CN110761262A - 一种自供能的高铁路基监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自供能的高铁路基监测系统及监测方法，系统包括压电单元、整流电路、储能单元、信号分析单元、GPS定位系统、无线传输单元及计算机终端。本发明每隔1km将5个压电单元沿深度埋设在高铁路基中，利用压电材料的力电耦合特性，收集高铁经过时产生的振动并转换为电信号，然后通过电信号的电压峰值标定高铁路基的剪切模量，从而达到监测高铁剪切路基剪切模量的目的。本发明在不损坏高铁路基的前提下，有效利用高铁运行产生的振动，实现压电传感器自供能监测高铁路基剪切模量，可以为高铁路基提供安全预警；还可以为中国高铁建设提供交通大数据，推进高速铁路物联网建设。
Description
技术领域
本发明涉及高铁路基监测领域，特别地，涉及一种利用压电技术进行高铁路基监测的自供能传感器监测系统和监测方法。
背景技术
路基是道路的承载主体，保证路基长期处于稳定状态具有重要意义。现有的设备只能对路基进行检测，通常需要破坏路基主体，而且无法做到对路基进行实时监测，当路基中有一些细微变化时(路基剪切模量轻微衰减)，肉眼无法察觉，这就造成了安全隐患。
发明专利CN201710444838公开了一种高速公路路基监测器，通过将路基监测探头埋入高速公路路基中，监测路基内压力的变化，以此判断路基是否塌陷。但该装置需要电源设备，而且高速公路荷载较为复杂，车辆荷载的变化也能引起路基内压力的变化，因此通过监测路基内压力的变化来判断路基是否塌陷并不精确。
本发明基于压电材料的力电耦合特性，可以将高铁经过后在路基中产生的振动转换为电信号，通过对电压峰值的分析，可以将产生的电压峰值反映路基剪切模量的变化。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出了一种自供能的高铁路基监测系统及监测方法，该系统基于电压峰值与路基剪切模量的对应关系，通过监测路基中埋设的压电单元的电信号的电压峰值变化反映路基剪切模量的变化，实现路基剪切模量监测。同时，路基振动产生的能量可为本系统其他部件供能，实现了系统自供能监测，这一点在偏远山区和其他没有通电的地方有极大优势。
本发明采用的技术方案是：一种自供能的高铁路基监测系统，包括压电单元和监测单元；
压电单元包括压电材料及其用于封装压电材料的封装外壳，多个压电单元沿深度方向依次埋设在轨道板下方路基中，用于获取高铁经过时不同深度处路基的振动并产生电信号；
监测单元布置于铁路一侧，监测单元包括整流电路、储能单元、信号分析单元、用于定位监测系统的GPS定位系统和无线传输单元。
所述整流电路包括变压器、硅整流二极管和滤波器，整流电路接收压电单元产生的电信号，经整流电路整流后，一部分输出至信号分析单元，剩余电能输出至储能单元；
储能单元，用于存储富余电能并为监测单元中其他部件供能；
所述信号分析单元，用于筛选逻辑判断整流后的电信号。其逻辑判断为：将标准轴载和标准速度的高铁经过时压电单元产生的电信号的电压峰值与正常路基时产生电信号的电压峰值进行对比并计算电压峰值增量，将电压峰值增量作为输出结果通过无线传输单元传送至计算机终端。当电压峰值增量大于20％-30％时，信号分析单元同时向GPS定位系统输送触发定位信号，GPS定位系统定位监测系统位置，经无线传输单元将当前位置传输至铁路局终端。
高铁加减速亦会造成电压峰值的改变，信号分析单元会接收上方高铁加减速信息，过滤因高铁加减速引起的电信号电压峰值突变的电信号，再对筛选后标准轴载和标准速度的的高铁经过时的电信号进行逻辑判断。
进一步地，所述压电单元的封装外壳为弹性橡胶。
本发明还提供了一种上述自供能的高铁路基系统的监测方法，包括如下步骤：
(1)沿铁路方向布置高铁路基监测系统，其中监测单元布置于铁路一侧，多个压电单元沿深度方向依次埋设在轨道板下方路基中。
(2)高铁经过布置在路基中的自供能的高铁路基监测装置，在压电单元中产生交流电信号，经整流电路转化为直流电信号。
(3)信号分析单元获取高铁经过时的加减速信息，若经过高铁正在加速或减速，则该直流电信号全部输出至储能单元。若经过高铁无加减速，则该直流电信号先输出至信号分析单元，剩余部分存储至储能单元。
(4)信号分析单元将接收到的电信号的电压峰值与正常路基时电信号的电压峰值进行对比并计算电压峰值增量，将电压峰值增量作为输出结果通过无线传输单元传送至计算机终端进行实时监测。
