CN114608618A - 具有安装器件的传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种监控关注部件的传感器装置，包括：至少一个传感器(22a、22b)，用于测量表示所述关注部件的状态的至少一个参数；信号处理器件(16)，用于处理所述传感器(22a、22b)的信号；以及安装器件，用于靠近所述关注部件而安装所述传感器装置。所述安装器件(20)设置为由锌合金制成。

Description

具有安装器件的传感器装置
本申请是一件分案申请，相应母案的申请号为201510784184.X，发明名称为“具有安装器件的传感器装置”，申请日为2015年11月16日。
技术领域
本发明涉及一种用于监控所关注的机械部件、尤其是监控布置在列车轴箱中的列车轴承的传感器装置。
背景技术
本发明涉及用于监控部件的状态、尤其是监控车辆或机器的旋转部件的状态的装置。当试图监控该状态时，通常难以找到用于所需传感器系统的合适位置以使得可在不拆卸机械系统且不对其意图监控的组件和部件造成损坏的情况下应用传感器系统。
将传感器或传感器模块直接连接至轴承等来进行状态监控通常是不实际的，而且可能难以获得远程传感器的比如温度、振动和声发射的关注参数。
传感器系统应当构造成使得其可以针对一系列的状态监控任务而快速且容易地装配。然而，安装便利性的增加通常导致传感器系统和关注部件(component of interest)之间的距离增加，使得测量质量因衰减、增加的噪声和环境因素而降低。
在状态监控中测量的参数通常是振动、声发射或温度。热或声波的传输路径越长，信息丢失的风险越高。使关注信号最大化地传输至传感器是使信噪比最大化的关键因素。特别地，传感器和关注部件之间的材料界面和部件应当最小化，因为每个界面会显著增加信号的衰减。可以通过匹配所涉及材料的声阻抗来减少由于在材料界面处的反射或吸收而导致的不可避免的损失。此外，传感器系统应当具有紧凑设计，因为合适的安装位置的空间包络通常较小。
发明内容
鉴于上述考虑，本发明旨在提供一种用于监控关注部件的传感器装置，其可靠近关注部件而安装，可用于由不同材料制成的各种各样的关注部件并且同时使在关注部件和传感器之间测量的物理量的传输路径的衰减保持为较小。
本发明涉及一种用于监控关注部件的传感器装置。该传感器装置包括用于测量表示所述部件的状态的至少一个参数的至少一个传感器、用于处理所述传感器的信号的信号处理器件以及用于将所述传感器装置安装至所述关注部件的安装器件。
在通常情况下，将传感器元件直接装配在所关注的单独部件上是不实际的。还期望能够以利于安装位置的灵活性和易于更换性的方式来安装传感器元件。为此，已知将传感器元件安装到支架、橇件或其它结构连接器上以便于状态监控。在此和随后使用的表述“安装器件”应当涵盖所有这些种类的结构连接器。还要求所述安装器件由具有高耐腐蚀性的材料构成，这将使其本身适合于具有广泛的形状因素的低成本生产，这些形状因素的机械强度足以在各种不同状态下维持其功能。
所提供的安装器件由锌合金制成。锌合金非常适于压铸(die cast)的制造技术，压铸被认为是用于该应用的最合适的生产方法，原因如下进一步详细所述。已发现锌合金、尤其是包含3.5％至4.3％的铝和0.2％至3％的铜的合金可提供对这些信号的良好传输，同时还便于结构连接器的单个工艺制造方法，即，压铸，其不要求额外的机加工。已发现该锌合金尤其有利地用作声发射信号的传输介质，从而提供比铝更好的结果，即使在连接至铝部件时也是如此。这样的成果是意想不到的，前提是其具有比铝更高的声阻抗，并且阻抗匹配标准一开始表现出的结果相反。
本发明涵盖安装器件直接附接至关注部件或附接至中间部件这两种情况，所述中间部件适于间接测量关注部件的特性，比如壳体。在后一情况下，应当仔细选择中间部件和安装器件的附接点，以使得诸如声波和温度的关注信号经由中间部件以可接受的损失度传输。在本发明的优选实施例中，关注部件是安装在壳体中的车辆轴承，其中，传感器装置构造成附接至该壳体。
