本实用新型涉及轨道交通技术领域，具体而言，涉及一种石基压电传感器、压力测试系统和轨道系统。
背景技术：
无砟轨道是我国高速铁路轨道结构的主要形式，时速300km/h及以上的高速铁路线路均采用无砟轨道，仅在个别大跨度桥上及特殊工点采用非无砟轨道。轨道结构作为列车高速运行的平台和基础，承受了列车主要的竖向荷载并将其传递至下部基础，随着列车速度的提高，列车运行过程中所带来的竖向冲击效应也不断加剧，车辆荷载在无砟轨道内部传递的范围和量值是无砟轨道宽度、分层厚度等关键参数设计的依据。同时，车辆荷载在无砟轨道底部的分布规律也是路基、桥梁及隧道等线下基础设计的荷载取值依据，因此，精准的获取车辆荷载动态分布规律显得尤为重要。
为获取车辆竖向荷载在无砟轨道内部的传递规律，需要在无砟轨道铺设时于各结构层内合理设置大量竖向压力传感器，对行车过程中的动态压力进行测试。传统测试方法采用在混凝土内部埋设钢弦式压力盒传感器对混凝土内部压力进行测试，受条件限制，钢弦式压力盒尺寸较大，通常在100mm左右，大量埋入混凝土时，将降低无砟轨道结构的原始承载力，另一方面，由于传感器钢材与混凝土结构之间粘结较差，加上温度变化及混凝土收缩变形，极易造成混凝土初始应力甚至是开裂。测试系统不良是限制无砟轨道内部荷载传递规律测试的原因之一。
由此可知，现有技术中的轨道的压力测试对轨道主体结构的伤损较大。
技术实现要素：
本实用新型的主要目的在于提供一种石基压电传感器、压力测试系统和轨道系统，以减小现有技术中的轨道的压力测试对轨道主体结构的伤损的问题。
为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种用于轨道系统的石基压电传感器，包括：第一石质基体；第二石质基体，第二石质基体叠置在第一石质基体的下方；感应层，感应层设置于第一石质基体与第二石质基体之间，当轨道系统的轨道承受压力时，压力施加于第一石质基体上并压迫感应层，以使感应层发送压力信号；传输部，传输部的一端与感应层连接以用于传输压力信号。
进一步地，传输部包括：导线，导线的第一端与感应层电连接；连接接头，连接接头的第一端与导线的第二端连接，连接接头的第二端与外部设备连接以输出压力信号。
进一步地，感应层是压电薄膜感应层。
根据本实用新型的另一方面，提供了一种用于轨道系统的压力测试系统，包括：石基压电传感器，石基压电传感器是上述的石基压电传感器；数据采集模块，数据采集模块与石基压电传感器的传输部连接，以采集石基压电传感器发送的压力信号；控制模块，控制模块与数据采集模块通信。
进一步地，数据采集模块包括：数据采集仪，数据采集仪与控制模块通信，以将采集到的数据输送到控制模块；信号放大器，信号放大器的输入端与石基压电传感器电连接，信号放大器的输出端与数据采集模块电连接。
进一步地，控制模块包括：信号发射器，信号发射器与数据采集仪通信，信号发射器用于发送指令；电脑，电脑与信号发射器连接，电脑通过信号发射器向数据采集仪发送指令，以将采集的数据传输给电脑，电脑用于对采集的数据进行存储并分析。
进一步地，控制模块与数据采集模块采用无线信号传输方式通信。
根据本实用新型的另一方面，提供了一种轨道系统，包括：轨道；压力测试系统，压力测试系统是上述的压力测试系统，且轨道的底部设置有压力测试系统的石基压电传感器，压力测试系统具有多个石基压电传感器，且多个石基压电传感器分为多组测试层，各测试层内均设置有至少一个石基压电传感器，不同组的测试层沿竖直方向间隔设置。
进一步地，轨道包括：底座板；轨道板，轨道板设置在底座板上，轨道板与底座板之间设置有一组测试层，且同一组测试层内的多个石基压电传感器沿轨道的延伸方向依次间隔设置。
进一步地，底座板的下方设置有另一组测试层。
应用本实用新型的技术方案，石基压电传感器包括第一石质基体、第二石质基体、感应层和传输部，第二石质基体叠置在第一石质基体的下方；感应层设置于第一石质基体与第二石质基体之间，当轨道系统的轨道承受压力时，压力施加于第一石质基体上并压迫感应层，以使感应层发送压力信号；传输部的一端与感应层连接以用于传输压力信号。
这样，第一石质基体、第二石质基体和感应层叠加设置，且将感应层封装在第一石质基体和第二石质基体中间，可以准确测量轨道的竖向受力情况，并且对感应层起到一定的保护作用，感应层能够测量轨道系统的受力情况，并将测量的压力信号通过传输部传输给外部设备，另外，第一石质基体和第二石质基体是石质材料，便于和轨道的混凝土融为一体，而且承受能力强，不容易变形损坏，对轨道起到了保护作用，成本较低，能够满足轨道系统的使用要求。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1示出了本实用新型的实施例的石基压电传感器的结构示意图；
