CN112326016A - 列车轮对状态监测的环形剪切型传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种列车轮对状态监测的环形剪切型传感器，包括敏感元件组件、检测电路组件、外封装总成三个部分。本发明的有益效果在于：每个部分均形成一个屏蔽层，实现对传感器信号的三重屏蔽，可有效抑制列车轮对运行工况下的辐射电磁干扰；敏感元件采用环形剪切压电陶瓷晶体并由热缩环进行固定，解决现有列车轮对状态监测传感器存在的温度漂移、工作温度限制的问题；传感器检测电路采用双电荷放大、对绞线差分输出方式，有效抑制信号传输过程中的传导干扰和信号线上的共模干扰。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于列车运行状态监测与故障诊断的专用传感器，尤其是一种用于列车轮对状态监测的环形剪切型传感器。
背景技术
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。传感器类似于人类为了获取外界信息所必须借助的感觉器官，是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，是实现自动检测和自动控制的首要环节。一般来说一个传感器只能测量一个物理量，为了能准确全面的认识对象和环境，以进一步进行监测或控制，往往需要多个传感器来同时测量多个物理量，使得系统结构庞大而复杂，降低其可靠性和稳定性。
列车轮对长期处于高速、重载的工作状态，由于其工作面接触应力的长期反复作用，极易引起轴承疲劳、裂纹和压痕等故障，导致轴承发热、车轴断裂，给机车车辆带来额外的冲击振动，继而产生“热轴”或者其他故障；为此，必需对列车轮对进行状态监测与故障诊断。由于列车运行工况复杂，工作环境恶劣、干扰因素繁多，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。
现有列车轮对状态监测方法主要有：温度监测、振动冲击监测、温度与振动综合监测三种方法，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，这种结构有高的共振频率，然而基座与监测对象连接时，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；而这类传感器一般是单端输出信号方式，难以满足列车轮对运行工况要求，常因复杂的电磁干扰而出现误诊、漏诊，严重时造成监测装置或传感器损坏。因此，开发一种适用于满足列车轮对运行工况的振动冲击监测传感器是非常必要的。
发明内容
针对目前列车轮对状态监测中的传感器存在不足，本发明公开了一种列车轮对状态监测的环形剪切型传感器。
本发明采用的技术方案是：一种列车轮对状态监测的环形剪切型传感器，包括敏感元件组件（2）、检测电路组件（3）、外封装总成（1）三个部分，每个部分均形成一个屏蔽层，实现对传感器信号的三重屏蔽，可有效抑制列车轮对运行工况下的复杂电磁干扰；其特征是：外封装总成（1）由传感器基座（1-1）、传感器中壳（1-2）、传感器上壳（1-3）、尾端护线器（1-4）组成，尾端护线器（1-4）下部外形为外六角、通过内螺纹与传感器上壳（1-3）顶部外螺纹连接，传感器上壳（1-3）通过螺纹与传感器中壳（1-2）连接，传感器中壳（1-2）采用卡接方式连接到传感器基座（1-1）上，传感器基座（1-1）的下部加工有用于传感器安装到监测位置的传感器安装螺纹（1-7）、上部外形为便于安装旋紧的外六角、顶部中心位置压接有用于安装检测电路组件（3）的由可机加工陶瓷制成的外绝缘垫（1-6），检测电路组件（3）安装好后在传感器中壳（1-2）内采用环氧灌封Ⅰ（1-5）进行整体固化；敏感元件组件（2）封装在检测电路组件（3）内部，通过敏感元件组件（2）内的压电陶瓷晶体（2-4）拾取被监测对象的振动、冲击信号电连接到检测电路板（3-7），经检测电路板（3-7）调理后的信号采用差分方式由顶盖过线孔（3-9）、传感器上壳（1-3）、尾端护线器（1-4）引出。
