一种电力机车低压柜无线无源温度感知系统的制作方法

本发明主要涉及温度感知技术领域，具体涉及一种电力机车低压柜无线无源温度感知系统。

背景技术：

电气化铁路的牵引动力是电力机车，供电安全一直是机车的消防安全和可靠运行保证，确保供电安全进而确保列车安全稳定运行具有非常重要的现实意义。机车供电电压通常是25kv以上，所需能源由电力牵引供电系统提供，其供能方式采用受电弓从接触网获取电能，再传送到电气系统，牵引列车运行。电力机车电气系统由主传动系统、辅助电气控制系统和控制电路系统组成，其中控制电路即主令电路，司机通过主令电路发出指令间接控制机车主电路及辅助电路，以完成各种工况操作。主令电电路包括110v直流稳压电源、蓄电池组、控制机车不同状态(牵引、制动、向前、向后、加速停车等)以及控制各辅助机械开停和照明工作有关的主令电器、以及各种功能的低压电器及开关。

对控制电路系统设备状态进行及时有效的状态监测，是保证电力机车运行安全的关键环节，其中低压柜柜内温度是非常重要的监测参量之一。电力机车在高速运行过程中，柜内母排节点可能因为松动、老化、电弧冲击等原因造成接触电阻增大，表现出温度升高的现象，进而导致车辆供电系统故障和车辆损坏，甚至可能发生车辆起火的严重事故，造成运营中断，后果非常严重。同时，目前低压柜内没有安装在线温度感知系统，可视化、智能化及大数据化程度不够，其内部温度状态是工作中的一个“盲区”，导致无法进行准确的事故分析，更无法给出准确的事故处理建议。所以，实时在线监测电力机车运行状态下的低压柜温度可以确保车辆运行安全，对于列车安全稳定运行具有重要的现实意义。

目前，国内外温度监测主要有以下几种检测手段：比较传统的方法是示温贴纸和人工测温，但是这种传统方法效率低、且无法实现在线温度监测；另外红外热成像测温是利用热成像原理进行测温，但是检测区域面积有限，只能监测无遮挡、可视范围内的温度；光纤光栅传感测温是利用光栅结构的热胀冷缩原理，进行贴装测温，但需要有线连接，布线复杂，且光纤易折断；有源无线测温通过使用电池对传感器供电进行无线测温，但电池寿命有限，须定期更换电池，且在高电压环境下有漏液、起火甚至爆炸隐患。综述可以看出，目前国内外流行的测温方法很难适应电力机车在高速运行过程中的低压柜强电磁、剧烈振动以及密闭环境，这一研究属国内空白。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高频、高声速、高可靠性的电力机车低压柜无线无源温度感知系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种电力机车低压柜无线无源温度感知系统，包括声表面波温度感知单元、天线单元和采集单元；所述声表面波温度感知单元安装于电力机车低压柜内待测温度处，所述声表面波温度感知单元通过天线单元与所述采集单元相连；所述声表面波温度感知单元包括衬底、压电基片、天线模块、叉指换能器和反射栅；所述压电基片包括声波传导基片和位于所述声波传导基片上的压电薄膜；所述声波传导基片位于所述衬底上，所述天线模块、叉指换能器和反射栅位于所述压电薄膜上。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述声波传导基片包括金刚石薄膜。

