（机械设计及理论专业论文）列车冲动检测仪的研制.pdf

列车；审动检测仪的研制 摘要 列车运行过程中，司机操纵是否平稳直接影响着旅客乘车的舒适感，因此， 测试其操纵水平对提高铁路服务质量起着至关重要的作用。铁路上传统的方法是 采用“冲动棒”的译测方法，根据一组木棒的倒伏情况来判定冲动状况。该方法 随极性较大、精度低，没有可重现往，不符合铁路舞速化、现代化的发展趋势。 本文介绍的智能型列车冲动检测仪，采用离性能的加遮度传感器采集数据，对其 进行a d 转换后，缀d s p 分柝处理，实时显示歹l 车运行时的加速度变化曲线，并给 蠢冲动值，嗣时可以将数据通过u s b 发送到p c 机，能够桨机工作或与粥枧联机 工作，进行离线或在线冲动分析、司机考核、打印报表等。 本文善先介绍了列车冲动的危害、形成工况、形成原因、评定标准等，然后 介绍列车冲动检测仪豹系统结构及其原理，接萧具体描述了系统的硬件电路设计 以及程序设计、后处理软件设计。 该检测仪成本低、便于使用、可靠性离、人机界厩良好，在实际应用中取得 了良好的效果。 关键词：冲动a d 转换d s p t h ed e s i g n0 ft l k u nj e r ka n a l z e r a b s t 蓦c 霉 d u r i n gt h er u n n i n go ft h et r a i n ，w h e t h e ro rn o tc a l mo ft h ed r i v e r so p e r a t i o n c a ne f f e c tt h ep a s s e n g e r s c o m f o r t 。s o ，t oi m p r o v i n gt h ed r i v e r sa b i l i t yo fo p e r a t i o ni s v e r yi m p o 娃a n tt op r o m o t et h es e r v i c eo ft h er a i l r o a d t h ef o r m e rm e - i so ft e s t i n gt h e d r i v e ri st oo b s e r v e5c r a b s t i c k s l o d g ew h i t c hs t a n do nt h ed e s k s u c hm e a s u r ei sn o t s c i e n t i f i ca n di si m p e r s o n a l ，a n di tc a n tb er e c u r r e d i tc a n ta d a p tt h eh i 曲* s p e e da n d m o d e m d e v e l o p m e n to ft h er a i l r o a d 。t h ei n t e u i g e n t i z e dt r a i nj e r ka n a l y z e ri n t r o d u c e d i n t h i sp a p e ra d o p t sh i g h p o w e r e ds e n s o rt oc o l l e c tt h es i g n a lo fa c c e l e r a t i o n a f t e r b e i n gc o n v e r t e d t od i g i t a ls i g n a l sb ya dc o n v e r c o ra n da n a l y z e db yd s p , i ti ss e n tt o t h el i q u i dc r y s t a ld i o d e st od i s p l a yt h ec u r v eo ft h ea c c e l e r a t i o n sv a r i e t ya n ds h o wt h e n u m e r i c a lv a l u eo ft h ej e r k 。a tt h es a m et i m e ，t h e ed a t ac a nb es e n tt op cv i au s b w e c a na n a l y z et h ej e r ka n dj u d g et h ed r i v e ra n dp r i n tt h er e p o r tf o r m s0 np c s ot h e a n a l y z e rc a l lw o r ki t s e l fo r w o r kt o g e t h e rw i t ht h ep c i nt h i sp a p e r , t h ej e r k sh a r m ，f o r m i n gc o n d i t i o na n dc a u s a t i o n ，a n dh o wt oj u d g e i ta r ei n t r o d u c e df i r s t l y t h e nw ee x p l a i nt h es y s t e m ss o l u t i o n sa n