在本发明中，所述的敏感元件组件（2）包括晶体支撑座（2-1）、下屏蔽壳（2-2）、上屏蔽壳（2-3）、压电陶瓷晶体（2-4）、质量块（2-5）、热缩环（2-6）、下屏蔽壳过线孔（2-7）、上屏蔽壳过线孔（2-8）、内热缩管（2-9），用于拾取被测对象振动、冲击信号的压电陶瓷晶体（2-4）为环形剪切晶体，外围由质量块（2-5）环形包裹，通过热缩环（2-6）将压电陶瓷晶体（2-4）、质量块（2-5）一起紧固在晶体支撑座（2-1）的上部，晶体支撑座（2-1）与下屏蔽壳（2-2）组成一个内置敏感元件的腔体再与上屏蔽壳（2-3）形成一个密闭的屏蔽体，屏蔽体外包裹用于绝缘的PE材质内热缩管（2-9）后便形成了敏感元件组件（2）；压电陶瓷晶体（2-4）为锆钛酸铅系列的PZT-5，质量块（2-5）为高密度钨合金，热缩环（2-6）是由锡、银、铜易熔合金制成表面覆着张力大于30Mpa的低温合金环，晶体支撑座（2-1）、下屏蔽壳（2-2）、上屏蔽壳（2-3）均由S316不锈钢加工而成，屏蔽体的外壳作为传感信号的负极，传感信号正极从热缩环（2-6）引出，经下屏蔽壳过线孔（2-7）、上屏蔽壳过线孔（2-8）后到检测电路板（3-7）。
在本发明中，所述的检测电路组件（3）分为上腔体（3-7）和下腔体（3-11）两个部分，包括底盖（3-1）、屏蔽柱体（3-2）、顶盖（3-3）、内绝缘垫（3-4）、绝缘环（3-5）、环氧灌封Ⅱ（3-6）、检测电路板（3-8）、顶盖过线孔（3-9）、外热缩管（3-10）；敏感元件组件（2）制作完成并将上屏蔽壳过线孔（2-8）用703硅胶密封干燥后在其下部套装由95%氧化铝制成的绝缘环（3-5）、底部贴装由95%氧化铝制成的内绝缘垫（3-4），然后整体置于底盖（3-1）中心位置，将屏蔽柱体（3-2）与底盖（3-1）压接后在其形成的内部空间采用环氧灌封Ⅱ（3-6）对下腔体（3-11）进行整体固化；检测电路板（3-8）安装在上腔体（3-7）内部，信号线由顶盖过线孔（3-9）引出，完成电路连接后在屏蔽柱体（3-2）外包裹用于绝缘的PE材质外热缩管（3-10）便形成了检测电路组件（3）。
在本发明中，所述的检测电路由双运放IC1、电阻R1~ R5、电容C1~ C6组成，敏感元件组件（2）的热缩环（2-6）连接至由运放IC1B、电阻R1、电容C1组成的电荷放大器，敏感元件组件（2）的下屏蔽壳（2-2）连接至由运放IC1A、电阻R2、电容C2组成的电荷放大器，C5、C6为电源退耦电容，电阻R3、R4、R5与电容C3、C4一起为两个电荷放大器提供信号直流参考电压，实现对压电陶瓷晶体（2-4）输出信号的差分式电荷放大；传感器采用四线制连接方式，四线分别两两对绞，一组对绞线连接传感器电源VCC、传感器地GND，另一组对绞线连接差分输出正Va+、差分输出负Va-。
本发明的有益效果是，用于列车轮对状态监测的环形剪切型传感器包括敏感元件组件、检测电路组件、外封装总成三个部分，每个部分均形成一个屏蔽层，实现对传感器信号的三重屏蔽，可有效抑制列车轮对运行工况下的辐射电磁干扰；敏感元件采用环形剪切压电陶瓷晶体并由热缩环进行固定，解决现有列车轮对状态监测传感器存在的温度漂移、工作温度限制的问题；传感器检测电路采用双电荷放大、对绞线差分输出方式，有效抑制信号传输过程中的传导干扰和信号线上的共模干扰。
附图说明
图1是本发明的总体结构框图；
图中：1. 外封装总成，2. 敏感元件组件，3. 检测电路组件。
图2是本发明实施例的外封装总成结构图；
图中：1-1.传感器基座，1-2.传感器中壳，1-3.传感器上壳，1-4.尾端护线器，1-5.环氧灌封Ⅰ，1-6.外绝缘垫，1-7.传感器安装螺纹。
图3是本发明实施例的敏感元件组件结构图；
图中：2-1.晶体支撑座，2-2.下屏蔽壳，2-3.上屏蔽壳，2-4.压电陶瓷晶体，2-5.质量块，2-6.热缩环，2-7.下屏蔽壳过线孔，2-8.上屏蔽壳过线孔，2-9.内热缩管。
图4是本发明实施例的检测电路组件结构图；
图中：3-1.底盖，3-2.屏蔽柱体，3-3.顶盖，3-4.内绝缘垫，3-5.绝缘环，3-6.环氧灌封Ⅱ，3-7.上腔体，3-8.检测电路板，3-9.顶盖过线孔，3-10.外热缩管，3-11.下腔体。
图5是本发明实施例的检测电路原理图。
图6是本发明实施例的仰视图。
图7是本发明实施例的俯视图。
