CN102101486A

CN102101486A - 用于轨道车轴计轴监测的无线无源传感单元

Info

Publication number: CN102101486A
Application number: CN 201010607867
Authority: CN
Inventors: 冯晓星; 王新安; 葛彬杰; 王金泊
Original assignee: SHENZHEN SILIANG MICROSYSTEM CO Ltd
Current assignee: SHENZHEN SILIANG MICROSYSTEM CO Ltd
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2011-06-22

Abstract

本发明公开了一种用于轨道车轴计轴监测的无线无源传感单元，包括至少一个共聚物压电振动传感单元、一个信号处理单元、一个无线发送单元和换能器。该传感器通过胶结、焊接或者机械紧固方式安装在轨道处。传感单元获取10Hz到1GHz轨道的振动并送至信号处理单元，经过信号处理单元处理，通过无线发送单元发送出去。换能器可以将轨道列车驶近该传感单元时，在钢轨上产生的振动转化为电能唤醒整个传感器进入工作状态。本发明具有应用简单、安装方便、采样周期、采样精度、传输数据率可配置、可编程的灵活性、环境适应性强的优点。该系统成本低，能够支撑轨道沿线长距离(大于1000Km)密集(大于10个/Km)安装。

Description

用于轨道车轴计轴监测的无线无源传感单元

【技术领域】

本发明涉及轨道交通计轴仪器仪表和传感器及电路设计领域，具体涉及一种低成本、可以在轨道沿线密集布局的车轴监测单元，从而覆盖全轨道交通网络占用和空闲实时监测方法。

【背景技术】

铁路运输和高速铁路客运是国民经济的命脉，而城市轨道交通(简称城轨)对于缓解城市交通拥堵、改善城市大气环境具有十分重要的意义。

铁路运输和城轨的信号系统是运输安全生产的重要设备，要求实时地检测相应的线路或区段是否有列车占用或出清。目前铁路和城轨信号系统采用轨道电路、电磁计轴和光纤传感器计轴。

发明专利CN86103414公开了一种轨道电路，其特定的优点如结构简单、成本低廉等。但是也有一些自身无法克服的缺点，如轨道电路分路不良，俗称“压不死”和两轨道相互短路，输出占用红灯信号，出现“红光带”。

实用新型专利CN2337030公开了一种电磁计轴技术，该技术是以电磁感应传感器和计算机为核心，辅以外部设备，通过统计通过的列车轴数，检测线路是否有车。但是，目前也存在以下问题：

1)由于采用电磁感应原理，易受电磁干扰，如雷电，甚至维修工的铁锹都会产生干扰；

2)设备结构复杂，成本高；

3)我国的电磁感应计轴系统的故障率高，可靠型差。核心技术被国外公司垄断，主要电路板需送国外维修，周期长，费用高。

专利申请200910252831.7公开了一种光纤光栅传感列车计轴技术，该技术具有精确度高、稳定性好、防潮和防电磁干扰等特点，因此被广泛的应用于工程监测中。但是，目前存在以下问题：

1)成本高，核心的光学仪器设备和探测轨道应变信号的传感器价格昂贵，不利于轨道交通大区域网络检测监控布局。

2)光纤抗震动能力弱，不足以在轨道沿线长距离传输，同时光学设备对振动敏感，不适合在轨道沿线就近安装。

【发明内容】

本发明的主要目的就是解决现有技术中的问题，提供一种实时监测轨道车轴计轴监测的无线无源传感单元结构，包括至少一个共聚物压电振动传感单元、一个信号处理单元、一个无线发送单元和一个换能器。所述共聚物压电振动传感单元实时获得10Hz到1GHz轨道振动信号，信号处理单元利用振动信号判断是否有列车车轴通过传感器上方，如果有车轴通过则激发无线发送单元，将该传感单元的特定编码发送出去。整个系统采用换能器转化钢轨振动获得的电能供电。

该无线传感单元能够通过胶结、焊接或机械紧固方式安装在轨道处，包括轨道底部、腰部、轨道扣件上方，实时连续监测所处位置轨道的振动。实时连续监测的时间精度、采用频率和采样精度等均可由用户设置。

该无线传感单元的使用方式是可在单轨道或双轨道安装一个或多个传感单元。该传感单元组成的系统能够实时监测轨道振动的监测，具有较低成本，能够大区域、高密集布局，易于安装维护。