图2示出了本实用新型的实施例的轨道系统的结构示意图；
图3示出了本实用新型的实施例的轨道系统的部分结构示意图；以及
图4示出了图3中的轨道系统的另一个角度的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、石基压电传感器；11、第一石质基体；12、第二石质基体；13、感应层；14、传输部；141、导线；142、连接接头；20、数据采集模块；21、数据采集仪；22、信号放大器；30、控制模块；31、信号发射器；32、电脑；40、轨道；41、底座板；42、轨道板；43、钢轨。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本实用新型。
为了解决现有技术中的轨道的压力测试存在不准确的问题，本实用新型提供了一种石基压电传感器、压力测试系统和轨道系统。其中，压力测试系统具有下述的石基压电传感器，轨道系统具有下述的压力测试系统。
如图1所示，石基压电传感器10包括第一石质基体11、第二石质基体12、感应层13和传输部14，第二石质基体12叠置在第一石质基体11的下方；感应层13设置于第一石质基体11与第二石质基体12之间，当轨道系统的轨道40承受压力时，压力施加于第一石质基体11上并压迫感应层13，以使感应层13发送压力信号；传输部14的一端与感应层13连接以用于传输压力信号。
这样，第一石质基体11、第二石质基体12和感应层13叠加设置，且将感应层13封装在第一石质基体11和第二石质基体12中间，可以准确测量轨道40的竖向受力情况，并且对感应层13起到一定的保护作用，感应层13能够测量轨道系统的受力情况，并将测量的压力信号通过传输部14传输给外部设备，另外，第一石质基体11和第二石质基体12是石质材料，便于和轨道的混凝土融为一体，而且承受能力强，不容易变形损坏，对轨道起到了保护作用，成本较低，能够满足轨道系统的使用要求。
需要说明的是，第一石质基体11和第二石质基体12为圆柱形，直径20±0.5mm，厚度5±0.5mm。由于体积较小，且主要组成为石头，与混凝土骨料一致，因而可以大量设置于轨道40内部，进行全面测量。
另外，为精确掌握石基压电传感器10所受压力与采集电压之间的对应关系，在传感器制作完成后，需要用具有标定资质的压力试验机对每个石基压电传感器10进行标定，获取石基压电传感器10灵敏度。
如图1所示，传输部14包括：导线141，导线141的第一端与感应层13电连接；连接接头142，连接接头142的第一端与导线141的第二端连接，连接接头142的第二端与外部设备连接以输出压力信号。导线141与连接接头142能够满足传输要求，快速传输压力信号，且结构简单，成本较低。
在本实施例中，感应层13是压电薄膜感应层。压电薄膜感应层很薄，很柔软，对动态应力非常敏感，可以更好地测量动态压力。
如图2所示，压力测试系统包括石基压电传感器10、数据采集模块20和控制模块30，数据采集模块20与石基压电传感器10的传输部14连接，以采集石基压电传感器10发送的压力信号；控制模块30与数据采集模块20通信。
在测试过程中，数据采集模块20对石基压电传感器10测得的压力信号进行采集，控制模块30对数据采集仪21发送指令，数据采集仪21接收到指令后，将采集的压力信号传输给控制模块30，控制模块30对接受到压力信号进行存储并分析。这样，实现了对轨道40不同位置处动压力的测定与分析，可以更加精准地获取车辆荷载动态分布规律，以保护列车在轨道系统中的运行安全。
需要说明的是，相比较既有的金属压力传感器而言尺寸更小，石基压电传感器10对轨道40结构整体性的影响也更小。
如图2所示，数据采集模块20包括：数据采集仪21，数据采集仪21与控制模块30通信，以将采集到的数据输送到控制模块30；信号放大器22，信号放大器22的输入端与石基压电传感器10电连接，信号放大器22的输出端与数据采集模块20电连接。
信号放大器22用于将电荷信号转换成电压信号，以便于数据采集仪21进行采集，数据采集仪21对电压信号进行采集进而传输给控制模块30进行存储与分析，其中，数据采集仪21是具有高频数据采集能力的多通道数据采集仪21，以便更好地采集高速列车行进过程中轨道40内部压力的动态变化。
