电气自动化专业毕业设计（论文）传感器在机车车轴检测中的应用.doc

天津冶金职业技术学院毕业设计 传感器在机车车轴检测中的应用系 别:电气工程系专 业:电气自动化班 级: 08-2 学生姓名: 指导教师: 2011年 5 月 9 日摘要机车车轴扭力检测装置由应变式电阻传感器、集成功率放大器、电压比较器、报警装置及其信号传输路线组成，为机车车轴轴承的监视和检修提供重要依据，以保障机车运行安全及工作人员人身安全，对机务部门实行状态维修起到重要作用。随着现代化工业的发展，高速机车作为当今世界高新技术的一项重要成就，以其工作速度快、能源消耗低、环境污染低、经济效益好等不可相比的优越性成为安全可靠的现代化设备。因而对机车车轴进行状态检测和故障检测是确保高速机车安全运行的重要手段。因此对机车车轴进行必要的检测是必不可少的。该文在检测装置系统中，利用应变式电阻传感器将被测的非电量转换为电量（电压或电流），通常这些单一的电信号通过放大并与参考信号进行比较判断是否应该对所监测装置或设备的状态进行显示或报警并进行必要的控制。 关键词：机车车轴，应变片电阻传感器，放大器，电压比较器，报警系统目录摘要I1 应变片电阻传感器11.1 弹性敏感元件11.1.1弹性敏感元件的特性参数11.12 弹性敏感元件的分类21.2 应变式电阻传感器原理及测量电路31.2.1电阻应变片的结构及工作原理31.2.2测量转换电路41.3 应变片电阻传感器的使用注意事项 51.31 应变片的粘贴51.3.2 实际应用中电桥电路的凋零电路61.3.3 传感器的温度补偿72集成功率放大器82.1功率放大电路的定义82.2功率放大器的原理及其参数83电压比较器103.1电压比较器的功能.103.2电压比较器的原理及作用104 报警系统144.1 报警系统的概述144.2 报警器155 总结16参考文献171 应变片电阻传感器 应变片电阻传感器是根据电阻的应变效应工作的，主要用来测量力、气体（液体）压力。在力的测量过程中，要借助于力敏元件（也叫弹性元件），将力变换成易于测量的位移或应变（变形），然后利用转换元件将力变换成电参量。图1.1为力传感器的测量示意图。弹性敏感元件转换元件测量转换电路图1.1 力传感器的测量示意图1.1 弹性敏感元件 所谓弹性敏感元件，是一种在力的作用下产生变形，当力消失后能够恢复原来状态的元件。弹性敏感元件是一种非常重要的传感器部件，应具有良好的弹性、足够的精度，以及良好的稳定性和抗腐蚀性。常用的材料有弹性钢、合金等。1.1.1弹性敏感元件的特性参数（1）刚度。刚度是弹性敏感元件在外力作用下变形大小的量度，一般用K表示，即 K=d F/d x式中，F为作用在弹性敏感元件上的外力；x为弹性敏感元件的变形量。（2）灵敏度。灵敏度是指弹性敏感元件在单位力的作用下产生变形的大小，它为刚度的倒数，用S表示，即 S=d x/d F（3）弹性滞后。弹性元件的加载特性曲线与卸载特性曲线的不重合程度，称为弹性滞后。它是应变传感器测量误差之一。这主要是由于弹性元件分子间存在内摩擦造成的。（4）弹性后效。当负载从一数值变化到另一数值时，弹性元件的变形不是立即完成的，而是经一定的时间间隔后逐渐完成变形的，这种现象称为弹性后效。由于弹性后效的存在，弹性敏感元件的变形始终不能迅速地跟上力的变化，在动态测量时将引起测量误差。造成这一现象的原因是弹性敏感元件的分子间存在内摩擦。（5）固有频率。弹性敏感元件都有自己的固有振荡频率，它将影响传感器的动态特性。传感器的工作频率应避开弹性敏感元件的固有振荡频率，一般希望固有振荡频率越高越好。实际选用或设计弹性敏感元件时，若遇到上述特性矛盾的情况，应根据测量的对象和要求综合考虑。1.12 弹性敏感元件的分类弹性敏感元件在形式上可分为两大类：将力转换为应变或位移的弹性敏感元件，将压力转换为应变或位移的弹性敏感元件。1变换力的弹性敏感元件变换力的弹性敏感元件大都采用等截面柱式、等截面薄板、悬臂梁及轴状等结构。图1.2为几种常见的变换力的弹性敏感元件结构。图1.2常见的变换力的弹性敏感元件2变换压力的弹性敏感元件常见变换压力的弹性敏感元件有弹簧管、波纹管和薄壁圆筒等，它可以把流体产生的压力变换成位移量输出。1.2 应变式电阻传感器原理及测量电路 应变式电阻传感器借助于弹性敏感元件将力的变化转化为变形，然后利用导体的应变效应将力转换成电阻值的变化，最终利用测量电路得到被测量（力）的电信号。