货运列车振动监测的自发电式无线传感器

1.本技术涉及列车运行状态监测领域，尤其涉及一种用于货运列车振动监测的自发电式无线传感器。


背景技术：

2.列车运行安全状态监测是铁路行车安全保障信息系统的重要组成部分，它通过车载传感器、监测装置等实现对运行中列车运行状态的实时监测，能够及时发现运行状态不良的车辆或零部件，为机车车辆检修提供第一手数据资料，对保障铁路行车安全和提高机车车辆的检修水平具有重要意义。传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术，而无线传感器由于其简单、方便应用的优势得到各行各业的青睐，因此各个国家、各个行业积极研制各种高性能的无线传感器以应对各类恶劣环境。
3.由于列车运行工况复杂，工作环境恶劣、干扰因素繁多，列车常易受到冲击、摩擦等外部作用，这是列车状态监测传感器的设计与制作中难以解决的问题；现有列车监测系统中的振动冲击监测大都由压缩型压电式加速度传感器拾取信号，该类传感器采用压电元件—质量块—弹簧系统装在与基座连接的圆形中心支柱上的结构，如果基座有变形则将直接影响拾振器输出；此外，监测对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移，导致监测信号失真，难以满足列车运行工况要求。
4.而对于货运列车，不仅存在上述问题，同时由于其在运行过程中需要频繁编组，随机性很强，不适合大规模集中供电的方式，且传统传感器布线难、成本高、易受工作环境影响等问题导致铁路货车上没有配备可靠的供电系统以及检测信号可靠传输。而当前使用的普通无线传感器大多数情况下依赖外部电池供电，存在电池更换不及时导致无线传感节点失效的风险，并且节点通常需要部署在车辆环境非常恶劣甚至不可进入的环境中，通过更换电池的方式来补充能量是不可行的，因此，当节点的能量耗尽时，节点的生命周期结束，节点能量无法供给这一问题制约了无线传感器的发展应用。
5.因此，开发一种适用于满足货运列车运行监测的自发电振动冲击无线传感器是非常必要的。


技术实现要素：

6.为克服现有列车状态监测传感器的不足，解决无源、随机编组货运列车的在线监测与传感信号传输，本技术公开一种用于货运列车振动监测的自发电式无线传感器。
7.本技术采用的技术方案是：一种货运列车振动监测的自发电式无线传感器，包括外封装总成（1）、敏感元件组件（2）、自发电组件（3）、信号调理与发射组件（4）四个部分，传感器内部结构形成多重屏蔽，在对设备进行振动监测的同时还可将振动能转换为电能，无需外部供电就能实现监测信号的无线传输；其中，由敏感元件组件（2）、自发电组件（3）、信号调理与发射组件（4）组成的内部组件安装在传感器基座（1-1）与传感器中壳（1-2）形成的腔体内，并经环氧灌封ⅰ（1-4）固封后由传感器上壳（1-3）密封；传感器通过传感器安装螺纹
（1-6）旋接安装在货运列车关键部件的监测部位，敏感元件组件（2）、自发电组件（3）、信号调理与发射组件（4）的负极由金属圆柱体（2-1）连通，敏感元件组件（2）、自发电组件（3）的正极分别经导线连接至信号调理与发射组件（4），自发电组件（3）为信号调理与发射组件（4）提供工作电源，敏感元件组件（2）拾取货运列车关键部件的振动冲击信号经信号调理与发射组件（4）调理后以无线方式发射到无线信号采集装置，实现了对货运列车关键部件振动的无源无线监测。
