一种可回收电磁能量的磁浮车悬浮状态监测工装的制作方法

1.本发明涉及一种磁浮车悬浮状态监测工装，尤其涉及一种可回收电磁能量的磁浮车悬浮状态监测工装。


背景技术：

2.磁悬浮列车是一种新兴的现代化交通工具，不仅具有低噪音、爬坡能力强、安全环保、维护费用低和较小半径曲线通过能力等优点，还是一种无轮轨接触的电磁悬浮列车，因而不受粘着力的限制。由于磁悬浮列车是通过悬空的方式运行的，进而，在中低速调试过程中，存在如砸轨、悬浮异常掉点等问题。在此情况下，亟需一种能够实现车辆悬浮状态监测的装置，以能够实时检测磁浮列车的悬浮状态，以避免其出现上述问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种可回收电磁能量的磁浮车悬浮状态监测工装。
4.为实现上述发明目的，本发明提供一种可回收电磁能量的磁浮车悬浮状态监测工装，包括：用于与转向架相连接的工装支承，支承在所述工装支承上的控制单元、通信单元、电源和传感器单元，与所述工装支承相连接的第一电磁屏蔽壳和第二电磁屏蔽壳，电磁发电装置；
5.所述控制单元和所述通信单元位于所述工装支承的上侧，所述电源设置在所述工装支承的下侧；
6.所述第一电磁屏蔽壳套设在所述控制单元和所述通信单元的外侧；
7.所述第二电磁屏蔽壳套设在所述电源的外侧；
8.所述电磁发电装置与所述电源电连接。
9.根据本发明的一个方面，所述电磁发电装置包括：用于连接磁浮车的电磁铁的连接壳体，设置在所述连接壳体内的感应部分和用于储存所述感应部分输出电能的储能电池；
10.所述感应部分安装在所述磁浮车的电磁铁上，且处于所述电磁铁与磁浮导轨相对的一侧；
11.所述储能电池安装在所述工装支承上与所述电源电连接；
12.所述感应部分包括：磁感线圈，在所述磁感线圈中嵌入的铁芯，与所述磁感线圈相连接的稳压电路，包围在所述稳压电路外侧的第三电磁屏蔽壳；
13.所述稳压电路通过导线与所述储能电池相连接。
14.根据本发明的一个方面，所述传感器单元包括：第一激光间隙传感器、第二激光间隙传感器、第一加速度传感器、第二加速度传感器、第三加速度传感器、第四加速度传感器、电流传感器、图像采集装置、补光灯；
15.所述第一激光间隙传感器用于检测转向架与导轨之间的高低；
16.所述第二激光间隙传感器用于检测转向架与导轨之间的轨向间隙；
17.所述第一加速度传感器、所述第三加速度传感器用于检测转向架高低变化的加速度；
18.所述第二加速度传感器、所述第四加速度传感器用于检测转向架与轨向的加速度；
19.所述电流传感器用于检测磁浮车上电磁铁的电流大小；
20.所述图像采集装置用于采集转向架的图像数据；
21.所述补光灯用于对所述图像采集装置进行补光照明。
22.根据本发明的一个方面，所述通信单元包括：路由器模块；
23.所述路由器模块用于接收所述控制单元输出的数据并采用有线和/或无线的方式传输至上位机；
24.若所述路由器模块可通过无线的方式传输数据，则所述路由器模块还包括传输天线，且所述传输天线安装在所述工装支承上且位于所述第一电磁屏蔽壳的外侧。
25.根据本发明的一个方面，所述控制单元包括：底板和与所述底板可拆卸连接地核心板；
26.所述底板包括：用于连接所述传感器单元的信号连接器，用于与所述信号连接器相连接的信号处理电路，用于与所述信号处理电路相连接的ad转换芯片，用于与所述ad转换芯片和所述核心板相连接的扩展接口，用于与所述电源相连接的电源连接器，与所述电源连接器相连接且对电流进行滤波、隔离、转换的电源处理电路，所述电源处理电路分别与所述信号处理电路和所述扩展接口相连接；
27.所述核心板为fpga电路板且采用rj45连接器与所述路由器模块相连接。
28.根据本发明的一个方面，所述工装支承包括：支承板，第一侧板和第二侧板；
29.所述第一侧板和第二侧板垂直固定在所述支承板的相交的两条侧边上，且所述第一侧板和所述第二侧板相互固定连接；
30.所述第一侧板和第二侧板远离所述支承板的一端处于所述支承板的下方；
31.所述工装支承通过所述第一侧板与磁浮车的转向架相连接。
32.根据本发明的一个方面，所述第一激光间隙传感器、所述第一加速度传感器、所述第三加速度传感器设置在所述支承板上，且与所述电源处于同一侧；
33.所述第二激光间隙传感器、第二加速度传感器、第四加速度传感器、设置在所述第二侧板上，且处于远离所述第一电磁屏蔽壳的一侧。
34.根据本发明的一个方面，所述支承板，第一侧板和第二侧板均为铝板。