所述叉指换能器通过电子束曝光技术制备于所述压电基片上。

所述压电薄膜为聚偏氟乙烯制备而成。

所述压电基片的声波传导基片与衬底之间设有第一温度补偿层，所述压电薄膜上设有第二温度补偿层，且叉指换能器和反射栅均位于压电薄膜与第二温度补偿层之间。

所述第一温度补偿层和第二温度补偿层均为氧化铝。

所述声表面波温度感知单元封装成贴片式结构或者音叉式结构。

所述天线单元呈板状。

所述天线单元对应配置有多个不同谐振频率的声表面波温度感知单元；各所述采集单元组网且均与集中服务器相连。

还包括报警单元，所述报警单元与所述采集单元相连，用于在实时温度或温度变化率超过对应的预设值时进行报警。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明针对电力机车低压柜内强电磁、剧烈振动以及密闭环境，使用无线无源高频声表面波温度感知单元实现柜内在线温度监测功能，相对于其他测温方式，有如下优势特点：无线无源高频声表面波温度感知单元由压电材料构成，不含半导体器件，因此是一种"无芯"的器件，工作温度范围广，适合高铁-40～150℃范围工作；无线无源高频声表面波温度感知单元的内部依靠声波工作，没有电路，不需电池供电，避免了电池高温爆炸和化学泄露等隐患，真正实现无线无源读取，避免了在低压柜内进行复杂布线，且可以贴于母排表面，与半导体技术比较，原理上无阈值电压限制；无线无源高频声表面波温度感知单元的内部没有电路，具有强抗干扰能力，具有优良的抗高压及电磁辐射能力；工作环境取决于压电材料和金属膜的耐受程度，只要选用的材料与相关结构合适，还可工作于极端环境，比如耐高温、酸碱性等恶劣环境。

(2)声表面波温度感知单元采用谐振器型高频saw温度感知器件，相对于谐振器型低频saw温度感知器件，谐振器型高频saw温度感知器件具有低时延、高声速、高可靠性等特点，能更好的适应电力机车高电压、强电磁、剧烈振动以及密闭环境。

(3)为获得高频化的声表面波温度感知器件，一方面提升saw频率的方法是制备高声速的压电基片。将目前传统的一体的压电基片分解成声波传导基片和位于声波传导基片上的压电薄膜；其中声波传导基片能够提供声波快速传播的路径，而压电薄膜保证压电基片本身的压电效应，即在保证压电基片正常压电效应的基础上，通过声波传导基片的对声波的快速传播，从而实现声表面波温度感知器件的高频化。具体地，金刚石具有最快的声速(12000m/s)，极高的杨氏模量，非常适合做声波传导基片。但金刚石不具有压电性能，因此通常在金刚石上沉积一层压电薄膜，构成压电薄膜/金刚石层状结构高声速压电基片。

(4)本发明另一方面提升saw频率的方法是减小叉指电极周期，减小波长。传统低频saw器件的idt制备通常采用紫外光刻技术，该技术受限于紫外波长(0.20～4μm)，所制备的saw频率通常在3ghz以下，无法满足高频saw器件需求。本发明idt制备将采用更高精度的电子束曝光(ebl)技术，可以加工尺寸更小的idt结构，其中idt尺寸越小，saw频率就会变高；其中idt材料采用al、al/ti、al/cr、al/ti/cu/ti、pt/rh等复合金属。

(5)本发明在压电薄膜的表面敷设有吸声层，用于吸收声表面波中的体声波信号，从而实现声表面波与体声波信号的分离，保证后续信号检测的精准性。

(6)本发明压电基片的声波传导基片与衬底之间设有第一温度补偿层，压电薄膜上设有第二温度补偿层，且叉指换能器和反射栅均位于压电薄膜与第二温度补偿层之间。压电基片置于上下两层温度补偿层之中，从上下两个方向实现了表面声波波速的温度补偿。其中第一温度补偿层和第二温度补偿层均采用了低热膨胀系数的材料，可限制夹在这两层中间的压电基片(主要是压电薄膜)自身的热膨胀作用有效提高表面声波器件特别是高频表面声波器件的温度补偿效果。另外，可通过在小尺寸金属电极(即叉指换能器和反射栅)上覆盖第二温度补偿层的方式，可以有效抑制电极材料在高温和高功率工作条件下的声致迁移作用，从而提高表面声波器件的可靠性。进一步地，上述第二温度补偿层也可以充当保护层，能够解决高温环境中压电薄膜和金属电极的退化问题，增强了器件对高温的耐受能力，同时隔绝了外界环境对器件表面的腐蚀，延长了器件在高温环境中的工作时间。

