CN207703894U - 用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置，与监控主机通信连接，包括三维加速度传感器、信号电缆、电缆连接器、接头以及电缆护套管，所述三维加速度传感器通过电缆连接器与信号电缆的一端通信连接，所述信号电缆的外周设置所述电缆护套管，所述信号电缆的另一端通过接头与监控主机通信连接。有益效果：用模块化电路和结构设计思路，简单可靠，产品易于批量生产。

Description

用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体涉及一种用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置。

背景技术

对于高铁运行的稳定性，我们可以从三个指标来考察。第一个指标是纵向稳定性，包括列车起停时、加减速时、匀速运行时的平稳性；第二个指标是横向稳定性，主要反应列车的左右摇摆；第三个指标是垂向稳定性，主要是反应列车的上下颠簸。

第一个指标，纵向稳定性，涉及到两个概念。第一个概念是加速度(减速度)，反映的是速度变化的快慢；第二概念叫加加速度(减减速度)，反应的是加速度 (减速度)变化的快慢。前一个的单位是米/秒²，后一个单位是米/秒³。

而能够反映高速列车纵向平稳性的指标，就是加加速度或者减减速度，当然列车匀速运行时这个值肯定比较小，能够反映出列车纵向平稳性水平的就是在列车起步时或者停站时。

第二个指标，横向稳定性，横向稳定性也就是左右晃动。在这个指标上，中国的高铁列车控制得也非常严格。还是以CRH380A型高速动车组为例，在列车以时速300公里运行时，要求客室中部的横向最大加速度只有0.42米/秒²。

第三个指标，垂向稳定性，垂向稳定性，也就是上下颠簸。

对于列车的纵向平稳性，起决定作用的，首当其冲的是列车，但是对于列车横向与垂向稳定性，起决定作用的却是高铁线路。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供了一种用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置，具体由以下技术方案实现：

所述用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置，与监控主机通信连接，包括三维加速度传感器、信号电缆、电缆连接器、接头以及电缆护套管，所述三维加速度传感器通过电缆连接器与信号电缆的一端通信连接，所述信号电缆的外周设置所述电缆护套管，所述信号电缆的另一端通过接头与监控主机通信连接。

所述用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置的进一步设计在于，所述三维加速度传感器包括外壳、壳盖、AB硅胶、设有通孔的半封闭内壳以及线路板，所述内壳设于所述外壳内，所述线路板设于内壳中与信号电缆通信连接，所述线路板由PCB底板、PCB侧板组件以及PCB顶板组成，PCB底板水平地固定于外壳上且PCB底板上设有Z轴加速度芯片，PCB侧板组件由三块 PCB板组成，分别为设有X轴加速度芯片的第一PCB侧板、设有Y轴加速度芯片的第二PCB侧板以及设有将三路电压信号转为电流信号的第三PCB侧板，所述第一PCB侧板、第二PCB侧板以及第三PCB侧板设置于PCB底板与PCB顶板之间且均垂直于PCB底板与PCB顶板，第二PCB侧板与第三PCB侧板垂直于第一PCB侧板设置，内腔内灌入所述AB硅胶。

所述用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置的进一步设计在于，所述内壳通过尼龙螺柱和螺栓及环氧板将PCB板组件和外壳进行隔离，所述PCB底板通过黑环氧树脂与壳体进行固定，X轴加速度芯片通过水平柱泡调整芯片的水平，PCB侧板与PCB底板通过直角钢尺调整姿态以确保彼此之间的垂直正交。

所述用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置的进一步设计在于，PCB底板上还设有：

AD采样转换电路，分别接收三轴加速度芯片采集的模拟信号，并转化为三路数字信号输出；

微处理器，通过反矩阵算法对三路数字信号正交垂直特性做出修正，并根据一阶滤波算法，对频率响应做出补偿；

自检检测电路，接收处理器通过继电器给的切换信号，根据切换信号控制自检检测电路内部电子开关的切换并作用于微处理器中断口，最终输出自检电流信号。

所述用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置的进一步设计在于，第三PCB侧板上设有DA电流源，根据微处理输出的控制信号，输出所述数字信号对应线性电流。

所述用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置的进一步设计在于，所述PCB顶板上设有电源防护及变换电路，所述电源防护及变换电路包含防反接单元、抗浪涌器件、低压差线性稳压变换器、慢熔断限流保险丝，所述慢熔断限流保险丝、抗浪涌器件、低压差线性稳压变换器以及防反接单元依次电连接；所述抗浪涌器件包括热敏电阻、第一电感以及稳压二极管，所述热敏电阻、第一电感以及稳压二极管相互两两连接；所述低压差线性稳压变换器包括第二电感、电容以及第三电感，所述第二电感、电容以及第三电感依次串接；所述防反接单元为二极管。

