CN210269200U - 基于微波谐振的旋转部件健康监测系统及机车 - Google Patents

Abstract

基于微波谐振的旋转部件健康监测系统及机车，包括基于微波谐振的无线无源传感器、信号收发模块及控制器，基于微波谐振的无线无源传感器的谐振频率被设置为随着工作参数的变化而变化，基于微波谐振频率的无线无源传感器设置于旋转部件上，信号收发模块设置于固定部上，信号收发模块与基于微波谐振的无线无源传感器电磁耦合，信号收发模块用于向基于微波谐振的无线无源传感器发射扫频信号，以及接收含有频率信息的回馈信号，并将该回馈信号发送至控制器，控制器根据该回馈信号得出基于微波谐振的无线无源传感器的实时谐振频率，继而得出旋转部件的工作参数。该基于微波谐振的健康监测系统能够较为容易地对旋转部件的健康状况进行监测。

Description

基于微波谐振的旋转部件健康监测系统及机车

技术领域

本实用新型涉及领域旋转部件监测领域，尤其是一种基于微波谐振的旋转部件健康监测系统及机车。

背景技术

旋转部件是机械装置中常用的部件，例如电机的转轴、车轮的转轴、齿轮的转轴、可旋转的叶片等，为了更稳定的工作，需要得到旋转部件的健康状态(例如表面应力、温度、加速度)反馈给控制部件，但是由于其工作状态处于一直处于旋转中，旋转部件在旋转中的健康状态的检测成为急需解决的问题。

在车辆“预防周期性维修为主”向“状态维修为主”的维修模式转变大背景下，突破高速机车关键部件健康状态检测、监测与在线故障诊断技术，是提升高速机车安全保障能力的重要途径，是高速机车“状态修”修程修制设计研究的重点内容，也是高速机车智能化与持续发展的技术趋势。

对机车故障特征识别目前主要是基于对关键旋转部件处温度、加速度和应变等的监测和分析实现的。现在对这三个物理量的测量是通过有线传感器进行测量的，具体方式有两种：

(1)直接测量高速旋转部件：将传感器和相应的配套电路以有线方式连接并全部安装在高速旋转部件上，再通过无线传输实现供能和信号通信。该方案对整体电路的尺寸、性能、信号传输稳定性和可靠性提出了较高的要求，提高了设备设计制造的难度，增加了安装及后期的维护的工作量。

(2)将传感器件安装在与目标部件相连接的静态部件上，通过测量静态部件的相关参数实现对关键目标部件的故障特征识别。该监测方案受限于传感器的位置，对于运动部件出现的故障很难进行准确的识别。

以上方案都会增加机车轮轴监测的难度，或者影响获得数据的准确度，影响机车交通的安全。如何通过机车旋转部件的工作状态进行监测，以判断机车旋转部件的工作状态成为行业内的一个难题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种基于微波谐振的旋转部件健康监测系统及机车该基于微波谐振的健康监测系统能够较为容易地对旋转部件的健康状况进行监测。

本实用新型提供了一种基于微波谐振的旋转部件健康监测系统，包括基于微波谐振的无线无源传感器、信号收发模块及控制器，所述基于微波谐振频率的无线无源传感器设置于旋转部件上用于产生与旋转部件的工作参数相关的谐振频率信号，所述信号收发模块设置于固定部上，所述信号收发模块与所述基于微波谐振的无线无源传感器电磁耦合，所述信号收发模块用于向所述基于微波谐振的无线无源传感器发射扫频信号，以及接收所述基于微波谐振的无线无源传感器反馈的含有频率信息的回馈信号，并将该回馈信号发送至所述控制器，所述控制器根据该回馈信号得出基于微波谐振的无线无源传感器的实时谐振频率，根据所述无线无源传感器的实时谐振频率得出所述旋转部件的工作参数。

进一步地，所述信号收发模块包括第一收发天线、信号调理电路、 MCU、A/D转换器及数据接口，所述第一收发天线用于向所述基于微波谐振的无线无源传感器发射扫频信号，以及接收所述基于微波谐振的无线无源传感器反馈的含有频率信息的回馈信号，所述信号调理电路将接到的所述含有频率信息的回馈信号进行滤波调理，所述A/D转换器对所述含有频率信息的回馈信号进行模数转换，然后在所述MCU的控制下，将模数转换后的信号经过数据接口发送至所述控制器。