应变式电阻传感器主要包括弹性元件、电阻应变片及测量电路。1.2.1电阻应变片的结构及工作原理 电阻应变片的结构如图2.1所示。由合金电阻丝呈曲折形状（栅形）用黏接剂粘贴在绝缘基片上，两端通过引线引出。丝栅上面再粘贴一层绝缘保护膜。把应变片贴于被测变形物体上，敏感栅随被测物体表面的变形而使电阻改变，只要测出电阻的变化就可以得知变形量的大小。电阻应变片主要分为金属应变片和半导体应变片。常见的金属应变片有丝式、箔式和薄膜式三种，半导体应变片是在硅上利用扩散技术形成电阻。图2.1 应变片的结构由于电阻应变片具有体积小、灵敏度高、使用简便，可进行静态、动态测量等优点，因此广泛用于力、压力、位移和加速度的测量。随着新工艺、新材料的使用，高灵敏度的电阻应变片不断出现，电阻应变式传感器测量范围不断扩大，广泛应用于机械加工、石油化工等兴业的不同部位中。应变效应导体或半导体在受到外力作用变形时，其电阻值也将随之变化，这种现象称为“应变效应”。设有一个金属导体，长度为L，截面积为A，电阻率为p，则该导体的电阻R为R=p·L/A当金属导体受到拉力F作用时，长度将增加L，截面积将缩小A，从而导致电阻增加R，导体的电阻变为R+R。通过推导，可以得出导体电阻的相对变化量为R/RS·L/LS·§x （1-1）式中，§x为纵向应变，S为金属导体的应变灵敏度。金属应变片的灵敏度主要与导体的几何尺寸有关，灵敏度近似等于2。如果没有特别说明，一般S=2。半导体应变片的灵敏度主要与半导体材料有关，并且远远大于金属应变片的灵敏度。1.2.2测量转换电路为了检测应变片电阻的微小变化，需通过转换电路把电阻变化转换为电信号(电压、电流或频率)，由仪表显示数据。在应变式电阻传感器中最常用的转换电路是桥式电路。按电源的性质不同，桥式电路可分为交流电桥和直流电桥两类。大多数情况下，采用的是直流电桥电路。以直流电桥为例分析其工作原理及特性。图1.2是直流电桥的基本电路示意图。在未施加作用力时，应变为零，此时桥路输出电压U0也为零，即桥路平衡。由桥路平衡的条件可知，应使四个桥臂的初始电阻R1,R2,R3和R4满足R1/R2=R3/R4，通常取R1=R2=R3=R4,即全臂形式。图1.2 直流电桥电路桥路工作时输入电压Ui保持恒定不变。当四个桥臂电阻的变化值R远小于初始电阻，且电桥负载为无穷大时，电桥的输出电压U0可用如下式表达：U0R1R2/(R1+R2)2R1/R1-R2/R2+R3/R3-R4/R4Ui （1-2）由于R1=R2=R3=R4,故上式可变为：U0Ui/4R1/R1-R2/R2+R3/R3-R4/R4 （1-3）由式（1-1）可知，Ri/Ri=Si§xi，其中Si为各个电阻应变片的灵敏度；§xi为各个电阻应变片的应变。在应变片电阻传感器中，各个电阻应变片的灵敏度保持相同，故S1=S2=S3=S4=S。式（2-3）可写成：U0UiS/4(§1-§2-§3-§4) （1-4）根据应用要求的不同，直流电桥电路可接入不同数目的电阻应变片，一般有以下几种形式：1 双臂半桥形式电桥电路R1与R2为应变片，R3与R4为普通电阻（其不受应变，阻值也不变化，即R3=R3=0）,则（1-4）变为U0Ui/4R1/R1-R2/R2= UiS/4(§1-§2)2单臂半桥形式电桥电路R1为应变片，其余各桥臂均为普通电阻，则式（1-4）变为U0UiR /4 R1由于单臂半桥形式电桥电路受温度影响较大，在实际应用中为了消除温度的变化对桥路输出的影响，往往把固定电阻R2换成应变片，实际上就成了双臂半桥形式。3全桥式电桥电路此电桥的四个桥臂都为应变片，则输出电压公式就是式（1-4）。在实际应用中，往往使相邻两个应变片处于差动工作状态，即一片感受拉应变，另一片感受压应变，此时可以增加传感器的输出值，减小非线性误差。以上三种电桥形式中，全桥形式的传感器灵敏度最高，也是最常用的一种形式。本检测系统采用全桥式电桥电路对机车车轴进行测量转换。1.3 应变片电阻传感器的使用注意事项1.31 应变片的粘贴应变片只有与试件一同伸缩，才能较好地反映试件的应变，因此应变片必须通过黏合剂粘贴在试件上。为了获得较好的粘贴质量，保证传感器较高的测量精度，在应变片电阻式传感器的使用中应注重应变片粘贴的各个工艺过程。 （1）黏合剂种类的选用。选用黏合剂时，要根据应变片基片材料、工作温度、潮湿程度、稳定性要求、有无化学腐蚀、是否加温加压固化、粘贴时间长短等多种因素合理选择黏合剂。（2）试件的表面处理。为了保证一定得黏合强度，必须将试件的表面处理理干净，清理杂质、油污及表面氧化层等。粘贴表面应保持平整、光滑，最好在表面打光后，采用喷沙处理。处理面积约为应变片的35倍。（3）粘贴位置的确定。在应变片上标出敏感栅的纵、横向中心线，在试件上按照测量要求划出中心线。精密的传感器可以用光学投影的方法来确定粘贴位置。（4）应变片的粘贴。首先用溶剂清洗试件表面，有条件时采用超声清洗更好。应变片的底面也要用溶剂清洗干净，然后在试件表面和应变片的底面各涂一层薄而均匀的黏合剂，将应变片贴在划线位置处。贴片后，在应变片上盖一张聚乙烯塑料薄膜并加压，将多余的胶水和气泡排出。加压时应注意防止应变片错位。(5)固化。应变片粘贴好后，根据所使用的黏合剂的固化工艺要求进行固化处理。（6）粘贴质量的检查。检查粘贴位置是否正确，粘贴层是否有气泡和漏贴，敏感栅是否有短路或短路现象，敏感栅的绝缘性是否良好等。（7）引线的焊接与防护。检查合格后即可焊接引出线。引出线要适当地加以固定，以防止导线摆动时折断应变片的引出线。然后在应变片上涂一层防护胶，以防止大气对应变片的侵蚀，保证应变片长期工作的稳定性。1.3.2 实际应用中电桥电路的凋零电路即使是相同型号的电阻应变片，其阻值也有细小的差别，因此在测量前，电桥的四个桥臂电阻不完全相同，桥路可能不平衡（即有输出电压），这必然会造成测量误差。针对这种情况，在应变式电阻传感器的实际应用中，总采用在原基本电路上加调零电路的方法尽量减少测量误差。图1.3为电桥电路的调零电路。该调零电路中Ra即为调零电阻，调节Ra的大小即可实现对测量电路进行调试，减小测量误差。图1.3直流电桥调零电路1.3.3 传感器的温度补偿在应变式电阻传感器的实际应用中，如果不采取一些措施，则温度变化对传感器输出值的影响比较大，将产生较大的误差。减小、消除这种误差，或对它进行修正，以求出仅由应变引起的电桥输出的措施，称为温度补偿。在应变式电阻传感器中常采用桥路自补偿法。当桥路是双臂半桥或全桥形式时，电桥相邻两臂的电阻随温度变化幅度和方向均相同，相互抵消，从而达到桥路温度自补偿的目的。这种补偿方式就称为桥路自补偿法。桥路自补偿法可分为串联补偿和并联补偿。图1.4中（a）为串联补偿电路;（b）为并联补偿电路。 图1.4 （a）串联补偿电路 （b）并联补偿电路 2集成功率放大器由于传感器检测后输出的电信号非常小不足以触发元器件正常工作，因此需要用放大器对此微小信号进行必要的放大，在该系统中采用集成功率放大器。随着集成电路技术的发展，作为低频功率放大电路的集成电路也越来越多。集成功率放大器（简称集成功放）与分立元件的功放相比有许多突出的优点，它的性能好、体积小、功耗低、可靠性高、价格便宜。除此之外，还由于集成功放把所有三极管制作在一块硅片上，三极管的对称性和静态电流都处于最佳状态，所以失真度小，稳定性好。目前，集成功率放大器的品种繁多，输出功率从几瓦、几十瓦至几百瓦都有，已广泛用于各种电子仪器、通信设备、试听电器产品等，成为通用的模拟集成电路的重要组成部分。2.1功率放大电路的定义功率放大电路是最常用的一种放大电路。常用的电子电路和电子设备中的放大电路通常由输入级、中间级和输出级组成的多级放大器来构成的。由于负载可以是不同类型的装置。这就要求连接负载的输出级要提供足够的驱动负载的能力。由于输出级要求有一定的信号功率输出，所以一般由向负载提供功率放大的电路来构成。这类主要用于向负载提供功率的放大电路称为功率放大电路。2.2功率放大器的原理及其参数从电路结构看，集成功效是由集成运放发展而来的，它包括前置级、中间级和功率输出级及辅助电路（如稳压电路、过流过压保护电路、静噪电路等）。如图2.1所示为SHM1150II型集成功率放大器的内部电路图。图2.1 SHM1150II型集成功率放大器内部电路图由图可见，集成功放由VT1和VT2组成差分形式的输入级；VT4和R8构成电压跟随器；VT5以电源流I2作为有源负载构成高增益的中间放大级，同时完成将VT1和VT2上的输出信号传递到后级；VT7和VT8为互补对称电路，用于驱动VMOS管VT9和VT10，作为最后的输出级。