所述用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置的进一步设计在于，PCB板组件上的焊点和信号电缆的引线之间用软线连接，所述软线穿过所述通孔。

所述用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置的进一步设计在于，PCB底板与PCB顶板为双层PCB板结构，双层PCB板之间采用尼龙螺栓和螺柱连接，两层PCB板分别对应地设置有电源电路部分和信号处理电路部分。

所述用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置的进一步设计在于，信号电缆为多芯镀锡带屏蔽导线。

所述用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置的进一步设计在于，所述电缆连接器包括紧线护套、接插件连接器以及出线端，所述紧线护套、接插件连接器以及出线端依次连接，所述接插件连接器与信号电缆相连。

所述用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置的进一步设计在于，信号电缆通过喉箍与接头连接，所述接头为哈丁插头。

本发明的优点如下：

本发明的用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置的电源电路经过稳压分别给三路正交垂直的微机械(MEMS)电容式加速度计和微处理器供电，三路加速度计的差分信号经过衰减并AD采样后，经过微处理器内部算法用于正交垂直修正和频响补偿，用SPI口DA输出三路电流信号，自检信号由外部处理器给出，对应各路反馈负满量程时的电流输出，实现对三轴方向的平稳加速度的测量。传感器金属外壳和护套管作为防护和屏蔽，线缆及连接器与平稳舒适检测系统连接。该装置利用成熟的加速度计芯片，采用模块化电路和结构设计思路，简单可靠，产品易于批量生产。

附图说明

图1是用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置的结构示意图。

图2是微机械电容式加速度计结构示意图。

图3是电源防护及变换电路的电路图。

图4为传感器敏感度方向及坐标系示意图。

图5为加速计单元的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请进一步说明。

如图1，本实施例的用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置，与监控主机通信连接，包括三维加速度传感器、信号电缆8、电缆连接器、接头 11以及电缆护套管9，三维加速度传感器通过电缆连接器与信号电缆的一端通信连接，信号电缆的外周设置电缆护套管，信号电缆的另一端通过接头与监控主机通信连接。

本实施例的三维加速度传感器主要由外壳1、壳盖4、内壳盖3、AB硅胶、设有通孔的半封闭内壳2以及线路板组成。内壳2设于外壳内，线路板设于内壳 2中，内壳盖3封盖于内壳2上并在内壳2内灌入AB硅胶以扩大腔体尺寸，方便电路板安装和固定。线路板由PCB底板14、PCB侧板组件以及PCB顶板16 组成。PCB底板14水平地固定于外壳1上且PCB底板14上设有Z轴加速度芯片，PCB侧板组件由三块PCB板组成，分别为设有X轴加速度芯片的第一PCB侧板18、设有Y轴加速度芯片的第二PCB侧板15以及设有将三路电压信号转为电流信号的第三PCB侧板17。第一PCB侧板18、第二PCB侧板15以及第三PCB侧板17设置于PCB底板14与PCB顶板16之间且均垂直于PCB底板 14与PCB顶板16。第二PCB侧板15与第三PCB侧板17垂直于第一PCB侧板 18设置。内腔内灌入所述AB硅胶。本实施例中PCB底板14与外壳1的一端面固接，外壳1的另一端面固接壳盖4。内壳2相对顶板的一侧设有内壳盖3。

本实施例中的三轴(三轴分别指X轴、Y轴以及Z轴)加速度芯片采用20pin LCC封装，封装为贴片，灵敏度方向轴向垂直于传感器底面，以箭头作用于传感器底面的方向为正向，参见图4。考虑到传感器是安装测量车厢底部下，测试垂向、航向、纵向方向加速度，PCB制图时将三轴加速度芯片14置于壳体的三轴正交角落刚性固定处，且三轴加速度芯片14的PCB板需正交垂直安装。

三轴加速度芯片的加速计单元如图5，主要由质量块142、电极143、基底 141以及支撑架144。电极143设置于基底141上，质量块142通过支撑架144 支撑于基底141上形成杠杆件，质量块142与电极143间留有间隙。

进一步的，内腔通过尼龙螺柱和螺栓及环氧板将PCB板组件和外壳1进行隔离，三轴加速度芯片14通过黑环氧树脂与壳体进行固定，三轴加速度芯片在固定前使用水平柱泡和直角钢尺调整芯片的水平和PCB板之间的垂直正交。