进一步地，所述基于微波谐振的无线无源传感器包括微波谐振传感器本体及保护层，所述保护层由柔性材料形成，并包覆于所述微波谐振传感器本体外。

进一步地，所述基于微波谐振的无线无源传感器呈片状或圆筒状。

进一步地，所述基于微波谐振的无线无源传感器包括微波谐振温度传感器、微波谐振应变传感器及微波谐振加速度传感器中的一种或多种。

进一步地，所述基于微波谐振的无线无源传感器包括所述微波谐振温度传感器，所述微波谐振温度传感器包括两个第一金属片及夹设于两个第一金属片之间的第一介电层。

进一步地，所述基于微波谐振的无线无源传感器包括所述微波谐振应变传感器，所述微波谐振应变传感器包括两个第二金属片及夹设于两个所述第二金属片之间的第二介电层，在所述第二介电层内还形成有第一空腔，所述第一空腔在所述第二介电层内的位置与所述第二金属片的位置相对应，在第一空腔与其中之一的所述第二金属片之间还设置有压力敏感薄膜。

进一步地，所述基于微波谐振的无线无源传感器包括所述微波谐振加速度传感器，所述微波谐振加速度传感器包括两个第三金属片、第三介电层、弹簧及壳体，两个所述第三金属片固定于所述第三介电层相对的两个侧面上，其中一个所述第三金属片通过所述弹簧与所述壳体相连，所述弹簧的延伸方向与两个所述第三金属片的延伸方向相互垂直，在所述第三介电层内还形成有第二空腔，在所述第二空腔内设置有压力敏感薄膜。

进一步地，所述微波谐振温度传感器的谐振频率被设置为在第一频率区间发生变化，所述微波谐振应变传感器的谐振频率被设置为在第二频率区间发生变化，所述微波谐振加速度传感器的谐振频率被设置为在第三频率区间发生变化，所述第一频率区间、所述第二频率区间及所述第三频率区间不产生交集。

本实用新型还提供了一种机车，包括上述的基于微波谐振的旋转部件健康监测系统。

综上所述，在本实用新型中，通过将信号收发模块设置于固定部上，将基于微波谐振的无线无源传感器设置于旋转部件上，在进行旋转部件工作参数监测时，信号收发模块用于向基于微波谐振的无线无源传感器发射扫频信号，以及接收基于微波谐振的无线无源传感器反馈的含有频率信息的回馈信号，由于基于微波谐振的无线无源传感器的谐振频率会随着旋转部件的工作参数的变化而变化，因此，通过对接收到的含有频率信息的信号进行分析，即可得知基于微波谐振的无线无源传感器的谐振频率，继而得出旋转部件的工作参数。因此，该健康检测系统可以在旋转部件上仅设置基于微波谐振的无线无源传感器，不需要再增加任何零部件，即可得知旋转部件在运动时的工作参数，安装简便、成本低、且检测结果较为准确。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1所示为本实用新型第一实施例提供的基于微波谐振的旋转部件健康监测系统的系统框图。

图2所示为图1中基于微波谐振的旋转部件健康监测系统安装于上的结构示意图。

图3所示为图1中基于微波谐振的无线无源传感器的结构示意图。

图4所示为图1中微波谐振温度传感器的结构示意图。

图5所示为图4中微波谐振温度传感器的截面结构示意图。

图6所示为图1中微波谐振应变传感器的截面结构示意图。

图7所示为图1中微波谐振加速度传感器的截面结构示意图。

图8所示为本实用新型第二实施例提供的基于微波谐振的无线无源传感器的结构示意图。

图9所示为本实用新型第三实施例中基于微波谐振的旋转部件健康监测系统安装于上的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，详细说明如下。

本实用新型提供了一种基于微波谐振的旋转部件健康监测系统及机车，该基于微波谐振的机车健康监测系统能够较为容易地对机车旋转部件的健康状况进行监测。

图1所示为本实用新型第一实施例提供的基于微波谐振的旋转部件健康监测系统的系统框图，图2所示为图1中基于微波谐振的旋转部件健康监测系统安装于旋转部件上的结构示意图。如图1及图2所示，本实用新型提供的基于微波谐振的旋转部件健康监测系统包括基于微波谐振的无线无源传感器10、信号收发模块20和控制器30，基于微波谐振的无线无源传感器10的谐振频率随旋转部件的工作参数的变化而变化，基于微波谐振的无线无源传感器10设置于旋转部件，如机车或车床等设备的转轴421上(在本实用新型的附图说明中，均是以该检测系统安装于机车上为例)，用于产生与旋转部件的工作参数相关的频率信号，信号收发模块20设置于固定部，当旋转部件为机车、机床等设备的转轴时，信号收发模块20设置于如车厢底部411、齿轮箱412或车床的固定部(图未示)上，信号收发模块20与基于微波谐振的无线无源传感器10电磁耦合，信号收发模块20用于向基于微波谐振的无线无源传感器10发射扫频信号，以及接收基于微波谐振的无线无源传感器10 反馈的含有的与旋转部件的工作参数相关的频率信息的回馈信号，并将该回馈信号传递至控制器30，控制器30根据该回馈信号得出基于微波谐振的无线无源传感器10的实时谐振频率，继而得出旋转部件的工作参数，所述工作参数包括轮轨力、车轮多边形磨损、轨道磨耗、齿轮故障等，可以通过测试旋转部件表面应力、温度、加速度等信息获得。通过旋转部件的工作参数，可以较为准确地判断出旋转部件的健康状况。