(7)本发明的衬底采用柔性衬底，为pdms高分子材料制成，其厚度约500μ米。上述基于pdms作为声表面波的柔性衬底，也能够进行声表面波的传递，当温度稍微改变，都会对声表面波在柔性衬底上的传播造成影响，因此基于这种柔性衬底的器件也有着较为灵敏的温度响应。

附图说明

图1为本发明中谐振器型vsaw温度感知器件的结构示意图。

图2为本发明中电力机车低压柜无线无源温度感知系统的结构示意图。

图3为本发明中贴片式高频温度感知器件的俯视结构示意图。

图4为本发明中贴片式高频温度感知器件的侧视结构示意图。

图5为本发明中音叉式高频温度感知器件的俯视结构示意图。

图6为本发明中音叉式高频温度感知器件的侧视结构示意图。

图7为本发明中电力机车低压柜无线无源温度感知系统的组网示意图。

图8为本发明中电力机车内部分析系统结构图。

图中标号表示：1、声表面波温度感知单元；101、衬底；102、第一温度补偿层；103、压电基片；1031、声波传导基片；1032、压电薄膜；104、吸声层；105、第二温度补偿层；106、天线模块；107、叉指换能器；108、反射栅；109、底座；1010、外壳；2、天线单元；3、采集单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例的电力机车低压柜无线无源温度感知系统，包括声表面波温度感知单元1、天线单元2和采集单元3；其中声表面波温度感知单元1安装于电力机车低压柜内待测温度处，声表面波温度感知单元1通过天线单元2与采集单元3相连；声表面波温度感知单元1包括衬底101、压电基片103、天线模块106、叉指换能器107和反射栅108；压电基片103包括声波传导基片1031和位于声波传导基片1031上的压电薄膜1032；声波传导基片1031位于衬底101上，天线模块106、叉指换能器107和反射栅108位于压电薄膜1032上。

在实际应用时，采集单元3通过天线单元2向声表面波温度感知单元1发射射频(rf)查询电磁波信号；声表面波温度感知单元1通过天线模块106接收查询rf信号，叉指换能器107将接收到的rf信号通过逆压电效应转换为声表面波(saw声波)；saw声波沿着压电基片103的表面传播，当saw遇到反射栅108(或反射栅阵列)时会产生反射，所有反射的信号相叠加并激发出rf电信号；该rf电信号再次由叉指换能器107idt通过压电效应转换为回波电磁波信号，其中该信号携带温度信息；回波电磁波信号通过天线模块106发射回天线单元2，天线单元2再将回波电磁波信号发射至采集单元3，通过采集单元3对回波电磁波信号解调后获得温度信息。

本发明针对电力机车低压柜内强电磁、剧烈振动以及密闭环境，使用无线无源高频声表面波温度感知单元1实现柜内在线温度监测功能，相对于其他测温方式，有如下优势特点：

无线无源高频声表面波温度感知单元1由压电材料构成，不含半导体器件，因此是一种"无芯"的器件，工作温度范围广，适合高铁-40～150℃范围工作；

无线无源高频声表面波温度感知单元1的内部依靠声波工作，没有电路，不需电池供电，避免了电池高温爆炸和化学泄露等隐患，真正实现无线无源读取，避免了在低压柜内进行复杂布线，且可以贴于母排表面，与半导体技术比较，原理上无阈值电压限制；

无线无源高频声表面波温度感知单元1的内部没有电路，具有强抗干扰能力，具有优良的抗高压及电磁辐射能力；工作环境取决于压电材料和金属膜的耐受程度，只要选用的材料与相关结构合适，还可工作于极端环境，比如耐高温、酸碱性等恶劣环境。

