CN112461559A - 列车走行部状态监测用电流型多参量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种列车走行部状态监测用电流型多参量传感器，由振动敏感与检测电路组件、温度敏感组件、外封装总成、信号连接组件、监测电路等部分组成。本发明的有益效果在于：振动敏感与检测电路组件形成一个屏蔽层，外封装总成形成一个屏蔽层，可有效抑制列车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，解决现有列车运行状态监测传感器存在的温度漂移、工作温度限制的问题；传感器可同时提取被监测对象的振动、冲击、温度三种状态参量，解决了列车走行部安装空间受限的问题；传感器检测电路采用双电荷放大、对绞线电流输出方式，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
本发明涉及列车运行状态监测与故障诊断的专用传感器，尤其涉及一种用于列车走行部状态监测的电流型多参量传感器。
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。
列车走行部长期处于高速、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，必需对列车走行部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。在列车运行状态监测中，每一节车体走行部都需要进行监测，如果传感器数量过多，会导致监测系统结构复杂、信息采集分散、信号传输过程易受干扰，这就给列车走行部的状态监测和故障诊断带来了一定的困难。
现有列车走行部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。 基于温度升高是某些部件出现故障后并临近引起事故的一种外在特征表现，我国旅客列车大都采用了列车轴温监测报警装置；但并不是所有的故障都必然导致温度升高（如齿轮故障、踏面故障和部分的轴承工作面损伤），因此，对于铁路机车通常采用温度与振动综合监测的方法。实践表明，单独的轴温监测报警是不全面的、也是不完备的，虽然通过温度与振动综合监测的方法使监测效果得到一定的改善，但还存在一些问题：振动冲击监测传感器会因强烈电磁干扰影响而导致误诊误判，同时避免不了因敏感元件失效而造成的误诊或漏诊。为此，希望尽可能把几种敏感元器件制作在一起，使一个多参量传感器能同时测量几个参数、具有多种功能，不但便于列车状态监测设备的安装与维护，同时也提高了监测系统的稳定性和可靠性。
多参量传感器在满足了各参数监测的功能基础之上，优化了监测系统结构，提高了系统的稳定性和可靠性；一定程度上减少了列车监测系统的安装成本、人力资源、财力资源，可为监测系统提供大量而且全面的监测数据，使列车走行部的故障诊断更加准确可靠，对保证列车运行安全具有重要意义。因此，开发一种用于列车轮对状态监测的多参量传感器非常必要。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明公开一种用于列车走行部状态监测的电流型多参量传感器。
本发明采用的技术方案是：一种列车走行部状态监测用电流型多参量传感器， 包括振动敏感与检测电路组件、温度敏感组件、外封装总成、信号连接组件、监测电路；其中，振动敏感与检测电路组件封装在由屏蔽柱体（2-1）、底盖（2-2）、顶盖（2-3）组成的屏蔽体内且该屏蔽体与GND连接，温度敏感组件、振动敏感与检测电路组件集成在外封装总成内并安装于被监测对象之上；传感器由恒流源供电，拾取被监测对象的多参量信号经由连接器JK1、屏蔽双绞线、连接器JK2组成的信号连接组件传输到监测电路，屏蔽双绞线的屏蔽层仅在监测电路端连接到恒流源地，监测电路从拾取信号中提取用于列车走行部状态监测与故障诊断的振动信号Vout1、冲击信号Vout2、温度信号Vout3三种状态参量，解决了列车走行部安装空间受限的问题，有效抑制列车运行工况下的复杂电磁干扰，进而优化监测系统结构以提高稳定性和可靠性。
