CN218381631U - 一种压电振动能量俘获及状态感知的列车无源传感装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种压电振动能量俘获及状态感知的列车无源传感装置，包括：箱体结构，包括箱体底板、集成电路板和金属天线，所述集成电路板内集成有压电能量转化模块、信号采集模块和信号传输模块；所述金属天线与集成电路板相连接；俘能与感知结构，安装在所述箱体结构的内部，所述俘能与感知结构与所述集成电路板相连接；箱盖结构，盖合安装在所述箱体结构上。本实用新型具有俘能与传感一体化、无源信号传输、能量回收效率高等优点。

Description

一种压电振动能量俘获及状态感知的列车无源传感装置

技术领域

本实用新型涉及轨道车辆运行在线监测技术领域，尤其涉及一种压电振动能量俘获及状态感知的列车无源传感装置。

背景技术

对地铁车辆的牵引电机轴承状态检测是车辆维护的重要工作之一。目前，现有的传感装置分为有源和无源两类，有源装置需要由车辆供电，并有着复杂的供电走线，造成了装置维护与更换的困难，而多数无源装置则需要蓄电池供电，蓄电池占用体积大、损耗快的特点造成无源装置的维护成本较高。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种压电振动能量俘获及状态感知的列车无源传感装置。

一种压电振动能量俘获及状态感知的列车无源传感装置，包括：

箱体结构，包括箱体底板、集成电路板和金属天线，所述集成电路板内集成有压电能量转化模块、信号采集模块和信号传输模块；所述金属天线与集成电路板相连接；

俘能与感知结构，安装在所述箱体结构的内部，所述俘能与感知结构与所述集成电路板相连接；

箱盖结构，盖合安装在所述箱体结构上；

其中，俘能与感知结构包括：上下对称设置的上部结构和下部结构，所述上部结构或下部结构包括：

金属基底，所述金属基底具有异形面和平滑面；

多个压电陶瓷，均匀地粘贴在所述金属基底的平滑面中部同一圆周上；

通孔压电陶瓷片，粘贴于金属基底的平滑面中心位置处；

质量块，固定连接在所述金属基底上，且所述质量块贴紧所述压电陶瓷的外表面；

非完美声学黑洞结构，均匀分布在所述金属基底的异形面周向方向上；

多个弧形凹槽，均匀地设置在所述金属基底的平滑面边缘处，所述弧形凹槽内粘贴有质量贴片。

在其中一个实施例中，所述箱体底板沿圆周方向上均匀设有四个沉头孔，且箱体底板的左右两侧设有方形耳板，所述方形耳板上设有通孔，所述箱体底板上所述沉头孔的内侧均匀地设有四个凸台，所述凸台上设有螺纹孔。

在其中一个实施例中，所述压电能量转化模块、信号采集模块分别与所述压电陶瓷和通孔压电陶瓷片相连接，所述信号采集模块与信号传输模块相连接。

在其中一个实施例中，所述箱盖结构包括帽状箱盖，所述帽状箱盖的顶部开设有粘贴塑料圆片的沉头孔，所述帽状箱盖的底面设有密封圈，所述金属天线通过所述塑料圆片发射信号。

在其中一个实施例中，所述金属基底包括：

圆形主体，所述圆形主体的内部中心位置处开设有中心孔；

基底耳板，沿所述圆形主体的外缘周向方向上均匀分布，所述基底耳板的内角与所述圆形主体衔接处呈光滑的圆弧形，所述基底耳板的外角为圆弧角；

两个安装孔，间隔地设置在每个所述基底耳板上，所述安装孔与所述箱体底板固定连接。

在其中一个实施例中，所述非完美声学黑洞结构为平面结构，且所述非完美声学黑洞结构的圆弧状凹陷为锲型边且符合声学黑洞公式。

在其中一个实施例中，所述压电陶瓷的形状为圆形，且所述压电陶瓷的中心位置与所述非完美声学黑洞结构的中心位置相配合。

在其中一个实施例中，所述质量块为圆柱形，且质量块的中心处开设螺纹沉头孔。

在其中一个实施例中，还包括垫片，所述垫片设置在所述耳板和安装螺栓之间。

上述压电振动能量俘获及状态感知的列车无源传感装置，具有以下有益效果：

1、俘能与传感一体化、无源信号传输：本实用新型采用俘能与传感一体化设计和无源信号传输，无需额外的供电设备和复杂的电路走线，降低了安装和维护成本，减小了装置体积，更为轻量便捷。

