CN206114142U - 基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置，包括设置于列车车头控制室内的主机监控系统、设置于每节车厢底部的信号读写器及安装在每节车厢底部的车轴上的声表面波传感网络，声表面波传感网络利用射频识别与信号读写器连接，信号读写器通过无线网络与主机监控系统连接。本实用新型基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置，能够完成对列车车轴状态的全方位实时监测，并进行故障的提前预警和故障位置的准确定位，并且无需在车厢内铺设线缆或光缆通讯。

Description

基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置

技术领域

本实用新型属于车轴状态监测技术领域，具体涉及一种基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置。

背景技术

随着我国铁路建设行业的飞快发展，列车车速和运载能力日益提升，铁路运输已逐渐处于综合交通运输体系中的骨干地位。列车车轴作为列车行进过程中尤为关键的部件，其通常处在高速重载的工作状态下，车轴与车轮、齿轮箱和轴箱的接触部分长期承受各种机械摩擦、交变接触应力作用的同时，还会出现异物掉入、润滑不良等现象，长时间会致使车轴磨损加剧、出现疲劳裂纹，引发车轴表面温度升高、振动幅值增大等问题，如果不能及时发现车轴缺陷并维护，严重时会导致车轴变形断裂、热切轴、燃轴等事故的发生，造成重大的人身伤亡和经济损失。可见，对车轴轴温和振动的监测，是反映车轴运行状态、保证列车安全运行最直观、重要的方法之一。

目前，列车车轴状态监测主要分为车载接触测量和地面红外测量。对于车载接触测量系统而言，由于各传感器直接安装在探测点处，其连接线错综复杂，安装维修工作量大；而在地面红外监测系统中，由于红外探头长期裸露在外界环境中，容易出现损坏，需要检修人员进行定期维护，且只有当列车通过红外探头时，才能对车轴状态进行监测，实时性差。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置，解决了现有列车车轴状态监测连线错综复杂、实时性差的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置，其特征在于，包括设置于列车车头控制室内的主机监控系统、设置于每节车厢底部的信号读写器及安装在每节车厢底部的车轴上的声表面波传感网络，声表面波传感网络利用射频识别与信号读写器连接，信号读写器通过无线网络与主机监控系统连接。

本实用新型的特点还在于：

声表面波传感网络包括振动传感器和温度传感器，振动传感器通过卡扣靠近每个车轴两端的车轮固定，温度传感器通过卡扣固定在每个车轴两端的轴颈及每个车轴的中心处。

振动传感器包括第一压电基片，第一压电基片上嵌有第一叉指换能器，第一叉指换能器的两端依次对称设置有第一反射栅、第一吸声材料，第一叉指换能器还连接有第一阻抗匹配网络，第一阻抗匹配网络与第一天线连接，第一压电基片采用YX切石英晶体。

温度传感器包括第二压电基片，第二压电基片上嵌有第二叉指换能器，第二叉指换能器的两端依次对称设置有第二反射栅、第二吸声材料，第二叉指换能器还连接有第二阻抗匹配网络，第二阻抗匹配网络与第二天线连接，第二压电基片采用YX切LiNbO₃晶体。

信号读写器包括第一控制器，第一控制器分别连接有激励信号发生器、A/D采样电路、第一ZigBee模块，激励信号发生器上依次连接有阻抗匹配电路、第一带通滤波电路、射频功率放大电路、收发开关、第三天线；A/D采样电路上依次连接有基带放大电路、混频器、第二带通滤波电路、调理放大电路，调理放大电路与收发开关连接，混频器与激励信号发生器连接。

第一控制器上还连接有环境温度检测电路。

第一控制器上还连接有蓄电池模块。

主机监控系统包括有第二控制器，第二控制器分别连接有电源模块、人机交互界面、语音预警模块、外部EEROM及第二ZigBee模块。

第二控制器上还连接有全网通无线通信模块。

本实用新型的有益效果是：

①本实用新型基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置，采用无线无源单端谐振型SAW传感器完成列车车轴的温度、振动检测，无需供电电源，避免了繁琐的布线，即插即用，并结合频分多址方法，解决了传感器之间的防碰撞问题，便于系统扩张和安装维护，测量精度高、可靠性好。

