CN103335589A - 无缝线路钢轨温度应力传感节点的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明无缝线路钢轨温度应力传感节点的标定方法属于传感分析及测量控制技术领域，特别涉及一种无缝线路钢轨温度应力传感节点的标定方法。该标定方法采用已知热膨胀系数低的材料作为标准，模拟无缝线路钢轨，在传感节点上预先测量这种低膨胀材料的应变，以模拟测量无缝线路钢轨温度力，根据测量结果与理论值的差值标定传感节点的温漂误差大小，在监测实际无缝线路钢轨温度力和锁定轨温时进行温漂误差补偿。该标定方法能够快速、简单的在实验室内测出传感节点的温漂误差，对传感节点进行标定，对节点工程应用之前起到质量检测的作用。并且能在节点监测实际无缝线路钢轨温度力和锁定轨温的过程中进行温漂误差补偿，提高测量精度。

Description

无缝线路钢轨温度应力传感节点的标定方法

技术领域

本发明属于传感分析及测量控制技术领域，特别涉及一种无缝线路钢轨温度应力传感节点的标定方法。

背景技术

当前高速铁路采用无缝线路轨道结构，无缝线路是将多段标准单元轨条焊接在一起的长轨条线路，它取消了钢轨单元之间的焊缝，提高了列车运行的速度和平稳性，但是与此同时，在环境温度变化时，无缝线路内部会产生很大的纵向温度力。无缝线路每1℃的温度变化会产生2吨的钢轨温度力，因此在温度力过大时，可能会引起无缝线路应力集中或者变形，甚至导致胀轨或者断轨，从而影响列车运行安全。因此准确测量钢轨温度力对评价无缝线路钢轨安全状态和维护维修具有重要意义。无缝线路锁定轨温是指无缝线路内部应力为零时对应的温度，是铁道标准规定监测无缝线路安全状态的重要指标，能够帮助衡量无缝线路温度应力是否处于正常范围。无缝线路锁定轨温发生变化，即意味着钢轨未被完全约束，产生了除温度力之外的应力或者形变。铁道标准规定无缝线路钢轨的实际锁定轨温应该处于设计锁定轨温的规定范围之内，其波动范围不超过±（3～5）℃。

应变电测法测量无缝线路温度应力是指通过应变计测量钢轨应变，再换算成钢轨温度力。借助于无线传感网技术，应变电测法测量无缝线路温度应力在无缝线路运营时也能进行自动、实时以及分布式多点监测。应变电测法测量无缝线路温度应力已经在国内外得到一些应用，例如美国Salient Systems公司开发的RSM，英国FIOSTEC公司的Memory Track，以及国内实用新型专利201120140230.X公开的“钢轨温度应力监测装置”等，其测量仪器在工程应用之前，需要进行误差标定。目前应变电测法的测量仪器主要通过标准应变模拟仪标定，铁道行业标准TB/T2489-94测量轮轨水平力和垂直力主要通过向钢轨上施加标准力来进行标定，这两种标定方法主要针对环境温度对测量结果影响不大的情况。而应变电测法测量钢轨温度力时，受环境温度影响比较大，钢轨温度力传感节点的温漂误差能达到±2με/℃，这会造成±3kN/℃的温度应力误差，并且一年内能造成±8℃的锁定轨温误差，不能满足铁道标准规定的锁定轨温测量精度要求。因此需要对钢轨温度力传感节点在温度变化的环境下进行温漂误差标定，降低温漂误差对测量结果的影响，这对钢轨温度力的准确评价及钢轨安全状态的准确评估具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是解决应变电测法测量无缝线路钢轨温度力和锁定轨温过程中传感节点温漂误差大的问题，发明了一种采用低膨胀材料标定无缝线路钢轨温度力传感节点的方法，采用已知热膨胀系数低的材料作为标准，模拟无缝线路钢轨，在传感节点上测量这种低膨胀材料的应变，以模拟测量无缝线路钢轨温度力，根据测量结果与理论值的差值标定传感节点的温漂误差，并且在实际监测无缝线路钢轨温度力和锁定轨温时进行温漂误差补偿。该方法能简单、快速地在实验室内对无缝线路钢轨温度力传感节点进行标定，降低温漂误差。

本发明采用的技术方案是：一种无缝线路钢轨温度应力传感节点的标定方法，采用已知热膨胀系数低的材料作为标准，模拟无缝线路钢轨，在传感节点上预先测量这种低膨胀材料的应变，以模拟测量无缝线路钢轨温度力，根据测量结果与理论值的差值标定传感节点的温漂误差大小，并且，在监测实际无缝线路钢轨温度力和锁定轨温时进行温漂误差补偿；该标定方法包括以下步骤：

