发明内容
本发明的目的在于,提供一种光纤偏载仪,从而实现高速行驶状态下的火车偏载判定,保证火车安全行驶。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案在于,一方面提供一种光纤偏载仪,其包括:传感器承载单元、数据采集单元和数据处理单元以及数据传输单元,其中,所述的传感器承载单元安装在钢轨;所述的数据采集单元包括:至少两组光纤传感器以及光纤调制解调仪,所述的光纤传感器设置于所述传感器承载单元上,获得光波信号,所述的光纤调制解调仪与光纤传感器相连接,将所述光波信号转换为钢轨的应变信号;所述的数据处理单元,与数据采集单元相连,将所述应变信号转换为重量,并判断超/偏载情况;所述的数据传输单元用以在所述的光纤传感器、光纤调制解调仪以及数据处理单元之间传输数据;
较佳的,所述的数据处理单元为计算机、嵌入式数据分析系统或者单片机;所述的数据采集单元中的光纤调制解调仪通过USB接口或网口与所述数据处理单元相连;
较佳的,所述的传感器承载单元包括:螺栓、基体和垫块,其中所述垫块的斜面与钢轨底部斜面配合,所述基体下部的伸出部分用来安放所述光纤传感器,在所述光纤传感器的上面是钢轨底部的下表面;
较佳的,还包括一数据管理系统通过数据传输单元与数据处理单元相连,所述数据管理系统对获得的各项数据进行管理;
较佳的,所述的数据管理系统为一具有管理程序的计算机;
较佳的,所述的数据传输单元为PC104总线、CAN总线、RS232总线其中之一或组合;
另一发面提供了一种光纤偏载仪的数据处理方法,其是利用光纤偏载仪来实现的,其流程步骤为:
a步骤:在数据处理单元数据处理中包括一比较单元,在其中设置一阈值,若获得的应变信号高于阈值则获得上称信号,若低于阈值则获得下称信号;
b步骤:获得列车速度,其等于两组光纤传感器的安装距离除以相邻光纤传感器产生峰值信号的时间间隔;
c步骤:判断车型,其是指一组光纤传感器两次峰值信号出现的时间间隔乘以列车速度来计算车轴距离,然后根据车轴距离判断车型;
d步骤:获得单个轮子重量,其是在获得上称信号后将采集到的所述应变信号的峰值,通过虎克定律根据应变计算应力,再乘以钢轨截面积得到列车单个轮子的重量,将每组传感器得到的某一单个轮子的重量求平均值;
e步骤:累加所有轮子的重量获得本节车厢的重量;
f步骤:进行超/偏载判断。
较佳的,所述的偏载判断断为,每节车厢前后轮对的重量之差与一阈值进行比较,超过所述阈值即为前后轮对偏载;左右轮对重量之差与一阈值进行比较,超过所述阈值即为左右轮对偏载。
较佳的,所述的超载判断为每节车厢所有轮子重量之和超过一阈值,即为超载。
具体实施方式
以下结合附图,对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
请参阅图1所示,其为本发明光纤偏载仪的结构示意图,其包括:传感器承载单元、数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元以及数据管理系统,上述的轨道衡是对列车通过货物重量的精确计量设备,因此严格要求称量设备的精度,为了达到规定的要求,因此轨道衡设备基础采用混凝土结构,当列车通过轨道衡时,由于钢轨下的混凝土基础不能吸收列车的强烈振动,所以必须限制列车过衡速度,本偏载仪是对列车货物装载情况的检测设备,为了不影响列车运送货物的效率,因此偏载仪一般安装在有道渣的基础上,这样可以吸收列车运行时产生的一些振动,列车通过上述轨道衡时速度限制在30公里/小时以下,通过偏载仪的速度可以达到60公里/小时。
由图中可知,所述的传感器承载单元设置在钢轨上,图中平行轨道为钢轨底部的走向;所述的数据采集单元包括:第一组光纤传感器211、第二组光纤传感器212、第三组光纤传感器213、第四组光纤传感器214、第五组光纤传感器215以及光纤调制解调仪22,所述的五组光纤传感器位置设置在所述钢轨下部,也就是钢轨底部之上(如图所示),单个轨道上的两组传感器之间距离为3.8米,在另一根轨道上相应位置也安装两组相同的传感器组,在轨道上共安装20个传感器组,其获得光波信号,所述的光纤调制解调仪22与五组光纤传感器相连接,将所述光波信号转换为钢轨1的应变信号;所述的数据处理单元为单片机3当然也可以是计算机、嵌入式数据分析系统;与数据采集单元相连,将所述应变信号转换为重量;所述的数据传输单元用以传输数据;所述的传输单元为PC104总线、CAN总线、RS232总线52其中之一或组合;
通过光纤连接入所述的光纤调制解调仪22,所述的光纤调制解调仪22通过USB接口或网口51与所述的单片机3相连接。当列车通过设有每组光纤传感器的传感器承载单元时,由于列车重力作用引起钢轨变形,这种变形通过每组光纤传感器的支撑结构传递到每组光纤传感器上,每组光纤传感器中敏感元件感应到这种变形,引起了光纤中存在的光信号的波长变化,当光信号进入所述的光纤调制解调仪22中时,光波长度的变化通过处理后映射为承重轨的应变为一数字量,这样实现了对列车重量信号的测量,所述的光纤调制解调仪22是现有技术本领域技术人员能够很容易得到和使用,这里就不作赘述了。
