CN111707396B - 一种可实现扣件松动无线无源检测的智能垫片系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可实现扣件松动无线无源检测的智能垫片系统，包括：智能垫片，为内部安装有声表面波谐振器和天线的一体化器件，随扣件一起安装在扣件与扣件压紧部件之间，承受对扣件施加的压力，在接收到激励电磁波信号之后反射电磁波信号；阅读器，为外置的激励与检测器，用于向所述智能垫片发射电磁波，并接受来自所述智能垫片的反射电磁波信号，通过处理得到扣件所受的压力信息。本发明还公开一种可实现扣件松动无线无源检测方法。本发明采用声表面波原理实现扣件压力的准确检测，实现扣件松动的检测，具有无线无源、检测精度高、探测速度快、安装方便、成本低、适应性强、长期稳定可靠的显著特点，可以大规模批量生产与应用。

Description

一种可实现扣件松动无线无源检测的智能垫片系统和方法

技术领域

本发明涉及一种检测系统，具体的，涉及的是一种可实现扣件松动无线无源检测的智能垫片系统和方法。

背景技术

轨道交通(包括铁路和城市地铁与轻轨)作为一项关系国计民生的重大项目，其安全维护至关重要。随着轨道交通里程与线路的不断增加，列车速度的逐步提高，对轨道基础设施状态监控的需求急速上升。扣件是轨道基础设施中非常关键的设施之一，扣件缺失将对行车安全产生毁灭性的严重影响。如何防患于未然，尽早发现扣件出现松动，并及时予以处理，是唯一可行的解决途径。

传统的人工检查和养护方式，由于费时费力，效率低下，已经不能满足现代轨道交通的要求。因此，实现扣件松动的快速探测成为主流的发展趋势。

目前现有的扣件松动检测方法主要分为以下几种：

第一种是视觉检测方法：通过各种线扫面或者面阵图像设备直接获取扣件区域的图像，通过检测螺母的角度、高度、扣件的变形等几何特征信息，实现扣件松动的检测。这种方法的优点，是探测系统集成度高、安装调试方便。其缺点是可靠性差、精度低、速度慢、受环境干扰严重等问题，因此应用较少。

第二种是压力传感器方法：通过采用各种压力传感器(应变式、压电式等)直接探测扣件或螺栓的压力，以此判断扣件是否出现松动。其优点是，属于直接检测方式，检测结果可靠性高、准确性好、通用性好。其缺点是，需要在每个扣件安装相应的传感器、检测电路，同时需要外部供电，检测结果需要通讯电缆传输到处理中心，不能实时传输到运营车辆之上，而且安装复杂繁琐，硬件投入成本高，工程量很大，缺乏实用性，并无太高的实际应用价值。

第三种是振动传感器方法：通过采用各种振动传感器(应变式、光纤式等)探测扣件或螺栓收到激振后产生的弹性波，以此判断扣件是否出现松动。其优点是，属于直接检测方式，检测结果准确性较好。其缺点是，需要分别对每个扣件直接施加外部的机械激振，研究生仍然需要人工逐个操作，费时费力、效率低下，工程量很大，缺乏不同扣件激振后产生的弹性波各不相同，没有通用性，因此并无太高的实际应用价值。

因而，如何实现扣件松动的快速、可靠、自动检测，仍然是一个世界难题。

发明内容

为了解决现有扣件松动探测技术的不足，本发明提出一种可实现扣件松动无线无源检测的智能垫片系统和方法，能实现扣件松动的快速、可靠、自动检测。

本发明是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的第一方面，提供一种可实现扣件松动无线无源检测的智能垫片系统，包括：

智能垫片，为内部安装有声表面波谐振器和天线的一体化器件，随扣件一起安装在扣件与扣件压紧部件之间，承受对扣件施加的压力，该压力等于扣件对钢轨施加的压力；在接收到激励电磁波信号之后反射电磁波信号；

阅读器，为外置的激励与检测器，用于向所述智能垫片发射电磁波，并接受来自所述智能垫片的反射电磁波信号，通过处理得到扣件所受的压力信息。

可选地，所述智能垫片为中空的环形结构，包括内环和外环两个环形区域，

内环区域为承压区，其外径略大于扣件压紧部件的直径，用于感受扣件压紧部件对所述智能垫片施加的压力的大小；

外环区域为无压区，与扣件压紧部件无接触；内环区域内嵌入有多个声表面波谐振器，用于感受扣件压紧部件对所述智能垫片施加的压力；外环区域内还嵌入有两组环形天线，一组是接收天线，与所有所述声表面波谐振器的一端相连，用于接收来自所述阅读器的激励电磁波信号并传递给所述声表面波谐振器，另一组是发射天线，与所有所述声表面波谐振器的另一端相连，接收来自所述声表面波谐振器的反射电磁波信号并发送给所述阅读器。

