專利名稱：鋼軌溫度應(yīng)力監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種鐵道鋼軌溫度應(yīng)力的監(jiān)測裝置。
背景技術(shù)：
目前普遍采用的連續(xù)鐵路鋼軌的鋼軌斷面是相互連接的，鋼軌中的應(yīng)力受周圍環(huán)境溫度的影響較大。普通碳鋼、鉻鋼的線膨脹系數(shù)α ！都在10 14X10_6(1/°C )范圍，對棒狀結(jié)構(gòu)的物體，當(dāng)兩端固定時，溫度變化ΔΤ時產(chǎn)生的熱應(yīng)力為σ = - α jE Δ T其中，E為材料的彈性模量，普通鋼材E = 206GPa,當(dāng)鋼軌在野外承受-30至70攝氏度范圍的溫度作用時，其最大熱應(yīng)力Omax可能達到0max = 283MPa。在常溫下鋪設(shè)的鋼軌，產(chǎn)生的應(yīng)力范圍為士 142Mpa，普通碳鋼的屈服點ο s—般大于220MPa，鋼軌完全能承受野外的溫度應(yīng)力而不至于被破壞。當(dāng)鋼軌溫度與安裝鋼軌時的溫度存在差異時，由于鋼軌的熱脹冷縮系數(shù)不等于路基的熱脹冷縮系數(shù)，從而在鐵軌內(nèi)部產(chǎn)生縱向拉伸或壓縮應(yīng)力。隨著溫差的增大，極易造成鋼軌的彎曲甚至斷裂。傳統(tǒng)的鋼軌電路法可以利用鋼軌電路的通斷來輕易的監(jiān)測到整體斷裂故障，但對于彎曲故障及部分斷裂，傳統(tǒng)的鋼軌電路法無法實現(xiàn)監(jiān)測，而彎曲故障又是車輛出軌的主要原因，其危害遠大于鋼軌斷裂故障，因此需要一種監(jiān)測裝置或系統(tǒng)來實現(xiàn)對鋼軌中的應(yīng)力進行監(jiān)測，并對鋼軌是否處于安全范圍做出判斷。現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)都存在各自的缺點，如安裝拆卸復(fù)雜，且可能會影響到鐵道的運行， 不能對應(yīng)力進行隨時的監(jiān)測；不用頻繁拆卸的方案，又會對鋼軌造成破壞，且所得的數(shù)據(jù)精度不高等問題。

實用新型內(nèi)容本實用新型克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能長時間、多點監(jiān)測運用中的鐵道鋼軌溫度應(yīng)力變化狀況的鋼軌監(jiān)測裝置，并可以自動化運行，及時判斷鋼軌溫度應(yīng)力的突變情況。為解決上述的技術(shù)問題，本實用新型采用以下技術(shù)方案一種鋼軌溫度應(yīng)力監(jiān)測裝置，包括傳感器模塊、信號處理和傳輸模塊、發(fā)射模塊、 接收裝置，輸出電壓信號的傳感器模塊，接收和處理電壓信號的信號處理和傳輸模塊，信號處理和傳輸模塊通過發(fā)射模塊與接收裝置通信，即傳感器模塊輸出一個電壓信號，信號處理和傳輸模塊接收到傳感器模塊輸出的電壓信號后，對電壓信號進行放大及處理，并存儲電壓信號數(shù)據(jù)，再通過發(fā)射模塊發(fā)射給接收裝置，所述傳感器模塊包括鋼塊和設(shè)置在鋼塊上的應(yīng)變片傳感器，所述應(yīng)變片傳感器為全橋式應(yīng)變片傳感器。為了更好地實現(xiàn)本實用新型，下面做出進一步技術(shù)改進作為優(yōu)選，所述鋼塊的形狀為“工”字形，鋼塊中部的厚度比上部和下部薄，所述鋼塊中部的寬度比上部和下部窄。[0012]作為優(yōu)選，所述全橋式應(yīng)變片傳感器為一塊，設(shè)置在鋼塊的一平面上。作為優(yōu)選，所述全橋式應(yīng)變片為兩塊，設(shè)置在鋼塊的兩面上。作為優(yōu)選，所述傳感器模塊和信號處理和傳輸模塊封裝在一個機盒中。作為優(yōu)選，所述傳感器模塊還包括溫度傳感器。作為優(yōu)選，所述信號處理和傳輸模塊內(nèi)設(shè)置有運放芯片和單片機芯片。作為優(yōu)選，所述發(fā)射模塊采用無線傳輸模塊，可用ZigBee無線傳輸模塊。