CN109969228A - 一种压电能量的自供电型轨道车辆轴承监控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电能量的自供电型轨道车辆轴承监控装置，固定在轴箱上，用以获取列车轴温及加速度信号，该装置包括由上至下通过螺栓固定连接的盖子、圆形外壳和装置安装基座，所述的装置安装基座上固定有环形安装筒，该装置还包括由下至上分别安装在环形安装筒内的压电振子、PCB板和天线，所述的压电振子包括设置在压电材料基底上表面的压电薄膜以及通过螺栓固定在质量块支撑和压电材料基底下表面之间的质量块，所述的质量块支撑通过螺栓固定在环形安装筒的基座上，与现有技术相比，本发明具有使用寿命长、可靠性高、系统整体功耗低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及轨道列车检测领域，尤其是涉及一种压电能量的自供电型轨道车辆轴承监控装置。
背景技术
列车轴承在线监测是保障列车运行安全的重要手段之一。因设计工艺及维护需求，需要采用自供电式采集装置。列车运行过程中机械振动无处不在，如何利用振动能量实现采集装置自供电、数据采集及远程发送，延长检测设备及监测设备工作时间，保证列车关键部位检测设备的长期工作，已经成为列车轴温监测的优先考虑的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种压电能量的自供电型轨道车辆轴承监控装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种压电能量的自供电型轨道车辆轴承监控装置，固定在轴箱上，用以获取列车轴温及加速度信号，该装置包括由上至下通过螺栓固定连接的盖子、圆形外壳和装置安装基座，所述的装置安装基座上固定有环形安装筒，该装置还包括由下至上分别安装在环形安装筒内的压电振子、PCB板和天线，所述的压电振子包括设置在压电材料基底上表面的压电薄膜以及通过螺栓固定在质量块支撑和压电材料基底下表面之间的质量块，所述的质量块支撑通过螺栓固定在环形安装筒的基座上。
所述的PCB板上设有变换电路、分级储能单元和控制单元，所述的压电薄膜、变换电路和分级储能单元依次连接，所述的控制单元分别与变换电路、分级储能单元以及用以采集列车轴温和列车加速度数据的传感器模块连接，所述的分级储能单元通过第一开关与传感器模块连接，并且通过第二开关与天线连接，所述的第一开关和第二开关的通断均由控制单元控制，控制单元采用STM8L105单片机。
所述的变换电路采用LTC3588-1芯片。
所述的分级储能单元包括一级超级电容组、二极管和二级超级电容组，所述的一级超级电容组正极与变换电路的正输出端连接，并且通过正向二极管与二级超级电容组的正极连接，所述的一级超级电容组负极和二级超级电容组的负极分别与变换电路的负输出端连接。
所述的一级超级电容组为传感器模块和天线供电，二级超级电容组为控制单元供电。
所述的天线通过天线安装板固定在环形安装筒上端开口处，其型号为APC340。
所述的传感器模块固定在轴箱上，其连接线通过外壳上通孔连接至PCB板。
该自供电型轨道车辆轴承监控装置的控制方法包括以下步骤：
1)将压电振子固定于列车车轴附近，跟随列车振动产生形变从而产生交流电，变换电路将压电振子产生的交流电转换为对储能单元进行充电的直流电；
2)经过变换电路的直流电向分级储能单元充电，当二级电容组电压达到启动控制单元阈值时，变换电路向控制单元发出触发信号启动控制单元；
3)控制单元接收到触发信号启动后，输出高电平信号至复位端，使得复位端始终保持高电平，控制单元开始稳定工作；
4)若采样间隔时间小于采样间隔设定时间Tin，则第一开关K1保持断开，若采样间隔时间大于等于采样间隔设定时间Tin，则闭合第一开关K1，传感器模块开始采样并发送采样数据至控制单元；
