一种多维轮轨力测量的柔性多模态传感装置及融合方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于轨道交通智能监测技术领域，涉及一种用于多维轮轨力测量的柔性多模态传感装置及融合感知算法。一种面向多维轮轨力同步监测的柔性多模态传感装置，包括垂向力应变模块、垂向力压电传感器模块、横向力压电传感器模块以及多模态感知模块，多模态感知模块由柔性衬底层、电极层#1、压电功能材料层、电极层#2、引线层和封装层组成，有3个工作模态：

【技术实现步骤摘要】
一种多维轮轨力测量的柔性多模态传感装置及融合方法


[0001]本专利技术属于轨道交通智能监测
，特别涉及一种用于多维轮轨力测量的柔性多模态传感装置及融合方法。

技术介绍

[0002]铁道是我国交通运输体系的关键基础设施、国家综合交通运输体系的骨干，也是走集约式发展，提高资源能源利用效率的有效运输方式。随着铁路运量的增加，列车运行速度的提升，列车与轨道的相互作用也在增强，车轮和钢轨之间的磨耗现象越来越严重。它不但会增加铁路运输成本，而且会对行车带来极大的安全隐患。
[0003]列车与轨道间的作用力也就是轮轨力，主要包含垂向力以及横向力。横向力与垂向力比值过大，会导致较高的脱轨系数，列车发生脱轨的概率会大大增加。此外，轮重减载率也能很好的反映出列车的脱轨安全度。通过对车轮状态进行实时监测能有效预防列车事故发生，其中监测轮轨力能有效预防脱轨事故的发生，可以及时对受损的车轮和铁轨进行维修。因此，实时监测轮轨力对于保障铁路运输安全具有重要意义。
[0004]传统的地面式监测轮轨力，如北京交通大学的高亮、肖宏等人专利技术一种铁路轨道轮轨力的测量方法及装置(CN208621213U)，利用了安装在待测轨道不同位置处的三个光纤光栅传感器获取数据，通过建立第一、第二修正应变分别与横向力、纵向力之间的关系，获取第一、第二修正应变的数值，计算出列车通过待测区域的横向力、纵向力。孙超、史晓桐等专利技术一种尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置及其布置方法(CN113029407A)，当列车通过待测区域，钢轨产生变形，通过固定装置安装在轨侧的光纤光栅测量尺产生同步形变，通过对光纤光栅测量尺上的光纤光栅应变计反射波的波长漂移量的度量，实现对应力、应变的测量。这些测量轮轨力的装置安装流程都较为繁琐，成本较高，且装置本身厚重、组成零件较多、不方便携带，拆卸过程复杂，安装过程中易出现传感器角度误差导致不能准确测量轮轨力。单一类型传感器在多种环境下获取的轮轨力信息难免出现误差，环境对数据的影响较大，会对最后的结果分析造成不利的影响。
[0005]柔性多模态传感装置具有一定的防水性、抗腐蚀能力、良好的抗电磁干扰能力，装置体积轻薄，安装操作便捷，成本较低，能即拆即用。它能够粘贴在铁轨两侧，达到无缝粘贴效果，且不影响列车与轨道的动态性能，采集与感知轮轨作用状态信息的精准性方面也大大提高。柔性多模态传感装置集成了多种感知功能，均在同一柔性衬底上，能够同时对多维度轮轨力的同步监测。柔性多模态传感装置在轮轨垂向力的测量方面采用了应变式传感器和PZT压电薄膜两种不同类型的传感器来进行测量，测量得到的两种模态数据进行多模态数据融合，得到后的数据准确性有所提高，减小了其他因素给传感器带来的误差影响，能实现更为精准的轮轨力的在线监测。