本發(fā)明屬于車軸狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于聲表面波技術(shù)的列車車軸狀態(tài)監(jiān)測裝置。

背景技術(shù)：

隨著我國鐵路建設(shè)行業(yè)的飛快發(fā)展，列車車速和運載能力日益提升，鐵路運輸已逐漸處于綜合交通運輸體系中的骨干地位。列車車軸作為列車行進過程中尤為關(guān)鍵的部件，其通常處在高速重載的工作狀態(tài)下，車軸與車輪、齒輪箱和軸箱的接觸部分長期承受各種機械摩擦、交變接觸應(yīng)力作用的同時，還會出現(xiàn)異物掉入、潤滑不良等現(xiàn)象，長時間會致使車軸磨損加劇、出現(xiàn)疲勞裂紋，引發(fā)車軸表面溫度升高、振動幅值增大等問題，如果不能及時發(fā)現(xiàn)車軸缺陷并維護，嚴重時會導致車軸變形斷裂、熱切軸、燃軸等事故的發(fā)生，造成重大的人身傷亡和經(jīng)濟損失。可見，對車軸軸溫和振動的監(jiān)測，是反映車軸運行狀態(tài)、保證列車安全運行最直觀、重要的方法之一。

目前，列車車軸狀態(tài)監(jiān)測主要分為車載接觸測量和地面紅外測量。對于車載接觸測量系統(tǒng)而言，由于各傳感器直接安裝在探測點處，其連接線錯綜復(fù)雜，安裝維修工作量大；而在地面紅外監(jiān)測系統(tǒng)中，由于紅外探頭長期裸露在外界環(huán)境中，容易出現(xiàn)損壞，需要檢修人員進行定期維護，且只有當列車通過紅外探頭時，才能對車軸狀態(tài)進行監(jiān)測，實時性差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于聲表面波技術(shù)的列車車軸狀態(tài)監(jiān)測裝置，解決了現(xiàn)有列車車軸狀態(tài)監(jiān)測連線錯綜復(fù)雜、實時性差的問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于聲表面波技術(shù)的列車車軸狀態(tài)監(jiān)測裝置，其特征在于，包括設(shè)置于列車車頭控制室內(nèi)的主機監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)置于每節(jié)車廂底部的信號讀寫器及安裝在每節(jié)車廂底部的車軸上的聲表面波傳感網(wǎng)絡(luò)，聲表面波傳感網(wǎng)絡(luò)利用射頻識別與信號讀寫器連接，信號讀寫器通過無線網(wǎng)絡(luò)與主機監(jiān)控系統(tǒng)連接。

本發(fā)明的特點還在于：

聲表面波傳感網(wǎng)絡(luò)包括振動傳感器和溫度傳感器，振動傳感器通過卡扣靠近每個車軸兩端的車輪固定，溫度傳感器通過卡扣固定在每個車軸兩端的軸頸及每個車軸的中心處。

振動傳感器包括第一壓電基片，第一壓電基片上嵌有第一叉指換能器，第一叉指換能器的兩端依次對稱設(shè)置有第一反射柵、第一吸聲材料，第一叉指換能器還連接有第一阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，第一阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與第一天線連接，第一壓電基片采用YX切石英晶體。

溫度傳感器包括第二壓電基片，第二壓電基片上嵌有第二叉指換能器，第二叉指換能器的兩端依次對稱設(shè)置有第二反射柵、第二吸聲材料，第二叉指換能器還連接有第二阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，第二阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與第二天線連接，第二壓電基片采用YX切LiNbO₃晶體。

信號讀寫器包括第一控制器，第一控制器分別連接有激勵信號發(fā)生器、A/D采樣電路、第一ZigBee模塊，激勵信號發(fā)生器上依次連接有阻抗匹配電路、第一帶通濾波電路、射頻功率放大電路、收發(fā)開關(guān)、第三天線；A/D采樣電路上依次連接有基帶放大電路、混頻器、第二帶通濾波電路、調(diào)理放大電路，調(diào)理放大電路與收發(fā)開關(guān)連接，混頻器與激勵信號發(fā)生器連接。