在本实施例中，通过将信号收发模块20设置于固定部上，将基于微波谐振的无线无源传感器10设置于旋转部件上，在进行旋转部件工作参数监测时，信号收发模块20用于向基于微波谐振的无线无源传感器10发射扫频信号，以及接收基于微波谐振的无线无源传感器10反馈的含有频率信息的回馈信号，由于基于微波谐振的无线无源传感器10 的谐振频率会随着旋转部件的工作参数的变化而变化，因此，通过对接收到的含有频率信息的回馈信号进行分析，即可得知基于微波谐振的无线无源传感器10的谐振频率，继而得出旋转部件的工作参数。因此，该健康检测系统可以在旋转部件上仅设置基于微波谐振的无线无源传感器10，不需要再增加任何零部件，即可得知旋转部件在运动时的工作参数，安装简便、成本低、且检测结果较为准确。

请继续参见图1，在本实施例中，信号收发模块20包括第一收发天线21、信号调理电路22、MCU23(微控制单元，Microcontroller Unit)、 A/D转换器24及数据接口25，第一收发天线21用于向基于微波谐振的无线无源传感器10发射扫频信号，以及接收基于微波谐振的无线无源传感器10反馈的含有频率信息的回馈信号，信号调理电路22用于对接收到的回馈信号进行滤波调理，A/D转换器24对回馈信号进行模数转换，然后在MCU23的控制下将模数转换后的信号经过数据接口25发送至控制器30和通讯单元31，控制器30根据通讯单元31接收到的含有频率信息的回馈信号判断出传感器实时的谐振频率，根据标定的所述谐振频率与所述旋转部件的工作参数的关系，得出旋转部件的工作参数。在本实施例中，上述的信号收发模块20中的各组件均设置于一个固定盒体26内，该固定盒体26设置于车厢底部411。

图3所示为图1中基于微波谐振的无线无源传感器的结构示意图，如图3所示，基于微波谐振的无线无源传感器10包括微波谐振传感器本体11及保护层12，保护层12由柔性材料形成，并包覆于微波谐振传感器本体11外，通过保护层12的设置，一方面能够对微波谐振传感器本体11进行保护，另一方面也能够起到封装保护的作用，防止微波谐振传感器本体11因弯折而产生损坏，使基于微波谐振的无线无源传感器 10具有柔性，且能够沿旋转部件的周向绕设于旋转部件的外圆周上。在本实施例中，该基于微波谐振的无线无源传感器10可以呈片状。

在本实施例中，基于微波谐振的无线无源传感器可以为微波谐振温度传感器13、微波谐振应变传感器14及微波谐振加速度传感器15中的一种或多种。

图4所示为图1中微波谐振温度传感器的结构示意图，图5所示为图4中微波谐振温度传感器的截面结构示意图。如图4及图5所示，当基于微波谐振的无线无源传感器10为微波谐振温度传感器13时，微波谐振温度传感器13包括两个第一金属片131及夹设于两个第一金属片 131之间的第一介电层132。优选地，两个第一金属片131均呈圆形，第一介电层132为圆柱形。在实际工作中，三者可以视为一个圆形谐振腔，谐振腔顶部和底部的两个第一金属片131可以分别代表辐射贴片及金属地，两个第一金属片131之间形成电磁谐振。在两者之间的空间中，可以视为四周为磁壁，上下为电壁的腔体，电场在中心处为零而在边缘处最大。

在进行测量时信号收发模块会发送一定带宽的扫频信号给微波谐振温度传感器13，电磁波在不同介电常数的材料表面发生反射引起内部谐振，扫频信号中与微波谐振温度传感器13谐振频率相同的部分会被引入到微波谐振温度传感器13内部，并逐渐被消耗，其它频率的信号则会被微波谐振温度传感器13返回信号收发模块，接收微波谐振温度传感器13返回的包含频率信息的回馈信号，以及将该回馈信号传递至控制器，控制器检测到反射功率最低点即为微波谐振温度传感器13的谐振频率。