同时，柔性多模态传感装置能实现对轮轨横向力、轮轨垂向力的同时监测，能够用于分析列车的脱轨系数、轮重减载率，对轮轨力的在线监测提供了技术支持，提高了铁轨健康监测的智能化水平，加速了高速铁路的快速发展，对于柔性电子技术在铁路工程领域的应用也有着重大意义。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的第一目的在于提供一种面向多维轮轨力(横向和垂向轮轨力)同步监测的柔性多模态传感装置，包括垂向力应变电桥模块、垂向力压电传感器模块、横向力压电传感器模块以及多模态感知模块，能够实现多维轮轨力同步感知和实现轨道结构健康主动探测，多模态感知模块由多层薄膜结构组成，从下往上依次为：柔性衬底层(PI基板)、电极层#1(四个压阻传感器组成的应变桥)、压电功能材料层(压电陶瓷PZT)、电极层 #2(环形叉指电极)、引线层(金属Au)和封装层，可以有3个工作模态：
①
环形柔性压电陶瓷叉指换能器(PZT
‑
IDT)具备驱动/传感功能，在外加激励信号作用下驱动单元产生导波信号，PZT
‑
IDT被动感知单元将采集回波信号，用以实现车轮结构缺陷的主动探测；
②
电极层#1为图案化金属薄膜压阻传感器组成的应变桥，采集高速滚动轮轨作用中的动态应变信号；
③
电极层#1、压电PZT感知层、电极层 #2组成柔性压电传感单元，实时采集轮轨振动信号；所有的功能模块均集成在同一柔性基板上，其安装在铁轨两侧的腰部，良好的柔软性能能够保证柔性多模态传感装置与轨道轨腰处保持无缝接触，实时采集轮轨垂向力、轮轨横向力信息，以及轨道结构缺陷的主动探测，通过计算可得到脱轨系数、轮重减载率，实现轮轨垂向力、横向力的实时监测，是对行车安全监测最为直接、有效的方法，保障了列车的行车安全，对轨道交通安全监测具有重要的推动作用。
[0007]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的第二目的在于提供一种基于多源垂向力的数据融合感知方法。8个应变传感器组成双惠斯通电桥，分别布置在轨道两侧的腰部，能够根据应变桥输出信号与轮轨垂向力之间的关系；基于压电单元轮轨垂向力测量方案中，同样得到压电传感单元输出信号与垂向轮轨力之间的关系；分别提取动态应变桥和垂向力压电单元输出信号的特征信息，构建垂向轮轨力，提出基于动态应变桥和垂向力压电单元信号特征的垂向轮轨力融合感知方法，构建基于卷积神经网络(Conventional neutral network， CNN)的垂向力融合感知框架，应变桥和压电单元数据等特征信息为融合感知方法的输入，对垂向力应变电桥模块和垂向力压电传感器模块接收到的数据进行多模态数据融合，得到融合后的垂向力，提高了轮轨垂向力的测量精度和抗干扰能力。
[0008]进一步地，本专利技术为一种测量轮轨力的柔性多模态传感装置，为超薄薄膜结构，包括垂向力压电传感器模块、横向力压电传感器模块、应变传感器电桥模块、主动探伤模块，所有功能单元均在同一柔性衬底上，能够保证柔性多模态传感装置与轨道结构的共形，具有超薄轻质特点不影响轨道结构健康监测，同时主动探伤模块能够实现轨道内部缺陷的主动探测。
[0009]进一步地，本专利技术一种测量轮轨力的柔性多模态传感装置，为多层薄膜结构，分时具备主动探伤、应变、压电传感功能，采用分时检测方式能够实现多参量信号的实时采集，柔性多模态传感阵列的引脚与数据采集卡的I/O口相连，一个采样周期T分为三个时段T＝T1+T2+ T3，T1为主动探测车轮缺陷检测时间，T2为动态应变桥的采集时间， T3为轮轨振动信号的采集时间，分时主动探测和采集高速轮轨滚动中的动态应变、轮轨振动信号，能有效解决轮轨力与动态应变、振动等轮轨作用信号之间的耦合问题。