可选地，所述智能垫片，内孔直径略大于扣件压紧部件的直径，保证扣件压紧部件能够穿过所述智能垫片并对扣件施加压力。

可选地，所述声表面波谐振器为一体化的频率输出器件，由谐振器基体、换能器、反射栅组成，其中，

谐振器基体为石英材料制作；

换能器为金属条带叉指式换能器；

反射栅采用金属条带制作，共有两个，分列于所述换能器的左右两侧，形成谐振腔。

本发明上述的声表面波谐振器为一体化的频率输出器件，消除了传统粘贴式封装结构所带来的迟滞、重复性等误差,极大的提高了压力测量的精度。

可选地，所述声表面波谐振器分为两组，一组声表面波谐振器承受扣件压紧部件对所述智能垫片施加的压力，另一组声表面波谐振器并不承受扣件压紧部件对所述智能垫片施加的压力，两组声表面波谐振器形成差动结构，进而实现对温度自动补偿，提高环境的适应性。

可选地，所述声表面波谐振器的谐振频率是不同的，所述阅读器根据谐振频率快速区分不同扣件所承受的压力信号、减小相互之间的干扰。

可选地，所述智能垫片为一个或多个，所述阅读器发出的激励电磁波信号为宽带脉冲信号，其带宽能够覆盖所有所述智能垫片的频率范围。

可选地，所述的阅读器在激励结束之后接收到的反射电磁波信号为幅值逐渐衰减的震荡信号，通过检测反射电磁波信号的频率可以获得扣件的压力信息，由此可以显著提高抗干扰能力和系统工作的稳定性与可靠性。

根据本发明的第二方面，提供一种可实现扣件松动无线无源检测的方法，包括：

阅读器向智能垫片发射激励电磁波信号，由智能垫片中的天线接收后，作用于智能垫片内部的声表面波谐振器，使得声表面波谐振器发生谐振，并产生反射电磁波信号，所述反射电磁波信号由天线发送出来，由外部的阅读器接收；

所述阅读器通过数据处理，提取反射电磁波信号中的谐振频率，该谐振频率与智能垫片承受的压力成线性关系，通过计算能得到智能垫片所承受的压力信号，即扣件对钢轨施加的压力；

当扣件出现松动后，扣件压紧部件作用于智能垫片的压力也随之减小，所述阅读器获得的压力信号也相应减小，从而实现扣件松动的无线无源快速检测。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下至少一种有益效果：

本发明上述系统和方法采用声表面波原理实现扣件压力的准确检测，可利用外置的声表面波阅读器激励该智能垫片，并读取扣件的压力信号，从而实现扣件松动的检测，具有无线无源、检测精度高、探测速度快、安装方便、成本低、适应性强、长期稳定可靠的显著特点，可以大规模批量生产与应用。

附图说明

图1为本发明一实施例的智能垫片系统组成与工作原理示意图；

图2为本发明一实施例的的智能垫片系统的压力与频率关系曲线示意图；

图3为本发明一实施例的的智能垫片组成与工作原理示意图；

图4为本发明一实施例的的声表面波谐振器组成与工作原理示意图；

图5为本发明一实施例的的智能垫片数据采集示意图；

图6为一个典型的反射电磁波信号示意图；

图中，1为钢轨，2为压紧螺栓，3为扣件，4为固定板，5为智能垫片，6为阅读器，7为谐振器，8为天线，9为垫片本体，10为谐振器基体，11为换能器，12为反射栅。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明一实施例的可实现扣件松动无线无源检测的智能垫片系统组成与工作原理示意图。

参照图1所示，该实施例可实现扣件松动无线无源检测的智能垫片系统应用于轨道交通(包括铁路和城市地铁与轻轨)中的扣件松动无线无源检测，其中扣件压紧部件为压紧螺栓2。具体的，可实现扣件松动无线无源检测的智能垫片系统由智能垫片5和阅读器6两部分组成，其中：智能垫片5为内部安装有声表面波谐振器7和天线8的一体化器件，随扣件3一起安装在扣件3与压紧扣件3的压紧螺栓2之间，承受压紧螺栓2对扣件3施加的压力，该压力等于扣件3对钢轨1施加的压力；阅读器6为外置的激励与检测器，可向智能垫片5发射电磁波，并接受来自智能垫片5的反射电磁波信号，通过处理得到扣件3收到的压力信息。