35.根据本发明的一个方面，所述第一加速度传感器、第二加速度传感器为相同类型的加速度传感器；
36.所述第三加速度传感器、所述第四加速度传感器为相同类型的加速度传感器，且其类型与所述第一加速度传感器、第二加速度传感器的类型不同。
37.根据本发明的一个方面，所述ad转换芯片为八通道信号采集芯片；
38.所述第一激光间隙传感器、所述第二激光间隙传感器的测量误差均小于或等于10μm；
39.所述第一加速度传感器、所述第二加速度传感器、所述第三加速度传感器、所述第四加速度传感器的测量误差均小于或等于
±
0.005g；
40.所述电流传感器的测量误差小于或等于1a。
41.根据本发明的一种方案，本发明的监测工装可有效协助磁浮列车悬浮系统的调试，为调试过程提供数据支撑。其中，可通过采集传感数据，获取车辆运行过程中相对于线路的运行情况，对车辆运行过程中出现异常情况如砸轨等进行监测。此外还可对采集的传感数据进行挖掘，即可对磁浮车辆的行驶状态、磁浮轨道的状态进行分析与预测。
42.根据本发明的一种方案，本发明的监测工装不仅可为磁浮列车悬浮系统调试提供数据支撑，还可升级迭代成悬浮系统的配套产品，进而带来更高的经济效益。
43.根据本发明的一种方案，利用激光间隙传感器、加速度传感器以及电流传感器进行数据采集，得到列车运行过程中高低和轨向间隙、高低和轨向加速度、电磁铁电流等参数，将这些数据进行统计与分析处理，实现对磁浮列车的悬浮状态、行驶状态的实时监测。
44.根据本发明的一种方案，通过通信单元可根据应用环境实现与上位机的实时数据传输，保证了监测过程的实时性。
45.根据本发明的一种方案，通过上位机对本发明的监测工装所传输的数据进行统计处理后可实现图形化显示，可有效实现对车辆状态诊断、实时预警等操作，进而后期对数据的进一步挖掘更为灵活。
附图说明
46.图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的磁浮车悬浮状态监测工装的结构图；
47.图2是示意性表示根据本发明的一种实施方式的控制单元的结构图；
48.图3是示意性表示根据本发明的一种实施方式的电磁发电装置的结构框图；
49.图4是示意性表示根据本发明的一种实施方式的电磁发电装置的支承座结构的结构图；
50.图5是示意性表示根据本发明的一种实施方式的电磁发电装置的支承座结构的侧视图。
具体实施方式
51.为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
52.在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
53.下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
54.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种可回收电磁能量的磁浮车
悬浮状态监测工装，包括：用于与转向架相连接的工装支承1，支承在工装支承1上的控制单元2、通信单元、电源3和传感器单元4，以及与工装支承1相连接的第一电磁屏蔽壳5、第二电磁屏蔽壳6，以及电磁发电装置7。在本实施方式中，控制单元2和通信单元一起设置的，而电源3与控制单元2和通信单元是分开设置；其中，控制单元2和通信单元位于工装支承1的上侧，电源3设置在工装支承1的下侧。在本实施方式中，第一电磁屏蔽壳5套设在控制单元2和通信单元的外侧；第二电磁屏蔽壳6套设在电源3的外侧。在本实施方式中，第一电磁屏蔽壳5和第二电磁屏蔽壳6均为中空的金属壳，其分别通过与工装支承1的固定连接以形成封闭的容纳空间，进而实现对相应单元的覆盖。
55.在本实施方式中，电磁发电装置7通过导线与电源3相连接。
56.在本实施方式中，电磁发电装置7可与工装支承1相连接，或者分开设置。当电磁发电装置7与工装支承1相连接时，方便本发明监测工装与磁浮列车的一体式安装；若电磁发电装置7与工装支承1分开设置时，方便电磁发电装置的灵活安装。上述电磁发电装置的两种设置方式可根据需要进行相应的设置。
57.根据本发明，通过在工装上设置电磁发电装置，可实现本发明与磁浮列车相连接的运行过程中，回收列车运行过程中磁浮车电磁铁与导轨之间磁场变化所产生的电磁能量，进而将这些电磁能量转换为电能对电源3进行充电，进而可有效降低本发明对外接电源的依赖，有效的提高了自身的续航能力。
