CN114740347A - 一种能源与信息融合式振动信号诊断传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种能源与信息融合式振动信号诊断传感系统，所述系统包括电机磁场能量捕获器、压电‑电磁复合式振动传感发电装置、电池、ECU传感器和天线，所述电机磁场能量捕获器、压电‑电磁复合式振动传感发电装置共同连接电池，所述压电‑电磁复合式振动传感发电装置还与ECU传感器电性连接，所述ECU传感器与天线连接，通过ECU传感器判断是否出现特定电量变化，并通过天线进行传输报警，所述压电‑电磁复合式振动传感发电装置包括压电梁、磁体以及磁感线圈，依靠振动能量使压电梁带动磁体上下位移产生压电电流，产生变化磁场，从而使磁感线圈产生感应电流。本发明可快速对电机故障和轨道平顺度问题实现诊断报警。
Description
技术领域
本发明涉及传感器监测技术领域，具体地，涉及一种能源与信息融合式振动信号诊断传感系统。
背景技术
列车运行过程中安全问题一直是备受关注的焦点，为了对轨道列车电机、轨道平顺度进行状态自我感知及监测，需要设计出一种能源与信息融合式振动信号自传感系统。为了适应该场景中能源的高效转换，采用以振动为激励源结合压电技术以及电磁发电技术，设计出压电-电磁复合式振动发电装置。在监测传感过程中，为了对电机故障诊断更具有针对性，所以根据故障产生后所特有的振动频率，通过改变金属层的参数来设置压电梁振动模态，从而影响发电装置的发电量。并且，在列车状态稳定的情况下，影响列车车下振动的主要外因是轨道平顺问题，所以当轨道平顺度发生突然改变时会造成该处信号节点处与以往电频信号不同的表现。
因此为了对轨道列车电机、轨道平顺度进行状态自我感知及监测，需要设计出一种能源与信息融合式振动信号诊断传感系统。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有更高的发电效率以及更高的系统可靠性的能源与信息融合式振动信号诊断传感系统。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种能源与信息融合式振动信号诊断传感系统，所述系统包括电机磁场能量捕获器、压电-电磁复合式振动传感发电装置、电池、ECU传感器和天线，所述电机磁场能量捕获器、压电-电磁复合式振动传感发电装置共同连接电池，所述压电-电磁复合式振动传感发电装置还与ECU传感器电性连接，所述ECU传感器与天线连接，通过ECU传感器判断是否出现特定电量变化，并通过天线进行传输报警，所述压电-电磁复合式振动传感发电装置包括压电梁、磁体以及磁感线圈，依靠振动能量使压电梁带动磁体上下位移产生压电电流，产生变化磁场，从而使磁感线圈产生感应电流。
可选地，所述压电-电磁复合式振动传感发电装置还包括保护壳，所述磁感线圈设置在保护壳内。
可选地，所述压电梁为上下压电陶瓷材料覆盖中间金属层的结构，所述磁体为设置在压电梁中间上下表面的两个柱形磁铁，在列车行驶过程中，振动会使压电梁发生上下弯曲变形，从而带动压电陶瓷材料发电以及带动柱形磁铁发生位移产生变化磁场。
可选地，所述压电梁根据电机特定故障振频，对压电梁参数进行设定以改变压电梁中间金属层的模态，使其金属层的多模态中一个与其电机特定故障振频相匹配，从而当故障产生时ECU传感器可以根据电信号的变化快速实现对电机故障的诊断。
可选地，所述ECU传感器对压电-电磁复合式振动传感发电装置在行车过程中，对每趟列车的发电量进行记录，并在电信号突变后与其历史数据进行对比分析。
可选地，若所述电信号没有出现异常，则所述压电-电磁复合式振动传感发电装置产生的电能将被存储到电池中。
可选地，若突变电信号幅度大于历史该节点的电信号数值，并超过预设阈值，则表示轨道平顺度出现问题，根据异常数据出现时间结合列车运行图即可寻找到轨道平顺出现问题的位置。
可选地，所述的电机磁场能量捕获器通过在列车电机外缠绕电磁线圈，并基于列车运行过程中电机内变化的磁场，使其外绕线圈产生磁感电流，产生的电能将被存储到电池中。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明系统通过ECU传感器对压电-电磁复合式振动传感发电装置在行车过程中，对每趟列车的发电量进行记录，实现监测装置既是发电源又是感知源，以及实现能量采集、能量存储和故障判断一体化，达到高效利用空间的效果。
