铁路货车制动压力采集与记录系统

1、传感器原理及应用课题研究课题名称：铁路货车制动压力采集与记录系统 院 系： 机械与电子控制工程学院 专 业： 测控技术与仪器 姓 名： 金文涛、张树伟、李建迎 学 号： 08222010、08222028、09222069 教 师： 邱成 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：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

2、济效益和应用前景。 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

3、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

4、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

5、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系统方框图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Atmega128LGPRS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3传感器选择3.1选择依据： 1.压力数据范围:0600KPa 2.精度要求：2.5 3.响应速度 4.适当的过载能力等3.2选择传感器EPCOS(爱普科斯)C28系列压力传感器工作原理：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

6、的作用后，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50100倍。piezoresistors：压阻silicon：单晶硅Diaphragm:薄膜传感器结构：这种传感器采用集成工艺将电阻条集

7、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2060。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

8、 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极相关技术指标测量方式表压量程系列总精度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15V温度漂移小于0.01%PS灵敏度-2.5-1.910(-3) /K迟滞-0.10.1%FS3.3具体选择：量程选择：01MPa总 精 度：0.2级（

9、日杂用品地 区：广东省 广州市发布时间：2009-07-03有效期限：一年详细内容： 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 ，运输方便型号额定电压(v)额定外型尺寸约重(约)端子位置容量长(mm)宽(mm)高(mm)总高(mm)1.75V/

10、单格(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.

11、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：340V输出电压：1.232v最小（输入输出）：1.22V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进行正常工作，并且误差范围很小，