一种用于铁轨扣件实时监测的传感器的制作方法

本实用新型属于铁路监测装置领域，特别是涉及一种用于铁轨扣件实时监测的传感器。

背景技术：

在铁路中，扣件是作为连接铁轨和轨枕的中间联结零件，它将铁轨固定在轨枕上，保持轨距和阻止铁轨相对于轨枕的纵横向移动，但扣件在使用过程中，可能会发生松动甚至断裂，这将严重的影响列车的安全，所以及时检测到扣件是否松动或断裂是保障列车运行安全的重要一环，现有的扣件松动状态的监测主要靠敲击振动信号分析、相机图像分析或进行人工巡检，上述对扣件的监测均存在实时性差、效率低的问题，无法保障对扣件松动状态掌握的及时性。

因此，如何能够实时获悉扣件是否松动，提高扣件监测效率，保障扣件监测的及时性是本技术领域的技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种用于铁轨扣件实时监测的传感器，解决现有技术中铁路扣件监测实时性差、监测效率低以及容易发生扣件漏检的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是提供一种用于铁轨扣件实时监测的传感器，包括弹性结构体和应变片，所述应变片安装在所述弹性结构体上，所述传感器安装在轨枕中，所述轨枕上铺设有铁轨，在所述轨枕和铁轨之间设置有垫层，所述轨枕上还设置有用于将所述铁轨和轨枕连接在一起的扣件，所述传感器与所述垫层弹性接触，所述传感器还连接有监测电路。

当铁路的扣件发生松动时，所述铁轨受到的应力产生变化，所述垫层受到的应力也产生变化，所述弹性结构体产生形变而改变所述应变片的电阻大小，进而产生电压变化信号，将所述电压变化信号通过实时传输完成铁路扣件的实时监测。

在本实用新型用于铁轨扣件实时监测的传感器的另一实施例中，还包括用于固定连接所述弹性结构体的固定件，所述弹性结构体分别水平安装在所述固定件的左侧和右侧，所述应变片包括第一应变片和第二应变片，在所述固定件的左侧及右侧的弹性结构体的上表面上均安装有所述第一应变片，在所述固定件的左侧及右侧的弹性结构体的下表面上均安装有所述第二应变片，且所述第一应变片和第二应变片的位置上下对应，在所述弹性结构体的自由端的端头设置有用于和所述垫层相接触的支撑件。

在本实用新型用于铁轨扣件实时监测的传感器的另一实施例中，所述固定件包括用于固定所述弹性结构体的固定台，所述固定台的底部具有向外水平延伸的支脚。

在本实用新型用于铁轨扣件实时监测的传感器的另一实施例中，还包括用于固定连接所述弹性结构体的固定件，所述弹性结构体跨接连接两个所述固定件，所述应变片包括第一应变片和第二应变片，所述弹性结构体为水平设置，在所述弹性结构体的中间位置安装有所述第一应变片和第二应变片，所述第一应变片位于所述弹性结构体的上表面，所述第二应变片位于所述弹性结构体的下表面，在所述弹性结构体上还设置有与所述垫层相接触的支撑件。

在本实用新型用于铁轨扣件实时监测的传感器的另一实施例中，还包括用于固定连接所述弹性结构体的固定件，所述弹性结构体安装在两个所述固定件之间，所述弹性结构体的两个端头与所述固定件固定连接，所述弹性结构体水平设置，所述应变片包括第一应变片和第二应变片，在所述弹性结构体的中间位置安装有所述第一应变片和第二应变片，所述第一应变片位于所述弹性结构体的上表面，所述第二应变片位于所述弹性结构体的下表面，在所述弹性结构体上还设置有用于和所述垫层相接触的支撑件。

在本实用新型用于铁轨扣件实时监测的传感器的另一实施例中，所述监测电路包括供电电源、第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的第一端电连接所述第一应变片的第一端，所述第一应变片的第二端电连接所述第二应变片的第一端，所述第二应变片的第二端电连接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端电连接所述第一电阻的第二端，所述第一电阻的第一端还电连接所述供电电源的正极，所述第二电阻的第一端还电连接所述供电电源的负极，所述监测电路还电连接有将所述电压变化信号进行实时传输的无线模块。

