一种电力机车低压柜无线无源温度感知系统技术方案

本发明专利技术公开了一种电力机车低压柜无线无源温度感知系统，包括声表面波温度感知单元、天线单元和采集单元；所述声表面波温度感知单元安装于电力机车低压柜内待测温度处，所述声表面波温度感知单元通过天线单元与所述采集单元相连；所述声表面波温度感知单元包括衬底、压电基片、天线模块、叉指换能器和反射栅；所述压电基片包括声波传导基片和位于所述声波传导基片上的压电薄膜；所述声波传导基片位于所述衬底上，所述天线模块、叉指换能器和反射栅位于所述压电薄膜上。本发明专利技术具有高频化、低时延、高声速、高可靠性、高适应性等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种电力机车低压柜无线无源温度感知系统
本专利技术主要涉及温度感知
，具体涉及一种电力机车低压柜无线无源温度感知系统。
技术介绍
电气化铁路的牵引动力是电力机车，供电安全一直是机车的消防安全和可靠运行保证，确保供电安全进而确保列车安全稳定运行具有非常重要的现实意义。机车供电电压通常是25KV以上，所需能源由电力牵引供电系统提供，其供能方式采用受电弓从接触网获取电能，再传送到电气系统，牵引列车运行。电力机车电气系统由主传动系统、辅助电气控制系统和控制电路系统组成，其中控制电路即主令电路，司机通过主令电路发出指令间接控制机车主电路及辅助电路，以完成各种工况操作。主令电电路包括110V直流稳压电源、蓄电池组、控制机车不同状态(牵引、制动、向前、向后、加速停车等)以及控制各辅助机械开停和照明工作有关的主令电器、以及各种功能的低压电器及开关。对控制电路系统设备状态进行及时有效的状态监测，是保证电力机车运行安全的关键环节，其中低压柜柜内温度是非常重要的监测参量之一。电力机车在高速运行过程中，柜内母排节点可能因为松动、老化、电弧冲击等原因造成接触电阻增大，表现出温度升高的现象，进而导致车辆供电系统故障和车辆损坏，甚至可能发生车辆起火的严重事故，造成运营中断，后果非常严重。同时，目前低压柜内没有安装在线温度感知系统，可视化、智能化及大数据化程度不够，其内部温度状态是工作中的一个“盲区”，导致无法进行准确的事故分析，更无法给出准确的事故处理建议。所以，实时在线监测电力机车运行状态下的低压柜温度可以确保车辆运行安全，对于列车安全稳定运行具有重要的现实意义。目前，国内外温度监测主要有以下几种检测手段：比较传统的方法是示温贴纸和人工测温，但是这种传统方法效率低、且无法实现在线温度监测；另外红外热成像测温是利用热成像原理进行测温，但是检测区域面积有限，只能监测无遮挡、可视范围内的温度；光纤光栅传感测温是利用光栅结构的热胀冷缩原理，进行贴装测温，但需要有线连接，布线复杂，且光纤易折断；有源无线测温通过使用电池对传感器供电进行无线测温，但电池寿命有限，须定期更换电池，且在高电压环境下有漏液、起火甚至爆炸隐患。综述可以看出，目前国内外流行的测温方法很难适应电力机车在高速运行过程中的低压柜强电磁、剧烈振动以及密闭环境，这一研究属国内空白。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种高频、高声速、高可靠性的电力机车低压柜无线无源温度感知系统。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种电力机车低压柜无线无源温度感知系统，包括声表面波温度感知单元、天线单元和采集单元；所述声表面波温度感知单元安装于电力机车低压柜内待测温度处，所述声表面波温度感知单元通过天线单元与所述采集单元相连；所述声表面波温度感知单元包括衬底、压电基片、天线模块、叉指换能器和反射栅；所述压电基片包括声波传导基片和位于所述声波传导基片上的压电薄膜；所述声波传导基片位于所述衬底上，所述天线模块、叉指换能器和反射栅位于所述压电薄膜上。作为上述技术方案的进一步改进：所述声波传导基片包括金刚石薄膜。所述叉指换能器通过电子束曝光技术制备于所述压电基片上。所述压电薄膜为聚偏氟乙烯制备而成。所述压电基片的声波传导基片与衬底之间设有第一温度补偿层，所述压电薄膜上设有第二温度补偿层，且叉指换能器和反射栅均位于压电薄膜与第二温度补偿层之间。所述第一温度补偿层和第二温度补偿层均为氧化铝。所述声表面波温度感知单元封装成贴片式结构或者音叉式结构。所述天线单元呈板状。所述天线单元对应配置有多个不同谐振频率的声表面波温度感知单元；各所述采集单元组网且均与集中服务器相连。还包括报警单元，所述报警单元与所述采集单元相连，用于在实时温度或温度变化率超过对应的预设值时进行报警。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术针对电力机车低压柜内强电磁、剧烈振动以及密闭环境，使用无线无源高频声表面波温度感知单元实现柜内在线温度监测功能，相对于其他测温方式，有如下优势特点：无线无源高频声表面波温度感知单元由压电材料构成，不含半导体器件，因此是一种"无芯"的器件，工作温度范围广，适合高铁-40～150℃范围工作；无线无源高频声表面波温度感知单元的内部依靠声波工作，没有电路，不需电池供电，避免了电池高温爆炸和化学泄露等隐患，真正实现无线无源读取，避免了在低压柜内进行复杂布线，且可以贴于母排表面，与半导体技术比较，原理上无阈值电压限制；无线无源高频声表面波温度感知单元的内部没有电路，具有强抗干扰能力，具有优良的抗高压及电磁辐射能力；工作环境取决于压电材料和金属膜的耐受程度，只要选用的材料与相关结构合适，还可工作于极端环境，比如耐高温、酸碱性等恶劣环境。(2)声表面波温度感知单元采用谐振器型高频SAW温度感知器件，相对于谐振器型低频SAW温度感知器件，谐振器型高频SAW温度感知器件具有低时延、高声速、高可靠性等特点，能更好的适应电力机车高电压、强电磁、剧烈振动以及密闭环境。(3)为获得高频化的声表面波温度感知器件，一方面提升SAW频率的方法是制备高声速的压电基片。将目前传统的一体的压电基片分解成声波传导基片和位于声波传导基片上的压电薄膜；其中声波传导基片能够提供声波快速传播的路径，而压电薄膜保证压电基片本身的压电效应，即在保证压电基片正常压电效应的基础上，通过声波传导基片的对声波的快速传播，从而实现声表面波温度感知器件的高频化。具体地，金刚石具有最快的声速(12000m/s)，极高的杨氏模量，非常适合做声波传导基片。但金刚石不具有压电性能，因此通常在金刚石上沉积一层压电薄膜，构成压电薄膜/金刚石层状结构高声速压电基片。(4)本专利技术另一方面提升SAW频率的方法是减小叉指电极周期，减小波长。传统低频SAW器件的IDT制备通常采用紫外光刻技术，该技术受限于紫外波长(0.20～4μm)，所制备的SAW频率通常在3GHz以下，无法满足高频SAW器件需求。本专利技术IDT制备将采用更高精度的电子束曝光(EBL)技术，可以加工尺寸更小的IDT结构，其中IDT尺寸越小，SAW频率就会变高；其中IDT材料采用Al、Al/Ti、Al/Cr、Al/Ti/Cu/Ti、Pt/Rh等复合金属。(5)本专利技术在压电薄膜的表面敷设有吸声层，用于吸收声表面波中的体声波信号，从而实现声表面波与体声波信号的分离，保证后续信号检测的精准性。(6)本专利技术压电基片的声波传导基片与衬底之间设有第一温度补偿层，压电薄膜上设有第二温度补偿层，且叉指换能器和反射栅均位于压电薄膜与第二温度补偿层之间。压电基片置于上下两层温度补偿层之中，从上下两个方向实现了表面声波波速的温度补偿。其中第一温度补偿层和第二温度补偿层均采用了低热膨胀系数的材料，可限制夹在这两层中间的压电基片(主要是压电薄膜)自身的热膨胀作用有效提高表面声波器件特别是高频表面声波器件的温度补偿效果。另外，可通过在小尺寸金属电极(即叉指换能器和反射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电力机车低压柜无线无源温度感知系统，其特征在于，包括声表面波温度感知单元(1)、天线单元(2)和采集单元(3)；所述声表面波温度感知单元(1)安装于电力机车低压柜内待测温度处，所述声表面波温度感知单元(1)通过天线单元(2)与所述采集单元(3)相连；所述声表面波温度感知单元(1)包括衬底(101)、压电基片(103)、天线模块(106)、叉指换能器(107)和反射栅(108)；所述压电基片(103)包括声波传导基片(1031)和位于所述声波传导基片(1031)上的压电薄膜(1032)；所述声波传导基片(1031)位于所述衬底(101)上，所述天线模块(106)、叉指换能器(107)和反射栅(108)位于所述压电薄膜(1032)上。/n

