CN210603947U - 基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***及机车 - Google Patents

Abstract

基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***及机车，包括基于磁致伸缩的无线无源传感器、信号收发模块及控制器，工作参数基于磁致伸缩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电磁信号，信号收发模块设置于固定部上，信号收发模块与基于磁致伸缩的无线无源传感器电磁耦合，信号收发模块用于向基于磁致伸缩的无线无源传感器发射探测信号，以及接收基于磁致伸缩的无线无源传感器反馈的回馈信号，并将该回馈信号发送至控制器，控制器根据该回馈信号得出旋转部件的工作参数。该基于磁致伸缩的健康监测***能够较为容易地对旋转部件的健康状况进行监测。

Description

基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***及机车

技术领域

本实用新型涉及旋转部件监测领域，尤其是一种基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***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。

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。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***及机车，该基于磁致伸缩的健康监测***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磁致伸缩的旋转部件健康监测***，包括基于磁致伸缩的无线无源传感器、信号收发模块及控制器，所述基于磁致伸缩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电磁信号，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磁致伸缩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磁致伸缩的无线无源传感器发射探测信号，以及接收所述基于磁致伸缩的无线无源传感器反馈的回馈信号，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所述旋转部件的工作参数。

进一步地，所述基于磁致伸缩的无线无源传感器包括磁致伸缩传感器本体及保护层，所述保护层由柔性材料形成，并包覆于所述磁致伸缩传感器本体外。

进一步地，所述基于磁致伸缩的无线无源传感器呈片状或圆筒状。

进一步地，所述磁致伸缩的无线无源传感器包括由磁致伸缩材料制成的传感器贴片，所述信号收发模块包括收发天线，所述收发天线可与所述传感器贴片相对并形成磁路。

进一步地，所述信号收发模块还包括信号调理电路、MCU、A/D转换器及数据接口，所述收发天线用于向所述基于磁致伸缩的无线无源传感器发射探测信号，以及接收所述基于磁致伸缩的无线无源传感器反馈的回馈信号，所述信号调理电路连接所述收发天线将接到的所述回馈信号进行滤波调理，所述A/D转换器对所述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，所述基于磁致伸缩的无线无源传感器包括磁致伸缩应变传感器和/或磁致伸缩加速度传感器。

进一步地，所述基于磁致伸缩的无线无源传感器包括磁致伸缩应变传感器，所述磁致伸缩应变传感器包括由磁致伸缩材料制成的第一传感器贴片，所述第一传感器贴片贴附于所述旋转部件上，所述收发天线包括导磁块、激励线圈及接收线圈，所述导磁块设置于的所述固定部上，所述导磁块与所述第一传感器贴片相对设置，并在所述导磁块与所述第一传感器贴片之间形成有气隙，所述激励线圈及所述接收线圈分别绕设于所述导磁块的两侧。

进一步地，所述基于磁致伸缩的无线无源传感器包括所述磁致伸缩加速度传感器，所述磁致伸缩加速度传感器包括由磁致伸缩材料制成的第二传感器贴片、支撑架及质量块，所述支撑架设置于所述旋转部件上，所述第二传感器贴片设置于所述支撑架上，并与所述支撑架形成一容置空间，所述质量块固定于第二传感器上，并位于所述容置空间中，所述收发天线包括导磁块、激励线圈及接收线圈，所述导磁块设置于所述固定部上，所述导磁块与所述第二传感器贴片相对设置，并在所述导磁块与所述第二传感器贴片之间形成有气隙，所述激励线圈及所述接收线圈分别绕设于所述导磁块的两侧。

进一步地，所述基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***还包括支撑架，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形成于所述固定部上，所述支撑架固定于所述固定部上，将所述导磁块支撑于所述旋转部的上方。

本实用新型还提供了一种机车，包括上述的基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***。

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，将基于磁致伸缩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磁致伸缩的无线无源传感器发射探测信号，以及接收基于磁致伸缩的无线无源传感器反馈的回馈信号。由于在磁致伸缩效应中，传感器上应力或应变状态的施加，会引起传感器磁导率的变化，基于磁致伸缩的无线无源传感器的磁导率会与工作参数具有一定的相关性，通过对磁导率变化的检测，即可反映出健康环境。因此，该健康检测***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磁致伸缩的旋转部件健康监测***的***框图。