(5)当电压峰值增量超过20％-30％时，工作人员可根据该监测系统中各压电单元的电压峰值增量情况判断路基损坏位置并前往GPS所定位的位置进行路基维护。
进一步地，所述步骤(5)中，根据该监测系统中各压电单元的电压峰值增量情况判断路基损坏位置具体为：
若单独最深的压电单元的电压峰值增加，说明埋设第m-1个压电单元至第m个压电单元的路基出现损坏。其中，m为正整数，表示由浅及深依次布置在路基中的压电单元的序号；
若仅有第m-1个压电单元和第m个压电单元的电压峰值增加，则埋设第m-2个压电单元至第m个压电单元的路基剪切出现损坏。
若第m-2个压电单元、第m-1个压电单元和第m个压电单元的电压峰值增加，则埋设第m-3个压电单元至第m个压电单元的路基出现损坏。
以此类推，若全部压电单元的电压峰值都有增加，则说明轨道板至埋设第m个压电单元的路基出现损坏。
进一步地，所述步骤(1)中，沿铁路方向每1km布置一套高铁路基监测系统，每套高铁路基监测系统中，在轨道板下方路基中沿深度方向每隔0.2m埋设一个压电单元，埋设5个压电单元。
进一步地，所述步骤(5)中，由浅及深依次布置在路基中的压电单元中，若第1个压电单元电压峰值增量大于30％，第2个压电单元电压峰值增量大于28％，第3个压电单元电压峰值增量大于25％，第4个压电单元电压峰值增量大于23％或第5个压电单元电压峰值增量大于20％时，路基损坏严重，工作人员根据该监测系统中各压电单元的电压峰值增量情况判断路基损坏位置并前往GPS所定位的位置进行路基维护。
本发明的有有益效果是：
1.本发明是基于电压峰值与路基剪切模量的对应关系，通过监测路基中埋设的压电单元的电信号的电压峰值变化来反映路基剪切模量的变化，从而实现路基监测。同时本发明还设定了一系列路基破坏的标定值，并采用信号分析单元进行逻辑判断，同时信号分析单元可排除因高铁加减速造成的传感器输出误差，具有监测敏感、可信度高的优点。
2.本发明的系统可以做到无需钻孔或者破坏路基，就能长期监测路基情况。可以为高铁路基提供安全预警；还可以为中国高铁建设提供交通大数据，推进高速铁路物联网建设
3.本发明无需外部供电，采用自供能传感器，在野外和其他难以供电的山区更具实用性。
4.本发明结合GPS定位系统，可定位路基剪切模量衰减区域并进行维护。
5.本发明采用高弹性橡胶封装压电单元，金属外壳封装其他部件，提升本系统的使用寿命。
附图说明：
图1高铁路基监测系统结构示意图；
图2高铁路基监测系统概念图；
图3信号分析单元原理图；
图4正常路基与路基受损时高铁振动输出电信号对比(未整流)；
图5不同深度压电单元峰值电压与路基剪切模量关系曲线；
图中，1：轨道；2：压电单元；3：路堤、路基；4：电缆线；5：监测单元。
具体实施方式
参见图1和2，本发明的一种自供能的高铁路基监测系统，包括压电单元和监测单元；
一种自供能的高铁路基监测系统，包括压电单元2和监测单元5；
压电单元2包括压电材料及其用于封装压电材料的封装外壳，多个压电单元沿深度方向依次埋设在轨道板下方路基中，用于获取高铁经过时不同深度处路基的振动并产生电信号；
监测单元5布置于铁路一侧，监测单元包括整流电路、储能单元、信号分析单元、用于定位监测系统的GPS定位系统和无线传输单元。
所述整流电路包括变压器、硅整流二极管和滤波器，整流电路接收压电单元2产生的电信号，经整流电路整流后，一部分输出至信号分析单元，剩余电能输出至储能单元；
储能单元，用于存储富余电能并为监测单元中其他部件供能，主要为GPS定位系统和无线传输单元供能；
所述信号分析单元，用于筛选并逻辑判断整流后的电信号。其逻辑判断如图3所示，具体为：先过滤掉因高铁加减速引起的电信号电压峰值突变的电信号，再将标准轴载和标准速度的高铁经过时压电单元2产生的电信号的电压峰值与正常路基时产生电信号的电压峰值进行对比并计算电压峰值增量，将电压峰值增量作为输出结果通过无线传输单元传送至计算机终端。当电压峰值增量大于20％-30％时，信号分析单元同时向GPS定位系统输送触发定位信号，GPS定位系统定位监测系统位置，经无线传输单元将当前位置传输至铁路局终端。
为解释本系统原理，本发明建立相应理论模型，推导利用电压峰值标定路基剪切模量的合理性：
理论推导建立在Biot波动理论基础上：
σij＝λδijθ+μ(ui,j+uj,i)-αδijpf
