CN111664985A - 一种面向列车转向架风压检测的曲面传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向列车转向架风压检测的曲面传感装置，包括应变传感模块、压力传感模块、信息采集模块、信息处理模块。安装在转向架上的应变和压力传感模块主要采用复合导电材料，风压产生形变致使材料内部导电网络改变，使得电阻发生相应变化，达到应变传感检测风压的目的。数据检测完成后通过信息采集模块实现数据实时更新监控，再由信息处理模块进行数据算法分析，实现列车转向架风压状态下的结构健康检测。本发明可为列车转向架装置提高使用可靠性以及运营便利性，实现风压下的转向架结构状态监测及运行状态预测，为列车的安全运行提供了有力保障。

Description

一种面向列车转向架风压检测的曲面传感装置

技术领域

本发明涉及柔性电子传感器研发领域，特别涉及一种列车关键部件风压检测传感装置及其制造方法。

背景技术

强风对铁路行车的危害一直不容忽视，在极端天气环境中强风干扰会极大增加列车的倾覆概率，导致发生不可挽回的灾难事故。转向架装置既是在列车运行中起至关重要作用的装置，也是受强风干扰直接影响较大的装置之一。但目前转向架上仅安装有速度传感器和轴温传感器，对于强风载荷下列车安全性的检测和把控力度不够。为此若能实现转向架所受风力检测，则可对强侧风作用下列车安全性能进行更为准确的实时评估与控制，更大程度上提高列车运行的安全可靠性。当列车遇强风时，因风压多维度受力不均的特点，转向架会产生横向或纵向多方位的不规则振动从而发生失稳现象，若使用传统刚性传感器，其检测精度将受到极大制约，且相应成本也十分高昂，为解决此类问题，特制作出使用导电聚合物为原材料的柔性电子应变压力传感器来实现风压检测，既解决了检测数据准确性的问题，又可提升检测过程的灵敏度和灵活性，并且节约了生产制作成本。

这种面向列车转向架风压检测的曲面传感装置为实现运行列车所受风压的准确检测以及安全风险预测提供了可行的解决方案，且随着柔性电子设备在工业界的发展应用，此装备的设计制造为柔性传感材料在铁路领域的应用提供了基础理论和相关技术支持。

发明内容

本发明为解决目前相关领域所使用技术中存在的不足与缺陷而设计，针对这些问题，本发明的第一目的是对于列车运行状态下风压检测需求提供一种面向列车转向架风压检测的曲面传感装置，包括拉伸应变传感模块、压力传感模块、信息采集模块、信息处理模块，其中将应变传感模块和压力传感模块集成到制作的柔性导电聚合物衬底上，柔性导电聚合物内部为网状纤维结构，可以检测到聚合物表面发生的微小物理形变，再将形变与压力转化为电学特性变化信息，从而实现传感器功能的调配和可控。获取变化的电学特性信息后，再通过信息采集模块收集信息，后经信息传输模块传输给后台系统管理人员，实现风压数据的检测和列车运行安全性分析。

为解决目前相关领域所使用技术中存在的不足与缺陷，本发明的第二目的是对于列车运行状态下风压检测需求提供一种面向列车转向架风压检测的曲面传感装置的功能实现过程。此功能实现过程的重点在于当列车遇到风压时，由于导电聚合物的特性，柔性传感器会根据所受压力及应变力产生形变从而使自身电阻发生对应的变化，从而能够通过电学特性的变化反映出风压变化情况，最后通过传感器搭载的信息采集模块和数据处理模块将风压状态发送至后台系统和司机室显示屏，实现列车行驶过程中所受风压的可视化处理和实时自动化检测。

一种面向列车转向架风压检测的曲面传感装置，核心是将应变与压力传感模块集成在导电聚合物上以制成柔性传感器，再结合信息采集与传输模块，外加合适的工作电压，搭载的应变压力传感器即可实现转向架的风压日常监测，确保列车在强风状态下的安全运行。

进一步地，所述面向列车转向架风压检测的曲面柔性传感装置的制作过程，包括以下步骤：

1.取出1.5克的PEDOT:PSS，将其溶解于3克二甲基亚枫（DMSO）和3克N,N,N',N'-甲基乙二胺的混合溶液中，搅拌数小时至均匀透明后开始静电纺丝，采用11千伏的电压对混合溶液纺丝约20s，设置的接收板距离为12厘米，完成后可制备出能通过外界压力使内部结构发生较大形变的纳米纤维；