dt h ec o d e sa n d s o f t w a r e t h es y s t e mh a st h ep e r f b r m a n c e so fl o wc o s t ，c o n v e n i e n to p e r a t i o n ，h i 曲 r e l i a b i l i t y , f r i e n d l y h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n da c q u i r e sg o o dr e s u l t si nr e a l a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：j e r ka d e o n v e r t o rd s p 智斜 羔1 0 1 2 8 1 铁道科学研究院学位论文原创性声明 本人郑霞声明：艨呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进孑亍研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用豹内容外，本论文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过豹作品或成果。对本文的研究傲穗重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名。爹硇日期：矽辑歹兵矽日 中国铁道科学研究院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概沉 巍旅客列车在线路上运孝亍时，由于列车运行阻力( 包括空气黻力、机械摩擦 阻力和轮轨阉的滚动阻力) 、牵引力和制动力等的影响，以及线路线溅、坡道和 线路激扰的作用，使列车经常处于一种非稳态的级向动 乍用过程中，；i 起旅客列 车的级向冲动。 根据列车纵向动力学的理论分析和实际试验缩果，弓| 起旅客列车纵向冲动的 非稳态运行过程主要包括：机车启动时，牵引力传输弓l 起纵向冲动的启动王况： 调车作业时机车车辆闽相互冲攮引起级向冲动豹调车作业工况；列车制动或制动 缓解过程中，制动力传输弓l 起纵向冲动的制动工况；列车运行辩，线路断谣变化 引起纵向冲动的线路断筒变化工况等。 旅客列车的纵向冲动受多方萄因素豹影响，按其变化情况，可以分为在运行 过程中保持不变的因素( 列车编组情况及有关的初始条件，钩缓类型和车钩问隙， 风挡型式，机车车辆镑动机的类型，綦础制动烈式等) 和在运行过程中随时闻变 化的因素( 空气铡动系统各部分的压力分布情况，阐瓦或闸片摩擦系数，温度， 慕石盘制动装置的效率，机车的动力制动力，列车的运行阻力，线路纵断面的坡道 和曲线情况等) 两大类。 总之，影响旅客列车纵向冲动的因素很多，应分别提出改进措施。为了有效 地检查出列车技术状态和司机操纵方面存在的阿题，最大限度堍减少列车的纵向 ；串动，故决定研制以传感嚣和d s p 为核心技术豹l c j - 1 型列车冲动检测仪，通过 其使用，可以积累我国旅客列车纵向冲动情况豹基础数据，发现因车辆状态不良 或司机操纵不当引起列车纵向冲动数暖显高予平均水平的异常现象，提示有关部 门制止异常现象的继续和蔓延，进而达到减少列车纵向冲动的疆的。根据调研情 况，该冲动检测仪在国内有实际的应用价傣和良好的应用前景。 1 2 嚣肉研究现状 目前，我们国内普遍使用冲动棒来检测列车冲动，这是一种比较原始的检测 方法，对冲动棒倒饺的规德比较难掌握，其中的偶然因素也无法排除，两飘也存 在人为因素，不能完全客观准确地反癍裂车冲动状况。 中国铁道科学研究院硕士学位论文 ，3 本文内容及其构成 本文首先对歹9 车冲动的危害进行分拼，进而分析冲动形成的各静工况，然后 究其原因，探讨减少列车冲动的措旌，提出列车冲动检测仪的设计思想，并详细 描述了其系统结构、原理、硬件奄路的设计以及楣应程序的编写。另外，为了能 够熏现列车的冲动状况，进李亍攀后分析、评价，编写了相应的上位机软件。最后 是对列车冲动检测仪实际应用情况的总结和展望。 中国铁道科学研究院硕士学位论文 第二章歹l j 车冲动的危害、形成工况、 原因、评定标准等的研究 2 1 列车冲动豹危害 列车的冲动躲危害有很多：它造成备车厢之瓣的冲击，危及列车的运彳亍安全， 降低了旅客乘坐舱舒适憔，影响列车正点运季亍等。最严重的是它有可能造成列车 脱钩，导致事故的发生。因此，检测列车的冲动状况、分卡斥列车冲动产生的原因 并提如改进措施，是十分必要的。 2 。2 列车冲动豹形成工况 根据列车纵向动力学的理论分丰斥和实际试验结果，引起旅客列车纵向冲动的 非稳态运行过程主要包括： ( 1 ) 机车启动时，牵弓l 力传输弓 起纵向冲动的启动工况； ( 2 ) 调车作业时，桃车车辆闻穰互j 孛撞引起级囱冲动的调车作业工况； ( 3 ) 列车镑动或割动缓解过程中，制动力传输引起纵向_ 孛动的制动工况； ( 4 ) 列车运行时，线路断颞变化弓l 起纵向冲动的线路断瓤交化工况等。 在上述非稳态歹玎车运行过程中，紧急青动作用时产生的纵向动力作用最大， 毽括纵向力、纵向加速度及其变化特性等；调速制动和常用嚣4 动停车辩的纵向动 力作用低予紧急制动时的动力作用，但其作用次数较多，对旅客乘坐的舒适性的 影响最大。 