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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung und ein Verfahren zum Verwenden der Sensoranordnung.
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Hintergrund
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Sensoren werden üblicherweise verwendet, um physikalische Größen von Interesse für verschiedene Komponenten oder Strukturen zu erfassen und die erfassten Daten auszugeben. Herkömmliche Sensoren müssen die erfassten Daten jedoch in der Regel über Kabel oder Drähte übertragen. Bei einigen Anwendungen, z. B. bei Rädern, Achsen, Lagern und Statoren von Zügen und U-Bahnen, spielen die Schwingungs- und Temperaturdaten eine wichtige Rolle für den Betrieb der Vorrichtung. Aufgrund der begrenzten Platzverhältnisse und der spezifischen Arbeitsbedingungen ist es jedoch in der Regel nicht möglich, über Kabel oder Drähte verbundene Sensoren zum Erfassen solcher Schwingungs- und Temperaturdaten zu verwenden.
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Zusammenfassung
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In Hinblick darauf schlägt die vorliegende Erfindung eine Sensoranordnung vor, die umfasst: ein Gehäuse; einen Sensor, der in dem Gehäuse angeordnet ist; ein leitendes Element, das einen inneren Abschnitt, der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und einen äußeren Abschnitt, der außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, aufweist, wobei der äußere Abschnitt eine physikalische Größe von einer zu erfassenden Komponente empfängt und die physikalische Größe durch den inneren Abschnitt an den Sensor überträgt, so dass der Sensor die physikalische Größe erfasst und ein Erfassungssignal erzeugt; ein drahtloses Kommunikationsmodul, das das Erfassungssignal empfängt und ein Ausgangssignal, das mit dem Erfassungssignal korrespondiert, überträgt.
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Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Verwenden einer Sensoranordnung wie oben bereit, wobei das Verfahren umfasst: direktes oder indirektes starres Verbinden des äußeren Abschnitts des leitenden Elements mit einer Komponente, die in einer Kraftmaschine oder einem Fahrzeug enthalten ist, das sich relativ zum Boden bewegt, und wobei die Komponente als die zu erfassende Komponente verwendet wird.
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Die Sensorkomponente integriert die drahtlose Kommunikationstechnologie, eliminiert die Datenkabel, die von herkömmlichen Sensoren verwendet werden, und kann weithin in Szenerien wie begrenztem verkabeltem Einbauraum, unbequemer Verkabelung und schlechten Arbeitsbedingungen von Zügen und U-Bahnen usw. verwendet werden, und ist für Benutzer bequem, um Sensordaten aus der Ferne über die Cloud zu erhalten.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Explosionsansicht einer Sensoranordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 ist ein schematisches Einbaudiagramm einer Sensoranordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 ist eine Querschnittsansicht einer Sensoranordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 4 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht einer Sensoranordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 5 ist eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die deren typische Anwendung zeigt.
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Detaillierte Ausführungsformen
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Es sollte beachtet werden, dass der Begriff „Verbindung“, wie er hier verwendet wird, sowohl die direkte Verbindung zusammengehöriger Komponenten als auch die indirekte Verbindung zusammengehöriger Komponenten durch Zwischenstrukturen oder - komponenten umfasst.
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Die Erfindung stellt eine Sensoranordnung bereit, wie sie in den 1-4 dargestellt ist, welche umfasst: ein Gehäuse 10; einen im Gehäuse 10 angeordneten Sensor 20; ein leitendes Element 30 mit einem im Gehäuse 10 angeordneten inneren Abschnitt 301 und einem außerhalb des Gehäuses angeordneten äußeren Abschnitt 302. Der äußere Abschnitt 302 empfängt die physikalische Größe von der zu erfassenden Komponente 50 und überträgt die physikalische Größe über den inneren Abschnitt 301 an den Sensor 20, so dass der Sensor 20 die physikalische Größe erfasst und ein Erfassungssignal erzeugt. Die Sensoranordnung umfasst auch ein drahtloses Kommunikationsmodul 40, das das Erfassungssignal empfängt und ein mit dem Erfassungssignal korrespondierendes Ausgangssignal sendet.