式中ui(i＝x、y、z)分别为土骨架沿x、y、z方向的位移；wi(i＝x、y、z)液相相对于土骨架沿x、y、z方向的位移；α、M为表示土颗粒和孔隙流体压缩性的饱和土体参数；ρ、ρf分别为土体和液相的密度；m＝ρf/n为反映土体孔隙率的参数；n为土体的孔隙率；b为反映流固相对位移时内摩擦力的物理量，ui、wi上方的点表示对时间t的导数；λ、μ为Láme常数。θ＝ui,i为土体体应变；σij为土体总应力；pf为孔隙水压力；δij为DiracDelta函数。
上述公式联立移动的高铁轴载q，可求出地基中应力为：
式中σz为竖向应力，q为高铁轴载，Dp为轨道板抗弯刚度，mb为轨道板质量，μ为剪切模量，ω为频率，ξ和η为x、y变换到波数域的参数。
再带入压电单元的压电方程：
D＝d33σz(x,y,z,t)+ε33Ez(x,y,z,t)
其中D为电位移，d33为压电常数，ε33为介电常数，Ez为电场强度。
最终求得压电单元的输出电压为：
其中V为电压，N为压电片个数，Ψ为压电材料参数，
RL为外接电阻，d33为压电材料的压电常数，i为虚数单位，S为压电材料面积，Cp为压电材料等效电容，ω为频率，ξ和η为x、y变换到波数域的参数；v为高铁速度，Dp为轨道板抗弯刚度，mb为轨道板质量。
经积分可得最终输出电压为：
从上式我们可看到输出电压和路基剪切模量μ，高铁轴载q和列车速度v有关，通常情况下高铁都为标准轴载和标准速度，那么输出的电压便可直接反映相应的路基剪切模量μ，若路基剪切模量衰减，相应的电压便会增大。图4是正常路基与模量衰减路基输出电信号的波形图，若路基剪切模量衰减，电压峰值增大，进一步说明信号分析单元可以依据此原理判断路基剪切模量的衰减情况。
本发明还提供了一种上述自供能的高铁路基系统的监测方法，包括如下步骤：
(1)沿铁路方向布置高铁路基监测系统，其中监测单元5布置于铁路一侧，多个压电单元2沿深度方向依次埋设在轨道板下方路基中。
作为优选，如图1所示的高铁路基监测系统结构示意图，该系统中沿铁路方向每1km布置一套自供能的高铁路基监测系统，每套自供能的高铁路基监测系统沿路基深度每隔0.2m埋设1个压电单元2，共计5个，可以监测1m深的路基剪切模量。每一个压电单元由堆栈式压电材料通过串联组装而成，采用d33发电模式收集高铁运行引起的路基竖向能量，但不限于此。所述压电单元的封装外壳为高弹性橡胶，封装防水且与路基刚度契合。压电单元的布置与路基填料同步进行。压电单元与其他部件通过电缆线连接，除压电单元外，其他部件均布置在高铁线路旁，均采用金属外壳封装。
(2)高铁经过布置在路基中的自供能的高铁路基监测装置，在压电单元中产生交流电信号，经整流电路转化为直流电信号。
(3)信号分析单元获取高铁经过时的加减速信息，若经过高铁正在加速或减速，则该直流电信号全部输出至储能单元。若经过高铁无加减速，则该直流电信号先输出至信号分析单元，剩余部分存储至储能单元。其中，高铁运行情况可接入物联网，无线传输单元获取物联网上的高铁运行情况并传输至信号分析单元以获得高铁经过时的加减速信息。信号分析单元不会以高铁加减速引起的电压峰值改变判定相应的地基模量变化。
(4)信号分析单元将接收到的电信号的电压峰值与正常路基时电信号的电压峰值进行对比并计算电压峰值增量，将电压峰值增量作为输出结果通过无线传输单元传送至计算机终端进行实时监测。
(5)当电压峰值增量超过20％-30％时，说明路基剪切模量衰减较大，路基出现较为严重的损坏，工作人员可根据该监测系统中各压电单元的电压峰值增量情况判断路基损坏位置并前往GPS所定位的位置进行路基维护。
图5是不同路基深度埋设的压电单元电压峰值与路基剪切模量的关系图，不同路基深度埋设的压电单元电压峰值变化量与路基剪切模量衰减程度不同，因此由浅及深依次布置在路基中的压电单元中，若第1个压电单元电压峰值增量大于30％，第2个压电单元电压峰值增量大于28％，第3个压电单元电压峰值增量大于25％，第4个压电单元电压峰值增量大于23％或第5个压电单元电压峰值增量大于20％时，路基损坏严重，工作人员根据该监测系统中各压电单元的电压峰值增量情况判断路基损坏位置并前往GPS所定位的位置进行路基维护。
另外，根据该监测系统中各压电单元的电压峰值增量情况判断路基损坏位置具体为：
若单独最深的压电单元的电压峰值增加，说明埋设第m-1个压电单元至第m个压电单元的路基出现损坏。其中，m为正整数，表示由浅及深依次布置在路基中的压电单元的序号；
若仅有第m-1个压电单元和第m个压电单元的电压峰值增加，则埋设第m-2个压电单元至第m个压电单元的路基剪切出现损坏。
