基于STM32接触网弹性吊索张力检测装置的研制

刘仕兵，武 磊

(华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌 330013)



基于STM32接触网弹性吊索张力检测装置的研制

刘仕兵，武 磊

(华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌 330013)

针对电气化铁路接触网的建设和日常维护的需求，研制了一种便携式弹性吊索张力检测装置。将静力横张法测力原理作为测量张力的基本方法，以STM32F103C8T6作为主控芯片，完成了信号采集和处理电路、电源管理模块电路、按键与微处理器的接口电路、液晶显示接口电路等硬件电路的设计，并完成了整个系统的软件设计。最后通过实验，验证了该装置在测量弹性吊索张力方面具有较高的精度。该装置在实际使用中已取得了良好的效果。

接触网；弹性吊索；静力横张；张力；STM32

0 引言

在电气化铁路接触网系统中，弹性吊索的张力值是指导接触网施工和维护的重要参数，其对保障电力机车的安全可靠运行意义重大。弹性吊索的张力较难确定和控制，其张力大小直接关系到接触线的高度,影响弓网受流[1]。针对绳索的张力检测设备，国内外都开发了各自的产品，国外的索力检测设备大部分是基于静力平衡计算索的张力，但主要都是针对桥梁钢索张力测试，集成度小，抓拔系统不完备，量程大，不适于检测弹性吊索张力；国内的张力测试仪检测量程大，但精度不高，而且设备抗干扰性差，占用空间大，不便于携带，同样不适于弹性吊索张力的检测[2]。因此，针对电气化铁路接触网高电磁干扰环境、高空作业的特点，开发一款抗干扰性强、质量轻、体积小、便于携带的弹性吊索张力检测装置是行业发展的需要[3]。

1 测试方法设计

1.1 接触网弹性吊索

弹性吊索是弹性链型悬挂重要组成部件之一，它增加了定位弹性和稳定性，减少定位器重力对受电弓通过定位点时的作用力，有利于消除硬点，提高了电力机车受电弓取流质量[4]。其结构形式如图1所示。

图1 电气化接触网弹性吊索

弹性吊索安装时的张力约为1 kN[4]。安装好之后的弹性吊索张力均为3.5 kN，施工偏差控制在5%以内[5]。

1.2 张力测试原理

弹性吊索有效预应力的检测是依据静力横张原理，根据横张力T、横向位移δ和弹性吊索轴向力F、有效长度L之间的相互关系来实现[2]，其基本原理如图2所示。

图2 张力测试基本原理图

当系统处于平衡状态时：

T=2Fcosθ

(1)

吊索处于微小形变，θ接近于直角，由三角函数关系：

(2)

由式(1)和式(2)得到测量张力的基本原理：

(3)

式中：L和δ取决于仪器的机械结构；T由拉力传感器获得。

确定上述3个量之后，便可得到张力F。

2 系统方案设计

2.1 总体设计

如图3所示，接触网弹性吊索张力检测装置采用STM32F103C8T6作为主控单元，传感器采集到的张力数据经A/D转换后通过SPI数据传输协议送入主控制器进行数据处理，将处理后的数据实时显示在液晶显示器上，通过按键模块可以交互式地设置一些常用参数。超限量报警模块用来设置报警值。当测得的数据大于此值时就会发出警报，通过声音就可以判断张力值是否达到了设计值。数据存储模块分为EEPROM和SD卡，采用的高性价比的24C02 EEPROM对设置好的参数进行存储。SD卡用来存储获取的张力数据，方便数据的导出和查询；整个装置采用外部充电电池供电，需要对电池电量实时监测，并将电量数据显示在液晶屏上，及时告知用户电池电量使用情况。

图3 接触网弹性吊索张力检测装置总体方框图

2.2 硬件电路设计

硬件电路主要由信号采集和调理电路、电源管理模块电路、按键与微处理器接口电路、液晶显示接口电路等组成。

2.2.1 信号采集和调理电路设计

根据装置的设计外形和结构，传感器采用9 V电压供电、量程为20 kg的S型拉压力传感器，灵敏度为±2 mV/V，传感器输出电压变化范围±18 mV,其输出的是电压差分信号，增强抗干扰能力。考虑装置的测量精度和抗干扰要求，选择高性能的24位串行A/D芯片AD7190BRUZ，其精度高、低噪声内置可编程增益放大器和数字滤波器，可满足高精度测量需求[6]。如图4所示,S+、S-为传感器输出的差分信号，经过RC滤波送入AD7190进行信号放大、A/D转换和数字滤波，处理后的数据通过SPI接口送入微控制器做进一步的处理，将电压信号转化为张力值。AD7190外接4.92 MHz的高精度晶振，保证数据转换的正确。ADR421为A/D芯片提供2.5 V的参考电压。该芯片输出电压稳定，噪声低，保证了测量的精确性。