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Die Sensoranordnung der vorliegenden Erfindung kombiniert den Sensor mit drahtloser Kommunikationstechnologie und kann die physikalische Größe von Interesse (wie Schwingung, Temperatur und andere physikalische Größe, einschließlich Schall oder dergleichen, die später beschrieben werden) für verschiedene zu erfassende Komponenten erfassen und die Erfassungsergebnisse in einer drahtlosen Art und Weise aussenden, so dass sie von entfernten Geräten empfangen werden können, wodurch Kabel und dergleichen vermieden werden, die von herkömmlichen Sensoren zur Übertragung der Erfassungsergebnisse benötigt werden.
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Die Sensoranordnung der vorliegenden Erfindung ist besonders geeignet für die zu erfassende Komponente, die nicht die herkömmlichen Sensoren mit Kabeln und Drähten verwenden kann, insbesondere für Kraftmaschinen oder Fahrzeuge, die sich relativ zum Boden bewegen, wie Züge, U-Bahnen, Bergbaumaschinen und sogar Schiffe.
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Daher wird in der vorliegenden Erfindung auch ein Verfahren zum Verwenden der Sensoranordnung bereitgestellt, das umfasst: direktes oder indirektes starres Verbinden des äußeren Abschnitts des leitenden Elements mit einer Komponente, die in einer Kraftmaschine oder einem Fahrzeug enthalten ist, das sich relativ zum Boden bewegt, und wobei die Komponente als die zu erfassende Komponente verwendet wird.
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Insbesondere bei Fahrzeugen wie Zügen und U-Bahnen umfassen die zu erfassenden Komponenten deren Räder, Achsen, Lager, Statoren und andere zugehörige Komponenten, aber sind nicht darauf beschränkt. In diesem Anwendungsszenario ist es aufgrund der zahlreichen Vorrichtungen und des begrenzten Innenraums in dieser Art von Fahrzeugen oft unmöglich, Sensoren für verwandte Vorrichtungen oder Komponenten anzubringen. Wenn herkömmliche Sensoren, die Daten über Kabel übertragen, eingesetzt werden, gibt es auch Schwierigkeiten bei der Installation, Verdrahtung, Signalerfassung und anderen Aspekten des Sensors, und bringt sogar potenzielle Sicherheitsrisiken mit sich. Wenn der herkömmliche kabelgebundene Schwingungssensor verwendet wird, ist darüber hinaus sogar ein leitender Stab oder ein Kabel erforderlich, der bzw. das sich von den zu erfassenden Komponenten erstreckt, um das Schwingungssignal zu erfassen. Daher bringt der Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung als Ersatz für den konventionellen kabelgebundenen Sensor erhebliche Vorteile mit sich.
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Weiter bevorzugt umfasst die zu erfassende Komponente eine Stelle, an der die physikalische Größe erzeugt wird, und der Teil, an dem der äußere Abschnitt des leitenden Elements direkt oder indirekt starr mit der zu erfassenden Komponente verbunden ist, ist nahe an der Stelle angeordnet, an der die physikalische Größe erzeugt wird. Insbesondere bei Lagern für Züge und U-Bahnen beispielsweise kann die zu erfassende Komponente eine Lageranordnung sein, und die von dem Lager während der Drehung erzeugte Schwingung und/oder Temperatur kann als zu erfassende physikalische Größe verwendet werden. Da die Sensoranordnung nicht direkt am Lager selbst angebracht werden kann, kann die Sensoranordnung am festen Ende der Welle, am Gehäuse, der Abdeckung, der Halterung usw. der Lageranordnung angebracht werden, aber sie sollte so nahe wie möglich an der Komponente (d.h. dem Lager) angebracht werden, die die Quelle der Schwingung und/oder Temperatur ist. Es sollte verstanden werden, dass „nahe (oder so nahe wie möglich)“ hier als sich nahe an oder in der Nähe des Ortes, an dem die physikalische Größe erzeugt wird, befinden verstanden werden kann, sofern der Bauraum, die Installationsmittel, die Installationsbedingungen usw. dies zulassen, so dass der Übertragungspfad der physikalischen Größe so weit wie möglich verkürzt wird, um eine übermäßige Dämpfung (insbesondere des Temperatursignals) zu vermeiden.
