CN117664401A - 一种铁路监测用柔性无源压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁路监测用柔性无源压力传感器，包括有上五模超材料薄膜层、下五模超材料薄膜层、压电材料薄膜层和柔性封装层，压电材料薄膜层封装于柔性封装层中并通过信号线将压电信号引出，柔性封装层粘接固定于上五模超材料薄膜层和下五模超材料薄膜层之间；上五模超材料薄膜层和下五模超材料薄膜层是由五模超材料和柔性纳米线制成。本发明设置在钢轨扣件的弹条和钢轨之间，不会对铁路运行安全造成影响，实时监测铁路的运行状态，监测信号稳定，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及铁路监测技术领域，具体是一种铁路监测用柔性无源压力传感器。
背景技术
目前，高速铁路事故有很大一部分原因是由于异物(泥石流、落石等)侵入运行轨道、或是铁路路基塌陷造成的，少数的脱轨事故是由于高速行驶过程中出现了技术故障，导致列车失去平衡并发生侧翻。
发明专利(2016111264939)公开了一种监测铁轨结构用橡胶垫板老化程度的装置和方法，是将压力监测传感器铺设于橡胶垫板的下方，该方法受制于传感器的厚度以及接触面积，影响橡胶垫板03(见图1)与轨枕04的接触面积，进而影响橡胶垫板的减震效果，会对铁路运行安全造成影响，特别是高速铁路的行车安全，因此不易在高速铁路中推广使用。同时由于高速铁路橡胶垫板的更换流程较为复杂，需要将铁轨整个抬起后对已经老化后的垫板进行更换操作，铁轨复原后，还需要使用工程车辆对整个钢轨进行打磨和线路的平顺性的监测，更换成本较高，同时对安全运行产生了较大的影响，因此不易在高速铁路中推广应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种铁路监测用柔性无源压力传感器，设置在钢轨扣件的弹条和钢轨之间，不会对铁路运行安全造成影响，实时监测铁路的运行状态，监测信号稳定，使用寿命长。
本发明的技术方案为：
一种铁路监测用柔性无源压力传感器，包括有上五模超材料薄膜层、下五模超材料薄膜层、压电材料薄膜层和柔性封装层，所述的压电材料薄膜层封装于柔性封装层中并通过信号线将压电信号引出，所述的柔性封装层粘接固定于上五模超材料薄膜层和下五模超材料薄膜层之间；所述的上五模超材料薄膜层和下五模超材料薄膜层均是由五模超材料和柔性纳米线制成，柔性纳米线嵌入到五模超材料中，五模超材料的晶胞附着在柔性纳米线上，嵌入到五模超材料中的柔性纳米线整体刚度大于五模超材料的刚度。
所述的上五模超材料薄膜层和下五模超材料薄膜层是采用3D打印技术制成的薄膜结构，五模超材料包括有底层和顶层、以及设置于底层和顶层之间的多个微结构单元，每个微结构单元均是由多个晶胞组成，多个微结构单元的晶胞均斜向上延伸排布且延伸的轴线相互平行，打印过程中每根柔性纳米线均沿五模超材料的底层向顶层延伸，每根柔性纳米线的底部均嵌入到底层中，每根柔性纳米线顶端的水平高度均低于顶层底端的水平高度，每根柔性纳米线均穿越五模超材料对应微结构单元晶胞的中心，且柔性纳米线穿越微结构单元相邻晶胞之间的节点。
所述的上五模超材料薄膜层和下五模超材料薄膜层的厚度均不大于0.341mm。
所述的柔性纳米线选用银纳米线，每根柔性纳米线嵌入到五模超材料底层中的部分其长度为每根柔性纳米线总长度的10-15％。