在本发明中，所述的外封装总成包括传感器基座（1-1）、传感器中壳（1-2）、传感器上壳（1-3）、尾端护线器（1-4）、环氧灌封Ⅰ（1-5）、外绝缘垫（1-6）、传感器安装螺纹（1-7），温度敏感组件包括温度敏感元件（1-10）、在传感器基座（1-1）内部加工的温度敏感元件安装腔（1-8）和温度信号线过孔Ⅰ（1-11）、传感器底盖（1-9）；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）的下部外围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振动敏感与检测电路组件的由可机加工陶瓷制成的外绝缘垫（1-6），先将温度敏感元件（1-10）靠温度敏感元件安装腔（1-8）的下部固定、温度信号线经温度信号线过孔Ⅰ（1-11）引出、点焊固定传感器底盖（1-9），再将制作完成的振动敏感与检测电路组件安装到外绝缘垫（1-6）上、温度信号线由温度信号过线孔Ⅱ（2-9）引入振动敏感与检测电路组件内，然后安装传感器中壳（1-2）并采用环氧灌封Ⅰ（1-5）对振动敏感与检测电路组件进行整体固化；压电陶瓷晶体（2-11）封装在振动敏感与检测电路组件内部，通过温度敏感元件（1-10）拾取被监测对象的温度信号、压电陶瓷晶体（2-11）拾取被监测对象的振动和冲击信号电连接到检测电路板（2-15），经检测电路板（2-15）调理后的信号采用双绞线电流方式由顶盖过线孔（2-17）、传感器上壳（1-3）、尾端护线器（1-4）引出并连接到连接器JK1上。
在本发明中，所述的振动敏感与检测电路组件分为上腔体（2-6）和下腔体（2-5）两部分，包括屏蔽柱体（2-1）、底盖（2-2）、顶盖（2-3）、热缩管（2-4）、腔体隔板（2-7）、维护及过线孔（2-8）、温度信号过线孔Ⅱ（2-9）、晶体支撑座（2-10）、压电陶瓷晶体（2-11）、质量块（2-12）、热缩环（2-13）、内绝缘垫（2-14）、检测电路板（2-15）、电路板固定螺钉（2-16）、顶盖过线孔（2-17）、 环氧灌封Ⅱ（2-18），用于拾取被测对象振动、冲击信号的压电陶瓷晶体（2-11）为环形剪切晶体，外围由质量块（2-12）环形包裹，通过热缩环（2-13）将压电陶瓷晶体（2-11）、质量块（2-12）一起紧固在晶体支撑座（2-10）的上部，晶体支撑座（2-10）卡接由95%氧化铝制成的内绝缘垫（2-14）上后再卡接到底盖（2-2），将屏蔽柱体（2-1）与底盖（2-2）压接后在下腔体（2-5）底部空间采用环氧灌封Ⅱ（2-18）对晶体支撑座（2-10）进行整体固化；晶体支撑座（2-10）作为振动传感信号的负极，振动传感信号正极从热缩环（2-13）引出，与从温度信号过线孔Ⅱ（2-9）引入的温度信号线一起经维护及过线孔（2-8）后电连接到检测电路板（2-15），检测电路板（2-15）由电路板固定螺钉（2-16）固定在上腔体（2-6）内的腔体隔板（2-7）上，信号线由顶盖过线孔（2-17）引出并连接到连接器JK1上；压电陶瓷晶体（2-11）为锆钛酸铅系列的PZT-5，质量块（2-12）为高密度钨合金，热缩环（2-13）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（2-10）、屏蔽柱体（2-1）、底盖（2-2）、顶盖（2-3）均由S316不锈钢加工而成，屏蔽柱体（2-1）、底盖（2-2）与顶盖（2-3）形成一个密闭的屏蔽体，屏蔽体外包裹用于绝缘的PE材质热缩管（2-4）后便形成了振动敏感与检测电路组件。
