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鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2011 1 1 緒論 1.1 論文研究的背景 目前，隨著人們對安全意識的提高，交通事故被世人所關(guān)注的程度在日益 加深。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，全世界每年因車禍導(dǎo)致 70 多萬人死亡，1200 多萬人 傷殘，造成直接經(jīng)濟損失 5 億多美元；汽車總擁有量只占世界 2％左右的我國 交通事故死亡人數(shù)卻占世界的 15％，由此可以看出我國在汽車安全方面則更為 嚴(yán)重。作為主要交通運輸工具的車輛，其性能的好壞是影響交通安全的重要因 素之一；在車輛因素中，由于汽車制動方面的原因造成的交通事故占總交通事 故的 1l％。 汽車行駛時能在短時間內(nèi)停車且方向穩(wěn)定和在下長坡時能維持一定車速的 能力，稱為汽車的制動性。其能直接關(guān)系到行車安全，是汽車的主要性能之一。 汽車的制動性取決于其制動系統(tǒng)，而制動器是制動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其直接影響 汽車制動系統(tǒng)性能的發(fā)揮，故而制動器是汽車安全行駛的重要保障，沒有制動器 汽車就不能安全行駛。 客車用盤式制動器是一種應(yīng)用十分廣泛且成熟的制動方式，但是其制動性能無 法實現(xiàn)在線動態(tài)監(jiān)測，因而給客車的安全行駛帶來了一定隱患。隨著自動化技術(shù)的 發(fā)展，可以借助于單片機構(gòu)建在線動態(tài)檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對盤式制動器制動性能的動 態(tài)在線檢測，從而為制動性能的評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該課題的研究內(nèi)容十分豐富， 幾乎囊括了機制專業(yè)、機電專業(yè)學(xué)生所學(xué)的全部專業(yè)課程知識，主要包括機械系統(tǒng) 功能原理方案設(shè)計，以及機電一體化系統(tǒng)和測控單元的設(shè)計。 1.2 論文研究的目的和意義 盤式制動閘的制動性主要取決于摩擦副的摩擦性能，這里摩擦副主要是由摩擦 材料、對偶盤組成，其中摩擦材料和對偶盤之間的摩擦狀況直接影響著制動器的性 能。而現(xiàn)實中人們對盤式制動閘的制動性能在線檢測的研究卻比較少，根據(jù)目前制 動閘使用的實際工作狀況，利用微電子新技術(shù)，研制一種具有檢測功能的制動閘裝 置，對制動閘進(jìn)行監(jiān)測，可以提高設(shè)備的安全可靠性，對實際工程應(yīng)用有很重要的 意義。特別是隨著科學(xué)和社會的不斷進(jìn)步，對設(shè)備的要求也逐漸向自動化和人性化 方向發(fā)展，要求使用的設(shè)備安全可靠、環(huán)保、節(jié)能，這樣對制動系統(tǒng)也提出更高的 要求。 該選題將機制專業(yè)學(xué)生所學(xué)的專業(yè)課程，如機械系統(tǒng)運動模型設(shè)計、傳感檢測 電路設(shè)計、機電一體化、單片機測控系統(tǒng)等課程知識有機的融合在一起，同時動手 實踐要求較高，對于提高本科生的理論應(yīng)用于實踐的能力有幫助，因而適合本科生 作為畢業(yè)設(shè)計的選題。 客車用盤式制動閘制動性能檢測系統(tǒng)設(shè)計 2 1.3 論文在國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 該課題在國內(nèi)外都取得了相當(dāng)部分的研究成果。部分研究成果如下： 1．王永臣 陳剛 王磊 崔秀 在《單片機制動器自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)》中給出單片機 制動器自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，闡明了它的工作原理和特點。系統(tǒng)采用根據(jù)流過電機 電樞的電流控制電機啟停的方法和多種抗干擾措施。其控制方案新穎，工作可靠， 抗干擾能力較強。 2．莊光山 王成國 姚永強 王海慶在《制動盤對盤形制動摩擦性能的影響》中 研究了慣性力矩制動試驗臺。對多種不同石墨形態(tài)的鑄鐵制動盤與混雜纖維增強酚 醛基制動器片配副時的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：制動盤對盤形制動摩 擦性能有明顯影響。 3．程真啟 高頂 張曉光 趙番在《礦井提升機制動器間隙監(jiān)測儀的設(shè)計》中紹 了基于 Meal6 單片機的礦井提升機器間隙監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計方法，通過對煤礦提升機 器間隙和空動時間的測量，能夠?qū)崿F(xiàn)對盤形器的監(jiān)測，解決了煤礦提升的安全隱患 問題，滿足了煤礦安全生產(chǎn)的需要。 4．賈福音 李志佳 王一賓 孫晉響 在《摩擦提升機滑繩安全可靠制動分析》 中析了摩擦提升中繩滑動與繩靜、動張力的關(guān)系。通過理論分析、參數(shù)分配提出了 滿足系統(tǒng)安全可靠制動的外力制動方式，此方式不僅可以解除滑繩事故，也可以保 證制動器失靈狀態(tài)下，對系統(tǒng)可靠制動。這套設(shè)備的研發(fā)成功，可有效控制滑繩事 故的發(fā)生，為摩擦提升礦井安全高效生產(chǎn)提供保證。 5．陳磊 任中全 熊雙輝在《礦井提升機盤式制動器空動時間測試裝置設(shè)計》 中針對礦井提升機盤式制動器空動時間偏長對礦井提升機事故的影響,依據(jù)《煤礦 安全規(guī)程》對盤式器空動時間測試方法進(jìn)行了研究,采用了繼電器的工作原理設(shè)計 了測試盤式器空動時間的測試裝置,并使用虛擬儀器測試系統(tǒng),通過 Lab VIEW 編程 語言程序?qū)Ρ緶y試裝置進(jìn)行了驗證。 6．王宏德在《盤式制動器制動力矩下降原因分析與對策》中通過對盤式制動 器制動力矩下降原因的分析, 提出了相應(yīng)的防范對策, 取得了較好的效果。系統(tǒng)操 作簡單快捷, 能夠?qū)崿F(xiàn)真正的自動排料?？煽啃赃M(jìn)一步提高, 維護(hù)量大大減少, 整 個系統(tǒng)控制完全數(shù)字化, 通過操作面板上的數(shù)碼管顯示及幾個觸摸按鈕, 即可完成 全部操作。 7．和田雄一等(日)在《新開發(fā)的制動器片和制動盤》中闡述新開發(fā)的耐磨耗 制動器片和耐熱裂紋制動盤的優(yōu)良性能, 兩者組合使用時, 經(jīng)濟效益頗佳。新開發(fā) 的制動器片, 與各國采用的器片相比, 其耐磨性較佳, 對制動盤也沒有破壞作用。 NCM 制動盤耐熱裂紋性好, 也有減低摩擦副器片磨耗的效果。新開發(fā)的制動器片與 制動盤組合使用時, 對降低車輛維修成本具有很大的意義。 8. XAVER WIRTH〔德國〕在《制動器片提高了盤形制動器的性能》中介紹德國 鐵路公司的高速列車與早期列車的四個制動盤相比, 它在每根軸上只裝兩個制動盤, 使用一種改善了接觸模式的先進(jìn)制動片, 可以降低嗓聲并使能全吸收能力提高了。 9. 莊光山 王成國 王海慶 姚永強在《混雜纖維增強制動器片的制動性能研究》 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2011 3 中采用改性酚醛樹脂為基體, 炭纖維與鋼纖維、礦物纖維等混雜材料作為增強材料, 研制了適用于提速列車盤形制動的少金屬制動器片。在慣性力矩試驗臺上對其制動 性能進(jìn)行了測試。試驗結(jié)果表明, 該制動器片在各種規(guī)定試驗條件下的摩擦性能均 能滿足最高運行速度為 120 km/ h~ 160 km/ h 的提速列車的使用要求。 10. 趙建明 吳鵬在《半金屬基提速客車盤形制動器片摩擦特性的研究》中介 紹了一種適用于制造提速客車盤形制動器片的半金屬基摩擦材料的摩擦磨損特性方 法。