在本发明的优选实施例中，锌合金包括重量占3.5％和4.5％的铝以及重量占0.2％和3％之间的铜，剩余部分为锌和不可避免的杂质。发明人认识到，这些材料本身适合于铸造从而产生具有高层次细节的结构，同时这些材料具有特别均匀的声阻抗以及对由钢制成的关注部件和由铝制成的关注部件两者均良好的匹配性。根据本发明的安装器件通常需要具有复杂的形状，并难以由不锈钢、尤其由奥氏体钢或满足耐腐蚀性要求的其他材料制造，这些材料无法以足够高层次的细节进行铸造。钻孔或弯曲操作导致材料的弹性和密度发生局部变化，这使得声阻抗变得不均匀并且使得难以控制声信号的信号传输。
根据本发明的一个方面，安装器件包括橇件(sled)，其具有构造成保持所述至少一个传感器的接地板(ground plate)部分以及用于保持至少一个弹簧的器件，所述至少一个弹簧用于将接地板部分按压至关注部件。橇件型安装器件难以由钢或满足耐腐蚀性要求的其它材料制造，这些材料无法以足够高层次的细节进行铸造且通常需要弯曲。根据本发明的材料可用于通过铸造而以足够的细节水平制造所述安装器件，并且可以避免弯曲。
本发明的优点在这样的情况下特别重要：接地板部分包括起伏状结构，比如至少一个凹槽和/或至少一个突起，用于定位所述至少一个传感器和/或可能难以在不使用其他材料进行机加工的情况下进行制造的其它电子部件。
根据本发明的另一实施例，所述安装器件包括螺钉或螺栓和支架，其中，支架具有第一部分和第二部分，第一部分包括开口以用于在插入方向上插入螺钉或螺栓，第二部分平行于插入方向，其中，第二部分具有构造成安装壳体和/或传感器的表面。优选地，支架的第一部分具有端面，所述端面构造成通过由螺栓产生的夹紧力而直接压靠在关注部件的表面上。
根据本发明后一方面的传感器装置的支架确保可以对准(align)所述传感器以用于最佳检测。支架的竖直布置的第二部分构造成用于安装所述传感器，并且优选地具有平坦表面。声发射和振动的耦合具有高质量，这是因为经由第一部分进入支架的声波可以被可靠地引导至所述第二部分和传感器。这两个部分的倾斜布置导致紧凑设计，同时允许插入螺钉或螺栓，并允许使用固定工具紧固所述螺钉或螺栓，即使在十分有限的空间限制内也是如此。
在本发明的优选实施例中，传感器形成为振动传感器、声发射传感器和/或温度传感器。在任一情况下，用于改进关注部件和传感器之间的声波传输的物质可用在支架和安装有所述支架的部件之间的界面处，其中，所述物质可以是凝胶或糊状物。
优选地，传感器尽可能靠近支架的基底部分放置，从而使外部噪声的影响最小。
此外，传感器装置设置为包括至少一个电池，以用于给信号处理器件和/或传感器供电。在本发明的替代实施例中，传感器装置可装备有发电器器件，比如热电发生器或动力收集器。
在本发明的优选实施例中，传感器装置包括用于无线通信的发射器。这便于在改型应用中使用，因为可以避免装配电线或电缆。如果壳体由允许传输由发射器发射和/或意在由发射器接收的电磁波的材料制成，则所述发射器的天线可布置在受保护的空间中。
在本发明的优选实施例中，关注部件是车辆的轴承，尤其是列车轮毂中的轴承。优选地，传感器装置构造成附接至轴承的非旋转环的负载区附近。发明人已发现，如果传感器位于相对靠近轴承负载区的区域中和/或大致与负载方向平行，则会获得在统计学方面更好的机会来检测来自轴承的高频振动。在比如列车的车辆的情况下，负载线竖直地向上延伸，穿过轴承中心。已发现，将传感器放置在负载线的±30度内可利于对高频振动进行良好的信号检测。此外，传感器设置为关于最大应力线取向，以进一步改进信号检测质量。已发现，当传感器安装在±25度的最大应力线上时，振动和声发射传感器的性能最佳。这些参数尤其应用于设计以用于监控列车轴箱的传感器装置。
此外，传感器装置构造成位于系统的最高硬度方向上。该方向可确保声波的可靠传输。
此外，支架的至少第二部分设置为包括用于增加所述第二部分的刚性的结构，比如凸缘或脊。
在本发明的优选实施例中，支架是尤其由Zamak 5合金制成的铸造金属件，Zamak5合金是在标准EN12844中定义的合金，具有基础金属锌以及合金元素铝、镁和铜。Zamak合金属于锌铝合金族，它们与其它ZA合金的区别在于其4％的恒定铝含量。总体上，重要的是，所述材料传递振动、声发射和温度，并且不会阻挡或显著衰减这些参量。
此外，所述安装支架的表面构造成以平坦表面的形式接触所述传感器，优选为可选地装备有导热糊状物和/或改进声耦合的凝胶的抛光表面。
此外，信号处理器件形成为PCB，其封装(potted)或覆模成型(overmould)从而保护电子装置免受振动、温度、火、外来物体撞击腐蚀等的影响。电子元件应当满足例如EN50155和EN61373中的标准集。