本实施例中，声表面波温度感知单元1采用谐振器型saw温度感知器件，具体包括一个叉指换能器107(idt)和两组反射栅108(或反射栅阵列)，其中叉指换能器107位于压电基片103的中央，两组反射栅108则位于压电基片103两侧的压电基片103上。通过设计反射栅108结构和idt形状，可以使idt激发满足布拉格反射条件的saw声波，在压电基片103两端同时产生相干反射波，并产生谐振，使能量驻留在压电基片103上，此时压电基片103就形成了一个q值很高的谐振器。在该结构中,反射栅108组成声反射镜与叉指换能器107构成了一个声学谐振腔,idt将激励的能量引入谐振腔中，并在电磁激励信号结束时还能持续将谐振腔中的能量经天线模块106发射出去。当激励频率f等于谐振腔固有频率f0时,由于温度感知器件的品质因素q值很高,该温度感知器件将发生谐振。

进一步地，声表面波温度感知单元1采用谐振器型高频saw温度感知器件，相对于谐振器型低频saw温度感知器件，谐振器型高频saw温度感知器件具有低时延、高声速、高可靠性等特点，能更好的适应电力机车高电压、强电磁、剧烈振动以及密闭环境。其中低频30khz-300khz，中频300khz-30mhz，高频30mhz-3ghz，超高频3ghz-30ghz。

saw谐振腔的波传播速度和外界温度、应力、应变、质量负载的关系如下：

其中为质量密度；为应变；为应力；为表面张力；为温度；

在考虑单一变量影响的情况下，saw温度感知器件贴于母排关键部位，当母排温度发生变化时，波速会发生改变，导致固有频率将发生改变。通过精确感知saw温度感知器件的固有频率，或其相关的相位信息就能解算其温度信息，经合理设计可以实现线性的温度与固有频率的关系。

本实施例中，高频saw温度感知器件的谐振工作频率f0由saw传播速度vr0和波长λ共同决定，f0＝vr0/λ，其中波长等于一对叉指的距离。为获得高频化的声表面波温度感知器件，一方面提升saw频率的方法是制备高声速的压电基片103。最初的saw器件压电基片103主要是压电单晶(石英、linbo3和litao3等)，其声速一般在3000～4000m/s，不利于频率的提高。在本实施例中，将目前传统的一体的压电基片103分解成声波传导基片1031和位于声波传导基片1031上的压电薄膜1032；其中声波传导基片1031能够提供声波快速传播的路径，而压电薄膜1032保证压电基片103本身的压电效应，即在保证压电基片103正常压电效应的基础上，通过声波传导基片1031的对声波的快速传播，从而实现声表面波温度感知器件的高频化；上述压电基片103分体式的设计，既能够选择好的声波传导介质，另一方面又不会影响正常的压电效应。具体地，金刚石具有最快的声速(12000m/s)，极高的杨氏模量，非常适合做声波传导基片1031。由于金刚石不具有压电性能，因此通常在金刚石上沉积一层压电薄膜1032，构成压电薄膜1032/金刚石层状结构高声速压电基片103。其中压电薄膜1032通过电子束蒸发、磁控溅射和离子束溅射等制备工艺制备于金刚石薄膜上。其中压电薄膜1032可采用aln、zno、alscn等具有高声速、优良压电效应的类似材料制备。声波传导基片1031也可以采用类金刚石或蓝宝石等高密度材料。

另一方面，提升saw频率的方法是减小叉指电极周期，减小波长。传统低频saw器件的idt制备通常采用紫外光刻技术，该技术受限于紫外波长(0.20～4μm)，所制备的saw频率通常在3ghz以下，无法满足高频saw器件需求。故本实施例中的idt制备将采用更高精度的电子束曝光(ebl)技术(属于常规技术的应用，在此不再赘述)，可以加工尺寸更小的idt结构，其中idt尺寸越小，saw频率就会变高；其中idt材料采用al、al/ti、al/cr、al/ti/cu/ti、pt/rh等复合金属。

本实施例中，在压电薄膜1032的表面敷设有吸声层104(由聚苯胺、聚吡咯、八羧基酞菁铜合成的高电导率的高分子聚合物与石墨制备的薄膜层)，用于吸收声表面波中的体声波信号，从而实现声表面波与体声波信号的分离，保证后续信号检测的精准性。