58.根据本发明，通过在工装支承的相对两侧分别设置电源、控制单元和通信单元的方式，有效的将提供能源的单元与其他单元的物理隔离，进而有效避免了本发明在运行过程中电源对其他单元影响。保证了本发明的运行精度。此外，还有效防止了电源发生失效、漏液等情况下对其他单元的直接影响，尤其是在本发明处于车载运行过程时，通过这种物理隔离的方式，能够更加充分的避免前述电源故障所带来的设备失效问题，对维持本发明的正常运行有益，进而对保证磁浮列车的运行行驶安全有益。
59.根据本发明，通过设置多个电磁屏蔽壳分别与工装支承相连接的方式，能够在工装支承上形成不同的屏蔽空间，能够灵活的实现对不同部分的电磁屏蔽，以及相邻单元之间的电磁干扰，有效降低了电磁环境下对本发明的影响。另外，通过分别设置电磁屏蔽壳的方式还可通过封闭的物理结构有效的保证了各部分的安全性。
60.结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，传感器单元4包括：第一激光间隙传感器41、第二激光间隙传感器42、第一加速度传感器43、第二加速度传感器44、第三加速度传感器45、第四加速度传感器46、电流传感器47、图像采集装置、补光灯。在本实施方式中，第一激光间隙传感器41和第二激光间隙传感器42的测量方向是不同的，其中，第一激光间隙传感器41用于在竖直方向上检测转向架与导轨之间的高低间隙的变化；第二激光间隙传感器42用于在水平方向上检测转向架与导轨之间的轨向间隙变化。在本实施方式中，第一加速度传感器43、第二加速度传感器44的测量方向是不同的，第三加速度传感器45、第四加速度传感器46的测量方向是不同的。其中，第一加速度传感器43、第三加速度传感器45用于在竖直方向上检测转向架相对导轨高低变化的加速度。第二加速度传感器44、第四加速度传感器46用于在水平方向上检测转向架相对导轨轨向的加速度。在本实施方式中，电流传感器用于检测磁浮车上电磁铁的电流大小。在本实施方式中，图像采集装置用于采集转向架以及导轨的图像数据，从而用于直观观察以及图像处理后数据的分析；而补光灯则用
于对图像采集装置在摄取图像时进行补光照明，以保证图像采集装置所摄取图像的清晰有效。
61.根据本发明的一种实施方式，通信单元包括：路由器模块。在本实施方式中，路由器模块与控制单元采用插接、线连接中的任一种方式实现，也可以集成在控制单元的线路板上实现。在本实施方式中，路由器模块用于接收控制单元2输出的数据并采用有线和/或无线的方式传输至上位机。在本实施方式中，由于路由器模块处于第一电磁屏蔽壳5中，进而为避免电磁屏蔽壳的影响，根据不同的传输形式进行不同的设置。其中，若路由器模块通过有线的方式传输数据，则在工装支承上设置有通信接口，该通信接口位于电磁屏蔽壳的外侧，且通信接口一端与路由器模块电连接，另一端则具有快速连接结构，进而实现通信接口与连接线路的快拆连接，以实现本发明的监测工装与上位机的通信。若路由器模块可通过无线的方式传输数据，则路由器模块还包括传输天线，且传输天线安装在工装支承1上且位于第一电磁屏蔽壳5的外侧，进而可实现路由器模块与上位机的无线通信连接。
62.如图2所示，根据本发明的一种实施方式，控制单元2包括：底板21和与底板可拆卸连接地核心板22。在本实施方式中，底板21包括：用于连接传感器单元4的信号连接器211，用于与信号连接器211相连接的信号处理电路212，用于与信号处理电路212相连接的ad转换芯片213，用于与ad转换芯片213和核心板22相连接的扩展接口214，用于与电源3相连接的电源连接器215，与电源连接器215相连接且对电流进行滤波、隔离、转换的电源处理电路216，电源处理电路216分别与信号处理电路212和扩展接口214相连接。
63.在本实施方式中，核心板22为fpga电路板且采用rj45连接器221与路由器模块相连接。在本实施方式中，核心板22对传感器信号采用2k频率采样。
64.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，工装支承1包括：支承板11，第一侧板12和第二侧板13。在本实施方式中，第一侧板12和第二侧板13垂直固定在支承板11的相交的两条侧边上，且第一侧板12和第二侧板13相互固定连接。在本实施方式中，第一侧板12和第二侧板13远离支承板11的一端处于支承板11的下方；工装支承1通过第一侧板12与磁浮车的转向架相连接。在本实施方式中，支承板11的侧边与第一侧板12的一侧相抵靠的固定连接，且连接位置靠近第一侧板12的侧边位置。在本实施方式中，第二侧板13的两个相交的侧边分别与支承板11和第一侧板12的侧面相抵靠的固定连接，且连接位置靠近支承板11和第一侧板12的侧边位置。
