BRPI0710888A2 - interface de sensor, truque de vagão ferroviário e método para medir e avaliar um parámetro fìsico em uma interface de um truque de vagão ferroviário - Google Patents

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BRPI0710888A2
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sensor interface
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BRPI0710888-5A
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William Lefebvre
Michael J Mccann
Frank Backo Iii
Andrew H Martin
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Asf Keystone Inc
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Abstract

INTERFACE DE SENSOR, TRUQUE DE VAGãO FERROVIáRIO E METODO PARA MEDIR E AVALIAR UM PARáMETRO FìSICO EM UMA INTERFACE DE UM TRUQUE DE VAGãO FERROVIáRIO. A presente invenção refere-se a uma interface de sensor incluindo um substrato flexivel no qual são embutidos sensores para medir parâmetros fisicos tal como temperatura, deslocamento, velocidade, aceleração, esforço, tensão, pressão e força presentes entre os objetos tal como um mancal de vagão e uma armação lateral do truque. O substrato é posicionado entre os objetos de interesse. Componentes eletrónicos tais como uma unidade de processamento de dados, um dispositivo de armazenamento de dados, um dispositivo de comunicação e uma fonte de energia podem ser embutidos dentro do substrato. Os dispositivos eletrónicos se comunicam uns com os outros e com os sensores para processarem sinais gerados pelos sensores indicativos dos parâmetros sendo medidos.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "INTERFACEDE SENSOR, TRUQUE DE VAGÃO FERROVIÁRIO E MÉTODO PARAMEDIR E AVALIAR UM PARÂMETRO FÍSICO EM UMA INTERFACE DEUM TRUQUE DE VAGÃO FERROVIÁRIO".
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se a elementos de engenharia paramonitorar e manter o funcionamento eficaz de máquinas e instalações. Maisespecificamente, ela refere-se a substratos elastoméricos posicionados entreobjetos relativamente rígidos para atenuar impacto ou vibração, impedir mo-vimento de abrasão ou de controle, os substratos contendo sensores incor-porados para medir cargas estáticas ou dinâmicas, posição da carga, forçasde cisalhamento, temperatura ou outros parâmetros de interesse, bem comodispositivos de processamento e de armazenamento de dados para interpre-tar sinais a partir dos sensores e dispositivos de comunicação para transmitiros dados a partir dos sensores para um usuário final para avaliação.Antecedentes da Invenção
Enquanto existem várias aplicações de sensores ligados comobjetos rígidos para medir forças nos mesmos, e sensores que podem mediro movimento relativo entre tais objetos e sensores que estão incorporadosjunto a vários materiais de construção (freqüentemente chamados de "mate-riais inteligentes"), estes sensores não estão embutidos dentro de substratoselastoméricos ou compatíveis que também servem para um papel de fazerinterface mecânica para permitir que os objetos se movam ligeiramente umem relação ao outro.
Alguns sensores são incorporados em objetos flexíveis tal comoluvas de modo a proporcionar realimentação tátil na robótica e em outrasaplicações de interface com o ser humano. Estas configurações não propor-cionam a interface sustentada desejada entre dois objetos rígidos.
Os benefícios desta invenção são a provisão de funções decompatibilidade, de processamento de dados de percepção e de comunica-ções dentro de um item que pode ser instalado no local de um substrato si-milarmente formatado desprovido de qualquer sensor.Objetivos da Invenção
O objetivo desta invenção é proporcionar um substrato mancaide carga deformável que proporcione uma interface compatível entre objetosrelativamente rígidos e que contenha embutido dentro dele próprio um oumais sensores que possam detectar e comunicar as condições no substrato,tal como temperatura e/ou várias forças e distribuições das mesmas, assim,proporcionando um dispositivo para monitorar, continuamente ou periodica-mente, as interações entre os objetos sólidos e as condições prevalecendopróximas ou na sua interface.
Sumário da Invenção
A invenção diz respeito a uma interface que pode ser posiciona-da entre dois objetos. A interface compreende um substrato flexível possuin-do uma primeira superfície que faz interface com um dos objetos e uma se-gunda superfície que faz interface com outros dos objetos. Pelo menos umsensor é embutido dentro do substrato flexível. O sensor é adaptado paramedir um parâmetro tal como diferencial de tensão elétrica, intensidade lu-minosa, intensidade de som, fluxo de calor, corrente elétrica, difusão de u-midade, difusão de espécies químicas, fluxo magnético, fluxo de nêutrons,radiação de ionização, temperatura, deslocamento, velocidade, aceleração,esforço, tensão, pressão e força e combinações dos mesmos. O sensor geraum sinal elétrico indicativo do parâmetro. A interface também inclui uma uni-dade de processamento de dados em comunicação com o sensor para re-ceber e processar os sinais gerados pelo sensor. Um dispositivo de comuni-cação adaptado para transmitir dados a partir da unidade de processamentode dados também é parte da interface, bem como uma fonte de energia queproporciona energia elétrica para o sensor, para a unidade de processamen-to de dados e para o dispositivo de comunicação.
A unidade de processamento de dados pode compreender umcomponente tal como um microprocessador, um circuito integrado de aplica-ção específica, um arranjo de portas programáveis em campo, bem comoum dispositivo de processamento de sinal digital e combinações dos mes-mos.Em uma concretização, o dispositivo de comunicação compre-ende um transmissor e receptor de rádio, dispositivos estes que podem serembutidos dentro do substrato.
A fonte de energia pode compreender um componente tal comouma bateria elétrica, uma célula de combustível, bem como um gerador elé-trico de rádio isótopo. Novamente, qualquer um destes dispositivos pode serembutido dentro do substrato.
Em uma concretização particular, um prolongamento pode seestender a partir do substrato e ser posicionado externamente ao espaçoentre os objetos. Vários componentes, tal como a unidade de processamen-to de dados, a fonte de energia e o dispositivo de comunicação podem serembutidos no prolongamento.