所述的压电材料薄膜层为极化后的聚偏二氟乙烯薄膜层，压电材料薄膜层的厚度不大于0.03mm。
所述的柔性封装层包括有上柔性封装层和下柔性封装层，上柔性封装层和下柔性封装层是在高分子聚合物中加入短碳纤维和碳纤维颗粒后制成的封装膜结构，压电材料薄膜层完全粘接于上柔性封装层和下柔性封装层的中心部之间，上柔性封装层的环形边缘部和下柔性封装层的环形边缘部相互粘接，从而使得压电材料薄膜层完全封装于柔性封装层中。
所述的高分子聚合物选用聚二甲基硅氧烷材料或聚酰亚胺。
所述的短碳纤维和碳纤维颗粒的总质量与高分子聚合物的质量比为0.003：1；所述的短碳纤维和碳纤维颗粒的质量比为1.125-1.356：1。
所述的短碳纤维选用长度不大于20微米的短碳纤维，碳纤维颗粒选用粒径控制在1～5微米之间的碳纤维颗粒。
所述的柔性无源压力传感器设置于扣件的弹条和钢轨之间，扣件的弹条与钢轨接触的部分完全粘接于柔性无源压力传感器上，柔性无源压力传感器的底端置于钢轨上，所述的上五模超材料薄膜层和下五模超材料薄膜层中每个微结构单元水平投影的轴线均与钢轨的水平轴线平行。
本发明的优点：
(1)、本发明的顶部和底部均为五模超材料薄膜层，五模超材料在安装后仅承受竖直方向的轴向荷载，当列车在高速运行时，本发明的五模超材料薄膜层承受水平方向的剪力和竖直方向的轴向荷载，当其仅承受竖直方向的轴向荷载时，五模超材料的微结构单元不会出现形变，当其承受水平方向的剪应力时，五模超材料的微结构单元会发生形变，此时的形变为五模超材料的整体结构出现屈曲，五模超材料为多孔结构，当整体结构出现屈曲、即五模超材料高宽比呈现急剧减小的特性时，并不会产生减震效果，五模超材料屈曲的目的是保证压电材料薄膜层和钢轨处于相对平行的状态，从而保证压电材料薄膜层测量数据的准确性。
(2)、本发明的上五模超材料薄膜层和下五模超材料薄膜层是由五模超材料和柔性纳米线制成，嵌入到五模超材料中的柔性纳米线整体刚度大于五模超材料的刚度，柔性纳米线不会影响五模超材料形变的过程，且使得上下五模超材料薄膜层可以通过柔性纳米线加速恢复过程，减少五模超材料在受剪应力状态下形变之后恢复的反应时间，进一步提高压电材料薄膜层测量数据的准确性。
(3)、本发明采用柔性封装层对压电材料薄膜层进行封装保护，柔性封装层是采用在高分子聚合物中加入短碳纤维和碳纤维颗粒后制成，并合理进行短碳纤维和碳纤维颗粒的配比、高分子聚合物与碳纤维的配比，从而提高柔性封装层的强度，避免其在使用过程中出现裂缝，使得雨水侵入压电材料薄膜层，造成传感失效的问题，进一步提升本发明在恶劣环境下使用的可靠度，且使得压电材料薄膜层不会出现褶皱和屈曲的状态，进而保证压电材料薄膜层使用的可靠性，大大提升其使用寿命，并保证测量数值的准确性；
(4)、本发明使用时是与扣件的弹条粘接固定，组成一体化结构，然后压置于钢轨上，保证了本发明安装结构的稳定性，不易从弹条和钢轨之间移位，且便于随弹条安装于钢轨不同的检测位置，安装方式简单，监测数据准确。
附图说明
图1是扣件的弹条对钢轨进行固定的结构示意图。
图2是本发明连接于弹条上未受剪应力状态下的剖视图。
图3是本发明连接于弹条上受剪应力状态下的形变剖视图。
图4是本发明上五模超材料薄膜层或下五模超材料薄膜层未受剪应力状态下的剖视图。
图5是本发明上五模超材料薄膜层或下五模超材料薄膜层受剪应力状态下的形变剖视图。