第一控制器上還連接有環(huán)境溫度檢測電路。

第一控制器上還連接有蓄電池模塊。

主機監(jiān)控系統(tǒng)包括有第二控制器，第二控制器分別連接有電源模塊、人機交互界面、語音預(yù)警模塊、外部EEROM及第二ZigBee模塊。

第二控制器上還連接有全網(wǎng)通無線通信模塊。

本發(fā)明的有益效果是：

①本發(fā)明一種基于聲表面波技術(shù)的列車車軸狀態(tài)監(jiān)測裝置，采用無線無源單端諧振型SAW傳感器完成列車車軸的溫度、振動檢測，無需供電電源，避免了繁瑣的布線，即插即用，并結(jié)合頻分多址方法，解決了傳感器之間的防碰撞問題，便于系統(tǒng)擴張和安裝維護，測量精度高、可靠性好。

②本發(fā)明一種基于聲表面波技術(shù)的列車車軸狀態(tài)監(jiān)測裝置，設(shè)置于車廂底部的信號讀寫器與設(shè)置于車頭的主機監(jiān)控系統(tǒng)通過無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行通訊，無需在車廂內(nèi)鋪設(shè)線纜或光纜通訊，易于設(shè)備的安裝和維修，費用低、功耗小。

③本發(fā)明一種基于聲表面波技術(shù)的列車車軸狀態(tài)監(jiān)測裝置，能夠完成對列車車軸狀態(tài)的全方位實時監(jiān)測，并進行故障的提前預(yù)警和故障位置的準確定位，大大提高列車的安全穩(wěn)定性，降低人員傷亡和經(jīng)濟損失。

附圖說明

圖1是本發(fā)明列車車軸狀態(tài)監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明列車車軸狀態(tài)監(jiān)測裝置中傳感器的安裝示意圖；

圖3是本發(fā)明列車車軸狀態(tài)監(jiān)測裝置中振動傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明列車車軸狀態(tài)監(jiān)測裝置中溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明列車車軸狀態(tài)監(jiān)測裝置中信號讀寫器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明列車車軸狀態(tài)監(jiān)測裝置中主機監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1.聲表面波傳感網(wǎng)絡(luò)，2.信號讀寫器，3.主機監(jiān)控系統(tǒng)，4.車軸，5.齒輪箱，6.車輪，7.車軸軸箱，8.溫度傳感器，9.振動傳感器，10.第一吸聲材料，11.第一反射柵，12.第一叉指換能器，13.第一壓電基片，14.第一阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，15.第一天線，16.環(huán)境溫度檢測電路，17.第一ZigBee模塊，18.激勵信號發(fā)生器，19.阻抗匹配電路，20.第一帶通濾波電路，21.射頻功率放大電路，22.收發(fā)開關(guān)，23.第三天線，24.第一控制器，25.調(diào)理放大電路，26.第二帶通濾波電路，27.混頻器，28.基帶放大電路，29.A/D采樣電路，30.蓄電池模塊，31.電源模塊，32.人機交互界面，33.第二控制器，34.語音預(yù)警模塊，35.外部EEROM，36.全網(wǎng)通無線通信模塊，37.第二ZigBee模塊，38.第二吸聲材料，39.第二反射柵，40.第二叉指換能器，41.第二壓電基片，42.第二阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，43.第二天線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明一種基于聲表面波技術(shù)的列車車軸狀態(tài)監(jiān)測裝置，如圖1、2所示，包括設(shè)置于列車車頭控制室內(nèi)的主機監(jiān)控系統(tǒng)3、設(shè)置于每節(jié)車廂底部的信號讀寫器2及安裝在每節(jié)車廂底部的車軸4上的聲表面波傳感網(wǎng)絡(luò)1，即每節(jié)車廂包括四個車軸4，每節(jié)車廂底部安裝四個聲表面波傳感器1，主機監(jiān)控系統(tǒng)3安裝于列車車頭控制室內(nèi)，便于工作人員進行監(jiān)控和操控，聲表面波傳感網(wǎng)絡(luò)1利用射頻識別與信號讀寫器2連接，信號讀寫器2通過無線網(wǎng)絡(luò)與主機監(jiān)控系統(tǒng)3連接，信號讀寫器2與聲表面波傳感網(wǎng)絡(luò)1之間的通信距離一般在10m以內(nèi)，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕盘栕x寫器2安裝于每節(jié)車廂底部、距離相鄰兩個車軸4之間的等距離處，此距離一般小于2m，滿足通訊距離要求，即每相鄰的兩個車軸4上的聲表面波傳感網(wǎng)絡(luò)1對應(yīng)1個信號讀寫器2，每個車廂底部安裝兩個信號讀寫器2。

