本发明涉及能源技术领域，具体而言，涉及一种电磁式振动换能装置、传感装置及轨道状态监测系统。
背景技术：
铁路作为现有主要的交通运输方式，在国民生活中发挥着不可或缺的作用。铁路运营速度不断提高，路网规模不断增大，如何在不影响铁路正常运营的条件下对轨道结构等基础设施进行快速有效的维护管理是铁路管理者需要面对的巨大挑战。基于传感器、通信、数据存储、数据挖掘等技术的轨道结构健康状态监测系统的应用可以帮助运营者系统地掌握辖区内铁路轨道结构的服役状态，合理做出维护决策，避免事故发生，提高管理效率。
轨道结构健康状态无线监测系统对于能源供给提出了更高的要求。例如在数据采集、发送、中继及接收过程均需消耗能源，通常监测系统的能量需求可以通过现场的外接工作电源满足。但在一些偏远区域，外接工作电源短缺，人员到达困难，为这些区域轨道结构健康状态无线监测系统的搭建带来了困难。电池供电是目前普遍采用的解决方案，但电池容量有限，电池电量用尽意味着传感节点寿命的结束，这为轨道结构全生命周期的健康监测的实现带来了挑战。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种电磁式振动换能装置、传感装置及轨道状态监测系统，以能够改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种电磁式振动换能装置，所述电磁式振动换能装置包括：线圈、中空本体、第一磁体、第二磁体、第三磁体。所述线圈延所述中空本体的轴向方向套设于所述中空本体上。所述中空本体的一端设置有所述第一磁体，另一端设置有所述第二磁体。在所述第一磁体和所述第二磁体的排斥力作用下，所述第三磁体悬浮于所述中空本体的内部。当所述电磁式振动换能装置振动时，所述第三磁体产生与所述第一磁体、所述第二磁体的相对振动，从而所述线圈产生感应电流。
在本发明较佳的实施例中，上述电磁式振动换能装置还包括第一挡盖板和第二挡盖板。所述第一挡盖板与所述第一磁体固定连接。所述第二挡盖板与所述第二磁体固定连接。
在本发明较佳的实施例中，上述第一挡盖板和所述第二挡盖板由金属或工程塑料材质制成。
在本发明较佳的实施例中，上述电磁式振动换能装置还包括支撑组件。所述支撑组件与所述中空本体连接。
在本发明较佳的实施例中，上述支撑组件包括基座和连接件。所述中空本体设置于所述基座上。所述连接件的一端与所述基座连接，另一端用于与轨道的轨底连接。
第二方面，本发明实施例提供了一种传感装置，所述传感装置包括处理器、传感器模块、通信模块、电源模块和上述的电磁式振动换能装置。所述处理器分别与所述传感器模块、所述通信模块、所述电源模块电连接。所述电源模块分别与所述传感器模块、所述通信模块、所述电磁式振动换能装置电连接。所述电源模块用于获取所述电磁式振动换能装置产生的感应电流为所述传感装置提供电源。所述传感器模块用于采集数据并发送给所述处理器。所述处理器用于对接收到的所述传感器模块采取的数据进行处理并发送给所述通信模块。所述通信模块用于将接收到的数据发送给服务器。
在本发明较佳的实施例中，上述传感装置还包括外壳。所述处理器、传感器模块、通信模块均设置在所述外壳内。
在本发明较佳的实施例中，上述通信模块包括无线通信模块和第一天线。所述无线通信模块分别与所述处理器、所述电源模块电连接。所述无线通信模块设置在所述外壳内。所述外壳的第一表面设置有第一通孔。所述第一天线的一端与所述无线通信模块电连接，另一端穿过所述第一通孔延伸于所述外壳外。
在本发明较佳的实施例中，上述传感器模块包括温湿度传感器和三轴加速度传感器。所述处理器分别与所述温湿度传感器、所述三轴加速度传感器电连接。
第三方面，本发明实施例提供了一种轨道状态监测系统，所述系统包括上述的传感装置、协调器模块和服务器。所述协调器模块分别与所述传感装置、所述服务器通过网络连接。所述传感装置用于采集轨道状态数据并发送给所述协调器模块。所述协调器模块用于将接收到的轨道状态数据发送给所述服务器。