在本发明中，所述的检测电路由双运放IC1、电阻R1~ R7、电容C1~ C6组成，压电陶瓷晶体（2-11）的正极经热缩环（2-13）连接至由运放IC1B、电阻R1、电容C1组成的电荷放大器，压电陶瓷晶体（2-11）的负极经晶体支撑座（2-10）连接至由运放IC1A、电阻R2、电容C2组成的电荷放大器，连接在两个电荷放大器输出端的电阻R6为振动冲击取样电阻，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（2-11）输出信号的差分式电荷放大并电流取样，取R1=R2=R3=R、C1=C2=C3=C，监测对象振动、冲击变化引起压电陶瓷晶体（2-11）两端的电荷变化量为Q，则经过电阻R6的电流Id=2Q/(C*R6)；温度敏感元件（1-10）为Pt100，与限流电阻R7串联后并接在恒流源供电端与传感器地GND之间，传感器电路静态电流为Iq，通过温度敏感元件（1-10）的电流为It，则传感器工作电流Iin=Iq+It+Id是变化的，传感器采用两线对绞连接方式，以有效抑制信号传输过程中的复杂电磁干扰。
在本发明中，所述的监测电路包括由双运放IC2、电阻R8~ R13、电容C7~ C9组成的信号分离模块，恒流源，低通滤波，包络解调，全波整流，减法器；传感器经信号连接组件连接到连接器JK2上，恒流源经采样电阻R8向传感器提供变化的工作电流Iin，则采样电阻R8上的电压是随被监测对象的温度、振动、冲击变化而变化的；被监测对象的振动、冲击信号是连续变量，经电容C7交流耦合到运放IC2B构成的缓冲器，再经低通滤波后提取出振动信号Vout1、经包络解调后提取出冲击信号Vout2、经全波整流后提取出振动冲击信号直流分量；被监测对象的温度信号是过程变量且叠加有传感器电路静态电流Iq、振动冲击信号直流分量，首先直流耦合到由运放IC2A、电阻R9~ R13构成的去静态电流电路，电阻R11=R12，电阻R10=R13，电阻R9的大小根据传感器电路静态电流Iq选择，再由减法器减去振动冲击信号直流分量后得到温度信号Vout3；由于传感器外壳通过传感器安装螺纹（1-7）直接与被监测对象电连接，为避免重复接地，信号连接组件的屏蔽双绞线的屏蔽层通过连接器JK2连接到恒流源地。
本发明的有益效果是，一种列车走行部状态监测用电流型多参量传感器， 由振动敏感与检测电路组件、温度敏感组件、外封装总成、信号连接组件、监测电路等部分组成；振动敏感与检测电路组件封装在一个接地的密闭屏蔽体内，外封装总成形成一个与被监测对象电连接的屏蔽体，可有效抑制列车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，解决现有列车运行状态监测传感器存在的温度漂移、工作温度限制的问题；传感器可同时提取被监测对象的振动、冲击、温度三种状态参量，解决了列车走行部安装空间受限的问题；传感器检测电路采用双电荷放大、对绞线电流输出方式，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2是本发明实施例的结构剖面图；
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，1-8.温度敏感元件安装腔，1-9.传感器底盖，1-10.温度敏感元件，1-11.温度信号线过孔Ⅰ。
图3是本发明实施例的振动敏感与检测电路组件结构图；
图中：2-1.屏蔽柱体，2-2.底盖，2-3.顶盖，2-4.热缩管，2-5.下腔体，2-6.上腔体，2-7.腔体隔板，2-8.维护及过线孔，2-9.温度信号过线孔Ⅱ，2-10.晶体支撑座，2-11.压电陶瓷晶体，2-12.质量块，2-13.热缩环，2-14.内绝缘垫，2-15.检测电路板，2-16.电路板固定螺钉，2-17.顶盖过线孔，2-18. 环氧灌封Ⅱ。
图4是本发明实施例的检测电路原理图。
图5是本发明实施例的监测电路原理图。
图6是本发明的仰视图。
图7是本发明的俯视图。
图8是本发明的基座螺纹接头图。