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Darüber hinaus kann die zu erfassende Komponente auch die starre Verbindungsstruktur umfassen, die direkt oder indirekt an der zu erfassenden Komponente installiert ist, wie die starre Verbindungsstruktur, die an den Rädern, Achsen, Lagern, Statoren usw. von Zügen und U-Bahnen installiert ist. Diese starre Verbindungsstruktur wird als Medium zur Übertragung der physikalischen Größe von Interesse an die externen Komponenten der Sensoranordnung verwendet und wird daher auch als die zu erfassende Komponente bezeichnet. Daher kann der äußere Abschnitt die physikalische Größe durch eine starre Verbindung mit der zu erfassenden Komponente empfangen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Sensor 20 als ein oder mehrere Sensoren ausgeführt sein. In der in den 1-2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform umfasst der Sensor 20 beispielsweise einen Schwingungssensor 201, der starr mit dem inneren Abschnitt 301 des leitenden Elements 30 verbunden werden kann, und die physikalische Größe umfasst die Schwingung der zu erfassenden Komponente 50. Das heißt, die Schwingung von den zu erfassenden Komponenten 50 wird durch den äußeren Abschnitt 302 und den inneren Abschnitt 301 des leitenden Elements 30 in das Innere der Anordnung übertragen und wird somit durch den Schwingungssensor 201 erfasst. Es sollte verstanden werden, dass der innere Abschnitt 301 des leitenden Elements 30 an jeder geeigneten Position innerhalb des Gehäuses 10 angeordnet sein kann, und der äußere Abschnitt 302 auch an jeder geeigneten Position außerhalb des Gehäuses 10 angeordnet sein kann.
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In der in der Figur dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist der innere Abschnitt 301 entlang einer Seitenwand des Gehäuses 10 angeordnet (oder bildet einen Teil der Seitenwand), so dass Platz für andere Komponenten im Gehäuse 10 eingespart werden kann. Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsformen, die nicht dargestellt sind, kann der innere Abschnitt 301 auch zu dem mittleren Teil des Gehäuses 10 auskragen oder sich erstrecken, um nahe an dem Sensor 20 zu sein. Alternativ kann in einer nicht dargestellten Ausführungsform der innere Abschnitt entlang von mehreren Seitenwänden angeordnet sein (oder einen Teil davon bilden).
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Weiter bevorzugt ist der äußere Abschnitt 302, wie in den 2-3 gezeigt, so vorgesehen, dass er sich von dem inneren Abschnitt 301 an der Seitenwand des Gehäuses 10 entlang der Ebene, in der die Seitenwand liegt, nach außen erstreckt, d.h. er umfasst den ersten äu-ßeren Abschnitt 302-1, der sich entlang der Seite erstreckt. Natürlich kann sich der äußere Abschnitt 302 auch in andere Richtungen erstrecken oder an anderen geeigneten Stellen angeordnet sein. Darüber hinaus kann der äußere Abschnitt 302 weiter einen zweiten äußeren Abschnitt 302-2 umfassen, der sich entlang der Bodenfläche des Gehäuses 10 erstreckt und starr mit der Bodenfläche in Kontakt steht, wodurch die leitende Fläche weiter vergrö-ßert wird und die physikalische Größenübertragung des leitenden Elements verbessert wird.
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Weiter bevorzugt kann der äußere Abschnitt 302 des leitenden Elements 30 eine Struktur oder einen Abschnitt zur starren Verbindung mit der zu erfassenden Komponente 50 durch eine oder mehrere von einer Schraubverbindung, Schnappverbindung, Kleben und Schweißen umfassen. Beispielsweise kann, wie in den 2-3 gezeigt, der erste äußere Abschnitt 302-1 des äußeren Abschnitts 302 weiter ein Loch 302-3 aufweisen, das zur Aufnahme eines Bolzens 303 verwendet wird, und die Sensoranordnung ist starr mit der zu erfassenden Komponente 50 verbunden, indem der Bolzen mit einer Mutter 304 gepaart wird.
