货运列车振动监测的自发电式无线传感器制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
货运列车振动监测的自发电式无线传感器


[0001]本申请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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]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，本申请公开一种用于货运列车振动监测的自发电式无线传感器。
[0007]本申请采用的技术方案是：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。
[0008]在本申请中，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。
[0009]在本申请中，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
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
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，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：