CN113933541A - 一种微机械式失稳加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种微机械式失稳加速度传感器，属于轨道交通技术领域。微机械式失稳加速度传感器由双轴加速度计、电源转换电路、采集处理电路、电流输出电路四部分组成。通过在列车失稳监测系统中使用本发明，可以有效提高列车横向、纵向加速度测量的精度，同时具有实时性强，电路结构简单，体积小，安装灵活，性价比高，低功耗，抗干扰能力强等特点。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，具体涉及一种微机械式失稳加速度传感器。
背景技术
加速度传感器是列车实时监测系统中的重要组件，其安装在高速列车的多个关键位置，用于敏感列车运行过程中不同方向的加速度信息，车载实时监测系统通过分析传感器数据能有效控制行车状态。
高速列车在特定运行情况下会出现蛇形失稳的情况，严重时导致爬轨甚至脱轨事故，所以高速列车必须利用安装在转向架上的加速度传感器来监测蛇形失稳，以提前发现问题，提高列车高速运行的可靠性和安全性。目前的列车失稳监测系统中使用的加速度传感器存在体积大、精度低，反应速度较慢等问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种微机械式失稳加速度传感器，克服传统加速度传感器体积大，安装不灵活，监测精度较差等问题。
本发明提供了一种微机械式失稳加速度传感器，包括双轴加速度计、电源转换电路、采集处理电路、电流输出电路，所述双轴加速度计安装在列车转向架上与所述采集处理电路连接，用于敏感列车运行过程中的横向和纵向加速度；所述电源转换电路用于对电源进行转换并为所述双轴加速度计、采集处理电路和电流输出电路提供电源；所述采集处理电路，用于将所述双轴加速度计输入的模拟信号转换为数字信号，之后进行零偏校正和温度补偿，再将结果送入所述电流输出电路；所述电流输出电路，用于将所述采集处理电路输入的数据处理结果转换为电流信号送入列车失稳监测系统。
进一步地，所述采集处理电路还包括通信接口电路，用于外部电脑编程控制。
本发明与现有技术相比，可以克服传统加速度传感器体积大，安装不灵活，监测精度较差等问题，同时具有实时性强，电路结构简单，性价比高，低功耗，抗干扰能力强等特点。另外本发明具有外部编程接口，监测过程中便于对加速度监测数据进行误差补偿修正，进一步提高监测的精度。
附图说明
图1是微机械式失稳加速度传感器结构示意图；
图2是电路转换电路中+5V电源转换电路原理图；
图3是电源转换电路中稳压保护部分原理图；
图4是电源转换电路中+3.3V电源转换电路原理图；
图5是采集处理电路中加速度传感器信息采集电路原理图；
图6是采集处理电路中数模转换电路原理图；
图7是采集处理电路中数据处理电路原理图；
图8是采集处理电路中通信接口电路原理图；
图9是电流输出电路原理图。
具体实施方式
本发明微机械式失稳加速度传感器由双轴加速度计、电源转换电路、采集处理电路和电流输出电路四部分组成，下面结合附图对实施例进行进一步描述。
如图1所示，双轴加速度计1敏感列车运行过程中的横向和纵向加速度信息，将测量结果送入采集处理电路3。采集处理电路3处理后送入电流输出电路4，电流输出电路4将数据转换成电流信号后送入列车失稳监测系统，对列车的运行状态进行实时监控。电源转换电路2为双轴加速度计1、采集处理电路3、电流输出电路4和通信接口电路提供所需要的电源。外部电脑通过通信接口电路5对采集处理电路3中的单片机进行编程控制。
本发明使用ADXL278双轴加速度计，可动态、静态测量加速度。 ADXL278是一款被应用于汽车安全气囊的MEMS加速度传感器，使用该款加速度计作为加速度敏感元件，测量列车运行状态的横向、纵向加速度变化。
电源转换电路2完成电源转换和电源稳压保护。如图2所示，+5V 电源采用采用ADI公司的电源芯片ADP2303ARDZ-5.0，输入电压范围为3.0V～20V，输出电流最大3A，效率80％。内部各电源与地之间放置去耦电容滤波。在电源给各芯片供电时，使用磁珠衰减电磁干扰信号，主要信号线之间使用磁珠衰减干扰信号。