試驗表明研制的配方半金屬摩擦材料具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和較好的耐磨性及其 抗熱衰退性。實物慣性臺架試驗結(jié)果表明, 研制的配方器片具有較高的摩擦系數(shù), 制動距離較短, 制動性能穩(wěn)定, 完全能滿足提速客車運行的制動要求。 綜上所述： 以上文獻(xiàn)中作者從多個思路對盤式制動器的工作原理及條件有詳細(xì)描述，多有 從材料的角度來闡述車用盤式制動器的摩擦性能，但在檢測動態(tài)性能方面少有闡述 尤其未曾涉及傳感器，A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換的內(nèi)容，所以眾論文只是提供了盤式制動器的 感性認(rèn)識和制動狀態(tài)描述。 1.4 論文課題主要工作內(nèi)容和本研究要解決的問題 本課題主要解決以下問題： (1) 傳感器的選型設(shè)計與計算 (2) 盤式制動器制動性能模型研究 (3) 基于單片機的數(shù)據(jù)采集單元的設(shè)計，主要包括檢測傳感器的選型設(shè)計、 A/D 轉(zhuǎn)換設(shè)計、控制單元設(shè)計、通信設(shè)計等 (4) 制動系統(tǒng)軟件程序設(shè)計 本研究能達(dá)到的預(yù)期效果如下： 1.制動性能模型研究 主要有施閘及松閘過程中閘瓦運動學(xué)分析和制動力矩分析，此分析建立了制動 器的制動動力學(xué)模型，得到了制動性能參數(shù)之間的相互影響關(guān)系，為檢測系統(tǒng)的設(shè) 計提供基礎(chǔ)性理論指導(dǎo)，可為傳感器和檢測系統(tǒng)的設(shè)計提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。 2.檢測系統(tǒng)總體設(shè)計 （硬件）主要有傳感檢測部分、數(shù)據(jù)采集部分和系統(tǒng)監(jiān)控部分，傳感器可以選 用速度傳感器，壓力傳感器、位移傳感器，數(shù)據(jù)采集器主要采集模擬量，分為信號 調(diào)理模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、單片機、串行通訊模塊和電源。A/D 轉(zhuǎn)換主要考慮轉(zhuǎn)換 速度和精度；本系統(tǒng)選用的單片機要能夠控制選擇 A/D 轉(zhuǎn)換芯片并讀取 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù) 據(jù)，同時還應(yīng)有與上位工控機進(jìn)行串行通信的功能。數(shù)據(jù)采集器采用 12V 供電，為 了提高系統(tǒng)的可靠性，在系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計上都必須采取相應(yīng)的抗干擾措施。 （軟件）單片機系統(tǒng)軟件：采集速度、壓力，位移傳感器輸出的模擬信號，并 實現(xiàn)單片機和工控機的串行通信；組成：主程序+中斷程序 主程序是完成單片機 系統(tǒng)初始化并采集傳感器輸出的信號；串行中斷程序是完成單片機系統(tǒng)與工控機的 串行通信。 客車用盤式制動閘制動性能檢測系統(tǒng)設(shè)計 4 2 盤式制動閘制動模型分析 2.1 制動系統(tǒng)的基本性能要求 盤式制動閘是車輛系統(tǒng)中的一個重要部件，它的主要作用是使車輛在出現(xiàn)故障 或者在需要停止時，使車能在人們要求的時間內(nèi)停止運動，也就是說需要把車的動 能盡快轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，達(dá)到消耗動能的目的。它的工作機理是靠兩個相對 運動的表面相互摩擦?xí)r所產(chǎn)生的摩擦阻力來轉(zhuǎn)化車動能的，將車的動能轉(zhuǎn)化為熱能， 從而達(dá)到停車制動的目的。盤式制動器相對于鼓式制動器具有制動性能穩(wěn)定(制動 因數(shù)與摩擦系數(shù)成線性關(guān)系)，力矩容量大、只承受軸向力、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱性好 等突出的優(yōu)點，所以在實際中被廣泛應(yīng)用。 近年來，隨著人們對車輛的安全意識的提高、制動閘的安全可靠性能倍受重視， 對制動閘的性能提出以下幾點基本要求: (1)要有足夠的制動力矩，這是保證安全制動可靠的基本條件。 (2)摩擦副所產(chǎn)生的摩擦力矩要穩(wěn)定，在受到外界條件的變化(速度、溫度、濕 度、驅(qū)動力等)的條件下，它的變化也要盡量小。 (3)散熱性好，避免摩擦表面溫度過高。 (4)工作中噪音低、對環(huán)境的污染小。 (5)具有一定的耐磨性，要有一定的安全使用壽命。 (6)操作、維修簡單方便。 2.2 制動系統(tǒng)工作原理分析 盤式制動器又稱為碟式制動器，其摩擦副中的旋轉(zhuǎn)元件是以端面工作的金屬圓 盤，稱為制動盤，用螺釘固定在車輪的輪毅上。盤式制動器分為鉗盤式與全盤式， 其中鉗盤式分為固定鉗式和浮動鉗式，而浮動鉗式又分為滑動鉗式與擺動鉗式。 通常制動器都是通過其固定元件對旋轉(zhuǎn)元件施加逆向力矩，通過制動器摩擦副 之間的相對滑動，把動能轉(zhuǎn)化為熱能由此達(dá)到摩擦減速制動的作用。盤式制動器摩 擦副中的旋轉(zhuǎn)元件是一個被安裝在車軸的輪毅上，以端面為工作表面的金屬圓盤， 稱作為制動盤。制動器的固定元件稱作制動塊，由兩到四個工作面積大概為制動盤 包角 20°左右的的摩擦片鑲嵌在一個質(zhì)地較硬的金屬背板上組成。內(nèi)外制動塊及其 的助動裝置都裝在橫跨制動盤兩側(cè)的一個安裝在懸架上夾鉗型支架中，總稱為制動 鉗。當(dāng)駕駛?cè)藛T踩下制動踏板，與之相連的推桿于是會推動制動主油缸中的活塞前 進(jìn)，使得油缸中的液壓升高，液壓油在壓力的作用下經(jīng)過油管進(jìn)入制動器油缸中， 再把力傳遞到制動器油缸中的活塞上推動其法向移動，最后活塞接觸到制動盤而產(chǎn) 生制動力，并牢牢把制動盤加緊。 制動器結(jié)構(gòu)如圖 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2011 5 圖 2-1 盤式制動器結(jié)構(gòu)圖 鉗盤式制動器的制動鉗既可以固定在車橋上，也可以浮動在懸架上，因此又可 分為定鉗盤式制動器和浮鉗盤式制動器兩類。如圖所示為定鉗和浮鉗兩類盤式制動 器示意圖。 圖 2-2 定鉗盤式制動器 在定鉗盤式制動器中，跨置在制動盤 1 上的制動鉗體 5 固定安裝在車橋 6 上， 它不能旋轉(zhuǎn)也不能沿制動盤軸線方向移動，其內(nèi)的兩個活塞 2 分別位于制動盤 1 的 兩側(cè)。 客車用盤式制動閘制動性能檢測系統(tǒng)設(shè)計 6 圖 2-3 浮鉗盤式制動器 在浮鉗盤式制動器中，制動鉗體 2 通過導(dǎo)向銷 6 與車橋 7 相連，可以相對 于制動盤 1 軸向移動。制動鉗體只在制動盤的內(nèi)測設(shè)置油缸，而外測的制動塊 則附裝在鉗體上。 盤式制動閘的工作原理是：施閘時，減小從控制油口輸入的控制油壓，當(dāng)控制 油壓在活塞上的作用力小于碟型彈簧彈性恢復(fù)力時，碟形彈簧推動筒體向前運動， 安裝在筒體上的閘瓦壓向制動盤進(jìn)行制動。松閘時，增大從控制油口輸入的控制油 壓，當(dāng)控制油壓在活塞上的作用力大于碟形彈簧彈性恢復(fù)力時，活塞通過連接軸帶 動筒體壓縮碟形彈簧，閘瓦遠(yuǎn)離制動盤實現(xiàn)松閘。 盤式制動閘的制動力矩是靠閘瓦從兩側(cè)壓向制動盤，使閘瓦與制動盤之間產(chǎn)生 摩擦力而產(chǎn)生的。為了使制動盤不產(chǎn)生附加變形，滾筒主軸不承受附加軸向力，制 動閘都是成對使用，每一對叫做一副盤式制動閘。根據(jù)制動力矩的大小，每輛客車 可布置多副制動閘。 2.3 制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析 目前盤式制動閘包括老式的碟形彈簧后置式和新式的碟形彈簧前置式兩種。