本发明实施例提供的一种电磁式振动换能装置、传感装置及轨道状态监测系统，所述电磁式振动换能装置包括：线圈、中空本体、第一磁体、第二磁体、第三磁体。所述线圈延所述中空本体的轴向方向套设于所述中空本体上。所述中空本体的一端设置有所述第一磁体，另一端设置有所述第二磁体。在所述第一磁体和所述第二磁体的排斥力作用下，所述第三磁体悬浮于所述中空本体的内部。当所述电磁式振动换能装置振动时，所述第三磁体产生与所述第一磁体、所述第二磁体的相对振动，从而所述线圈产生感应电流，以通过基于电磁感应定律，将振动动能转换为电能，实现自主供电。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的电磁式振动换能装置的结构图；
图2为本发明第一实施例提供的电磁式振动换能装置的剖视图；
图3为本发明第二实施例提供的传感装置的结构框图；
图4为本发明第二实施例提供的传感装置中的传感器的型号信息示意图；
图5为本发明第二实施例提供的传感装置的结构图；
图6为本发明第三实施例提供的轨道状态监测系统的结构框图；
图7为本发明第三实施例提供的轨道状态监测系统中的协调器的结构图。
图中：100-电磁式振动换能装置；110-线圈；120-中空本体；120a-第一盖板；120b-第二盖板；121-第一挡盖板；121a-第一螺栓；122-第二挡盖板；130-第一磁体；140-第二磁体；150-第三磁体；160-基座；160a-第二螺栓；161-连接件；161a-第三螺栓；200-传感装置；210-处理器；220-传感器模块；230-通信模块；231-无线通信模块；232-第一天线；240-电源模块；250-外壳；251-第一表面；251a-第一通孔；252-第四螺栓；253-第二表面；253a-第五螺栓；260-连接夹；261-第六螺栓；300-系统；310-协调器模块；311-协调器；311a-保护外壳；311b-第三表面；311c-第二通孔；311d-第七螺栓；311e-第二天线；320-服务器；330-网络。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“垂直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“垂直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“垂直”仅仅是指其方向相对“水平”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第一实施例
请结合参阅图1和图2，本实施例提供了一种所述电磁式振动换能装置100，其包括：线圈110、中空本体120、第一磁体130、第二磁体140、第三磁体150。所述线圈110延所述中空本体120的轴向方向套设于所述中空本体120上。所述中空本体120的一端设置有所述第一磁体130，另一端设置有所述第二磁体140。在所述第一磁体130和所述第二磁体140的排斥力作用下，所述第三磁体150悬浮于所述中空本体120的内部。当所述电磁式振动换能装置100振动时，所述第三磁体150产生与所述第一磁体130、所述第二磁体140的相对振动，从而所述线圈110产生感应电流。
需要说明的是，将所述电磁式振动换能装置100放置于铁路的轨道下，列车经过时，引起轨道振动，从而引起电磁式振动换能装置100上下振动。
所述线圈110可以为铜线圈。优选地，所述中空本体120的横截面呈“工”字型。所述中空本体120延轴向方向的一端设置有第一盖板120a，另一端设置有第二盖板120b，以封闭所述中空本体120的两端。第一盖板120a靠近中空本体120内的中心设置有所述第一磁体130。第二盖板120b远离中空本体120的中心设置有所述第二磁体140。
为了保证所述第一磁体130和第二磁体140不发生相对振动，电磁式振动换能装置100还包括第一挡盖板121和第二挡盖板122。所述第一挡盖板121与所述第一磁体130固定连接。所述第二挡盖板122与所述第二磁体140固定连接。作为一种实施方式，所述第一挡盖板121与所述第一磁体130通过第一螺栓121a固定连接。同理，所述第二挡盖板122与所述第二磁体140通过螺栓固定连接。