在本实用新型用于铁轨扣件实时监测的传感器的另一实施例中，所述传感器还电连接有将所述电压变化信号进行放大去噪的信号调理电路，所述信号调理电路电连接单片机，所述单片机用于采集放大去噪后的所述电压变化信号，所述单片机电连接用于将所述电压变化信号传输到网关的无线模块，所述网关将所述电压变化信号传输给远程服务器，所述远程服务器实时显示所述扣件的松动状态。

在本实用新型用于铁轨扣件实时监测的传感器的另一实施例中，所述弹性结构体为可产生弹性变形的横梁。

本实用新型的有益效果是：本实用新型公开了一种用于铁轨扣件实时监测的传感器，包括弹性结构体和应变片，应变片安装在弹性结构体上，传感器安装在轨枕中，轨枕上铺设有铁轨，在轨枕和铁轨之间设置有垫层，轨枕上还设置有用于将铁轨和轨枕连接在一起的扣件，传感器与垫层弹性接触，传感器还连接有监测电路。当铁路的扣件发生松动时，铁轨受到的应力产生变化，垫层受到的应力也产生变化，弹性结构体产生形变而改变应变片的电阻大小，进而产生电压变化信号，将电压变化信号通过实时传输完成铁路扣件的实时监测。该传感器能够对铁路的扣件松动情况进行实时监测，避免漏检情况的发生，提高扣件监测效率，提高列车运行安全性。

附图说明

图1是本实用新型用于铁轨扣件实时监测的传感器一实施例截面示意图；

图2是本实用新型用于铁轨扣件实时监测的传感器另一实施例中的结构示意图；

图3是本实用新型用于铁轨扣件实时监测的传感器另一实施例中弹性结构体和固定件的结构示意图；

图4是本实用新型用于铁轨扣件实时监测的传感器另一实施例中弹性结构体和固定件的结构示意图；

图5是本实用新型用于铁轨扣件实时监测的传感器另一实施例中监测电路原理图；

图6是本实用新型用于铁轨扣件实时监测的传感器另一实施例中信号分析流程图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本实用新型。

图1是本实用新型用于铁轨扣件实时监测的传感器一实施例截面示意图，图2是本实用新型用于铁轨扣件实时监测的传感器另一实施例中的结构示意图，结合图1和图2，该用于铁轨扣件实时监测的传感器包括弹性结构体1和应变片2，所述应变片2安装在所述弹性结构体1上，所述传感器安装在轨枕3中，所述轨枕3上铺设有铁轨4，在所述轨枕3和铁轨4之间设置有垫层5，所述轨枕3上还设置有用于将所述铁轨4和轨枕3连接在一起的扣件6，所述传感器与所述垫层5弹性接触，所述传感器还连接有监测电路。

当铁路的扣件6发生松动时，所述铁轨4受到的应力产生变化，所述垫层5受到的应力也产生变化，所述弹性结构体1产生形变而改变所述应变片2的电阻大小，进而产生电压变化信号，将所述电压变化信号通过实时传输完成铁路扣件的实时监测。该种方式的监测实时性强，不会发生漏检，具有监测的及时性，可在无列车通过铁轨时达到对扣件的及时监测和处理，避免了列车通过具有松动扣件的铁轨，保障列车运行安全，同时相比于人工对扣件的监测，它还具有节省成本，省时省力的优点。

优选的，所述弹性结构体1为可产生弹性变形的横梁。

在铁路工程中，铁轨铺设于轨枕上方，且在轨枕和钢轨之间设置有垫层，为了使铁轨和轨枕稳固接触，铁路上利用了扣件紧固，扣件的紧固力会通过垫层传递到轨枕的上表面，即扣件的紧固力对轨枕的上表面产生压力作用，该传感器会实时监测轨枕上表面的压力，当扣件松动发生时，这种压力会随之变小，该传感器监测的压力信号也会随之变小。将该传感器的信号实时传输给服务器和上位机，用于分析和显示扣件松动的情况。