图8是本发明实施例的基座螺纹接头图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图，附图1是本发明的总体结构框图，附图2是本发明实施例的外封装总成结构图，附图6是本发明实施例的仰视图，附图7是本发明实施例的俯视图，附图8是本发明实施例的基座螺纹接头图。附图1中的1是外封装总成，2是敏感元件组件，3是检测电路组件；附图2中的1-1是传感器基座，1-2是传感器中壳，1-3是传感器上壳，1-4是尾端护线器，1-5是环氧灌封Ⅰ，1-6是外绝缘垫，1-7是传感器安装螺纹。本发明一种用于列车轮对状态监测的环形剪切型传感器，包括敏感元件组件（2）、检测电路组件（3）、外封装总成（1）三个部分，每个部分均形成一个屏蔽层，实现对传感器信号的三重屏蔽，可有效抑制列车轮对运行工况下的复杂电磁干扰。本发明传感器的外封装总成（1）由传感器基座（1-1）、传感器中壳（1-2）、传感器上壳（1-3）、尾端护线器（1-4）等部分组成。其中，尾端护线器（1-4）下部外形为外六角、通过内螺纹与传感器上壳（1-3）顶部外螺纹连接，传感器上壳（1-3）通过螺纹与传感器中壳（1-2）连接，传感器中壳（1-2）采用卡接方式连接到传感器基座（1-1）上，传感器基座（1-1）的下部加工有用于传感器安装到监测位置的传感器安装螺纹（1-7）、上部外形为便于安装旋紧的外六角、顶部中心位置压接有用于安装检测电路组件（3）的由可机加工陶瓷制成的外绝缘垫（1-6），检测电路组件（3）安装好后在传感器中壳（1-2）内采用环氧灌封Ⅰ（1-5）进行整体固化以一个完整的三重屏蔽传感器；克服了列车轮对监测中外部冲击、摩擦等因素的影响，有效抑制列车轮对恶劣工作环境下的诸多干扰因素。敏感元件组件（2）封装在检测电路组件（3）内部，通过敏感元件组件（2）内的压电陶瓷晶体（2-4）拾取被监测对象的振动、冲击信号电连接到检测电路板（3-7），经检测电路板（3-7）调理后的信号采用差分方式由顶盖过线孔（3-9）、传感器上壳（1-3）、尾端护线器（1-4）引出；有效抑制监测信号在传输过程中的共模干扰，解决了列车轮对监测信号单端输出方式常因复杂电磁干扰而出现误诊、漏诊的问题。
附图3是本发明实施例的敏感元件组件结构图，图中的2-1是晶体支撑座，2-2是下屏蔽壳，2-3是上屏蔽壳，2-4是压电陶瓷晶体，2-5是质量块，2-6是热缩环，2-7是下屏蔽壳过线孔，2-8是上屏蔽壳过线孔，2-9是内热缩管。压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的，某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”，具有“压电效应”的晶体称为压电晶体；常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等，本发明传感器的敏感元件选用压电陶瓷晶体。所述的敏感元件组件（2）包括晶体支撑座（2-1）、下屏蔽壳（2-2）、上屏蔽壳（2-3）、压电陶瓷晶体（2-4）、质量块（2-5）、热缩环（2-6）、下屏蔽壳过线孔（2-7）、上屏蔽壳过线孔（2-8）、内热缩管（2-9），用于拾取被测对象振动、冲击信号的压电陶瓷晶体（2-4）为环形剪切晶体，外围由质量块（2-5）环形包裹，通过热缩环（2-6）将压电陶瓷晶体（2-4）、质量块（2-5）一起紧固在晶体支撑座（2-1）的上部，晶体支撑座（2-1）与下屏蔽壳（2-2）组成一个内置敏感元件的腔体再与上屏蔽壳（2-3）形成一个密闭的屏蔽体，屏蔽体外包裹用于绝缘的PE材质内热缩管（2-9）后便形成了敏感元件组件（2）；压电陶瓷晶体（2-4）为锆钛酸铅系列的PZT-5，质量块（2-5）为高密度钨合金，热缩环（2-6）是由锡、银、铜易熔合金制成表面覆着张力大于30Mpa的低温合金环，晶体支撑座（2-1）、下屏蔽壳（2-2）、上屏蔽壳（2-3）均由S316不锈钢加工而成，屏蔽体的外壳作为传感信号的负极，传感信号正极从热缩环（2-6）引出，经下屏蔽壳过线孔（2-7）、上屏蔽壳过线孔（2-8）后到检测电路板（3-7）。常用的压电式加速度传感器由基座、压电元件、质量块、夹持环、弹簧等组成，主要有中央安装压缩型、三角剪切型、环形剪切型等结构形式。