圖 2-4（a ）為碟形彈簧后置式制動閘結(jié)構(gòu)圖，圖 2-4（b）為碟形彈簧前置式制動閘結(jié) 構(gòu)圖。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2011 7 567891021234 1、制動盤 2、襯板 3、活塞 4、制動器體 5、液壓缸 6、碟形簧后蓋 7、碟簧 8、后蓋 9、連接螺栓 10、控制油口 11、筒體 12、閘瓦 (a) 碟形彈簧后置式制動閘結(jié)構(gòu)圖 1、筒體(帶襯板) 2、碟型彈簧 3、彈簧座 4、擋圈 5、油缸 6、泄漏油口 7、活塞 8、連接栓 9、后蓋 10、液壓缸蓋 11、控制油口 12、制動器體 13、連接軸 14、壓板 15、閘瓦 16、制 動盤 (b) 碟形彈簧前置式制動閘結(jié)構(gòu)圖 客車用盤式制動閘制動性能檢測系統(tǒng)設(shè)計 8 圖2-4 盤式制動閘結(jié)構(gòu)圖 盤式制動器摩擦副中的旋轉(zhuǎn)元件是以端面工作的金屬圓盤，輪缸的壓力作用在 制動鉗上，使其壓靠在制動盤的端面產(chǎn)生制動力矩。由于結(jié)構(gòu)的關(guān)系，盤式制動器 一般無摩擦助勢作用，因此制動器效能受摩擦因素的影響較小，效能比較穩(wěn)定。 制動器是制動系中用以產(chǎn)生阻礙車輛的運動或運動趨勢的力的部件。除了競賽 汽車上才裝設(shè)的、通過張開活動翼板以增加空氣阻力的空氣動力緩速裝置以外，一 般制動器都是通過其中的固定元件對旋轉(zhuǎn)元件施加制動力矩，使后者的旋轉(zhuǎn)角速度 降低，同時依靠車輪與路面的附著作用，產(chǎn)生路面對車輪的制動力以使汽車減速。 凡利用固定元件與旋轉(zhuǎn)元件工作表面的摩擦而產(chǎn)生制動力矩的制動器，都稱為摩擦 制動器。盤式制動器的旋轉(zhuǎn)元件為圓盤狀的制動盤，以端面為工作表面。盤式制動 器的摩擦副中的旋轉(zhuǎn)元件是以端面工作的金屬圓盤，此圓盤為制動盤。 2.4 制動過程模型分析 制動閘的制動過程，從能量的觀點講，可以把制動閘看成是一種能量轉(zhuǎn)換裝置， 它在規(guī)定的時間內(nèi)將運動物體的動能轉(zhuǎn)化為熱能或其它形式的能量，以實現(xiàn)減速、 停車的目的。制動閘制動的可靠程度決定了車輛的安全可靠性。 2.4.1 制動過程分析 制動裝置的作用在于使行駛中的車輛減速或者停車。一般的制動裝置是以車輛 的動能轉(zhuǎn)化成熱能來確保上述的制動力。車用的制動系統(tǒng)一般廣泛的采用液壓制動。 駕駛員加在制動踏板上的力，通過踏板杠桿按一定的比例傳給增力裝置，增力裝置 由其它的能量將力增大后，傳給制動主缸。制動主缸壓力轉(zhuǎn)換為液壓，通過制動硬 管、制動軟管，傳至車輪制動器的輪缸。車輪制動器由輪缸液壓推動盤式制動器摩 擦塊或鼓式制動器的制動蹄壓緊制動盤或制動鼓，使其之間產(chǎn)生摩擦力，即為制動 器制動力。 如圖2-4 所示的盤式液壓制動閘從結(jié)構(gòu)上講，這種制動器的制動是靠摩擦片和摩 擦盤之間的摩擦力矩產(chǎn)生，摩擦片在工作中很容易磨損，而其中的摩擦片磨損程度 檢測現(xiàn)在是靠人工來完成，通過后蓋上的測量孔對制動器進(jìn)行定期檢查。由于這種 制動器制動力矩大，這些設(shè)備的工作環(huán)境惡劣，使人工檢測不容易進(jìn)行或容易產(chǎn)生 誤差，無法真實反映出摩擦材料的磨損情況，更不能反映出由于摩擦熱而引起的破 壞程度或潛在的熱疲勞程度。 現(xiàn)在是憑借經(jīng)驗數(shù)據(jù)，規(guī)定摩擦片的使用時間，使用期限達(dá)到，不論實際的摩 擦材料的磨損情況，一律更換以保證機器設(shè)備的安全性。這樣的操作有兩個缺陷: (1)會出現(xiàn)在摩擦材料仍然可以安全使用的情況下提前換掉，造成摩擦材料的浪費 (2)還會出現(xiàn)由于某種原因沒有及時更換、或者測量失誤等，使摩擦片沒有及時更 換會出現(xiàn)不安全的潛在危險，所以對制動器的在線檢測動態(tài)監(jiān)測是很必要的。 2.4.2 制動過程建模 2.4.2.1 施閘及松閘過程中閘瓦運動學(xué)分析 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2011 9 x P 0 D 1 D 1 2 3 4 o xoFNfm 1、碟形彈簧 2、活塞 3、閘瓦 4、制動盤 圖2-5 盤式制動閘制動力學(xué)模型 以活塞為研究對象，活塞在運動過程中，根據(jù)質(zhì)心運動定理得到： (2-1)NfFxm??? 式中： －閘瓦運行的加速度，m/s 2；x? m－運動部件質(zhì)量，kg； －碟形彈簧正壓力，N； －油壓對活塞的作用力，N；F －活塞受到的阻尼力，N。f 其中， ， 為作用在活塞截面上油壓， 為油壓pAtP)(?)(t )4(201DAp??? 有效作用面積； ， 為液壓缸的阻尼系數(shù)， 為閘瓦的運行速度。xcf? x? 閘瓦運動過程中，作用在活塞截面上的壓力和碟形彈簧的受力隨時間逐漸變化， 式(2-1) 進(jìn)一步化為： (2-2)0)()(???mtNAtPxc? 若碟形彈簧剛度確定，由于制動器內(nèi)的碟形彈簧只發(fā)生小變形，而碟形彈簧正 壓力在小變形范圍內(nèi)基本呈線性變化，即令 ，其中： 為彈簧的剛度，)(xkd?dk N/m； 為碟形彈簧的預(yù)壓縮量， m。dx 則式(2-2)化為： (2-3)0)(????xkAtPxkcxdd? 根據(jù)積分公式，得到： 客車用盤式制動閘制動性能檢測系統(tǒng)設(shè)計 10 (2-4))(sin])([1 ])0(cos)0()(0 )(0? ???????t dtPdd dnt teAxkmxtetx nn ????????? 式中： ， ， 。kdn??nc?221??nd 2.4.2.2 制動壓力分析 閘瓦制動力矩計算原理圖如圖 2-6 所示。z?arb 1 2 1、制動盤 2、閘瓦 圖2-6 閘瓦制動力矩計算原理圖 設(shè)整個制動系統(tǒng)有 n 副閘，因每副閘共有 2 個閘瓦，則整個制動系統(tǒng)共有 2n 個 閘瓦。根據(jù)圖 2-6，第 個閘瓦對制動盤的制動力矩為：i (2-5)zabzirzii rPdrPMbaz ????)(3302???? 式中： 為閘瓦與制動盤的摩擦因數(shù)；u 為閘瓦的中心角；z? 、 為閘瓦的內(nèi)、外圓弧面至閘瓦中心的距離；arb 為第 個閘瓦對制動盤的均布壓力，N/m 2，其表達(dá)式為：ziP (2-6)2() Ti TizizbazPAr??? 為第 個制動器閘瓦的貼閘壓力，N，其表達(dá)式為：TiP (2-7)TiiiPNpA? 為第 個制動器內(nèi)的油壓；ip 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2011 11 為活塞有效作用面積；PA 為第 個制動閘內(nèi)碟形彈簧的正壓力； iN 將式(2-6)、(2-7)代入式(2-5)得到制動力矩： 32[]()iipbaiNArM??? 整個制動系統(tǒng)的制動力矩為： (2-8) 322211[]()nniipbaiii bar???? 從上式可知，制動力矩與摩擦因數(shù)、碟形彈簧正壓力、工作油壓和閘瓦位置有 關(guān)。 令 ，則式(1-8) 可簡化成： 32()bamrR?? (2-9) 21nTimiMFR??? 進(jìn)一步分析可知，碟形彈簧正壓力與彈簧剛度和壓縮量有關(guān)，而彈簧壓縮量與 預(yù)壓縮量和閘瓦間隙有關(guān)，因此閘間隙是間接影響制動力矩的重要因素。 2.4.2.3 制動時汽車的整體力學(xué)分析 圖 2-7 制動時的汽車的整體受力分析圖 根據(jù)圖 2-7，對制動時汽車的整體力學(xué)進(jìn)行了分析。 根據(jù)水平方向力的平衡，可以得到: (2-10) FxrwxfdtvmFjx???)