1)测量前准备

首先，按照国标GB/T4339-2008测量所用标准低膨胀材料的热膨胀系数，然后，将所用低膨胀材料进行加工，制成合适大小的低膨胀块8，将待测钢轨材料也进行加工，制成合适大小的补偿块4；在低膨胀块8表面按照规定工艺粘贴工作应变片7，在补偿块4表面粘贴补偿应变片6和温度传感器5；将温度传感器5与温度单元3连接，补偿应变片6和工作应变片7与应变单元2连接，工作应变片7通过航空插头H₁连接到传感节点1上，工作应变片7、补偿应变片6和两个桥臂电阻R组成惠斯通电桥；

2)温漂误差测量

将测量系统全部放置于高低温试验箱内，在室温下，待节点所测应变数据稳定后清零，然后调节高低温试验箱的温度，以低于0.5℃/min的速率连续升降温周期变化，模拟无缝线路钢轨温度变化，温度变化范围参考无缝线路钢轨一年内的温度变化，定时测量这一过程中的应变和温度数据；

3)数据处理

取每组应变和温度数据的平均值，对应变数据消除低膨胀块本身热膨胀系数的影响，得到修正后应变：ε_x＝ε_d-α_d×(T-T₀)，其中，ε_x是修正后应变；ε_d是节点测得的应变；α_d是低膨胀块的热膨胀系数；T是模拟钢轨的温度；T₀是清零时模拟钢轨的温度；

按公式σ＝E×ε计算模拟的钢轨应力，按公式

计算模拟的锁定轨温；其中，E是钢轨弹性模量，取E=206GPa；α是无缝线路钢轨热膨胀系数，取α=11.8×10^-6με/℃；

再分别计算钢轨应力测量误差Δσ＝σ-E×α×(T-T₀)和锁定轨温测量误差ΔT＝T_s-T₀。对于误差比较小、满足使用精度要求的节点，可直接投入使用；对于峰值过大、数据趋势杂乱无章、大幅度跳变突变以及误差特别大的节点，直接筛选掉；对于误差比较大但是误差与温度的规律比较稳定的节点，根据温度与误差的关系，在实际监测钢轨应力和锁定轨温时进行误差补偿，具体过程为：首先将温度与应变数据线性拟合，线性拟合方程为y＝kx+b，其一次项系数k即为温度每上升1℃节点测得的应变值，此节点的温漂误差为Δ＝k-(α_d-α)；

最后，在应用温漂误差为Δ的节点监测实际无缝线路钢轨温度力和锁定轨温时，对节点进行温漂误差补偿，得到温漂误差补偿后的应变ε＝ε_g-Δ×(T_g-T_g0)，其中：ε为温漂补偿后的应变，ε_g为节点补偿前测得的实际无缝线路钢轨应变值，T_g是钢轨温度，T_g0是清零时的钢轨温度。

该标定方法采用的标定装置中，传感节点1由应变单元2、温度单元3和补偿块4组成，补偿块4上粘贴有温度传感器5和补偿应变片6，温度传感器5与温度单元3连接，补偿应变片6和应变单元2连接，R是应变单元2中惠斯通电桥上的桥臂电阻；工作应变片7粘贴在低膨胀块8上，工作应变片7通过航空插头H₁连接到传感节点1上，工作应变片7、补偿应变片6和两个桥臂电阻R组成惠斯通电桥。

本发明的有益效果是该标定方法能够快速、有效、简单的在实验室内测出传感节点的温漂误差，对节点工程应用之前起到质量检测的作用；并能够模拟实际无缝线路，预先测出传感节点监测无缝线路钢轨温度力时的温漂误差，然后采用软件补偿的方法，在节点监测无缝线路钢轨应力和锁定轨温的过程中进行温漂误差补偿。

附图说明

图1为钢轨温度力和锁定轨温传感节点标定的电路图，其中：1-传感节点，2-应变单元，3-温度单元，4-补偿块，5-温度传感器，6-补偿应变片，7-工作应变片，8-低膨胀块，H₁-航空插头，R-桥臂电阻，E₀-输入桥压，ΔU-输出桥压；

图2为节点标定测得的温度和应变数据线性拟合图，其中：横坐标为温度/℃，纵坐标为应变/με，散点是应变数据，直线是线性拟合的直线。

图3为节点标定前后监测某段实际无缝线路的锁定轨温变化量对比图，其中：横坐标为日期，纵坐标为锁定轨温变化量/℃，实线是节点标定后测量的锁定轨温变化量，虚线是节点标定前测得的锁定轨温变化量。