2.将上一步制作的纳米纤维膜悬于石墨烯溶液，搅拌一小时后干燥，由此制备出作为传感器敏感层的石墨烯复合材料，使得石墨烯通过静电纺丝的方法包覆在纳米纤维表面；

3.使用旋涂法制作薄膜衬底，材料在高速旋转后挥发成膜，调整设计参数制成2毫米厚的PDMS膜；

4.将第2步制作的石墨烯复合材料转移至PDMS衬底之上，再引出铜线，制出外置导线；

5.将另一片已制好的2毫米厚PDMS膜覆盖在合成衬底上，制成应变压力传感器；

6.施加不同应变压力后，器件电流发生变化；

7.计算出器件灵敏度、恢复速度及响应性能；

8.此装置在施加外界压力与应变力的情况下可通过电流变化实现外力反馈判断与检测功能。

进一步地，所述面向列车转向架风压检测的曲面柔性传感装置的功能实现过程，包括以下步骤：

1.将制作好的曲面柔性传感器贴合在悬挂牵引装置的中间位置，使传感器可以检测到此位置所受的风压；

2.柔性传感器将风压数据转化为电学特性的变化；

3.通过与信息采集处理模块的连接，将检测风压值发送给数据接收模块；

4.对接收到的数据进行可视化处理；

5.将数据信息发送至后台管理平台以及司机室显示屏，实时显示风压数据并在超过规定值时发出预警。

基于以上所述可以得知，在目前的列车风压检测中存在一些不足之处，例如检测无法根据自然环境的改变做到实时调整、传统刚性检测传感器成本较高且适应力和灵活性不够强等，为解决此类问题，发明了一种面向列车转向架风压检测的曲面柔性传感装置，具有灵敏度强、形变能力强，造价低廉，自动化程度高等特点，可以较好解决现有技术中存在的不足之处。本发明主要采用旋涂法进行材料的制作，从而将所需传感检测能力集成在导电薄膜上，再通过薄膜的形变改变将所受风压可视化，并根据不同实际场景改变参数提高所测数据的准确性，保障列车运行过程受强侧风影响时的安全性和稳定性。

综上所述，本发明一种面向列车转向架风压检测的曲面柔性传感装置，利用导电聚合物柔性传感器延展性好、拉伸性强、对形变压力反应灵敏度高、内部可集成多种传感器、成本低廉等特点，适用于列车行驶过程中对风压的检测，而列车转向架作为受行驶强风影响最为直接的部位之一，一直是风压检测的重点，因此选择将本发明搭载在转向架上。再通过信息采集模块和信息传输模块的结合，实现风压检测的可视化与自动化。本发明同时也为更多运动状态下的工业器件压力应变检测提供了可行性参考与理论基础。

附图说明

图1为曲面柔性传感器检测转向架风压功能结构图；

图2为柔性传感器模组的分解示意图；

图3为柔性传感器检测风压原理图；

图4为柔性传感器制备流程图；

图5为功能实现流程图；

图6为风压与电压关系变化图。

图1至图6元件符号说明：车体1，转向架2，轮对3，安装梁4，悬挂牵引装置5，端梁6，柔性基底7，柔性传感器8，柔性基底外表面7a，柔性基底内表面7b，柔性拉伸应变传感器8a，柔性压力传感器8b。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1所示，给出了曲面柔性传感器检测转向架风压功能结构，所设计的曲面柔性传感器检测转向架风压功能结构，包括实际风压干扰的模拟场景、作为搭载传感器平台的转向架、曲面柔性测风压传感器模组。实际风压干扰的模拟场景中，风压对车体1施加变化的压力，转向架2表面也会承载相应的压力变化，作为搭载传感器平台的转向架包括轮对3、安装梁4、悬挂牵引装置5、端梁6，曲面柔性测风压传感器模组包括柔性衬底7和柔性传感器8两部分。当列车车体1在行驶过程中遇到强风时，列车的转向架部分2会遇到较强的风力干扰，因此可作为风力检测的理想部件，并将柔性传感器模组7和8粘附在转向架的悬挂牵引装置部位5，即能有效做到列车行驶过程中的风力检测。