共聚物压电振动传感单元的检测原理是：

压电材料是一种经特殊加工后能实现动能和电能互换的材料。一些聚合体材料，例如共聚物PVDF使这一特性有了很大提高。压电材料在受机械冲击或振动时产生电荷。在原子层，偶极子(氢-氟偶对)的排列顺序被打乱，并试图使其恢复原来的状态。这个偶极子被打乱的结果就是有一个电子流形成。就像海绵中的水，当你挤压一块湿海绵时，水会从海绵中流出来，当你松开时，水又被吸回去，这同压电应力变化传感单元十分相似。当有应力施加到传感单元上时，就产生了电荷(电压)，而当去掉负载时，就会产生一个相反极性的信号。它产生的电压可以相当高，但传感单元产生的电流却比较小。

共聚物压电振动传感单元的检测原理就是如此，轨道列车车轴未经过振动传感器对应的位置时，传感器感受到的振动强度较弱。列车车轴经过振动传感器上方时，传感器感受到的振动强度较强，以此来进行车辆车轴检测和计数，同时判断轨道占用和空闲状态。

本发明的有益效果是：

本发明采用一种基于共聚物压电振动的无线无源传感单元，完成轨道车轴计数和轨道占用和空闲情况的实时监测，成本低，稳定性好，安装维护容易，适宜轨道沿线长距离、大范围、高密集度的建立实时监测点，从而能够有助于轨道资源充分利用。

【具体实施方式和附图说明】

本申请的特征及优点将通过实施例进行补充说明。

图1是一种用于轨道车轴计轴监测的无线传感单元示意图，包括一个共聚物压电振动传感单元、一个信号处理单元、一个无线发送单元和换能器。传感单元获取10Hz到1GHz轨道的振动并送至信号处理单元，经过信号处理单元处理，通过无线发送单元发送出去。换能器能够采集钢轨振动信号并转化为电能，激活整个传感单元并供电。

图2是一个共聚物压电振动传感单元安装在轨枕上的实施例，紧固螺钉将共聚物压电振动传感单元固定在轨枕。共聚物压电材料能够收集钢轨振动信号并传送到信号处理单元，并通过无线发送单元将带有特殊编码的信号发送给附近的本地基站

图3是一个本地基站接受100个无线共聚物压电振动传感单元信号的实施例，根据传感单元发送信号的距离，将本地基站设置在合理的位置，保证该100个无线共聚物压电振动传感单元发送的信号都能被正确接收到。利用本方案，就能够简化系统安装、降低成本、节约线材资源、提高系统稳定性。

图4是一个控制中心接受100个本地基站信号的实施例，本地基站接收传感单元发送信号，通过高速无线(如3G)的形式将数据发送到控制中心。利用本方案，控制中心能够获知多达10000个车轴监测点的信号，以100m一个监测点为例，一个控制中心就能够掌握1000Km轨道线上的占用和空闲情况。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种实时监测轨道车轴计轴监测的无线传感单元结构，其特征在于：包括至少一个共聚物压电振动传感单元、一个信号处理单元、一个无线发送单元和电池。所述共聚物压电振动传感单元实时获得10Hz到1GHz轨道振动信号，经过信号处理单元处理，通过无线发送单元发送出去。整个系统利用换能器转化振动来的电能唤醒并供电。

2.如权利要求1所述的无线发送单元，其特征在于：发送采用特定编码作为识别码。无线发送单元受信号处理单元控制，在没有列车经过时处于休眠状态，有列车经过时受车轴信号激发，脉冲式工作。

3.如权利要求1所述的换能器采集钢轨的振动并转化为电能，激活整个传感单元。

4.如权利要求1所述的传感单元结构，其特征在于：该传感单元结构可以采用胶结、焊接或机械紧固的方式安装在轨道底部、腰部、轨道扣件上方，实时连续监测所处位置轨道的振动。

5.如权利要求2所述的传感单元结构，其特征在于：监测的时间精度、采样间隔和采样精度等均可由用户设置。

6.如权利要求1所述的传感单元结构，其特征在于：可在单轨道或双轨道底部安装一个或多个传感单元。

7.如权利要求1所述的实时监测轨道振动的监测单元结构，其特征在于：具有较低成本，能够大区域、高密集布局，易于安装维护。