/( 式中: ——汽車的水平制動力(N); 客車用盤式制動閘制動性能檢測系統(tǒng)設(shè)計 12 ——縱向慣性力(N) ；Fj ——質(zhì)量(kg)m ——車的縱向加速度 (m/s2);dtv/ ——前、后軸所承擔(dān)的地面制動力(N);xrf, ——空氣阻力(N)w 2.4.2.4 制動時車輪的力學(xué)分析 汽車制動過程中單個前輪的受力以軸心為質(zhì)心，根據(jù)車輪的 受力情況求解車輪的力學(xué)參數(shù)。 根據(jù)垂直方向的受力平衡，有: (2-11)GzF? 式中: ——地面對車輪的法向力(N); ——單輪所承受的汽車重量(N)。 根據(jù)水平方向的受力平衡，有: (2-12)Tzx? 式中: ——車輪所受到的地面制動力(N);F ——單輪輪軸所承受的慣性力(N)。 以軸心為質(zhì)點的力矩方程為: (2-13)rFxMfbdtJ?????/? 式中: ——車輪總成的轉(zhuǎn)動慣量(kgm 2); ——車輪的旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s); ——制動器對車輪的制動力矩(Nm); ——車輪受到的滾動阻力矩(Nm)。f 汽車制動時，由于路面對車輪的滾動阻力矩和汽車回轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性力矩都很小， 可以忽略其影響。因此上式可簡化為力矩平衡方程， (2-14) rFxMb?? 同時制動器的制動力矩必須滿足 (2-15)?ma 2.4.2.5 動力學(xué)模擬參數(shù)的計算 1.單輪的等效轉(zhuǎn)動慣量 制動器的制動過程是把汽車的機械能轉(zhuǎn)化為熱能的過程，根據(jù)能量守恒定律可 以確定制動器單輪的等效轉(zhuǎn)動慣量: 2= (2-16) 12mv12?I 式中: ——質(zhì)量(kg); ——行駛速度(m/s); 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2011 13 ——整體的等效轉(zhuǎn)動慣量(kgm2);I ——車輪的轉(zhuǎn)動角速度(rad/s)。? 制動過程中，假設(shè)車輪只有純滾動，有 = (2-17)vr 式中: ——車輪滾動半徑(m)。 把公式(2-17)代入公式(2-16) = 2 (2-18)Imr 制動過程中汽車具有慣性，使得前后車輪承受了一個法向慣性力，慣性力促使 汽車前后車輪的摩擦功、制動力矩及等效轉(zhuǎn)動慣量都發(fā)生了改變。 2.車輪的角速度 根據(jù)制動開始時汽車的初始速度，可以得到 = ／（3.6 ） (2-19)0?vr = = (2-20)?dt/IfMb/ = - = - (2-21)0f/?t 其中: ——車輪的初始角速度(rad/s); ——汽車的初始速度(km/h)。v ——車輪角減速度(rad/s 2); ——車輪的瞬態(tài)角速度(rad/s);? ——時間。t 2.5 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了盤式制動閘的結(jié)構(gòu)和工作原理，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了國內(nèi)外在此 方面的研究現(xiàn)狀。建立了汽車制動閘的制動動力學(xué)模型，得到了制動性能參數(shù)之間 的相互影響關(guān)系，為檢測系統(tǒng)的設(shè)計提供基礎(chǔ)性理論指導(dǎo)。闡述了制動閘需要滿足 的基本性能要求，介紹了各種不同類型制動閘的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用場合;介紹了盤式 制動閘的組成、工作原理和結(jié)構(gòu)特點。分析了盤式制動閘存在的主要問題，指出研 制制動閘摩擦在線檢測系統(tǒng)的必要性。在線檢測系統(tǒng)是現(xiàn)代設(shè)備的必然要求和發(fā)展 趨勢，它能有效的保障人身和設(shè)備安全、提高設(shè)備工作的可靠性和自動化程度，使 得設(shè)備管理更加合理化、科學(xué)化。 客車用盤式制動閘制動性能檢測系統(tǒng)設(shè)計 14 3 盤式制動閘制動性能檢測系統(tǒng)總體方案 3.1 總體方案 盤式制動閘制動性能智能檢測系統(tǒng)的主要功能是通過檢測盤式制動閘碟形彈簧 正壓力、閘間隙、控制油路油壓、滾筒轉(zhuǎn)速和安全回路接觸器狀態(tài)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù) 處理和融合以得到能反映出制動器制動性能的制動力矩、閘間隙、貼閘壓力、空動 時間和制動減速度。為此，盤式制動閘制動性能智能檢測系統(tǒng)擬采用單片機、多個 傳感檢測裝置為數(shù)據(jù)源并開發(fā)智能監(jiān)控軟件以實現(xiàn)對盤式制動閘制動性能的實時監(jiān) 測。 本系統(tǒng)主要由以下三部分組成：傳感檢測部分、數(shù)據(jù)采集部分和系統(tǒng)監(jiān)控部分， 傳感檢測部分由制動力矩傳感器、閘間隙傳感器、車輪角減速度傳感器組和安全回 路接觸器組成；數(shù)據(jù)采集器主要對傳感檢測部分所輸出的模擬量信號進(jìn)行采集，用 于采集轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖信號和安全開關(guān)輸出的開關(guān)信號；系統(tǒng)監(jiān)控部分由工 控機和顯示器組成，工控機主要接收數(shù)據(jù)采集部分上傳的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理與融 合，并向用戶提供制動性能參數(shù)信息。 3.2 系統(tǒng)的主要功能與技術(shù)指標(biāo) 3.2.1 主要功能 1、對客車用制動系統(tǒng)盤形閘參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測; 采用基于單片機開發(fā)的數(shù)據(jù) 采集器采集制動力矩、閘間隙和制動減速度傳感器輸出的模擬量信號； 2、盤形閘工作間隙位置校準(zhǔn); 通過對串口接收檢測數(shù)據(jù)的分析處理與融合，得 到制動性能參數(shù)，對盤式制動閘制動性能進(jìn)行評判； 3、靜態(tài)數(shù)據(jù)斷電后可以長期保存； 4、具有自恢復(fù)功能，可以避免干擾引起的系統(tǒng)“死機”現(xiàn)象。 根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，面對所需要解決的實際問題，確定方案的原則: 1、系統(tǒng)適應(yīng)持續(xù)工作; 2、準(zhǔn)確實時測量; 3、可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離觀測和控制; 4、系統(tǒng)可靠性高; 5、具備較好的性價比。 基于以上原則設(shè)計出了系統(tǒng)方案，系統(tǒng)由兩部分組成:上位機和下位機。上位機 由計算機和通信接口組成，計算機安裝有專門的監(jiān)測軟件，監(jiān)測軟件借用計算機的 強大功能實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時觀測和控制，通信接口則完成通信電平的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)通信。 下位機則以微控制器為核心，輔以相關(guān)外圍電路完成盤形閘工作參數(shù)實時監(jiān)測，進(jìn) 行數(shù)據(jù)采集處理和通信。 3.2.2 主要技術(shù)指標(biāo) 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2011 15 1、工作間隙測量范圍:0 一 3mm 2、測量誤差:士 10% 3、轉(zhuǎn)換精度:<10% 4、測量周期:<400ms 5、電源電壓:220V 或 127V 6、主機工作電壓:+5V 7、環(huán)境溫度:0 一 70℃ 3.3 系統(tǒng)設(shè)計流程 檢測技術(shù)也稱測試技術(shù)，它包括測量和試驗兩方面。