本实施例中，压电基片103的声波传导基片1031与衬底101之间设有第一温度补偿层102，压电薄膜1032上设有第二温度补偿层105，且叉指换能器107和反射栅108均位于压电薄膜1032与第二温度补偿层105之间。压电基片103置于上下两层温度补偿层之中，从上下两个方向实现了表面声波波速的温度补偿。其中第一温度补偿层102和第二温度补偿层105均采用了低热膨胀系数的材料，可限制夹在这两层温度补偿层中间的压电基片103(主要是压电薄膜1032)自身的热膨胀作用，有效提高表面声波器件特别是高频表面声波器件的温度补偿效果。

另外，可通过在小尺寸金属电极(即叉指换能器107和反射栅108)上覆盖第二温度补偿层105的方式，来有效抑制电极材料在高温和高功率工作条件下的声致迁移作用，从而提高表面声波器件的可靠性。作为第二温度补偿层105，其材料优选为具有低/负热膨胀温度系数或低/负波速温度系数的al2o3，其厚度范围优选为1μm-20μm。当然，在其它实施例中，上述第二温度补偿层105也可以为sio2、zro2、teo2、zrw2o8、金刚石、类金刚石和蓝宝石等中的任意一种或任意几种材料叠加形成的薄膜层。进一步地，上述第二温度补偿层105也可以充当保护层，能够解决高温环境中压电薄膜1032和金属电极的退化问题，增强了器件对高温的耐受能力，同时隔绝了外界环境对器件表面的腐蚀，延长了器件在高温环境中的工作时间。

本实施例中，压电薄膜1032为pvdf高分子材料(polyvinylidenefluoride,聚偏氟乙烯)制成，其厚度约为30μm。叉指换能器107为金薄膜制成，其厚度约为500nm。反射栅1081为金薄膜制成，其厚度约为500nm。衬底101采用柔性衬底101，为pdms高分子材料(polydimethylsiloxane聚二甲基硅氧烷高分子材料)制成，其厚度约500μ米。当外界温度发生变化时，声表面波传递时将会受到外界温度的影响，形成不同波形的声表面波。上述基于pdms作为声表面波的柔性衬底101，也能够进行声表面波的传递，当温度稍微改变，都会对声表面波在柔性衬底101上的传播造成影响，因此基于这种柔性衬底101的器件也有着较为灵敏的温度响应。

本实施例中，在声表面波温度感知单元1应用于现场之前，将其与标准测温设备(如经过校准后的pt100测温设备或热电偶测温设备)置于同一高低温箱内，同时监测声表面波温度感知单元1的测量数据和标准测温设备的数据，通过多批次的实验积累数据，对数据进行对比、分析和拟合，研究数据是否收敛、线性，如何通过调整参数达到预期精度等。完成调整工作后，声表面波温度感知单元1再安装于现场低压柜内。

本实施例中，根据低压柜内母排尺寸、分布具体情况，定制化设计声表面波温度感知单元1封装形式以及安装模式，将声表面波温度感知单元1紧固在低压柜内待测温度处(如母排或者紧固螺栓上)。根据安装部位母排的不同结构，声表面波温度感知单元1将被封装成贴片式和音叉式结构。如图3所示，贴片式结构用于母排或者较平整部位的测温，其底部由导热性能优良的铜片制成矩形底座109，声表面波温度感知单元1贴在底座109上，同时封装在塑料外壳1010内，贴片式结构可使用高温胶粘贴在待测部位。如图5所示，音叉式结构则安装在紧固螺栓连接处，其底部铜片做成音叉形底座109，可直接通过螺栓固定，声表面波温度感知单元1贴在底座109上，同时封装在塑料外壳1010内。如果没有可用螺栓，可通过专用夹具或者扎带固定。上述根据其安装环境进行结构的改变，将声表面波温度感知单元1设置为多种结构，能够更好的适应强振动环境，能够显著提高其实用性。