A invenção também abrange um método para medir e avaliar umparâmetro físico em uma interface entre dois objetos. O método compreen-di 5 de:
(a) proporcionar um substrato flexível posicionado entre os obje-tos, o substrato compreendendo pelo menos um sensor embutido no mes-mo;
(b) medir o parâmetro utilizando o sensor, o sensor gerando si-nais elétricos indicativos do parâmetro;
(c) proporcionar uma unidade de processamento de dados emcomunicação com o sensor;
(d) proporcionar um dispositivo de comunicação adaptado paratransmitir dados a partir da unidade de processamento de dados;
(e) proporcionar uma fonte de energia para energizar o sensor, aunidade de processamento de dados e o dispositivo de comunicação;
(f) a unidade de processamento de dados recebendo os sinais apartir do sensor;
(g) a unidade de processamento de dados executando opera-ções em relação aos sinais, as operações incluindo cálculo de média, filtra-gem, comparação, dimensionamento, calibragem, análise espectral, cripto-grafia e conversão de analógico para digital e combinações das mesmas; e(h) o dispositivo de comunicação transmitindo informação deri-vada a partir dos sinais pela unidade de processamento de dados.
Os parâmetros que podem ser medidos incluem, por exemplo,diferencial de tensão elétrica, intensidade luminosa, intensidade de som, flu-xo de calor, corrente elétrica, difusão de umidade, difusão de espécies quí-micas, fluxo magnético, fluxo de nêutrons, radiação de ionização, temperatu-ra, deslocamento, velocidade, aceleração, esforço, tensão, pressão e força ecombinações dos mesmos.Breve Descrição dos Desenhos
A figura 1 é um diagrama esquemático representando uma inter-face de acordo com a invenção;
A figura 2 é uma vista seccional parcial da interface apresentadana figura 1;
A figura 3 é uma vista seccional parcial de uma concretização deuma interface de acordo com a invenção;
A figura 4 é uma vista explodida de uma parte de uma armaçãolateral de um vagão com uma interface entre a armação lateral e um adapta-dor de mancai; e
A figura 5 é uma vista detalhada de uma parte da interface apre-sentada na figura 4.
Descrição Detalhada das Concretizações
As figuras 1 e 2 apresentam uma interface de sensor 10 de a-cordo com a invenção. A interface 10 compreende um substrato flexível 12possuindo uma primeira superfície 14 e uma segunda superfície 16, cadasuperfície podendo ser engatada com um respectivo objeto 18 e 20. Os obje-tos são apresentados na figura 2 como chapas grossas somente a título deexemplo. É antecipado que o objeto irá compreender componentes entre osquais cargas ou forças variáveis sustentadas irão ocorrer ou para os quaisoutros tipos de parâmetros físicos que podem ser medidos serão de interes-se, tal como diferencial de tensão elétrica, intensidade luminosa, intensidadede som, fluxo de calor, corrente elétrica, difusão de umidade, difusão de es-pécies químicas, fluxo magnético, fluxo de nêutrons, radiação de ionização,temperatura, deslocamento, velocidade, aceleração, esforço, tensão, pres-são, força e combinações dos mesmos. Exemplos de tais objetos incluemferramentas de máquina pesada e suas bases, motores e suas montagens,construções e suas fundações, bem como mancais de roda e suas estrutu-ras de suporte.
Vários sensores 22, 24 e 26 são embutidos dentro do substrato,os sensores compreendendo transdutores que convertem um parâmetro físi-co, tal como diferencial de tensão elétrica, intensidade luminosa, intensidadede som, fluxo de calor, corrente elétrica, difusão de umidade, difusão de es-pécies químicas, fluxo magnético, fluxo de nêutrons, radiação de ionização,força, temperatura, deslocamento, velocidade, aceleração, esforço, tensãoou pressão em sinais elétricos indicativos do parâmetro. Para este fim, ostipos de sensores incluem células de carga, termistores, transdutores linea-res de deslocamento variável, acelerômetros, medidores de tensão, disposi-tivos piezelétricos, magnetômetros, bolômetros, contadores Geiger, sonôme-tros e assim por diante.
Os sinais elétricos a partir dos sensores são enviados para umaunidade de processamento de dados 28 através das ligações de comunica-ção 30, as quais poderiam ser, por exemplo, condutores elétricos, fibras óp-ticas ou ligações de comunicação sem fios. A unidade de processamento dedados pode ser, por exemplo, um microprocessador, um circuito integradode aplicação específica, um arranjo de portas programável em campo, bemcomo um dispositivo de processamento de sinal digital que recebe e inter-preta os sinais a partir dos sensores de acordo com o software operandodentro do dispositivo. Dispositivos de condicionamento de sinal analógico,bem como outros circuitos elétricos analógicos, também podem ser uma par-te da unidade de processamento de dados. A unidade de processamento dedados também pode ser ligada com um dispositivo de armazenamento dedados 32, tal como uma unidade de disco ou uma unidade de memória deacesso aleatório de estado sólido quando grandes quantidades de dadosdevem ser armazenadas e processadas.
A unidade de processamento de dados se comunica com umdispositivo de comunicação 34. O dispositivo de comunicação 34 pode ser,por exemplo, um transmissor e receptor de rádio sob o controle da unidadede processamento de dados que envia e recebe informações para outrosdispositivos fora do substrato 12. Alternativamente, a comunicação tambémpode ser efetuada por uma ligação física 36, tal como um condutor elétricoou fibra óptica que se estende para fora do substrato 12. Nesta concretiza-ção, o dispositivo 34 pode ser um amplificador de sinal elétrico ou um gera-dor de sinal óptico, respectivamente, o qual alimenta sinais apropriados apartir da unidade de processamento de dados para a ligação física 36.