作為優(yōu)選，所述信號接收裝置為手持接受器或者中繼站接收器。本實用新型的鋼軌監(jiān)測裝置還可以為以下技術(shù)方案作為優(yōu)選，還包括電池以及電池監(jiān)測芯片。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是本實用新型技術(shù)方案中，鋼塊中部的厚度比上部和下部薄，中部的寬度比上部和下部窄，即鋼塊采用中部稍薄稍窄的設(shè)計，減少了因粘結(jié)膠彈性模量小于鋼塊彈性模量所造成的鋼塊應(yīng)變損失，確保全橋式應(yīng)變片獲取的應(yīng)變信號與鋼軌應(yīng)變一致，無線傳輸模塊可采用ZigBee無線傳輸，傳輸距離遠，單個中繼站可覆蓋多個鋼軌溫度應(yīng)力監(jiān)測裝置。本實用新型能長時間、多點監(jiān)測運用中的鐵道鋼軌溫度應(yīng)力變化狀況，并可以自動化運行，及時判斷鋼軌溫度應(yīng)力的突變情況。

[0024]圖1為本實用新型實施例--鋼塊結(jié)構(gòu)示意圖；[0025]圖2為本實用新型實施例--全橋式應(yīng)變片原理示意圖；[0026]圖3為本實用新型實施例--全橋式應(yīng)變片模型示意圖；[0027]圖4為本實用新型實施例--鋼塊在鋼軌上粘貼示意圖；[0028]圖5為本實用新型實施例二二鋼塊和全橋式應(yīng)變片粘貼示意圖。[0029]其中，附圖中的附圖標(biāo)記所對應(yīng)的名稱為[0030]1-鋼軌，2-鋼塊，3-全橋式應(yīng)變片傳感器。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型實施例作進一步地詳細說明，但本實用新型的實施方式不限于此。實施例一如圖1、圖2、圖3和圖4所示，一種鋼軌溫度應(yīng)力監(jiān)測裝置，包括傳感器模塊、信號處理和傳輸模塊、發(fā)射模塊、接收裝置，傳感器模塊包括鋼塊2和設(shè)置在鋼塊2上的全橋式應(yīng)變片傳感器3，鋼塊2中部的厚度比邊上部和下部薄，鋼塊2中部的寬度比上部和下部窄， 鋼塊2的形狀為“工”字形。全橋式應(yīng)變片傳感器3為一塊時，上述鋼塊2中部的背面經(jīng)過切削后，使之變薄，上述鋼塊2的正面為一個平面，全橋式應(yīng)變片傳感器3設(shè)置在該平面上。上述傳感器模塊和信號處理和傳輸模塊封裝在一個機盒中，上述傳感器模塊還包括溫度傳感器，上述信號處理和傳輸模塊內(nèi)設(shè)置有運放芯片和單片機芯片，上述發(fā)射模塊采用ZigBee無線傳輸模塊。上述信號接收裝置為手持接受器或者中繼站接收器，本裝置還包括電池監(jiān)測芯片。[0035]上述部件的工作原理是，傳感器模塊測得溫度應(yīng)力變化導(dǎo)致鋼軌的微弱形變而輸出一個相應(yīng)的電壓信號，信號處理和傳輸模塊接收到傳感器模塊輸出的電壓信號后，對電壓信號進行放大及處理，存儲信號數(shù)據(jù)，再通過發(fā)射模塊定時無線傳輸給中繼站。上述的傳感器模塊是在鋼塊2上粘貼有全橋式應(yīng)變片傳感器3，考慮到溫度應(yīng)力變化導(dǎo)致的鋼塊2的微小變形，并導(dǎo)致應(yīng)變測量精度的下降，鋼塊的設(shè)計采用中間稍薄稍窄的設(shè)計，如附圖1所示。應(yīng)變片選用反應(yīng)靈敏度高的全橋式應(yīng)變片傳感器3，如附圖2所示。由于金屬在發(fā)生機械變形(伸長或縮短)時其電阻會發(fā)生變化，對一長為L、截面積S、 電阻系數(shù)P的金屬絲，其電阻R R= ρ L/S當(dāng)其伸長或縮短時，長度L、截面積S和電阻系數(shù)P均會發(fā)生變化，當(dāng)電阻變化量為Δ R，則應(yīng)變ε為ε = ( Δ R/R) /KK為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。