測量，就是把被測對象的 某些特征信息提取出來，并加以度量;試驗，就是通過某種人為的方法，利用專門 的裝置，把被測系統(tǒng)所存在的某種特征信息，激發(fā)出來并加以提取測量。微電子技 術(shù)的發(fā)展，推動了檢測技術(shù)的進(jìn)步，使得儀器儀表不斷地向智能化、數(shù)字化、小型 化、多功能化方向發(fā)展。檢測技術(shù)中的數(shù)據(jù)處理能力和在線檢測、實時分析能力大 大增強，儀器儀表的功能得以擴大，精度和可靠性有了很大的提高。 信息的提取一般采用傳感器件來完成。傳輸信息的載體是信號，為了便于對被 測信息進(jìn)行后續(xù)處理，通常是將被測信息轉(zhuǎn)換成電信號，也就是把被測信號轉(zhuǎn)換成 電壓、電流或其它電路參數(shù)(電阻、電感、電容)等電信號輸出。一般來講信號的轉(zhuǎn) 換存儲與傳輸需要中間轉(zhuǎn)換裝置來完成，通常是把信號轉(zhuǎn)換成便于傳輸、功率足夠 大，并具有一定驅(qū)動功能的電壓或者電流。 總的來講，檢測技術(shù)具有如下三種功能: (1)過程中參數(shù)測量功能; (2)過程中參數(shù)監(jiān)測控制功能; (3)測量數(shù)據(jù)分析判斷功能。 檢測系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。首先要全面、正確、均衡地分配軟、硬 件功能，應(yīng)當(dāng)綜合考慮系統(tǒng)要求、開發(fā)周期、產(chǎn)品成本、系統(tǒng)可靠性等多方面因素。 增大硬件功能的比例可以提高速度，減少所需的存儲容量，有利于檢測和控制的實 時性，但同時會增加成本，電路變得復(fù)雜，降低了可靠性，而且開發(fā)周期較長。而 軟件和硬件的合理分配既可增強儀器的功能，提高測量精度，又可使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更 加簡單和緊湊，節(jié)省投資。因此遵循的原則是既能實現(xiàn)功能指標(biāo)，同時系統(tǒng)成本又 最低?？紤]到本系統(tǒng)具體情況，應(yīng)盡量以軟件代替硬件來實現(xiàn)功能，降低成本，同 時力求電路簡單，工作可靠。 本系統(tǒng)基于上述原則分配軟硬件功能：硬件主要功能是從現(xiàn)場獲取被測信號， 完成數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、存儲以及通訊。軟件由 2 部分構(gòu)成：單片機系統(tǒng)軟 件，用于完成信號采集和傳輸；計算機智能分析軟件，完成程序界面的開發(fā)，進(jìn)行 進(jìn)一步分析處理并完成顯示、存儲、報表生成與打印等工作。 總體方案確定之后，系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計工作可以同時進(jìn)行。硬件和軟件只有緊 密配合，協(xié)調(diào)一致，才能組成高性能的智能檢測系統(tǒng)。在系統(tǒng)的研制過程中，軟硬 件的功能總是不斷地調(diào)整，以便相互適應(yīng)，相互配合，達(dá)到最佳的性價比。 客車用盤式制動閘制動性能檢測系統(tǒng)設(shè)計 16 首先，根據(jù)設(shè)計方案進(jìn)行相關(guān)資料文獻(xiàn)的檢索，確定芯片選型、選擇功能擴展 電路、接口電路的方案，完成硬件電路原理圖。再次，在完成硬件部分設(shè)計的同時， 應(yīng)進(jìn)行單片機、計算機智能分析軟件模塊的開發(fā)和編程。在確定電路原理和硬件均 無重大問題的情況下，對已設(shè)計的系統(tǒng)軟件分模塊逐一進(jìn)行調(diào)試，如有問題，及時 修改，然后完成單片機系統(tǒng)程序的錄入。最后，集成各部分子系統(tǒng)，構(gòu)建整個系統(tǒng)， 使其能夠滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。 3.4 本章小結(jié) 本章根據(jù)盤式制動閘制動性能檢測系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，對系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計： 整個系統(tǒng)由傳感檢測部分、數(shù)據(jù)采集部分和系統(tǒng)監(jiān)控部分組成；采用兩級分布式結(jié) 構(gòu)，工控機作為上位機、數(shù)據(jù)采集器作為下位機；工控機和數(shù)據(jù)采集器之間采用多 機主從串行通信方式。同時，本章對系統(tǒng)的設(shè)計流程也進(jìn)行了詳細(xì)闡述。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2011 17 4 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計 本章根據(jù)檢測系統(tǒng)的功能要求進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計。為了直接測量制動力矩和快 速可靠地檢測出閘間隙，結(jié)合盤式制動閘結(jié)構(gòu)特點和現(xiàn)場應(yīng)用要求設(shè)計了制動壓力 傳感器和霍爾位移傳感器。本章對傳感器設(shè)計和選型、數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計以及和工 控機選型作了詳細(xì)介紹。 4.1 單片機的選擇 單片機是整個檢測系統(tǒng)的核心元件，負(fù)責(zé)對檢測信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示、存 儲和報警功能。單片機的選用原則是在滿足測試系統(tǒng)要求的條件下，需要具有一定 的靈活性和一定的擴展功能。 單片機 AT89C52 是 ATMEL 公司生產(chǎn)的一種低電壓，高性能 8 位單片機，片 內(nèi)含有 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲閘((EPROM) 和 256 bytes 的隨機數(shù)據(jù) 存儲(RAM)，它采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理閘和可擦寫的 Flash 存儲單元， AT89C51 單片機應(yīng)用于許多控制系統(tǒng)場合。 單片機 AT89C52 主要性能參數(shù): ① 8K 字節(jié)可編程閃速程序存儲閘，1000 次擦寫周期，數(shù)據(jù)可以保留 10 年;② 全靜態(tài)工作:0MHz ——24MHz;③三級加密程序存儲閘，256x8 位內(nèi)部 RAM;⑤ 32 條可編程的 v0 口線;⑥3 個 16 位定時閘/計數(shù)閘;⑦8 個中斷源;⑧可編程串行 UART 通道;⑨低功耗空閑和掉電模式; 單片機 AT89C52 優(yōu)點是: ①內(nèi)部包含存儲閘，在系統(tǒng)開發(fā)過程中能很容易地進(jìn)行程序的修改，可大大縮 短產(chǎn)品開發(fā)周期。同時在外界電源損壞的情況下，仍能保存信息。 ② AT89C52 內(nèi)部采用了 FLASH 存儲閘，在編程出現(xiàn)錯誤時可以隨時修改， 直到修改正確為止，方便用戶編程。 ③用 AT89C52 設(shè)計的系統(tǒng)，可以反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗、調(diào)試，每次調(diào)試可以編 入不同的程序，這樣可以保證系統(tǒng)的設(shè)計達(dá)到最優(yōu)，而且可以按照用戶的需要隨時 進(jìn)行修改，使設(shè)計的系統(tǒng)能適應(yīng)用戶的最新要求。 ④AT89C52 設(shè)有靜態(tài)邏輯，可以在零頻率條件下工作，支持兩種軟件可選的省 電模式。