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。针对上述现有技术存在的问题，本发明公开一种用于列车走行部状态监测的电流型多参量传感器，该传感器由振动敏感与检测电路组件、温度敏感组件、外封装总成、信号连接组件、监测电路等部分组成；其中，振动敏感与检测电路组件封装在由屏蔽柱体（2-1）、底盖（2-2）、顶盖（2-3）组成的屏蔽体内且该屏蔽体与GND连接，温度敏感组件、振动敏感与检测电路组件集成在外封装总成内并安装于被监测对象之上；传感器由恒流源供电，拾取被监测对象的多参量信号经由连接器JK1、屏蔽双绞线、连接器JK2组成的信号连接组件传输到监测电路，屏蔽双绞线的屏蔽层仅在监测电路端连接到恒流源地，监测电路从拾取信号中提取用于列车走行部状态监测与故障诊断的振动信号Vout1、冲击信号Vout2、温度信号Vout3三种状态参量，解决了列车走行部安装空间受限的问题，有效抑制列车运行工况下的复杂电磁干扰，进而优化监测系统结构以提高稳定性和可靠性。本发明传感器内部装有压电敏感元件、温度敏感器件二种敏感元器件，其中，压电敏感器件用于拾取被监测对象运行过程中所产生的振动和冲击，温度敏感器件用于监测被监测对象运行过程中的温度变化情况。本发明传感器的振动敏感与检测电路组件封装在一个接地的密闭屏蔽体内，外封装总成形成一个与被监测对象电连接的屏蔽体，可有效抑制列车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，解决现有列车运行状态监测传感器存在的温度漂移、工作温度限制的问题；传感器可同时提取被监测对象的振动、冲击、温度三种状态参量，解决了列车走行部安装空间受限的问题；传感器检测电路采用双电荷放大、对绞线电流输出方式，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2是本发明实施例的结构剖面图，图中的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，1-8是温度敏感元件安装腔，1-9是传感器底盖，1-10是温度敏感元件，1-11是温度信号线过孔Ⅰ。本发明传感器的外封装总成包括传感器基座（1-1）、传感器中壳（1-2）、传感器上壳（1-3）、尾端护线器（1-4）、环氧灌封Ⅰ（1-5）、外绝缘垫（1-6）、传感器安装螺纹（1-7），温度敏感组件包括温度敏感元件（1-10）、在传感器基座（1-1）内部加工的温度敏感元件安装腔（1-8）和温度信号线过孔Ⅰ（1-11）、传感器底盖（1-9）。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）的下部外围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振动敏感与检测电路组件的由可机加工陶瓷制成的外绝缘垫（1-6），先将温度敏感元件（1-10）靠温度敏感元件安装腔（1-8）的下部固定、温度信号线经温度信号线过孔Ⅰ（1-11）引出、点焊固定传感器底盖（1-9），再将制作完成的振动敏感与检测电路组件安装到外绝缘垫（1-6）上、温度信号线由温度信号过线孔Ⅱ（2-9）引入振动敏感与检测电路组件内，然后安装传感器中壳（1-2）并采用环氧灌封Ⅰ（1-5）对振动敏感与检测电路组件进行整体固化。环形剪切型压电陶瓷晶体（2-11）封装在振动敏感与检测电路组件内部，通过温度敏感元件（1-10）拾取被监测对象的温度信号、压电陶瓷晶体（2-11）拾取被监测对象的振动和冲击信号电连接到检测电路板（2-15），经检测电路板（2-15）调理后的信号采用双绞线电流方式由顶盖过线孔（2-17）、传感器上壳（1-3）、尾端护线器（1-4）引出并连接到连接器JK1上。