5)若采样时间小于采样设定时间Ts，则第一开关K1保持闭合，若采样时间大于等于采样设定时间Ts，则断开第一开关K1，传感器模块采样结束，采样间隔时间重置为0，并返回步骤4)；
6)若远程发送间隔时间小于远程发送间隔时间Trin，则第二开关K2保持断开，若远程发送间隔时间大于等于远程发送间隔时间Trin，则闭合第二开关K2，控制单元传送数据至天线，天线开始向远程接收模块发送数据；
7)若远程发送时间小于远程发送时间Tr，则第二开关K2保持闭合，若远程发送时间大于等于远程发送时间Tr，则开启第二开关K2，天线发送数据结束，远程发送间隔时间重置为0，并重复返回6)；
8)当分级储能单元电量不足时，判断振动是否仍在持续，若是，则返回步骤1)，若否，则系统关闭。
分级储能单元进行单向储能，即只能由一级超级电容组向二级超级电容组充能。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、使用寿命长：本发明仅使用超级电容组而不使用电池作为供电电源，超级电容组充放电次数多，可以有效提高系统的电源质量，不易老化。
二、可靠性高：超级电容分为两组，一级超级电容组为传感器模块和远程发送模块供电，二级超级电容组单独为控制单元供电，保障控制单元的稳定工作，避免了远程发送模块在开启的瞬间和发送信息的瞬间，瞬时电压过大造成超级电容的电压出现突变，引起控制单元的复位。
三、工作稳定：通过将控制单元自身输出的高电平接入复位引脚，使得复位引脚始终保持高电平，避免出现了变换电路频发发出触发信号而造成的控制单元非正常复位操作，实现控制单元的自我控制功能。
四、降低系统整体功耗，提高了系统的工作效率：利用列车振动能量方式为列车轴温监控装置自供电，在控制单元关闭时，远程发送模块与一级超级电容组断开，不作为负载消耗电能，在控制单元开启时，远程发送模块与一级超级电容组连接，并处于休眠模式，电能消耗微乎其微，只有当控制单元控制远程发送模块发送信号时，远程发送模块才会切换至正常工作模式发送数据。
附图说明
图1为本发明的系统控制框图。
图2为本发明储能单元电路示意图。
图3为本发明的外观示意图，其中，图(3a)为主视图，图(3b)为左视图，图(3c)为俯视图。
图4为图(3c)中A-A剖面图。
图5为变换电路的电路示意图。
图中标记说明：
101、盖子，102、天线，103、外壳，104、PCB板，105、压电薄膜，106、装置安装基座，107、质量块，108、质量块支撑，109、压电材料基底，110、天线安装板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，本发明提供一种压电能量的自供电型轨道车辆轴承监控装置，用以获取列车轴温保障列车的安全运行，该系统包括：
压电振子，用于转化压电能量为电能；
变换电路，与压电振子、储能单元及控制单元连接，用于转换压电振子产生的交流电为直流电，为储能单元充电并产生触发信号启动控制单元；
储能单元，与变换电路、控制单元、传感器模块和远程发送模块连接，用于为控制单元、传感器模块和远程发送模块供电；
控制单元，与变换电路、储能单元、传感器模块和远程发送模块连接，用于对储能单元供电、传感器模块采集数据和远程发送模块发送数据进行控制；传感器模块，与储能单元和控制单元连接，用于采集列车轴温和列车加速度；
远程发送模块，与储能单元和控制单元连接，用于远程发送传感器模块采集到的温度数据；