2、本发明通过ECU传感器对压电-电磁复合式振动传感发电装置发送的电量信号进行记录，反推出轨道平顺问题，实现轨道平顺度的快速巡检。
3、本发明可以实现对轨道车辆行驶过程中电机产生的变化磁场进行捕获，实现对空间的利用最大化以及整体结构发电能量的最大化，实现对列车能量的多源复合式获取。
4、本发明在实现故障监测的同时还可对其它监测传感设备进行电力供应。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的能源与信息融合式振动信号诊断传感系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的电机磁场能量捕获器结构示意图；
图3为本发明实施例提供的压电-电磁复合式振动传感发电装置内部结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明涉及提供一种能源与信息融合式振动信号诊断传感系统，用以对轨道列车电机、轨道平顺度进行状态自感知，并对其监测传感设备进行自供电。具体地，图1为本发明实施例提供的一种能源与信息融合式振动信号诊断传感系统结构示意图，如图1所示，所述系统包括电机磁场能量捕获器11、压电-电磁复合式振动传感发电装置12、电池13、ECU传感器14和天线15。所述电机磁场能量捕获器11、压电-电磁复合式振动传感发电装置12共同连接电池13，所述压电-电磁复合式振动传感发电装置12还与ECU传感器14连接，所述ECU传感器14外联天线15。
如图2所示，所述电机磁场能量捕获器11设置在电机周围，将磁感线圈缠绕设置在电机表面，因在列车行进过程中，电机会产生变化的磁场，磁感线穿过设置在电机表面的磁感线圈即可产生感应电流，以此形成电机磁场能量进行捕获，因此可将最简化的部件设置在电机周围产生最大化的发电量输送至电池13，以此增加整体结构的发电量，并且电池所存储的电能不但可为ECU传感器进行电力供应，而且还可为其他电子装置进行电力供应。
如图3所示，所述的压电-电磁复合式振动传感发电装置12包括保护壳1、磁感线圈2、4、压电梁3及磁体5、6。依靠振动能量使其压电梁带动磁体上下位移产生压电电流，同时产生变化磁场，使其设置在保护壳内的磁感线圈产生感应电流。
首先，所述压电梁3设置在两个支座7上，所述磁感线圈2设置在保护壳盖的下表面，而所述磁感线圈4设置在保护壳1的底部。并且压电梁3中间上下各设置一块柱形磁铁5和6，在列车行进过程中，会因车体振动带动压电梁3上的磁体5、6发生上下位移，进而使周围产生变化的磁场，在上下两个磁感线圈2、4中产生感应电流。并将压电单元和电磁单元产生的电量传送至电池13进行存储，并且并联至ECU传感器14对其电流变化进行记录。所述ECU传感器14对每趟列车行驶过程中的电量变化进行记录，并在电信号突变后与其历史数据进行对比分析，因在列车车体状态良好的情况下，对其振动产生最大影响的是车下轨道平顺问题，所以当ECU传感器所记录电流曲线突然变化时则表示轨道平顺度出现问题，则ECU传感器14通过天线15发送故障警报，根据所记录电流信号节点时间结合行车运行图，即找出轨道出现问题的所在位置，从而实现对轨道平顺度的快速巡检。
若突变电信号幅度大于历史该节点的电信号数值，并超过预设阈值，所述预设阈值可以根据正常偏差对每条线路进行针对性设置，当列车状态稳定时，只有轨道平顺度出现问题会造成车体下出现加大振动，所以异常则表示轨道平顺度出现问题，根据异常数据出现时间结合列车运行图即可寻找到轨道平顺出现问题的位置。
另外，所述压电梁3为上下压电陶瓷材料覆盖中间金属层的结构，在列车行驶过程中，振动会使压电梁3发生上下弯曲变形，从而带动压电陶瓷材料发电以及带动柱形磁铁发生位移产生变化磁场。每个金属层都具有多个不同模态，例如50mm长，30mm宽，3mm高的金属层的模态只有在1000hz和1200hz振频中金属层振动效果最佳，在其他频率上效果则不好，所以利用金属层模态特性，事先对电机发生不同故障后产生的不同振动频率特性，通过对金属层的长宽高等参数进行事先设置调节，使压电梁在电机发生特定故障后(例如故障A会使振动频率变为1700hz，而事先将1700hz调节为压电梁的其中一个模态)会对压电-电磁复合式振动传感发电装置12的电量产生影响。而压电-电磁复合式振动传感发电装置12接入电池13的同时，还并联接入ECU传感器14，经过ECU传感器14判断是否出现特定电量变化，而对信号经过天线15进行传输报警，即可实现对列车电机的故障快速诊断预警。而作为系统的整体结构上看压电-电磁复合式振动传感发电装置12与电机磁场能量捕获器11可最大程度上采集能量进行发电，储备的多余电量可供其他电子传感设备进行供能作业。进一步地，设置保护壳对整个压电-电磁复合式振动传感发电装置12进行保护提高其可靠性。