Os vários dispositivos e sensores recebem energia elétrica apartir de uma fonte de energia 38, a qual pode compreender uma bateriaelétrica, uma célula de combustível ou um gerador elétrico de rádio isótopopara citar alguns exemplos. A fonte de energia pode ser carregada pelo solou pode ser um gerador que derive energia a partir do movimento relativoentre os objetos 18 e 20. A fonte de energia pode também ser um dispositi-vo, tal como um dispositivo de indução por vibração magnética, o qual derivaenergia a partir do movimento do próprio sensor de interface. Alternativa-mente, a energia pode ser obtida a partir de uma fonte externa através deuma ligação física 39, tal como um condutor ou dispositivo elétrico para dis-tribuir combustível. Nesta concretização, o componente 38 pode ser, por e-xemplo, um transformador ou unidade de condicionamento de energia utili-zado para proporcionar tensões elétricas e correntes apropriadas para osvários componentes.
Como apresentado na figura 3, a interface do sensor 10 é versá-til e adaptável e pode ser disposta, moldada e construída como requeridopara uma aplicação particular. Nesta concretização, uma interface de cantoé ilustrada, capas de medir forças ou fluxos, em diferentes direções pela co-locação e orientação apropriada dos sensores. De particular interesse sãoas pequenas depressões 40 que são posicionadas dentro da superfície oudas superfícies 14 e 16 do substrato 12 em relação de sobreposição com umou mais componentes elétricos 42 embutidos dentro do substrato. O uso daspequenas depressões é pretendido para aliviar o esforço nos componenteseletrônicos causado por forças entre os objetos 18 e 20, nas superfícies dosquais pequenas depressões similares para alívio de esforço podem ser al-ternativamente ou adicionalmente proporcionadas.
A figura 4 ilustra um exemplo específico de uma interface desensor 10 posicionada entre um adaptador de mancai 44 e a armação lateral48 de um truque ou vagão de plataforma de um vagão dentro de uma bolsade retenção 46 formada pela armação lateral 48, como mostrado. A bolsa deretenção 46 é também designada na indústria como uma bolsa de pedestal46 formada em uma porção de pedestal da armação lateral 48. Nesta con-cretização, a capacidade de adaptação da invenção é novamente evidencia-da. A interface do sensor compreende uma plataforma do mancai de carga50 formada de um polímero flexível elástico que amortece a vibração e ascargas vertical, horizontal e longitudinal entre o adaptador de mancai 44 e aarmação lateral 48. Tais plataformas tipicamente são do tipo descrito no Pe-dido Publicado US 2005/0268813. Os sensores e os dispositivos eletrônicossão embutidos dentro das partes de interface da frente e da traseira 52 e 54que são formatadas para acomodar o adaptador de mancai e a bolsa da ar-mação lateral.
A parte de plataforma 52 é apresentada em detalhes na figura 5e compreende um substrato flexível elástico 12 no qual os sensores e oscomponentes eletrônicos estão embutidos. Neste exemplo, um sensor decarga 56 é posicionado em uma parte voltada verticalmente orientada 58 dosubstrato, permitindo ao mesmo medir forças entre a roda e a armação late-que, tal como variação periódica de velocidade. Outro sensor de carga 60 éposicionado dentro de uma parte de asa do substrato 62 orientada em umplano perpendicular à parte 58 para medir as cargas laterais entre a roda e aarmação lateral. Um termistor 64 é embutido dentro de uma parte horizontal66 do substrato para medir a temperatura do mancai. Outro sensor de carga68 é posicionado na parte horizontal 66 para medir as cargas verticais entreo adaptador de mancai e a armação lateral. Um dispositivo de resgate deenergia 70, por exemplo, um substrato piezelétrico, também é de forma van-tajosa posicionado nesta parte do substrato para gerar energia elétrica a par-tir das tensões induzidas pelo movimento vertical do adaptador de mancaiem relação à armação lateral para energizar os vários componentes.
As ligações de comunicação 30, a qual poderiam ser condutoreselétricos ou fibras ópticas, por exemplo, conectamos vários sensores e odispositivo de geração de energia com a unidade de processamento de da-dos 28. A unidade de processamento de dados, junto com o dispositivo dearmazenamento de dados 32 e com o dispositivo de comunicação 34, sãoembutidos dentro de um prolongamento 72. O prolongamento é uma partedo substrato 12 que se estende para o exterior e não é posicionado entrequaisquer partes relativamente móveis e, portanto, isolado das cargas oudeflexões, desse modo protegendo os dispositivos eletrônicos embutidos nomesmo. Nesta concretização, o dispositivo de comunicação 34 compreendeum transmissor e um receptor de rádio, como evidenciado pela antena RF74 embutida dentro do prolongamento.
A aplicação ilustrativa descrita acima proporciona uma interfacede sensor que pode ser utilizada para diagnosticar vários defeitos operacio-nais em um vagão de carga.
Em uma concretização, a interface de sensor é parte de umasubstrato de uretano que é empregado para aperfeiçoar a performance decurva do vagão de carga. O substrato é feito de poliuretano termofixo, espe-cificamente Adiprene L167 da Chemtura Corporation de Middleberry, Con-necticut. A seleção do material do substrato é otimizada para a aplicaçãopara a qual ele é pretendido (por exemplo, uma plataforma de direção durá-vel).
Para diagnosticar os vários defeitos de operação no vagão decarga, a interface de sensor resolve e mede as forças estáticas e dinâmicasaplicadas direcionadas para o mesmo verticalmente, longitudinalmente, late-ralmente e a partir do movimento de guinada. Ela também está apta a medira temperatura do adaptador de mancai para avaliar a temperatura do man-cai. Adicionalmente, impactos verticais também podem ser medidos.
Devido às altas tensões geradas na interface 12 entre as super-fícies 14 e 16 na região onde os sensores estão localizados, os fios 30 po-
dem ser suportados e protegidos para resistir ao dano. O suporte é feito apartir de uma poliuretano rígido de 50 Shore D, o qual proporciona uma re-sistência à tensão relativamente alta comparada com o material do substra-to. O uso de poliuretano para o suporte proporciona uma boa ligação com opoliuretano utilizado no substrato, apesar de outros tipos de material pode-rem ser utilizados.
