基于LC谐振的旋转部件健康监测系统及机车的制作方法

本实用新型涉及旋转部件监测领域，尤其是一种基于lc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。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种基于lc谐振的旋转部件健康监测系统及机车，该基于lc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lc谐振的旋转部件健康监测系统，包括基于lc谐振的无线无源传感器、信号收发模块及控制器，所述基于lc谐振的无线无源传感器设置于的旋转部件上，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lc谐振的无线无源传感器电感耦合，所述信号收发模块用于向所述基于lc谐振的无线无源传感器发射扫频信号，以及接收所述基于lc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lc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，所述基于lc谐振的无线无源传感器包括电容以及电感，所述电容串联电感，所述电容包括与工作参数相关的敏感器件，或者，所述电容连接与工作参数相关的敏感器件。

进一步地，所述信号收发模块包括收发天线、信号调理电路、mcu、a/d转换器及数据接口，所述收发天线用于向所述基于lc谐振的无线无源传感器发射扫频信号，以及接收所述基于lc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lc谐振的无线无源传感器包括lc谐振传感器本体及保护层，所述保护层由柔性材料制成，并包覆于所述lc谐振传感器本体外。

进一步地，所述基于lc谐振的旋转部件健康监测系统还包括隔磁材料层，所述隔磁材料层设置于所述旋转部件上，所述基于lc谐振的无线无源传感器设置于所述隔磁材料层上，隔离所述旋转部件以及基于lc谐振的无线无源传感器。

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

进一步地，所述基于lc谐振的无线无源传感器包括所述lc谐振温度传感器，所述lc谐振温度传感器包括串联成回路的第一电感线圈及第一电容，所述第一电容的两个极板间隔设置，在所述第一电容的两个极板之间设置有第一中间介电层，所述第一中间介电层为由温度敏感的电介电材料形成的第一中间介电层。

进一步地，所述基于lc谐振的无线无源传感器包括所述lc谐振应变传感器，所述lc谐振应变传感器包括串联成回路的第二电感线圈及第二电容，在所述第二电容的两个极板之间还设置有第二介电层，在所述第二介电层中，还形成有空腔，所述空腔与所述第二电容的极板之间还设置有压力敏感薄膜。

进一步地，所述基于lc电路的无线无源传感器包括所述lc谐振加速度传感器，所述lc谐振加速度传感器包括第三电感线圈及第三电容，所述第三电容包括第一极板、第二极板、质量块、第一弹簧、壳体及连接线，所述第一弹簧连接于所述质量块与壳体之间，所述第一极板设置于所述质量块上，所述第二极板固定于所述壳体上，所述第一极板与所述第二极板相对设置，所述第一弹簧的伸缩方向与所述第一极板及所述第二极板的板面所在的平面垂直，在所述第一弹簧的带动下，所述质量块发生运动以改变第一极板与所述第二极板之间的距离，所述连接线连接所述第一极板及所述第二极板，所述第二极板连接第三电感线圈以使所述第三电感线圈及所述第三电容串联成回路。

进一步地，所述第三电容还包括第二弹簧及第三弹簧，所述第二弹簧及第三弹簧的伸缩方向与所述第一极板及所述第二极板的板面所在的平面平行，并分别从所述质量块的两侧连接于所述质量块与所述壳体之间，所述第一极板朝向所述第二极板方向的投影始终位于所述第二极板内。

进一步地，所述基于lc谐振的无线无源传感器包括串联成回路的电感线圈及电容，所述电感线圈呈平面螺旋状布设，所述电容设置于所述平面螺旋状电感线圈的中心处，所述电容的极板所在的平面与所述基于lc谐振的无线无源传感器的延伸方向平行。

进一步地，所述基于lc谐振的无线无源传感器包括串联成回路的电感线圈及电容，当所述基于lc谐振的无线无源传感器呈圆筒状时，所述电感线圈绕设于圆筒状的所述基于lc谐振的无线无源传感器上。

进一步地，所述lc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lc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lc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，包括上述的基于lc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的固定部上，将基于lc谐振的无线无源传感器设置于的旋转部件上，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lc谐振的无线无源传感器发射扫频信号，以及接收基于lc谐振的无线无源传感器反馈的含有频率信息的信号，由于基于lc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lc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的旋转部件上仅设置基于lc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，继而通过工作参数得出旋转部件的健康状态，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lc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lc谐振的旋转部件健康监测系统安装于旋转部上的结构示意图。