其中，柔性传感器分为拉伸应变柔性传感器8a和压力柔性传感器8b，经由旋涂法的制作成膜过程，均被包含于内外表面的衬底7之中，成为外力使得内部产生形变后致使自身电学特性发生相应改变的导电薄膜。

如图2所示，给出了柔性传感器模组的分解示意图，所设计的柔性传感器模组分解示意中包括柔性衬底7和柔性传感器8两部分。所述柔性衬底7包括衬底外表面7a和衬底内表面7b。

在制备过程中，首先使用旋涂法制作柔性衬底7，再将石墨烯导电材料放置在衬底上，最后将另一表面的薄膜衬底覆盖在组合材料上，完成对导电聚合物柔性传感器8的材料加工，而通过对薄膜厚度、薄膜微结构阵列形状尺寸的改变就能调整相应的检测范围和灵敏度。压力增大时，衬底间的接触面积增大，导通回路增多电阻减小，电流增大。

如图3所示，给出了柔性传感器检测风压原理图，所设计的柔性传感器检测风压原理为：步骤1，风压向转向架施加压力，从而使转向架上黏附的柔性传感器也受到压力作用；步骤2，通过柔性导线材料使应变与压力变化转换成为电流变化；步骤3，通过信息采集模块收集提取电流变化信息，并通过信息处理模块实现信息的可视化处理；步骤4，将前一步采集到的信息通过数据传输模块发送至接收端后台管理系统，实现风压数据的实时可视化监测。

如图4所示，给出了柔性传感器制备流程图，其制备流程包括：

1.将PEDOT:PSS、二甲基亚枫（DMSO）和N,N,N',N'-甲基乙二胺按比例制成混合溶液，制备出能通过外界压力使内部结构发生较大形变的纳米纤维；

2.将上一步制作的纳米纤维膜混合于石墨烯溶液，通过静电纺丝工艺制备出石墨烯复合材料；

3.采用旋涂法制作薄膜衬底；

4.将石墨烯复合材料转移至衬底之上，并引出外置导线；

5.将另一表面的薄膜覆盖在合成衬底上；

6.柔性传感器制作完成后对响应曲线进行矫正。

如图5所示，给出了功能实现流程图，其功能实现流程包括：

1.将制作好的曲面柔性传感器贴合在悬挂牵引装置的中间位置，使传感器可以检测到此位置所受的风压；

2.柔性传感器将风压数据转化为电学特性的变化；

3.通过与信息采集处理模块的连接，将检测风压值发送给数据接收模块；

4.对接收到的数据进行可视化处理；

5.将数据信息发送至后台管理平台以及司机室显示屏，实时显示风压数据并在超过规定值时发出预警。

如图6所示，给出了风压与电流关系变化图，从图中可以看出不同风速负压值与电流的变化规律，在不同的风速（压）状态下，通过柔性传感器检测到的电流的变化与风速（压）成正比。

制备方法实例：

下面结合具体实例和图4对本发明作进一步说明。

图4为柔性传感器具体的制备流程图，其制备流程包括：

1.取出1.5克的PEDOT:PSS，将其溶解于3克二甲基亚枫（DMSO）和3克N,N,N',N'-甲基乙二胺的混合溶液中，搅拌数小时至均匀透明后开始静电纺丝，采用11千伏的电压对混合溶液纺丝约20s，设置的接收板距离为12厘米，完成后可制备出能通过外界压力使内部结构发生较大形变的纳米纤维；

2.将上一步制作的纳米纤维膜悬于石墨烯溶液，搅拌一小时后干燥，由此制备出作为传感器敏感层的石墨烯复合材料，使得石墨烯通过静电纺丝的方法包覆在纳米纤维表面；

3.使用旋涂法制作薄膜衬底，材料在高速旋转后挥发成膜，调整设计参数制成2毫米厚的PDMS膜；

4.将第2步制作的石墨烯复合材料转移至PDMS衬底之上，再引出铜线，制出外置导线；

5.将另一片已制好的2毫米厚PDMS膜覆盖在合成衬底上，制成应变压力传感器；

6.施加不同应变压力后，器件电流发生变化；

7.计算出器件灵敏度、恢复速度及响应性能；

8.此装置在施加外界压力与应变力的情况下可通过电流变化实现外力反馈判断与检测功能。

应用实例说明

通过图4所示的柔性传感器具体的制备加工方法，可以完成检测压力及应变力的面向列车转向架风压检测的曲面柔性传感器的制备，将制作成功的柔性传感器黏附在转向架的悬挂牵引装置中间最佳风压受力位置，再使得传感器与信息采集模块、信息处理模块、信息传输模块等部件相连接，达到将压力及应变力转换为电学特性的目的，再对获取的变化信息进行可视化处理，实现后台管理系统对风压变化的实时监控。参见图5，所发明的面向列车转向架风压检测的曲面柔性传感装置主要功能实现及应用步骤包括：

