CN102120461A - 一种用于监测轨道车轴的单元结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于监测轨道车轴的单元结构，包括至少一个共聚物压电振动传感单元，一个处理单元。振动传感单元通过胶结、焊接或者机械紧固方式安装在轨道背面。传感单元获得10Hz到1MHz轨道的振动，经过无源电缆(比如超强韧性高密度聚乙烯，具可防水、低电容特点)连接到处理单元，一个处理单元可以连接多个传感单元。传感单元实时获得轨道振动信号，处理单元进行信号采集、预处理，并将预处理的数据通过无线或有线方式传输出去。本发明具有采样周期、采样精度、传输数据时间间隔可配置、可编程的灵活性，安装操作简便并具有良好的环境适应性，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

一种用于监测轨道车轴的单元结构

【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，提供一种基于压电材料振动检测特性的实时轨道计轴监测单元结构，具有低成本、高可靠性、低误操作率、易安装维护的特性，适合轨道沿线大范围密集分布。

为实现上述目的，本发明提供一种实时监测轨道振动的监测单元结构，包括至少一个共聚物压电振动传感单元，一个处理单元。所述共聚物压电振动传感单元与处理单元互联，共聚物压电振动传感单元实时获得10Hz到1MHz轨道振动信号，通过无源电缆，比如超强韧性高密度聚乙烯(HDPE)、可防水、低电容(如89pF/m)连接到处理单元，处理单元完成信号采样数字化等预处理并将处理后的数据再通过无线或有线广域通信网发送出去。

共聚物压电振动传感单元能够通过胶结、焊接或机械紧固方式安装在轨道底部，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和间隔(从毫秒到秒)和采样精度(16位到24位)等均可由用户设置。

共聚物压电振动传感单元的使用方式是可在单轨道或双轨道底部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：

本发明采用一种共聚物压电振动传感单元和处理单元，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是共聚物压电振动传感单元的示意图，该传感单元的中心层由共聚物压电材料构成，两侧依次是高分子填充层和金属保护层。

图2是一个安装实施示意图，在单条钢轨到相邻两条轨枕等距的位置，钢轨的底部安装一个共聚物压电振动单元。共聚物压电振动单元通过电缆连接处理单元，处理单元将处理后的数据通过无线GPRS/3G发往监测中心。

图3是一个安装实施示意图，在对应两条钢轨上到相邻两条轨枕等距的位置，钢轨的底部分别安装一个共聚物压电振动单元。共聚物压电振动单元通过电缆连接处理单元，处理单元将处理后的数据通过无线GPRS/3G发往监测中心。

图4是一个安装实施示意图，在单条钢轨到相邻两条轨枕三等分的两个位置，钢轨的底部分别安装两个共聚物压电振动单元。共聚物压电振动单元通过电缆连接处理单元，处理单元将处理后的数据通过无线GPRS/3G发往监测中心。

图5是一个安装实施示意图，在对应两条钢轨到相邻两条轨枕三等分的两个位置，钢轨的底部分别安装四个共聚物压电振动单元。共聚物压电振动单元通过电缆连接处理单元，处理单元将处理后的数据通过无线GPRS/3G发往监测中心。

图6是个共聚物压电振动传感单元安装在钢轨轨底的实施例，机械紧固件1、机械紧固件2和轨底将共聚物压电振动传感单元固定在轨底，如图1所示的传感单元紧贴轨底和机械紧固件1，整个结构通过紧固螺钉和轨底轨腰过渡面达到稳定。共聚物压电材料能够收集钢轨振动信号并传送到处理单元。

图7是另一种共聚物压电振动传感单元的示意图，该传感单元的中心层由共聚物压电材料构成，从上至下依次是焊接板、高分子填充层、共聚物压电材料、高分子填充层和金属保护层。焊接板用于和钢轨焊接连接时用。

图8是一个共聚物压电振动传感单元采用焊接方式安装在钢轨轨底的实施例，利用如图7的共聚物压电振动传感单元，将传感单元焊接板通过焊接方式和钢轨底部连接。共聚物压电材料能够收集钢轨振动信号并传送 到处理单元。

图9是一个共聚物压电振动传感单元采用胶结方式安装在钢轨轨底的实施例，利用如图1或图7的共聚物压电振动传感单元，将传感单元用PU胶连接到钢轨底部连接。共聚物压电材料能够收集钢轨振动信号并传送到处理单元。

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 (7)

1.一种实时监测轨道车轴信息的监测单元结构，其特征在于：包括至少一个共聚物压电振动传感单元，一个处理单元。所述共聚物压电振动传感单元与处理单元互联，共聚物压电振动传感单元实时获得10Hz到1MHz轨道振动信号，通过无源电缆，比如超强韧性高密度聚乙烯(HDPE)、可防水、低电容(如89pF/m)连接到处理单元，处理单元完成信号采样数字化等预处理并将处理后的数据再通过无线或有线广域通信网发送出去。

2.如权利要求1所述的共聚物压电振动传感单元结构，其特征在于：能够安装在轨道底部，实时连续监测所处位置轨道的振动。

3.如权利要求2所述的共聚物压电振动传感单元结构，其特征在于：实时连续监测的时间精度和间隔(从毫秒到秒)和采样精度(16位到24位)等均可由用户设置。

4.如权利要求2和3所述的共聚物压电振动传感单元结构，其特征在于：共聚物压电传感器能够以胶结、焊接或机械紧固的方式安装到轨道底部。

5.如权利要求1所述的共聚物压电振动传感单元结构，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。

6.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。

7.如权利要求1所述的共聚物压电振动传感单元结构，其特征在于：压电材料为薄片形式，薄片外部具有保护层，保护层可采用金属形式或有机物形式。压电薄片的一侧或两侧具有金属垫片。

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