65.根据本发明的一种实施方式，支承板11，第一侧板12和第二侧板13均为铝板。
66.通过上述设置，本发明的工装支承1的结构强度高且质量轻，非常有益于在磁浮车的转向架上安装，尤其是通过采用铝板支承的主体结构在满足的结构强度的情况下有效的降低了结构质量。此外，在本方案中，通过支承板11、第一侧板12和第二侧板13侧边相互固定连接的方式，实现了工装支承半包围结构的同时，相互之间构成互为加强的结构，有效的增强了工装支承的结构强度，保证了工装支承的支承稳定性。
67.通过上述设置，通过采用金属制成的工装支承，其还实现了与第一电磁屏蔽壳和第二电磁屏蔽壳的导通，进一步提高了本发明的电磁屏蔽性能，对于保证相应模块在强电磁环境下的稳定运行有益。此外，通过采用铝制材料制成的工装支承还具有散热块的有点，对保证电磁屏蔽壳中各部件的快速散热有益。
68.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第一激光间隙传感器41、第一加速度传
感器43、第三加速度传感器45设置在支承板11上，且与电源3处于同一侧。第二激光间隙传感器42、第二加速度传感器44、第四加速度传感器46、设置在第二侧板13上，且处于远离第一电磁屏蔽壳5的一侧。在本实施方式中，在支承板11上设置有第一支架，该支架为l型板状体，其具有相互垂直的连接臂和支撑臂，支撑臂的长度大于连接臂的长度。在本实施方式中，第一支架的连接臂与支承板11相互固定连接，而第一激光间隙传感器41安装在在支撑臂上，且第一激光间隙传感器41的安装位置靠近支撑臂的上端设置。在本实施方式中，在第二侧板13上设置有第二支架，该支架为l型板状体，其具有相互垂直的连接臂和支撑臂，支撑臂的长度大于连接臂的长度。在本实施方式中，第二支架的连接臂与第二侧板13相互固定连接，而第二激光间隙传感器42安装在在支撑臂上，且第二激光间隙传感器42的安装位置靠近支撑臂的上端设置。
69.在本实施方式中，第三加速度传感器45与第一支架的连接臂相互固定连接，且第三加速度传感器45和第一激光间隙传感器41处于第一支架的支撑臂的同一侧；第四加速度传感器46与第二支架的连接臂相互固定连接，且第四加速度传感器46和第二激光间隙传感器42处于第二支架的支撑臂的同一侧。
70.在本实施方式中，第一加速度传感器43、第三加速度传感器45相互间隔的设置，且第一加速度传感器43、第三加速度传感器45位于第一支架的支撑臂的相对两侧。
71.在本实施方式中，第二加速度传感器44、第四加速度传感器46相互间隔的设置，且第二加速度传感器44、第四加速度传感器46位于第二支架的支撑臂的相对两侧。
72.通过上述设置，在工装支承的不同方向上设置前述传感器的方式，实现了高度方向和水平方向测试的分离，能够更加方便的对不同方向进行准确探测，有效保证了测试结果的准确。此外，通过采用支架对激光间隙传感器安装位置进行延伸，以使得其更加方便的进行探测，保证了间隙检测的准确性。
73.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第一加速度传感器43、第二加速度传感器44为相同类型的加速度传感器。在本实施方式中，第一加速度传感器43、第二加速度传感器44为lcf-201加速度传感器。
74.在本实施方式中，第三加速度传感器45、第四加速度传感器46为相同类型的加速度传感器，且其类型与第一加速度传感器43、第二加速度传感器44的类型不同。其中，第三加速度传感器45、第四加速度传感器46为4610加速度传感器。
75.通过上述设置，采用不同类型的加速度传感器，实现了加速度传感器的双重探测，能够更加准确的反映出不同方向上加速度的变化，以保证本发明的使用准确性。此外，通过采用不同类型的加速度传感器还可实现加速度传感器的备份作用，有效的提高了本发明的使用可靠性。此外，还可通过多种类型的加速度传感器的测试数据还进行横向对比，进而可以有效的避免单一传感器出现运行误差或故障所带来的安全隐患。
76.根据本发明的一种实施方式，ad转换芯片为八通道信号采集芯片。在本实施方式中，ad转换芯片可处理