铁路的扣件6大多为螺栓紧固形式，螺栓61紧固着弹条62或弹片，弹条62或弹片固定铁轨4和轨枕3，如果螺栓61松动，将导致弹条62或弹片的松动，进而导致整个扣件6的松动，也将会影响铁轨4和轨枕3之间连接的牢固性，会对铁路安全产生不良影响，正常状态下，螺栓61上的紧固力会使得弹条62或弹片变形，从而对铁轨4产生弹力，弹力可通过垫层5传递给轨枕3，可近似形成均布的载荷，当扣件松动时，会使得弹力变小，进而会发生载荷的变化，通过监测垫层底面力的变化可实现对扣件松动状态的实时监测，具体的，在垫层下方设置的该传感器可对垫层传递过来的应力进行感应，从而实现对扣件的实时监测。

优选的，还包括用于固定连接所述弹性结构体1的固定件7，所述弹性结构体1分别水平设置在所述固定件7的左侧和右侧(图2中x方向为左侧，y方向为右侧)，所述应变片包括第一应变片21和第二应变片22，在所述固定件7的左侧及右侧的弹性结构体1的上表面上均设置有第一应变片21，在所述固定件7的左侧及右侧的弹性结构体1的下表面上均设置有第二应变片22，且所述第一应变片21和第二应变片22的位置上下对应，在所述弹性结构体1的自由端的端头设置有用于和所述垫层5相接触的支撑件8。这种在固定件7的左侧和右侧设置弹性结构体的方式具有较大的挠度，即梁结构这种受力可弯曲的部件在受到载荷作用下能够具有更大的变形，不会轻易断裂。

当扣件松动时，应力变化传递给垫层，与垫层相接触的支撑件8会把应力变化传递给弹性结构体，弹性结构体上的应变片会感应到这种应力变化，通过对这种应力变化进行实时监测就能实现对扣件的实时监测。

杆件应力公式如下：

其中，σ表示应力，y表示测试点到中性轴的垂直距离，iz表示惯性矩，由公司得知，当测试位置固定后，应力大小只与弯矩有关，当施加力的位置固定，弯矩只与力的大小有关，垫层所受应力变化，只需通过在垫层下设置固定的感应点就可检验扣件是否松动。

进一步优选的，所述固定件7包括用于固定所述弹性结构体的固定台71，所述固定台71的底部具有向外水平延伸的支脚72，所述支脚72增大了接触面积，增强固定台71的稳定性，所述固定台71的左侧面和右侧面上各设置有所述弹性结构体1，固定台71的左侧面和右侧面上的弹性结构体1的轴线相互重合且与所述固定台71的左侧面和右侧面垂直。轴线重合的设置形式与轨枕上成对设置的扣件的位置相对应，利于更加灵敏的检测扣件的松动情况，同时也使得固定台71的左侧面和右侧面上的弹性结构体所受的应力更加相近。

进一步优选的，所述支撑件8设置在所述弹性结构体1的上表面的端头处，支撑件8的形状为立板状。

进一步优选的，靠近所述弹性结构体1的端头的位置设置有所述应变片，具体的，在所述弹性结构体1的上表面且靠近端头处设置有第一应变片21，在所述弹性结构体1的下表面且靠近端头处设置有第二应变片22，第一应变片21与第二应变片22的上下位置相互对应，由于弹性结构体1的变形主要是上下方向的变形，因此，将应变片设置在弹性结构体的上、下表面有利于感应到最大的变化量，以此提高应变片的感应灵敏性。另一方面，将应变片设置在靠近弹性结构体端头的位置，则是因为与垫层相接触的支撑件8设置在弹性结构体的端头处，越靠近端头，应力变化越大，越有利于应变片监测变化量，在其它实施例中，可将支撑件8设置在弹性结构体上表面的其它位置，同时，为了便于应变片的感应，可将应变片与支撑件的位置设置的相近。

进一步优选的，在另一实施例中，可将固定台71开设通孔，整根弹性结构体插入该通孔中，其余结构与上述的结构设置相同，也可实现对扣件松动的实时监测。

进一步优选的，所述应变片所处的位置还开设有容纳所述应变片的凹槽(图中未示)，凹槽能将应变片固定的更加牢靠。

优选的，如图3所示，在另一实施例中，还包括用于固定连接所述弹性结构体1a的固定件7a，所述应变片包括第一应变片21a和第二应变片22a，所述弹性结构体1a跨接连接两个所述固定件7a，所述弹性结构体1a为水平设置，在所述弹性结构体1a的中间位置设置有第一应变片21a和第二应变片22a，所述第一应变片21a位于所述弹性结构体1a的上表面，所述第二应变片22a位于所述弹性结构体1a的下表面，在所述弹性结构体1a上还设置有与所述垫层相接触的支撑件8a。该种设置使得弹性结构体能够与固定件进行拆卸组合，利于弹性结构体或固定件发生损毁后对其进行维修和更换。