图2所示为图1中基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***安装于旋转部件上的结构示意图。

图3所示为图1中基于磁致伸缩的无线无源传感器的结构示意图。

图4所示为图1中磁致伸缩应变传感器的结构示意图。

图5所示为图4中磁致伸缩加速度传感器的截面结构示意图。

图6所示为本实用新型第二实施例中基于磁致伸缩的无线无源传感器的结构示意图。

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磁致伸缩的旋转部件健康监测***及机车，该基于磁致伸缩的健康监测***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磁致伸缩的旋转部件健康监测***的***框图，图2所示为图1中基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***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磁致伸缩的旋转部件健康监测***包括基于磁致伸缩的无线无源传感器10、信号收发模块20和控制器30，基于磁致伸缩的无线无源传感器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***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电磁信号，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与基于磁致伸缩的无线无源传感器10电磁耦合，信号收发模块20用于向基于磁致伸缩的无线无源传感器10发射探测信号，以及接收基于磁致伸缩的无线无源传感器10反馈的回馈信号，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，将基于磁致伸缩的无线无源传感器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用于向基于磁致伸缩的无线无源传感器10发射探测信号，以及接收基于磁致伸缩的无线无源传感器10反馈的回馈信号。由于在磁致伸缩效应中，传感器上应力或应变状态的施加，会引起传感器磁导率的变化，基于磁致伸缩的无线无源传感器10的磁导率会与工作参数具有一定的相关性，通过对磁导率变化的检测，即可反映出健康环境。因此，该健康检测***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用于向基于磁致伸缩的无线无源传感器10发射探测信号时，在基于磁致伸缩的无线无源传感器10上形成稳定的磁场，以及接收基于磁致伸缩的无线无源传感器10反馈的含有磁导率信息的回馈信号，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接收到的含有磁导率信息的回馈信号判断出旋转部件的工作参数。

图3所示为图1中基于磁致伸缩的无线无源传感器的结构示意图，如图3所示，基于磁致伸缩的无线无源传感器10包括磁致伸缩传感器本体11及保护层12，保护层12由柔性材料形成，并包覆于磁致伸缩传感器本体11外，通过保护层12的设置，所述保护层起到封装保护作用，防止磁致伸缩传感器本体11因弯折而产生损坏，使基于磁致伸缩的无线无源传感器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，基于磁致伸缩的无线无源传感器可以呈片状，然后绕设于旋转部件上。

在本实施例中，基于磁致伸缩的无线无源传感器可以为磁致伸缩应变传感器13和/或磁致伸缩加速度传感器14。

图4所示为图1中磁致伸缩应变传感器的结构示意图，如图4所示，当基于磁致伸缩的无线无源传感器10为磁致伸缩应变传感器13时，该磁致伸缩应变传感器13包括由磁致伸缩材料制成的第一传感器贴片 131，收发天线21包括导磁块211、激励线圈212及接收线圈213，第一传感器贴片131贴附于旋转部件上，导磁块211设置于固定部上，导磁块211与第一传感器贴片131相对设置，并在导磁块211与第一传感器贴片131之间形成有气隙，激励线圈212及接收线圈213分别绕设于导磁块211的两侧上，激励线圈212通电时，导磁块211与第一传感器贴片131之间形成有闭合的磁路(图4中虚线所示)。优选地，所述第一传感器贴片131绕转轴421一圈设置在转轴421表面，磁致伸缩材料可以为Fe-Ga合金等。

进一步地，如图2所示，信号调理电路22、MCU23、A/D转换器 24及数据接口25均设置于固定部上，导磁块211通过设置于固定部的支架26以支撑于旋转部件的上方.

在本实施例中，激发线圈212能够使导磁块211及第一传感器贴片 131之间形成磁路，根据磁致伸缩效应，当第一传感器贴片131上产生应力变化时，第一传感器贴片131的磁导率会发生变化，这会使得接收线圈213中的电压发生变化，通过对接收线圈213中电压的测量，就可以得出旋转部件上应力的变化。

在本实施例中，由于第一传感器贴片131贴附于旋转部件上，在第一传感器贴片131与导磁块211之间形成有气隙，所以，旋转部件可以自由转动，磁致伸缩应变传感器13就可以在旋转部件处于转动状态时，实现旋转部件的应力的监测。

图5所示为图4中磁致伸缩加速度传感器的截面结构示意图，如图 5所示，当基于磁致伸缩的无线无源传感器10为磁致伸缩加速度传感器 14时，该磁致伸缩加速度传感器14包括由磁致伸缩材料制成的第二传感器贴片141、支撑架142及质量块143，收发天线21包括导磁块211、激励线圈212及接收线圈213，支撑架142设置于旋转部件上，第二传感器贴片141设置于支撑架142上，并与支撑架142形成一容置空间144，质量块143固定于第二传感器贴片141上，并位于容置空间144中，导磁块211设置于固定部上，导磁块211与第二传感器贴片141相对设置，并在导磁块211与第二传感器贴片141之间形成有气隙，激励线圈212 及接收线圈213分别绕设于导磁块211的两侧上，激励线圈212通电时，导磁块211与第二传感器贴片141之间形成有闭合的磁路(见图5中虚线所示)。