O suporte pode estar localizado no lado do adaptador de mancaido substrato onde a deformação é minimizada devido ao travamento dosubstrato com o adaptador do mancai, e ele faz um bom encaixe com o a-daptador do mancai para minimizar a flexão do suporte. Canais rebaixadospodem ser incluídos no suporte para a fiação, conectores e sensores. Oscanais proporcionam algum alívio a partir das altas forças de cisalhamentoatuando perpendicular à direção do fio. Os canais para os fios podem serprojetados para meandrar se cisalhamento em várias direções for antecipa-do. Alívio adicional a partir de altas forças de cisalhamento atuando nos fios,conectores e sensores, é proporcionado envasando-se os mesmos nos ca-nais utilizando poliuretano de cura em temperatura ambiente ou com o pró-prio material do substrato.
Devido a existir pouca ou nenhuma deformação da fiação nosuporte, fios de cobre podem ser utilizados. Estes são soldados dentro doscanis utilizando o composto de envasamento, ou o próprio material do subs-trato. Uma alternativa é utilizar estruturação direta por laser, um processodesenvolvido pela LPKF de Garbsen, Alemanha, o qual utiliza um materialde suporte modificado e um laser para gravar os caminhos da fiação noscanais, com a fiação condutiva sendo formada por operações químicas sub-seqüentes. Um epóxi de prata da Al Technology de Princeton Junction, NewJersey, pode fazer uma conexão eletricamente condutiva entre as peças, erebites podem fazer uma conexão mecânica através e ao redor de duas pe-ças.
Pelo menos três tipos diferentes de sensores são utilizados paramedir três propriedades diferentes. A pressão é medida por um sensor depressão piezo-resistivo de película fina da Tekscan de Boston, Massachu-setts. A vibração é medida a partir de um sensor de película piezoelétrica daMSI de Hampton, Virgínia. A temperatura é medida por um termistor NTC daEpcos de Munique, Alemanha.
O armazenamento de energia necessário para funcionar o sis-tema provém de uma bateria de vida longa fabricada pela Tadiran de PortWashington, New York. Alternativamente, uma película piezoelétrica da MSIde Hampton, Virgínia, é utilizada para gerar energia elétrica a partir das vi-brações no ambiente para carregar um capacitor. Alternativamente, a ener-gia pode se originar de um sistema de energia do trem, pegando energia apartir dos freios ECP ou pelo uso de elementos magnéticos montados emuma roda e em uma parte adjacente do truque, desse modo fazendo uso domovimento relativo entre as rodas e da armação lateral.
Os componentes eletrônicos para este sistema podem ser umchip OEM Crossbow, amplificadores operacionais, circuitos divisores de ten-são elétrica, capacitor de armazenamento de energia e uma antena.Aspectos e Exemplos Ilustrativos Adicionais
É um aspecto desta invenção proporcionar proteção para ossensores, bem como para outros componentes mencionados anteriormentepor ter os mesmos embutidos dentro do material flexível formando o substra-to ou as extensões não sujeitas à tensão do mesmo, os quais podem pro-porcionar vedação contra umidade, vapor e ataque químico bem como pro-teção contra extremos de calor e frio, de impacto e colisão.
É um aspecto desta invenção que a combinação de sensoresembutidos, de unidades de processamento de dados, de dispositivos de co-municação e de fonte interna de energia permita que a invenção funcione deforma autônoma e, adicionalmente, que comunique as leituras de sensorpara o exterior sem fazer conexões elétricas por utilizar dispositivos eletro-magnéticos, acústicos ou ópticos. Para este último efeito, o substrato podeser feito totalmente ou incluir um material polimérico translúcido ou transpa-rente.
É um aspecto desta invenção que os sensores não afetem deforma significativa a funcionalidade do substrato no seu papel como ummembro de interface compatível, pela modificação de suas propriedadesmecânicas ou pela redução de sua durabilidade.
É um aspecto desta invenção que o substrato possa ser projeta-do com propriedades dependentes da posição e não-isotrópicas, tal comopossuindo uma rigidez diferente ao longo de eixos diferentes ou uma faixade movimento diferente dependendo da direção do movimento.
É um aspecto desta invenção que o substrato seja tolerante àabrasão e que os sensores sejam protegidos da ação abrasiva nas superfí-cies fazendo interface do substrato.
O material do substrato pode ser um material elastomérico natu-ral, tal como borracha, ou um polímero sintético, por exemplo, um materialtermoplástico ou termofixo. É um aspecto desta invenção que materiais deconstrução para o substrato e para os dispositivos componentes embutidosno mesmo sejam projetados para compatibilidade para proporcionar boa li-gação mecânica entre as partes constituintes de modo que as funções me-cânicas do substrato não sejam degradadas ou de outro modo comprometi-das quando fabricado ou durante o uso devido à separação ou à delamina-ção dos componentes do substrato.
A forma do substrato não está restrita a ser uma chapa plana,mas pode ser qualquer formato adequado como requerido para encher oespaço entre os objetos rígidos fazendo interface. O formato também podeser feito sob medida para proporcionar o dispositivo para alinhar os objetosbem como para incluir prolongamentos se estendendo a partir do substratoque não são mancai de carga como requerido para alojar componentes dife-rentes dos sensores. Como indicado acima, estas características preservama vedação hermética que protege os vários componentes de efeitos ambien-tais hostis.
Desde que o substrato do mancai de carga pode se deformarquando comprimido ou dividido em uma ou mais direções, as ligações decomunicação, por exemplo, a fiação e os conectores ligando os vários com-ponentes uns com os outros devem estar aptos a acomodar as deforma-ções. Duas estratégias básicas podem ser utilizadas na fiação par atender aeste requerimento: (i) criar fiação deformável, ou (ii) proporcionar um suportepara a fiação que resista à deformação. Os conectores, por outro lado, pre-cisam proporcionar ligação mecânica entre a fiação e os componentes etende a precisar de algum tipo de suporte.