附图3是本发明实施例的振动敏感与检测电路组件结构图；图中的2-1是屏蔽柱体，2-2是底盖，2-3是顶盖，2-4是热缩管，2-5是下腔体，2-6是上腔体，2-7是腔体隔板，2-8是维护及过线孔，2-9是温度信号过线孔Ⅱ，2-10是晶体支撑座，2-11是压电陶瓷晶体，2-12是质量块，2-13是热缩环，2-14是内绝缘垫，2-15是检测电路板，2-16是电路板固定螺钉，2-17是顶盖过线孔，2-18是环氧灌封Ⅱ。本发明传感器的振动敏感与检测电路组件分为上腔体（2-6）和下腔体（2-5）两部分，包括屏蔽柱体（2-1）、底盖（2-2）、顶盖（2-3）、热缩管（2-4）、腔体隔板（2-7）、维护及过线孔（2-8）、温度信号过线孔Ⅱ（2-9）、晶体支撑座（2-10）、压电陶瓷晶体（2-11）、质量块（2-12）、热缩环（2-13）、内绝缘垫（2-14）、检测电路板（2-15）、电路板固定螺钉（2-16）、顶盖过线孔（2-17）、 环氧灌封Ⅱ（2-18），用于拾取被测对象振动、冲击信号的压电陶瓷晶体（2-11）为环形剪切晶体，外围由质量块（2-12）环形包裹，通过热缩环（2-13）将压电陶瓷晶体（2-11）、质量块（2-12）一起紧固在晶体支撑座（2-10）的上部，晶体支撑座（2-10）卡接由95%氧化铝制成的内绝缘垫（2-14）上后再卡接到底盖（2-2），将屏蔽柱体（2-1）与底盖（2-2）压接后在下腔体（2-5）底部空间采用环氧灌封Ⅱ（2-18）对晶体支撑座（2-10）进行整体固化。晶体支撑座（2-10）作为振动传感信号的负极，振动传感信号正极从热缩环（2-13）引出，与从温度信号过线孔Ⅱ（2-9）引入的温度信号线一起经维护及过线孔（2-8）后电连接到检测电路板（2-15），检测电路板（2-15）由电路板固定螺钉（2-16）固定在上腔体（2-6）内的腔体隔板（2-7）上，信号线由顶盖过线孔（2-17）引出并连接到连接器JK1上；压电陶瓷晶体（2-11）为锆钛酸铅系列的PZT-5，质量块（2-12）为高密度钨合金，热缩环（2-13）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（2-10）、屏蔽柱体（2-1）、底盖（2-2）、顶盖（2-3）均由S316不锈钢加工而成，屏蔽柱体（2-1）、底盖（2-2）与顶盖（2-3）形成一个密闭的屏蔽体，屏蔽体外包裹用于绝缘的PE材质热缩管（2-4）后便形成了振动敏感与检测电路组件。本发明传感器的压电敏感元件为剪切型压电晶体，通过与质量块的紧密配合，当传感器有振动时，形成一个剪切力，压电晶体把这个力转化为电荷输出；其工作原理是利用压电晶体片的压电效应来测量被监测对象的振动和冲击。压电晶体的材料是一种离子型晶体电介质，不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象；即：在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷，且其电位移与外应力张量成正比；当外力消失，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。本发明传感器的振动冲击敏感器件属于压电式加速度传感器，采用环形剪切结构形式，受振时质量块与压电元件上的剪切力也随之变化，当被测振动频率远低于传感器的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比；其原理利用压电晶体的电荷输出与所受的力成正比，而所受的力在敏感质量一定的情况下与加速度值成正比，即在一定条件下，压电晶体受力后产生的电荷量与所感受到的加速度值成正比。本发明传感器的主要技术指标为：最大冲击加速度10000g，最高频响频率16kHz，完全满足列车走行部状态监测的要求。