优选地，所述第一挡盖板121和所述第二挡盖板122均由金属或工程塑料材质制成。例如，第一挡盖板121可以为但不限于铝盖板、钢材盖板、铜盖板或工程塑料盖板；第二挡盖板122可以为但不限于铝盖板、钢材盖板、铜盖板或工程塑料盖板。
为了便于与轨道连接，所述电磁式振动换能装置100还包括支撑组件。所述支撑组件与所述中空本体120连接。支撑组件包括基座160和连接件161。所述中空本体120设置于所述基座160上。作为一种实施方式，所述中空本体120的第二盖板120b通过第二螺栓160a穿过所述基座160与所述第二挡盖板122连接。所述连接件161的一端与所述基座160连接，另一端用于与轨道的轨底连接。所述连接件161的另一端用于通过第三螺栓161a与轨道的轨底连接。所述电磁式振动换能装置100通过所述连接件161固定于轨道的轨底。连接件161的内部曲面设计为可以兼容50kg/m、60kg/m和75kg/m三种规格的国标钢轨。能量捕获技术就是利用换能装置将周围环境中的能量转换为电能，持续为用电设备供能。
此外，在铁路领域，周围环境中可利用的能量形式有太阳能、列车风能、机械振动能、声能等，其中列车通过时轨道结构机械振动具有较高的能量密度，开发利用性能较好。对轨道振动能量的开发不仅可以解决铁路轨道结构健康监测系统的供能问题，通过合理设计还可以起到减振降噪效果，降低轨道振动对周围环境影响，促进可持续发展。
在铁路领域为实现能量捕获三种常用的机电转换原理有：1)静电式；2)压电式；3)电磁式。静电式换能装置依赖于具备稳定的电荷保持能力驻极体材料，如cytop、teflonaf等，通常发电量较小，成本较高，多用于高精密的mems(微电子机械系统)领域。压电式换能原理利用压电材料的特自身的压电特性将机械能转化为电能，压电材料作为一种智能材料在传感领域应用较多，但在发电领域应用较少，主要原因是内阻较大，响应频带较窄且主要集中在高频范围，发电效率不高。电磁感应式是目前最常用的机电转换原理，它主要基于法拉第电磁感应定律将机械能转换为电能。由轮轨激励引起轨道结构机械振动主频位于低频范围，电磁式机电换能装置在低频范围时可以输出较大功率，因此在轨道振动发电领域，电磁式换能技术具有较好的应用前景。
本实施例提供的一种电磁式振动换能装置100的工作原理如下：
当轨道振动时，激励电磁式振动换能装置100上下振动时，所述第三磁体150产生与所述第一磁体130、所述第二磁体140的相对振动，引起线圈110内部磁通量的变化，从而所述线圈110产生感应电流，以通过基于电磁感应定律，将振动动能转换为电能，实现自主供电。
本实施例提供的一种电磁式振动换能装置100，其包括：线圈110、中空本体120、第一磁体130、第二磁体140、第三磁体150。所述线圈110延所述中空本体120的轴向方向套设于所述中空本体120上。所述中空本体120的一端设置有所述第一磁体130，另一端设置有所述第二磁体140。在所述第一磁体130和所述第二磁体140的排斥力作用下，所述第三磁体150悬浮于所述中空本体120的内部。当所述电磁式振动换能装置100振动时，所述第三磁体150产生与所述第一磁体130、所述第二磁体140的相对振动，从而所述线圈110产生感应电流，以通过基于电磁感应定律，将振动动能转换为电能，实现自主供电。
第二实施例
请参阅图3，本实施例提供了一种传感装置200，所述传感装置200包括处理器210、传感器模块220、通信模块230、电源模块240和上述的电磁式振动换能装置100。所述处理器210分别与所述传感器模块220、所述通信模块230、所述电源模块240电连接。所述电源模块240分别与所述传感器模块220、所述通信模块230、所述电磁式振动换能装置100电连接。所述电源模块240用于获取所述电磁式振动换能装置100产生的感应电流为所述传感装置200提供电源。所述传感器模块220用于采集数据并发送给所述处理器210。所述处理器210用于对接收到的所述传感器模块220采取的数据进行处理并发送给所述通信模块230。所述通信模块230用于将接收到的数据发送给服务器。