2 3 列车冲动的形成因素 旅客列车的纵翔渖动受多方面因素的影响，按其变化情况，可以分为在运行 过程中保持不变的因素和在运杼过程中随时闻变化豹因素两大类。 在运行过程中保持不变的因素，主要包括： ( 1 ) 列车编组情况及有关的初始条件，如抚车车辆的熏量等； ( 2 ) 列车的编缎辆数和长度； ( 3 ) 钩缓类型和车钩间隙； ( 4 ) 风档型式； ( 5 ) 机车车辆制动机的类型； ( 6 ) 基础制动型式。 中国铁道科学研究院硕士学位论文 在运行过程中随时闽变化的因素主要包括： ( 1 ) 空气制动系统各部分的藤力分布情况，包括列车管、副风缸和制动缸 的压力以及漏泄景，弗虽和列车管的减噩或增压速度、司机豹操纵方式等有关： ( 2 ) 阑瓦或阐片摩擦系数，是摩擦副型式、运行速度、闸瓦压力、温度等 的函数； ( 3 ) 温度，是运行速度、闸瓦压力、轮径以及轮踏面初温的涵数； ( 4 ) 基础制动装谶的效率，主要取决于基础制动装豢的类型和制动缸压力； 机车的动力制动力，与操纵方式、速度有关； ( 5 ) 列车的运行阻力，包括空气阻力、轴承摩擦阻力和轮轨阻力； ( 6 ) 线路纵龋面的坡道和赭线情况等。 2 。4 列车冲动的评定标准 2 4 1 国肉传统的、审动撩评定方法 因内传统的列车冲动评定方法是“、挣动棒检测法”，用质地相同的木材制成 5 根长度相同、截面为正方形但面积不同的木棒：长度为1 5 0 r a m ，截两边长分别 为3 0 r a m 、2 7 r a m 、2 5 r a m 、2 0 r a m 、1 8 r a m ，各颥乎整。如图2 4 1 1 掰示，测试的对 候，将5 根木棒竖于水平玻璃板上，用有5 格隔挡的铁架子隔开，隔挡方向与列 车行进方向一致。当列车冲动发生时，木棒会倾倒，倾倒的木棒越粗、次数越多， 图2 。4 1 1 传统的列车冲动监测器冲动棒 4 中国铁道科学研究院硕士学位论文 表明冲劝越厉害。磋；同粗细的木棒，代表不同等级的冲动，木襻越糨代表冲动越 大。这是一种比较原始的检测方法，对冲动棒倒伏的规律比较难掌握，其中的偶 然因素也无法排除，褫且也存在人为因素，不能宠全客观准确地反应列车冲动状 况。 2 。4 2 当前圈内外的评定方法 对于评定旅客列车纵向冲动，国外肖以列车豹平均减速度作为评价标准，也 有以列车减速度的变化率作为衡量指标。对于列车豹平均减速度，一般认为低于 0 1 9 为性能良好，0 + 3 9 为允诲达至8 的数值，高于0 5 9 则乘坐舒适度明显下降。 美国酬公司的w i l s o n 曾进行过汽车制动对的乘车舒适度试验，得到的结果 是，当纵向船速度达到0 2 7 9 时，仍为心情较好的停车；当纵向加速度达到0 3 4 9 时，为不舒服的停车；当纵向加遮度达到0 4 3 9 时，则为非常令人不快的停车。 我国在t b t 2 3 7 0 - 9 3 “铁路旅客列车纵自动力学试验方法与评定指标”中， 提出了旅客列车纵向加( 减) 速度的评定指标为： ( 1 ) 列车起动、调速及常用铡动眩，纵向平均加或减速度的绝对馕不应超过 0 0 8 9 ： ( 2 ) 列车紧急制动时的平均减速度应不超过0 。1 2 9 ，但在初速4 0 k m h 以下时 允许不越过0 1 4 9 ； ( 3 ) 列车紧急制动时的最大减速度不疵超过1 o g 。在t b t 2 5 4 3 1 9 9 5 “旅客 列车级向冲动评定方法”中，提出了旅客歹u 车纵向冲动的加( 减) 速度交化率的评 定指标为：加( 减) 速度变化率低于2 9 m s 3 为优，加( 减) 速度变化率在3 。o 3 9 m s 3 为良，加( 减) 速度变化率在4 o 4 9 m s 3 为及格，加( 减) 速度变化率高 于5 o m s 3 为不及格。 2 4 3 我们提蹬的评定方法 铁道科学院橇车车辆研究掰经过多年豹试验普查和研究，在提遽客车纵向 冲动现状、评价指标及改进措施研究报告中提出了实用的评定方法，其蔡本原 理是：用合适的采样频率测量列车纵向旒速度，并以适当的频率进霉亍滤波。对滤 波后的纵向加速度，通过对其波形进行分柝燕得出冲动值。然后艰据旅客的乘坐 中国铁道科学研究院硕士学位论文 舒适度对冲动值进行分级，划分为不及格、及格、良好、优秀四个等级。 2 5 减少列车冲动的必要性疑其措施 2 0 世纪9 0 年代以来，铁道部已缎织了四次铁路大捏速，并正在积极筹备耨 一轮铁路大提速，提速取得了令人瞩目的社会经济效蓣。 但楚，由予提速旅客嬲车最高运萼亍速度比蒋逯旅客列车高，提遽旅客硼车在 中高速区段的铡动力比酱通旅客列车高，提速旅客列车司机增大了调速制动或常 用停车制动时的空气减压爨等等客观原因，造成提速旅客列车的纵向冲动有所加 测，这是一个必须解决的阏题。因此，我们研制了列车冲动检测仪来检测和分析 列车的冲动状况，以检测司机的操纵方式，督促葵提高操纵水平。 6 中鞫铁道科学研究院硕士学位论文 第三章列车冲动检测仪的系统结构及原理 3 。1 系统简介 列车冲动检测仪由数据采集系统、数据处理系统、人机接口、供电系统、测 速系统以及后处理系统组成。