图6是本发明实施例中铁路监测***的结构框图。
附图标记：01-钢轨，02-弹条，03-橡胶垫板，04-轨枕，1-上五模超材料薄膜层，2-下五模超材料薄膜层，3-压电材料薄膜层，4-上柔性封装层，5-下柔性封装层，6-信号线，101-五模超材料的底层，102-五模超材料的顶层，103-晶胞，104-柔性纳米线，105-晶胞之间的节点，7-信号滤波器，8-信号放大器，9-AD转换器，10-无线发射器，11-无线接收器11，12-分析预警控制器，13-灾害预警数字孪生平台，14-监控终端。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
见图2和图3，一种铁路监测用柔性无源压力传感器，包括有上五模超材料薄膜层1、下五模超材料薄膜层2、压电材料薄膜层3、上柔性封装层4和下柔性封装层5，上柔性封装层4和下柔性封装层5是在高分子聚合物中加入短碳纤维和碳纤维颗粒后制成的封装膜结构，压电材料薄膜层3完全粘接于上柔性封装层4和下柔性封装层5的中心部之间，上柔性封装层4的环形边缘部和下柔性封装层5的环形边缘部相互粘接，从而使得压电材料薄膜层3完全封装于上柔性封装层4和下柔性封装层5之间，压电材料薄膜层3通过信号线6将压电信号引出，上柔性封装层4和下柔性封装层5粘接固定于上五模超材料薄膜层1和下五模超材料薄膜层2之间。
见图4和图5，上五模超材料薄膜层1和下五模超材料薄膜层2的厚度均不大于0.341mm，上五模超材料薄膜层1和下五模超材料薄膜层2均是采用3D打印技术由五模超材料和柔性纳米线制成的薄膜结构，柔性纳米线选用银纳米线，五模超材料包括有底层101和顶层102、以及设置于底层101和顶层102之间的多个微结构单元，每个微结构单元均是由多个晶胞103组成，多个微结构单元的晶胞103均斜向上延伸排布且延伸的轴线相互平行，打印过程中每根柔性纳米线104均沿五模超材料的底层101向顶层102延伸，每根柔性纳米线104的底部均嵌入到底层101中，每根柔性纳米线104顶端的水平高度均低于顶层102底端的水平高度，即每根柔性纳米线104均不嵌入到顶层102内，且每根柔性纳米线104嵌入到五模超材料底层101中的部分其长度不大于每根柔性纳米线104总长度的15％(优选10-15％)，每根柔性纳米线104均穿越五模超材料对应微结构单元晶胞103的中心，且柔性纳米线104穿越微结构单元相邻晶胞103之间的节点105，嵌入到五模超材料中的柔性纳米线104整体刚度大于五模超材料的刚度。
压电材料薄膜层3为极化后的聚偏二氟乙烯薄膜层，压电材料薄膜层3的厚度不大于0.03mm。
上柔性封装层4和下柔性封装层5中的高分子聚合物选用聚二甲基硅氧烷材料或聚酰亚胺；上柔性封装层4和下柔性封装层5中的短碳纤维和碳纤维颗粒的总质量与高分子聚合物的质量比为0.003：1；短碳纤维和碳纤维颗粒的质量比为1.125-1.356：1；短碳纤维选用长度不大于20微米的短碳纤维的短碳纤维，碳纤维颗粒选用粒径控制在1～5微米之间的碳纤维颗粒。
见图1，柔性无源压力传感器设置于扣件的弹条02和钢轨01之间，扣件的弹条02与钢轨01接触的部分完全粘接于柔性无源压力传感器上，柔性无源压力传感器的底端置于钢轨01上，上五模超材料薄膜层1和下五模超材料薄膜层2中每个微结构单元水平投影的轴线均与钢轨01的水平轴线平行。
本发明的制作过程：