本实施例中，天线单元2(或称读取天线)安装在低压柜的柜体内壁上。由于低压柜对绝缘要求较高，柜内空间狭窄，天线单元2不能有太高的突起，将天线单元2做成板状，避免带来安全隐患。另外在板状天线单元2的底部设有强弹力磁铁(吸附力超1公斤)，保证安装的牢靠性。

本实施例中，采集单元3(如采集器)类似于一个脉冲雷达收发器。在工作时，其不断发射脉冲扫频信号，所发射的信号会激励起声表面波温度感知单元1的谐振，从而使读取器能够检测到器件的谐振频率，进而解析出温度值。具体地，采集器其中一端设有多个天线接口，用于有线连接天线单元2(如读取天线)，天线接口的数量根据器件多少而定。采集器的另一端则设有电源及通信接口，包括rs485接口、rs232接口等。

在具体应用时，针对低压柜高电压、强电磁、剧烈振动以及密闭环境，为保证信号质量，温度感知系统按照每6个声表面波温度感知单元1(或称温度感知器件，下同)配一个读取天线的标准。低压柜的潜在发热隐患部位为母排节点和紧固螺栓处，柜内母排节点或者紧固螺栓都可能因为松动、老化、电弧冲击等原因造成接触电阻增大，表现出温度升高的现象，根据柜内母排的分布具体情况，可选择贴片式或音叉式结构，安装在合适的测温点。另外，声表面波温度感知单元1由于没有电源供电，靠吸收读取天线的问讯信号的能量工作，因此其信号非常微弱，读取天线不能离温度感知器件太远。理想情况下的最大距离约2米。当环境中有障碍物遮挡或者安装角度不佳时，距离在小于1米效果较好。故在柜体两侧的内壁上分别吸附1个读取天线。采集器与读取天线有线连接，采集器可安装在司机室。

另外，通过合理设计，可使用不同谐振频率的saw温度感知器件组成一套在线温度监测系统，通过频分多址技术，一个读取天线发射包含6个高频saw温度感知器件谐振频率的频率段，同时激励所有的温度感知器件，读取天线通过接收反射回来的布拉格基频信号，能够编码识别不同温度感知器件感知的温度信息，实现低压柜内分布式多点测温。

如图7所示，每个低压柜安装两套温度感知系统，所有温度感知系统通过rs485总线组网，可连到控制中心的集中服务器上，所有低压柜各测温点的温度数据和编号均上传到集中服务器上。当然，也可以用无线数据传输来代替rs485总线，可在每个采集器增加一个无线模块及天线。另外采集器的rs485接口也替换为无线模块传输，从而组成一个内部无线局域网。在其它实施例中，可以采用其它无线传输方案，例如wifi、zigbee、5g等。

如图8所示，整套系统包含多种通信模块，可根据需要选择配备的通信功能。在电力机车安装时采用工业以太网或多功能车辆总线与车载无线传输网关连接，通过车载无线传输网关的wifi或4g、5g无线通信模块将数据传输到地面分析系统进行进一步分析和显示。

为了减小数据传输量，加速温度异常情况发现和诊断，在测温系统内部包含有基于fpga(现场可编程门阵列)的智能分析模块，能够对采集的温度数据在系统内进行智能分析，其中分析的数据除采集的温度数据外，还包含通过多功能车辆总线传输的列车牵引系统工作状态的数据，以确定低压柜的工作负载。通过在智能分析模块中预置的程序进行分析，根据实际需求，程序控制逻辑可分为以下三类：1、根据列车运行情况设置固定温度阈值，超过阈值则报警；2、根据温度随时间变化率在温度快速上升时报警；3、使用循环神经网络分析，以牵引系统的工作状态和一段时间的温度数据为输入，当出现温度超阈值的趋势时报警。通过多功能车辆总线输出诊断数据和原始温度数据至电力机车的牵引控制系统，同时为保障系统在列车网络通信故障时任具有报警功能，还包含有一组110v硬线控制电路输出，当110v输出失电时，表示温度超过阈值，牵引系统将停止牵引变流以降低主变压柜温度。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。