É desejável que a fiação deformável esteja apta a acomodargrandes tensões e altas taxas de cisalhamento enquanto demonstrando umalonga duração de fadiga. Também é vantajoso proporcionar alta condutivi-dade para suportar boa conectividade elétrica. Os fios de preferência possu-em um perfil relativamente baixo para permitir grandes números de fios coe-xistirem dentro do substrato. Uma mola de aço plana foi vista como sendoideal em tais aplicações, como também placas de circuito flexíveis, ondeuma ondulação foi induzida no substrato flexível, e mesmo polímeros flexí-veis condutivos, apesar dos últimos poderem exibir uma alteração significati-va na condutividade quando deformados.
Quando os fios são suportados para resistir à deformação, o su-porte deve ter uma resistência à tensão relativamente alta comparada com omaterial do substrato ao redor do mesmo. Ele deve ser fino, ter uma alta re-sistência a cisalhamento e, dependendo da aplicação, deve se ligar bemcom o material do substrato. O suporte também deve demonstrar algumaflexibilidade e resistência à fadiga e a grandes forças de compressão. Umaampla faixa de materiais pode ser utilizada para suportar os fios ou outrasligações de comunicação, tal como poliuretanos duros, náilon contendo vi-dro, fibra de carbono ou laminados Kevlar® ou mesmo aço. Se o suporteutilizado for condutivo, então os fios devem ser isolados do mesmo.
Qualquer fio pode ser utilizado com um suporte resistente à de-formação. Adicionalmente, outras técnicas de fiação também podem ser uti-lizadas quando não irá ocorrer deformação significativa. Isto inclui utilizarcircuitos flexíveis ou estruturação direta por laser (LDS). O último processonvolve criar um suporte com moldagem por injeção padrão, utilizando umacategoria de plástico que pode ser ativada por laser que contém um comple-xo metal-orgânico. O material é ativado com laser, o qual cria uma camadasemente para o processo de chapeamento por deposição sem corrente sub-seqüente, que desenvolve 5 microns até 8 microns de cobre nas áreas ati-vadas por laser.
A fiação deformável proporciona uma alternativa para a fiaçãoque é suportada onde a deformação é relativamente grande.
O conector utilizado para ligar os fios com os sensores deveproporcionar tanto um caminho altamente condutivo como uma ligação me-cânica entre os materiais que pode ser dissimilar (tal como ligação de um fiode metal com um substrato de polímero flexível utilizado para um sensor depelícula grossa). O conector também deve suportar as temperaturas de pro-cessamento utilizadas para fabricar o substrato, bem como regimes de tem-peratura de operação aos quais o substrato pode ser exposto. O conectortambém deve demonstrar alguma flexibilidade e boa resistência à fadiga.Epóxi condutivo preenchido com prata proporciona uma excelente escolhaneste ambiente exigente.
Enquanto medidores de esforço convencionais contam com aelasticidade de um material de suporte, é vantajoso empregar sensores demedição de tensão na invenção que não sejam dependentes da elasticidadedo material do substrato para a sua função. Isto é devido às propriedadesrealógicas dos materiais de substrato preferidos, os quais geralmente sãoaltamente não-lineares e freqüentemente permitem deformações relativa-mente grandes.
Outros sensores, tal como sensores de temperatura, acelerôme-tros, sensores de impacto ou vibração piezelétricos, ou sensores de radiaçãoincidente, são escolhidos para terem efeito mínimo ou desprezível sobre ocomportamento do substrato como uma interface compatível.
Se sensores flexíveis, tal como um sensor de película grossamontado em um circuito flexível, forem utilizados, um suporte pode ser re-querido. O suporte deve ter propriedades similares a estas descritas parasuportar a fiação e os conectores. Em adição, o suporte pode ser utilizadopara isolar a percepção em uma direção específica para permitir, por exem-plo, que um sensor meça uma carga vertical e não seja afetado por uma for-ça de cisalhamento lateral.
Os suportes também podem ser utilizados para proporcionarresistência adicional para o sensor, permitindo ao mesmo sobreviver em umambiente que de outro modo está além de seus limites do projeto mecânico.
Os vários componentes, tal como os dispositivos de processa-mento e de armazenamento de dados, os dispositivos de comunicação e afonte de energia, de preferência compreendem conjunto de circuitos eletrô-nicos. Estes dispositivos não precisam ser planos, mas podem ser configu-rados para combinarem com a geometria do substrato em conformidade como formato dos objetos rígidos que ele separa.
A unidade de processamento de dados de preferência compre-ende componentes eletrônicos tal como um microprocessador que propor-ciona conversão de analógico para digital das saídas do sensor, armazenaos dados derivados a partir dos sensores, e sob o comando de software oude algoritmos embutidos, gerencia as comunicações e proporciona análiselocal dos dados armazenados.
Enquanto a versão mais simples do substrato de acordo com ainvenção pode ser configurada para conexão elétrica direta a partir do exte-rior do substrato com os sensores embutidos para extrair dados brutos ana-lógicos ou digitais gerados pelos sensores, são obtidos benefícios pela ope-ração em relação aos sinais derivados a partir dos sensores antes da trans-missão dos mesmos para o exterior.
Tais operações podem incluir, mas não estão restritas, ao cálcu-lo de média, filtragem para remover componentes de ruído, dimensionamen-to, calibragem não-linear e ajustes de interpretação, análise espectral, com-binação das leituras a partir de vários sensores, os quais não são necessari-amente do mesmo tipo, extrair inferências acerca de tais leituras, por meiostais como redes neurais, criar avaliações de condições prevalecentes, redu-zindo a informação a ser transmitida para remover redundância no fluxo dedados ou criptografar ou codificar a informação para a transmissão seguraou preparação de sinais de alarme.