本發(fā)明列車車軸狀態(tài)監(jiān)測裝置是以每節(jié)車廂底部的相鄰兩個車軸作為基本單位，兩個聲表面波傳感網(wǎng)絡(luò)1與一個信號讀寫器2構(gòu)成一個監(jiān)測終端，主機監(jiān)控系統(tǒng)3通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將各個車廂的監(jiān)測終端信息進行匯總與分析，完成實時顯示與故障預(yù)警工作。

聲表面波傳感網(wǎng)絡(luò)1包括振動傳感器9和溫度傳感器8，安裝如圖2所示，振動傳感器9通過卡扣固定在每個車軸4兩端的車輪6與車軸軸箱7之間，振動傳感器9成對固定在車輪6附近，即每個聲表面波傳感網(wǎng)絡(luò)1至少兩個振動傳感器9，也可以為2的整數(shù)倍(圖2中所示為兩個)，溫度傳感器8通過卡扣固定在每個車軸4兩端齒輪箱5與車輪6之間的軸頸及每個車軸4的中心處，溫度傳感器8在車軸4兩端的軸頸處也是成對固定的，即每個聲表面波傳感網(wǎng)絡(luò)1至少三個溫度傳感器8，也可以為2的整數(shù)倍+1個(圖2中所示為三個)，振動傳感器9和溫度傳感器8分別對車軸4的各個位置進行振動和溫度的測量，從而直觀的反映車軸4的運行狀態(tài)。各個傳感器通過不銹鋼環(huán)形卡扣牢牢固定在車軸4上，避免各個傳感器與車軸4發(fā)生相對運動，保證傳感器測量的穩(wěn)定性和持久性。

聲表面波傳感網(wǎng)絡(luò)1采用頻分多址的方法來區(qū)分不同的傳感器身份。通過對聲表面波傳感網(wǎng)絡(luò)1內(nèi)每個傳感器的工作頻率進行差異設(shè)計，以傳感器的工作頻率作為識別自身的地址，只有當信號讀寫器2發(fā)出的激勵信號在傳感器的工作頻率范圍內(nèi)時，傳感器才會進行測量工作，解決了傳感器之間的防碰撞問題，實現(xiàn)信號讀寫器2對聲表面波傳感網(wǎng)絡(luò)1內(nèi)多個傳感器信息的采集。其中，與信號讀寫器2相連的兩個聲表面波傳感網(wǎng)絡(luò)1內(nèi)傳感器工作中心頻率頻段為420～439MHz，每一個傳感器依次占有自己特定的2MHz帶寬。

如圖3所示，振動傳感器9包括第一壓電基片13，第一壓電基片13上嵌有第一叉指換能器12，第一叉指換能器12的兩端依次對稱設(shè)置有第一反射柵11、第一吸聲材料10，第一叉指換能器12還連接有第一阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)14，第一阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)14與第一天線15連接，第一壓電基片13采用YX切石英晶體，厚度為550μm，其壓電效應(yīng)大、聲衰減小。