【技术特征摘要】
1.一种电力机车低压柜无线无源温度感知系统，其特征在于，包括声表面波温度感知单元(1)、天线单元(2)和采集单元(3)；所述声表面波温度感知单元(1)安装于电力机车低压柜内待测温度处，所述声表面波温度感知单元(1)通过天线单元(2)与所述采集单元(3)相连；所述声表面波温度感知单元(1)包括衬底(101)、压电基片(103)、天线模块(106)、叉指换能器(107)和反射栅(108)；所述压电基片(103)包括声波传导基片(1031)和位于所述声波传导基片(1031)上的压电薄膜(1032)；所述声波传导基片(1031)位于所述衬底(101)上，所述天线模块(106)、叉指换能器(107)和反射栅(108)位于所述压电薄膜(1032)上。


2.根据权利要求1所述的电力机车低压柜无线无源温度感知系统，其特征在于，所述声波传导基片(1031)包括金刚石薄膜。


3.根据权利要求1所述的电力机车低压柜无线无源温度感知系统，其特征在于，所述叉指换能器(107)通过电子束曝光技术制备于所述压电基片(103)上。


4.根据权利要求1或2或3所述的电力机车低压柜无线无源温度感知系统，其特征在于，所述压电薄膜(1032)为聚偏氟乙烯制备而成。


5.根据权利要求1或2或3所述的电力机车低压柜无...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨颖，刘翊，李林，刘凯，莫洪波，黄贵励，吴晗，陈勇，沈意平，周剑，段辉高，
申请(专利权)人：株洲国创轨道科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43