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Weiter bevorzugt kann die Sensoranordnung eine starr im Gehäuse 10 untergebrachte Halterung 101 und eine starr an der Halterung angebrachte Hauptplatine 102 (z.B. durch Schweißen, Kleben, Schraubverbindung, Schnappverbindung etc.) umfassen. Der Schwingungssensor 201 kann starr auf der Hauptplatine 102 installiert sein. Daher bilden der innere Abschnitt 301 des leitenden Elements 30, das Gehäuse 10, die Halterung 101 und die Hauptplatine 102 einen Schwingungsübertragungspfad innerhalb des Gehäuses, so dass die Schwingung der zu erfassenden Komponente 50, die vom äußeren Abschnitt 302 des leitenden Elements 30 empfangen wird, über diesen Schwingungsübertragungspfad an den Schwingungssensor 201 übertragen werden kann. Darüber hinaus kann das drahtlose Kommunikationsmodul 40 auf der Hauptplatine 102 angeordnet sein. Vorzugsweise kann das drahtlose Kommunikationsmodul 40 auf verschiedene Weise implementiert sein, wie z.B. als GMS-Modul, CDMA-Modul, 3G/4G/5G-Kommunikationsmodul, WiFi-Modul, etc.
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Es sollte auch verstanden werden, dass gemäß anderen modifizierten Ausführungsformen der Schwingungssensor 201 auf verschiedene Weise in das Gehäuse eingebaut sein kann, z.B. kann er direkt und starr an der Gehäusewand, dem inneren Abschnitt 301 usw. installiert werden, z.B. kann er durch Kleben, Schnappen, Schrauben, Schweißen usw. installiert sein, solange er Schwingungen aufnehmen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Sensoranordnung ferner eine kabellose wiederaufladbare Batterie 60 zur Stromversorgung der elektrischen Vorrichtungen in der Sensoranordnung umfassen, und die Sensoranordnung kann ferner ein kabelloses Lademodul (nicht dargestellt) zum Laden der wiederaufladbaren Batterie 60 umfassen, das Komponenten wie eine kabellose Ladespule umfasst. Das kabellose Lademodul kann beispielsweise auf der ersten Unterplatine 103 getrennt von der Hauptplatine 102 angeordnet sein. Wiederaufladbare Batterien können Strom liefern, um stromverbrauchende Komponenten wie den Schwingungssensor 201 und das drahtlose Kommunikationsmodul 40 mit Energie zu versorgen, was die Betriebszeit der Sensoranordnung erheblich verlängert und das Problem des häufigen Batteriewechsels vermeidet. Natürlich können gemäß den tatsächlichen Bedürfnissen auch Einwegbatterien und kabelgebundene wiederaufladbare Batterien anstelle der oben erwähnten drahtlosen wiederaufladbaren Batterien verwendet werden.
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Weiter bevorzugt umfasst die Sensoranordnung eine Abdeckung 70, die aus nichtmetallischem Material hergestellt und hermetisch mit dem Gehäuse 10 verbunden ist. Die Abdeckung 70 ist beispielsweise aus irgendeinem geeigneten Harz, Kunststoff, Gummiverbundmaterial usw. hergestellt und ist mit dem Gehäuse 10 durch Ultraschallschweißen verbunden, so dass die nichtmetallische Abdeckung es vereinfacht, dass das Signal des drahtlosen Kommunikationsmoduls 40 durchgeht.