车辆运营过程中，竖向荷载激励压电薄膜产生电荷，不同位置处的压电传感器产生的电荷量不同，通过数据采集仪21采集传感器动态电压实现对轨道40不同位置处动压力的测定。
如图2所示，控制模块30包括信号发射器31和电脑32，信号发射器31与数据采集仪21通信，信号发射器31用于发送指令；电脑32与信号发射器31连接，电脑32通过信号发射器31向数据采集仪21发送指令，以将采集的数据传输给电脑32，电脑32用于对采集的数据进行存储并分析。
电脑32通过信号发射器31向数据采集仪21发送接收数据的指令，数据采集仪21将采集的电压信号传输给电脑32，电脑32对采集的数据进行存储并分析，进而拟合压力分布曲线。在这个过程中，信号发射器31与数据采集仪21采用无线信号传输的方式通信，电脑32与数据采集仪21之间采用无线信号传输的方式通信。
在本实施例中，控制模块30与数据采集模块20采用无线信号传输方式通信。通过无线信号传输可以实现远程控制，方便快捷，操作简单，可靠性强。
如图2至图4所示，轨道系统包括轨道40和压力测试系统，轨道40的底部设置有压力测试系统的石基压电传感器10，压力测试系统具有多个石基压电传感器10，且多个石基压电传感器10分为多组测试层，各测试层内均设置有至少一个石基压电传感器10，不同组的测试层沿竖直方向间隔设置。
由于石基压电传感器10设置为多组测试层，且多组测试层沿竖直方向间隔设置在轨道40的底部，因而可以对轨道40各处的荷载竖向压力进行测量与采集，进而有利于控制模块30更加准确地分析受力情况，实现对车辆竖向动态荷载作用下轨道40各层压力在纵向或横向分布曲线的精确描述。
如图3所示，轨道40包括：底座板41；轨道板42，轨道板42设置在底座板41上，轨道板42与底座板41之间设置有一组测试层，且同一组测试层内的多个石基压电传感器10沿轨道40的延伸方向依次间隔设置。由于石基压电传感器10沿轨道40的延伸方向依次间隔设置在底座板41下方，因而可以更好地测得轨道系统的荷载竖向压力，进而有利于控制模块30更加准确地分析受力情况，实现对车辆竖向动态荷载作用下轨道40各层压力在纵向或横向分布曲线的精确描述。
需要说明的是，轨道板42设置于钢轨43的下方，底座板41设置于轨道板42的下方，轨道板42和底座板41共同支撑钢轨43。
如图2至图4所示，底座板41的下方设置有另一组测试层。有利于控制模块30更加准确地分析受力情况，实现对车辆竖向动态荷载作用下轨道40各层压力在纵向或横向分布曲线的精确描述。
需要说明的是，上述轨道40为无砟轨道时的效果更为突出，下面以无砟轨道为例，具体实施步骤为：
第一步，试制石基压电传感器10，首先制作两块圆柱形石材，每块直径20±0.5mm，厚度5±0.5mm，然后制作直径20±0.5mm的压电薄膜，将压电薄膜封装入圆柱形石材内并进行封装，引出电量测试的数据线。
第二步，利用具有标定资质的压力试验机对每个石基压电传感器10进行标定，获取石基压电传感器10灵敏度，进行传感器标记及灵敏度记录。
第三步，对无砟轨道内部压力传递进行理论分析，获取无砟轨道压力分布曲线，在分布曲线的对应拐点位置进行布点，以在测试中捕捉完整的压力分布图。
第四步，在高速铁路路基施工完成，底座板41钢筋绑扎后，按照测点布置原则，进行路基顶面、无砟轨道底面测点布置。
第五步，在高速铁路无砟轨道底座板41施工完成，道床板钢筋绑扎完成后，进行底座板41顶面、道床板底面测点布置。
第六步，无砟轨道主体结构施工完成后，进行各测点石基压电传感器10调试。
第七步，行车测试前，将石基压电传感器10的导线141与信号放大器22连接，然后将信号放大器22与数据采集仪21连接，各设备接上电源后，将数据采集仪21连接无线信号发射器31，使用电脑32远程收取数据。
第八步，行车时，进行数据采集，获取高速列车动态行车过程中各测点动态压力时程，拟合压力分布曲线。
从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：
1、石基压电传感器能够大量布置于轨道混凝土内部而不引起无砟轨道混凝土应力，从而实现对轨道断面压力分布曲线的精确测量与描述；
2、该压力测试系统可根据轨道类型调整测点布置，适应不同结构类型的无砟轨道竖向压力测试；
3、通过无线信号传输可以实现远程控制，方便快捷，操作简单，可靠性强。
显然，上述所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。