如圖4所示，溫度傳感器8包括第二壓電基片41，第二壓電基片41上嵌有第二叉指換能器40，第二叉指換能器40的兩端依次對稱設(shè)置有第二反射柵39、第二吸聲材料38，第二叉指換能器40還連接有第二阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)42，第二阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)42與第二天線43連接，第二壓電基片41采用YX切LiNbO₃晶體，具有很大的機械強度和穩(wěn)定的機械性質(zhì)。

溫度傳感器8和振動傳感器9均采用無線無源單端諧振型SAW傳感器，該傳感器無需連接線和電源供給，安裝方便、即插即用。叉指換能器和反射柵材料均選用金屬鋁，鋁膜厚度為0.18μm，其具有高電導率、且化學性質(zhì)穩(wěn)定。

振動傳感器9的工作原理為：

當?shù)谝惶炀€15接收到信號讀寫器2發(fā)出的激勵信號時，會將其傳遞給第一叉指換能器12，第一叉指換能器12通過逆壓電效應(yīng)激發(fā)出聲表面波并通過第一壓電基片13進行傳播，完成電/聲轉(zhuǎn)換；經(jīng)過一定時間延遲后到達兩邊的第一反射柵11，當聲表面波的中心頻率與第一反射柵11的諧振頻率一致時，聲表面波會在第一反射柵11之間進行全反射而達到諧振狀態(tài)，激發(fā)最大的能量；隨后聲表面波又會被反射回第一叉指換能器12并通過壓電效應(yīng)再次轉(zhuǎn)換為回波信號，利用第一天線15發(fā)送給信號讀寫器2。

溫度傳感器8的工作原理同振動傳感器9的工作原理。

聲表面波的中心頻率是由叉指換能器間距λ和聲表面波傳播速度v共同決定，即：

當車軸4的溫度、振動發(fā)生變化時，壓電基片的參數(shù)會改變，導致中心頻率f相應(yīng)改變，即：

由于壓電基片的材料分別選用的是LiNbO₃晶體和YX切石英晶體，所以溫度和振動變化分別對材料尺寸的影響相對于波速的變化基本可以忽略，從而得到：

可以看出，車軸4溫度、振動的變化會引起聲表面波中心頻率f的改變，這時信號讀寫器2收到的回波信號頻率也會隨之變化，從而通過這些變化實現(xiàn)溫度、振動的測量。

信號讀寫器2，如圖5所示，包括第一控制器24，第一控制器24分別連接有激勵信號發(fā)生器18、A/D采樣電路29、第一ZigBee模塊17、環(huán)境溫度檢測電路16、蓄電池模塊30，激勵信號發(fā)生器18上依次連接有阻抗匹配電路19、第一帶通濾波電路20、射頻功率放大電路21、收發(fā)開關(guān)22、第三天線23；A/D采樣電路29上依次連接有基帶放大電路28、混頻器27、第二帶通濾波電路26、調(diào)理放大電路25，調(diào)理放大電路25與收發(fā)開關(guān)22連接，混頻器27與激勵信號發(fā)生器18連接。

其中，第一控制器24內(nèi)的主控芯片采用的是FPGA的EP4CE15，其具有強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度；A/D采樣電路29內(nèi)置有AD9214芯片，它是一款低功耗、10位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換速率可達65MHz；激勵信號發(fā)生器18內(nèi)置有SI4122程控PLL芯片，它是一款低功耗、高性價比的射頻發(fā)射器芯片，由三個寬頻帶的PLL和串行接口組成；混頻器27內(nèi)置有AD8343混頻芯片，其輸入IP3為16.5dBm，線性度好，頻率寬帶最高可達2.5GHz；第一ZigBee模塊17內(nèi)設(shè)置有CC2530芯片，其結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，是針對于ZigBee應(yīng)用的一個真正片上系統(tǒng)解決方案，功能強大、功耗低。