本发明的上述实施例以及所附权利要求和附图以特定组合示出了本发明的多个表征特征。本领域技术人员能够容易地考虑这些特征的其它组合或子组合，从而使权利要求中所限定的本发明适于其特定需求。
附图说明
图1示出了装备有根据本发明的第一实施例的传感器装置的轴箱；
图2是根据图1的轴箱的轴视图；
图3是根据本发明的第一实施例的传感器装置的分解视图；
图4是根据本发明的第一实施例的传感器装置的另一分解视图；
图5是处于组装构造的根据本发明的第一实施例的传感器装置的第一透视图；
图6是根据本发明的第一实施例的传感器装置的第二透视图；
图7是根据本发明的第二实施例的传感器装置的分解视图；
图8是处于组装构造的根据本发明的第二实施例的传感器装置；
图9是根据本发明的第三实施例的传感器装置的透视图；
图10是根据本发明的第四实施例的传感器装置的透视图；
图11是根据本发明的第五实施例的传感器装置的透视图；
图12是根据本发明的第六实施例的传感器装置的透视图；
图13是移除了电池盖的根据本发明的第六实施例的传感器装置的透视图；
图14是根据本发明的第六实施例的传感器装置的分解视图；
图15是根据本发明的第七实施例的传感器装置；以及
图16是根据本发明的第七实施例的传感器装置的安装器件。
具体实施方式
图1示出了客运列车的轴箱10，其包括用于接收双列滚柱轴承的中心孔10a。示意性示出的轴承是使用传感器装置12待监控的关注部件11，如下更详细所述。根据本发明的传感器装置12附接至轴箱10顶部中的凸缘。轴箱10的壳体是布置在关注部件11和传感器装置12之间的中间部件，并传输由轴承产生的声振动和热量。
如图2所示，传感器装置12直接附接在轴箱10和安装在其内的轴承的负载线13中，使得传感器装置12在轴箱10的最大硬度方向上十分靠近轴承的负载区。传感器装置包括螺栓15，用于将传感器装置12的主体部分紧固至轴箱10。该安装位置使得由例如经过传感器装置12的滚动元件的缺陷所产生的高频噪声的传输最大化。
图3是根据本发明的传感器装置12的分解视图。传感器装置12包括壳体14，其具有下壳体部分14a和壳体盖部分14b，两者均由介电塑料材料制成。壳体14具有垫圈(未示出)或多个垫圈，以保护布置在其中的电子器件。
传感器装置12包括具有作为信号处理器件16的各种电子部件的PCB。特别地，信号处理器件包括无线发射器18，无线发射器的天线布置在壳体盖构件14b的突起部下方，使得由发射器发射和/或由发射器接收的信号不受轴箱10和传感器12的金属部分的影响。
此外，传感器装置12包括支架20以作为具有大致有角形状的安装器件，支架20具有第一部分20a和第二部分20c，第一部分20a具有用于接收螺栓15的开口20b，第二部分20c垂直于支架20的第一部分20a延伸。开口20b构造成使得螺栓15可在插入方向17上装配至开口20b中。第二部分20c具有平行于插入方向17延伸的表面，并且壳体通过使用螺钉而安装在所述表面上。
传感器22a、22b形成为温度和声发射传感器，经由柔性电路板附接至信号处理器件16，并直接附接至或嵌入支架20的连接各部分20a、20c的实心基底部分中。传感器22a、22b借助于安装板和螺钉26a、26b固定在支架上。诸如用于过滤或阻尼传感器信号的电容器的电子装置安装在安装板上并且作为包括传感器22a、22b的传感器单元24的一部分。
此外，传感器装置12包括电池28a、28b和电池盒的盖构件30以及合适的电极和用于密封电源盒的垫圈环。
形成信号处理器件16的印刷电路板封装在两侧上。
如图3所示，支架20的第二部分20c具有遵循电池28a、28b的形状的稳定脊，其增加了支架的刚性。支架是由Zamak 5合金制成的实心铸造金属部件。
发明人已发现，关注部件11和传感器22a、22b之间的总的声传输非常好，即使轴箱10的附接有传感器装置12的壳体由不同材料制成也是如此。已发现，铝-锌合金界面处的声信号传输为96％，钢-锌合金界面处的声信号传输为91％。尽管由铝制成的安装构件20看上去似乎很好地匹配了由铝制成的关注部件11或中间部件10，但是发明人惊讶地发现，铝块内的衰减和从界面到声发射传感器的压电晶体的反射导致整体损耗超过使用由锌合金制成的安装构件20时的总损耗。
