基于SAW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saw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saw谐振的旋转部件健康监测系统及机车，该基于saw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。

本实用新型提供了一种基于saw谐振的旋转部件健康监测系统，包括基于saw谐振的无线无源传感器、信号收发模块及控制器，所述基于saw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saw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saw谐振的无线无源传感器发射激励信号，以及接收所述基于saw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saw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saw谐振的无线无源传感器发射激励信号，以及接收所述基于saw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saw谐振的无线无源传感器包括saw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saw谐振传感器本体外。

进一步地，所述基于saw谐振的无线无源传感器呈筒状或片状设置。

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

进一步地，所述基于saw谐振的无线无源传感器包括所述saw谐振温度传感器和/或所述saw谐振应变传感器，所述saw谐振温度传感器及所述saw谐振应变传感器均包括第一基板、第一叉指换能器、第一反射栅及第二收发天线，所述第一叉指换能器及所述第一反射栅设置于所述第一基板上，所述第二收发天线与所述第一叉指换能器相连。

进一步地，所述基于saw谐振的无线无源传感器包括所述saw谐振加速度传感器，所述saw谐振加速度传感器包括支撑座、第二基体、第二叉指换能器、第二反射栅、第三收发天线及质量块，所述支撑座设置于所述旋转部件上，所述第二基体的一端固定于所述支撑座上，另一端悬空设置，所述质量块设置于所述第二基体的悬空端上，所述第二叉指换能器及所述第二反射栅形成于所述第二基体上，所述第三收发天线与所述第二叉指换能器相连。

进一步地，所述saw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saw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saw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。

进一步地，所述基于saw谐振的旋转部件健康监测系统还包括固定盒体，所述固定盒体固定于车厢底部，所述信号调理电路、所述mcu、所述a/d转换器及所述数据接口设置于所述固定盒体内。

本实用新型还提供了一种机车，包括上述的基于saw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saw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saw谐振的无线无源传感器发射激励信号，以及接收基于saw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saw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saw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磁致伸缩的无线无源传感器，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saw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saw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。

图3所示为图1中基于saw谐振的无线无源传感器的结构示意图。

图4所示为图1中saw谐振温度传感器及saw谐振应变传感器的结构示意图。

图5所示为图1中saw谐振加速度传感器的结构示意图。

图6所示为本实用新型第二实施例中基于saw谐振的无线无源传感器的结构示意图。

图7所示为本实用新型第三实施例中基于saw谐振的机车旋转部件健康监测系统安装于旋转部件上的结构示意图。

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saw(surface-acoustic-wave)谐振的旋转部件健康监测系统及机车，该基于saw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saw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saw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saw谐振的旋转部件健康监测系统包括基于saw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saw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saw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谐振频率信号，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或者车床的固定部(图未示)上，信号收发模块20与基于saw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saw谐振的无线无源传感器10发射激励信号，以及接收基于saw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saw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saw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saw谐振的无线无源传感器10发射激励信号，基于saw谐振的无线无源传感器10会通过压电效应和逆压电效应产生具有一定频率的电磁信号，信号收发模块20接收基于saw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saw谐振的无线无源传感器10返回的电磁信号的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检测信号进行分析，即可得知基于saw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磁致伸缩的无线无源传感器，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。

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、mcu(微控制单元)23、a/d转换器24及数据接口25，第一收发天线21用于向基于saw谐振的无线无源传感器10发射激励信号，以及接收基于saw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的通讯单元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。

图3所示为图1中基于saw谐振的无线无源传感器的结构示意图，如图3所示，基于saw谐振的无线无源传感器10包括saw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saw谐振传感器本体11外，通过保护层12的设置，所述保护层起到封装保护作用，防止saw谐振传感器本体11因弯折而产生损坏，使基于saw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，基于saw谐振的无线无源传感器呈片状。

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

图4所示为图1中saw谐振温度传感器及saw谐振应变传感器的结构示意图，如图4所示，当基于saw谐振的无线无源传感器10为saw谐振温度传感器13时，saw谐振温度传感器13包括第一基板131、第一叉指换能器132、第一反射栅133及第二收发天线134，第一叉指换能器132及第一反射栅133设置于第一基板131上，第二收发天线134与第一叉指换能器132相连，第二收发天线134接收该激励信号，并将其引入第一叉指换能器132，第一叉指换能器132下面的第一基板131的表面及表面附近空间产生交变电场，交变电场经过逆压电效应在第一基板131表面产生相应的弹性应变，从而激发产生声表面波。声表面波沿第一基板131表面向两边传播，经两侧第一反射栅133反射叠加，再经由第一叉指换能器132及收发天线输出。

由于在不同的温度下，声波在第一基板131上的传播特性会有所不同，当第一基板131上的温度改变时，saw谐振温度传感器13返回的电磁信号的频率也会发生变化，控制器根据信号收发模块接收到的含有频率信息的回馈信号，就可以对温度进行监测。

当基于saw谐振的无线无源传感器10为saw谐振应变传感器14时，其结构与saw谐振温度传感器13基本相同，请参见上述的saw谐振温度传感器13在第一基板131发生形变后，被压缩的区域声波速加快，谐振频率增大，而因形变被拉伸的区域波速减小，谐振频率变小。因此，通过对频率的感知，即可对应变的程度进行监测。

图5所示为图1中saw谐振加速度传感器15的结构示意图，如图5所示，当基于saw谐振的无线无源传感器10为saw谐振加速度传感器15时，saw谐振加速度传感器15包括支撑座151、第二基体152、第二叉指换能器153、第二反射栅154、第三收发天线155及质量块156。支撑座151设置于旋转部件上，第二基体152的一端固定于支撑座151上，另一端悬空设置，质量块156设置于第二基体152的悬空端上，也即远离支撑座151的一端上，第二叉指换能器153及第二反射栅154形成于第二基体152上，第三收发天线155与第二叉指换能器153相连。

由于第二基体152的一端固定于支撑座151上，另一端悬空，而在悬空端设置有质量块156，当saw谐振加速度传感器15上被施加有加速度时，质量块156会在加速度的作用下带动第二基体152产生形变弯曲，第二基体152的形变弯曲会造成saw谐振加速度传感器15返回的电磁信号的频率的变化，也即，根据频率信息与加速度之间的相关性，通过对谐振频率的感知，就可以对加速度进行监测。

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，saw谐振温度传感器13的谐振频率在第一频率区间发生变化，saw谐振应变传感器14的谐振频率在第二频率区间发生变化，saw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6所示为本实用新型第二实施例中基于saw谐振的无线无源传感器的结构示意图，如图6所示，在本实用新型的第二实施例中，基于saw谐振的无线无源传感器可以呈圆筒状，并套设于旋转部件外。

图7所示为本实用新型第三实施例中基于saw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6所示，本实用新型第三实施例提供的基于saw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设置于齿轮箱上，以减少与基于saw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等零部件均设置于固定盒体26内，当旋转部件为机车的转轴时，所述固定盒体26可以设置于齿轮箱412上，同样可以设置于车厢底部411上。

需要解释的是，在上述实施例中，描述了基于saw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saw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saw谐振的无线无源传感器10发射激励信号，以及接收基于saw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saw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saw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saw谐振无线无源传感器，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saw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。