作为一种实施方式，处理器210可以为8051芯片。
作为一种实施方式，所述传感器模块220包括温湿度传感器和三轴加速度传感器。所述处理器210分别与所述温湿度传感器、所述三轴加速度传感器电连接。温湿度传感器用于采集轨道周围环境的温度、湿度信息，三轴加速度传感器用于采集列车经过时，轨道振动的加速度信息，在本实施例中，各传感器的型号详细信息如图4所示。
请结合参阅图3和图5，所述传感装置200还包括外壳250。所述外壳250呈长方体。所述处理器210、传感器模块220、通信模块230均设置在所述外壳250内。作为一种实施方式，所述通信模块230包括无线通信模块231和第一天线232。所述无线通信模块231分别与所述处理器210、所述电源模块240电连接。所述无线通信模块231设置在所述外壳250内。所述外壳250的第一表面251设置有第一通孔251a。所述第一天线232的一端与所述无线通信模块231电连接，另一端穿过所述第一通孔251a延伸于所述外壳250外。
所述外壳250的第一表面251通过多个第四螺栓252与其他接触的表面连接，所述多个第四螺栓252可以为4个第四螺栓252。
为了便于和轨道连接，所述传感装置200还包括连接夹260。所述连接夹260的一端与所述第一表面251垂直连接延伸的第二表面253通过第五螺栓253a连接，另一端用于通过第六螺栓261与轨道的轨底连接。
在轨道结构健康状态监测系统搭建过程中采用无线传输模式相比于有线模式更具优势。有线传感网络需要将数据线、电力线等外部线路连接至每一个传感节点，技术复杂度较低，调相对简单。但有线传输会带来一些问题：(1)铁路轨道属于长大线形构筑物，健康状态监测系统的设计多采用分布式结构，由于需要将各传感节点通过线路连接，线路建设投资将会推高系统建设成本；(2)采用有线连接会使得大量线路以及连接接头暴露在环境中，极易受到现场条件的影响，降低了系统可靠性；(3)现场布线不得对列车运行安全构成威胁，同时也不能破坏现有轨道结构，这增加了现场布线的难度。无线数据传输模式可以节省线路建设投资，减少中间节点，提高系统可靠性，避免现场布线带来的麻烦。基于无线数据传输的轨道结构健康状态监测系统能够更好地满足铁路管理者的需求。
无线通信技术是轨道结构健康状态无线监测系统的重要组成部分，它的主要功能是实现传感器节点之间以及传感器与数据处理中心之间的数据通信。在本实施例中，无线通信模块231可以是基于gprs、wi-fi、zigbee、irda、bluetooth、或nb-iot等技术。
zigbee是基于ieee802.15.4标准的低功耗、个人局域网协议的一种短距离、低功耗的无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。zigbee具有大规模组网能力，最多可容纳65000个节点，自组网功能增加了网络的强壮性，zigbee节点在不需要通信时可以进入低功耗休眠状态，在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持一个节点工作6-24个月，甚至更长。zigbee能耗较低，可以很好地与轨道振动能量捕获系统的功率输出相匹配，数据传输速率能够基本满足轨道结构健康状态监测需求，所以zigbee无线局域网络可以很好地应用于轨道结构健康状态无线监测领域。
优选地，所述无线通信模块231可以是基于zigbee技术，例如可以为cc2530(德州仪器)芯片。
电源模块240包括电池和斩波电路。所述斩波电路也称为直流-直流变换器(dc/dc-converter)。所述斩波电路分别与所述电磁式振动换能装置100的线圈110、所述电池电连接。所述电池分别与所述处理器210、所述传感器模块220、无线通信模块231电连接。所述电池可以为可充电电池。所述电磁式振动换能装置100产生的交流电由线圈110输出至斩波电路。所述斩波电路用于将所述电磁式振动换能装置100输出的交流电转变为3.3v或5v直流电，并供给所述可充电电池。所述斩波电路可以包括b6285a芯片。所述斩波电路还可以包括4个整流二极管、滤波电容、外围电路、电容器件若干。