被监控部件的温度(绝对值或相对于其它部件的相对值)是状态监控中的重要因素。尽管不锈钢被列举为导热性在18Wm-1K-1范围内，但是锌合金的导热性在110Wm-1K-1范围内，这更适用于预期目的。
尽管锌合金的弹性模量(～96GPa)通常低于钢(210Gpa)，其密度(～6800kg/m3)也低于钢(7850kg/m3)，由此，对于许多设计，其第一结构固有频率通常不会太低于相同尺寸的钢部件，但是通过轻化，具有相同质量的锌合金结构可能具有与钢相同或比其更高的第一固有频率，因为可以利用更大体积的材料来增加刚性。
因此，对于振动测量，可以获得相同的“有用”频率响应。
传感器22a、22b可附接至支架20的表面的平坦部分和/或装配至设置在支架20的材料中的凹槽内。当使用根据本发明的锌合金时，可通过拉模铸造来获得凹槽和平坦表面而不需要机加工。
传感器22a、22b附接至支架20的位置应当尽可能靠近支架的第一部分20a的面向轴箱10和轴承的下表面(在监控部件时)。在图3至6所示实施例中，图4至6中隐藏的传感器22a、22b轴向地布置在螺栓15的头部和轴箱10之间。
图4示出了移除了壳体部分14a、14b的组件。
图5和6示出了传感器12的不同透视图。
图7至11示出了本发明的其它实施例。下面对其它实施例的描述仅限于与图1至6所示实施例的区别，以避免重复。对于没有改变的特征，参考图1至6的实施例的上述描述。类似的特征具有相同的参考标号，以强调类似性。
在图7-8的实施例中，支架20形成为套筒状主体，具有形成为轴向孔的开口20b和平坦侧表面20d，平坦侧表面20d具有更小的孔以用于使用螺钉安装壳体14。传感器单元24嵌入侧表面20d中的凹槽内，并且传感器的感测表面(不可见)与凹槽的内表面接触，其中，所述内表面在垂直于螺栓15的轴向方向的方向上延伸以用于紧固传感器装置12。
与图1和图2的实施例相比，在图7的实施例中，传感器装置12的电池盒或电源组的取向旋转了90°。此外，电池盒布置在信号处理器件16的顶部。图7的实施例中，更大的支架20确保以低损耗来传输振动和传递热。螺栓15是标准M16螺栓，应比图1-6的实施例中的长约40mm。
在图9的实施例中，支架20形成为套筒状主体，具有形成为轴向孔的开口20b，其中，该孔的远离待监控部件的一侧的端部具有增加的直径，以埋设螺栓15的头部。
图10的实施例描述的特征在于大致L形的支架，其具有有角形状(angularshape)，用以将传感器装置12固定至轴箱。
在图10的实施例中，传感器单元12的支架20包括具有大致半圆形轮廓的内表面，该内表面包围螺栓15的螺钉头。该半圆形轮廓的横向边缘形成为脊以增加支架20的刚性。
图11至14是根据本发明的第六实施例的传感器装置的视图。代替使用具有夹子的电池，使用具有连接器28d的电池组28c。电池组28c布置在作为信号处理器件16的PCB和作为支架20的第二部分20c的主体部分之间的空间中。电池盖30通过两个螺钉30a、30b固定，并通过束带30c保持组装至装置的壳体14。
本发明的其它实施例包括布置在支架20和轴箱10之间的间隔件。
图15是根据本发明的第七实施例的传感器装置。安装器件20形成为橇件，其具有构造成保持该传感器22a、22b的接地板部分20a和从该接地板部分突面的杆，用作保持两个卷簧32a、32b的器件，该卷簧32a、32b用于将接地板部分按压至关注部件。
具有带压电传感器元件的弹簧加载橇件并且安装有温度传感器的实施例允许比较容易地从监控位置固定和拆卸传感器模块。当使用该橇件方案时，必要的是实现对压电晶体的良好信号能量传输。为此，重要的方面在于，橇件的与待监控部件接触的表面必须是平坦和光滑的。当使用不锈钢通过弯曲工艺形成时，该接触表面变为拱形，这导致界面上的较差AE传输。
图16是根据本发明的第七实施例的传感器装置的安装器件20。如图16所示，接地板部分20a包括起伏状结构，具有凹槽34和突起36，用于定位传感器22a、22b和其它电子部件。
本发明的所有实施例的安装器件20是压铸金属件，不需要随后的机加工，使得可以避免不均匀的弹性。尽管可使用许多制造技术，但是应认识到的是，在该情况下最合适的是压铸。可通过压铸获得的公差水平减少了机加工；或者，在本申请应意识到的情况下，可以没有机加工。这可以获得高层次的细节，而且使用锌合金来压铸平坦表面为界面提供了进行良好的声发射能量传递所需的平滑度和公差。这些因素通常仅通过机加工获得，例如用于钢的、形成粗糙或弯曲表面的类似和其它制造工艺。因此，通过压铸锌合金，以小成本实现了期望的结果。