1. 将制作好的曲面柔性传感器贴合在悬挂牵引装置的中间位置，使传感器可以检测到此位置所受的风压，应变和压力传感模块分别采集由于风压导致的应变和压力信号；

2. 柔性传感器将风压数据转化为电学特性的变化，得到风压与曲面传感装置输出电压之间的关系参见图6；

3. 通过与信息采集处理模块的连接，将检测风压值发送给数据接收模块；

4. 对接收到的数据进行可视化处理，实现转向架风压的在线测量，为转向架结构在线监测提供技术支持；

5. 将数据信息发送至后台管理平台以及司机室显示屏，实时显示风压数据并在超过规定值时发出预警。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向列车转向架风压检测的曲面传感装置，包括应变传感模块、压力传感模块、信息采集模块、信息处理模块，其中将应变传感模块和压力传感模块集成到制作的柔性导电聚合物衬底上，柔性导电聚合物内部为网状纤维结构，可以检测到聚合物表面发生的微小物理形变，再将形变与压力转化为电学特性变化信息，从而实现传感器功能的调配和可控。

2.根据权利要求1所述的面向列车转向架风压检测的曲面传感装置，其特征在于，所述装置结构为曲面形状，主动与转向架曲面结构共形，提高采集转向架风压信号的可靠与稳定性。

3.根据权利要求1和2所述的基于曲面传感装置在线监测列车转向架风压的实现过程，其特征在于，当列车遇到风压时，由于导电聚合物的特性，柔性传感器会根据所受压力及应变力产生形变从而使自身电阻发生对应的变化，从而能够通过电学特性的变化反映出风压变化情况，最后通过传感器搭载的信息采集模块和数据处理模块将风压状态发送至后台系统和司机室显示屏，实现列车行驶过程中所受风压的可视化处理和实时自动化检测。

4.根据权利要求1-3所述的一种面向列车转向架的曲面传感装置制备方法，包括以下步骤：

（1）取出1.5克的PEDOT:PSS，将其溶解于3克二甲基亚枫（DMSO）和3克N,N,N',N'-甲基乙二胺的混合溶液中，搅拌数小时至均匀透明后开始静电纺丝，采用11千伏的电压对混合溶液纺丝约20s，设置的接收板距离为12厘米，完成后可制备出能通过外界压力使内部结构发生较大形变的纳米纤维；

（2）将上一步制作的纳米纤维膜悬于石墨烯溶液，搅拌一小时后干燥，由此制备出作为传感器敏感层的石墨烯复合材料，使得石墨烯通过静电纺丝的方法包覆在纳米纤维表面；

（3）使用旋涂法制作薄膜衬底，材料在高速旋转后挥发成膜，调整设计参数制成2毫米厚的PDMS膜；

（4）将第（2）步制作的石墨烯复合材料转移至PDMS衬底之上，再引出铜线，制出外置导线；

（5）将另一片已制好的2毫米厚PDMS膜覆盖在合成衬底上，制成应变压力传感器；

（6）施加不同应变压力后，电流发生变化；

（7）计算出器件灵敏度、恢复速度及响应性能；

（8）此装置在施加外界压力与应变力的情况下可通过电流变化实现外力反馈判断与检测功能。

5.根据权利要求1-4所述的面向列车转向架的曲面传感装置在线监测流程，其特征在于，所述在线监测流程包括以下步骤：

将制作好的曲面柔性传感器贴合在悬挂牵引装置的中间位置，使传感器可以检测到此位置所受的风压；

柔性传感器将风压数据转化为电学特性的变化；

通过与信息采集处理模块的连接，将检测风压值发送给数据接收模块；

对接收到的数据进行可视化处理；

将数据信息发送至后台管理平台以及司机室显示屏，实时显示风压数据并在超过规定值时发出预警。

6.按照权利要求1~5任意一项所述的面向列车转向架的曲面传感装置及其制备方法。

Images