É uma função adicional dos componentes eletrônicos no subs-trato que o tempo da aquisição de dados seja controlado para ser apropriadopara a aplicação. Por exemplo, algumas aplicações precisam rajadas de da-dos intensas agrupando atividade enquanto outras precisam medições regu-lares em intervalos estendidos. A provisão de tal facilidade também permitea conservação de energia elétrica que pode ser limitada. Microprocessado-res projetados para os sistemas de controle embutidos podem reverter paraestados de repouso com baixo consumo de energia nos quais um relógioainda proporciona tempo para um retorno para a condição ativa após umintervalo determinado.
Um aspecto adicional de um substrato apto a se comunicar deforma bidirecional é que após a instalação, testes de calibragem podem serfeitos, de modo que os componentes internos são proporcionados com osfatores e ajustes de conversão necessários para converter os dados brutos apartir dos sensores para as magnitudes apropriadas para uso posterior.
É uma função adicional dos componentes eletrônicos no subs-trato que os dados adquiridos a partir do sensor ou dos sensores possamser armazenados em um dispositivo de armazenamento de dados, tal comouma memória instantânea, antes do processamento para inferir ou detectarcondições prevalecentes, ou após a análise para proporcionar um registro histórico.
As funções do dispositivo de armazenamento de dados podemincluir armazenar dados de calibragem para os sensores, manter dados bru-tos dos sensores antes de fazer a análise estatística em relação às tendên-cias ou outras avaliações, manter os coeficientes de correlação oriundos detal análise estatística, manter dados espectrais derivados da análise espec-tral de dados do sensor anteriormente retidos e manter os resultados de ou-tras análises de inferência para criar um registro histórico que pode ser inter-rogado para posterior distribuição programada ou sob demanda.
Uma função adicional do dispositivo de armazenamento de da-dos é armazenar códigos de acesso e chaves de endereço de modo que asredes de dispositivos possam estar aptas a verificar que o tráfego de comu-nicações, as interrogações e as respostas são legítimos e seguros.Ainda outra função do dispositivo de armazenamento de dados éproporcionar armazenamento de programas de software extras para uso naunidade de processamento de dados. Tal facilidade permite que os dispositi-vos possuam um amplo repertório de funcionalidades maior do que pode serincorporado na própria unidade de processamento de dados. Com progra-mação adequada do sistema operacional para unidade de processamentode dados, esta habilidade pode ser estendida para permitir a reprogramaçãodos dispositivos após a instalação. Tais funções estão disponíveis como par-te do conjunto de aspectos nas redes de sensor sem utilização de fios atu-almente fabricadas pela Crossbow, Inc., de San Jose, Califórnia. Estes dis-positivos são proporcionados com capacidade de comunicação bidirecionalatravés de conjuntos de circuito de rádio/processador que são controladosatravés de um sistema operacional. O sistema operacional executa o softwa-re que permite aos sensores fazerem interface com o conjunto de circuitosde rádio/processador, e a partir de lá com sistemas de processamento ex-ternos, tal como computadores pessoais, assistentes digitais pessoais ou aInternet, bem como com outras redes. O uso de software proporciona maiorversatilidade e permite a capacidade de programação dos dispositivos em-butidos que podem ser utilizada para alterar a funcionalidade ou para fazerreparos em código danificado ou com defeito.
É uma função adicional dos componentes eletrônicos no subs-trato que o tempo das transmissões dos dados que são enviados possa sercontrolado. Os dados podem ser transmitidos em intervalos planejados ante-riormente ou quando da recepção de um sinal a partir do exterior. Por exem-plo, o dispositivo pode ser levado a responder a uma requisição por informa-ção como se ele fosse uma etiqueta RFID. O sinal requisitante não tem queser do mesmo tipo que o sinal de resposta transmitido. Por exemplo, pulsosde luz podem formar a requisição, sendo detectados através do material po-limérico translúcido formando o substrato, enquanto a resposta poderia serpor indução eletromagnética. Várias outras combinações podem ser imagi-nadas como apropriadas para a aplicação.
Embora seja conveniente considerar-se a funcionalidade acimados componentes eletrônicos como sendo proporcionada por um micropro-cessador, isto pode não ser necessário nem econômico. Dependendo daaplicação, como citado acima, as funções requeridas podem ser proporcio-nadas por um circuito integrado de aplicação específica, por um arranjo deportas programáveis no campo, por um dispositivo de processamento desinal digital ou por várias combinações dos mesmos incluindo componentesde circuito analógico, bem como componentes discretos lógicos e digitais. Afunção essencial é estar apto a recuperar as medições a partir dos sensorese preparar as mesmas para a transmissão.
A extração de inferências acerca de condições prevalecentespode ser baseada na comparação das leituras a partir de vários sensores.Por exemplo, um substrato suportando uma carga vertical pode detectar quea carga foi rolada devido às leituras de pressão próximas às bordas opostasdo substrato onde variando fora de fase uma com a outra. O comportamentocíclico pode ser um problema mecânico local; o comportamento acíclico po-de ser devido a um terremoto ou a outra perturbação.
Dado que um substrato pode transmitir e receber sinais, entãoos substratos podem ser configurados para interagir de modo que as leiturasa partir de mais do que um substrato possam ser combinadas. Por exemplo,redes para fins específicos de acordo com padrões para tecnologia de infor-mação, tal como o IEE802.15.4 (Telecomunication and Information EchanceBetween Systems, incorporado neste documento por referência) proporcio-nam a base para tais interações. Tal combinação de informações pode serprocessada com uma combinação de microprocessador e rádio, tal como asunidades "Mica" fabricadas pela Crossbow, Inc., de San Jose, Califórnia.
Os dispositivos de comunicação embutidos dentro do substratopodem comunicar localmente as leituras de sensor processadas para o exte-rior sem fazer conexões elétricas pela utilização de dispositivo eletromagné-tico, acústico ou óptico. Um aspecto deste sistema é que o dispositivo decomunicação pode operar dentro de restrições impostas por sua fonte deenergia internamente gerada e pelo armazenamento. Esquemas para a co-municação em freqüência de rádio de baixa potência, tal como colocação derede em malha, proporcionam uma abordagem para comunicação atravésde distâncias muito maiores do que esta proporcionada por um único trans-missor RF de baixa potência.