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Weiter bevorzugt können das Gehäuse 10 und das leitende Element 30 aus demselben oder aus unterschiedlichen metallischen Materialen hergestellt sein. Wenn die Sensoranordnung beispielsweise einen Schwingungssensor 201 und einen Temperatursensor 202, der später beschrieben wird, umfasst, sollte das leitende Element 30 ein guter Wärmeleiter sein und eine ausreichende Steifigkeit haben, um Schwingungen zu übertragen. Darüber hinaus kann das leitende Element 30 durch irgendein geeignetes Mittel (wie Schraubverbindung, Kleben, Schweißen, Schnappverbindung usw.) starr mit dem Gehäuse 10 verbunden oder integral mit dem Gehäuse 10 gebildet sein. Diese starre Verbindung und die integrale Ausbildung erleichtern die Übertragung der physikalischen Größe von dem zu erfassenden Element in das Innere der Anordnung durch das leitende Element.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die sich auf die 1 und 3-4 bezieht, kann der Sensor ferner einen Temperatursensor 202 umfassen, der an dem inneren Abschnitt 301 des leitenden Elements 30 angebracht ist, um direkt oder indirekt mit dem inneren Abschnitt in Kontakt zu stehen. Daher umfasst die physikalische Größe die Wärme der zu erfassenden Komponente. Der Temperatursensor 202 kann auf dem inneren Abschnitt 301 durch irgendein geeignetes Mittel wie Schraubverbindung, Kleben, Schweißen, Schnappverbindung usw. angebracht sein. Durch die Anbringung am inneren Abschnitt 301 des leitenden Elements 30 wird der Wärmeübertragungspfad verkürzt, so dass die vom Temperatursensor 202 erfasste Temperatur die tatsächliche Temperatur der zu erfassenden Komponente genauer wiedergeben kann.
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Weiter bevorzugt kann der innere Abschnitt 301 des leitenden Elements 30 auch eine Nut 305 zur Aufnahme des Temperatursensors 202 haben. Weiter vorzugsweise kann die Nut 305 mit einer wärmeleitenden Substanz (z. B. wärmeleitender Klebstoff usw.) gefüllt sein, die den Temperatursensor 202 zumindest teilweise umgibt und berührt.
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Weiter bevorzugt kann der Temperatursensor 202 auf der von der oben erwähnten Hauptplatine 102 und der ersten Unterplatine 103 getrennten zweiten Unterplatine 104 installiert sein, und die zweite Unterplatine 104 kann mittels Schraubverbindung, Kleben, Schwei-ßen, Schnappverbindung und dergleichen an dem inneren Abschnitt 301 installiert sein, so dass sich der Temperatursensor 202 in der Nut 305 befindet, wie in 4 gezeigt. Mit dieser Installationsmethode können die Befestigung des Temperatursensors 202 und die Erfassung des Temperatursignals weiter vereinfacht werden. Weiter mit Bezug auf 1 kann die Hauptplatine 102 mit der ersten Unterplatine 103 und der zweiten Unterplatine 104 über ein flexibles Kabel 105 elektrisch verbunden sein.
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Nur der Schwingungssensor und der Temperatursensor werden als Beispiele für Sensoren in der Sensoranordnung verwendet, und im Falle des Schwingungssensors kann der äußere Abschnitt starr mit den zu erfassenden Komponenten verbunden sein, und im Falle des Temperatursensors muss der äußere Abschnitt nicht starr mit den zu erfassenden Komponenten verbunden sein, sondern lediglich eine effektive Wärmeübertragung realisieren. Daher sollte es verstanden werden, dass im Falle der Verwendung anderer Sensoren für andere zu erfassende Komponenten die Verbindung zwischen dem äußeren Abschnitt und der zu erfassenden Komponente gemäß den Bedürfnissen und der tatsächlichen Situation ausgewählt werden kann, solange der äußere Abschnitt die physikalische Größe von der zu erfassenden Komponente effektiv empfangen kann.
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Darüber hinaus kann gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Sensoranordnung weiter einen Schalter, ein Anzeigemittel, eine Steuerschaltung und/oder einen Alarm (nicht dargestellt) umfassen.
