砂箱显示与实际不一致的技术原理研究

张树森，沈正建，宫庆钰

（中车唐山机车车辆有限公司服务事业部，河北唐山，063000）

0 引言

车辆装有砂位显示器，用于显示砂箱内砂硕的高低位。运营中频繁发生砂位显示与砂箱内砂位不一致的问题，影响砂粒漏加注作业。而车辆运行交路长，在冰雪、冻雨等恶劣天气对动性能要求更加严格。撒砂系统对于车辆制动性能有着良好的改善作用，通过改善轮轨之间的粘着系数实现防止车轮空转和滑行的目的，有效避免擦轮和踏面擦伤。通过对故障梳理分析开展研究，获取最佳解决方案并推广应用。提高核心技术的同时，又降低生产维护成本，同时创造一定的经济效益和良好的社会效益。

1 砂箱及传感器工作原理分析

1.1 砂箱工作原理分析

砂箱系统主要由箱体、砂位传感器、砂位显示器和控制电路等组成。工作电压为110VDC。通过砂位传感器对撒砂系统砂粒检测值实现砂位显示功能：砂位≥90%时，传感器（SQ1）常开触点闭合，绿色指示灯点亮，表示砂已加满；砂位处于90%＞砂位≥50%时，传感器（SQ2）将感应并将常开触点闭合，黄色指示灯点亮，表明砂箱储砂量不低于砂箱容积的一半；砂位＜50%时，传感器（SQ2）将感应并将常开触点断开，红色指示灯点亮，表明砂箱储砂量低于砂箱容积的一半，提示系统加砂，砂位显示原理如题1 所示。

1.2 砂位传感器工作原理分析

砂箱砂位传感器也称位置传感器，是通过检测确定砂箱内砂位是否已经到达某一位置。因此，它只需要产生能反应砂位状态的开关量，电容式位移传感器由振荡电路、开关电路及放大输出电路组成。传感器的感应面由两个同轴金属电极构成，很像打开的电容器电极，该两电极构成一个电容，串接在RC 振荡回路中。电源接通时，RC 振荡器不振荡，当砂箱内砂硕朝着电容器的电极靠近时，电容器的容量增加，传感器内的振荡电路开始启振，通过传感器后级电路的处理，将传感器振荡电路停振和振荡两种信号转换成开关量信号，从而起到检测砂箱内砂位位置的目的。砂箱位置传感器电路Cw为内部频率/电压转换器的电容值，其值与电容传感器的最大电容量成一定比例。由于传感器的最大电容值约100Pf，故在本电路中Cw=62 Pf，电阻Rcm 和Rcw 与充放电的大小有关，取固定数值Rcm=250k 欧姆，Rcw=500 欧姆，Cf2、Cf2=21nf为低通滤波器电容，电阻R1-R5 组成电阻网络，通过该网络调节输出电压信号的零点与满度，其中R2、R4、R5 为固定电阻，阻值为100K 欧姆，调节R1、R3 增强传感器感应灵敏度及使电容传感器输出电压稳定化，通过转换电路输出与所检测到的砂位相对应的开关量信号。

图1 砂位显示原理

图2 砂位传感器数字信号处理电路

1.3 砂位传感器失效原因分析及解决方案

砂位传感器检测灵敏度的可调性，产品出厂时调至最佳状态，但运输震动等原因造成可调电位器阻值变化。传感器发送信号后经石英砂反射回传感器接收端，石英砂多边形碎小面对发射信号存在游离性不规则散射的信号衰减，造成传感器接收端无法全部接收信号，导致沙箱砂位显示与实际沙位不一致的问题产生。故采取如下改进措施：对传感器电路R1 和R3 由可调式电位器变更为固定式电阻，通过对零点和满度的校准，使信号的校准更加准确。通过计算和测试试验结果，传感器电路R1 可调式电位器由原来的22KΩ 变更为固定式电阻R1=22.39KΩ；传感器电路R2 可调式电位器由原来的100KΩ 变更为固定式电阻R3=58.54KΩ。

对于传感器电源输入容易产生传导和耦合干扰导致传感器失效问题，在芯片电源6 脚输入端与地之间增加一支容量为0.1pf 的电容，使其组成简单的抗干扰电路，滤除输入电源的传导电磁干扰耦合电磁干扰，改善传感器电路检测、转换、放大和输出抗干扰能力，使其工作更加稳定可靠，砂位传感器电路改进如图3 所示。

图3 砂位传感器电路改进

2 解决方案验及证测试

对失效砂位传感器进行了实际模拟测试，传感器为常开式，将砂位传感器检测端面与障碍物检测距离（灵敏度）设定为2~8mm 内移动，传感器始终处于常开状态；将将砂位传感器检测端面与障碍物检测距离＜2mm，传感器始终处于常开状态；将将砂位传感器检测端面与障碍物检测距离＞8mm，传感器始终处于常开状态，图4（左）失效测试波形。解决方案实施后按照对失效砂位传感器进行了标准进行实际模拟测试，测试验证，当砂硕移向接近传感器时，砂硕和传感器的介电常数发生了变化，测量、转换电路状态也随之发生变化，能够控制潵砂系统开关的接通和关断， LED 显示灯随之点亮或熄灭，图4（右）改进后测试波形。

图4 （左）失效测试波形，（右）改进后测试波形

3 结语

综上改进和试验测试结果表明，通过对砂箱砂位传感器电路中将可调式电阻变更为固定式电阻，使其不受振动位移而改变阻值，在电源输入端增加线-地Y 电容，提升了传感器检测灵敏度，砂位传感器更加稳定可靠的工作，该问题得到彻底解决。