进一步优选的，该实施例中固定件7a开设有位置相对立的凹槽71a，弹性结构体1a的两端放置在凹槽71a中，凹槽的开设限制了弹性结构体1a水平和竖直方向的移动，提高弹性结构体的稳定性，且弹性结构体1a的下方挖空，用来容纳弹性结构体的变形。

进一步优选的，两个支撑件8a设置在弹性结构体1a的中点的两侧，呈对称设置，支撑件8a用来将在其上方设置的垫层所产生的应力变化传递给弹性结构体1a。

优选的，如图4所示，还包括用于固定连接所述弹性结构体1b的固定件7b，所述弹性结构体1b设置在两个所述固定件7b之间，所述弹性结构体1b的两个端头与所述固定件7b固定连接，所述弹性结构体1b水平设置，所述应变片包括第一应变片21b和第二应变片22b，在所述弹性结构体1b的中间位置设置有第一应变片21b和第二应变片22b，所述第一应变片21b位于所述弹性结构体1b的上表面，所述第二应变片22b位于所述弹性结构体1b的下表面，在所述弹性结构体1b上还设置有用于和所述垫层5相接触的支撑件8b。

优选的，如图5所示，r1表示第一应变片或第二应变片的电阻，r2表示第二应变片或第一应变片的电阻，所述监测电路包括供电电源e、第一电阻r4和第二电阻r3，所述第一电阻r4的第一端电连接所述第一应变片的第一端，所述第一应变片的第二端电连接所述第二应变片的第一端，所述第二应变片的第二端电连接所述第二电阻r2的第一端，所述第二电阻r2的第二端电连接所述第一电阻r1的第二端，所述第一电阻r1的第一端还电连接所述供电电源的正极，所述第二电阻r2的第一端还电连接所述供电电源的负极，所述监测电路还电连接有将所述电压变化信号进行实时传输的无线模块。

根据图5，有如下：

当图5所示的电桥平衡时，ubd＝0，r1r3＝r2r4，因为r1和r2为应变片电阻，有：

r1＝r+rε1+rt(rε1、rε2表示应变引起的电阻变化量)

r2＝r+rε2+rt(rt表示温度引起的电阻变化量)

r3＝r4＝r(r3和r4为定值电阻)

对于应变片，其电阻变化量与应变呈正相关的关系，那么就有：

(k为应变片灵敏度系数)

优选的，所述用于铁轨扣件实时监测的传感器还电连接有将所述电压变化信号进行放大去噪的信号调理电路，所述传感器上的电压信号比较小，所以可采用信号调理电路对信号进行放大去噪，所述信号调理电路电连接单片机，所述单片机用于采集放大去噪后的所述电压变化信号，所述单片机电连接用于将所述电压变化信号传输到网关的无线模块，所述网关将所述电压变化信号传输给远程服务器，具体的，网关可通过4g等实现远距离信号传递，所述远程服务器实时显示所述扣件的松动状态。

优选的，如图6所示，信号发生改变后，需要对信号进行分析，初始状态下的应力应变和当前的应力应变进行比对，当两者之间的差异大于或等于预定的阀值时，可判定为扣件松动，否则为不松动。

基于以上实施例，本实用新型公开了一种用于铁轨扣件实时监测的传感器，包括弹性结构体和应变片，应变片安装在弹性结构体上，传感器安装在轨枕中，轨枕上铺设有铁轨，在轨枕和铁轨之间设置有垫层，轨枕上还设置有用于将铁轨和轨枕连接在一起的扣件，传感器与垫层弹性接触，传感器还连接有监测电路。当铁路的扣件发生松动时，铁轨受到的应力产生变化，垫层受到的应力也产生变化，弹性结构体产生形变而改变应变片的电阻大小，进而产生电压变化信号，将电压变化信号通过实时传输完成铁路扣件的实时监测。该传感器能够对铁路的扣件松动情况进行实时监测，避免漏检情况的发生，提高扣件监测效率，提高列车运行安全性。