图3所示为图1中基于lc谐振的无线无源传感器的结构示意图。

图4所示为图1中基于lc谐振的无线无源传感器传感器的电路示意图。

图5所示为图4中lc回路的俯视结构示意图。

图6所示为图1中lc谐振温度传感器的截面结构示意图。

图7所示为图1中lc谐振应变传感器的截面结构示意图。

图8所示为图1中lc谐振加速度传感器的截面结构示意图。

图9所示为本实用新型第二实施例中基于lc谐振的无线无源传感器的结构示意图。

图10所示为本实用新型第三实施例中基于lc谐振的旋转部件健康监测系统安装于旋转部上的结构示意图。

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lc谐振的旋转部件健康监测系统及机车，该基于lc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。

图1所示为本实用新型第一实施例提供的基于lc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lc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lc谐振的旋转部件健康监测系统包括基于lc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lc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lc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)，用以产生与旋转部件的工作参数相关的谐振频率信号，信号收发模块20设置于的固定部，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lc谐振的无线无源传感器10电感耦合，信号收发模块20用于向基于lc谐振的无线无源传感器10发射扫频信号，以及接收基于lc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lc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lc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lc谐振的无线无源传感器10发射扫频信号，以及接收基于lc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lc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lc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的旋转部件上仅设置基于lc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包括收发天线21、信号调理电路22、mcu(微控制单元)23、a/d转换器24及数据接口25，收发天线21用于向基于lc谐振的无线无源传感器10发射扫频信号，以及接收基于lc谐振的无线无源传感器10反馈的含有频率信息的信号，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，以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，与所述基于lc谐振的无线无源传感器的位置相对应以实现电感耦合。

图3所示为图1中基于lc谐振的无线无源传感器的结构示意图，如图3所示，基于lc谐振的无线无源传感器10包括lc谐振传感器本体11及保护层12，保护层12由柔性材料制成，并包覆于lc谐振传感器本体11外，通过保护层12的设置，所述保护层12起到封装保护作用，防止lc谐振传感器本体11因弯折而产生损坏，使基于lc电路的无线无源传感器具有柔性，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，基于lc谐振的无线无源传感器10可以呈片状。

图4所示为图1中基于lc谐振的无线无源传感器传感器的电路示意图，如图4所示，在本实施例中，lc谐振传感器本体11包括电感线圈111及电容112，电感线圈111及电容112串联形成lc回路。收发天线21发射一定频率的扫频信号，当收发天线21发射的频率等于lc回路的谐振频率时，该频率会被吸收，而其它的频率会被反射回收发天线21，收发天线21接收到基于lc电路的无线无源传感器反馈的含有频率信息的回馈信号，控制器30即可从该信号中分析出基于lc电路的无线无源传感器的谐振频率，进一步地，由于基于lc谐振的无线无源传感器10的谐振频率是与旋转部件的工作参数相关的，因此，通过lc回路谐振频率的分析，即可完成旋转部件工作参数的监测。

为了防止旋转部件本身硬磁材料的零部件对各信号的干扰，在本实施例中，该系统还包括隔磁材料层，隔磁材料层(图未示出)设置于的旋转部件上，基于lc谐振的无线无源传感器10设置于隔磁材料层上，所述隔磁材料层将所述的旋转部件与无线无源传感器10隔离。

图5所示为图4中lc回路的俯视结构示意图，如图5所示，电感线圈111呈平面螺旋状布设，电容112设置于平面螺旋状电感线圈111的中心处，电容112的极板所在的平面与基于lc谐振的无线无源传感器10的延伸方向相互平行。当基于lc谐振的无线无源传感器10设置于旋转部件上时，电容112的其中一个极板紧贴旋转部件设置，以便能够更好地对温度进行反应。另外，通过将电感线圈111呈平面螺旋状布设，也可以便于整个基于lc谐振的无线无源传感器10在旋转部件上的布设。

在本实施例中，基于lc电路的无线无源传感器可以为监测旋转部件温度的lc谐振温度传感器13，监测旋转部件应变性能的lc谐振应变传感器14及检测旋转部件加速度的lc谐振加速度传感器15中的一种或多种。

图6所示为图1中lc谐振温度传感器的截面结构示意图。如图6所示，当基于lc谐振的无线无源传感器10为lc谐振温度传感器13时，lc谐振温度传感器13包括串联成回路的第一电感线圈131及第一电容132，第一电容132的两个极板间隔设置，在第一电容132的两个极板间设置有第一中间介电层133，该第一中间介电层133可以为由温度敏感的电介电材料形成的中间介电层133，当旋转部件的温度出现变化时，第一电容132的电容值会出现较大的变化，这就会使lc回路的谐振频率发生变化。