当无列车通过时，可充电电池为传感装置200供电；当列车经过时，电磁式振动换能装置100产生的交流电并经过斩波电路向可充电电池充电。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的传感装置200的具体工作过程，可以参考前述电磁式振动换能装置100实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本实施例提供的一种传感装置200，所述传感装置200包括处理器210、传感器模块220、通信模块230、电源模块240和上述的电磁式振动换能装置100。所述处理器210分别与所述传感器模块220、所述通信模块230、所述电源模块240电连接。所述电源模块240分别与所述传感器模块220、所述通信模块230、所述电磁式振动换能装置100电连接。所述电源模块240用于获取所述电磁式振动换能装置100产生的感应电流为所述传感装置200提供电源。所述传感器模块220用于采集数据并发送给所述处理器210。所述处理器210用于对接收到的所述传感器模块220采取的数据进行处理并发送给所述通信模块230。所述通信模块230用于将接收到的数据发送给服务器。以此利用电磁式振动换能装置100供能，不依赖外部电源，不需现场布线，实现传感装置200的自主供能，实现监测数据的无线传输，成本低。
第三实施例
请参阅图6，本实施例提供了一种轨道状态监测系统300，所述系统300包括上述的传感装置200、协调器模块310和服务器320。所述协调器模块310分别与所述传感装置200、所述服务器320通过网络330连接。所述传感装置200用于采集轨道状态数据并发送给所述协调器模块310。轨道状态数据可以包括轨道周围的温度、湿度等信息。所述协调器模块310用于将接收到的轨道状态数据发送给所述服务器320。
作为一种实施方式，所述协调器模块310包括多个协调器311。可以理解的是，所述协调器311可以包括微处理器和与所述微处理器电连接的通信模块。请参阅图7，所述通信模块可以包括zigbee无线通信模块和与zigbee无线通信模块电连接的第二天线311e。请参阅图7，所述协调器311还可以包括保护外壳311a。所述zigbee无线通信模块设置在所述保护外壳311a内。所述保护外壳311a的第三表面311b设置有第二通孔311c。所述第二天线311e的一端与所述zigbee无线通信模块电连接，另一端穿过所述第二通孔311c延伸于所述保护外壳311a外。所述保护外壳311a的第三表面311b通过多个第七螺栓311d与其他接触的表面连接，所述多个第七螺栓311d可以为4个第七螺栓311d。
可以理解的是，所述zigbee无线通信模块也可以替换为wifi、nb-iot、gprs或4glte通信模块。
服务器320可以为计算机或云服务器。
本实施例提供的一种轨道状态监测系统300的工作原理如下：
传感装置200将采集的轨道状态数据发送给协调器模块310，采集的轨道状态数据经过多个协调器311层层传输，最后传输至服务器320，由服务器320进行存储和分析，进而实现轨道健康状态的实时监测。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的轨道状态监测系统300的具体工作过程，可以参考前述电磁式振动换能装置100、传感装置200实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本发明实施例提供的一种轨道状态监测系统300，所述系统300包括上述的传感装置200、协调器模块310和服务器320。所述协调器模块310分别与所述传感装置200、所述服务器320通过网络330连接。所述传感装置200用于采集轨道状态数据并发送给所述协调器模块310。所述协调器模块310用于将接收到的轨道状态数据发送给所述服务器320。以此实现轨道健康状态的实时监测。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。