为了更好实现上述自动化探测，在一优选实施例中，如图3所示，智能垫片5可以为中空的环形结构，智能垫片5的内孔直径应略大于压紧螺栓2的直径，一般保留1mm左右的间隙，保证压紧螺栓2能够穿过智能垫片5并对扣件3施加压力。同时，智能垫片5在功能上可以划分为内环和外环两个环形区域：内环区域为承压区，其外径略大于压紧螺栓的螺母直径，一般要大于2mm，用于感受压紧螺栓对智能垫片5施加的压力的大小；内环区域内嵌入有多个声表面波谐振器7，用于感受压紧螺栓2对智能垫片5施加的压力；外环区域为无压区，外环区域内嵌入有两组环形天线8：一个是接收天线8a，与所有声表面波谐振器7的一端相连，用于接收来自阅读器6的激励电磁波信号并传递给声表面波谐振器7，另一个是发射天线8b，与所有声表面波谐振器7的另一端相连，接收来自声表面波谐振器7的反射电磁波信号并发送给阅读器6。

本发明上述实施例中，当外置的阅读器发射激励电磁波后，由智能垫片中的天线接收并作用于智能垫片内部的声表面波谐振器，发生谐振并产生反射电磁波信号，由外部的阅读器接收。通过数据处理，可以提取反射电磁波信号中的谐振频率。该谐振频率与智能垫片承受的压力成线性关系，通过计算可以得到智能垫片所承受的压力信号。当扣件出现松动后，检测到的压力信号也相应减小，从而实现扣件松动的无线无源快速检测。声表面波谐振器分为两组，形成差动结构，进而实现对温度自动补偿。阅读器可以为手持式、以供人工巡检，也可以安装在轨道车之上、实现自动化探测。

上述的实施例中，声表面波谐振器7为一体化的频率输出器件，消除了传统粘贴式封装结构所带来的迟滞、重复性等误差,极大的提高了压力测量的精度。在一优选实施例中，声表面波谐振器7由谐振器基体10、换能器11、反射栅12组成，如图4所示。谐振器基体10为石英材料制作，以保证测量灵敏度；换能器11为金属条带叉指式换能器；反射栅采用金属条带制作，共有两个，分列于换能器11的左右两侧，形成谐振腔，从而可以输出谐振频率信息。

在优选实施例中，声表面波谐振器7分为两组(如图3所示)，一组声表面波谐振器7a承受压紧螺栓对智能垫片施加的压力，另一组声表面波谐振器7b并不承受压紧螺栓对智能垫片施加的压力，两组声表面波谐振器7a与7b可以形成差动结构，进而实现对温度影响的补偿，提高环境的适应性。

在另一优选实施例中，声表面波谐振器7的谐振频率并非是完全一样的，比如，在轨道同一个截面位置的4个扣件3上面的智能垫片5中，其谐振频率是不同的，以便快速区分4个扣件3所承受的压力信号、减小相互之间的干扰。如图5所示，4个扣件F1、F2、F3和F4上的智能垫片5-1、5-2、5-3和5-4产生的反射电磁波信号的频率分别为f1、f2、f3和f4，由此阅读器6可以一次采集到4个扣件3所承受的压力值P1、P2、P3和P4。

另外，在上述实施例中，阅读器6发出的激励电磁波信号为宽带脉冲信号，由此可以保证能够覆盖所有4个智能垫片5的频率范围。进一步的，阅读器6在激励结束之后，阅读器6接收到的反射电磁波信号为幅值逐渐衰减的震荡信号，通过检测反射电磁波信号的频率可以获得扣件3的压力信息，由此可以显著提高抗干扰能力和系统工作的稳定性与可靠性。图6为一个典型的反射电磁波信号示意图。

在其他实施例中，上述的阅读器6内部设置有温度检测电路与自动温度补偿算法，以克服环境温度变化条件下的压力检测的准确性，增强应用场景的适应性。具体温度检测电路与自动温度补偿算法可以采用现有技术实现。

在本发明另一实施例中，提供一种可实现扣件松动无线无源检测方法，具体可以包括如下步骤：首先，阅读器6向智能垫片5发射激励电磁波信号，由智能垫片5中的天线7接收后，作用于智能垫片5内部的声表面波谐振器8，使得声表面波谐振器8发生谐振，并产生反射电磁波信号。此后，该反射电磁波信号由天线7发送出来，由外部的阅读器6接收。通过数据处理，可以提取反射电磁波信号中的谐振频率。该谐振频率与智能垫片5承受的压力成线性关系，如图2所示。通过计算可以得到智能垫片5所承受的压力信号，即扣件3对钢轨1施加的压力。当扣件3出现松动后，压紧螺栓2作用于智能垫片5的压力也随之减小，阅读器6获得的反射电磁波信号也相应减小，从而实现扣件3松动的无线无源快速检测。

本发明上述实施例提出的可实现扣件松动无线无源检测的智能垫片系统和方法，采用声表面波原理实现扣件压力的准确检测，可利用外置的声表面波阅读器激励该垫片，并读取扣件的压力信号，从而实现扣件松动的检测，具有无线无源、检测精度高、探测速度快、安装方便、成本低、适应性强、长期稳定可靠的显著特点，可以大规模批量生产与应用，尤其适用于轨道交通(包括铁路和城市地铁与轻轨)的扣件松动自动检测。