信號讀寫器2的工作過程主要分為兩個環(huán)節(jié)：

第一環(huán)節(jié)：當收發(fā)開關(guān)22為發(fā)送狀態(tài)時，第一控制器24通過SPI外設(shè)接口將所需激勵信號的頻率數(shù)值寫入到激勵信號發(fā)生器18內(nèi)的SI4122寄存器中，使激勵信號發(fā)生器18產(chǎn)生頻率在420～439MHz之間的高頻間歇正弦信號，后經(jīng)阻抗匹配電路19的作用，以減少傳輸線上的能量損耗，第一帶通濾波電路20和射頻功率放大電路21完成對激勵信號的濾波與功率放大處理，最后通過第三天線23將激勵信號發(fā)送給傳感器，實現(xiàn)激勵信號的產(chǎn)生與發(fā)送。其中，激勵信號的發(fā)送時間間隔為2s，相鄰兩次發(fā)送的激勵信號中心頻率相差2MHz，以配合與信號讀寫器2相連的兩個聲表面波傳感網(wǎng)絡(luò)1內(nèi)各個傳感器的工作頻率，實現(xiàn)頻分多址功能。

第二環(huán)節(jié)：當收發(fā)開關(guān)22為接收狀態(tài)時，第三天線23會接收到傳感器發(fā)送的回波信號，并通過調(diào)理放大電路25和第二帶通濾波電路26的作用，以降低噪聲干擾，提高信噪比，再經(jīng)過混頻器27進行信號解調(diào)，將高頻回波信號的頻率降低到中頻段，之后通過基帶放大電路28，改善混頻器27中頻信號的輸出質(zhì)量，以方便A/D采樣電路29進行信號采集，完成回波信號的接收與處理，第一控制器24接收到A/D采樣電路29送入的回波數(shù)字信號后，會進行數(shù)字信號處理，計算出聲表面波傳感網(wǎng)絡(luò)1內(nèi)各個傳感器的溫度、振動信息。

其中，接收的回波信號需要進一步的數(shù)字濾波處理，以去除信號中無用的頻率成分，第一控制器24采用的數(shù)字濾波算法為FIR窗函數(shù)式低通濾波法。采用Matlab提供的Filter Design&Analysis Tool工具并結(jié)合50階的Hann窗進行FIR低通濾波器的設(shè)計，再利用第一控制器24內(nèi)Xilinx提供的intellectual property核直接調(diào)用Matlab仿真生成的COE文件，從而避免重新設(shè)計濾波器的過程，節(jié)約時間。其中濾波器的性能指標為：截止頻率為6MHz，信號采樣頻率為60MHz，阻帶衰減不小于35dB。

環(huán)境溫度檢測電路16主要用于測量車軸4的工作環(huán)境溫度，并將測量結(jié)果送入第一控制器24，第一控制器24通過將傳感器所測得車軸4溫度與環(huán)境溫度做差，得到車軸4的溫升數(shù)據(jù)。

信號讀寫器2將監(jiān)測到的四個車軸4的所有狀態(tài)信息打包后通過第一ZigBee模塊17進行發(fā)送，通訊方式中結(jié)合ZigBee中繼模式并采用交互方式進行通訊協(xié)議的設(shè)計。當?shù)谝籞igBee模塊17直接向主機監(jiān)控系統(tǒng)3發(fā)送數(shù)據(jù)時，如果主機監(jiān)控系統(tǒng)3接收到了數(shù)據(jù)，就會向第一ZigBee模塊17發(fā)送響應(yīng)命令，告訴信號讀寫器2數(shù)據(jù)已接受成功，當?shù)谝籞igBee模塊17沒有接收到響應(yīng)命令時，即表示數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，請重新發(fā)送，如果第一ZigBee模塊17連續(xù)3次都發(fā)送失敗，這時第一ZigBee模塊17就會取消直接向主機監(jiān)控系統(tǒng)3發(fā)送數(shù)據(jù)，而轉(zhuǎn)化為向相鄰前一節(jié)車廂的信號讀寫器2發(fā)送數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)進行逐級傳遞，最終到達主機監(jiān)控系統(tǒng)3，達到無線遠距離傳輸?shù)哪康?。其中，狀態(tài)信息包括車軸4溫度、溫升、振動幅值及監(jiān)測位置等。