在閑置模式下，CPU 停止工作，但片內(nèi) RAM、定時閘/計數(shù)閘、串口和中 斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩閘，禁止所有其 它片內(nèi)控制單元功能，直到下一次硬件復(fù)位為止。 本系統(tǒng)以 AT89C52 為核心，完成檢測存儲功能。系統(tǒng)上電后，AT89C52 首先 要對相關(guān)的外圍器件進(jìn)行初始化設(shè)置和自身功能設(shè)定，然后循環(huán)檢測各路傳感器信 號，儲存數(shù)據(jù)傳送上位機。 客車用盤式制動閘制動性能檢測系統(tǒng)設(shè)計 18 4.2 傳感器的選擇 傳感器是連接被測對象和檢測系統(tǒng)的接口，它采集的信息是系統(tǒng)進(jìn)行處理和判 斷的依據(jù)，在很大程度上影響和決定了系統(tǒng)功能的準(zhǔn)確性。 傳感器是作為一種把輸入的非電量(物理量、化學(xué)量、生物量等)信息轉(zhuǎn)換成電 量信號輸出的器件或裝置，其構(gòu)成核心是能把非電量信息轉(zhuǎn)換電信號的轉(zhuǎn)換元件。 這種轉(zhuǎn)換功能，對物性型傳感器可一次完成，實現(xiàn)“被測非電量一有用電量”的直 接轉(zhuǎn)換;而結(jié)構(gòu)型傳感器必須通過前置敏感元件預(yù)轉(zhuǎn)換后才能完成，即實現(xiàn)“被測 非電量一有用非電量一有用電量”的間接轉(zhuǎn)換。此時，傳感器就由敏感元件、轉(zhuǎn)換 元件和其他輔助元件組成。 對于不同的檢測量，要根據(jù)被檢測量的特征及其在試驗過程中的變化情況來選 用符合實際情況的傳感器。以單片機為信息處理核心的檢測系統(tǒng)具有較強的功能， 能夠?qū)崿F(xiàn)檢測信號的顯示，具有數(shù)據(jù)處理和判斷功能。 通過本檢測系統(tǒng)的研制，可以對制動系統(tǒng)進(jìn)行檢測，通過測試的數(shù)據(jù)，可以對 系統(tǒng)進(jìn)行分析，同時可以實現(xiàn)實時對系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行判斷和故障診斷。總之，通過 對制動系統(tǒng)的實時在線檢測，可以及時發(fā)現(xiàn)故障苗頭，使問題剛開始出現(xiàn)時就能得 到及時解決，對事故的發(fā)生和擴大將起到有效的預(yù)防作用。 1.利用電阻測量的傳感器有:電阻應(yīng)變式傳感器和電位器式。 1)電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的 結(jié)構(gòu)型傳感器。壓電式位移傳感器，由于壓電元件的特性，它只能用于不斷變化的 位移測量;應(yīng)變片式傳感器，用于由力或熱產(chǎn)生的變形的測量。 2)電位器式是利用移動電位器觸點改變電阻值，來測量位移。電位器式傳感器 可用于中、小位移(幾十毫米內(nèi)的位移量)，用于精度要求不高的場合。優(yōu)點是結(jié)構(gòu) 簡單、成本低。 2.利用電感的位移傳感器有:自感式、互感式、電渦流式、感應(yīng)同步器。 1)自感式的是通過改變磁路磁阻使線圈自感變化，利用線圈自感的改變來實現(xiàn) 非電量與電量的轉(zhuǎn)換。目前常用的有三種類型:變氣隙型、變面積型、螺管插鐵型。 其基本結(jié)構(gòu)含線圈、鐵芯、活動銜鐵等三個部分。電感式傳感器主要用于小位移量 的測量，測量精度高，用于小偏差測量可達(dá)亞微米精度。傳感器輸出阻抗小，有較 強抗干擾能力。廣泛用于各種測量，包括加工中的測量，它能用于幾至幾百赫茲變 化量的測量。 2)互感式(變壓閘式)是通過改變互感來檢測，互感式傳感器又稱變壓器式傳感 器，它與電感式傳感器不同在于互感式傳感器是先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成線圈相互 的互感的變化，再經(jīng)變換成為電壓信號輸出。變壓閘式傳感器以差動形式為最常用， 差動變壓閘式傳感器又簡稱差動變壓器。變壓器式傳感器的特點與應(yīng)用范圍大致與 電感式傳感器相同，但高精度場合以用電感傳感器為多。 3)電渦流式傳感器是利用電渦流現(xiàn)象改變線圈自感、阻抗的原理，電渦流式傳 感器的基本結(jié)構(gòu)包括探頭和變換器兩部分。變換器由測量電路組成，探頭主要是由 一個固定在框架上的扁平線圈組成，一般放在端部(線圈可繞制在框架槽內(nèi)，也可 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2011 19 用粘合劑粘結(jié)在端部)。它主要用于尺寸和位移參數(shù)的測量，可用于不接觸測量， 精度可達(dá)微米級。電渦電流式分辨率好，但易受被測物體材料、形狀、加工質(zhì)量影 響。 4)感應(yīng)同步器是利用兩個平面繞組的互感隨位置不同而發(fā)生變化的原理來測量， 感應(yīng)同步器主要用于大線位移的測量，可測量長達(dá)幾米的線位移的測量，它的輸出 阻抗低，抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高。 3.磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量(如振動、位移、轉(zhuǎn)速等)轉(zhuǎn)換成電信 號的一種傳感器。利用磁電效應(yīng)的位移傳感器有:霍爾式、磁柵式、磁敏式。 1)霍爾式傳感器是利用半導(dǎo)體霍爾元件的霍爾效應(yīng); 2)磁柵式傳感器的是利用磁頭和磁柵相對移動，從而在磁頭上感應(yīng)出電信號， 此類傳感器屬于數(shù)字式傳感器的一種，與另外一種數(shù)字式傳感器一感應(yīng)同步器的特 點及使用范圍相似，其精度略低于感應(yīng)同步器。磁柵式傳感器用于大線位移與 360 度內(nèi)角位移的測量。 3)磁敏式傳感器是以固體中的磁電轉(zhuǎn)換效應(yīng)為基礎(chǔ)，因為載流半導(dǎo)體在磁場中 有磁電效應(yīng)(霍爾效應(yīng))而輸出電勢，該類傳感器主要有磁阻傳感器、磁敏二極管和 磁敏三極管等。 4.利用電容的傳感器有:電容式、容柵式 1)電容式傳感器是通過改變電容量來進(jìn)行測量，電容式傳感器是將被測非電量 的變化轉(zhuǎn)換為電容變化的一種傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、 可實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)等優(yōu)點。電容式傳感器主要用于小位移、尺寸偏 差等的測量，可實現(xiàn)不接觸測量，頻率響應(yīng)高(可達(dá)數(shù)千赫)，靈敏度高。它輸出阻 抗高，傳感器電容值小，易受外界環(huán)境因素干擾，使用時需采取妥善屏蔽措施，在 采取可靠屏蔽措施條件下可達(dá)很高精度(可達(dá)微米至幾十納米)。 2)容柵式傳感器是利用通過改變電容量或加以激勵電壓來產(chǎn)生感應(yīng)電勢的原理 來測量，利用容柵可實現(xiàn)大位移測量(量程達(dá)數(shù)百毫米)。容柵結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小 (與柵等相比)，常用于數(shù)顯量具中，精度可達(dá)幾微米。 5.光電式傳感器有:一般形式、光纖式、光學(xué)編碼器式、光柵式 1)一般形式是先通過改變光路的光通量，再利用各種光電器件的光電效應(yīng)將信 號轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。 2)光柵式傳感器，先利用光柵形成的莫爾條紋和位移之間的關(guān)系，再利用各種 光電器件的光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。光柵式傳感器用于大線 位移的測量。 3)光纖式傳感器，利用光導(dǎo)纖維的傳輸特性或材料的效應(yīng)或傳光，再用各種光 電器件的光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。 4)激光干涉?zhèn)鞲衅?