±
10v或
±
5v范围内的输入信号，对经过处理的多个通道的传感器的信号进行采集，并进行模数转换。在本实施方式中，根据实际所采用的传感器的类型选用
±
10v范围内的输入信号进行处理。
77.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第一激光间隙传感器41、第二激光间隙传感器42均采用cmos型微型激光位移传感器。其中，第一激光间隙传感器41、第二激光间隙
传感器42的测量误差均小于或等于10μm。
78.在本实施方式中，第一加速度传感器43、第二加速度传感器44、第三加速度传感器45、第四加速度传感器46的测量误差均小于或等于
±
0.005g；电流传感器的测量误差小于或等于1a。
79.通过上述设置，有效的保证了本发明的检测精度。
80.根据本发明的一种实施方式，电源3采用可充电电池(例如，锂电池)，其功率需要与其他用电模块的功率相匹配，且用于提供10h的续航，以保证本发明的长时间稳定运行。
81.如图3所示，根据本发明的一种实施方式，电磁发电装置7包括：用于连接磁浮车的连接壳体，设置在连接壳体内的感应部分和用于储存感应部分输出电能的储能电池。在本实施方式中，感应部分安装在磁浮车的电磁铁上，且处于电磁铁与磁浮导轨相对的一侧；储能电池安装在工装支承1上与电源3电连接。在本实施方式中，感应部分包括：磁感线圈71，在磁感线圈71中嵌入的铁芯72，与磁感线圈71相连接的稳压电路73，包围在稳压电路外侧的第三电磁屏蔽壳。在本实施方式中，稳压电路通过导线与所述储能电池相连接，其中，可通过在磁浮车的电磁铁上设置出线孔，以实现导线的穿过。在本实施方式中，磁感线圈71在垂直磁浮车电磁铁与导轨上线圈之间磁感线的方向设置，进而在产生磁通变化时，以产生感应电动势。
82.在本实施方式中，磁浮车电磁铁与导轨上线圈相互作用处于悬浮运行状态，而电磁发电装置7的磁感线圈71设置在磁浮车电磁铁与导轨上线圈之间，即处于磁浮车运行过程的磁场范围内，进而在磁浮车处于运行过程中时，若出现磁场的波动时，能够在磁感线圈71中产生感应电动势，进而通过稳压电路3的作用后输出至储能电池储存电能，进一步的通过储能电池输出稳定的电流以实现对电源3的充电，保证了本发明的长续航。
83.根据本发明，通过采用电磁发电装置，可有效的感受磁浮列车在运行过程中所产生的磁场变化，从而有效回收磁场变化所产生的能量，提高了本发明的能量回收效率。
84.结合图4和图5所示，根据本发明的一种实施方式，电磁发电装置7还包括：用于支撑磁感线圈71和铁芯72组合体的支承座结构74。在本实施方式中，支承座结构74固定安装在连接壳体内，磁感线圈71和铁芯72的组合体连接在支承座结构74上。在本实施方式中，支承座结构74包括：支撑底板741，设置在支撑底板741上且沿环形阵列的四个滑动座742，分别与滑动座742滑动连接的滑动连接件743，和设置在支撑底板741中间位置的弹性结构744。在本实施方式中,滑动座742呈矩形状，滑动连接件743为圆柱杆。在本实施方式中，滑动座742与滑动连接件743相接触的面为曲面(如圆弧面)，滑动连接件743可滑动的支承在滑动座742的曲面上。而弹性结构744可设置为均有弹伸缩作用的结构(如柱状弹簧)，弹性结构744一端与支撑底板741固定连接，另一端通过连接件与磁感线圈71和铁芯72的组合体的中心位置相连接。通过上述设置，在磁浮车发生水平方向的变化(如加速、减速)，这样磁感线圈71和铁芯72的组合体可在惯性的作用下沿滑动座742的曲面发生滑移和倾斜，进而产生切割磁感线和改变磁通量的作用，进而可将外界的动能变化转换为电能，实现电磁能量收集的同时进一步收集额外的动能，提高了本发明的能量回收效率。此外，通过弹性结构744的设置，可实现滑动连接件743与滑动座742的充分接触，保证了结构的运行稳定。此外，还可实现磁感线圈71和铁芯72的组合体的弹性复位，使得感应线圈能够始终处于初始位置。
85.根据本发明的另一种实施方式，滑动座742可设置为圆弧状，滑动连接件743可设置为球状，这样可以进一步增加感应线圈沿周向的滑动自由度，以更好的感受外界动能的变化。
86.上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
87.以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。