2、能量回收效率与传感灵敏度高：俘能与感知结构引入声学黑洞理论，将非完美声学黑洞模型运用于发电与传感检测中，将发电与传感检测模块一体化，并让装置在一定频率范围内实现宽频能量回收，相较于传统的均匀板结构有着更高的能量回收效率与传感感知灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的压电振动能量俘获及状态感知的列车无源传感装置的结构示意图；

图2是本实用新型的箱盖的结构示意图；

图3是本实用新型的箱盖的内部结构示意图；

图4是本实用新型的俘能与感知结构的结构示意图；

图5是本实用新型的金属基底的异形面的结构示意图；

图6是本实用新型的金属基底的平滑面的结构示意图；

图7是本实用新型的箱体的结构示意图；

图8是本实用新型的箱体底板的结构示意图；

图9是本实用新型的非完美声学黑洞结构的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

参阅图1-9所示，本实用新型一实施例提供一种压电振动能量俘获及状态感知的列车无源传感装置，包括：

箱体结构，包括箱体底板3-1、集成电路板3-3和金属天线3-2，所述集成电路板3-3内集成有压电能量转化模块、信号采集模块和信号传输模块；所述金属天线3-2与集成电路板3-3相连接；

俘能与感知结构，安装在所述箱体结构的内部，所述俘能与感知结构与所述集成电路板3-3相连接；

箱盖结构，盖合安装在所述箱体结构上；

其中，俘能与感知结构包括：上下对称设置的上部结构和下部结构，所述上部结构或下部结构包括：

金属基底2-8，所述金属基底2-8具有异形面和平滑面；

多个压电陶瓷2-3，均匀地粘贴在所述金属基底2-8的平滑面中部同一圆周上；

通孔压电陶瓷片2-4，粘贴于金属基底2-8的平滑面中心位置处；

质量块2-1，固定连接在所述金属基底2-8上，且所述质量块2-1贴紧所述压电陶瓷2-3的外表面；

非完美声学黑洞结构2-9，均匀分布在所述金属基底2-8的异形面周向方向上；

多个弧形凹槽2-7，均匀地设置在所述金属基底2-8的平滑面边缘处，所述弧形凹槽2-7内粘贴有质量贴片2-5。

本实施例中，通过将通孔压电陶瓷片2-4粘贴于金属基底2-8的平滑面中心处，并分别与四个非完美声学黑洞结构2-9的中心位置配合，兼并俘能与感知功能，质量贴片2-5分别粘贴于平滑面边缘上的四个弧形凹槽2-7中，用以传导振动波和小范围调节结构响应模态，上下两片金属基底2-8通过异形面粘贴连接以提高能量回收效率、传感灵敏度与结构应力极限。

在本实用新型一实施例中，所述箱体底板3-1沿圆周方向上均匀设有四个沉头孔，且箱体底板3-1的左右两侧设有方形耳板，所述方形耳板上设有通孔，所述箱体底板3-1上所述沉头孔的内侧均匀地设有四个凸台，所述凸台上设有螺纹孔。本实施例中，箱体底板3-1在左右方形耳板上开设的通孔用以与列车走行部安装平台连接。凸台上的螺纹孔用于连接俘能与感知结构。