、多普勒效?yīng)、衍射及光電器件來測量，激光干涉?zhèn)鞲衅髦?要用于大量程、高精度的測量，每米可達(dá)0.1-0.2微米。 客車用盤式制動閘制動性能檢測系統(tǒng)設(shè)計 20 本系統(tǒng)通過壓力傳感器和位移傳感器接收檢測部位的信息，經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換 輸入到單片機中，在單片機中對檢測信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后傳給上位機。 位移傳感器，本系統(tǒng)采用電渦流傳感器，它由探頭，延伸電纜，前置器及被測 體構(gòu)成基本工作系統(tǒng)圖。 圖 4-1 電渦流傳感器系統(tǒng)圖 前置器中的高頻振蕩電流通過延伸電纜流入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產(chǎn) 生交變的磁場。如果在這一交變磁場的有效范圍內(nèi)沒有金屬材料靠近，則這一磁場 能量會全部損失;當(dāng)有被測金屬體靠近這一磁場，則在此金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，電 磁學(xué)上稱之為電渦流。與此同時該電渦流場也產(chǎn)生一個方向與頭部線圈方向相反的 交變磁場，由于其反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位發(fā)生改變(線圈的有效 阻抗) ，這一變化與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率 以及頭部線圈到金屬導(dǎo)體表面的距離等參數(shù)有關(guān)。通常假定金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻且性 能是線性和各項相同性，則線圈和金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)可由金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率 σ 磁導(dǎo)率 ζ 尺寸因子 τ 頭部體線圈與金屬導(dǎo)體表面距離 D，電流強度 I 及頻率 ω 參數(shù)來描述，則線圈特征阻抗可用 Z=F（τ，ζ， σ，D ，I，ω）函數(shù)來表示。通常 我們能做到控制 τ，ζ，σ， I，ω 這幾個參數(shù)在一定范圍內(nèi)不變，則線圈的特征阻抗 Z 就成為距離 D 的單值函數(shù)，雖然其整個函數(shù)為非線性的，其函數(shù)特性為“S”型 曲線，但可以選取它近似為線性的一段，通過前置器的電子線路處理，將線圈阻抗 Z 的變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化。輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間 距而變化，電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實現(xiàn)對金屬物體的位移，震動等參數(shù)的 測量。 其工作過程是，當(dāng)被測金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時。則探頭中線圈的 Q 值發(fā)生變化，Q 值的變化引起振蕩電壓幅度的變化，這個隨距離變化的振蕩電壓經(jīng) 過檢波、濾波、線性補償、放大歸一處理轉(zhuǎn)化成電壓(電流)變化。最終完成機械位 移(間隙 )轉(zhuǎn)換成電壓 (電流 )。 本系統(tǒng)選擇位移傳感器的型號為:CZF∕BZF 系列電渦流位移傳感器 它的技術(shù)參數(shù)為: 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2011 21 1)線性范圍:0-6 (mm) 2)線性誤差:0.6%-3.0% 3)探頭外徑:18 (mm) 4)信號輸出:4-20mA. 5)工作溫度:傳感閘:<100°C，前置閘<65 °C 6)工作電源:正負(fù) 24VDC 產(chǎn)品優(yōu)點:非接觸電渦流式位移傳感器，具有非接觸測量、線性范圍寬、靈敏度 高、抗干擾能力強、無介質(zhì)影響、穩(wěn)定可靠、易于處理等優(yōu)點。 壓力傳感器作用是檢測制動壓力的大小。在設(shè)計中選用 KYC01 型絕壓/壓力傳 感器，最小量程范圍:0 一 200kPa;最大量程范圍:0 一 700kPa;壓力傳感器采用 12V 供電，滿量程輸出為 20mV，由于需要的制動力比較小，故在設(shè)定時的量程范圍為 0 一 0.6MPa，即當(dāng)壓力的值為 0.6MPa 時，輸出為 20mV。壓力傳感器的尺寸外形 如圖所示。 圖 4-2 壓力傳感器外形圖 由于傳感器輸出的電壓幅值在 0-20mv 之間，信號立即使用，需要對信號進(jìn)行 放大處理。制動壓力傳感器的輸出口有 3 個，分別是地線，直流電壓和輸出線。在 設(shè)計的放大電路中輸入口也與壓力傳感器對應(yīng)。由于傳感器輸出的信號較弱，往往 包含有工頻，靜電和電磁耦合等共模干擾，這就需要放大電路需要很高的共模抑制 比以及高增益，低噪聲和高輸入阻抗，電路結(jié)構(gòu)圖如下所示。 客車用盤式制動閘制動性能檢測系統(tǒng)設(shè)計 22 圖 4-3 壓力傳感電路 轉(zhuǎn)速傳感器的選擇,選用光電式傳感器測轉(zhuǎn)速。這種傳感器把旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速變?yōu)?相應(yīng)頻率的脈沖，然后用測量電路測出頻率，由頻率值就可以知道所測轉(zhuǎn)速值。這 種測速方法具有傳感器結(jié)構(gòu)簡單，可靠，測量精度高的特點，是目前常用的一種測 量轉(zhuǎn)速的方法，如圖 4-4 所示，它由測速齒盤 1，光源 2，光敏元件 3 組成。從光源 發(fā)出的光通過測速齒盤上的齒槽射到光電元件上，使光電元件感光。測速齒盤上有 30 個齒槽，當(dāng)測速齒盤旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件就能感受到與開孔數(shù)相等次數(shù)的光次數(shù)， 因此產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的電脈沖信號。 圖 4-4 轉(zhuǎn)速測量原理 4.3 信號調(diào)理電路設(shè)計 信號調(diào)理電路的主要功能是將制動壓力傳感器輸出的 0~20mv 的信號調(diào)理放大 為 0~5V 的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，放大電路的增益放大倍數(shù)為 250。同時，放大電路的設(shè) 計還要考慮傳感器輸出的電特性。由于制動壓力傳感器輸出的信號是從高共模電壓 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2011 23 中檢測出的微弱差分電壓信號，要求放大電路具有高的輸入阻抗和共模抑制比。為 此放大器采用由三個運算放大器構(gòu)成的二級運放電路，放大電路原理圖如圖 4-5 所 示。 U1 和 U2 構(gòu)成第一級差動放大電路，該電路的放大倍數(shù)為 ，由Rws/21? U3 構(gòu)成的第二級放大電路的放大倍數(shù)為 ，整個放大電路的放大倍數(shù)為1/Rf 。以此確定的電阻元件的大小為 ， ，)1/(*)/21(Rfws? Kw0?40 ， ，放大電路的增益為 250，該電路的輸入阻抗高達(dá)幾十兆歐，KRf3?3. 共模抑制比高達(dá) 160dB，滿足制動壓力傳感器的信號放大要求。78UAVCWSoi 圖 4-5 制動壓力傳感器信號放大電路 4.4 A/D轉(zhuǎn)換器選擇 由于單片機不能處理模擬信號，所以需要A/D轉(zhuǎn)換器來將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字 信號后再進(jìn)行處理。