所述光纤调制解调仪22最后将得到的承重轨的应变量通过USB接口或者网口51输入到单片机3中。这样采用五组光纤传感器和光纤调制解调仪22的组合,数据采集单元就完成了数据采集测量工作,获得了单片机3能够处理的数字量。
请参阅图3所示,其为本发明光纤偏载仪的传感器承载单元的结构示意图;所述的传感器承载单元其由螺栓5、基体6和垫块7组成,所述垫块7的斜面是用来与钢钢轨1底部斜面配合,因此它的斜度与钢轨1底部的斜度相等。基体6下部的伸出部分用来安放光纤传感器8,在所述传感器8的上面是钢轨1底部的下表面,当基体6上部的螺栓5压下垫块7时,所述垫块7与传感器8将紧密夹住钢轨1的底部,这样实现了将钢轨1变形传递给光纤传感器8的目的,请结合图1所示的。
请参阅图4,其为本发明对应的光纤调制解调仪的数据处理方法,其是利用光纤调制解调仪来实现的,其流程步骤为:
a步骤:在数据处理单元数据处理中包括一比较单元,在其中设置一阈值,若获得的应变信号高于阈值则获得上称信号,若低于阈值则获得下称信号;
b步骤:获得列车速度,其等于两组光纤传感器的安装距离除以相邻光纤传感器产生峰值信号的时间间隔;
c步骤:判断车型,其是指一组光纤传感器两次峰值信号出现的时间间隔乘以列车速度来计算车轴距离,然后根据车轴距离判断车型;
d步骤:获得单个轮子重量,其是在获得上称信号后将采集到的所述应变信号的峰值,通过虎克定律根据应变计算应力,再乘以钢轨截面积得到列车单个轮子的重量,将每组传感器得到的某一单个轮子的重量求平均值;
e步骤:累加所有轮子的重量获得本节车厢的重量;
f步骤:进行超偏载判断。
所述的获得列车上称、下称信号,是在数据处理单元数据处理中包括的比较单元设置一阈值,由于火车在钢轨上,就会给轨道一定的压力,由于光纤传感器的敏感程度,必然会产生应变信号,若获得的应变信号高于阈值则获得上称信号,若低于阈值则获得下称信号;
请参阅图3所示,其为本发明光纤调制解调仪应变信号波形图,由于在整个过程当中存在大量的噪声和抖动,因此波形是不平滑的,在所述的五组光纤传感器中,取第一组、第二组采集到的信号为例,进行实例说明,其中,X轴为时间轴,表示第一、第二组光纤传感器的采样时间,Y轴为获得的应变信号量,P1为第一组光纤传感器211的应变信号波形图,P2为第二组光纤传感器212的应变信号波形图,在t1时刻第一组光纤传感器211应变量达到第一次峰值,在t3时刻达到相邻第二次峰值,t2时刻第二组光纤传感器212应变量达到第一次峰值;
所述的获得本节车厢重量gi,是在获得上称信号后将采集到的所述应变信号即第一、第二组光纤传感器获得应变量峰值top1与top2,通过虎克定律根据应变计算应力,再乘以钢轨截面积得到列车单个轮子的重量,将每一组传感器对同一车轮获得的重量相加并求平均值,最后车厢的所有轮子的重量求和得到整节车厢的重量gi;
所述获得列车速度v等于第一组光纤传感器211与第二组光纤传感器212的距离s除以第一组光纤传感器211与第二组光纤传感器212达到峰值信号的时间间隔Δt;
所述的判断车型是指第一组光纤传感器211或第二组光纤传感器212两次达到峰值信号出现时间间隔ΔT乘以列车速度v计算车轴距离,然后根据车轴距离判断车型;
列车货物重量G等于每节车厢的重量gi之和减去列车空车质量G0,所述列车空车质量G0在出厂时就已有记载。
由于在本发明的轨道衡未采用剪力传感器,所以不能采用常用轨道衡判定车轴的算法。通过对五组光纤传感器多次采集的测量数据分析后,发现可以采用测量数据的峰值作为判定车轴的根据。由于光纤传感器不受电磁场干扰,与电阻应变式传感器测量数据相比,测量数据的变化光滑。采用电阻应变式传感器测量时,如果车轮存在扁疤等缺陷时,信号往往出现一个峰值,影响判定车轴的准确性。采用光纤传感器时可以很好的克服这样的问题,并且避免了随机性的影响。由于光纤调制解调仪22传入单片机3的信号是五组光纤传感器的应变量,该值有正负之分。只有当车轮在每组光纤传感器长度范围内后产生正值,根据峰值就可以判断列车车轴位置。如果扁疤等缺陷正好落在每组光纤传感器处,则通过可以峰值位置是否为正值区间的中心进行计算。
最后将在同一轮轴上的轮子的重量进行相加,这样将列车每节车厢的前转向架下的轮子重量相加,将列车每节车厢的后转向架下的轮子重量相加,然后求差重量之差超过10吨就为前后轮对偏载;其次计算每节车厢左侧所有车轮重量Lw和右侧车轮所有重量Rw,根据重量Lw和Rw以及车轮与车厢的中截面的距离,计算货物的重心位置Dw,如果重心位置Dw与车厢中截面的距离大于100mm,则认定货物为左右轮对偏载;列车超载指单节车厢货物重量超过84吨,也就是每节车厢所有轮对的重量之和超过84吨就为超重。
通过上面阐述的方法可以得到列车的重量,然后将计算的列车重量同其它信息(如车号,速度等等)组成列车的完整信息通过RS232总线52传输到数据管理系统,所述的数据管理系统为具有数据库管理系统的计算机4。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,对本发明而言仅仅是说明性的,而非限制性的。本专业技术人员理解,在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变,修改,甚至等效,但都将落入本发明的保护范围内。