整个电路类似于OCL工作状态，同时电路中采取了很多提高电路性能的措施，如：适当正偏以减小交越失真，VT6、R9、R10组成UBE扩大电路，其作用是为VT7、VT8提供适当的直流偏置。整个电路依靠RF和R2引入负反馈来稳定增益和静态工作点。集成功率放大电路是较为先进的功率放大电路，由于其输出级采用VMOS管，是输出级功率得到了很大的提高。它的特点是，输出功率大、效率高，应用十分方便，接上电源即可作为双电源功率放大电路直接使用。该应用电路简单，可在±12V±15V电压下工作，电路最大输出功率可达150W。图2.2为SHM1150II型集成功率放大器的外部接线图。图2.2 SHM1150II型集成功率放大器外部接线图。3电压比较器由于机车车轴在一些正常情况下，如机车启动或停机也会照成车轴的晃动而也产生微小的电信号但此信号非常微小不足以照成车轴的损坏因此需要一个参考电信号与车轴变形所产生的电信号进行比较判断是否需要报警并对机车做必要的控制。电压比较器即是将此信号电压和参考电压进行比较的必要环节，在两者幅度相等时，输出电压产生跳变，借以判别输出信号电压的相对大小。进行信号幅度比较时，输入信号是连续变化的模拟量，但输出电压只有两种状态：整的最大值和负的最大值。3.1电压比较器的功能.比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：当”输入端电压高于”输入端时，电压比较器输出为高电平；当”输入端电压低于”输入端时，电压比较器输出为低电平。3.2电压比较器的原理及作用它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。简单的电压比较器结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，因此我们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有：滞回比较器和窗口比较器。运放，是通过反馈回路和输入回路的确定“运算参数”，比如放大倍数，反馈量可以是输出的电流或电压的部分或全部。而比较器则不需要反馈，直接比较两个输入端的量，如果同相输入大于反相，则输出高电平，否则输出低电平。电压比较器输入是线性量，而输出是开关（高低电平）量。一般应用中，有时也可以用线性运算放大器，在不加负反馈的情况下，构成电压比较器来使用。 简单地说，电压比较器是对两个模拟电压比较其大小（也有两个数字电压比较的，这里不介绍），并判断出其中哪一个电压高，如图1所示。图1（a）是比较器，它有两个输入端：同相输入端（“+”端）及反相输入端（“-”端），有一个输出端Vout（输出电平信号）。另外有电源V+及地（这是个单电源比较器），同相端输入电压VA，反相端输入VB。VA和VB的变化如图1（b）所示。在时间0t1时，VAVB；在t1t2时，VBVA；在t2t3时，VAVB。在这种情况下，Vout的输出如图1（c）所示：VAVB时，Vout输出高电平（饱和输出）；VBVA时，Vout输出低电平。根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。如果把VA输入到反相端，VB输入到同相端，VA及VB的电压变化仍然如图1（b）所示，则Vout输出如图1（d）所示。与图1（c）比较，其输出电平倒了一下。输出电平变化与VA、VB的输入端有关。图2（a）是双电源（正负电源）供电的比较器。如果它的VA、VB输入电压如图1（b）那样，它的输出特性如图2（b）所示。VBVA时，Vout输出饱和负电压。如果输入电压VA与某一个固定不变的电压VB相比较，如图3（a）所示。此VB称为参考电压、基准电压或阈值电压。如果这参考电压是0V（地电平），如图3（b）所示，它一般用作过零检测。比较器的工作原理:比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。图4（a）由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压VA经分压器R2、R3分压后接在同相端，VB通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与VA、VB及4个电阻的关系式为：Vout=（1+RF/R1）·R3/（R2+R3）VA-（RF/R1）VB。