選擇A/D轉(zhuǎn)換器時主要考慮以下兩個因素 :①轉(zhuǎn)換速度，它反映 了數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換時間。ADC型號不同，轉(zhuǎn)換速度有很大差別。②轉(zhuǎn)換精度，ADC的轉(zhuǎn) 換精度取決于模擬誤差和數(shù)字誤差。模擬誤差是由比較器解碼網(wǎng)絡(luò)中電阻值以及基 準(zhǔn)電壓波動等引起的誤差。數(shù)字誤差主要包括丟失碼誤差和量化誤差，前者屬于非 固定誤差，與器件的制造質(zhì)量有關(guān)系，后者與輸出數(shù)字量的位數(shù)有關(guān)，位數(shù)越多， 誤差越小。ADC0809是TI公司生產(chǎn)的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，運用開關(guān)電容逐次逼近 技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程。開關(guān)電容的設(shè)計可以使它在整個溫度范圍內(nèi)有較小的轉(zhuǎn)換 誤差。除了高速的轉(zhuǎn)換器和通用的控制能力外，本器件還有一個片內(nèi)的多路器可以 在多個輸入通道內(nèi)部自測試電壓中任意選擇一個。這種形式的通道速度較慢，但硬 件開銷少，對轉(zhuǎn)換速度要求不高的系統(tǒng)比較合適。由于是串行輸結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省單 客車用盤式制動閘制動性能檢測系統(tǒng)設(shè)計 24 片機的I/O 資源，且價格適中，分辨率較高。 ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D 轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只 選通8路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的 8位通用 A/D芯片 1．主要特性 1）8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。 2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。 3）轉(zhuǎn)換時間為100μs (時鐘為640kHz 時)，130μs（時鐘為500kHz 時） 4）單個+5V電源供電 5）模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點和滿刻度校準(zhǔn) 6）工作溫度范圍為-40～+85攝氏度 7）低功耗，約15mW 2．內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它由8路 模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D 轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、 邏輯控制和定時電路組成。 圖4-6 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部特性 3．外部特性（引腳功能） IN0～I(xiàn)N7：8 路模擬量輸入端 2-1～2-8：8位數(shù)字量輸出端 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路 ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效 START：A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少 100ns寬）使其啟動（脈 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2011 25 沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換） EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換 期間一直為低電平） OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高 電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量 CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ REF（+） 、REF（-）：基準(zhǔn)電壓 Vcc：電源，單一+5V GND：地 ADC0809的工作過程 首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選 通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動 A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到 A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC 變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申 請。當(dāng)OE 輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時傳送給單片機進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳 送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因為只有確認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。 為此可采用下述三種方式。 （1）定時傳送方式 對于一種A/D轉(zhuǎn)換其來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例 如ADC0809轉(zhuǎn)換時間為128μs，相當(dāng)于6MHz的MCS-51單片機共64個機器周期?？?據(jù)此設(shè)計一個延時子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換 肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 （2）查詢方式 A/D轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的EOC端。因此可以 用查詢方式，測試EOC的狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 （3）中斷方式 把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù) 傳送。 不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 首先送出口地址并以信號有效時，OE信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單 片機接受。 客車用盤式制動閘制動性能檢測系統(tǒng)設(shè)計 26 圖4-7 AD模塊接線圖 4.5 電源設(shè)計 檢測裝置能否穩(wěn)定、可靠的工作，穩(wěn)定的供電電源設(shè)計是非常重要的。數(shù)據(jù)采 集器采用 12V 供電。從前面的電路設(shè)計可知，單片機工作電壓為 5V，位移、制動 壓力和油壓傳感器工作電壓為 5V，同時還要提供精密穩(wěn)定電源 5V 給 A/D 轉(zhuǎn)換作 為參考電壓。 因此，需要設(shè)計一個穩(wěn)定的電源電路供給不同的器件不同的電壓值， 以滿足其工作需要。 集成穩(wěn)壓塊 7