如图3所示，在电源转换电路2的稳压保护部分，为了防止瞬时过压脉冲，在电源的进入端增加可恢复保险，保护电子线路中的精密元器件免受损坏。并且在电源进入端增加两级差模滤波，滤除电源线上的干扰信号。
如图4所示，+3.3V电源由TI公司的线性稳压器LM1117IMPX-3. 3产生，内部各电源与地之间放置去耦电容滤波。在电源给各芯片供电时，使用磁珠衰减电磁干扰信号。电源输出端设置瞬态抑制二极管 TVS管抑制瞬间高脉冲。
采集处理电路3完成信号的采集处理功能，包括加速度传感器信息的采集、数据转换、数据处理、数据输出。
如图5、6、7所示，ADXL278双轴加速度计输出的加速度测量信号经过运算放大器AD823后，通过模数转换器AD7682，转换成数字信号，经SPI接口接入ARM单片机STM32F103C876，该单片机具有实时温度监测功能，最终由ARM单片机完成测量数据的处理工作，处理结果输出给电流输出电路4。
数据处理的具体过程是：
①将双轴加速度计1分别置于+1g和-1g两个姿态，在环境温度变化范围为-40℃-+85℃，温度变化速率为2℃/分钟的情况下，以 500次/秒的速率采集双轴加速度计1的输出电压Vout(+1g)和 Vout(-1g)。本实施例中温度循环6次；
②用公式
计算出特定温度t下零偏k0(t)；
③用公式
计算出特定温度t下标度因数 k1(t)；
④将第②步计算的零偏k0(t)和温度t代入公式 k0(t)＝α0+α1t+α2t2+…+αntn计算特定温度下的补偿系数α0至αn；
⑤将第③步计算的标度因数k1(t)和温度t代入公式k1(t)＝β0+β1t+β2t2+…+βntn计算特定温度下的补偿系数β0至βn；
⑥将第④步计算出的α0至αn代入公式 k0(t)＝α0+α1t+α2t2+…+αntn得出k0关于温度t的拟合函数 k0(t)；
⑦将第⑤步计算出的β0至βn代入公式 k1(t)＝β0+β1t+β2t2+…+βntn得出k1关于温度t的拟合函数 k1(t)；
⑧在双轴加速度计1输出Vout(a)时，由单片机读取实时温度t，再用公式
计算出实时加速度值。
上述步骤的①至⑤是在选定特定的双轴加速度计1时，事先计算补偿系数α0至αn，β0至βn。步骤⑥⑦⑧由单片机实时完成。
为了在外部对ARM单片机进行编程控制，还设置有通信接口电路 5，如图8所示。电路采用RS422接口电路，接口芯片选用美信公司的RS422接口芯片MAX3490EESA，供电电压为单电源+3.3VDC，全温范围内消耗功率为471mW，工作温度为-40℃～+85℃，差分信号传输通信，具有较强的抗干扰能力。
如图9所示，电流输出电路4实现电流输出功能。将ARM单片机输出的传感器信息处理结果转换成4-20mA的电流信号，4-20mA对应 -10g至+10g过载值。
本发明所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进均应落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种微机械式失稳加速度传感器，其特征在于，包括双轴加速度计(1)、电源转换电路(2)、采集处理电路(3)、电流输出电路(4)，所述双轴加速度计(1)安装在列车转向架上与所述采集处理电路(3)连接，用于敏感列车运行过程中的横向和纵向加速度；所述电源转换电路(2)用于对电源进行转换并为所述双轴加速度计(1)、采集处理电路(3)和电流输出电路(4)提供电源；所述采集处理电路(3)，用于将所述双轴加速度计(1)输入的模拟信号转换为数字信号，之后进行零偏校正和温度补偿，再将结果送入所述电流输出电路(4)；所述电流输出电路(4)，用于将所述采集处理电路(3)输入的数据处理结果转换为电流信号送入列车失稳监测系统。
2.根据权利要求1所述的微机械式失稳加速度传感器，其特征在于，所述采集处理电路(3)还包括通信接口电路(5)，用于外部电脑编程控制。
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