(1)、采用离心的方式将短碳纤维和碳纤维颗粒弥散到高分子聚合物中，并制成薄膜结构，得到柔性封装材料，然后切割柔性封装材料，得到同等大小的上柔性封装层4和下柔性封装层5，最后将压电材料薄膜层3完全粘接于上柔性封装层4和下柔性封装层5的中心部之间，上柔性封装层4的环形边缘部和下柔性封装层5的环形边缘部相互粘接，从而使得压电材料薄膜层3完全封装于上柔性封装层4和下柔性封装层5之间，且压电材料薄膜层3通过信号线6将压电信号引出，得到压电封装结构；
(2)、采用3D打印技术由五模超材料和柔性纳米线制成五模超材料薄膜，打印过程中，每根柔性纳米线104均沿五模超材料的底层101向顶层102延伸，每根柔性纳米线104的底部均嵌入到底层101中，且每根柔性纳米线104嵌入到五模超材料底层101中的部分其长度为每根柔性纳米线104总长度的15％，每根柔性纳米线104穿越五模超材料对应微结构单元晶胞的中心，且柔性纳米线104穿越微结构单元相邻晶胞103之间的节点105；然后切割五模超材料薄膜，得到与上柔性封装层4和下柔性封装层5尺寸大小一致的上五模超材料薄膜层1和下五模超材料薄膜层2；
(3)、首先在下五模超材料薄膜层2的顶面涂抹一定量的胶水后放入甩胶机或高速离心机中进行均匀甩胶处理后，在下五模超材料薄膜层2的顶面放置压电封装结构，然后对其施加轴向荷载后，使用紫外光对下五模超材料薄膜层2和下柔性封装层5之间的胶水进行固化处理，使下五模超材料薄膜层2和压电封装结构粘接固定；
(4)、使用大功率激光对弹条02与钢轨01接触区域的底面进行凿毛处理，然后对凿毛的区域进行灌胶处理，处理后将上五模超材料薄膜层1对凿毛的区域进行覆盖粘接处理，粘贴后使用紫外光对胶水进行固化处理；
(5)、首先在压电封装结构上柔性封装层4的顶面涂抹一定量的胶水并甩胶处理后，在上柔性封装层4的顶面放置粘接固定后的上五模超材料薄膜层1和弹条02，之后对其施加轴向荷载并使用紫外光对胶水进行固化处理；
(6)、待胶水固化之后，即形成柔性无源压力传感器，对柔性无源压力传感器进行标定处理，测试其在动态荷载作用下的冲击荷载与电信号的状态即可。
信号线6的内端部是直接封装于上柔性封装层4和下柔性封装层5之间，外端部是从上柔性封装层4和下柔性封装层5之间引出，可在信号线6的外端设置有对应的信号接口，便于与外置的铁路监测***连接。
见图6，铁路监测***包括有布设于钢轨01侧方的信号采集器和布设于远端的分析预警终端，信号采集器包括有与信号线6顺次连接的信号滤波器7、信号放大器8、AD转换器9和无线发射器10，分析预警终端包括有顺次连接的无线接收器11和分析预警控制器12，无线发射器10和无线接收器11无线通讯连接，分析预警控制器12对采集的信号进行存储、数据处理和分析、以及灾害评估分析等，分析预警控制器12还通过无线网络与灾害预警数字孪生平台13连接，灾害预警数字孪生平台13对可能发生的灾害进行预判，多个监控终端14(有线终端(铁路局指挥中心)、无线终端、手持终端)均与灾害预警数字孪生平台13通讯连接，实现远程监测的目的。