Um aspecto alternativo desta invenção proporciona comunica-ção e energia com utilização de fios.
A invenção proporciona a geração interna de energia elétricasuficiente para seu funcionamento através de um período indefinido por mei-os, tais como pelo resgate de efeitos de pequenos movimentos relativos ouvibrações dos objetos encadeados, utilizando geração piezoelétrica ou mi-crogeradores eletromecânicos ou componentes similares, para energizar ossensores, o conjunto de circuitos eletrônicos e os dispositivos de comunica-ção mencionados acima quando tal energia é necessária.
Uma alternativa é utilizar energia elétrica termicamente geradaou geração fotoelétrica, incluindo o uso de uma fonte de energia por laser àmedida que e quando necessário.
Um aspecto alternativo desta invenção permite que a energiaelétrica requerida seja distribuída por indução eletromagnética, continuamen-te ou somente quando necessária para fazer uma medição ou extrair dados.Por exemplo, a pequena quantidade de energia necessária poderia ser ex-traída a partir do campo magnético alternado de um circuito adjacente trans-portando corrente de rede elétrica.
Uma fonte alternativa de energia elétrica é o uso de pequenoscomponentes radioativos que geram uma geração de carga pequena porémpersistente.
Uma concretização desta invenção permite que a energia elétri-ca requerida seja proporcionada por dispositivos eletroquímicos, tal comouma célula de combustível, para a qual o combustível pode ser proporciona-do à medida que necessário.
Outra fonte de energia é uma bateria em escala de chip.
Também é um aspecto desta invenção que a energia elétrica, segerada lentamente através de um período estendido, possa ser armazenadapor dispositivos eletroquímicos em uma bateria ou por capacitores eletrôni-cos para uso em ocasiões quando maior energia elétrica for requerida doque é produzida em uma base contínua.
Um aspecto alternativo desta invenção é o uso de uma bateriacom alta densidade de energia como um dispositivo de armazenamento deenergia não-recarregável. Um exemplo é uma bateria cloreto de lítio tionilo.

Claims (33)

1. Interface de sensor que pode ser posicionada entre dois obje-tos, caracterizada pelo fato de que compreende:um substrato de apoio flexível possuindo uma primeira superfícieque faz interface com um dos ditos objetos e uma segunda superfície quefaz interface com outro dos ditos objetos;pelo menos um sensor embutido dentro do dito substrato flexí-vel, o dito sensor sendo adaptado para medir um parâmetro e gerar um sinalelétrico indicativo do dito parâmetro.
2. Interface de sensor, de acordo com a reivindicação 1, adicio-nalmente compreendendo:uma unidade de processamento de dados em comunicação como dito sensor para receber e processar os ditos sinais;um dispositivo de comunicação adaptado para transmitir dados apartir da dita unidade de processamento de dados; euma fonte de energia proporcionando energia elétrica para o ditosensor, para a dita unidade de processamento de dados e para o dito dispo-sitivo de comunicação.
3. Interface de sensor, de acordo com a reivindicação 1, em queo dito parâmetro é selecionado do grupo consistindo em diferencial de volta-gem, intensidade luminosa, intensidade de som, fluxo de calor, corrente elé-trica, difusão de umidade, difusão de espécies químicas, fluxo magnético,fluxo de nêutrons, radiação de ionização, temperatura, deslocamento, velo-cidade, aceleração, tensão, deformação, pressão e força e combinações dosmesmos.
4. Interface de sensor, de acordo com a reivindicação 2, em quea dita unidade de processamento de dados é embutida dentro do dito substrato.
5. Interface de sensor, de acordo com a reivindicação 4, em quepelo menos uma das ditas primeira e segunda superfícies possui uma pe-quena depressão posicionada na mesma sobrepondo-se à dita unidade deprocessamento de dados.
6. Interface de sensor, de acordo com a reivindicação 2, em queo dito dispositivo de comunicação é embutido dentro do dito substrato.
7. Interface, de acordo com a reivindicação 6, em que pelo me-nos uma das ditas primeira e segunda superfícies possui uma pequena de-pressão posicionada na mesma sobrepondo o dito dispositivo de comunica-ção.
8. Interface de sensor, de acordo com a reivindicação 2, em quea dita fonte de energia é embutida dentro do dito substrato.
9. Interface de sensor, de acordo com a reivindicação 8, em quea dita fonte de energia compreende um gerador que deriva energia a partirdo movimento relativo entre os ditos objetos.
10. Interface de sensor, de acordo com a reivindicação 8, emque a dita fonte de energia compreende um dispositivo de indução magnéti-ca por vibração que deriva energia a partir do movimento da interface desensor.
11. Interface de sensor, de acordo com a reivindicação 2, adicio-nalmente compreendendo um prolongamento se estendendo a partir do ditosubstrato e posicionado externo ao espaço entre os ditos objetos, a dita uni-dade de processamento de dados e o dito dispositivo de comunicação sendoembutidos dentro do dito prolongamento.
12. Interface de sensor, de acordo com a reivindicação 11, emque a dita fonte de energia é embutida dentro do dito prolongamento.
13. Interface de sensor, de acordo com a reivindicação 11, adi-cionalmente compreendendo um dispositivo de armazenamento de dadosembutido dentro do dito prolongamento.
14. Interface de sensor, de acordo com a reivindicação 1, onde oreferido substrato compreende uma plataforma de mancai de carga dispostaentre os ditos objetos de modo a transmitir uma carga entre os mesmos.
15. Interface de sensor, de acordo com a reivindicação 1, emque o referido substrato é um substrato de suporte de carga elastomérico.
16. Interface de sensor, de acordo com a reivindicação 1, onde odito sensor é configurado para medir um parâmetro do dito substrato.