附图4是本发明实施例的检测电路原理图。本发明传感器的检测电路由双运放IC1、电阻R1~ R7、电容C1~ C6组成，压电陶瓷晶体（2-11）的正极经热缩环（2-13）连接至由运放IC1B、电阻R1、电容C1组成的电荷放大器，压电陶瓷晶体（2-11）的负极经晶体支撑座（2-10）连接至由运放IC1A、电阻R2、电容C2组成的电荷放大器，连接在两个电荷放大器输出端的电阻R6为振动冲击取样电阻，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（2-11）输出信号的差分式电荷放大并电流取样，取R1=R2=R3=R、C1=C2=C3=C，监测对象振动、冲击变化引起压电陶瓷晶体（2-11）两端的电荷变化量为Q，则经过电阻R6的电流Id=2Q/(C*R6)；温度敏感元件（1-10）为Pt100，与限流电阻R7串联后并接在恒流源供电端与传感器地GND之间，传感器电路静态电流为Iq，通过温度敏感元件（1-10）的电流为It，则传感器工作电流Iin=Iq+It+Id是变化的，传感器采用两线对绞连接方式，以有效抑制信号传输过程中的复杂电磁干扰。本发明传感器的温度敏感器件封装在传感器基座底部的开孔内，信号线由外壳底部的侧孔引出，传感器的温度敏感器件为Pt100温度传感器。常见的Pt100感温元件有陶瓷元件、玻璃元件、云母元件，它们是由铂丝分别绕在陶瓷骨架、玻璃骨架、云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成，导体的电阻值随温度变化而变化，通过测量其电阻值推算出被测物体的温度，这就是电阻温度传感器的工作原理。Pt100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，其温度/阻值对应关系为：
（1）-200℃ < t < 0℃时，RPt100=100[1+At+Bt2+Ct(t-100)]；
（2）0℃ ≤ t ≤ 850℃时，RPt100=100(1+At+Bt2)；
式中，A=3.90802*10-3，B=5.80*10-7，C=4.2735*10-12。
附图5是本发明实施例的监测电路原理图。本发明传感器的监测电路包括由双运放IC2、电阻R8~ R13、电容C7~ C9组成的信号分离模块，恒流源，低通滤波，包络解调，全波整流，减法器；传感器经信号连接组件连接到连接器JK2上，恒流源经采样电阻R8向传感器提供变化的工作电流Iin，则采样电阻R8上的电压是随被监测对象的温度、振动、冲击变化而变化的；被监测对象的振动、冲击信号是连续变量，经电容C7交流耦合到运放IC2B构成的缓冲器，再经低通滤波后提取出振动信号Vout1、经包络解调后提取出冲击信号Vout2、经全波整流后提取出振动冲击信号直流分量；被监测对象的温度信号是过程变量且叠加有传感器电路静态电流Iq、振动冲击信号直流分量，首先直流耦合到由运放IC2A、电阻R9~ R13构成的去静态电流电路，电阻R11=R12，电阻R10=R13，电阻R9的大小根据传感器电路静态电流Iq选择，再由减法器减去振动冲击信号直流分量后得到温度信号Vout3；由于传感器外壳通过传感器安装螺纹（1-7）直接与被监测对象电连接，为避免重复接地，信号连接组件的屏蔽双绞线的屏蔽层通过连接器JK2连接到恒流源地。
本发明中，双运放IC1、IC2均为低功耗低噪声双运放，可选型号有：AD8657、LT6004、LTC2067、LT6023、OPA2333、LMP2232、TLV2369等；组成电荷放大器的电容C1、C2、C3选择高频噪声抑制性能较好的COG 电容；取样电阻R6、R8为精密电阻，其余电阻选择温度特性较稳定的金属膜电阻。
附图6是本发明的仰视图，附图7是本发明的俯视图，附图8是本发明的基座螺纹接头图。本发明传感器的安装连接是一种可拆卸式的螺栓连接，基座中部为一六边形螺帽，包括帽本体、自帽本体向下延伸形成的杆体，杆体包括形成在杆体内的密封孔、以及形成在杆体的外缘上且与外壳的旋向相同的外螺纹，杆体的直径小于帽本体的直径；实际应用中，杆体埋设到被测工件内，且该螺栓与工件之间形成螺纹连接，从而可加强传感器与被测工件之间的连接、防止松动。本发明传感器的敏感元器件和电路均安装在外壳、基座、封片一起形成的密闭金属空腔内，工作电源和传感信号均连接于引线接头，可有效抑制列车状态监测工况环境的强电磁干扰，使列车运行状态监测结果更加准确可靠。