其中，蓄電池模塊30采用直流額定電壓為12V的蓄電池給信號讀寫器2供電，供電時間可達1年左右。

主機監(jiān)控系統(tǒng)3，如圖6所示，包括有第二控制器33，第二控制器33分別連接有電源模塊31、人機交互界面32、語音預(yù)警模塊34、外部EEROM35、全網(wǎng)通無線通信模塊36及第二ZigBee模塊37。

其中，第二控制器33內(nèi)的主控芯片采用的是STM32F407ZGT6，其主頻高達168MHz，具有32位數(shù)據(jù)總線的靈活外部存儲控制器，數(shù)據(jù)存取速度快；全網(wǎng)通無線通信模塊36內(nèi)置有USR-G402tf模塊，它是一款五模十二頻4G模塊，適用于高速數(shù)據(jù)傳輸與穩(wěn)定大數(shù)據(jù)量傳輸，支持移動/聯(lián)通2G、3G、4G和電信4G網(wǎng)絡(luò)的高速接入；人機交互界面32的液晶屏采用的是基于安卓操作系統(tǒng)的高清觸摸屏，其操作簡單、快捷，不易出現(xiàn)卡屏、死機現(xiàn)象。

電源模塊31是利用列車車頭控制室內(nèi)的AC220V對主機監(jiān)控系統(tǒng)3進行供電。

第二ZigBee模塊37用于接收所有監(jiān)測終端的車軸4狀態(tài)監(jiān)測信息，并將監(jiān)測信息傳遞給第二控制器33，完成數(shù)據(jù)分析與故障診斷。第二控制器33將處理后的監(jiān)測信息發(fā)送給人機交互界面32，進行車軸4運行狀態(tài)的實時顯示，同時通過I²C接口將監(jiān)測信息存儲在外部EEROM35中。當工作人員需要了解以往的車軸4運行狀態(tài)信息時，即可調(diào)用外部EEROM35的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、曲線的查看，分析車軸4運行狀態(tài)趨勢，更好的進行故障預(yù)判。

主機監(jiān)控系統(tǒng)3正常運行過程中，當出現(xiàn)車軸4溫度、溫升或振動幅值超過預(yù)警閾值時，第二控制器33會立刻控制人機交互界面32進行故障預(yù)警，即在人機交互界面32上顯示故障位置、故障類型、當前數(shù)值及運行狀態(tài)等信息，同時語音預(yù)警模塊34會不斷發(fā)出警示語，并伴隨著警示燈的持續(xù)閃爍，以引起工作人員的注意，完成車軸4狀態(tài)預(yù)警與故障定位。

同時，主機監(jiān)控系統(tǒng)3可通過全網(wǎng)通無線通信模塊36將列車車軸4監(jiān)測信息上傳至車站調(diào)度室，其中，全網(wǎng)通無線通信模塊36支持移動、聯(lián)通和電信之間的相互切換。當列車在運行過程中出現(xiàn)信號較弱或不穩(wěn)定時，主機監(jiān)控系統(tǒng)3可通過將全網(wǎng)通無線通信模塊36切換至其他兩種模式，進行數(shù)據(jù)上傳，提高通訊的可靠性；并且考慮到列車有時會穿越隧道而出現(xiàn)沒有任何信號的情況，在此期間，主機監(jiān)控系統(tǒng)3會將數(shù)據(jù)保存至外部EEROM35中，當列車穿過隧道時，主機監(jiān)控系統(tǒng)3會立刻將這包數(shù)據(jù)通過全網(wǎng)通無線通信模塊36上傳給車站調(diào)度室，完成無信號時數(shù)據(jù)的上傳任務(wù)。各個車站調(diào)度室的所有列車車軸4運行狀態(tài)信息會進一步匯總至鐵路總調(diào)度室，在鐵路總調(diào)度室內(nèi)，實現(xiàn)對整個鐵路系統(tǒng)的所有列車車軸4運行狀態(tài)的在線監(jiān)測，達到對所有列車智能調(diào)控的目的。