当磁致伸缩传感器贴片上加载加速度时，质量块143会引起第二传感器贴片141的形变，这会导致磁路的磁导率会发生变化，接收线圈213 中的电压也会随之发生变化，通过对接收线圈213中电压的测量，就可以得出旋转部件上加速度的变化。

图6所示为本实用新型第二实施例中基于磁致伸缩的无线无源传感器10的结构示意图，如图6所示，本实用新型第二实施例提供的基于磁致伸缩的无线无源传感器10与第一实施例基本相同，其不同之处在于，在本实施例中，基于磁致伸缩的无线无源传感器10呈圆筒状，其可以直接套设于旋转部件上。

在上述实施例中，描述了基于磁致伸缩的旋转部件的健康监测***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***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***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，将基于磁致伸缩的无线无源传感器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用于向基于磁致伸缩的无线无源传感器10发射探测信号，以及接收基于磁致伸缩的无线无源传感器10反馈的回馈信号。由于在磁致伸缩效应中，传感器上应力或应变状态的施加，会引起传感器磁导率的变化，基于磁致伸缩的无线无源传感器10的磁导率会与工作参数具有一定的相关性，通过对磁导率变化的检测，即可反映出健康环境。因此，该健康检测***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。

本实用新型具体提供了一种机车，该机车包括本实用新型提供的基于磁致伸缩的旋转部件的健康监测***，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。

Claims (10)

1.一种基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***，其特征在于：包括基于磁致伸缩的无线无源传感器、信号收发模块及控制器，所述基于磁致伸缩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电磁信号，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磁致伸缩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磁致伸缩的无线无源传感器发射探测信号，以及接收所述基于磁致伸缩的无线无源传感器反馈的回馈信号，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所述旋转部件的工作参数。

2.如权利要求1所述的基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***，其特征在于：所述基于磁致伸缩的无线无源传感器包括磁致伸缩传感器本体及保护层，所述保护层由柔性材料形成，并包覆于所述磁致伸缩传感器本体外。

3.如权利要求1所述的基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***，其特征在于：所述基于磁致伸缩的无线无源传感器呈片状或圆筒状。

4.如权利要求1所述的基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***，其特征在于：所述磁致伸缩的无线无源传感器包括由磁致伸缩材料制成的传感器贴片，所述信号收发模块包括收发天线，所述收发天线可与所述传感器贴片相对并形成磁路。

5.如权利要求4所述的基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***，其特征在于：所述信号收发模块还包括信号调理电路、MCU、A/D转换器及数据接口，所述收发天线用于向所述基于磁致伸缩的无线无源传感器发射探测信号，以及接收所述基于磁致伸缩的无线无源传感器反馈的回馈信号，所述信号调理电路连接所述收发天线将接到的所述回馈信号进行滤波调理，所述A/D转换器对所述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。

6.如权利要求5所述的基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***，其特征在于：所述基于磁致伸缩的无线无源传感器包括磁致伸缩应变传感器和/或磁致伸缩加速度传感器。

7.如权利要求6所述的基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***，其特征在于：所述基于磁致伸缩的无线无源传感器包括磁致伸缩应变传感器，所述磁致伸缩应变传感器包括由磁致伸缩材料制成的第一传感器贴片，所述第一传感器贴片贴附于所述旋转部件上，所述收发天线包括导磁块、激励线圈及接收线圈，所述导磁块设置于所述固定部上，所述导磁块与所述第一传感器贴片相对设置，并在所述导磁块与所述第一传感器贴片之间形成有气隙，所述激励线圈及所述接收线圈分别绕设于所述导磁块的两侧。

8.如权利要求6所述的基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***，其特征在于：所述基于磁致伸缩的无线无源传感器包括所述磁致伸缩加速度传感器，所述磁致伸缩加速度传感器包括由磁致伸缩材料制成的第二传感器贴片、支撑架及质量块，所述支撑架设置于所述旋转部件上，所述第二传感器贴片设置于所述支撑架上，并与所述支撑架形成一容置空间，所述质量块固定于第二传感器上，并位于所述容置空间中，所述收发天线包括导磁块、激励线圈及接收线圈，所述导磁块设置于所述固定部上，所述导磁块与所述第二传感器贴片相对设置，并在所述导磁块与所述第二传感器贴片之间形成有气隙，所述激励线圈及所述接收线圈分别绕设于所述导磁块的两侧。

9.如权利要求7或8所述的基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***，其特征在于：所述基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***还包括支撑架，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形成于所述固定部上，所述支撑架固定于所述固定部上，将所述导磁块支撑于所述旋转部的上方。

10.一种机车，其特征在于：包括权利要求1至9中任意一项所述的基于磁致伸缩的旋转部件健康监测***。

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