若第m-2个压电单元、第m-1个压电单元和第m个压电单元的电压峰值增加，则埋设第m-3个压电单元至第m个压电单元的路基出现损坏。
以此类推，若全部压电单元的电压峰值都有增加，则说明轨道板至埋设第m个压电单元的路基出现损坏。
Claims (6)
1.一种自供能的高铁路基监测系统，其特征在于，包括压电单元和监测单元；
压电单元包括压电材料及其用于封装压电材料的封装外壳，多个压电单元沿深度方向依次埋设在轨道板下方路基中，用于获取高铁经过时不同深度处路基的振动并产生电信号；
监测单元布置于铁路一侧，监测单元包括整流电路、储能单元、信号分析单元、用于定位监测系统的GPS定位系统和无线传输单元。
所述整流电路包括变压器、硅整流二极管和滤波器，整流电路接收压电单元产生的电信号，经整流电路整流后，一部分输出至信号分析单元，剩余电能输出至储能单元；
储能单元，用于存储富余电能并为监测单元中其他部件供能；
所述信号分析单元，用于筛选并逻辑判断整流后的电信号。其逻辑判断为：将标准轴载和标准速度的高铁经过时压电单元产生的电信号的电压峰值与正常路基时产生电信号的电压峰值进行对比并计算电压峰值增量，将电压峰值增量作为输出结果通过无线传输单元传送至计算机终端。当电压峰值增量大于20％-30％时，信号分析单元同时向GPS定位系统输送触发定位信号，GPS定位系统定位监测系统位置，经无线传输单元将当前位置传输至铁路局终端。
2.根据权利要求1所述的一种自供能的高铁路基监测系统，其特征在于，所述压电单元的封装外壳为弹性橡胶。
3.一种基于权利要求1所述的一种自供能的高铁路基系统的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)沿铁路方向布置高铁路基监测系统，其中监测单元布置于铁路一侧，多个压电单元沿深度方向依次埋设在轨道板下方路基中。
(2)高铁经过布置在路基中的自供能的高铁路基监测装置，在压电单元中产生交流电信号，经整流电路转化为直流电信号。
(3)信号分析单元获取高铁经过时的加减速信息，若经过高铁正在加速或减速，则该直流电信号全部输出至储能单元。若经过高铁无加减速，则该直流电信号先输出至信号分析单元，剩余部分存储至储能单元。
(4)信号分析单元将接收到的电信号的电压峰值与正常路基时电信号的电压峰值进行对比并计算电压峰值增量，将电压峰值增量作为输出结果通过无线传输单元传送至计算机终端进行实时监测。
(5)当电压峰值增量超过20％-30％时，工作人员可根据该监测系统中各压电单元的电压峰值增量情况判断路基损坏位置并前往GPS所定位的位置进行路基维护。
4.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，所述步骤(5)中，根据该监测系统中各压电单元的电压峰值增量情况判断路基损坏位置具体为：
若单独最深的压电单元的电压峰值增加，说明埋设第m-1个压电单元至第m个压电单元的路基出现损坏。其中，m为正整数，表示由浅及深依次布置在路基中的压电单元的序号；
若仅有第m-1个压电单元和第m个压电单元的电压峰值增加，则埋设第m-2个压电单元至第m个压电单元的路基剪切出现损坏。
若第m-2个压电单元、第m-1个压电单元和第m个压电单元的电压峰值增加，则埋设第m-3个压电单元至第m个压电单元的路基出现损坏。
以此类推，若全部压电单元的电压峰值都有增加，则说明轨道板至埋设第m个压电单元的路基出现损坏。
5.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，沿铁路方向每1km布置一套高铁路基监测系统，每套高铁路基监测系统中，在轨道板下方路基中沿深度方向每隔0.2m埋设一个压电单元，埋设5个压电单元。
6.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，所述步骤(5)中，由浅及深依次布置在路基中的压电单元中，若第1个压电单元电压峰值增量大于30％，第2个压电单元电压峰值增量大于28％，第3个压电单元电压峰值增量大于25％，第4个压电单元电压峰值增量大于23％或第5个压电单元电压峰值增量大于20％时，工作人员根据该监测系统中各压电单元的电压峰值增量情况判断路基损坏位置并前往GPS所定位的位置进行路基维护。
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