[0010]进一步地，本专利技术为一种测量轮轨力的柔性多模态传感装置，其中应变模块特点，所述应变传感器电桥模块包括8片应变片，应变片 a和b，c和d为两组应变花，两组应变花相距220mm，其方向与钢轨的纵向成45
°
角，位于钢轨轨腰的一侧。应变片e和f，g和h为两组应
变花，两组应变花相距220mm，其方向与钢轨的纵向成45
°
角，位于钢轨轨腰的另外一侧。所述8片应变片其电阻为120Ω，灵敏度为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于多维轮轨力测量的柔性多模态传感装置，其特征在于，包括柔性垂向力应变电桥模块、柔性垂向力压电传感器模块、柔性横向力压电传感器模块以及柔性多模态感知模块，能够实现多维轮轨力同步感知和实现轨道结构健康主动探测；所述柔性垂向力应变电桥模块用于垂向力在线测量，通过实验标定轮轨垂向力P与电桥输出电压U5的线性关系，通过测得电桥的输出电压U5，即可解得轮轨垂向力P，所述轮轨垂向力P与电桥输出电压U5的线性关系；所述柔性垂向力压电传感器模块，建立起轮轨垂向力P与PZT压电薄膜i、j测得的电压值U1、U2的和值之间的线性关系，通过测得PZT压电薄膜i、j电压值U1、U2，即可解出轮轨垂向力，所述轮轨垂向力与PZT压电薄膜i、j测得电压U1、U2之间的线性关系；所述柔性横向力压电传感器模块，建立起轮轨横向力Q与两组PZT压电薄膜测得电压U3与U4差值之间的线性关系，通过测得两组压电薄膜的输出电压U3与U4的差值，即可解得轮轨横向力。2.所述轮轨横向力Q与两组PVDF压电薄膜测得电压U3与U4之间的线性关系；所述柔性多模态感知模块由多层薄膜结构组成，从下往上依次为：柔性衬底层（PI基板）、电极层#1（四个压阻传感器组成的应变桥）、压电功能材料层（压电陶瓷PZT）、电极层#2（环形叉指电极）、引线层（金属Au）和封装层，可以有3个工作模态：
①
环形柔性压电陶瓷叉指换能器（PZT
‑
IDT）具备驱动/传感功能，在外加激励信号作用下驱动单元产生导波信号，PZT
‑
IDT被动感知单元将采集回波信号，用以实现车轮结构缺陷的主动探测；
②
电极层#1为图案化金属薄膜压阻传感器组成的应变桥，采集高速滚动轮轨作用中的动态应变信号；
③
电极层#1、压电PZT感知层、电极层#2组成柔性压电传感单元，实时采集轮轨振动信号；所述的柔性多模态传感装置实时采集轮轨垂向力、轮轨横向力信息，以及轨道结构缺陷的主动探测，实现铁道结构的多参量数据在线感知，提高轨道智能化监测水平。3.根据权利要求1的一种用于多维轮轨力测量的柔性多模态传感装置，其特征在于，所述的多维轮轨力数据融合感知方法数据来源与8个应变传感器组成双惠斯通电桥和压电传感器；根据应变桥输出信号与轮轨垂向力之间的关系，以及压电传感单元输出信号与垂向轮轨力之间的关系；提取动态应变桥和垂向力压电单元输出信号的特征信息，构建垂向轮轨力与动态应变、压电输出信号之间的内在关系，提出基于动态应变桥和垂向力压电单元信号特征的垂向轮轨力融合感知方法，构建基于卷积神经网络（Conventional neutral network，CNN）的垂向力融合感知框架，应变桥和压电单元数据等特征信息为融合感知方法的输入，对垂向力应变...

【专利技术属性】
技术研发人员：董文涛，骆文科，刘仕兵，姚道金，张帆，洪金华，王晓明，祝振敏，
申请(专利权)人：程宵，
类型：发明
国别省市：