阅读说明：本技术 一种基于振动能量采集器的自供电铁路货车状态监测系统 (Self-powered railway wagon state monitoring system based on vibration energy collector ) 是由 侯晓伟 吕阳 郑良广 张坡 武鹏 于 2020-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于振动能量采集器的自供电铁路货车状态监测系统,涉及铁路货车状态监测技术领域,用以解决目前铁路货车的无线收发模块和传感器模块的能量供给的问题以及尺寸要求高的问题,本系统包括：设置在铁路货车上,用于采集铁路货车运行时的机械能,并将采集的机械能转化为电能的MEMS振动能量采集器、用于接收MEMS振动能量采集器输出的交流电,并将接收的交流电转化为直流电的整流模块、传感器模块以及将接收的预设数据信息发送至后台服务器的无线收发模块。本自供电铁路货车状态监测系统能够大幅减小器件整体尺寸,还能提高一致性和稳定性。(The invention provides a self-powered railway wagon state monitoring system based on a vibration energy collector, which relates to the technical field of railway wagon state monitoring and is used for solving the problems of energy supply of a wireless transceiver module and a sensor module of the current railway wagon and high size requirement, and comprises the following components: the system comprises an MEMS vibration energy collector, a rectification module, a sensor module and a wireless receiving and transmitting module, wherein the MEMS vibration energy collector is arranged on a railway wagon and used for collecting mechanical energy generated when the railway wagon runs and converting the collected mechanical energy into electric energy, the rectification module is used for receiving alternating current output by the MEMS vibration energy collector and converting the received alternating current into direct current, and the wireless receiving and transmitting module is used for transmitting the received preset data information to a background server. The self-powered railway wagon state monitoring system can greatly reduce the overall size of a device and can also improve the consistency and stability.)

一种基于振动能量采集器的自供电铁路货车状态监测系统

技术领域

本发明涉及铁路货车状态监测技术领域，尤其涉及一种基于振动能量采集器的自供电铁路货车状态监测系统。

背景技术

随着高速铁路的飞速发展，对列车结构健康以及运行状态进行实时监测的重要性日益凸显。尤其是在铁路货车领域，运行速度，轴承温度、轴承裂纹、轴承振动等数据需要实时监测，以此来保证整个货车的健康运行。监测这些数据，需要配备相应的传感器或传感系统进行数据采集和传输，而这些传感器属于主动器件，需要外部电源进行供电来保证正常工作，而外部电源的获取通常是通过部署电力电缆线进行满足。但是在铁路货车领域，由于用途的特殊性，部署电力线缆并不现实，一方面是因为货车车厢需要专门配置电力接收装置，如果仅为小型传感器（系统）供电（功率一般在W级），陈本非常高昂；另一方面，部署电力电缆线存在严重的电磁干扰，会影响铁路货车的运行安全。为此急需发展新的供电系统来支撑铁路货车的状态监测。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于振动能量采集器的自供电铁路货车状态监测系统，用以解决铁路货车的无线传感系统的能量供给问题及尺寸要求高的问题，本铁路货车状态监测系统通过基于TVS技术的MEMS电磁式振动能量采集的设计，通过阵列化设计，既解决了输出功率偏低的问题，又解决了尺寸的问题。

为了达到上述目的，本铁路货车状态监测系统包括：MEMS振动能量采集器、整流模块、传感器模块以及无线收发模块；

所述MEMS振动能量采集器，设置在铁路货车上，用于采集铁路货车运行时的机械能，并将采集的机械能转化为电能；

所述整流模块，用于接收MEMS振动能量采集器输出的交流电，并将接收的交流电转化为直流电，用于给无线收发模块以及传感器模块供电；

所述传感器模块，用于采集铁路货车在运行过程中的预设数据信息；

所述无线收发模块，用于接收传感器模块采集的铁路货车在运行过程中的预设数据信息，并将接收的预设数据信息发送至后台服务器。

进一步地，还包括电池；

所述电池，和无线收发模块连接，用于当MEMS振动能量采集器的输出功率达不到预设需求功率时，给无线收发模块供电 。

进一步地，所述电池和整流模块连接，用于当MEMS振动能量采集器的输出电压低于整流模块的预设需求电压时，给整流模块供电。

进一步地，所述MEMS振动能量采集器采用MEMS工艺和TSV填充工艺制备。

进一步地，所述MEMS振动能量采集器包括多个能量收集器。

进一步地，所述多个能量收集器按照预设阵列组合排列，所述按照预设阵列组合排列后的多个能量收集器按照预设串并联连接关系连接。

进一步地，所述传感器模块包括：温度传感器、电流传感器、电压传感器、湿度传感器以及加速度传感器。

进一步地，所述MEMS振动能量采集器设置在铁路货车的车体、转向架或轮轴上面。

进一步地，所述能量收集器包括三维螺线圈、永磁体和放置永磁体的腔室，所述永磁体***所述腔室。

本发明至少有以下有益效果是：

（1）本基于振动能量采集器的自供电铁路货车状态监测系统，采用振动能量采集器进行铁路货车机械能的采集，并将采集的机械能转化为电能，实现给铁路货车状态监测系统的无线收发模块的供电。