在本实用新型一实施例中，所述压电能量转化模块、信号采集模块分别与所述压电陶瓷2-3和通孔压电陶瓷片2-4相连接，所述信号采集模块与信号传输模块相连接。本实施例中，压电能量转化模块可以为LTC3588芯片，信号采集模块可以为STM32 l 051c8芯片，信号传输模块可以为RA-01芯片。具体地，LTC3588芯片与压电陶瓷2-3连接并收集其输出能量用于集成电路板3-3的供电，STM32 l 051c8芯片收集压电陶瓷2-3和通孔压电陶瓷片2-4输出电压信号，并通过给l ora模块RA-01芯片进行无线通信。

在本实用新型一实施例中，所述箱盖结构包括帽状箱盖1-2，所述帽状箱盖1-2的顶部开设有粘贴塑料圆片1-1的沉头孔1-3，所述帽状箱盖1-2的底面设有密封圈1-4，所述金属天线3-2通过所述塑料圆片1-1发射信号。本实施例中，密封圈1-4紧贴于箱盖1-2的底面，起防尘防水作用。

在本实用新型一实施例中，所述金属基底2-8包括：

圆形主体2-8-1，所述圆形主体2-8-1的内部中心位置处开设有中心孔2-8-2；

基底耳板2-8-3，沿所述圆形主体2-8-1的外缘周向方向上均匀分布，所述基底耳板2-8-3的内角与所述圆形主体2-8-1衔接处呈光滑的圆弧形，所述基底耳板2-8-3的外角为圆弧角；

两个安装孔2-8-4，间隔地设置在每个所述基底耳板2-8-3上，所述安装孔2-8-4与所述箱体底板3-1固定连接，具体地，所述安装孔2-8-4与箱体底板3-1的螺纹孔相对应，通过螺栓穿过所述安装孔2-8-4和螺纹孔，并可将俘能与感知结构和箱体底板3-1固定连接。

在本实用新型一实施例中，所述非完美声学黑洞结构2-9为平面结构，且所述非完美声学黑洞结构2-9的圆弧状凹陷为锲型边且符合声学黑洞公式。

本实施例中，非完美声学黑洞结构2-9和质量贴片2-5的锲型边引用声学黑洞模型公式：h(x)＝εx^m与常量系数计算公式：

其中，h(x)为结构中x位置处的结构厚度，x为为锲形结构边到黑洞区域与均匀区域交界点距离(0≤x≤r_abh)，r_abh为黑洞半径，m为幂指数，ε为常量系数，h为黄铜片厚度，h_t为黑洞中心截断厚度。

由于现有工艺水平的无法实现声学黑洞的要求，故金属基底2-8和质量贴片2-5采用非完美声学黑洞结构2-9，可以在特定的频范围内有效改变振动波的走向，从而实现在高频与低频下同时获得更高的能量汇聚与回收效益，提高传感感知灵敏度。同时更换不同的质量贴片2-5可以在一定范围内调节异形黄铜片的模态响应频率和频宽，实现更高的能量回收效益。

在本实用新型一实施例中，所述压电陶瓷2-3的形状为圆形，且所述压电陶瓷2-3的中心位置与所述非完美声学黑洞结构2-9的中心位置相配合。本实施例中，压电陶瓷2-3粘贴于平滑面上，并分别与四个非完美声学黑洞结构2-9的中心位置配合，兼并发电与传感功能，以实现较高的能量回收效率与故障检测灵敏度。

在本实用新型一实施例中，所述质量块2-1为圆柱形，且质量块2-1的中心处开设螺纹沉头孔2-2。

在本实用新型一实施例中，还包括垫片2-6，所述垫片2-6设置在所述耳板2-8-3和安装螺栓之间。如此，通过垫片2-6可以分散所述耳板2-8-3连接处应力。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种压电振动能量俘获及状态感知的列车无源传感装置，其特征在于，包括：

箱体结构，包括箱体底板(3-1)、集成电路板(3-3)和金属天线(3-2)，所述集成电路板(3-3)内集成有压电能量转化模块、信号采集模块和信号传输模块；所述金属天线(3-2)与集成电路板(3-3)相连接；