上述实施例是以轨道交通上的扣件松动为例进行说明，此举例仅仅是为了更好说明本发明，本发明还可以应用于其他领域或场合的扣件松动检测，并不局限于上述的轨道交通领域。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种可实现扣件松动无线无源检测的智能垫片系统，其特征在于：包括：

智能垫片，为内部安装有声表面波谐振器和天线的一体化器件，随扣件一起安装在扣件与扣件压紧部件之间，承受对扣件施加的压力，在接收到激励电磁波信号之后反射电磁波信号；

阅读器，为外置的激励与检测器，用于向所述智能垫片发射电磁波，并接受来自所述智能垫片的反射电磁波信号，通过处理得到扣件所受的压力信息；

所述声表面波谐振器的谐振频率是不同的，所述阅读器根据谐振频率快速区分不同扣件所承受的压力信号，减小相互之间的干扰；

当外置的所述阅读器发射激励电磁波后，由所述智能垫片中的天线接收并作用于所述智能垫片内部的声表面波谐振器，发生谐振并产生反射电磁波信号，由所述阅读器接收，通过数据处理，提取反射电磁波信号中的谐振频率，该谐振频率与所述智能垫片承受的压力成线性关系，通过计算得到所述智能垫片所承受的压力信号；当扣件出现松动后，检测到的压力信号也相应减小，从而实现扣件松动的无线无源快速检测；

所述智能垫片为中空的环形结构，包括内环和外环两个环形区域，

内环区域为承压区，其外径略大于扣件压紧部件的直径，用于感受扣件压紧部件对所述智能垫片施加的压力的大小；

外环区域为无压区，与扣件压紧部件无接触；内环区域内嵌入有多个声表面波谐振器，用于感受扣件压紧部件对所述智能垫片施加的压力；外环区域内还嵌入有两组环形天线，一组是接收天线，与所有所述声表面波谐振器的一端相连，用于接收来自所述阅读器的激励电磁波信号并传递给所述声表面波谐振器，另一组是发射天线，与所有所述声表面波谐振器的另一端相连，接收来自所述声表面波谐振器的反射电磁波信号并发送给所述阅读器；

所述声表面波谐振器分为两组，一组声表面波谐振器承受扣件压紧部件对所述智能垫片施加的压力，另一组声表面波谐振器并不承受扣件压紧部件对所述智能垫片施加的压力，两组声表面波谐振器形成差动结构，进而实现对温度自动补偿；

所述阅读器在激励结束之后接收到的反射电磁波信号为幅值逐渐衰减的震荡信号，通过检测反射电磁波信号的频率获得扣件的压力信息。

2.根据权利要求1所述的可实现扣件松动无线无源检测的智能垫片系统，其特征在于：所述智能垫片，内孔直径略大于扣件压紧部件的直径，保证扣件压紧部件能够穿过所述智能垫片并对扣件施加压力。

3.根据权利要求1所述的可实现扣件松动无线无源检测的智能垫片系统，其特征在于：所述声表面波谐振器为一体化的频率输出器件，由谐振器基体、换能器、反射栅组成，其中，

谐振器基体为石英材料制作；

换能器为金属条带叉指式换能器；

反射栅采用金属条带制作，共有两个，分列于所述换能器的左右两侧，形成谐振腔。

4.根据权利要求1所述的可实现扣件松动无线无源检测的智能垫片系统，其特征在于：所述智能垫片为一个或多个，所述阅读器发出的激励电磁波信号为宽带脉冲信号，其带宽能够覆盖所有所述智能垫片的频率范围。

5.根据权利要求1所述的可实现扣件松动无线无源检测的智能垫片系统，其特征在于：所述阅读器为以供人工巡检的手持式阅读器，或者为安装在轨道车之上额实现自动化探测的阅读器，或，

所述的阅读器内部设置有温度检测电路与自动温度补偿算法，以进一步克服环境温度变化条件下的压力检测的准确性。

6.一种可实现扣件松动无线无源检测的方法，采用权利要求1-5任一项所述的智能垫片系统进行，其特征在于：包括：

阅读器向智能垫片发射激励电磁波信号，由智能垫片中的天线接收后，作用于智能垫片内部的声表面波谐振器，使得声表面波谐振器发生谐振，并产生反射电磁波信号，所述反射电磁波信号由天线发送出来，由外部的阅读器接收；

所述阅读器通过数据处理，提取反射电磁波信号中的谐振频率，该谐振频率与智能垫片承受的压力成线性关系，通过计算能得到智能垫片所承受的压力信号，即扣件对钢轨施加的压力；

当扣件出现松动后，扣件压紧部件作用于智能垫片的压力也随之减小，所述阅读器获得的压力信号也相应减小，从而实现扣件松动的无线无源快速检测。

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