具体实施方式

下面结合附图及技术方案对本发明的实施作进一步详细说明，如图1所示，钢轨温度力传感节点1由应变单元2、温度单元3和补偿块4组成，补偿块4上粘贴有温度传感器5和补偿应变片6，温度传感器5连接到温度单元3并且测量温度。节点标定时，所用低膨胀材料选用殷钢，利用殷钢热膨胀系数非常小的特点，模拟实际无缝线路钢轨，工作应变片7粘贴在殷钢块8上，通过航空插头H₁与传感节点1连接，工作应变片7、补偿应变片6和两个桥臂电阻R组成惠斯通电桥，通过电桥测量应变，其中电桥输入桥压为E₀，输出桥压为ΔU。通过高低温试验箱提供温度变化的环境，在传感节点1上预先测量殷钢块8的应变，以模拟测量无缝线路温度应力和锁定轨温，根据测量结果与理论值的差别标定传感节点1的误差，并且在实际监测无缝线路钢轨应力和锁定轨温时进行误差补偿。该方法包括以下步骤：

1)测量前准备

首先按照国标GB/T4339-2008比较精确的测量所用低膨胀材料殷钢的热膨胀系数，在-20～60℃范围内热膨胀系数为0.599×10^-6με/℃，远小于无缝线路钢轨的热膨胀系数11.8×10^-6με/℃。然后，将殷钢和待测钢轨材料分别机械加工成35mm×18mm×3mm的低膨胀块8和补偿块4，将其表面打磨平整；再按照规定工艺在低膨胀块8表面粘贴工作应变片7，在补偿块4表面粘贴补偿应变片6和温度传感器5，并且进行胶防护。最后完成补偿块4上补偿应变片6和温度传感器5到应变单元2和温度单元3的接线；完成低膨胀块8上工作应变片7到节点1的接线，工作应变片7、补偿应变片6与两个桥臂电阻R组成惠斯通电桥。

2)温漂误差测量

首先将测量系统全部放置于高低温试验箱内，调节试验箱温度为25±0.5℃，实时采集温度和应变数据，待节点所测应变数据稳定后，对应变清零，并且记录清零时刻温度T₀。设置节点每隔5min定时采集一次应变和温度数据，采样时长5s，采集频率分别为20Hz和1Hz；调节高低温试验箱的温度，以低于0.5℃/min的速率变化，连续降温至-10℃，再在-10℃～60℃之间循环一个周期，模拟无缝线路钢轨温度变化，记录这一过程中所测的应变和温度数据。

3)数据处理

取每组应变和温度数据的平均值，对应变数据消除殷钢本身热膨胀系数的影响，得到修正后应变ε_x＝ε_d-α_Y×(T-T₀)，其中，ε_x是修正后应变；ε_d是节点测得的应变；α_Y是殷钢热膨胀系数，0.599×10^-6με/℃；T是模拟钢轨的温度；T₀是清零时模拟钢轨的温度；分别计算模拟的钢轨应力σ＝E×ε和锁定轨温

其中，σ是模拟的钢轨应力；E是钢轨弹性模量，取206GPa；T_s是锁定轨温；α是无缝线路钢轨热膨胀系数，取11.8×10^-6με/℃；再分别计算钢轨应力测量误差Δσ＝σ-E×α×(T-T₀)和锁定轨温测量误差ΔT＝T_s-T₀。

对于误差比较小（ΔT≤±1℃）、满足使用精度要求的节点，可直接投入使用；对于峰值过大（大于5με）、数据趋势杂乱无章、大幅度跳变（大于20με）或者ΔT≥±5℃的节点，直接筛选掉；对于其他的误差规律稳定的节点，需要计算其温漂误差：根据-10℃至60℃之间测得的温度和应变数据，应用最小二乘法进行线性拟合，图2是节点标定测得的温度和应变数据线性拟合图，其中横坐标是温度/℃，纵坐标是应变/με，散点是应变数据，直线是线性拟合的直线，线性拟合方程为y＝kx+b，线性拟合方程一次项系数为k即为温度每上升1℃节点测得的应变值；没有误差的情况下应变输出应为α_Y-α，其中，α_Y和α分别为殷钢和钢轨的热膨胀系数，由于存在温漂误差，k和α_Y-α将有一定偏差，k和α_Y-α的差值为此节点的温漂误差Δ＝k-(α_Y-α)。

最后，再应用温漂误差为Δ的节点监测实际无缝线路钢轨温度力和锁定轨温时，对节点进行温漂误差补偿，得到温漂误差补偿后的应变ε＝ε_g-Δ×(T_g-T_g0)，其中：ε为温漂误差补偿后的应变，ε_g为节点补偿前测得的实际无缝线路钢轨应变值，T_g是钢轨温度，T_g0是清零时的钢轨温度。

图3为节点标定前后监测某段实际无缝线路的锁定轨温变化量对比图，其中：横坐标为日期，纵坐标为锁定轨温变化量/℃，实线是节点标定后测量的锁定轨温变化量，虚线是节点标定前测得的锁定轨温变化量，节点标定后测量锁定轨温的温漂误差得到明显降低。

