0g，最高頻響頻率16kHz，完全滿足列車走行部狀態監測的要求。本發明傳感器的振動沖擊敏感器件為差分輸出方式，其輸出的電荷經全差分電荷放大器后就成為正比于所受外力的電量輸出，因為列車走行部的干擾信號一般是以共模信號的形式存在，所以該輸出方式可有效的抑制共模干擾，極大地提高了傳感器的信噪比。
[0028]本發明傳感器的溫度敏感器件封裝在傳感器基座底部的開孔內并于熱敏邏輯元件之上，信號線和電源線由基座中上部的側孔引出，傳感器的溫度敏感器件為單總線數字溫度傳感器，可選器件有DS18B20、DS1820、DS1822等，如下以DS18B20為例介紹。DS18B20是美國DALLAS公司生產的單總線數字溫度傳感器，可把溫度信號直接轉換成串行數字信號供CPU處理，在一條總線上可掛接多個DS18B20芯片，是只有一個總線命令者和一個或多個從者組成的計算機應用系統；主機或從機通過一個漏極開路或三態端口連至該單總線，以允許設備在不發送數據時能夠釋放總線，而讓其他設備使用總線;DS18B20數字溫度傳感器可提供9?12位溫度讀數，讀取或寫入DS18B20的信息僅需一根總線，總線本身可以向所有掛接的DS18B20芯片提供電源，而不需額外的電源；由于DS18B20這一特點，非常適合于列車走行部關鍵部件的多點溫度檢測系統，硬件結構簡單，方便聯網。采用單總線專用技術，既可通過串行口線，也可通過其它I/O口線與CPU接口，無須經過其它變換電路，直接輸出被測溫度數字量(9?12位二進制數，含I位符號位，可由編程決定具體位數)，測溫范圍為-55°C?+125°C，測量分辨率為0.5°C，最高可達0.0625°C，供電電源電壓為3.0?5.5V。列車走行部關鍵部件的監測溫度直接以單總線的數字方式傳輸，大大提高了監測系統的抗干擾性能。
[0029]本發明傳感器的熱敏邏輯元件封裝在傳感器基座底部的開孔內并于溫度敏感器件之下，信號線和電源線由基座中上部的側孔引出。本發明傳感器的熱敏邏輯元件為易熔合金，與限流電阻串聯后并接于溫度敏感器件的電源兩端，邏輯信號由串接點輸出。易熔合金，低熔點合金，也稱模具合金是用鉍、鉛、錫和鎘等元素制成的合金。易熔合金常被廣泛地用于電子電氣自動控制，用作電器、蒸汽、消防、火災報警等裝置中的保險絲、熔斷器等熱敏組件，是一類頗具發展潛力的低熔點合金新型材料。常見易熔合金包括:47°C易熔合金、58°C易熔合金、70°C易熔合金、92°C易熔合金、100°C易熔合金、105°C易熔合金、120°C易熔合金、125°C易熔合金、138°C易熔合金、145°C易熔合金、150°C易熔合金、160°C易熔合金、170°C易熔合金、182°C易熔合金、190°C易熔合金、200°C易熔合金等。其特點是:熔點準、熔化范圍較窄，反應靈敏，達溫動作、熔化時間在60?120秒內完成，溫度保險絲熔化斷開時間在20?60秒內。本發明傳感器中按振動沖擊敏感器件及電路、溫度敏感器件、被測對象等中的最低失效溫度來選擇用做熱敏邏輯元件的易熔合金的熔點溫度(或閥值溫度)，該閥值溫度應滿足我國鐵路機車車輛的有關標準要求;在監測點溫度未超過其閥值溫度時易熔合金處于導通狀態，熱敏邏輯元件的輸出為高電平，此時，傳感器拾取的振動沖擊、溫度信號有效，監測系統根據傳感器拾取的振動沖擊、溫度信號判定列車走行部關鍵部件的運行狀態；當監測點溫度超過其閥值溫度后易熔合金熔化(處于斷開狀態)，熱敏邏輯元件的輸出為低電平，此時，傳感器拾取的振動沖擊、溫度信號無效，監測系統CPU響應該測點輸出的低電平中斷，及時判定出測點故障而發出報警信號;這樣，監測系統既可根據有效的振動沖擊、溫度信號對列車走行部關鍵部件的運行狀態做出正確的判定，也可在振動沖擊敏感器件、溫度敏感器件失效或測點溫度超過其閥值溫度時及時地給出報警信號;克服了現有列車走行部狀態監測中因敏感器件失效而造成的誤診或漏診。
[0030]參見圖4，所述的電荷放大器是一個由低功耗低噪聲雙運放ICl、電阻Rl、R2、R3、R4、R5、R6和電容C1、C2組成的單電源全差分放大器，其輸入、輸出均為差分方式，能有效抑制輸入、輸出引線上的共模干擾。ICl為低功耗低噪聲雙運放，可選型號有:AD8572、AD8599、0P285、0P297、LI1012等；電容C1、C2為電源退耦電容，選擇高頻噪聲抑制性能較好的COG電容；電阻R4、R5用于從電源分壓以給振動沖擊敏感器件提供工作電源，電阻R6用于抑制振動沖擊敏感器件引線上的差模干擾，電阻Rl?R3與雙運放ICl組成的全差分放大器，其中R3用于調節全差分放大器的放大倍數以適應靈敏度不同的振動沖擊敏感器件，差分放大器的放大倍數為:A=1+(R1+R2)/R3。在傳感器整定過程中，R3由可變電阻器替代，整定完成后將R3換為相應阻值的固定電阻。電阻Rl?R6均選擇溫度特性較好的金屬膜電阻。