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Insbesondere kann der Schalter beispielsweise auf der zweiten Unterplatine 104 installiert sein, die in irgendeiner geeigneten Form implementiert sein kann (z.B. Schalter wie Tasten, Knöpfe, berührungsempfindliche Schalter oder automatische Schalter wie automatische Zeitschalter, usw.), und der Schalter kann verwendet werden, um die Sensoranordnung ein- oder auszuschalten, den Sensor einzustellen/zu kalibrieren, usw.
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Das Anzeigemittel kann beispielsweise auf der zweiten Unterplatine 104 installiert sein, die als LED-Lampe, Bildschirm usw. ausgeführt sein kann, um den Betriebszustand, die Parameter usw. der Sensoranordnung anzuzeigen. In diesem Fall kann die Abdeckung 70 der Sensoranordnung weiter eine Öffnung zum Freilegen des Schalters und/oder des Anzeigemittels aufweisen, und die Öffnung kann durch eine transparente Folie 701 verschlossen werden, um die Beobachtung und Bedienung des Schalters und/oder des Anzeigemittels zu vereinfachen.
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Der Controller kann zum Beispiel auf der Hauptplatine 102 installiert sein, um die Sensordaten zu verarbeiten und andere Komponenten in der Sensoranordnung zu steuern. Wenn beispielsweise die Sensordaten anormal sind, kann der Alarm auf jede geeignete Weise ein Alarmsignal aussenden. Darüber hinaus kann ein Alarm (z. B. eine Alarmlampe oder ein Summer) auf der zweiten Unterplatine 104 installiert sein, und anormale Daten können auch über das drahtlose Kommunikationsmodul 40 gesendet werden.
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Es wird weiter Bezug auf 5 genommen, die eine typische Anwendung der vorliegenden Erfindung zeigt. Insbesondere durch das Einsetzen der Sensoranordnung I gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Erfassungssignal (Schwingung und/oder Temperatur) von dem Lager B durch die Sensoranordnung I erfasst und an die Cloud C durch sein internes drahtloses Kommunikationsmodul übertragen werden (oder kann auch an entfernte Rechenvorrichtungen, wie Server und Datenbanken, gesendet werden), und der Benutzer U kann die Sensordaten von der Cloud C in Echtzeit durch seine eigene stationäre / mobile Vorrichtung überwachen, oder die Sensordaten für die Analyse herunterladen, etc.
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Es sollte verstanden werden, dass, obwohl die vorliegende Erfindung ein Beispiel gibt, dass die Sensoranordnung einen Schwingungssensor und einen Temperatursensor umfasst, gemäß den tatsächlichen Bedürfnissen mehr Sensoren oder mehr Arten von Sensoren zu der Sensoranordnung hinzugefügt werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Daher stellt die Erfindung eine Sensoranordnung bereit, die drahtlose Kommunikationstechnologie integriert, die die Datenkabel, die von herkömmlichen Sensoren verwendet werden, eliminiert, und kann weitgehend auf Szenarien wie begrenzte Installationsräume, unbequeme Verdrahtung, schlechte Arbeitsbedingungen und dergleichen von Zügen, U-Bahn-Züge und dergleichen angewendet werden, um es Benutzern zu erleichtern, aus der Ferne Sensordaten über die Cloud zu erhalten. Mit der kabellosen wiederaufladbaren Batterie kann die Betriebszeit der Sensoranordnung erheblich verlängert werden (z. B. kann die Betriebszeit im Vergleich zur Einwegbatterie von 3 Jahren auf 10 Jahre verlängert werden).
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Die beispielhafte Umsetzung des in dieser Offenbarung vorgeschlagenen Schemas wurde oben mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen im Detail beschrieben. Es kann jedoch von den Fachleuten verstanden werden, dass, ohne von dem Konzept dieser Offenbarung abzuweichen, verschiedene Änderungen und Modifikationen an den oben genannten spezifischen Ausführungsformen gemacht werden können, und verschiedene technische Merkmale und Strukturen, die in dieser Offenbarung vorgeschlagen werden, auf verschiedene Weise kombiniert werden können, ohne den Schutzbereich dieser Offenbarung zu überschreiten, der durch die beigefügten Ansprüche bestimmt wird.