综上所述，本发明的列车走行部状态监测用电流型多参量传感器， 由振动敏感与检测电路组件、温度敏感组件、外封装总成、信号连接组件、监测电路等部分组成；振动敏感与检测电路组件封装在一个接地的密闭屏蔽体内，外封装总成形成一个与被监测对象电连接的屏蔽体，可有效抑制列车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，解决现有列车运行状态监测传感器存在的温度漂移、工作温度限制的问题；传感器可同时提取被监测对象的振动、冲击、温度三种状态参量，解决了列车走行部安装空间受限的问题；传感器检测电路采用双电荷放大、对绞线电流输出方式，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 (5)
1.一种列车走行部状态监测用电流型多参量传感器， 包括振动敏感与检测电路组件、温度敏感组件、外封装总成、信号连接组件、监测电路；其特征是：振动敏感与检测电路组件封装在由屏蔽柱体（2-1）、底盖（2-2）、顶盖（2-3）组成的屏蔽体内且该屏蔽体与GND连接，温度敏感组件、振动敏感与检测电路组件集成在外封装总成内并安装于被监测对象之上；传感器由恒流源供电，拾取被监测对象的多参量信号经由连接器JK1、屏蔽双绞线、连接器JK2组成的信号连接组件传输到监测电路，屏蔽双绞线的屏蔽层仅在监测电路端连接到恒流源地，监测电路从拾取信号中提取用于列车走行部状态监测与故障诊断的振动信号Vout1、冲击信号Vout2、温度信号Vout3三种状态参量，解决了列车走行部安装空间受限的问题，有效抑制列车运行工况下的复杂电磁干扰，进而优化监测系统结构以提高稳定性和可靠性。
2.根据权利要求1所述的列车走行部状态监测用电流型多参量传感器，其特征在于：所述的外封装总成包括传感器基座（1-1）、传感器中壳（1-2）、传感器上壳（1-3）、尾端护线器（1-4）、环氧灌封Ⅰ（1-5）、外绝缘垫（1-6）、传感器安装螺纹（1-7），温度敏感组件包括温度敏感元件（1-10）、在传感器基座（1-1）内部加工的温度敏感元件安装腔（1-8）和温度信号线过孔Ⅰ（1-11）、传感器底盖（1-9）；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）的下部外围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振动敏感与检测电路组件的由可机加工陶瓷制成的外绝缘垫（1-6），先将温度敏感元件（1-10）靠温度敏感元件安装腔（1-8）的下部固定、温度信号线经温度信号线过孔Ⅰ（1-11）引出、点焊固定传感器底盖（1-9），再将制作完成的振动敏感与检测电路组件安装到外绝缘垫（1-6）上、温度信号线由温度信号过线孔Ⅱ（2-9）引入振动敏感与检测电路组件内，然后安装传感器中壳（1-2）并采用环氧灌封Ⅰ（1-5）对振动敏感与检测电路组件进行整体固化；压电陶瓷晶体（2-11）封装在振动敏感与检测电路组件内部，通过温度敏感元件（1-10）拾取被监测对象的温度信号、压电陶瓷晶体（2-11）拾取被监测对象的振动和冲击信号电连接到检测电路板（2-15），经检测电路板（2-15）调理后的信号采用双绞线电流方式由顶盖过线孔（2-17）、传感器上壳（1-3）、尾端护线器（1-4）引出并连接到连接器JK1上。
3.根据权利要求1所述的列车走行部状态监测用电流型多参量传感器，其特征在于：所述的振动敏感与检测电路组件分为上腔体（2-6）和下腔体（2-5）两部分，包括屏蔽柱体（2-1）、底盖（2-2）、顶盖（2-3）、热缩管（2-4）、腔体隔板（2-7）、维护及过线孔（2-8）、温度信号过线孔Ⅱ（2-9）、晶体支撑座（2-10）、压电陶瓷晶体（2-11）、质量块（2-12）、热缩环（2-13）、内绝缘垫（2-14）、检测电路板（2-15）、电路板固定螺钉（2-16）、顶盖过线孔（2-17）、 