压电振子包括压电薄膜、压电材料基底和质量块，压电薄膜，固定于压电材料基底之上，压电材料基底的材料为可产生振动形变的柔性材料，质量块固定于质量块支撑之上，用于调节压电振子整体刚度和质量以匹配列车振动形成共振；如图5所示，变换电路采用LTC3588-1芯片，其输出引脚分别与储能单元连接，为其供电，触发信号由10号引脚发出发送给单片机；储能单元包括一级超级电容组并联连接于二极管和二级超级电容组，用于分级储存电能，一级超级电容组和二级超级电容组存在单向充能的特性，二级超级电容组无法向一级超级电容组充能，一级超级电容组为传感器模块和远程发送模块(天线)供电，二级超级电容组为控制单元供电，控制单元在接收到变换电路触发信号后启动，采集储能单元一级、二级超级电容组电压信号，对传感器模块和远程发送模块供电进行控制；所述的控制单元，所述控制单元控制传感器模块的采样间隔时间和采样时间，远程发送模块发送间隔时间和发送时间。
本实施例所述的压电能量的自供电型轨道车辆轴承监控装置的控制方法包括下列步骤：
1)压电振子固定于列车车轴附件，跟随列车振动产生形变从而产生交流电，变换电路把压电振子产生的交流电转换成可对储能单元进行充电的直流电；
2)经过变换电路的直流电向超级电容组充电，当二级电容组电压达到启动控制单元阈值时，变换电路给控制单元发出触发信号至控制单元芯片的复位引脚，控制单元启动；
3)控制单元接收到变换电路发送的触发信号开启后，自身输出一高电平信号连接至控制单元芯片的复位引脚，使得控制单元芯片的复位引脚始终保持高电平，控制单元开始稳定工作；
4)若采样间隔时间小于采样间隔设定时间Tin，则储能单元与传感器模块间开关K1保持开启，若否，则控制单元控制信号闭合K1，传感器模块开始采样并发送采样数据至控制单元；
5)若采样时间小于采样设定时间Ts，则储能单元与传感器模块间开关K1保持闭合，若否，则控制单元控制信号开启K1，传感器模块采样结束，采样间隔时间重置为0，并重复步骤4)；
6)若远程发送间隔时间小于远程发送间隔时间Trin，则储能单元与远程发送模块间开关K2保持开启，若否，则控制单元控制信号闭合K2，控制单元传送数据至远程发送模块，远程发送模块开始向远程接收模块发送数据；
7)若远程发送时间小于远程发送时间Tr，则储能单元与远程发送模块间开关K2保持闭合，若否，控制单元控制信号开启K2，远程发送模块发送数据结束，远程发送间隔时间重置为0，并重复步骤6)；
8)当系统电量不足时，判断振动是否仍在持续，若是，则进入步骤1)，若否，则系统关闭。
如图2所示，分级储能单元包括一级超级电容组C1，二极管，二级超级电容组C2；一级超级电容组C1与二极管和二级超级电容组C2组成的串联电路并联连接；变换电路连接一级超级电容组两端，给储能单元充电；一级超级电容组C1两端连接传感器模块和远程发送模块，二级超级电容组C2两端连接控制单元。
如图3和4所示，本装置包括盖子101，天线102，外壳103，PCB板104，压电薄膜105，装置安装基座106，质量块107，质量块支撑108，压电材料基底109，天线安装板110；压电振子包括压电薄膜105，质量块107，压电材料基底109，本实施例中通过螺栓固定连接；变换电路，储能单元，控制单元均制于PCB板104上；远程发送模块包括天线2，安装于天线安装板110上；天线安装板110，PCB板104，压电材料基底109通过螺栓固定连接；外壳103，装置安装基座106通过螺栓固定连接；质量块支撑108通过螺栓固定于装置安装基座；传感器模块传感器置于检测位置，传感器线路通过外壳103上通孔连接至PCB板104；压电能量的自供电型轨道车辆轴承监控装置通过螺栓固定于车体。
以上所述仅为本发明的较佳实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种压电能量的自供电型轨道车辆轴承监控装置，固定在轴箱上，用以获取列车轴温及加速度信号，该装置包括由上至下通过螺栓固定连接的盖子(101)、圆形外壳(103)和装置安装基座(106)，所述的装置安装基座(106)上固定有环形安装筒，其特征在于，该装置还包括由下至上分别安装在环形安装筒内的压电振子、PCB板(104)和天线(102)，所述的压电振子包括设置在压电材料基底(109)上表面的压电薄膜(105)以及通过螺栓固定在质量块支撑(108)和压电材料基底(109)下表面之间的质量块(107)，所述的质量块支撑(108)通过螺栓固定在环形安装筒的基座上。