Claims (14)

1.一种用于监控关注部件(11)的传感器装置，包括：至少一个传感器(22a、22b)，用于测量表示所述关注部件的状态的至少一个参数；信号处理器件(16)，用于处理所述传感器(22a、22b)的信号；以及安装器件，用于靠近关注部件安装所述传感器装置，
其特征在于，所述安装器件(20)由锌合金制成；
所述锌合金包括：重量占3.5％和4.5％的铝；重量占0.2％和3％之间的铜；以及锌和不可避免的杂质；
所述安装器件(20)是压铸金属件，不需要随后的机加工，使得能够避免不均匀的弹性。
2.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述关注部件(11)是安装在壳体(10)中的轴承，其中，所述传感器装置构造为附接至所述壳体(10)。
3.如上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述安装器件(20)包括螺栓(15)以及具有第一部分(20a)和第二部分(20c)的支架，所述第一部分(20a)包括用于在插入方向(17)上插入所述螺栓(15)的开口(20b)，所述第二部分(20c)具有平行于所述插入方向(17)的表面，所述表面构造为安装所述壳体(14)。
4.如权利要求1至2中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述安装器件(20)包括橇件，所述橇件具有构造成保持所述至少一个传感器(22a、22b)的接地板部分(20a)和用于保持至少一个弹簧(32a、32b)的器件，所述至少一个弹簧(32a、32b)用于将所述接地板部分(20a)按压至关注部件。
5.如权利要求4所述的传感器装置，其特征在于，所述接地板部分(20a)包括至少一个凹槽(34)和/或至少一个突起(36)，用于定位所述至少一个传感器(22a、22b)和/或其它电子部件。
6.如上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述至少一个传感器(22a、22b)形成为振动传感器、声发射传感器和/或温度传感器。
7.如上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述关注部件(11)是安装在壳体(10)中的车辆轴承，其中，所述传感器装置构造成靠近所述轴承的非旋转环的负载区而附接至所述壳体(10)。
8.如权利要求7所述的传感器装置，其特征在于，所述传感器装置构造成关于所述轴承的旋转轴线而在负载线(13)的+/-30度内附接，所述负载线(13)限定为是在轴承上操作负载最大的方向上经过所述轴承的旋转轴线的直线。
9.如上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述传感器装置构造成附接至列车轴箱。
10.如上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述支架的至少第二部分包括用于增加其刚性的结构。
11.如上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述安装器件(20)是铸造金属件。
12.如上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述支架(20)由Zamak5合金制成。
13.如上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其特征在于，用于改进待测量参数的传输的物质设置在所述传感器(22a、22b)和所述支架(20)之间的界面处。
14.如上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述安装支架(20)的与所述传感器(22a、22b)接触的表面形成为平坦表面。
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