沿鋼軌1延伸方向粘貼的全橋式應(yīng)變片傳感器3的兩組應(yīng)變片，每組兩塊，分別垂直和平行鋼軌方向，即一個全橋式應(yīng)變片傳感器3包括四塊應(yīng)變片，如圖3所示。當(dāng)鋼軌溫度變化時，鋼軌1材料視為各向同性，使R/R2 = R3/R4，因軌枕會對鋼軌1的伸長產(chǎn)生阻力即形成鋼軌1的軌向應(yīng)力σ，該應(yīng)力會使鋼軌1沿鋼軌1延伸的方向產(chǎn)生應(yīng)變ε = σ/Ε， “工”字形鋼塊2中間部分產(chǎn)生同樣的應(yīng)變ε 當(dāng)全橋式應(yīng)變片輸入電壓為Vtl時，則橋壓Vi為Vi = [R1/ (R^R2) -R3/ (R3+R4) ] V0當(dāng)鋼塊2受載荷作用時，通過測量橋壓Vi的變化AVi則可確定R的電阻值發(fā)生的變化AR，則測得鋼塊2應(yīng)變ε，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可得其應(yīng)力σ為ε = Δ ViR2 (R3+R4) / (V0 R4)σ = E ε上述鋼塊2用膠粘貼在鋼軌1上，中部切削的一面面向鋼軌1。平行于鋼軌1方向的溫度應(yīng)力變化導(dǎo)致鋼塊2微小的變形，全橋式應(yīng)變片傳感器3能反應(yīng)鋼塊2的應(yīng)變量，鋼塊2上粘貼的溫度傳感器，監(jiān)測環(huán)境溫度，可有效的校驗鋼軌1內(nèi)部溫度應(yīng)力的變化。上述信號處理和發(fā)射模塊，采用高精度低噪聲低功耗運放芯片放大傳感器模塊輸出的電壓信號；所述信號處理和發(fā)射模塊采用低功耗的單片機芯片采集運放輸出的電壓信號，存儲信號數(shù)據(jù)。為了節(jié)能，電源能保持更長的使用時間，每隔一較短的時間電源開始工作，單片機芯片采集數(shù)據(jù)并存儲。每間隔一較長的時間，通過ZigBee無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸給接收中繼站或者手持接收器。當(dāng)應(yīng)力出現(xiàn)急劇變化時，不再按設(shè)定周期定時傳送而采用即時報警方式啟動傳送。電源并采用電池電量監(jiān)測芯片監(jiān)測電池電量，在電池電量將耗盡時，發(fā)出電量報警信號。傳感器模塊和信號處理及發(fā)射模塊都封裝在一個機盒中，方便安裝，并能保護設(shè)備不受損壞。本裝置的具體實施方法包括以下步驟 (1)將全橋式應(yīng)變片傳感器3按照既定的方式粘貼在鋼塊2上，再經(jīng)過高溫高壓后固化膠水，或?qū)⑷珮蚴綉?yīng)變片傳感器3焊接在鋼塊2上；溫度傳感器也粘貼在鋼塊2上。[0052](2)將機盒粘貼在鋼塊2上，信號處理和傳輸模塊安裝在機盒中，構(gòu)成傳感器裝置。(3)將傳感器裝置再粘貼在鋼軌1軌腰處。(4)安裝好中繼站，可以在鋼軌1網(wǎng)絡(luò)化多點安裝本實用新型的監(jiān)測裝置，實行多點監(jiān)測。實施例二如圖5所示，一種鋼軌溫度應(yīng)力監(jiān)測裝置，本實施例的全橋式應(yīng)變片傳感器3為兩塊，鋼塊2的形狀為“工”字形，上述鋼塊2的正面為平面，其中一塊全橋式應(yīng)變片傳感器 3設(shè)置在該平面上；鋼塊2中部的背面經(jīng)過切削后，使之變薄，另一塊應(yīng)變片傳感器3安裝在經(jīng)過切削后的這一面上，其它部件的連接關(guān)系與實施例一相同，所以不再重復(fù)描述。全橋式應(yīng)變片傳感器3用專用膠水粘貼在垂直于軌腹方向的鋼塊2中部的兩側(cè)， 而后采用高溫工藝將膠水固化，或?qū)⑷珮蚴綉?yīng)變片傳感器3焊接在鋼塊2上。上述鋼軌1 的溫度應(yīng)力變化導(dǎo)致鋼塊2微小的歪曲變形，鋼塊2平行于鋼軌1方向一面拉伸，另一面壓縮。兩個全橋式應(yīng)變片傳感器3的應(yīng)變量的平均值就為平行于鋼軌1方向的應(yīng)變量，更真實的反應(yīng)溫度應(yīng)力變化導(dǎo)致的鋼軌1的形變量。綜上所述，便可以較好地實現(xiàn)本實用新型。