中央安装压缩型是按压电元件—质量块—弹簧系统的顺序装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接，这种结构有高的共振频率，然而基座B与测试对象连接时，如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出；此外，测试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。三角剪切形的压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上，加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力，这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性；但结构较为复杂。环形剪切型的结构简单，能够制成微型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上，由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。本发明传感器的敏感元件选用环形剪切型压电陶瓷晶体，为克服粘结剂对工作温度的限制，压电陶瓷晶体（2-4）、质量块（2-5）采用热缩环（2-6）来固定。
附图4是本发明实施例的检测电路组件结构图，图中的3-1是底盖，3-2是屏蔽柱体，3-3是顶盖，3-4是内绝缘垫，3-5是绝缘环，3-6是环氧灌封Ⅱ，3-7是上腔体，3-8是检测电路板，3-9是顶盖过线孔，3-10是外热缩管，3-11是下腔体。所述的检测电路组件（3）分为上腔体（3-7）和下腔体（3-11）两个部分，包括底盖（3-1）、屏蔽柱体（3-2）、顶盖（3-3）、内绝缘垫（3-4）、绝缘环（3-5）、环氧灌封Ⅱ（3-6）、检测电路板（3-8）、顶盖过线孔（3-9）、外热缩管（3-10）；敏感元件组件（2）制作完成并将上屏蔽壳过线孔（2-8）用703硅胶密封干燥后在其下部套装由95%氧化铝制成的绝缘环（3-5）、底部贴装由95%氧化铝制成的内绝缘垫（3-4），然后整体置于底盖（3-1）中心位置，将屏蔽柱体（3-2）与底盖（3-1）压接后在其形成的内部空间采用环氧灌封Ⅱ（3-6）对下腔体（3-11）进行整体固化；检测电路板（3-8）安装在上腔体（3-7）内部，信号线由顶盖过线孔（3-9）引出，完成电路连接后在屏蔽柱体（3-2）外包裹用于绝缘的PE材质外热缩管（3-10）便形成了检测电路组件（3）。在列车轮对监测中，任何电磁干扰的发生都必然存在干扰源和传输途径，通常认为电磁干扰传输有两种方式：一种是传导传输方式、另一种是辐射传输方式，因此从被干扰的敏感器来看，干扰耦合可分为传导耦合和辐射耦合两大类。传导传输必须在干扰源和敏感器之间有完整的电路连接，干扰信号沿着这个连接电路传递到敏感器，发生干扰现象；这个传输电路可包括导线，设备的导电构件、供电电源、公共阻抗、接地平板、电阻、电感、电容和互感元件等。辐射传输是通过介质以电磁波的形式传播，干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射；常见的辐射耦合由三种：甲天线发射的电磁波被乙天线意外接受，称为天线对天线耦合；空间电磁场经导线感应而耦合，称为场对线的耦合；两根平行导线之间的高频信号感应，称为线对线的感应耦合。由于本发明传感器敏感元件组件（2）的屏蔽外壳是信号负极，而外封装总成（1）与被监测对象连接；为抑制辐射干扰，需将敏感元件组件（2）安装在检测电路组件（3）内部，由检测电路组件（3）的屏蔽体对其进行屏蔽。
图5是本发明实施例的检测电路原理图。所述的检测电路由双运放IC1、电阻R1~R5、电容C1~ C6组成，敏感元件组件（2）的热缩环（2-6）连接至由运放IC1B、电阻R1、电容C1组成的电荷放大器，敏感元件组件（2）的下屏蔽壳（2-2）连接至由运放IC1A、电阻R2、电容C2组成的电荷放大器，C5、C6为电源退耦电容，电阻R3、R4、R5与电容C3、C4一起为两个电荷放大器提供信号直流参考电压，实现对压电陶瓷晶体（2-4）输出信号的差分式电荷放大；传感器采用四线制连接方式，四线分别两两对绞，一组对绞线连接传感器电源VCC、传感器地GND，另一组对绞线连接差分输出正Va+、差分输出负Va-；以有效抑制信号传输过程中的传导干扰和信号线上的共模干扰。IC1为低功耗低噪声双运放，可选型号有：AD8572、AD8599、OP285、OP297、LI1012等；电容C1、C2、C3组成电荷放大器，选择高频噪声抑制性能较好的COG电容。