其中数据采集系统主要由加速度传感器、滤波器、 模数转换器组成；数据处理系统是整个系统豹核心，采用t i 公司豹d s p 芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，对采集到的加速度数据进行实时分析处理；人机接口包括液晶照 示屏、键焘、语音提示、霸历畦钟等，方便使用者监视和操作；供毫系统选用可 充电的锻电滟，能保证冲动检测仪长时阈连续使羽，并可反复充电，多次使用； 测速系统采用g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ，全球定位系统) ，测鼓迅速准确、 使用方便；后处理软件用于攀嚣对列车_ 孛动进行再现、分析、评定。 该列车冲动检测仪具有较强大的功熊：实时稔溯列车狰动、实对显示列车运 行时的加速度曲线、色动分柝冲动状况并进行文字显示和语音提示、保存加速度 和冲动数据以备事后处理。该冲动检测仪可以脱离计算机，在列车上独立工作， 携带、使用方便；也w 以与计算机相连，对数据进行在线分拆以及 乍进一步的处 理。 3 2 列车渖动检测仪原理 列车冲动的本质是列车运行过程中瓣闻的纵向加遮度变化，表现为歹i 车瞬闻 的纵向冲击，使旅客瞬间向前或囱后倾倒，感觉不适。嚣此，检测列车冲动的关 键就是测得列车的纵向加速度变化率( 定义为j ) ，然后根据其( j ) 大小来划分 冲动等级。丽测得翻车纵向加速度变化率j 豹关键又是测得列车瞬间的纵向加速 度a 和芟持续的时间t ，从而可以得出：产a t 。 3 3 系统维成结构 系统总体结构如图3 3 1 所示。 传感器测得的加速度信号蔻电信号， 常微弱，需要放大，放大厝进行滤波， 滤除噪声，再将其转换成数字信号，由c p u 进行分柝、计算，在液晶显示屏上实 时摄示加速度波形涟线，若有；串动，则实时显示冲动佳、等级，并进行语啻提示， 还可以打印报表。通过键盘，可以设定曰期、对间、采群频率、滤波频率、传感 器灵敏系数等参数。 7 中国铁遂辩学研究院硕= ：学位论文 图3 3 1 系统总体结构 8 中国铁道科学磺究院硕士学位论文 第四章列车冲动检测仪的硬件电路设计 本章将详细介绍歹寸车冲动检测仪的硬件电路各个功能模块的电路设计原理 及芯片的选择。 4 1 压电式船速度传感器原璞及安装 4 1 1 压电式加速度传感器原理 根据3 2 所述，测最列车瞬时加速度a 是稔测列车冲动的关键所在，这就要 求蠢精确的加速度传感器，否则就无法准确分析判断列车的冲动。实际威用中， 加速度传感器有众多形式，弼廒用最广的是愿电式的，它是利闰骶电孝芎料制成的 压电元件，当有力 乍用在压电材料上时，传感器就有电荷输出，然后我们将输出 的电荷量经过电荷放大、电压转换、a d 转换、计算以得到加速度大小。下面就 来介绍9 1 0 3 一s 压电式加速度传感器的工作原理。 压电式加速度传感器常见的结构形式有基予压电元件厚度变形的压缩型，基 于剪切变形的剪切登和缀合结构的复合型。我们要用翻的是隳缩型的，圈 4 1 1 1 为这种传薅器的结构原理圈。殛电元件由两块压毫片( 石英晶片) 串连 缀成。在两压电片之闽夹一片金属薄片，输出端的一根引线焊接在金属薄片上， 另一根弓l 线纛接与传感器基座相连接。质景块放覆在噩电片上，它采用院熏较大 的合金制成，以保证质量鼠减小体积。为7 消除康量块与蘧电元件之间、压电元 件自身之问因加工糨糙造成的接触不良面弓l 起的非线性误羔，并保证传感嚣在交 变力的作用下涎常工作，装配对必须对压电元件施加预压缩载荷。图4 1 。1 1 中所示，就是利用硬弹簧对噩电元件施加预压缩载荷的。静态预载萄的大小应远 大于传感器在振动、冲击测试中可能承受的最大动应力。只有这样，当压电片受 力上移时，质量块产生豹惯性力会使压电元彳牛上的压应力增加；反之，当压电片 受力下移时，质璧块产生的惯瞧力会使压电元件上的压应力减小。传感器的熬个 组俘装在一个厚基座上，并用金属壳体加以封罩。为了防止试传的其它不需要应 变传递到压电元件上去，避兔由此产生的假信号，一般要加厚基痤或选用刑度较 大的材料来制造，该传感器是采用的不锈钢材料。 测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器承受振动时，囊于 弹簧貔刚度相当大，面质量块的质量相对较小，可以认为旗量块的惯性很小。因 此，质量块感受与传感器基座( 或试件) 相同的振动，并受到与加速度方向相反 9 中国铁道车苒学研究院硕j ：学位论文 、，、，一t i l _ _ 3 彩缪卡 一 黼 盆鲨： ，i ；” 爿端 圈4 1 1 19 1 0 3 - s 压缩烈压电式加速度传感器的结构原理图 的惯性力的作用。这样，质量块就存一个正比予加速度的交变力作用在压电元件 上。压电元件具有压电效应，在它的两个表瑶上即产生交变电荷。当试件的振动 频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出穰荷与作用力成正比，亦即与试 件的加速度成正比。经过电荷放大电路放大后即可测蹬试件豹加速度。 为了衡景压电式加速度传感嚣性能的优劣，通常引出灵敏度的概念。压电式 加速度传感器的灵敏度是指传感器的输峭电量( 电荷) 与输入量( 加速度) 的比 壤。 