8.在本技术中，所述的外封装总成（1）包括传感器基座（1-1）、传感器中壳（1-2）、传感器上壳（1-3）、环氧灌封ⅰ（1-4）、外绝缘垫（1-5）、传感器安装螺纹（1-6），传感器通过传感器安装螺纹（1-6）旋接安装在货运列车关键部件的监测部位，传感器基座（1-1）采用金属材料加工成外六角形状以便于安装，传感器中壳（1-2）采用金属材料加工成空心圆筒，形成较大的内部空间还能起到一重屏蔽作用，传感器上壳（1-3）采用非金属材料制作，保证信号调理与发射组件（4）的无线信号能正常传输出去，与传感器中壳（1-2）通过螺纹旋接构成传感器外壳，内部组件在可机加工陶瓷制作的外绝缘垫（1-5）上放置好后用环氧灌封ⅰ（1-4）对内部组件进行整体固化，将内部组件可靠固定以保证传感器正常稳定工作；敏感元件组件（2）安装在由金属圆柱体（2-1）机加工而成、由底盖（2-5）压接密封的下腔体（2-3）内，自发电组件（3）安装在由金属圆柱体（2-1）机加工而成、由顶盖（2-6）旋接密封的上腔体（2-4）内，金属圆柱体（2-1）的上腔体（2-4）、下腔体（2-3）之间设置具有灌胶孔(2-10)的腔体隔板（2-2），上腔体（2-4）的左壁上设置有自发电组件过线孔（2-9），下腔体（2-3）的右壁上设置有传感信号过线孔ⅱ（2-8），敏感元件组件（2）、自发电组件（3）安装完成后在金属圆柱体（2-1）外加套外热缩管（2-7）并置于外绝缘垫（1-5）上。
9.在本技术中，所述的自发电组件（3）包括自发电组件绝缘垫（2-21）、自发电组件正极接触片（2-22）、下柔性电极（2-23）、pvdf堆叠组（2-24）、上柔性电极（2-25）、自发电组件负极接触片（2-26），用于将振动能转换成电能为传感器供电的pvdf堆叠组（2-24）由一排列圆形pvdf压电薄膜片以旋转层压方式并联堆叠而成，通过下柔性电极（2-23）和上柔性电极（2-25）提取pvdf堆叠组（2-24）上产生的电荷，自发电组件正极接触片（2-22）紧密压接在下柔性电极（2-23）下方作为电源正极，自发电组件负极接触片（2-26）紧密压接在上柔性电极（2-25）的上方作为电源负极，顶盖（2-6）与自发电组件负极接触片（2-26）紧密接触，顶盖（2-6）与金属圆柱体（2-1）之间通过卡接方式来施加压力使得电极接触片和柔性电极之间可靠电连接，并以此方式使整个pvdf堆叠组（2-24）固定于自发电组件绝缘垫（2-21）上并整体置于腔体隔板（2-2）中心位置，金属圆柱体（2-1）外包裹用于绝缘的pe材质外热缩管（2-7）后便组成了自发电组件；pvdf薄膜片是厚度28微米的柔性压电薄膜片，在pvdf薄膜片双面镀上银电极且在上侧单面涂有环氧胶作为堆叠时每层薄膜片之间的绝缘层，上柔性电极（2-25）、下柔性电极（2-23）是导电硅胶片，自发电组件正极接触片（2-22）、自发电组件负极接触片（2-26）是薄铜片，顶盖（2-6）和金属圆柱体（2-1）均由金属材料加工而成，电源负极通过顶盖（2-6）引出经金属螺钉连接到信号调理与发射组件（4），电源正极通过自发电组件正极接触片（2-22）引出经金属圆柱体上的自发电组件过线孔（2-9）后到信号调理与发射组件（4），实现传感器在振动监测过程中的自发电。
10.在本技术中，所述的敏感元件组件（2）包括晶体支撑座（2-11）、压电陶瓷晶体（2-12）、质量块（2-13）、热缩环（2-14）、上屏蔽壳（2-15）、传感绝缘垫（2-16）、绝缘环（2-17）、环
6.传感器安装螺纹。
14.图2是本技术实施例的敏感元件与自发电组件结构图；图中：2-1. 金属圆柱体，2-2. 腔体隔板，2-3. 下腔体，2-4. 上腔体，2-5.底盖，2-6. 顶盖，2-7. 外热缩管，2-8. 传感信号过线孔ⅱ，2-9. 自发电组件过线孔，2-10. 灌胶孔，2-11. 晶体支撑座，2-12. 压电陶瓷晶体，2-13. 质量块，2-14. 热缩环，2-15. 上屏蔽壳，2-16. 传感绝缘垫， 2-17. 绝缘环，2-18. 环氧灌封ⅱ，2-19. 内热缩管，2-20. 传感信号过线孔ⅰ，2-21. 自发电组件绝缘垫，2-22. 自发电组件正极接触片，2-23. 下柔性电极，2-24. pvdf堆叠组，2-25. 上柔性电极，2-26. 自发电组件负极接触片。