②本实用新型基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置，设置于车厢底部的信号读写器与设置于车头的主机监控系统通过无线ZigBee网络进行通讯，无需在车厢内铺设线缆或光缆通讯，易于设备的安装和维修，费用低、功耗小。

③本实用新型基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置，能够完成对列车车轴状态的全方位实时监测，并进行故障的提前预警和故障位置的准确定位，大大提高列车的安全稳定性，降低人员伤亡和经济损失。

附图说明

图1是本实用新型列车车轴状态监测装置的结构示意图；

图2是本实用新型列车车轴状态监测装置中传感器的安装示意图；

图3是本实用新型列车车轴状态监测装置中振动传感器的结构示意图；

图4是本实用新型列车车轴状态监测装置中温度传感器的结构示意图；

图5是本实用新型列车车轴状态监测装置中信号读写器的结构示意图；

图6是本实用新型列车车轴状态监测装置中主机监控系统的结构示意图。

图中，1.声表面波传感网络，2.信号读写器，3.主机监控系统，4.车轴，5.齿轮箱，6.车轮，7.车轴轴箱，8.温度传感器，9.振动传感器，10.第一吸声材料，11.第一反射栅，12.第一叉指换能器，13.第一压电基片，14.第一阻抗匹配网络，15.第一天线，16.环境温度检测电路，17.第一ZigBee模块，18.激励信号发生器，19.阻抗匹配电路，20.第一带通滤波电路，21.射频功率放大电路，22.收发开关，23.第三天线，24.第一控制器，25.调理放大电路，26.第二带通滤波电路，27.混频器，28.基带放大电路，29.A/D采样电路，30.蓄电池模块，31.电源模块，32.人机交互界面，33.第二控制器，34.语音预警模块，35.外部EEROM，36.全网通无线通信模块，37.第二ZigBee模块，38.第二吸声材料，39.第二反射栅，40.第二叉指换能器，41.第二压电基片，42.第二阻抗匹配网络，43.第二天线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置，如图1、2所示，包括设置于列车车头控制室内的主机监控系统3、设置于每节车厢底部的信号读写器2及安装在每节车厢底部的车轴4上的声表面波传感网络1，即每节车厢包括四个车轴4，每节车厢底部安装四个声表面波传感器1，主机监控系统3安装于列车车头控制室内，便于工作人员进行监控和操控，声表面波传感网络1利用射频识别与信号读写器2连接，信号读写器2通过无线网络与主机监控系统3连接，信号读写器2与声表面波传感网络1之间的通信距离一般在10m以内，为保证数据传输的可靠性，信号读写器2安装于每节车厢底部、距离相邻两个车轴4之间的等距离处，此距离一般小于2m，满足通讯距离要求，即每相邻的两个车轴4上的声表面波传感网络1对应1个信号读写器2，每个车厢底部安装两个信号读写器2。

本实用新型列车车轴状态监测装置是以每节车厢底部的相邻两个车轴作为基本单位，两个声表面波传感网络1与一个信号读写器2构成一个监测终端，主机监控系统3通过ZigBee网络将各个车厢的监测终端信息进行汇总与分析，完成实时显示与故障预警工作。

声表面波传感网络1包括振动传感器9和温度传感器8，安装如图2所示，振动传感器9通过卡扣固定在每个车轴4两端的车轮6与车轴轴箱7之间，振动传感器9成对固定在车轮6附近，即每个声表面波传感网络1至少两个振动传感器9，也可以为2的整数倍(图2中所示为两个)，温度传感器8通过卡扣固定在每个车轴4两端齿轮箱5与车轮6之间的轴颈及每个车轴4的中心处，温度传感器8在车轴4两端的轴颈处也是成对固定的，即每个声表面波传感网络1至少三个温度传感器8，也可以为2的整数倍+1个(图2中所示为三个)，振动传感器9和温度传感器8分别对车轴4的各个位置进行振动和温度的测量，从而直观的反映车轴4的运行状态。各个传感器通过不锈钢环形卡扣牢牢固定在车轴4上，避免各个传感器与车轴4发生相对运动，保证传感器测量的稳定性和持久性。