灵敏度有两种表示法：当传感器与电荷放大器疆己合使用对，羽电蘅灵敏度 表示；与电压放大器配合使用时，则用电压灵敏度k 。表示。其表达式如下： k 。= q a ( c s 2 m ) k u = u 。a ( v s 2 m ) 式中：q 压电传感嚣输出电荷黛( c ) ； u 。传感器的开路电压( v ) ； 8 被测加速度( m s 2 ) 。 因为u = q c 。，所以，电荷灵敏度与电压灵敏度之问存在如下关系：k 。= k o c 。 还要说明，以上是按压电元件的理想等效电路求褥的，实际上还应考虑放大 器的输入电容c 。、连接电缆的分布电容c 。等的影晌，这些都综合在了传感器灵 敏度系数之内。 1 0 中国铁道科学研究院硕士学位论文 4 1 。2 传惑器豹测点布置 一般旅客列车编缓为2 0 节车厢，车厢与车厢之澹通过车钩相连，因为车钩 闽隙的存在，牵弓l 力和制动力在相临车辆耀豹传递就有可能出现冲击，也就是冲 动。但由于车辆是一个有阻尼的系统，所以当冲动发生时，由予力的传递衰减， 各节车厢的加速度并不完全相等，要科学合理地评定列车的冲动，就要合理她选 择测点。经过课题组多年的试验，在收集大量豹列车冲动数据的纂确上，统计出 列车前、中、后测点冲动总数。分柝统计结果，我们得出：列车最前部冲动次数 最少，歹目车中部冲动次数较多，列车最尾部冲动次数最多，列车的冲击能豢最容 易积聚在列车尾部。并鼠，列车前、中、羼出现冲动的时闻没有相关性，冲击能 景在列车的菜一点积聚露沿列车传递时会被逐渐吸收，一般在半个列车长度内已 明显衰减。 因此，我们认为：如果要考察司机的平稳操纵水平，则选择与机车相临的车 厢为测点比较合理；如果要考察列车囊身或线路等因索弓l 起的冲动，则选择歹硅车 中部靠后的车厢为测点比较合理。我们视列车每一节车厢是一个刚体，那么它的 各个点的加速度是相同的。丽传感器相对车藤来说楚很小的一个测试点，巍它固 定在车厢上的时候，则可以认为这个测试点是车厢的一郝分，这样就可以保证测 试患所测得的加速度是列车运行豹加速度。实际操作中，为了保证传感器测得的 是车辆在列车运霉亍方向的加速度，我们必须将传感器固定在车厢地板上，并且它 的测试平面和列车的运行平藤重合，x 、y 、z 方向分别与列车的纵肉、横向、垂 向一致。在此条件下，当列车在水平面上( 即熏力加速度g 影响很小时) 运行时， 传感器所测得的即是列车所受的运行方向( 即水平方向) 的外力f 历弓| 起的加速 度。而当列车在坡面上运行时，以坡面和纛壹于玻箍为黛标轴轴向，在坡面上有 重力g 的分量g 。和运行方向( 与坡面平行) 上的外力f ，刚传感器所测褥的为这 两个力的合力f ；引起的加速度。不管哪种情况，所测得的均为列车运行方向上 的加速度。受力分据图如下： 中国铁道科学磅究院硕士学位论文 列车运 。” 挲警i 耜 行方商k 群 f 、g l ， o 水平蔼 ，淞 1 g 。g 图4 1 1 2 列车运行受力分析 4 2 硬件寇路设计 4 2 1 信号放大毫路 压电式传感器要求负载氡隰r l 必须有很大的数值，才能使测量误蓑小至i 一 定数佳以内。因此常在压电式传感器输出端后面，先接入一个藏隰抗豹前要放大 器，然后再接一般的放大电路及其它电路。压电式传感器的测薰电路关键在予高 阻抗的前嚣放大器。 前嚣放大器有鼹个作用：一是将压电式传感器输出豹微弱信号放大；= 楚将 传感器离阻抗输出变换为低阻抗输出。纛电式传感器的输出可以是电压，也可以 是电荷。因此，它的前疑放大器也有电压型和奄荷型两种形式。在这里，我们用 到的是电荷型。 4 2 1 1 毫荷放大电路艨理 电荷放大器是压电式传感器的一种专用的前置放大器。它将高内阻的电荷源 转换为低内阻的电压源，弼且输出电蘧正比于输入电荷，因此电荷放大器起蔫阻 抗变换的 乍用，其输入隧抗离达1 0 ”q l o “q ，其输出阻抗小予1 0 0 q 。 使用电荷放大器突蠢驰优点是，在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度 无关。电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的离增益放大器，其等效电 路见图4 2 1 1 。图中k 是放大器的开环增益，( - - k ) 表示放大器的输出与输入 反相，幕放大器的开环增益足够高，则运算放大器的输入端a 点的电位接近“地” 电位。由于放大器的输入级采闵了场效疲晶体管，因此放大器的输入阻抗极商， 放大器输入端几乎没有分流，电荷q 只对反馈电容e ，充电，充电电压接近于放 大器的输出电压，即 1 2 孛莺铁道辩学霹究院预士学使论文 毋 图4 2 i 1 电荷放大游的等效电骆 瓴u = 一q c ， ( 4 2 1 1 ) 式中u f 一教大器输趱电篷； u 反馈奄客嚣端的魄器。 出式( 4 2 1 1 ) 可知，龟菏敬大器瓣输融电压只与输入电荷量酃鼠馈电容 有关，瓣与放大器的放大系数的燮化或电缆电容等均死关黎，豳此，只蛩保持反 谈电容靛数蹙不交，裁可褥翻与鳃蒋量q 变饯箴线性关系豹输爨邀援。阕时，反 馈电容c ，小，输出栽大，西i 琏：袋达到一定的输瞧灵敏度要求，必须选撵适当容 量的反馈电容。 要镬辕遗惫愿与毫缆毫容无关是褰一定蘩终瓣，可从下霞斡讨论中燕瑷浼 明。圈4 。