15.图3是本技术实施例的信号调理与发射组件结构图；图中：3-1. 电路屏蔽盒，3-2. 信号调理与发射电路板，3-3. 屏蔽盒上盖，3-4. 微带天线，3-5. pvdf堆叠组进线孔，3-6. 左侧固定螺钉，3-7. 右侧固定螺钉，3-8. 敏感元件进线孔。
16.图4是本技术实施例的信号调理与发射电路板框图。
17.图5是本技术实施例的传感器仰视图。
18.图6是本技术实施例的传感器俯视图。
19.图7是本技术实施例的传感器局部剖面图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
21.参见附图，图1是本技术的总体结构框图，图5是本技术实施例的传感器仰视图，图6是本技术实施例的传感器俯视图，图7是本技术实施例的传感器局部剖面图；图中：1是外封装总成，2是敏感元件组件，3是自发电组件，4是信号调理与发射组件，1-1是传感器基座，1-2是传感器中壳，1-3是传感器上壳，1-4是环氧灌封ⅰ，1-5是外绝缘垫，1-6是传感器安装螺纹。为克服现有列车状态监测传感器的不足：传感器监测信号易受列车运行中复杂的辐射电磁干扰，传感器的敏感元件存在温度漂移且工作温度受到限制，传感器需要外部提供工作电源，传感器的检测信号通过有线方式传输到监测装置等；解决无源、随机编组货运列车的在线监测与传感信号传输，本技术公开一种用于货运列车振动监测的自发电式无线传感器。该货运列车振动监测的自发电式无线传感器包括外封装总成（1）、敏感元件组件（2）、自发电组件（3）、信号调理与发射组件（4）四个部分，传感器内部结构形成多重屏蔽，在对设备进行振动监测的同时还可将振动能转换为电能，无需外部供电就能实现监测信号的无线传输。其中，由敏感元件组件（2）、自发电组件（3）、信号调理与发射组件（4）组成的内部组件安装在传感器基座（1-1）与传感器中壳（1-2）形成的腔体内，并经环氧灌封ⅰ（1-4）固封后由传感器上壳（1-3）密封；实现了对传感器的整体外屏蔽。传感器通过传感器安装螺纹（1-6）旋接安装在货运列车关键部件的监测部位，敏感元件组件（2）、自发电组件（3）、信号调理与发射组件（4）的负极由金属圆柱体（2-1）连通，敏感元件组件（2）、自发电组件（3）的正极分别经导线连接至信号调理与发射组件（4），自发电组件（3）为信号调理与发射组件（4）提供
工作电源，敏感元件组件（2）拾取货运列车关键部件的振动冲击信号经信号调理与发射组件（4）调理后以无线方式发射到无线信号采集装置，实现了对货运列车关键部件振动的无源无线监测。
22.附图2是本技术实施例的敏感元件与自发电组件结构图；图中：2-1是金属圆柱体，2-2是腔体隔板，2-3是下腔体，2-4是上腔体，2-5是底盖，2-6是顶盖，2-7是外热缩管，2-8是传感信号过线孔ⅱ，2-9是自发电组件过线孔，2-10是灌胶孔，2-11是晶体支撑座，2-12是压电陶瓷晶体，2-13是质量块，2-14是热缩环，2-15是上屏蔽壳，2-16是传感绝缘垫， 2-17是绝缘环，2-18是环氧灌封ⅱ，2-19是内热缩管，2-20是传感信号过线孔ⅰ，2-21是自发电组件绝缘垫，2-22是自发电组件正极接触片，2-23是下柔性电极，2-24是pvdf堆叠组，2-25是上柔性电极，2-26是自发电组件负极接触片。结合附图1，外封装总成（1）包括传感器基座（1-1）、传感器中壳（1-2）、传感器上壳（1-3）、环氧灌封ⅰ（1-4）、外绝缘垫（1-5）、传感器安装螺纹（1-6），传感器通过传感器安装螺纹（1-6）旋接安装在货运列车关键部件的监测部位，传感器基座（1-1）采用金属材料加工成外六角形状以便于安装，传感器中壳（1-2）采用金属材料加工成空心圆筒，形成较大的内部空间还能起到一重屏蔽作用，传感器上壳（1-3）采用非金属材料制作，保证信号调理与发射组件（4）的无线信号能正常传输出去，与传感器中壳（1-2）通过螺纹旋接构成传感器外壳，内部组件在可机加工陶瓷制作的外绝缘垫（1-5）上放置好后用环氧灌封ⅰ（1-4）对内部组件进行整体固化，将内部组件可靠固定以保证传感器正常稳定工作。