2.根据权利要求1所述的一种压电能量的自供电型轨道车辆轴承监控装置，其特征在于，所述的PCB板(104)上设有变换电路、分级储能单元和控制单元，所述的压电薄膜(105)、变换电路和分级储能单元依次连接，所述的控制单元分别与变换电路、分级储能单元以及用以采集列车轴温和列车加速度数据的传感器模块连接，所述的分级储能单元通过第一开关(K1)与传感器模块连接，并且通过第二开关(K2)与天线(102)连接，所述的第一开关(K1)和第二开关(K2)的通断均由控制单元控制。
3.根据权利要求1所述的一种压电能量的自供电型轨道车辆轴承监控装置，其特征在于，所述的变换电路采用LTC3588-1芯片。
4.根据权利要求1所述的一种压电能量的自供电型轨道车辆轴承监控装置，其特征在于，所述的分级储能单元包括一级超级电容组(C1)、二极管(D)和二级超级电容组(C2)，所述的一级超级电容组(C1)正极与变换电路的正输出端连接，并且通过正向二极管(D)与二级超级电容组(C2)的正极连接，所述的一级超级电容组(C1)负极和二级超级电容组(C2)的负极分别与变换电路的负输出端连接。
5.根据权利要求4所述的一种压电能量的自供电型轨道车辆轴承监控装置，其特征在于，所述的一级超级电容组(C1)为传感器模块和天线(102)供电，二级超级电容组(C2)为控制单元供电。
6.根据权利要求1所述的一种压电能量的自供电型轨道车辆轴承监控装置，其特征在于，所述的天线(102)通过天线安装板(110)固定在环形安装筒上端开口处，其型号为APC340。
7.根据权利要求2所述的一种压电能量的自供电型轨道车辆轴承监控装置，其特征在于，所述的传感器模块固定在轴箱上，其连接线通过外壳(103)上通孔连接至PCB板(104)。
8.根据权利要求1所述的一种压电能量的自供电型轨道车辆轴承监控装置，其特征在于，该自供电型轨道车辆轴承监控装置的控制方法包括以下步骤：
1)将压电振子固定于列车车轴附近，跟随列车振动产生形变从而产生交流电，变换电路将压电振子产生的交流电转换为对储能单元进行充电的直流电；
2)经过变换电路的直流电向分级储能单元充电，当二级电容组电压达到启动控制单元阈值时，变换电路向控制单元发出触发信号启动控制单元；
3)控制单元接收到触发信号启动后，输出高电平信号至复位端，使得复位端始终保持高电平，控制单元开始稳定工作；
4)若采样间隔时间小于采样间隔设定时间Tin，则第一开关K1保持断开，若采样间隔时间大于等于采样间隔设定时间Tin，则闭合第一开关K1，传感器模块开始采样并发送采样数据至控制单元；
5)若采样时间小于采样设定时间Ts，则第一开关K1保持闭合，若采样时间大于等于采样设定时间Ts，则断开第一开关K1，传感器模块采样结束，采样间隔时间重置为0，并返回步骤4)；
6)若远程发送间隔时间小于远程发送间隔时间Trin，则第二开关K2保持断开，若远程发送间隔时间大于等于远程发送间隔时间Trin，则闭合第二开关K2，控制单元传送数据至天线，天线开始向远程接收模块发送数据；
7)若远程发送时间小于远程发送时间Tr，则第二开关K2保持闭合，若远程发送时间大于等于远程发送时间Tr，则开启第二开关K2，天线发送数据结束，远程发送间隔时间重置为0，并重复返回6)；
8)当分级储能单元电量不足时，判断振动是否仍在持续，若是，则返回步骤1)，若否，则系统关闭。
9.根据权利要求2所述的一种压电能量的自供电型轨道车辆轴承监控装置，其特征在于，分级储能单元进行单向储能，即只能由一级超级电容组向二级超级电容组充能。
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