所述压电梁根据电机特定故障振频，对压电梁参数进行设定以改变压电梁中间金属层的模态，使其金属层的多模态中一个与其电机特定故障振频相匹配，从而当故障产生时ECU传感器可以根据电信号的变化快速实现对故障的诊断，以此实现对电机故障和轨道平顺度问题的快速诊断以及对周围能源的高效转化，并且在有限的车底空间中实现发电效果最大化。本发明符合新能源行业零碳的要求，并且设计思路可以促进行业朝着绿色生活、绿色制造、绿色生产，包括绿色应用的方向发展。本发明可以在轨道安全领域提供一种新型技术，并且可以拓展到汽车、飞机、轮渡等交通领域。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明系统通过ECU传感器对压电-电磁复合式振动传感发电装置在行车过程中，对每趟列车的发电量进行记录，实现监测装置既是发电源又是感知源，以及实现能量采集、能量存储和故障判断一体化，达到高效利用空间的效果。
2、本发明通过ECU传感器对压电-电磁复合式振动传感发电装置发送的电量信号进行记录，反推出轨道平顺问题，实现轨道平顺度的快速巡检。
3、本发明可以实现对轨道车辆行驶过程中电机产生的变化磁场进行捕获，实现对空间的利用最大化以及整体结构发电能量的最大化，实现对列车能量的多源复合式获取。
4、本发明在实现故障监测的同时还可对其它监测传感设备进行电力供应。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (8)
1.一种能源与信息融合式振动信号诊断传感系统，其特征在于，所述系统包括电机磁场能量捕获器、压电-电磁复合式振动传感发电装置、电池、ECU传感器和天线，所述电机磁场能量捕获器、压电-电磁复合式振动传感发电装置共同连接电池，所述压电-电磁复合式振动传感发电装置还与ECU传感器电性连接，所述ECU传感器与天线连接，通过ECU传感器判断是否出现特定电量变化，并通过天线进行传输报警，所述压电-电磁复合式振动传感发电装置包括压电梁、磁体以及磁感线圈，依靠振动能量使压电梁带动磁体上下位移产生压电电流，产生变化磁场，从而使磁感线圈产生感应电流。
2.根据权利要求1所述的能源与信息融合式振动信号诊断传感系统，其特征在于，所述压电-电磁复合式振动传感发电装置还包括保护壳，所述磁感线圈设置在保护壳内。
3.根据权利要求1所述的能源与信息融合式振动信号诊断传感系统，其特征在于，所述压电梁为上下压电陶瓷材料覆盖中间金属层的结构，所述磁体为设置在压电梁中间上下表面的两个柱形磁铁，在列车行驶过程中，振动会使压电梁发生上下弯曲变形，从而带动压电陶瓷材料发电以及带动柱形磁铁发生位移产生变化磁场。
4.根据权利要求3所述的能源与信息融合式振动信号诊断传感系统，其特征在于，所述压电梁根据电机特定故障振频，对压电梁参数进行设定以改变压电梁中间金属层的模态，使其金属层的多模态中一个与其电机特定故障振频相匹配，从而当故障产生时ECU传感器可以根据电信号的变化快速实现对电机故障的诊断。
5.根据权利要求1所述的能源与信息融合式振动信号诊断传感系统，其特征在于，所述ECU传感器对压电-电磁复合式振动传感发电装置在行车过程中，对每趟列车的发电量进行记录，并在电信号突变后与其历史数据进行对比分析。
6.根据权利要求5所述的能源与信息融合式振动信号诊断传感系统，其特征在于，若所述电信号没有出现异常，则所述压电-电磁复合式振动传感发电装置产生的电能将被存储到电池中。
7.根据权利要求5所述的能源与信息融合式振动信号诊断传感系统，其特征在于，若突变电信号幅度大于历史该节点的电信号数值，并超过预设阈值，则表示轨道平顺度出现问题，根据异常数据出现时间结合列车运行图即可寻找到轨道平顺出现问题的位置。
8.根据权利要求1所述的能源与信息融合式振动信号诊断传感系统，其特征在于，所述的电机磁场能量捕获器通过在列车电机外缠绕电磁线圈，并基于列车运行过程中电机内变化的磁场，使其外绕线圈产生磁感电流，产生的电能将被存储到电池中。
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