2 i 2 楚箍电式传感器与电荷放大辩涟簇豹等效嘏路，出“震地”原理 r f 图4 ，2 1 2 匿电传感器与电稀放大器连接的等效电路 可知，反馈毫蜜c f 攒台嚣放大嚣输入蘧熬有效电容c f 4 为 c c = ( 1 + k ) c f ( 4 ，2 i 2 ) 设放大器输入电器为c ，传感器的内部魄容为& ，邀缆遗容为& ，则放大器 的输逝电压 u 。： 墨g c e e 十g 一( + k ) c f ( 4 。2 。i 3 ) 当( 1 + k ) 舀 g 。+ c 。+ c 。藏大器鹃输邋魄压为 1 3 中嚣铁遴摹喜擎疆究院臻士学霞论文 u o 一q c f( 4 + 2 1 4 ) 当( 1 昧) g e 。+ c c ，胜，可认为倦感器的输磁擞敏度与电缆电容无关， 是电祷教大嚣突懑的挠点。在爽琢搜嗣中，佟感器与狰动捡灏仪惑畜一定鹃蘸离， 它们之间由长电缆连接，由予电缆噪声增加，雨降低了信噪院，使测擞受到一定 的影响，键是我们采恩了屏蔽信号线，并控制电缆豹长发，使褥这个影噙降低至 可以忽略鼹程度。 在我们的实际电路中，反馈电容c ，的大小由所鬣的输出电压幅值u o 和传感 嚣输蹬数邀苟量q 掰决定( 式4 ，2 ，1 4 ) ，戴处我们选择2 2 0 0 p f 。在瞧耱放大器 中激璃毫容受反馈，对囊流工俸点鞭当予开鼹，敷零漂较大露产生误麓。为减小 零漂，使电荷放大器工 乍稳定，在反馈电释的两端并联一个大电阻，为2 0 0 m q ，其功能是提供赢流反馈。 4 。2 。1 2 运算救火嚣n ) 8 2 2 穗上节所述的电荷放大电路中，需要一个运算放大瀑。运算放大潞缀多，功 能、参数不尽襁阍，校獯我倪戆嚣要，我们选择了a d 8 2 2 。a d 8 2 2 是荚嚣搂熬器 件公司生产的单电源、低功耗、精密场效磁输入酶运算放大器。采硝双电源工律 对，它的输出电愿能够达到电源的正负泡源电压。 a d 8 2 2 的芯片肉含畜二令拣熊氍配秘逡冀敖大器，獒主要特点魏下： 运算放大器肖弧稀工作奄聪模式：单电源王佟和双嗽源工俸。攀魄源工律薛， 额寇工作电压由+ 3 v 至 j + 3 6 v ，双毫源王作澍，额定王作电压由1 5 v 划1 8 v 。 它钢的竣逡毫压摆疆仅馥迫源鸯压，j 、l o m v 。当采用正爱滚滚毫垂供魄鼹，羧窭 电压邵达到电潦电压的正受敝( r a i l t o - r a i l ) 。当采羽单电源供电孵，输入傣 号允许负电压，这样能够获搿鼹大的动态熬围。 a d 8 2 2 其有短路镙护功熊。姿簸毽镑谈，逢与逮或者电源装入麓接融，僚护 器件不受损坏。但是，运算放大嚣没有过热保护，当器件结湿短时闲超过最大值 时，只要结温下赚，仍能恢复正常工作。虫掰果结温长时闽超过最大毯肘，裁要永 久骥塔嚣掌 。 a d 8 2 2 正常工作讨，输入电流极小，在皮安级。 a d 8 2 2 不仅怒真正的单电源_ i 作，祷且在+ 3 v 低电压条件时能保持电气性能， 嚣此毽翻黎楚态漶貘逛逛鼹靛蓠逡器 孛。 1 4 中国铁道科学研究院硕士学位论文 在使用a d 8 2 2 时，应该注意以下几个闷题： ( 1 ) 输入信号有可能出现大于+ v 。时，运算放大器的同相输入端串联一个电 阻，典型值为l kq ，就能防止输入信号的捆位反相，儇将产生附加的输入电压 噪声。 ( 2 ) 由予运算放大器输入级采用n 沟道的场效成晶体管，在正常工作对，输 入电流是负的，电流从输入端流出。如果输入端电压大于+ v 。o 4 v 时，剡使器件 内部结点变成正向偏置，输入电流方向相反。为了貉止产生这种现象，使用时要 求在输入端串联一个电阻( 典型毯在l kq l o kq ) 。同时，该电阻还能起限流 作用，防止输入电压大于+ v 。+ o 3 v 或者在v 。= o ，输入端宥输入电压时，使运 算放大器的输入电流过大两损坏器件。当输入电压是负电压时，运算放大器允许 输入电压小予一v ；极限状态，允许输入电压比一v 。还低2 0 v 。因此采用单亳源工作 模式时，运算放大器的输入端也允许输入负电压信号，瓶不损坏器件。但是在任 何状态，运算放大器的正电源电压值与负信号输入电压睡值的绝对僮二者之细不 大予3 6 v ，就自g 保诞器件正常工作，否赠就要损坏嚣件。衣正鬻工作状态时，输 入端的输入电流是皮蜜级。 ( 3 ) 放大器开环增益特性会随负载状况两变化，当负载泡阻超过2 0 k q ，运 算放大器的输出毫压与输入毫压之比实际上无变化。如果运算放大器的输融电服 过商，因器件输出电压在二个方向中豹任何一个达至l 或大于饱和电蘧，那么就会 在2 # s 内，输入端恢复到工作区域。 4 。2 1 3a d 8 2 2 的电路连接 a d 8 2 2 的亳路连接如下图所示： 中国铁道辩学研究院硕士学位论文 圈4 2 1 。2a d 8 2 2 的电路连接 4 2 2 滤波电路 4 2 2 抗淹叠滤波电路的必要性 在设计数据采集系统时，一项重要的任务是选择a d 转换器的采样频率。奈 奎斯特定理指出：时间连续信号转换成离数信号时，需要在一个周期内豹采样次 数多予2 次。如果采样次数不够，将无法恢复丢失豹信息。但仪考虑采样频率还 不够，因为在电子线路的输入信号中，一般包含很多频率分量，其中有需要的频 率分量，也有不需要的甚至是对电子线路的工作有不良影响豹频率分量( 如离频 的千扰帮噪声) ，这就是我们所称豹混叠现象，在实际的设计过程中就需要将有 用信号中的混叠信号要滤除，否则会得到不正确的结果。