所述第一介电层132为对温度敏感的材料，当传感器尺寸一定时，谐振频率由第一介电层132的介电常数唯一确定。由于在不同温度下第一介电层132的介电常数不同，因此微波谐振腔的谐振频率不同，温度与微波谐振温度传感器13具有相关性。因此，可以通过对微波谐振温度传感器13的谐振频率的测量得出旋转部件的温度。

图6所示为图1中微波谐振应变传感器的截面结构示意图，如图6 所示，当基于微波谐振的无线无源传感器10为微波谐振应变传感器14 时，微波谐振应变传感器14包括两个第二金属片141及夹设于两个第二金属片141之间的第二介电层142，在第二介电层142内形成有第一空腔143，第一空腔143在第二介电层142中的位置与第二金属片141 的位置相对应，在第一空腔143与其中之一的第二金属片141之间还形成有压力敏感薄膜144。当外界压力变化的情况下，压力敏感薄膜144 会发生形变，从而导致整个微波谐振应变传感器14的谐振频率发生变化，也即，谐振频率与应变程度之间存在一定的相关性，通过对微波谐振应变传感器14的谐振频率的感知，就可以对应变情况进行监测。

图7所示为图1中微波谐振加速度传感器15的截面结构示意图，如图7所示，当基于微波谐振的无线无源传感器10为微波谐振加速度传感器15时，微波谐振加速度传感器15包括两个第三金属片151、第三介电层152、弹簧153及壳体154，两个第三金属片151固定于第三介电层152两个相对的侧面上，其中一个第三金属片151通过弹簧153 与壳体154相连，弹簧153的延伸方向与两个第三金属片151的板面的延伸方向垂直，在第三介电层152内还形成有第二空腔155，在第二空腔155内还设置有压力敏感薄膜156。

当微波谐振加速度传感器15上加载一定的加速度后，与弹簧153 相连的第三金属片151在弹簧153的作用下会发生位移，由于金属片是固定于第三介电层152上的，因此，该第三金属片151的位移能够对第二空腔155进行压缩或者拉伸，这会导致整个微波谐振加速度传感器15 的谐振频率发生变化，也即，谐振频率与加速度之间存在一定的相关性，通过对微波谐振加速度传感器15的谐振频率的感知，就可以对旋转部件的加速度进行监测。

当上述三个传感器中同时存在两种或两种以上不同的传感器时，为了防止各类传感器之间信号的相互干扰，在本实施例中，在本实施例中，微波谐振温度传感器13的谐振频率在第一频率区间发生变化，微波谐振应变传感器14的谐振频率在第二频率区间发生变化，微波谐振加速度传感器15的谐振频率在第三频率区间发生变化，第一频率区间、第二频率区间及第三频率区间不产生交集。这样，控制器在判断出传感器的谐振频率后，根据谐振频率所在的区间，继而判断出该谐振频率对应的是何种传感器，以及该频率所代表的旋转部件的健康状况。

图8所示为本实用新型第二实施例提供的基于微波谐振的无线无源传感器的结构示意图，在本实用新型的第二实施例中，基于微波谐振的无线无源传感器10可以呈圆筒状，并套设于旋转部件上。

图9所示为本实用新型第三实施例中基于微波谐振的旋转部件健康监测系统安装于上的结构示意图。如图9所示，本实用新型第三实施例提供的基于微波谐振的旋转部件健康监测系统10与第一实施例基本相同，其不同之处在于，在本实施例汇总，信号收发模块20的第一收发天线21绕设于齿轮箱412上，以减少与基于微波谐振的无线无源传感器10之间的距离，而信号调理电路22、MCU23、A/D转换器24及数据接口25等零部件均设置于齿轮箱412或车厢底部411的固定盒体26内。

在上述实施例中，描述了基于微波谐振的旋转部件的健康监测系统应用于机车上时的情况，但并不以此为限。可以理解地，该健康监测系统还可以应用于机床、滚轴等旋转部件上，并对该旋转部件的健康监测系统进行检测。

综上所述，在本实用新型中，通过将信号收发模块20设置于固定部上，将基于微波谐振的无线无源传感器10设置于旋转部件上，在进行旋转部件工作参数监测时，信号收发模块20用于向基于微波谐振的无线无源传感器10发射扫频信号，以及接收基于微波谐振的无线无源传感器10反馈的含有频率信息的回馈信号，由于基于微波谐振的无线无源传感器10的谐振频率会随着旋转部件的工作参数的变化而变化，因此，通过对接收到的含有频率信息的回馈信号进行分析，即可得知基于微波谐振的无线无源传感器10的谐振频率，继而得出旋转部件的工作参数。因此，该健康检测系统可以在旋转部件上仅设置基于微波谐振的无线无源传感器，不需要再增加任何零部件，即可得知旋转部件在运动时的工作参数，安装简便、成本低、且检测结果较为准确。

