传感器专题(铁路货车制动压力系统设计)

铁路货车制动压力采集与记录系统设计学院：机械与电子控制工程学院专业：测控技术与仪器班级：测控1003班组长：聂长万组员：孙嘉庆魏凌超李晓峥葛迎彬日期：2012年9月28日——2012年10月5日传感器课程设计论文1/15目录摘要，关键词，引言···································21.铁路货车制动系统简介·······························22.系统设计要求·······································33.系统方案框图·······································34.传感器选型·········································45.调理电路设计·······································66.数据记录及转存储方式·······························77.A/D芯片选择····································98.系统电源选择······································12总结················································14参考文献············································15传感器课程设计论文2/15铁路货车制动压力采集与记录系统设计摘要：本文介绍了基于HM30微差压/风压变送器的铁路货车制动压力采集与记录系统的设计方案；该方案利用采集频率为100Hz的传感器采集并记录20节货车车辆的制动缸压力、列车管压力、副风缸压力，运行20h后将记录的数据转到地面的PC机进行分析；详细介绍系统的设计方案，系统方案框图，传感器选型，调理电路设计、A/D芯片选择，数据记录及转存储方式，以及系统电源的选择。关键词：铁路货车制动压力数据采集数据记录压力传感器引言：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。铁路货车紧急制动系统对于货车的安全来说是很重要的一部分，紧急制动系统的失灵很可能导致整辆货车的失控，最后导致无法预见的后果。为了能够了解货车紧急制动系统的状态并针对其进行制动系统的调整，我们提出了铁路货车制动压力采集与记录系统设计的实验方案，利用传感器技术对20节货车车辆的制动缸压力、列车管压力、副风缸压力进行采集记录，以保证货车紧急制动系统的安全。对于此系统的设计，我们需要考虑制动系统电源的解决、数据容量的大小以及数据存储方式以及数据转存储方式等问题。1.铁路货车制动系统简介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,风就从这根管子传感器课程设计论文3/15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。货车的制动系统采用的是空气制动。空气制动机的部件，一部分装在机车上，另一部分装在车辆上。机车上的设备：空气压缩机、总风缸、制动阀等。空气压缩机产生的压缩空气贮存在总风缸内。列车中的车辆的制动与缓解作用，由机车司机操纵制动阀来实现。车辆上的设备：（以GK型制动机为列）制动主管、折角塞门、制动支管、截断塞门、远心集尘器、三通法、副风缸、降压风缸、空重车调整装置、制动缸、闸瓦。制动主管：安装在车底架下面，它贯通全车，是传递压缩空气的管路。截断塞门：安装在制动支管上，用以开通或截断制动支管的空气通路。它平时总在开放位置。当车辆上所装的货物按规定应停止制动机的使用；当制动机发生故障时，将它关闭，停止车辆的制动机的作用。远心集尘器：利用离心力的作用，将压缩空气中的灰尘、水分、铁锈等杂质，沉淀于集尘器的下部，以免进入三通阀等机件。三通阀：是车辆制动机中最重要的部件。它连接自动支管、副风缸和制动缸，用来控制压缩空气的通路，使制动机起制动或缓解的作用。副风缸：是贮存压缩空气的地方，制动是利用三通阀的作用将压缩空气送入制动缸起制动作用。制动缸：当压缩空气进入制动缸后，推动制动缸鞲鞴，将空气的压力变成机械推力，然后通过制动杠杆后闸瓦紧抱车轮起制动作用。2.系统设计要求我们的设计要求是，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，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。3.系统方案框图列车制动缸列车管副风缸压力传感器信号调理电路A/D转换电路数据存储器PC机发送定时信号传感器课程设计论文4/154.传感器选型根据工作环境要求耐高温，抗冲击，抗干扰性能都较好的传感器，所以我们选择的是Model266微差压传感器。Model266微差压传感器：◆量程：0～50kpa/0～500kpa0～±25kpa/0～±250kpa◆介质：适用于空气或非导电气体Setra的Model266压力传感器检测差压或表压压力，并把这个压差转换为成比例的电输出。Model266具有0-5VDC，0-10VD或4～20MA的高电平输出，用于楼宇能源管理系统，这种传感器能够测量楼宇增压和空气流动控制所需要的精确压力和流量。Model266系列压力传感器可提供低至0～±50kpa高至0～500kpa的量程。