如图4，本实施例的三轴平稳检测加速度传感器外壳采用不锈钢金属，外形为方形，传感器有2个Ф11定位孔，安装孔垂直于安装面，孔距为98mm，三轴检测方向为平行或垂直于2个定位孔连线方向。

本实施例的三轴加速度芯片14为微机械(MEMS)电容式加速度计。微机械电容式加速度计其敏感部位为差分电容结构，可利用差分电容的变化来反映被测加速度信号的情况，其结构由惯性敏感单元和伺服电子线路两部分组成，参见图2。

如图1，PCB板14是PCB板底板，上面有Z轴加速度芯片电路和CPU单片机电路；PCB板15和PCB板18均为侧板，PCB板15上设有Y加速度芯片电路轴，PCB板18上设有X轴加速度芯片电路；PCB板17是VI板，用于将三路电压信号转为电流信号；PCB板16是电源电路板，上面有保护和稳压电路。

PCB板底板14上含有：AD采样转换电路、微处理器以及自检检测电路。其中，AD采样转换电路，分别接收三轴加速度芯片采集的模拟信号，并转化为数字信号输出。本实施例的AD采样转换电路的采样率可达100KHZ，取其差值送微型处理器处理。考虑到电路的简化和技术规格书要求，可选用带AD采样的系列单片机，它是使用增强型CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051，工作电压3.5V～5.5V，片上集成1280字节RAM，有8路12位精度ADC，转换速度可达250K/S，有内部EEPROM。

微处理器，通过反矩阵方案通过反矩阵算法对三路数字信号正交垂直特性做出修正，并根据一阶滤波算法，对频率响应0-100HZ(-3DB)做出补偿。

自检检测电路接收处理器通过继电器给的切换信号，电流输出对应反馈负满量程时的输出。利用电子开关特性，受端口电平控制开关切换，作用于微处理器中断口，同时三路电流源输出自检电流信号。

第三PCB侧板17上设有DA电流源，根据微处理输出的控制信号，输出数字信号对应线性电流。本实施例的DA电流源输出选用AD5420转换器，它是低成本、精密、完全集成的16位转换器，提供可编程电流源输出，可满足工业过程控制应用的需求。

考虑到电缆引线较硬，焊在线路板上如遇到振动环境产生应力，出现断裂虚焊的可能，本实施例在PCB板组件上的焊点和信号电缆的引线之间用软线连接，软线穿过通孔。

根据导线的外径合理的设计壳体输出端口的口径，导线要套上两组密封圈和垫圈，再用水密接头拧紧，在确保符合防护等级IP67的前提下，达到装配容易。

PCB板14、15、16以及18均为双层PCB板结构，双层PCB板之间采用尼龙螺栓和螺柱连接，两层PCB板分别对应地设置有电源电路部分和信号处理电路部分。实现数字电路和模拟电路分离，利于电磁兼容抗干扰性。另一方面，PCB 板上留出空间方便壳体引线端口线接入，避免线缆全堵在接线端头的弊病，既不方便接线，也不利于电路板的安装。

信号电缆的电缆线芯为多芯镀锡带屏蔽导线，符合标准EN50306-4。传感器自带电缆(包括连接器)长度不小于1500mm，线径规格：7×0.75mm²。

电缆连接器包括紧线护套5、接插件连接器6以及出线端7，紧线护套5、接插件连接器6以及出线端7依次连接，接插件连接器与信号电缆相连。

信号电缆通过喉箍10与接头11连接，接头11为哈丁插头。本实施例选用与接头相适配的专用插座，为19400030410，HARTING品牌插座，防护等级为 IP67。

如图3，PCB板组件还包括电源防护及变换电路，电源防护及变换电路包含防反接单元、抗浪涌器件、低压差线性稳压变换器、慢熔断限流保险丝，慢熔断限流保险丝、抗浪涌器件、低压差线性稳压变换器以及防反接单元依次电连接；抗浪涌器件包括热敏电阻、第一电感以及稳压二极管，热敏电阻、第一电感以及稳压二极管相互两两连接；低压差线性稳压变换器包括第二电感、电容以及第三电感，第二电感、电容以及第三电感依次串接；防反接单元为二极管。本实施例的低压差线性稳压变换器选择LT3060，其特点微功率、低噪声、100mA、是低压差线性稳压器。

本实施例的电缆护套管材料为阻燃橡胶，电缆护套外径：20±2mm，最小弯曲半径100mm。本发明不限于阻燃橡胶材料，在选择电缆护套管材料时应充分考虑气耐油性、耐紫外线辐射性、耐击打性、柔韧性等特性并通过相关试验。