本发明一种无缝线路钢轨温度力传感节点的标定方法，采用低膨胀材料在温度变化的环境中标定传感节点的温漂误差大小，能够快速、有效、简单的在实验室内测出传感节点的误差性能，对节点工程应用之前起到质量检测的作用；并能够模拟实际无缝线路，预先测出传感节点监测无缝线路钢轨温度力时的温漂误差，采用软件补偿的方法，在节点监测无缝线路钢轨应力和锁定轨温的过程中进行温漂误差补偿，能够有效降低传感节点的温漂误差。

Claims (2)

1.一种无缝线路钢轨温度应力传感节点的标定方法，其特征在于，一种无缝线路钢轨温度应力传感节点的标定方法，采用已知热膨胀系数低的材料作为标准，模拟无缝线路钢轨，在传感节点上预先测量这种低膨胀材料的应变，以模拟测量无缝线路钢轨温度力，根据测量结果与理论值的差值标定传感节点的温漂误差大小，并且，在监测实际无缝线路钢轨温度力和锁定轨温时进行温漂误差补偿；该标定方法包括以下步骤：

1)测量前准备

首先，按照国标GB/T4339-2008测量所用低膨胀材料的热膨胀系数，然后将所用低膨胀材料进行加工，制成合适大小的低膨胀块（8），将待测钢轨材料也进行加工，制成合适大小的补偿块（4）；在低膨胀块（8）表面按照规定工艺粘贴工作应变片（7），在补偿块（4）表面粘贴补偿应变片（6）和温度传感器（5）；将温度传感器（5）与温度单元（3）连接，补偿应变片（6）和工作应变片（7）与应变单元（2）连接，工作应变片（7）通过航空插头（H₁）连接到传感节点（1）上，工作应变片（7）、补偿应变片（6）和两个桥臂电阻（R）组成惠斯通电桥；

2)温漂误差测量

将测量系统全部放置于高低温试验箱内，在室温下，待节点所测应变数据稳定后清零，然后调节高低温试验箱的温度，以低于0.5℃/min的速率连续升降温周期变化，模拟无缝线路钢轨温度变化，温度变化范围参考无缝线路钢轨一年内的温度变化，测量这一过程中的应变和温度数据；

3)数据处理

取每组应变和温度数据的平均值，对应变数据消除低膨胀块本身热膨胀系数的影响，得到修正后应变：ε_x＝ε_d-α_d×(T-T₀)，其中，ε_x是修正后应变；ε_d是节点测得的应变；α_d是低膨胀块的热膨胀系数；T是模拟钢轨的温度；T₀是清零时模拟钢轨的温度；按公式σ＝E×ε计算模拟的钢轨应力，按公式

计算模拟的锁定轨温；其中，E是钢轨弹性模量，取E=206GPa；α是无缝线路钢轨热膨胀系数，取α=11.8×10^-6με/℃；再分别计算钢轨应力测量误差Δσ＝σ-E×α×(T-T₀)和锁定轨温测量误差ΔT＝T_s-T₀；

对于误差比较小、满足使用精度要求的节点，可直接投入使用；对于峰值过大、数据趋势杂乱无章、大幅度跳变突变以及误差特别大的节点，直接筛选掉；对于误差比较大但是误差与温度的规律比较稳定的节点，根据温度与误差的关系，在实际监测钢轨应力和锁定轨温时进行误差补偿；

具体误差补偿过程为：将温度与应变数据线性拟合，线性拟合方程为y＝kx+b，其一次项系数k即为温度每上升1℃节点测得的应变值，此节点的温漂误差为Δ＝k-(α_d-α)；应用温漂误差为Δ的节点监测实际无缝线路钢轨温度力和锁定轨温时，对节点进行温漂误差补偿，得到温漂误差补偿后的应变ε＝ε_g-Δ×(T_g-T_g0)，其中：ε为温漂补偿后的应变，ε_g为节点补偿前测得的实际无缝线路钢轨应变值，T_g是钢轨温度，T_g0是清零时的钢轨温度。

2.依据权利要求1所述的一种无缝线路钢轨温度应力传感节点的标定方法，其特征在于，该标定方法采用的标定装置中，传感节点（1）由应变单元（2）、温度单元（3）和补偿块（4）组成，补偿块（4）上粘贴有温度传感器（5）和补偿应变片（6），温度传感器（5）与温度单元（3）连接，补偿应变片（6）和应变单元（2）连接；工作应变片（7）粘贴在低膨胀块（8）上，工作应变片（7）通过航空插头（H₁）连接到传感节点（1）上，工作应变片（7）、补偿应变片（6）和两个桥臂电阻（R）组成惠斯通电桥。

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