图4 数据采集与调理电路图

2.2.2 电源管理模块电路设计

整个装置需要3种电平：9 V，5 V和3.3 V。其中，9 V用来给传感器供电，5 V用作AD7190的模拟电源和电压基准芯片ADR421的输入电压，3.3 V用作AD7190的数字电源及24C02等芯片的供电。电源管理模块电路如图5所示。传感器供电采用低噪声的线性电源芯片ADP7102-9，降低了电源对传感器的干扰；AD7190模拟电源供电选用LP2985a-50DBV，是从抗干扰和效率的综合考量；高效率的开关电源芯片LM2841YMK给3.3 V芯片供电，延长电池的使用时间。

图5 电源管理模块电路图

2.3 软件设计

软件设计采用模块化的软件设计技术，将整个系统按照需要实现的不同功能分为若干模块，然后依次对各个模块分别编程、调试，最后将各个模块集成。软件的开发在keil 5.0环境下完成，将完成后的程序烧入STM32F103C8T6的FLASH存储器。其主程序流程图如图6所示，系统上电后先进行初始化，包括主控制器和外围设备的初始化，初始化完毕后进入主界面，并调用A/D采集模块进行数据采集和处理。然后扫描按键的用户输入，当有按键按下时，则进入相应的功能模块，处理完之后再回到主界面。当系统错误地判断有按键按下时，就会提示出错并重新初始化。

3 实验与结果分析

硬件电路设计完成后，将整个系统的软件经过开发环境生成的.hex文件烧录到STM32中，为了验证装置核心模块测力的准确性，将500 N的重物压在S型拉压力传感器(拉为正，压为负)上，可以从液晶看出显示的为-499 N，其相对误差0.2%，达到了较高的精度。其初步实验图如图7所示。

将核心模块集成到装置内部，装置外壳采用合金材料，质量轻并有效屏蔽了外界的电磁干扰，保证核心模块可靠地工作。为了进一步验证该装置的实用性，将完成的装置按图8所示的原理图进行试验，经过对一组重物的测试，得到了如表1所示的实验数据。

图6 装置主程序流程图

图7 张力检测装置核心模块初步实验图

图8 张力测试装置实验原理图

表1 张力测量实验数据

分析表中的数据可知，在对不同的张力进行测量时，其相对误差也有所差异，但都保持在一个相对较小的范围内。由此验证了该装置设计的精度比较高，有较好的实用性。

4 结束语

本文开发了一款接触网弹性吊索张力检测装置，着重介绍检测原理和软硬件设计。该装置质量轻，成本低，操作简单，相对传统的张力测试方法有很强的替代性。目前，该装置运行稳定，保持在一个相对较高的测量精度，在实际生产中已投入使用，具有广阔的应用前景和良好的经济效益。

[1] 孙培胜，闫建斌，杨庆晨.弹性吊索安装对接触悬挂调整的影响.科技风，2012,(4):103,127.

[2] 蔡张杰.预应力钢索张力测试仪优化设计与分析：[学位论文].西安：长安大学，2013.

[3] 孙启富，孙运强，姚爱琴.基于STM32的通用智能仪表设计与应用.仪表技术与传感器，2010(10):34-36.

[4] 刘仕兵，王健.接触网.成都：西南交通大学出版社，2013.

[5] 铁道网.250 km/h～300 km/h高速接触网施工弹性吊索安装[EB/OL].(2010-05-24)[2014-12-09].http://trade.railcn.net/news/show.php?itemid=1830.

[6] 模拟器件公司.AD7190 datasheet[EB/OL].(2013-02-01)[2014-12-09].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7190.pdf.

Research and Fabrication of Tension Detection Device for Catenary Elastic Sling Based on STM32

LIU Shi-bing,WU Lei

(School of Electrical and Electronic Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

Aiming at the requirement of catenaries construction and routine maintenance,a portable tension detection device for catenary elastic sling was developed.Using static force lateral tensioning measurement principle as the basic method for measuring tension,and STM32F103C8T6 as the master chip,it completed the design of hardware circuit such as signal acquisition and conditioning,power management module,interface between buttons and a microprocessor,LCD interface and so on,and the software design of the whole system was also completed.Finally,through experiments,the higher accuracy of the instrument in measuring elastic sling tension was verified.The device has achieved good effect in actual use.

catenary;elastic sling;static force lateral tensioning;tension;STM32

2014-12-19 收修改稿日期：2015-01-24

TP274

A

1002-1841(2015)04-0036-02

刘仕兵(1970— )，副教授，主要研究方向为电气化铁路接触网技术。E-mail：liucyier@163.com 武磊(1989—)，硕士研究生，主要研究方向为电气化铁路接触网技术。E-mail：296529739@qq.com