17. Interface de sensor, de acordo com a reivindicação 1, emque a dita interface de sensor é posicionada entre um adaptador de mancaie uma armação lateral de um truque de vagão ferroviário de modo a ser ca-paz de passar uma carga do referido adaptador de mancai para a dita arma-ção lateral.
18. Interface de sensor, de acordo com a reivindicação 1, com-preendendo múltiplos sensores embutidos dentro do referido substrato.
19. Interface de sensor, de acordo com a reivindicação 14, ondeo referido substrato permite movimento dos ditos objetos um em relação ao outro.
20. Truque de vagão ferroviário possuindo uma interface de sen-sor posicionada entre um adaptador de mancai e uma armação lateral dodito truque, caracterizado pelo fato de que a dita interface de sensor com-preende:uma plataforma de mancai de carga flexível possuindo uma pri-meira superfície que faz interface com o dito adaptador de mancai e umasegunda superfície que faz interface com a dita armação lateral a dita plata-forma sendo posicionada para suportar e transmitir uma carga entre a ditaarmação lateral e o referido adaptador e permitindo movimento relativo entreo adaptador e a referida armação lateral; epelo menos um sensor embutido dentro da referida plataforma, odito sensor sendo adaptado para medir pelo menos um parâmetro selecio-nado do grupo consistindo de temperatura, deslocamento, velocidade, acele-ração, tensão, deformação, pressão e força e combinações dos mesmos, odito sensor gerando um sinal elétrico indicativo do dito parâmetro.
21. Truque de vagão, de acordo com a reivindicação 20 compre-endendo adicionalmenteuma unidade de processamento de dados em comunicação como dito sensor para receber e processar os ditos sinais;um dispositivo de comunicação adaptado para transmitir dados apartir da dita unidade de processamento de dados; euma fonte de energia proporcionando energia elétrica para o ditosensor, para a dita unidade de processamento de dados e para o dito dispo-sitivo de comunicação.
22. Truque de vagão, de acordo com a reivindicação 21, em quea dita unidade de processamento de dados é embutida dentro da referidaplataforma.
23. Truque de vagão, de acordo com a reivindicação 21, em quea referida armação lateral possui uma bolsa de retenção e a referida plata-forma é posicionada entre o adaptador de mancai e a armação lateral do ditotruque dentro da bolsa de retenção.
24. Truque de vagão ferroviário, caracterizado pelo fato de quecompreende:uma armação lateral de truque de vagão ferroviário;um adaptador de mancai;uma interface de sensor disposta entre o referido adaptador demancai e a dita armação lateral do dito truque, a interface de sensor com-preendendo um substrato flexível posicionado para permitir movimento limi-tado do dito adaptador e da dita armação lateral um em relação ao outro epara transmitir uma carga da referida armação lateral através do dito subs-trato para o dito adaptador de mancai; epelo menos um sensor embutido dentro do referido substrato, osensor sendo adaptado para medir um parâmetro e gerar um sinal elétricoindicativo do referido parâmetro.
25. Truque de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação-24, onde o referido substrato compreende uma plataforma de mancai decarga.
26. Truque de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação-25, onde a referida armação lateral de vagão ferroviário inclui uma bolsa depedestal, o referido adaptador de mancai sendo posicionado dentro da ditabolsa de pedestal.
27. Truque de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação-24, em que o referido substrato compreende um material elastomérico.
28. Truque de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação-24 em que o substrato possui uma primeira superfície suportando a dita ar-mação lateral e uma segunda superfície suportada pelo referido adaptadorde mancai.
29. Truque de vagão ferroviário de acordo com a reivindicação-24, adicionalmente compreendendo um prolongamento estendendo-se apartir do dito substrato e posicionado externamente a um espaço entre osreferidos objetos, a dita unidade de processamento de dados, o dito disposi-tivo de comunicação de dados e a referida fonte de energia sendo embutidosdentro do referido prolongamento.
30. Método para medir e avaliar um parâmetro físico em umainterface de um truque de vagão ferroviário entre um adaptador de mancai euma armação lateral do truque de vagão ferroviário, caracterizado pelo fatode compreender:proporcionar um substrato de mancai de carga flexível posicio-nado entre o dito adaptador de mancai e a dita armação lateral de modo aser capaz de transferir uma carga entre os mesmos, o dito substrato com-preendendo pelo menos um sensor embutido no mesmo; emedir o dito parâmetro utilizando o dito sensor, o dito sensor ge-rando sinais elétricos indicativos do dito parâmetro.
31. Método, de acordo com a reivindicação 30, adicionalmentecompreendendo as etapas de:proporcionar uma unidade de processamento de dados em co-municação com o dito sensor;proporcionar um dispositivo de comunicação adaptado paratransmitir dados a partir da dita unidade de processamento de dados;proporcionar uma fonte de energia para energizar o dito sensor,a dita unidade de processamento de dados e o dito dispositivo de comunica-ção;a dita unidade de processamento de dados recebendo os sinais a partir do dito sensor;a dita unidade de processamento de dados executando opera-ções em relação aos ditos sinais, as ditas operações selecionadas do grupoconsistindo de cálculo de média, filtragem, comparação, dimensionamento,calibragem, análise espectral, criptografia e conversão analógico para digitale combinações das mesmas; eutilizar o dito dispositivo de comunicação para transmitir informa-ção derivada a partir dos ditos sinais pela dita unidade de processamento dedados.
32. Método, de acordo com a reivindicação 30, em que a ditaetapa de medição adicionalmente compreende medir um parâmetro selecio-nado do grupo consistindo em diferencial de voltagem, intensidade luminosa,intensidade de som, fluxo de calor, corrente elétrica, difusão de umidade,difusão de espécies químicas, fluxo magnético, fluxo de nêutrons, radiaçãode ionização, temperatura, deslocamento, velocidade, aceleração, tensão,deformação, pressão e força e combinações dos mesmos.
33. Método, de acordo com a reivindicação 30, onde o dito subs-trato permite movimento da dita armação lateral e do referido adaptador demancai, um em relação ao outro.
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