声表面波传感网络1采用频分多址的方法来区分不同的传感器身份。通过对声表面波传感网络1内每个传感器的工作频率进行差异设计，以传感器的工作频率作为识别自身的地址，只有当信号读写器2发出的激励信号在传感器的工作频率范围内时，传感器才会进行测量工作，解决了传感器之间的防碰撞问题，实现信号读写器2对声表面波传感网络1内多个传感器信息的采集。其中，与信号读写器2相连的两个声表面波传感网络1内传感器工作中心频率频段为420～439MHz，每一个传感器依次占有自己特定的2MHz带宽。

如图3所示，振动传感器9包括第一压电基片13，第一压电基片13上嵌有第一叉指换能器12，第一叉指换能器12的两端依次对称设置有第一反射栅11、第一吸声材料10，第一叉指换能器12还连接有第一阻抗匹配网络14，第一阻抗匹配网络14与第一天线15连接，第一压电基片13采用YX切石英晶体，厚度为550μm，其压电效应大、声衰减小。

如图4所示，温度传感器8包括第二压电基片41，第二压电基片41上嵌有第二叉指换能器40，第二叉指换能器40的两端依次对称设置有第二反射栅39、第二吸声材料38，第二叉指换能器40还连接有第二阻抗匹配网络42，第二阻抗匹配网络42与第二天线43连接，第二压电基片41采用YX切LiNbO₃晶体，具有很大的机械强度和稳定的机械性质。

温度传感器8和振动传感器9均采用无线无源单端谐振型SAW传感器，该传感器无需连接线和电源供给，安装方便、即插即用。叉指换能器和反射栅材料均选用金属铝，铝膜厚度为0.18μm，其具有高电导率、且化学性质稳定。

振动传感器9的工作原理为：

当第一天线15接收到信号读写器2发出的激励信号时，会将其传递给第一叉指换能器12，第一叉指换能器12通过逆压电效应激发出声表面波并通过第一压电基片13进行传播，完成电/声转换；经过一定时间延迟后到达两边的第一反射栅11，当声表面波的中心频率与第一反射栅11的谐振频率一致时，声表面波会在第一反射栅11之间进行全反射而达到谐振状态，激发最大的能量；随后声表面波又会被反射回第一叉指换能器12并通过压电效应再次转换为回波信号，利用第一天线15发送给信号读写器2。

温度传感器8的工作原理同振动传感器9的工作原理。

声表面波的中心频率是由叉指换能器间距λ和声表面波传播速度v共同决定，即：

当车轴4的温度、振动发生变化时，压电基片的参数会改变，导致中心频率f相应改变，即：

由于压电基片的材料分别选用的是LiNbO₃晶体和YX切石英晶体，所以温度和振动变化分别对材料尺寸的影响相对于波速的变化基本可以忽略，从而得到：

可以看出，车轴4温度、振动的变化会引起声表面波中心频率f的改变，这时信号读写器2收到的回波信号频率也会随之变化，从而通过这些变化实现温度、振动的测量。

信号读写器2，如图5所示，包括第一控制器24，第一控制器24分别连接有激励信号发生器18、A/D采样电路29、第一ZigBee模块17、环境温度检测电路16、蓄电池模块30，激励信号发生器18上依次连接有阻抗匹配电路19、第一带通滤波电路20、射频功率放大电路21、收发开关22、第三天线23；A/D采样电路29上依次连接有基带放大电路28、混频器27、第二带通滤波电路26、调理放大电路25，调理放大电路25与收发开关22连接，混频器27与激励信号发生器18连接。

其中，第一控制器24内的主控芯片采用的是FPGA的EP4CE15，其具有强大数据处理能力和高运行速度；A/D采样电路29内置有AD9214芯片，它是一款低功耗、10位模数转换芯片，转换速率可达65MHz；激励信号发生器18内置有SI4122程控PLL芯片，它是一款低功耗、高性价比的射频发射器芯片，由三个宽频带的PLL和串行接口组成；混频器27内置有AD8343混频芯片，其输入IP3为16.5dBm，线性度好，频率宽带最高可达2.5GHz；第一ZigBee模块17内设置有CC2530芯片，其结合了领先的RF收发器的优良性能，是针对于ZigBee应用的一个真正片上系统解决方案，功能强大、功耗低。