本实用新型具体提供了一种机车，该机车包括本实用新型提供的基于微波谐振的机车旋转部件的健康监测系统，关于该其它技术特征，请参见现有技术，在此不再赘述。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于微波谐振的旋转部件健康监测系统，其特征在于：包括基于微波谐振的无线无源传感器、信号收发模块及控制器，所述基于微波谐振的无线无源传感器设置于旋转部件上用于产生与旋转部件的工作参数相关的谐振频率信号，所述信号收发模块设置于固定部上，所述信号收发模块与所述基于微波谐振的无线无源传感器电磁耦合，所述信号收发模块用于向所述基于微波谐振的无线无源传感器发射扫频信号，以及接收所述基于微波谐振的无线无源传感器反馈的含有频率信息的回馈信号，并将该回馈信号发送至所述控制器，所述控制器根据该回馈信号得出基于微波谐振的无线无源传感器的实时谐振频率，根据所述无线无源传感器的实时谐振频率得出所述旋转部件的工作参数。

2.如权利要求1所述的基于微波谐振的旋转部件健康监测系统，其特征在于：所述信号收发模块包括第一收发天线、信号调理电路、MCU、A/D转换器及数据接口，所述第一收发天线用于向所述基于微波谐振的无线无源传感器发射扫频信号，以及接收所述基于微波谐振的无线无源传感器反馈的含有频率信息的回馈信号，所述信号调理电路连接所述第一收发天线将接到的所述含有频率信息的回馈信号进行滤波调理，所述A/D转换器对所述含有频率信息的回馈信号进行模数转换，然后在所述MCU的控制下，将模数转换后的信号经过数据接口发送至所述控制器。

3.如权利要求1所述的基于微波谐振的旋转部件健康监测系统，其特征在于：所述基于微波谐振的无线无源传感器包括微波谐振传感器本体及保护层，所述保护层由柔性材料形成，并包覆于所述微波谐振传感器本体外。

4.如权利要求3所述的基于微波谐振的旋转部件健康监测系统，其特征在于：所述基于微波谐振的无线无源传感器呈片状或圆筒状。

5.如权利要求1所述的基于微波谐振的旋转部件健康监测系统，其特征在于：所述基于微波谐振的无线无源传感器包括微波谐振温度传感器、微波谐振应变传感器及微波谐振加速度传感器中的一种或多种。

6.如权利要求5所述的基于微波谐振的旋转部件健康监测系统，其特征在于：所述基于微波谐振的无线无源传感器包括所述微波谐振温度传感器，所述微波谐振温度传感器包括两个第一金属片及夹设于两个第一金属片之间的第一介电层。

7.如权利要求5所述的基于微波谐振的旋转部件健康监测系统，其特征在于：所述基于微波谐振的无线无源传感器包括所述微波谐振应变传感器，所述微波谐振应变传感器包括两个第二金属片及夹设于两个所述第二金属片之间的第二介电层，在所述第二介电层内还形成有第一空腔，所述第一空腔在所述第二介电层内的位置与所述第二金属片的位置相对应，在第一空腔与其中之一的所述第二金属片之间还设置有压力敏感薄膜。

8.如权利要求5所述的基于微波谐振的旋转部件健康监测系统，其特征在于：所述基于微波谐振的无线无源传感器包括所述微波谐振加速度传感器，所述微波谐振加速度传感器包括两个第三金属片、第三介电层、弹簧及壳体，两个所述第三金属片固定于所述第三介电层相对的两个侧面上，其中一个所述第三金属片通过所述弹簧与所述壳体相连，所述弹簧的延伸方向与两个所述第三金属片的延伸方向相互垂直，在所述第三介电层内还形成有第二空腔，在所述第二空腔内设置有压力敏感薄膜。

9.如权利要求5所述的基于微波谐振的旋转部件健康监测系统，其特征在于：所述微波谐振温度传感器的谐振频率被设置为在第一频率区间发生变化，所述微波谐振应变传感器的谐振频率被设置为在第二频率区间发生变化，所述微波谐振加速度传感器的谐振频率被设置为在第三频率区间发生变化，所述第一频率区间、所述第二频率区间及所述第三频率区间不产生交集。

10.一种机车，其特征在于：包括权利要求1至9中任意一项所述的基于微波谐振的旋转部件健康监测系统。

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