砂箱顯示與實際不一致的技術原理研究

張樹森，沈正建，宮慶鈺

（中車唐山機車車輛有限公司服務事業部，河北唐山，063000）

0 引言

車輛裝有砂位顯示器，用于顯示砂箱內砂碩的高低位。運營中頻繁發生砂位顯示與砂箱內砂位不一致的問題，影響砂粒漏加注作業。而車輛運行交路長，在冰雪、凍雨等惡劣天氣對動性能要求更加嚴格。撒砂系統對于車輛制動性能有著良好的改善作用，通過改善輪軌之間的粘著系數實現防止車輪空轉和滑行的目的，有效避免擦輪和踏面擦傷。通過對故障梳理分析開展研究，獲取最佳解決方案并推廣應用。提高核心技術的同時，又降低生產維護成本，同時創造一定的經濟效益和良好的社會效益。

1 砂箱及傳感器工作原理分析

1.1 砂箱工作原理分析

砂箱系統主要由箱體、砂位傳感器、砂位顯示器和控制電路等組成。工作電壓為110VDC。通過砂位傳感器對撒砂系統砂粒檢測值實現砂位顯示功能：砂位≥90%時，傳感器（SQ1）常開觸點閉合，綠色指示燈點亮，表示砂已加滿；砂位處于90%＞砂位≥50%時，傳感器（SQ2）將感應并將常開觸點閉合，黃色指示燈點亮，表明砂箱儲砂量不低于砂箱容積的一半；砂位＜50%時，傳感器（SQ2）將感應并將常開觸點斷開，紅色指示燈點亮，表明砂箱儲砂量低于砂箱容積的一半，提示系統加砂，砂位顯示原理如題1 所示。

1.2 砂位傳感器工作原理分析

砂箱砂位傳感器也稱位置傳感器，是通過檢測確定砂箱內砂位是否已經到達某一位置。因此，它只需要產生能反應砂位狀態的開關量，電容式位移傳感器由振蕩電路、開關電路及放大輸出電路組成。傳感器的感應面由兩個同軸金屬電極構成，很像打開的電容器電極，該兩電極構成一個電容，串接在RC 振蕩回路中。電源接通時，RC 振蕩器不振蕩，當砂箱內砂碩朝著電容器的電極靠近時，電容器的容量增加，傳感器內的振蕩電路開始啟振，通過傳感器后級電路的處理，將傳感器振蕩電路停振和振蕩兩種信號轉換成開關量信號，從而起到檢測砂箱內砂位位置的目的。砂箱位置傳感器電路Cw為內部頻率/電壓轉換器的電容值，其值與電容傳感器的最大電容量成一定比例。由于傳感器的最大電容值約100Pf，故在本電路中Cw=62 Pf，電阻Rcm 和Rcw 與充放電的大小有關，取固定數值Rcm=250k 歐姆，Rcw=500 歐姆，Cf2、Cf2=21nf為低通濾波器電容，電阻R1-R5 組成電阻網絡，通過該網絡調節輸出電壓信號的零點與滿度，其中R2、R4、R5 為固定電阻，阻值為100K 歐姆，調節R1、R3 增強傳感器感應靈敏度及使電容傳感器輸出電壓穩定化，通過轉換電路輸出與所檢測到的砂位相對應的開關量信號。

圖1 砂位顯示原理

圖2 砂位傳感器數字信號處理電路

1.3 砂位傳感器失效原因分析及解決方案

砂位傳感器檢測靈敏度的可調性，產品出廠時調至最佳狀態，但運輸震動等原因造成可調電位器阻值變化。傳感器發送信號后經石英砂反射回傳感器接收端，石英砂多邊形碎小面對發射信號存在游離性不規則散射的信號衰減，造成傳感器接收端無法全部接收信號，導致沙箱砂位顯示與實際沙位不一致的問題產生。故采取如下改進措施：對傳感器電路R1 和R3 由可調式電位器變更為固定式電阻，通過對零點和滿度的校準，使信號的校準更加準確。通過計算和測試試驗結果，傳感器電路R1 可調式電位器由原來的22K? 變更為固定式電阻R1=22.39K?；傳感器電路R2 可調式電位器由原來的100K? 變更為固定式電阻R3=58.54K?。

對于傳感器電源輸入容易產生傳導和耦合干擾導致傳感器失效問題，在芯片電源6 腳輸入端與地之間增加一支容量為0.1pf 的電容，使其組成簡單的抗干擾電路，濾除輸入電源的傳導電磁干擾耦合電磁干擾，改善傳感器電路檢測、轉換、放大和輸出抗干擾能力，使其工作更加穩定可靠，砂位傳感器電路改進如圖3 所示。

圖3 砂位傳感器電路改進

2 解決方案驗及證測試

對失效砂位傳感器進行了實際模擬測試，傳感器為常開式，將砂位傳感器檢測端面與障礙物檢測距離（靈敏度）設定為2~8mm 內移動，傳感器始終處于常開狀態；將將砂位傳感器檢測端面與障礙物檢測距離＜2mm，傳感器始終處于常開狀態；將將砂位傳感器檢測端面與障礙物檢測距離＞8mm，傳感器始終處于常開狀態，圖4（左）失效測試波形。解決方案實施后按照對失效砂位傳感器進行了標準進行實際模擬測試，測試驗證，當砂碩移向接近傳感器時，砂碩和傳感器的介電常數發生了變化，測量、轉換電路狀態也隨之發生變化，能夠控制潵砂系統開關的接通和關斷， LED 顯示燈隨之點亮或熄滅，圖4（右）改進后測試波形。

圖4 （左）失效測試波形，（右）改進后測試波形

3 結語

綜上改進和試驗測試結果表明，通過對砂箱砂位傳感器電路中將可調式電阻變更為固定式電阻，使其不受振動位移而改變阻值，在電源輸入端增加線-地Y 電容，提升了傳感器檢測靈敏度，砂位傳感器更加穩定可靠的工作，該問題得到徹底解決。