（2）本基于振动能量采集器的自供电铁路货车状态监测系统中振动能量采集器采用MEMS工艺制造，除了能够大幅减小器件整体尺寸外，还可提高振动能量采集器的一致性和稳定性。

（3）采用MEMS振动能量采集器给传感器模块和无线收发模块主供电，电池辅助供电，能够有效延长状态监测系统的电池更换时间，提高传感器模块的工作寿命。

附图说明

图1为本基于振动能量采集器的铁路货车状态监测系统的系统结构图。

图2为本基于振动能量采集器的铁路货车状态监测系统的阵列式振动能量采集器的结构示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例

本实施例提供了一种基于振动能量采集器的自供电铁路货车状态监测系统，如图1至图2所示，其中铁路货车在运行过程中存在大量的振动能，因此本系统采取能量采集技术，将铁路货车在运行过程中的振动能收集起来给传感器模块供电。

本系统包括：

MEMS振动能量采集器、整流模块、传感器模块以及无线收发模块；

所述MEMS振动能量采集器，设置在铁路货车上，用于采集铁路货车运行时的机械能，并将采集的机械能转化为电能；

所述整流模块，用于接收MEMS振动能量采集器输出的交流电，并将接收的交流电转化为直流电，用于给整流模块以及传感器模块供电；

所述传感器模块，用于采集铁路货车在运行过程中的预设数据信息；

所述无线收发模块，用于接收传感器模块采集的铁路货车在运行过程中的预设数据信息，并将接收的预设数据信息发送至后台服务器。

进一步地，还包括电池；

所述电池，和无线收发模块连接，用于当MEMS振动能量采集器的输出功率达不到预设需求功率时，给无线收发模块供电 。

本申请的铁路货车状态监测系统，从尺寸最小和能量最优着手，结合后端的无线数据收发系统的功率需要，进行MEMS振动能量采集器的铁路货车监测系统设计。

进一步地，所述电池和整流模块连接，用于当MEMS振动能量采集器的输出电压低于整流模块的预设需求电压时，给整流模块供电。

由于当铁路货车的传感器模块需要的功率较大时，通过电池无线收发模块以及传感器模块供电，并且通过电池给整流模块供电，保证了整流模块的触发电压，保证了整流也同时大大延长了无线收发模块和传感器模块的工作寿命。

进一步地，所述MEMS振动能量采集器采用MEMS工艺和TSV填充工艺制备。

进一步地，所述MEMS振动能量采集器包括多个能量收集器。

由于微型化振动能量采集器的输出功率不高，因此本实施例中提供的MEMS振动能量采集器进行阵列化集成，通过多个能量收集器的串并联连接，实现较高的输出功率。

进一步地，如图2所述，本实施例提供的MEMS振动能量采集器，包括能量采集器一、能量采集器二、能量采集器三、能量采集器四以及能量采集器五，所述五个能量收集器按照预设阵列组合排列，所述按照预设阵列组合排列后的多个能量收集器按照预设串并联连接关系连接，本MEMS振动能量采集器并不仅限于五个能量采集器组合。

进一步地，所述传感器模块包括：温度传感器、电流传感器、电压传感器、湿度传感器以及加速度传感器。

进一步地，所述MEMS振动能量采集器设置在铁路货车的车体、转向架或轮轴上面。

本申请将MEMS振动能量采集器安装在铁路货车的车体、转向架或者轮轴上面，为货车上的无线收发模块、传感器模块进行供电，直接采集铁路货车运行时产生的振动能，只要铁路货车振动，就能实现能量的采集。

进一步地，所述能量收集器包括三维螺线圈、永磁体和放置永磁体的腔室，所述永磁体***所述腔室。

具体的本系统具体的实施方案为：

采用MEMS工艺和TSV填充工艺相结合的方法，制备出三维螺线管线圈并预留好放置永磁体的腔室，最后通过***的方式放置永磁体，构成完整的MEMS振动能量采集器。当有外界振动时，永磁体便可做切割磁力线运动，产生输出电压；通常情况下，MEMS电磁式振动能量采集器的输出功率普遍偏低（ｕW量级），为了提高输出功率，采用阵列式集成的方法，既能保证输出功率又可保证器件的整体尺寸。

其中本自供电铁路货车状态监测系统，搭建有整流模块（分离器件搭建的电路或专用芯片），将MEMS振动能量采集器产生的交流电压转化为直流电压，并给无线收发模块和传感器模块进行供电。

本自供电铁路货车状态监测系统的振动能量采集器产生的功率通常比较微弱，当达不到传感器模块和无线收发模块的供电需求时，本申请中外接了锂电池，作为辅助电源。

本申请提出的自供电铁路货车状态监测系统通过阵列化设计的MEMS振动能量采集器，既解决了输出功率偏低的问题，又解决了尺寸需要微型化及小型化的要求。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。