货运列车振动监测的自发电式无线传感器

技术特征：
1.一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、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；其特征是：由敏感元件组件、自发电组件、信号调理与发射组件组成的内部组件安装在传感器基座与传感器中壳形成的腔体内，并经环氧灌封ⅰ固封后由传感器上壳密封；传感器通过传感器安装螺纹旋接安装在货运列车关键部件的监测部位，敏感元件组件、自发电组件、信号调理与发射组件的负极由金属圆柱体连通，敏感元件组件、自发电组件的正极分别经导线连接至信号调理与发射组件，自发电组件为信号调理与发射组件提供工作电源，敏感元件组件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。2.根据权利要求1所述的自发电振动监测无线传感器，其特征是：所述的外封装总成包括传感器基座、传感器中壳、传感器上壳、环氧灌封ⅰ、外绝缘垫、传感器安装螺纹，传感器通过传感器安装螺纹旋接安装在货运列车关键部件的监测部位，传感器基座采用金属材料加工成外六角形状以便于安装，传感器中壳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，传感器上壳采用非金属材料制作，保证信号调理与发射组件的无线信号能正常传输出去，与传感器中壳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上放置好后用环氧灌封ⅰ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；敏感元件组件安装在由金属圆柱体机加工而成、由底盖压接密封的下腔体内，自发电组件安装在由金属圆柱体机加工而成、由顶盖旋接密封的上腔体内，金属圆柱体的上腔体、下腔体之间设置具有灌胶孔的腔体隔板，上腔体的左壁上设置有自发电组件过线孔，下腔体的右壁上设置有传感信号过线孔ⅱ，敏感元件组件、自发电组件安装完成后在金属圆柱体外加套外热缩管并置于外绝缘垫上。3.根据权利要求1所述的自发电振动监测无线传感器，其特征是：所述的自发电组件包括自发电组件绝缘垫、自发电组件正极接触片、下柔性电极、pvdf堆叠组、上柔性电极、自发电组件负极接触片，用于将振动能转换成电能为传感器供电的pvdf堆叠组由一排列圆形pvdf压电薄膜片以旋转层压方式并联堆叠而成，通过下柔性电极和上柔性电极提取pvdf堆叠组上产生的电荷，自发电组件正极接触片紧密压接在下柔性电极下方作为电源正极，自发电组件负极接触片紧密压接在上柔性电极的上方作为电源负极，顶盖与自发电组件负极接触片紧密接触，顶盖与金属圆柱体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堆叠组固定于自发电组件绝缘垫上并整体置于腔体隔板中心位置，金属圆柱体外包裹用于绝缘的pe材质外热缩管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、下柔性电极是导电硅胶片，自发电组件正极接触片、自发电组件负极接触片是薄铜片，顶盖和金属圆柱体均由金属材料加工而成，电源负极通过顶盖引出经金属螺钉连接到信号调理与发射组件，电源正极通过自发电组件正极接触片引出经金属圆柱体上的自发电组件过线孔后到信号调理与发射组件，实现传感器在振动监测过程中的自发电。4.根据权利要求1所述的自发电振动监测无线传感器，其特征是：所述的敏感元件组件包括晶体支撑座、压电陶瓷晶体、质量块、热缩环、上屏蔽壳、传感绝缘垫、绝缘环、环氧灌封
ⅱ
、内热缩管、传感信号过线孔ⅰ，用于拾取被测对象振动、冲击信号的压电陶瓷晶体为环形剪切晶体，外围由质量块环形包裹，通过热缩环将压电陶瓷晶体、质量块一起紧固在晶体支撑座的上部，晶体支撑座与具有传感信号过线孔ⅰ的上屏蔽壳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材质内热缩管后便形成了敏感元件组件；敏感元件组件外套绝缘环后置于传感绝缘垫之上，再由底盖压接到下腔体内，最后经腔体隔板上的灌胶孔由环氧灌封ⅱ对敏感元件组件整体进行固封；压电陶瓷晶体为锆钛酸铅系列的pzt-5，质量块为高密度钨合金，热缩环是由锡、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、上屏蔽壳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引出，经上屏蔽壳上的传感信号过线孔ⅰ、下腔体右壁上的传感信号过线孔ⅱ后到信号调理与发射组件。5.根据权利要求1所述的自发电振动监测无线传感器，其特征是：所述的信号调理与发射组件包括底部设置有pvdf堆叠组进线孔和敏感元件进线孔的电路屏蔽盒、信号调理与发射电路板、屏蔽盒上盖、微带天线、左侧固定螺钉、右侧固定螺钉，信号线经传感信号过线孔ⅰ、传感信号过线孔ⅱ、敏感元件进线孔连接至信号调理与发射电路板右端，电源线经自发电组件过线孔、pvdf堆叠组进线孔连接至信号调理与发射电路板左端，连接完成后通过左侧固定螺钉、右侧固定螺钉将信号调理与发射电路板与电路屏蔽盒一起固定于顶盖上方，再将上置微带天线的屏蔽盒上盖安装于电路屏蔽盒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。

技术总结
本申请公开了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、敏感元件组件、自发电组件、信号调理与发射组件四个部分。其有益效果在于：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。服了传统传感器在列车上布线困难的问题。服了传统传感器在列车上布线困难的问题。


技术研发人员：黄采伦 方虎威 田勇军 张磊 梁宁宁 赵延明 陈晓犇 唐博
受保护的技术使用者：湖南科技大学
技术研发日：2022.08.30
技术公布日：2022/11/29