[0031 ]由圖4可知，本發明傳感器的引線接頭為6芯，分別定義為:熱敏邏輯元件的邏輯輸出Kon、單總線數字溫度傳感器的數字信號輸入和輸出DQ、傳感器電源VCC、傳感器地GND、差分輸出的振動沖擊信號Va+和Va-。傳感器的工作電源可在3.0?5.5V之間選擇，具體應在滿足雙運放ICl和溫度敏感器件工作電源要求的前提下盡量選擇較低等級的傳感器工作電源電壓，以降低傳感器的靜態功耗；同時，電阻R4、R5的阻值應大于1K Ω，電阻R1、R2的阻值應大于100ΚΩ，為易熔合金，與熱敏邏輯元件串聯的限流電阻的阻值應在500ΚΩ以上。
[0032]參見圖5、圖6、圖7、圖8，分別是本發明傳感器的仰視圖、俯視圖、基座螺紋接頭圖、以及外形圖，本發明傳感器的安裝連接是一種可拆卸式的螺栓連接，基座中部為一六邊形螺帽，包括帽本體、自所述帽本體向下延伸形成的桿體，所述桿體包括形成在所述桿體內的密封孔、以及形成在所述桿體的外緣上且與所述外殼的旋向相同的外螺紋，所述桿體的直徑小于帽本體的直徑;實際應用中，所述桿體埋設到列車走行部的被測工件內，且該螺栓與工件之間形成螺紋連接，從而可加強傳感器與被測工件之間的連接，防止松動。本發明傳感器的敏感元器件和電路均安裝在外殼、基座、封片一起形成的密閉金屬空腔內，工作電源和傳感信號均連接于引線接頭，可有效抑制列車走行部狀態監測工況環境的強電磁干擾，使列車走行部運行狀態監測結果更加準確可靠。
【主權項】
1.一種用于列車走行部狀態監測的多參量傳感器，包括外殼(I)、基座(2)、引線接頭(3)、電荷放大器(4)、質量塊(5)、振動沖擊敏感器件(6)、限流電阻(7)、溫度敏感器件(8)、熱敏邏輯元件(9)、封片(10);其特征在于所述敏感元器件和電路均安裝在外殼(1)、基座(2)、封片(10)—起形成的密閉金屬空腔內，工作電源和傳感信號均連接于引線接頭(3)，所述基座(2)通過中上部螺紋與外殼(I)連接、通過下部螺紋與走行部關鍵部件可靠連接，可集中監測列車走行部的振動、沖擊、溫度、熱敏邏輯狀態四種參數。2.根據權利要求1所述的一種用于列車走行部狀態監測的多參量傳感器，其特征在于所述的傳感器基座(2)底部開有一孔用于封裝溫度敏感器件(8)、熱敏邏輯元件(9)與限流電阻(7)，并由金屬封片(10)密封，基座(2)中上部開有一側孔且與底部開孔連通，用于引出信號線;所述振動沖擊敏感器件(6)由螺釘通過質量塊(5)緊固在基座(2)上部凹槽中，與其連接的電荷放大器(4)由螺釘固定于基座(2)頂部。3.根據權利要求1所述的一種用于列車走行部狀態監測的多參量傳感器，其特征在于所述的振動沖擊敏感器件(6)由兩片相同的壓電晶片串聯而成，以形成一個差分輸出方式的信號源。4.根據權利要求1所述的一種用于列車走行部狀態監測的多參量傳感器，其特征在于所述的電荷放大器(4)是一個由低功耗低噪聲雙運放1(:1、電阻1?1、1?2、1?3、1?4、1?5、1?6和電容Cl、C2組成的單電源全差分放大器。5.根據權利要求1所述的一種用于列車走行部狀態監測的多參量傳感器，其特征在于所述的溫度敏感器件(8)為單總線數字溫度傳感器。6.根據權利要求1所述的一種用于列車走行部狀態監測的多參量傳感器，其特征在于所述的熱敏邏輯元件(9)為易熔合金，與限流電阻(7)串聯后并接于溫度敏感器件(8)的電源兩端，邏輯信號由串接點輸出。
【專利摘要】本發明公開了一種用于列車走行部狀態監測的多參量傳感器，包括外殼1、基座2、引線接頭3、電荷放大器4、質量塊5、振動沖擊敏感器件6、限流電阻7、溫度敏感器件8、熱敏邏輯元件9、封片10，能集中監測列車走行部關鍵部件的振動、沖擊、溫度、熱敏邏輯狀態四種參數，可有效抑制列車走行部狀態監測中的強電磁干擾，克服了現有列車走行部狀態監測中常用單端輸出傳感器抗干擾能力差的問題，避免了現有列車走行部狀態監測中常因敏感元件失效而造成的誤診或漏診，滿足列車走行部運行狀態監測與故障診斷的應用要求。
【IPC分類】G01D21/02
【公開號】CN105698859
【申請號】CN201610092948
【發明人】黃采倫, 何斌華, 王靖
【申請人】湖南科技大學
【公開日】2016年6月22日
【申請日】2016年2月20日