柔性无源压力传感器安装于钢轨01上对应的检测位处，通过压电材料薄膜层3采集电信号，可以用作侵线监测，当存在泥石流或人员侵入钢轨轨道时，此时电信号数值会产生变化，电信号传输给铁路监测***，从而实现灾害监测预警的功能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种铁路监测用柔性无源压力传感器，其特征在于：包括有上五模超材料薄膜层、下五模超材料薄膜层、压电材料薄膜层和柔性封装层，所述的压电材料薄膜层封装于柔性封装层中并通过信号线将压电信号引出，所述的柔性封装层粘接固定于上五模超材料薄膜层和下五模超材料薄膜层之间；所述的上五模超材料薄膜层和下五模超材料薄膜层均是由五模超材料和柔性纳米线制成，柔性纳米线嵌入到五模超材料中，五模超材料的晶胞附着在柔性纳米线上，嵌入到五模超材料中的柔性纳米线整体刚度大于五模超材料的刚度。
2.根据权利1所述的一种铁路监测用柔性无源压力传感器，其特征在于：所述的上五模超材料薄膜层和下五模超材料薄膜层是采用3D打印技术制成的薄膜结构，五模超材料包括有底层和顶层、以及设置于底层和顶层之间的多个微结构单元，每个微结构单元均是由多个晶胞组成，多个微结构单元的晶胞均斜向上延伸排布且延伸的轴线相互平行，打印过程中每根柔性纳米线均沿五模超材料的底层向顶层延伸，每根柔性纳米线的底部均嵌入到底层中，每根柔性纳米线顶端的水平高度均低于顶层底端的水平高度，每根柔性纳米线均穿越五模超材料对应微结构单元晶胞的中心，且柔性纳米线穿越微结构单元相邻晶胞之间的节点。
3.根据权利要求2所述的一种铁路监测用柔性无源压力传感器，其特征在于：所述的上五模超材料薄膜层和下五模超材料薄膜层的厚度均不大于0.341mm。
4.根据权利要求2所述的一种铁路监测用柔性无源压力传感器，其特征在于：所述的柔性纳米线选用银纳米线，每根柔性纳米线嵌入到五模超材料底层中的部分其长度为每根柔性纳米线总长度的10-15％。
5.根据权利要求1所述的一种铁路监测用柔性无源压力传感器，其特征在于：所述的压电材料薄膜层为极化后的聚偏二氟乙烯薄膜层，压电材料薄膜层的厚度不大于0.03mm。
6.根据权利要求1所述的一种铁路监测用柔性无源压力传感器，其特征在于：所述的柔性封装层包括有上柔性封装层和下柔性封装层，上柔性封装层和下柔性封装层是在高分子聚合物中加入短碳纤维和碳纤维颗粒后制成的封装膜结构，压电材料薄膜层完全粘接于上柔性封装层和下柔性封装层的中心部之间，上柔性封装层的环形边缘部和下柔性封装层的环形边缘部相互粘接，从而使得压电材料薄膜层完全封装于柔性封装层中。
7.根据权利要求6所述的一种铁路监测用柔性无源压力传感器，其特征在于：所述的高分子聚合物选用聚二甲基硅氧烷材料或聚酰亚胺。
8.根据权利要求6所述的一种铁路监测用柔性无源压力传感器，其特征在于：所述的短碳纤维和碳纤维颗粒的总质量与高分子聚合物的质量比为0.003：1；所述的短碳纤维和碳纤维颗粒的质量比为1.125-1.356：1。
9.根据权利要求6所述的一种铁路监测用柔性无源压力传感器，其特征在于：所述的短碳纤维选用长度不大于20微米的短碳纤维，碳纤维颗粒选用粒径控制在1～5微米之间的碳纤维颗粒。
10.根据权利要求1所述的一种铁路监测用柔性无源压力传感器，其特征在于：所述的柔性无源压力传感器设置于扣件的弹条和钢轨之间，扣件的弹条与钢轨接触的部分完全粘接于柔性无源压力传感器上，柔性无源压力传感器的底端置于钢轨上，所述的上五模超材料薄膜层和下五模超材料薄膜层中每个微结构单元水平投影的轴线均与钢轨的水平轴线平行。
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