环氧灌封Ⅱ（2-18），用于拾取被测对象振动、冲击信号的压电陶瓷晶体（2-11）为环形剪切晶体，外围由质量块（2-12）环形包裹，通过热缩环（2-13）将压电陶瓷晶体（2-11）、质量块（2-12）一起紧固在晶体支撑座（2-10）的上部，晶体支撑座（2-10）卡接由95%氧化铝制成的内绝缘垫（2-14）上后再卡接到底盖（2-2），将屏蔽柱体（2-1）与底盖（2-2）压接后在下腔体（2-5）底部空间采用环氧灌封Ⅱ（2-18）对晶体支撑座（2-10）进行整体固化；晶体支撑座（2-10）作为振动传感信号的负极，振动传感信号正极从热缩环（2-13）引出，与从温度信号过线孔Ⅱ（2-9）引入的温度信号线一起经维护及过线孔（2-8）后电连接到检测电路板（2-15），检测电路板（2-15）由电路板固定螺钉（2-16）固定在上腔体（2-6）内的腔体隔板（2-7）上，信号线由顶盖过线孔（2-17）引出并连接到连接器JK1上；压电陶瓷晶体（2-11）为锆钛酸铅系列的PZT-5，质量块（2-12）为高密度钨合金，热缩环（2-13）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（2-10）、屏蔽柱体（2-1）、底盖（2-2）、顶盖（2-3）均由S316不锈钢加工而成，屏蔽柱体（2-1）、底盖（2-2）与顶盖（2-3）形成一个密闭的屏蔽体，屏蔽体外包裹用于绝缘的PE材质热缩管（2-4）后便形成了振动敏感与检测电路组件。
4.根据权利要求1所述的列车走行部状态监测用电流型多参量传感器，其特征在于：所述的检测电路由双运放IC1、电阻R1~ R7、电容C1~ C6组成，压电陶瓷晶体（2-11）的正极经热缩环（2-13）连接至由运放IC1B、电阻R1、电容C1组成的电荷放大器，压电陶瓷晶体（2-11）的负极经晶体支撑座（2-10）连接至由运放IC1A、电阻R2、电容C2组成的电荷放大器，连接在两个电荷放大器输出端的电阻R6为振动冲击取样电阻，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（2-11）输出信号的差分式电荷放大并电流取样，取R1=R2=R3=R、C1=C2=C3=C，监测对象振动、冲击变化引起压电陶瓷晶体（2-11）两端的电荷变化量为Q，则经过电阻R6的电流Id=2Q/(C*R6)；温度敏感元件（1-10）为Pt100，与限流电阻R7串联后并接在恒流源供电端与传感器地GND之间，传感器电路静态电流为Iq，通过温度敏感元件（1-10）的电流为It，则传感器工作电流Iin=Iq+It+Id是变化的，传感器采用两线对绞连接方式，以有效抑制信号传输过程中的复杂电磁干扰。
5.根据权利要求1所述的列车走行部状态监测用电流型多参量传感器，其特征在于：所述的监测电路包括由双运放IC2、电阻R8~ R13、电容C7~ C9组成的信号分离模块，恒流源，低通滤波，包络解调，全波整流，减法器；传感器经信号连接组件连接到连接器JK2上，恒流源经采样电阻R8向传感器提供变化的工作电流Iin，则采样电阻R8上的电压是随被监测对象的温度、振动、冲击变化而变化的；被监测对象的振动、冲击信号是连续变量，经电容C7交流耦合到运放IC2B构成的缓冲器，再经低通滤波后提取出振动信号Vout1、经包络解调后提取出冲击信号Vout2、经全波整流后提取出振动冲击信号直流分量；被监测对象的温度信号是过程变量且叠加有传感器电路静态电流Iq、振动冲击信号直流分量，首先直流耦合到由运放IC2A、电阻R9~ R13构成的去静态电流电路，电阻R11=R12，电阻R10=R13，电阻R9的大小根据传感器电路静态电流Iq选择，再由减法器减去振动冲击信号直流分量后得到温度信号Vout3；由于传感器外壳通过传感器安装螺纹（1-7）直接与被监测对象电连接，为避免重复接地，信号连接组件的屏蔽双绞线的屏蔽层通过连接器JK2连接到恒流源地。
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