敏感元件组件（2）安装在由金属圆柱体（2-1）机加工而成、由底盖（2-5）压接密封的下腔体（2-3）内，形成了对敏感元件组件（2）的内屏蔽；自发电组件（3）安装在由金属圆柱体（2-1）机加工而成、由顶盖（2-6）旋接密封的上腔体（2-4）内，形成了自发电组件（3）的内屏蔽；金属圆柱体（2-1）的上腔体（2-4）、下腔体（2-3）之间设置具有灌胶孔(2-10)的腔体隔板（2-2），上腔体（2-4）的左壁上设置有自发电组件过线孔（2-9），下腔体（2-3）的右壁上设置有传感信号过线孔ⅱ（2-8），敏感元件组件（2）、自发电组件（3）安装完成后在金属圆柱体（2-1）外加套外热缩管（2-7）并置于外绝缘垫（1-5）上。
23.结合附图1与附图2。自发电组件（3）包括自发电组件绝缘垫（2-21）、自发电组件正极接触片（2-22）、下柔性电极（2-23）、pvdf堆叠组（2-24）、上柔性电极（2-25）、自发电组件负极接触片（2-26），用于将振动能转换成电能为传感器供电的pvdf堆叠组（2-24）由一排列圆形pvdf压电薄膜片以旋转层压方式并联堆叠而成，通过下柔性电极（2-23）和上柔性电极（2-25）提取pvdf堆叠组（2-24）上产生的电荷，自发电组件正极接触片（2-22）紧密压接在下柔性电极（2-23）下方作为电源正极，自发电组件负极接触片（2-26）紧密压接在上柔性电极（2-25）的上方作为电源负极，顶盖（2-6）与自发电组件负极接触片（2-26）紧密接触，顶盖（2-6）与金属圆柱体（2-1）之间通过卡接方式来施加压力使得电极接触片和柔性电极之间可靠电连接，并以此方式使整个pvdf堆叠组（2-24）固定于自发电组件绝缘垫（2-21）上并整体置于腔体隔板（2-2）中心位置，金属圆柱体（2-1）外包裹用于绝缘的pe材质外热缩管（2-7）后便组成了自发电组件；pvdf薄膜片是厚度28微米的柔性压电薄膜片，在pvdf薄膜片双面镀上银电极且在上侧单面涂有环氧胶作为堆叠时每层薄膜片之间的绝缘层，上柔性电极（2-25）、下柔性电极（2-23）是导电硅胶片，自发电组件正极接触片（2-22）、自发电组件负极接触片（2-26）是薄铜片，顶盖（2-6）和金属圆柱体（2-1）均由金属材料加工而成，电源负极通过顶盖（2-6）引出经金属螺钉连接到信号调理与发射组件（4），电源正极通过自发电组件
正极接触片（2-22）引出经金属圆柱体上的自发电组件过线孔（2-9）后到信号调理与发射组件（4），实现传感器在振动监测过程中的自发电，能更好地将列车行驶过程中的振动能转换为传感器工作所需的电能，解决了现有无线传感器无法有效供电的问题。敏感元件组件（2）包括晶体支撑座（2-11）、压电陶瓷晶体（2-12）、质量块（2-13）、热缩环（2-14）、上屏蔽壳（2-15）、传感绝缘垫（2-16）、绝缘环（2-17）、环氧灌封ⅱ（2-18）、内热缩管（2-19）、传感信号过线孔ⅰ（2-20），用于拾取被测对象振动、冲击信号的压电陶瓷晶体（2-12）为环形剪切晶体，外围由质量块（2-13）环形包裹，通过热缩环（2-14）将压电陶瓷晶体（2-12）、质量块（2-13）一起紧固在晶体支撑座（2-11）的上部，晶体支撑座（2-11）与具有传感信号过线孔ⅰ（2-20）的上屏蔽壳（2-15）组成一个内置敏感元件的密闭内屏蔽体，屏蔽体外包裹用于绝缘的pe材质内热缩管（2-19）后便形成了敏感元件组件（2）；敏感元件组件（2）外套绝缘环（2-17）后置于传感绝缘垫（2-16）之上，再由底盖（2-5）压接到下腔体（2-3）内，最后经腔体隔板（2-2）上的灌胶孔(