若R1=R2，R3=RF，则Vout=RF/R1（VA-VB），RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0（相当于R1、R2短路），R3=RF=（相当于R3、RF开路）时，Vout=。增益成为无穷大，其电路图就形成图4（b）的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。从图4中可以看出，比较器电路就是一个运算放大器电路处于开环状态的差分放大器电路。同相放大器电路如图5所示。如果图5中RF=，R1=0时，它就变成与图3（b）一样的比较器电路了。图5中的Vin相当于图3（b）中的VA。4 报警系统经电压比较器比较判断传感器检测到扭力所转化的电信号是足够大并会对车轴造成损坏，如果该车轴所受到的扭力足以对车轴造成损坏则此时需要报警系统对此危险情况进行报警以警示工作人员或安保人员该对机车停机并进行必要的检修工作，以防止发生不必要的损坏。4.1 报警系统的概述随着现代化工业企业的发展，高速机车作为当今世界高新技术的一项重大成就，以其安全性能好、速度快、能源消耗低、环境污染低、经济效益好等不可相比的优越性成为、安全可靠的现代化设备。而对其车轴进行状态检测和故障诊断 是确保高速机车安全运行的重要手段。 报警装置在这整个环节中起到了关键性的作用，它起到了通知工作人员对机车设备进去安全处理的作用。报警系统通常由检测器、信号传输信道、报警器、控制器组成，如图4-1所示。检测器信道 控制器 信道报警中心 图 4-1 报警系统组成框图（1） 检测器 检测器的作用是检测高速机车车轴的工作状态及其安全性。（2） 信道信道是检测电信号的传输通道。信道的种类比较多，通常分为有线信道和无线信道。（3） 控制器 报警控制器是控制和处理信号的重要环节。（4） 报警中心为了实现区域性的防范，把几个需要防范的区域连接到一个报警中心，称为报警中心。各个区域报警控制器的电信号，通过电话线、电缆、光缆或无线电波传到控制中心，同样，控制中心的命令或指令回送到各个区域的报警值班室，一旦出现危险情况，可以集中力量对危险区域进行必要的处理并提示其他安全区域。以加强防范力度。4.2 报警器报警器用于对危险信号的转换，转换声或光报警，以引起工作及保安人员的警觉并对机车装置进行必要的处理。按对报警器的控制通常分为人工报警和自动报警。(1)人工报警一般装置中都装有用于人工报警的按钮，按下此按钮即进行了人工报警。人工报警是为了防止自动报警装置坏损时未能对故障现象进行报警须人工进行报警以防止危险事故的发生。（2）自动报警 自动报警是利用检测元件检测到的危险信号对报警装置进行控制，控制其工作与否，能够直接或间接接收检测元件发出的信号，并发出声、光报警，同时可以联动控制机车的运行状态，以供维修或维护人员进行安全检查或装置更换，从而保障工作人员的人身和设备等的财产安全，避免降低不必要的损失。图4.2为报警系统电路图。图4.2报警系统图5 总结本论文在老师的悉心指导和严格要求下已完成，从课题的选择到具体构思和内容，无不凝聚着老师的心血和汗水。通过这次毕业设计，我对传感器原理及实用技术、电子技术基础与电力电子技术等这三年所学的知识有了更深刻的了解，这次毕业设计，让我重温了过去学过的知识，通过画图对Protel99软件的使用掌握的更加熟练，通过自己不断的查阅资料和对指导老师的咨询，我得到了很多课本上无法学到的东西。这次设计的经历也使我终身受益，我感受到做设计是要真正用心去做的一件事，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫毕业设计了。这次做设计的经历能够激励我前进，让我了解到理论与实践之间的差距。拉近了我们与实践之间的距离，让我们更好的适应未来的工作岗位。为我将来的工作打下了坚实的基础，我会在将来的学习工作中继续延续这种坚持不懈，精益求精的精神。我在这次的课题设计中收获很多，谢谢指导老师的悉心指导，我会更加努力的。参考文献1 刘伟.传感器原理及实用技术. 电子工业出版社，2006.32 唐程山.电子技术基础. 高等教育出版社，2004。43 陈梓城. 模拟电子技术基础.