權(quán)利要求1.一種鋼軌溫度應(yīng)力監(jiān)測裝置，包括傳感器模塊、信號處理和傳輸模塊、發(fā)射模塊、接收裝置；輸出電壓信號的傳感器模塊，接收和處理電壓信號的信號處理和傳輸模塊，信號處理和傳輸模塊通過發(fā)射模塊與接收裝置通信，其特征在于所述傳感器模塊包括鋼塊(2) 和設(shè)置在鋼塊(2)上的應(yīng)變片傳感器，所述應(yīng)變片傳感器為全橋式應(yīng)變片傳感器(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼軌溫度應(yīng)力監(jiān)測裝置，其特征在于所述鋼塊(2)的形狀為“工”字形，鋼塊(2)中部的厚度比上部和下部薄，所述鋼塊(2)中部的寬度比上部和下部窄。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋼軌溫度應(yīng)力監(jiān)測裝置，其特征在于所述全橋式應(yīng)變片傳感器⑶為一塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋼軌溫度應(yīng)力監(jiān)測裝置，其特征在于所述全橋式應(yīng)變片傳感器⑶為兩塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼軌溫度應(yīng)力監(jiān)測裝置，其特征在于所述傳感器模塊、信號處理和傳輸模塊都封裝在一個機盒中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼軌溫度應(yīng)力監(jiān)測裝置，其特征在于所述傳感器模塊還包括溫度傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼軌溫度應(yīng)力監(jiān)測裝置，其特征在于所述信號處理和傳輸模塊內(nèi)設(shè)置有運放芯片和單片機芯片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼軌溫度應(yīng)力監(jiān)測裝置，其特征在于所述發(fā)射模塊采用無線傳輸模塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼軌溫度應(yīng)力監(jiān)測裝置，其特征在于所述接收裝置為手持接受器或者中繼站接收器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼軌溫度應(yīng)力監(jiān)測裝置，其特征在于所述鋼軌溫度應(yīng)力監(jiān)測裝置還包括電池監(jiān)測芯片。
專利摘要本實用新型公開了一種鋼軌溫度應(yīng)力監(jiān)測裝置，包括傳感器模塊、信號處理和傳輸模塊、發(fā)射模塊和接收裝置；傳感器模塊輸出一個電壓信號，信號處理和傳輸模塊接收到傳感器模塊輸出的電壓信號后，對電壓信號進行放大及處理，并存儲電壓信號數(shù)據(jù)，再通過發(fā)射模塊發(fā)射給接收裝置，所述傳感器模塊包括鋼塊和設(shè)置在鋼塊上的全橋式應(yīng)變片傳感器。本實用新型能長時間、多點監(jiān)測運用中的鐵道鋼軌溫度應(yīng)力變化狀況的監(jiān)測裝置，并可以自動化運行，及時判斷鋼軌溫度應(yīng)力的突變情況，鋼塊的這種設(shè)計，可以彌補用膠粘貼鋼塊帶來的應(yīng)變損失，確保應(yīng)變傳遞準(zhǔn)確度；全橋式的應(yīng)變片，反應(yīng)靈敏度高；ZigBee傳輸無線傳輸模式，傳輸距離遠，單個中繼站可覆蓋多個監(jiān)測裝置。
文檔編號B61K9/08GK202106991SQ201120140230
公開日2012年1月11日 申請日期2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月5日
發(fā)明者丁杰雄 申請人:丁杰雄