信号读写器2的工作过程主要分为两个环节：

第一环节：当收发开关22为发送状态时，第一控制器24通过SPI外设接口将所需激励信号的频率数值写入到激励信号发生器18内的SI4122寄存器中，使激励信号发生器18产生频率在420～439MHz之间的高频间歇正弦信号，后经阻抗匹配电路19的作用，以减少传输线上的能量损耗，第一带通滤波电路20和射频功率放大电路21完成对激励信号的滤波与功率放大处理，最后通过第三天线23将激励信号发送给传感器，实现激励信号的产生与发送。其中，激励信号的发送时间间隔为2s，相邻两次发送的激励信号中心频率相差2MHz，以配合与信号读写器2相连的两个声表面波传感网络1内各个传感器的工作频率，实现频分多址功能。

第二环节：当收发开关22为接收状态时，第三天线23会接收到传感器发送的回波信号，并通过调理放大电路25和第二带通滤波电路26的作用，以降低噪声干扰，提高信噪比，再经过混频器27进行信号解调，将高频回波信号的频率降低到中频段，之后通过基带放大电路28，改善混频器27中频信号的输出质量，以方便A/D采样电路29进行信号采集，完成回波信号的接收与处理，第一控制器24接收到A/D采样电路29送入的回波数字信号后，会进行数字信号处理，计算出声表面波传感网络1内各个传感器的温度、振动信息。

其中，接收的回波信号需要进一步的数字滤波处理，以去除信号中无用的频率成分，第一控制器24采用的数字滤波算法为FIR窗函数式低通滤波法。采用Matlab提供的Filter Design&Analysis Tool工具并结合50阶的Hann窗进行FIR低通滤波器的设计，再利用第一控制器24内Xilinx提供的intellectual property核直接调用Matlab仿真生成的COE文件，从而避免重新设计滤波器的过程，节约时间。其中滤波器的性能指标为：截止频率为6MHz，信号采样频率为60MHz，阻带衰减不小于35dB。

环境温度检测电路16主要用于测量车轴4的工作环境温度，并将测量结果送入第一控制器24，第一控制器24通过将传感器所测得车轴4温度与环境温度做差，得到车轴4的温升数据。

信号读写器2将监测到的四个车轴4的所有状态信息打包后通过第一ZigBee模块17进行发送，通讯方式中结合ZigBee中继模式并采用交互方式进行通讯协议的设计。当第一ZigBee模块17直接向主机监控系统3发送数据时，如果主机监控系统3接收到了数据，就会向第一ZigBee模块17发送响应命令，告诉信号读写器2数据已接受成功，当第一ZigBee模块17没有接收到响应命令时，即表示数据发送失败，请重新发送，如果第一ZigBee模块17连续3次都发送失败，这时第一ZigBee模块17就会取消直接向主机监控系统3发送数据，而转化为向相邻前一节车厢的信号读写器2发送数据，使数据进行逐级传递，最终到达主机监控系统3，达到无线远距离传输的目的。其中，状态信息包括车轴4温度、温升、振动幅值及监测位置等。

其中，蓄电池模块30采用直流额定电压为12V的蓄电池给信号读写器2供电，供电时间可达1年左右。

主机监控系统3，如图6所示，包括有第二控制器33，第二控制器33分别连接有电源模块31、人机交互界面32、语音预警模块34、外部EEROM35、全网通无线通信模块36及第二ZigBee模块37。

其中，第二控制器33内的主控芯片采用的是STM32F407ZGT6，其主频高达168MHz，具有32位数据总线的灵活外部存储控制器，数据存取速度快；全网通无线通信模块36内置有USR-G402tf模块，它是一款五模十二频4G模块，适用于高速数据传输与稳定大数据量传输，支持移动/联通2G、3G、4G和电信4G网络的高速接入；人机交互界面32的液晶屏采用的是基于安卓操作系统的高清触摸屏，其操作简单、快捷，不易出现卡屏、死机现象。

电源模块31是利用列车车头控制室内的AC220V对主机监控系统3进行供电。

第二ZigBee模块37用于接收所有监测终端的车轴4状态监测信息，并将监测信息传递给第二控制器33，完成数据分析与故障诊断。第二控制器33将处理后的监测信息发送给人机交互界面32，进行车轴4运行状态的实时显示，同时通过I²C接口将监测信息存储在外部EEROM35中。当工作人员需要了解以往的车轴4运行状态信息时，即可调用外部EEROM35的数据，实现历史数据、曲线的查看，分析车轴4运行状态趋势，更好的进行故障预判。