2-10)由环氧灌封ⅱ（2-18）对敏感元件组件（2）整体进行固封；压电陶瓷晶体（2-12）为锆钛酸铅系列的pzt-5，质量块（2-13）为高密度钨合金，热缩环（2-14）是由锡、银、铜易熔合金制成表面覆着张力大于30mpa的低温合金环，晶体支撑座（2-11）、上屏蔽壳（2-15）均由金属材料加工而成，屏蔽体的外壳作为传感信号的负极，传感信号正极从热缩环（2-14）引出，经上屏蔽壳（2-15）上的传感信号过线孔ⅰ（2-20）、下腔体右壁上的传感信号过线孔ⅱ（2-8）后到信号调理与发射组件（4）；敏感元件采用由热缩环进行固定的环形剪切压电陶瓷晶体，解决现有列车状态监测传感器存在的温度漂移、工作温度限制的问题。
24.参见附图3、附图4，图3是本技术实施例的信号调理与发射组件结构图，图4是本技术实施例的信号调理与发射电路板框图；附图3中：3-1是电路屏蔽盒，3-2是信号调理与发射电路板，3-3是屏蔽盒上盖，3-4是微带天线，3-5是pvdf堆叠组进线孔，3-6是左侧固定螺钉，3-7是右侧固定螺钉，3-8是敏感元件进线孔。信号调理与发射组件（4）包括底部设置有pvdf堆叠组进线孔（3-5）和敏感元件进线孔（3-8）的电路屏蔽盒（3-1）、信号调理与发射电路板（3-2）、屏蔽盒上盖（3-3）、微带天线（3-4）、左侧固定螺钉（3-6）、右侧固定螺钉（3-7），信号线经传感信号过线孔ⅰ（2-20）、传感信号过线孔ⅱ（2-8）、敏感元件进线孔（3-8）连接至信号调理与发射电路板（3-2）右端，电源线经自发电组件过线孔（2-9）、pvdf堆叠组进线孔（3-5）连接至信号调理与发射电路板（3-2）左端，连接完成后通过左侧固定螺钉（3-6）、右侧固定螺钉（3-7）将信号调理与发射电路板（3-2）与电路屏蔽盒（3-1）一起固定于顶盖（2-6）上方，再将上置微带天线（3-4）的屏蔽盒上盖（3-3）安装于电路屏蔽盒（3-1）之上便形成在对货运列车进行振动监测的同时能够自发电的无线传感器；每个传感器的信号调理与发射电路板（3-2）由高阻能量收集单元、信号放大单元、信号调制单元、信号发射单元和本振信号单元组成，在对货运列车关键部件进行振动监测过程中，pvdf堆叠组（2-24）接收货运列车的振动能量经高阻能量收集单元转换为传感器工作所需的电能，压电陶瓷晶体（2-12）拾取货运列车关键部件工作过程中的振动、冲击信号经信号放大单元进行放大，放大后的振动、冲击信号在信号调制单元中与本振信号进行调制，调制后信号经信号发射单元进行功率放大后经微带天线（3-4）发射出去，无线信号采集装置对传感器发射的信号进行解调、滤波、数模转换、信号处理后诊断出货运列车关键部件运行状态，实现了对货运列车的无源无线振动监测。本技术信号调理与发射组件以无线方式传输监测信号，减少了传感器安装成本且克服了传统传感器在列车上布线困难的问题。
25.综上所述，本技术公开的货运列车振动监测的自发电式无线传感器包括外封装总成、敏感元件组件、自发电组件、信号调理与发射组件四个部分，传感器内部结构形成多重屏蔽，在对设备进行振动监测的同时还可将振动能转换为电能，无需外部供电就能实现监测信号的无线传输。本技术在传感器内部形成对传感信号的多层屏蔽，有效抑制列车运行中的辐射电磁干扰；敏感元件采用由热缩环进行固定的环形剪切压电陶瓷晶体，解决现有列车状态监测传感器存在的温度漂移、工作温度限制的问题；通过多片柔性pvdf压电薄膜片堆叠而成的自发电组件能更好地将列车行驶过程中的振动能转换为传感器工作所需的电能，解决了现有无线传感器无法有效供电的问题；信号调理与发射组件以无线方式传输监测信号，减少了传感器安装成本且克服了传统传感器在列车上布线困难的问题。
26.以上所述仅为本技术的较佳实施例而己，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。