静态精度在常温下为1%Fs，温度补偿范围是-18～+65℃，在温度补偿范围外的热漂移小于+0.06%FS/℃。Model266采用不锈钢氩弧焊敏感元件。张力不锈钢膜片和一个固定电极构成一个可变电容。正压使膜片向电极移动电容值增大，减小压力。膜片则远离固定电极。电容的这种变化通过Setra独特的电子电路检测并转变为线性直流信号。氩弧焊张力敏感元件允许在任何方向有69kpa的过压而不损坏，另外敏感元件的部分具有良好的热匹配系数。改善了传感器的温度特性玫长期稳定性。应用暖通空调（HVAC）能源管事系统VAV及风扇控制环境污染控制静态管路和洁净间压力烟雾罩控制烘箱增压及炉通风控制优点24VDC和24VAC激励0～5V,0～10V及4～20MA高电平模拟输出与所有的能源管理系统兼容误接线全保护内部调整电路允许使用非稳压电源1%的精度提高了VAV系统的性能阻燃外壳（UL94V-0认证）符CE标准压力范围量程表单向双向传感器课程设计论文5/150～5kpa0～±2.5kpa0～10kpa0～±5kpa0～25kpa0～±10kpa0～50kpa0～±25kpa0～100kpa0～±50kpa0～250kpa0～±100kpa0～500kpa0～±250kpa性能参数Model266性能规范精度（恒温下）±1.0%FS非线性（最佳拟合直线）±0.98%FS迟滞0.10%FS非重复性0.05%FS温度影响＊补偿范围-18～+65℃（0～+150°F）零点/满程偏移%FS/℃（°F）±0.06（±0.033）最大线性压力69kpa过载能力量程过载能力25kPa140kPa25kPa～625kPa350kPa625kPa690kPa预热漂移±1.0%FS安装位置影响范围零点偏移（%FS/G）0～250Pa0～1.3kPa0～7.5kPa0.600.140.06为非线性、迟滞、非重复性的RSS值（方和根）产品在21℃进行标定，最大温度影响误差从此数据得来产品在工厂标定时将膜片垂直放置，处于0g影响温度工作温度-18～65°C存放温度-40～85°C工作温度限制仅对电子器件而言，压力介质温度可以更高或更低机械参数壳体填充防火玻璃的聚酯（UL94V-0认证）电气连接螺丝接线柱压力连接6.2mm重量150g（5.3盎司）电气数据（电压输出型）电路3线（EXC，OUT，COM）激励/输出12-30VDC/VAC/0～10VDC＊＊9-30VDC/VAC/0～5VDC＊＊传感器课程设计论文6/15零压时的双向输出2.5VDC（±50mV）输出阻抗100Ω采用50kΩ负载进行标定，可在负载≥50kΩ时工作零点输出：厂家设定在±50mV（可选±25mV）满量程输出：厂家设定在±50mV（可选±25mV）电气数据（电流输出型）电路2线输出4-20mA零压时的双向输出12mA电气负载0～800Ω最小供电电压（VDC）9+0.02×（接收器附加导线电阻）最大供电电压（VDC）30+0.004×（接收器附加导线电阻）压力介质用于空气或类似的非导电气体工厂标定时采用250Ω负载，24VDC电源零点输出：厂家设定在±0.16MA（可选±0.08MA）满量程输出：厂家设定在±0.16MA（可选±0.08MA）5.调理电路设计电路图如图所示（图中只以一路传感器输出信号为例，未画出多路开关CD4051）。传感器课程设计论文7/15信号经高精度压力传感器MPX2100DP变为电信号，通过CMOS型8选1多路开关CD4051选择之后，再送入放大电路，进行调理后输出到A/D模块ICL7135进行高精度模数转换。MPX2100DP的供电电压取为8V，它的满量程输出x由下式确定：x=40mV×8V/10V=32mV（1）对于电压输出逻辑电平定为5V，显然32mV的电压要进行适当的放大。放大器采用MC33274四运算放大器，它组成一个仪表放大电路，具有高差模增益和高共模抑制比，输入阻抗高，可调节偏置电路。差模放大主要由U1A完成，U1B为电压跟随器，用来防止运放的反馈电流流入传感器的负端。零压力时，传感器的2和4端之间的电压差为零。设2端和4端的共模电压各为4V（传感器电源电压的一半），则U1A的端电压也是4V，该电压经U1C和U1D电路使其输出为零。输出端的零压力偏置由R4和RP1引入。R7值的选择从13端看过去的阻抗约为1kW，放大器的增益为：选择125的增益使传感器满量程输出摆幅32mV可放大到125×0.032=4V（为电源电压的一半）。6.数据记录及转存储方式CC430F6137特点真正的系统芯片（SOC）为低功耗无线通信应用宽电源电压范围：1.8V至3.6V超低功耗：CPU活动模式（AM）：160μA/MHz的待机模式（LPM3RTC模式）：2.0μA关闭模式（RAM保持LPM4）：1.0μA15毫安，为250kbps，915兆赫无线电接收：MSP430™系统及周边设备传感器课程设计论文8/1516位RISC架构，扩展内存，高达20MHz的系统时钟从待机模式，在不到6微秒唤醒灵活的电源管理系统的SVS及掉电FLL的统一时钟系统16位定时器TA0，五捕捉定时器A/比较寄存器的16位定时器TA1，定时器A与3路捕获/比较寄存器硬件实时时钟两个通用串行通信接口USCI_A0支持UART，红外线，SPIUSCI_B0支持I2C，SPI12位A/D转换器，具有内部参考，采样和保持，并自动扫描功能（只CC430F613x和CC430F513x）比较参数变化C7CC430F6137频率（MHz）20闪存（KB）32SRAM（