载流子纵向和横向的平均量 从而 使硅的电阻率发生变化 这种变化随晶体的取向不同而异 因此硅的压阻效应 与晶体的取向有关 硅的压阻效应不同于金属应变计 见电阻应变计 前者电 阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化 后者电阻的变化则主要取决于几何 尺寸的变化 应变 而且前者的灵敏度比后者大 50 100 倍 piezoresistors 压阻 silicon 单晶硅 Diaphragm 薄膜 传感器结构 传感器结构 这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上 制成硅压阻芯片 并将此芯片的周边固定封装于外壳之内 引出电极引线 压阻式压力传感器又 称为固态压力传感器 它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外 力 而是直接通过硅膜片感受被测压力的 硅膜片的一面是与被测压力连通的 高压腔 另一面是与大气连通的低压腔 硅膜片一般设计成周边固支的圆形 直径与厚度比约为 20 60 在圆形硅膜片 N 型 定域扩散 4 条 P 杂质电阻条 并接成全桥 其中两条位于压应力区 另两条处于拉应力区 相对于膜片中心 对称 硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条 两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥 传感器尺寸图 Checked bond area 安装区域 Note1 电阻集成的单 晶硅膜片 电路图 X1 Vout X2 Vdd X3 Vdd X4 Vout X5 Vdd X8 二极管 P 极 X9 二极管 N 极 相关技术指标相关技术指标 测量方式表压 量程系列 0 0 16MP 1MP 2 5MP 总精度0 2 0 5 1 0 级 过载能力 300 破坏压力4 倍满量程 工作温度 40 140 稳定性无故障连续工作时间大于 5000 小时 年稳定性 0 2 FS 防护等级 IP165 被测介质液体 气体 供电 5V DC 输出 1 5V 温度漂移小于 0 01 PS 灵敏度 2 5 1 9 10 3 K 迟滞 0 1 0 1 FS 3 33 3 具体选择 具体选择 量程选择 0 1MPa 总 精 度 0 2 级 日杂用品 地地 区 区 广东省 广州市 发布时发布时 间 间 2009 07 03 有效期有效期 限 限 一年 详细内容 详细内容 详细信息 品牌森锐类型储能用蓄电池 电池盖和排气拴结构阀控式密闭蓄电池荷电状态免维护蓄电池 电压6 V 不需维护 无需充水 无需均衡充电 用途广泛 使用寿命长 0 5AH to 24AH 可达 5 年 33AH to 100AH 可达 10 年 100Ah to 3000ah 可达 15 年 端子采用镀银铜片或铅锡端子或内螺纹端子 内阻小 输出功率高 完全密封 不渗漏液体 无酸性气体溢出 自放电小 可任意方向使用 运输方便 额 端 容量长 mm 宽 mm 高 mm 总高 mm 定 电 压 v 1 75V 单格 Ah 毫 米 英寸 毫 米 英 寸 毫 米 英 寸 毫 米 英 寸 千 克 英磅 子 位 置 SW243563 5180 7 09 732 87 702 76 702 763 2 7 05T22 SW24406430011 81 672 64 622 44 682 683 1 6 83T1 SW244564 5206 8 11 773 03 742 91 742 913 2 7 05T22 SW24906930211 89 652 561003 941003 944 910 79T22 SW24180 618169 6 651455 711857 281857 28 1124 23T22 电源可输出直流 6V 直接供给传感器 单片机使用 然后再经三端集成稳压器 LM137 分别转换成 3 7V 供 GPRS 模块 经计算选用总容量为 3 5Ah 的 SW2435 就能够满足需要 LM137 如下 LM137 三端可调式稳压器 输入电压 3 40V 输出电压 1 2 32v 最小 输入 输出 1 2 2V 连接和转换电路如图 图中最左为 25V 输入 最上面的电阻 R1 0 1 欧姆 正下方为 R2 0 1 欧姆 R3 2 千欧 R4 120 欧姆 R5 为变阻器最大 2 千欧姆 在输出端接电 压表 调节 R5 就可得到 3 7V 直流电压 缺点就是体积较大不易于安装和携带 并且稳定性不够好 7 7 项目报价项目报价 名称数目单价总价 传感器 6080048000 隔离整形滤波电路 2015300 单片机 2015300 传输设备 2025500 电池及相关调压电路 2040800 合计 24990 元 8 8 结论结论 我们所设计的这个铁路货车制动压力采集与记录系统具有很高的可行 性和可靠性 我们所选用的压力传感器以及其他的电子元件的稳定性都相 当的高 能够在复杂的环境下