俘能与感知结构，安装在所述箱体结构的内部，所述俘能与感知结构与所述集成电路板(3-3)相连接；

箱盖结构，盖合安装在所述箱体结构上；

其中，俘能与感知结构包括：上下对称设置的上部结构和下部结构，所述上部结构或下部结构包括：

金属基底(2-8)，所述金属基底(2-8)具有异形面和平滑面；

多个压电陶瓷(2-3)，均匀地粘贴在所述金属基底(2-8)的平滑面中部同一圆周上；

通孔压电陶瓷片(2-4)，粘贴于金属基底(2-8)的平滑面中心位置处；

质量块(2-1)，固定连接在所述金属基底(2-8)上，且所述质量块(2-1)贴紧所述压电陶瓷(2-3)的外表面；

非完美声学黑洞结构(2-9)，均匀分布在所述金属基底(2-8)的异形面周向方向上；

多个弧形凹槽(2-7)，均匀地设置在所述金属基底(2-8)的平滑面边缘处，所述弧形凹槽(2-7)内粘贴有质量贴片(2-5)。

2.如权利要求1所述的压电振动能量俘获及状态感知的列车无源传感装置，其特征在于，所述箱体底板(3-1)沿圆周方向上均匀设有四个沉头孔，且箱体底板(3-1)的左右两侧设有方形耳板，所述方形耳板上设有通孔，所述箱体底板(3-1)上所述沉头孔的内侧均匀地设有四个凸台，所述凸台上设有螺纹孔。

3.如权利要求2所述的压电振动能量俘获及状态感知的列车无源传感装置，其特征在于，所述压电能量转化模块、信号采集模块分别与所述压电陶瓷(2-3)和通孔压电陶瓷片(2-4)相连接，所述信号采集模块与信号传输模块相连接。

4.如权利要求3所述的压电振动能量俘获及状态感知的列车无源传感装置，其特征在于，所述箱盖结构包括帽状箱盖(1-2)，所述帽状箱盖(1-2)的顶部开设有粘贴塑料圆片(1-1)的沉头孔(1-3)，所述帽状箱盖(1-2)的底面设有密封圈(1-4)，所述金属天线(3-2)通过所述塑料圆片(1-1)发射信号。

5.如权利要求4所述的压电振动能量俘获及状态感知的列车无源传感装置，其特征在于，所述金属基底(2-8)包括：

圆形主体(2-8-1)，所述圆形主体的内部中心位置处开设有中心孔(2-8-2)；

基底耳板(2-8-3)，沿所述圆形主体(2-8-1)的外缘周向方向上均匀分布，所述基底耳板(2-8-3)的内角与所述圆形主体(2-8-1)衔接处呈光滑的圆弧形，所述基底耳板(2-8-3)的外角为圆弧角；

两个安装孔(2-8-4)，间隔地设置在每个所述基底耳板(2-8-3)上，所述安装孔(2-8-4)与所述箱体底板(3-1)固定连接。

6.如权利要求5所述的压电振动能量俘获及状态感知的列车无源传感装置，其特征在于，所述非完美声学黑洞结构(2-9)为平面结构，且所述非完美声学黑洞结构(2-9)的圆弧状凹陷为锲型边且符合声学黑洞公式。

7.如权利要求6所述的压电振动能量俘获及状态感知的列车无源传感装置，其特征在于，所述压电陶瓷(2-3)的形状为圆形，且所述压电陶瓷(2-3)的中心位置与所述非完美声学黑洞结构(2-9)的中心位置相配合。

8.如权利要求1所述的压电振动能量俘获及状态感知的列车无源传感装置，其特征在于，所述质量块(2-1)为圆柱形，且质量块(2-1)的中心处开设螺纹沉头孔(2-2)。

9.如权利要求5所述的压电振动能量俘获及状态感知的列车无源传感装置，其特征在于，还包括垫片(2-6)，所述垫片(2-6)设置在所述耳板(2-8-3)和安装螺栓之间。

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