综上所述，本发明用于列车轮对状态监测的环形剪切型传感器包括敏感元件组件、检测电路组件、外封装总成三个部分；其有益效果是：每个部分均形成一个屏蔽层，实现对传感器信号的三重屏蔽，可有效抑制列车轮对运行工况下的辐射电磁干扰；敏感元件采用环形剪切压电陶瓷晶体并由热缩环进行固定，解决现有列车轮对状态监测传感器存在的温度漂移、工作温度限制的问题；传感器检测电路采用双电荷放大、对绞线差分输出方式，有效抑制信号传输过程中的传导干扰和信号线上的共模干扰。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种列车轮对状态监测的环形剪切型传感器，包括敏感元件组件、检测电路组件、外封装总成三个部分，每个部分均形成一个屏蔽层，实现对传感器信号的三重屏蔽，可有效抑制列车轮对运行工况下的复杂电磁干扰；其特征是：外封装总成由传感器基座、传感器中壳、传感器上壳、尾端护线器组成，尾端护线器下部外形为外六角、通过内螺纹与传感器上壳顶部外螺纹连接，传感器上壳通过螺纹与传感器中壳连接，传感器中壳采用卡接方式连接到传感器基座上，传感器基座的下部加工有用于传感器安装到监测位置的传感器安装螺纹、上部外形为便于安装旋紧的外六角、顶部中心位置压接有用于安装检测电路组件的由可机加工陶瓷制成的外绝缘垫，检测电路组件安装好后在传感器中壳内采用环氧灌封Ⅰ进行整体固化；敏感元件组件封装在检测电路组件内部，通过敏感元件组件内的压电陶瓷晶体拾取被监测对象的振动、冲击信号电连接到检测电路板，经检测电路板调理后的信号采用差分方式由顶盖过线孔、传感器上壳、尾端护线器引出。
2.根据权利要求1所述的列车轮对状态监测的环形剪切型传感器，其特征是：所述的敏感元件组件包括晶体支撑座、下屏蔽壳、上屏蔽壳、压电陶瓷晶体、质量块、热缩环、下屏蔽壳过线孔、上屏蔽壳过线孔、内热缩管，用于拾取被测对象振动、冲击信号的压电陶瓷晶体为环形剪切晶体，外围由质量块环形包裹，通过热缩环将压电陶瓷晶体、质量块一起紧固在晶体支撑座的上部，晶体支撑座与下屏蔽壳组成一个内置敏感元件的腔体再与上屏蔽壳形成一个密闭的屏蔽体，屏蔽体外包裹用于绝缘的PE材质内热缩管后便形成了敏感元件组件；压电陶瓷晶体为锆钛酸铅系列的PZT-5，质量块为高密度钨合金，热缩环是由锡、银、铜易熔合金制成表面覆着张力大于30Mpa的低温合金环，晶体支撑座、下屏蔽壳、上屏蔽壳均由S316不锈钢加工而成，屏蔽体的外壳作为传感信号的负极，传感信号正极从热缩环引出，经下屏蔽壳过线孔、上屏蔽壳过线孔后到检测电路板。
3.根据权利要求1所述的列车轮对状态监测的环形剪切型传感器，其特征是：所述的检测电路组件分为上腔体和下腔体两个部分，包括底盖、屏蔽柱体、顶盖、内绝缘垫、绝缘环、环氧灌封Ⅱ、检测电路板、顶盖过线孔、外热缩管；敏感元件组件制作完成并将上屏蔽壳过线孔用703硅胶密封干燥后在其下部套装由95%氧化铝制成的绝缘环、底部贴装由95%氧化铝制成的内绝缘垫，然后整体置于底盖中心位置，将屏蔽柱体与底盖压接后在其形成的内部空间采用环氧灌封Ⅱ对下腔体进行整体固化；检测电路板安装在上腔体内部，信号线由顶盖过线孔引出，完成电路连接后在屏蔽柱体外包裹用于绝缘的PE材质外热缩管便形成了检测电路组件。
4.根据权利要求1所述的列车轮对状态监测的环形剪切型传感器，其特征是：所述的检测电路由双运放IC1、电阻R1~ R5、电容C1~ C6组成，敏感元件组件的热缩环连接至由运放IC1B、电阻R1、电容C1组成的电荷放大器，敏感元件组件的下屏蔽壳连接至由运放IC1A、电阻R2、电容C2组成的电荷放大器，C5、C6为电源退耦电容，电阻R3、R4、R5与电容C3、C4一起为两个电荷放大器提供信号直流参考电压，实现对压电陶瓷晶体输出信号的差分式电荷放大；传感器采用四线制连接方式，四线分别两两对绞，一组对绞线连接传感器电源VCC、传感器地GND，另一组对绞线连接差分输出正Va+、差分输出负Va-。
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