本实施例的用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置的电源电路经过稳压分别给三路正交垂直的微机械(MEMS)电容式加速度计和微处理器供电，三路加速度计的差分信号经过衰减并AD采样后，经过微处理器内部算法用于正交垂直修正和频响补偿，用SPI口DA输出三路电流信号，自检信号由外部处理器给出，对应各路反馈负满量程时的电流输出，实现对三轴方向的平稳加速度的测量。传感器金属外壳和护套管作为防护和屏蔽，线缆及连接器与平稳舒适检测系统连接。该装置利用成熟的加速度计芯片，采用模块化电路和结构设计思路，简单可靠，产品易于批量生产。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置，与监控主机通信连接，其特征在于包括三维加速度传感器、信号电缆、电缆连接器、接头以及电缆护套管，所述三维加速度传感器通过电缆连接器与信号电缆的一端通信连接，所述信号电缆的外周设置所述电缆护套管，所述信号电缆的另一端通过接头与监控主机通信连接；所述三维加速度传感器包括外壳、壳盖、AB硅胶、设有通孔的半封闭内壳以及线路板，所述内壳设于所述外壳内，所述线路板设于内壳中与信号电缆通信连接，所述线路板由PCB底板、PCB侧板组件以及PCB顶板组成，PCB底板水平地固定于外壳上且PCB底板上设有Z轴加速度芯片，PCB侧板组件由三块PCB板组成，分别为设有X轴加速度芯片的第一PCB侧板、设有Y轴加速度芯片的第二PCB侧板以及设有将三路电压信号转为电流信号的第三PCB侧板，所述第一PCB侧板、第二PCB侧板以及第三PCB侧板设置于PCB底板与PCB顶板之间且均垂直于PCB底板与PCB顶板，第二PCB侧板与第三PCB侧板垂直于第一PCB侧板设置，内腔内灌入所述AB硅胶。

2.根据权利要求1所述的用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置，其特征在于所述内壳通过尼龙螺柱和螺栓及环氧板将PCB板组件和外壳进行隔离，所述PCB底板通过黑环氧树脂与壳体进行固定，X轴加速度芯片通过水平柱泡调整芯片的水平，PCB侧板与PCB底板通过直角钢尺调整姿态以确保彼此之间的垂直正交。

3.根据权利要求2所述的用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置，其特征在于PCB底板上还设有：

AD采样转换电路，分别接收三轴加速度芯片采集的模拟信号，并转化为三路数字信号输出；

微处理器，通过反矩阵算法对三路数字信号正交垂直特性做出修正，并根据一阶滤波算法，对频率响应做出补偿；

自检检测电路，接收处理器通过继电器给的切换信号，根据切换信号控制自检检测电路内部电子开关的切换并作用于微处理器中断口，最终输出自检电流信号。

4.根据权利要求3所述的用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置，其特征在于第三PCB侧板上设有电流源，根据微处理输出的控制信号，输出所述数字信号对应线性电流。

5.根据权利要求1所述的用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置，其特征在于所述PCB顶板上设有电源防护及变换电路，所述电源防护及变换电路包含防反接单元、抗浪涌器件、低压差线性稳压变换器、慢熔断限流保险丝，所述慢熔断限流保险丝、抗浪涌器件、低压差线性稳压变换器以及防反接单元依次电连接；所述抗浪涌器件包括热敏电阻、第一电感以及稳压二极管，所述热敏电阻、第一电感以及稳压二极管相互两两连接；所述低压差线性稳压变换器包括第二电感、电容以及第三电感，所述第二电感、电容以及第三电感依次串接；所述防反接单元为二极管。

6.根据权利要求1所述的用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置，其特征在于PCB板组件上的焊点和信号电缆的引线之间用软线连接，所述软线穿过所述通孔。

7.根据权利要求1所述的用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置，其特征在于PCB底板与PCB顶板为双层PCB板结构，双层PCB板之间采用尼龙螺栓和螺柱连接，两层PCB板分别对应地设置有电源电路部分和信号处理电路部分。

8.根据权利要求1所述的用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置，其特征在于信号电缆为多芯镀锡带屏蔽导线。

9.根据权利要求1所述的用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置，其特征在于所述电缆连接器包括紧线护套、接插件连接器以及出线端，所述紧线护套、接插件连接器以及出线端依次连接，所述接插件连接器与信号电缆相连。

10.根据权利要求1所述的用于标准动车组三轴平稳舒适检测的加速度传感器装置，其特征在于信号电缆通过喉箍与接头连接，所述接头为哈丁插头。