主机监控系统3正常运行过程中，当出现车轴4温度、温升或振动幅值超过预警阈值时，第二控制器33会立刻控制人机交互界面32进行故障预警，即在人机交互界面32上显示故障位置、故障类型、当前数值及运行状态等信息，同时语音预警模块34会不断发出警示语，并伴随着警示灯的持续闪烁，以引起工作人员的注意，完成车轴4状态预警与故障定位。

同时，主机监控系统3可通过全网通无线通信模块36将列车车轴4监测信息上传至车站调度室，其中，全网通无线通信模块36支持移动、联通和电信之间的相互切换。当列车在运行过程中出现信号较弱或不稳定时，主机监控系统3可通过将全网通无线通信模块36切换至其他两种模式，进行数据上传，提高通讯的可靠性；并且考虑到列车有时会穿越隧道而出现没有任何信号的情况，在此期间，主机监控系统3会将数据保存至外部EEROM35中，当列车穿过隧道时，主机监控系统3会立刻将这包数据通过全网通无线通信模块36上传给车站调度室，完成无信号时数据的上传任务。各个车站调度室的所有列车车轴4运行状态信息会进一步汇总至铁路总调度室，在铁路总调度室内，实现对整个铁路系统的所有列车车轴4运行状态的在线监测，达到对所有列车智能调控的目的。

Claims (9)

1.基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置，其特征在于，包括设置于列车车头控制室内的主机监控系统(3)、设置于每节车厢底部的信号读写器(2)及安装在每节车厢底部的车轴(4)上的声表面波传感网络(1)，声表面波传感网络(1)利用射频识别与信号读写器(2)连接，信号读写器(2)通过无线网络与主机监控系统(3)连接。

2.根据权利要求1所述的基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置，其特征在于，所述声表面波传感网络(1)包括振动传感器(9)和温度传感器(8)，振动传感器(9)通过卡扣靠近每个车轴(4)两端的车轮(6)固定，温度传感器(8)通过卡扣固定在每个车轴(4)两端的轴颈及每个车轴(4)的中心处。

3.根据权利要求2所述的基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置，其特征在于，所述振动传感器(9)包括第一压电基片(13)，第一压电基片(13)上嵌有第一叉指换能器(12)，第一叉指换能器(12)的两端依次对称设置有第一反射栅(11)、第一吸声材料(10)，第一叉指换能器(12)还连接有第一阻抗匹配网络(14)，第一阻抗匹配网络(14)与第一天线(15)连接，第一压电基片(13)采用YX切石英晶体。

4.根据权利要求2所述的基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置，其特征在于，所述温度传感器(8)包括第二压电基片(41)，第二压电基片(41)上嵌有第二叉指换能器(40)，第二叉指换能器(40)的两端依次对称设置有第二反射栅(39)、第二吸声材料(38)，第二叉指换能器(40)还连接有第二阻抗匹配网络(42)，第二阻抗匹配网络(42)与第二天线(43)连接，第二压电基片(41)采用YX切LiNbO₃晶体。

5.根据权利要求1所述的基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置，其特征在于，所述信号读写器(2)包括第一控制器(24)，第一控制器(24)分别连接有激励信号发生器(18)、A/D采样电路(29)、第一ZigBee模块(17)，激励信号发生器(18)上依次连接有阻抗匹配电路(19)、第一带通滤波电路(20)、射频功率放大电路(21)、收发开关(22)、第三天线(23)；A/D采样电路(29)上依次连接有基带放大电路(28)、混频器(27)、第二带通滤波电路(26)、调理放大电路(25)，调理放大电路(25)与收发开关(22)连接，混频器(27)与激励信号发生器(18)连接。

6.根据权利要求5所述的基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置，其特征在于，所述第一控制器(24)上还连接有环境温度检测电路(16)。

7.根据权利要求5所述的基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置，其特征在于，所述第一控制器(24)上还连接有蓄电池模块(30)。

8.根据权利要求1所述的基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置，其特征在于，所述主机监控系统(3)包括有第二控制器(33)，第二控制器(33)分别连接有电源模块(31)、人机交互界面(32)、语音预警模块(34)、外部EEROM(35)及第二ZigBee模块(37)。

9.根据权利要求8所述的基于无线无源传感器的列车车轴状态监测装置，其特征在于，所述第二控制器(33)上还连接有全网通无线通信模块(36)。