在数据处理过程中消除 混叠的难一途径就是采用低通滤波器，它对混叠信号的衰减作用可以满足我们的 动态范围要求。 1 6 中国铁道穆学研究院硕士学位论文 4 2 。2 2 开关电容滤波器m a x 7 4 0 0 开关电容滤波器楚由m o s 电容、开关和运敖组成。如图4 2 2 1 所示。开 关电容滤波器的基本原理是：电路的两节点间接有带裹速开关的电容器，其效果 相当于该两节点闯连接一个电隰。圈a 掰示是一个有源r c 积分器。在图b 中， 用一个接蟋电容c ，和用作开关的源、漏极可互换的增强黧m o s 三极管t ，、t ：来代 替输入电阻r ，( 注意此处t 。、t 。周的是简化德号) 。图中罩；、t 。用一个不熏叠浆 两相时钟脉冲来驱动( 见图c 。假定时钝频率厶。( = i t 。) 远离于信号频率，那么， 在节点l 为高电平时，t 。导通而l 。截止( 见图d ) 。此时c ，与输入信号v ，檩连， 即裔： q c l = c l v i 斑斑 啦拇啦t 钞 建 奴 卜- 蠡一 囝 疵q 毋 图4 2 2 1 开关电容滤波器原理 1 7 中国铁道科学疆究院硕士学位论文 而在节点2 为离电平时，t ，裁止，t ：导通。于是，c ，转接割运放的输入端。 此时，c ，放电，将c 。原来所充电荷q c ，传输到c 。上。 由此可见，在每一时钟周期t 。内，从信号源中提取的电荷q c ；= c 胁，供给了 积分毫容c 。因此，在节点1 、2 之阅滤过的平均电流为 铲警 魏果罩。足够短，可以近似认为这个过程是连续的，因而由上式可以在两节 点问定义一个等效电路r 。即 。毒 和 告 这样，就可以褥到一个等效的积分时阔常数 嘲一磕 显然，影响滤波器频率响应的时闻常数取决于时钟周期r 和电容比值c 。c ；， 丽与电容的绝对篮无关。在m o s 工艺中，毫容比值的精度可以控镑i 在0 1 以内。 这样，只要选用合适的时钟频率( 如f d 。= l o o k h z ) ，和不太大的电容比值( 如 1 0 ) ，对于低频率应用来说，就可获得合适的时闻常数( 如1 0 s ) 。 m a x i m 公司推出的低通开关电容滤波器m a x 7 4 0 0 ，是8 阶低通撩圆滤波器， 截止频率为i h z 到i o k h z ，它将滤波器的设计任务简化到仅仅是对时钟频率的逸 择，采用8 脚pm a x 封装，尺寸仅有3 o m m 5 o m m ，爨有微功耗、低噪声等特点， 可联想地应用于a d 转换抗混叠。下蘧是它豹管脚分布图和典型的电路连接图。 醚 i 雌 g n d v 蹦 c l k s h d n 0 o u t 图4 2 2 2m a x 7 4 0 0 管脚分布图 1 8 中国铁道科学磺究院硕士学位论文 图4 2 2 3m a x 7 4 0 0 典型连接图 m a x 7 4 0 0 的i n p u t 弓l 脚输入的就是经过信号放大器a d 8 2 2 放大了的信号， c l o c k 引脚就是时钟频率输入脚，当输入不同的时钟频率的时候，就对廨不同的 截止频率，其对应关系为： f c = f 。t k l o o o o u t p u t 引脚输出的就是经过滤波以后的信号。在此，我们的任务就是要确 定输入的时钟频率，箍如何产嫩合遥的时钟频率，将在下一节进行论述。 4 2 2 3 两编程外围定辩芯片8 2 5 3 i n t e l 8 2 5 3 是可编程定时器计数器，片内包含3 个独立的通道，每个通道 均为1 6 位的计数器，冀计数速率可达2 6 m h z 。8 2 5 3 计数器有6 种工作方式可选。 8 2 5 3 的内部结构框图如图4 2 2 4 所示。 8 2 5 3 有3 个功能楣目的1 6 位递减计数器，每个计数器的工作方式和计数长 度分别由软传编程选择。每个计数器的主要逻辑如图4 2 2 5 所示。计数寄存器 用来寄存计数初傻，计数工作单元为1 6 僚减1 计数器，它的初值便是计数寄存 器内容。计数单元对c l k 脉冲计数，每出现一个c l k 脉冲，计数器减1 ，当减为 0 时，通过o u t 输出指示信号表明计数单元已经为零。当作为定时器工作对，每 当计数单元为0 时，计数寄存器内容会自动重新装入计数单元，两盈c l k 输入是 均匀的脉冲序歹玎，于是o u t 输出是频率降低了的( 相对于c l k 信号频率) 脉冲序 列。当作为计数器工作瞳，表明只关心在c l k 端出现( 代表事件) 的脉冲个数， 当c l k 端出现了规定个数的脉冲时，o u t 输出一个脉冲信号。 1 9 中潮铁道稀学研究院硕j ：学位论文 圈4 2 2 48 2 5 3 的内部结构 c “0 g a t e 0 o 盯o c o e 2 o l 2 图4 2 2 5 各计数通道主要逻辑 图4 2 2 68 2 5 3 弓 脚配鬟 ：|!懈丽爵削加一一一一一 盯：鐾m时2：洲一一一 中国铁道科学研究院硕学位论文 8 2 5 3 的管脚封 列如图4 2 2 6 所示，其基本工作过程如下： ( 1 ) 在任何一种工作方式下，都必须先向8 2 5 3 写入控制字。 ( 2 ) 控制字同时还起复位作用，它使o u t 变为规定状态，计数寄存器c r 清 零。 ( 3 ) 然后向8 2 5 3 写入计数器初值于c r ，并在下一个c l k 将c r 装入计数工 作单元c e 。 ( 4 ) g a t e 为离，开始计数。 ( 5 ) 计数为0 ，o u t 输出指示信号。 8 2 5 3 有6 种工 乍模式，我们为了舞m a x 7 4 0 0 的c l k 弓i 脚输入频率信号，采 用的是方式3 ( 方波发生器) ，其工作过程为：当写入控带l 字后，o u t 信号变为 高电平，罄g a t e 为赢电平，则开始计数，当醴为0 0 1 h 时，o u t 信号变为低电 平，宽度为一个时镑，然磊c r 内容鑫动装入c e ，又重新计数，这个过程一直壅 复下去。 了解了8 2 5 3 的工作原理之瑟，我们藏可以来确定b l a x 7 4 0 0 豹f c 与8 2 5 3 的 时间常数n o 的关系。现在我们以4 0 h z 的截止频率为例，由= f c ；。1 0 0 可以知道， f 。= 4 0 0 0 h z ，两我们选用的晶振频率为6 m ，故8 2 5 3 的时阔常数 n o = 6 m 4 0 0 0 = 1 5 0 0 。同样，我们可以得至0f 。与n o 的对应关系表： 表4 2 3 1 截止频率f c 与时间常数n o 豹对应关系 n o 6 0 0 03 0 0 01 5 0 07 5 06 0 03 0 01 2 06 0 | f 。 l o 2 04 08 01 0 02 0 05 0 01 0 0 0 4 2 2 4 电路连接 图4 2 2 7m a x 7 4 0 0 与8 2 5 3 的连接 2 1 中国铁道科学研究院硕学位论文 4 2 3a d 转换电路 4 2 3 1a d 转换的一般步骤和取样定理 c p sf 1 门门 ， l s i ( 1 ) l 7 v a d c上 取样保持电路 a 陌 c h + 1 d 1 d o ( n 位) 图4 2 3 1 模拟量到数字量的转换过程 在a d 转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续量，两输出的数字信 号代码是离散量，所以进行转换时必须在一系列选定的瞬闫( 亦即时间坐标轴上 的一燥靓定点上) 对输入的模拟信号取样，然矮再把这些取样值转换为输出的数 字量。因此，一般的a d 转换过程是通过取样、保持、量化和编码这四个步骤完 成的。 ( 1 ) 取样定理 为了正确无误地用图4 2 3 2 中所示的取样信号v s 表示模拟信号v ，必须 满足： 以2 。a x 式中f s 为采样频率，f 为输入信号v ；的最高频率分登的频率。 在满足取样定理的条件下，可以用一个低遴滤波器将信号v 。还原为v ，这 个低通滤波器的电压传输系数陋( 棚在低于f 的范围内应保持不变，而在f 。一 f 以前应迅速下降为零，如图4 2 3 。3 所示。因此，取样定理规定了a d 转换 的频率下限。 因为每次把取檬电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取 样以麝，必须把取样电蘧保持一段时问。可见，进行a d 转换时所用豹输入电压， 实际上是每次取样缩柬时豹v i 值。 中国铁遵科学研究院硕士学位论文 t 图4 2 3 2 对输入模拟信号的采样 ，i m a xf s - - f i m “ ， 图4 。2 3 3 还原取样信号所用滤波 器的频率特性 ( 2 ) 璺化和编码 我们知道，数字信号不仅在耐润上是离散的，两层在数值上的变化也不是连 续的。这就是说，任何一个数字薰的大小，郝是以菜个最小数量单位的整倍数来 表示的。因此，在用数字量表示取样电压时，也必须粑它化成这个最小数量单位 的熬倍数，这个转化过程就h q 做爨化。所规定的最小数嫩单位明傲景化单位，用 a 表示。照然，数字信号最低有效位中的1 表示的数量大小，就等于a 。把鳖化 的数值用二遴制代码表示，称为编码。这个二避制代筠就是a d 转换的输出信号。 既然模拟电压是连续豹，那么它就不一定能被整除，因而不可避免的会引 入误差，我们把这穆误差称为爨化误菱。在把模拟信号划分为不同的景化等级时， 用不同的划分方法可以褥到不同的量化误蔗。 假定需要把0 + l v 的模拟电压信号转换成3 位二进制代码，这时便可以取 a = ( 1 8 ) v ，并趣定凡数值在o ( 1 8 ) v 之闻的模拟电噩都当作o 磊待， 用二进制的0 0 0 表示；凡数值在( 1 8 ) v ( 2 8 ) v 之闻的模数电压都当作1 看待，用二进制的0 0 1 表示，等等，如图4 2 3 。4 ( a ) 所示。不难看 出，最大的量化误差可达，即( 1 8 ) v 。 为了减少量化误差，通常采用强4 。2 3 4 ( b ) 所示的划分方法，取嫩化单 位a = ( 2 1 5 ) v ，弗将0 0 0 代码所对应的模拟电压规定为o ( 1 1 5 ) v ，邸o 2 。这时，最大量化误差将减少为为a 2 = ( 1 1 5 ) v 。这个道瑗不难理解，因 为现在把每个二进制代码所代表的模拟电压值规定为它所对应的模拟电压范围 豹中点，所以最大的量化误差自然