图7所示为图1中lc谐振应变传感器的截面结构示意图，如图7所示，当基于lc电路的无线无源传感器为lc谐振应变传感器14时，lc谐振应变传感器14的结构与lc谐振温度传感器基本相同，其包括串联成回路的第二电感线圈141及第二电容142，在第二电容142的两个极板之间设置有第二介电层145，在第二介电层145中，相对于第二电容142的极板的位置，还设置有空腔143，在空腔143与第二电容142的极板之间还设置有压力敏感薄膜144，当外界的压力发生变化时，压力敏感薄膜144的形状也发生变化，这会造成电容值的变化，lc谐振应变传感器14的lc回路的谐振频率同样也会随之改变。

图8所示为图1中lc谐振加速度传感器的截面结构示意图，如图8所示，当基于lc电路的无线无源传感器为lc谐振加速度传感器15时，lc谐振加速度传感器15包括第三电感线圈151及第三电容152，第三电容152包括第一极板1521、第二极板1522、质量块1523、第一弹簧1524、第二弹簧1525、第三弹簧1526、连接线1527及壳体1528，第一弹簧1524连接于质量块1523与壳体1528之间，第一极板1521设置于质量块1523上，第二极板1522固定于壳体1528上，第一极板1521与第二极板1522相对设置，第一弹簧1524的伸缩方向与第一极板1521及第二极板1522的板面所在平面垂直，在质量块1523及第一弹簧1524的带动下，第一极板1521与第二极板1522之间的距离可发生变化，连接线1527连接第一极板1521与第二极板1522，第二极板1522连接第三电感线圈151，以使第三电感线圈151与第三电容152串联成回路，第二弹簧1525及第三弹簧1526的延伸方向与第一极板1521及第二极板1522的板面所在的平面平行，并分别从质量块1523的两侧连接于质量块1523与壳体1528之间，以对质量块1523在左右方向的位移进行限定，保证第一极板1521朝向第二极板1522方向的投影始终在第二极板1522内，及保证两者始终处于相对设置的状态。

在本实施例中，当lc谐振加速度传感器15上加载一定的加速度后，质量块1523会在加速度及第一弹簧1524的作用下发生位移，第一极板1521与第二极板1522之间的距离就会发生改变，这样电容值就会改变，lc谐振加速度传感器15的谐振频率就会发生改变。

请继续参阅图8，在本实施例中，第一极板1521为上极板，第一弹簧1524为拉伸弹簧，可以理解地，在其它实施例中，第一极板1521也可以为下极板，此时，第一弹簧1524为压缩弹簧，依靠支撑力，使第一极板1521位于第二极板1522下方。

进一步地，在第一极板1521与第一弹簧1524之间还连通有导电杆1529，连接线1527与第一弹簧1524相连，也即第一极板1521通过导电杆1529、第一弹簧1524及连接线1527与第二极板1522相连。

在上述的三个传感器中，第一电感线圈131、第二电感线圈141及第三电感线圈151均可以呈平面螺旋状布设，第一电容132、第二电容142及第三电容152均设置于各自对应的电感线圈的中心处。

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，lc谐振温度传感器13的谐振频率在第一频率区间发生变化，lc谐振应变传感器14的谐振频率在第二频率区间发生变化，lc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30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9所示为本实用新型第二实施例中基于lc谐振的无线无源传感器的结构示意图，如图9所示，在本实用新型的第二实施例中，基于lc谐振的无线无源传感器10可以呈圆筒状，直接套设于旋转部件上，在此种情况下，电感线圈111也可以直接绕设于圆筒状的基于lc谐振的无线无源传感器10上。可以理解地，即使基于lc谐振的无线无源传感器10呈圆筒状，其电感线圈111仍然也可以设置为平面螺旋状。

图10所示为本实用新型第三实施例中基于lc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9所示，本实用新型的第三实施例提供的基于lc谐振的旋转部件健康监测系统与第一实施例基本相同，其不同之处在于，在本实施例中，信号收发模块20的收发天线41绕设于机车的齿轮箱412上，而信号调理电路22、mcu23、a/d转换器24及数据接口25等零部件设置于位于车厢底部411的固定盒体26内。

在上述实施例中，描述了基于lc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设置于的固定部上，将基于lc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lc谐振的无线无源传感器10发射扫频信号，以及接收基于lc谐振的无线无源传感器10反馈的含有频率信息的信号，由于基于lc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信号进行分析，即可得知基于lc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lc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。

本实用新型还具体提供了一种机车，该机车包括本实用新型提供的基于lc谐振的机车旋转部件的健康监测系统，关于该机车的其它技术特征，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。