一种用于火车动态称重的传感器总成及称重方法与流程

1.本发明涉及火车动态称重技术领域，特别是涉及一种用于火车动态称重的传感器总成及称重方法。


背景技术：

2.火车超偏载检测装置用于检测铁路火车车辆超载、偏载情况，需要在钢轨上安装称重传感器。现有设备一般采用压力(板式)传感器或者剪力传感器或者将二者结合作为称重传感器，利用称重传感器来对火车重量进行称重。
3.目前在对火车进行称重时，常用装置有两种，一种装置在特制钢轨的两端各安装有六只板式传感器来称重；另一种装置包括测桥2
‑
8个，单轴动态测量用测桥2个，静态整车测量用测桥8个，测桥均骑钢枕并靠内、外夹板固定在铁轨上，且测桥两端均固定有压力传感器，靠轮缘将载重传给压力传感器，然后通过检测压力变化来推断超载及偏载情况。然而，这两种常用装置采用的是传统电应变式传感器，需要用多个传感器分别对铁轨的不同部位进行检测，而且受到位置、时间等因素限制，因此这两种常用装置存在着灵敏度低和零点漂移大的问题，大应变状态下具有较大的非线性，精度不高，抗电磁干扰能力、耐腐蚀能力差等缺点。
4.基于此，亟需一种能够以更高精度对火车进行动态称重的传感器总成及称重方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种用于火车动态称重的传感器总成及称重方法，能够对火车进行动态称重，称重结果精度高。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种用于火车动态称重的传感器总成，所述传感器总成包括联接架；
8.所述联接架固定安装在相邻两根枕木之间的钢轨底肢上，且所述联接架的顶面与所述钢轨底肢的底面相贴合；
9.所述联接架夹持有光纤光栅传感器；所述光纤光栅传感器用于对经过所述相邻两根枕木之间的钢轨的火车进行动态称重。
10.一种用于火车动态称重的称重方法，利用上述传感器总成进行称重，所述称重方法包括：
11.获取光纤光栅传感器在火车经过相邻两根枕木之间的钢轨时所输出的波长变化量，并获取火车经过所述钢轨时的行车速度；
12.以所述波长变化量和所述行车速度作为输入，利用称重公式得到动态称重结果。
13.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
14.本发明用于提供一种用于火车动态称重的传感器总成及称重方法，传感器总成包括联接架，联接架固定安装在相邻两根枕木之间的钢轨底肢上，且联接架的顶面与钢轨底
肢的底面相贴合。联接架夹持有光纤光栅传感器，光纤光栅传感器用于对经过相邻两根枕木之间的钢轨的火车进行动态称重。在利用上述传感器总成进行称重时，先获取光纤光栅传感器在火车经过相邻两根枕木之间的钢轨时所输出的波长变化量，并获取火车经过钢轨时的行车速度。然后以波长变化量和行车速度作为输入，利用称重公式即可得到动态称重结果。进而本发明利用光纤光栅传感器实现火车的动态称重，光纤光栅传感器具备抗电磁干扰、电绝缘性能好、耐腐蚀、体积小、重量轻、传输损耗小、传输容量大、测量范围广的优点，不再存在灵敏度低和零点漂移大的问题，且能够实现火车的动态称重，避免行车速度对称重结果的影响，相比于现有所用的传统电应变式传感器，能够显著提高称重结果的精度。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明实施例1所提供的传感器总成的安装位置示意图；
17.图2为本发明实施例1所提供的传感器总成的结构示意图；
18.图3为本发明实施例1所提供的光纤光栅传感器的结构示意图；
19.图4为本发明实施例1所提供的光纤光栅传感器的原理图；
20.图5为本发明实施例2所提供的称重方法的方法流程图。
21.符号说明：
[0022]1‑
火车；2
‑
钢轨；3
‑
枕木；4
‑
传感器总成；5
‑
钢轨底肢；41
‑
联接架；42
‑
光纤光栅传感器；43
‑
锁紧块；44
‑
紧固螺丝；421
‑
光纤包层；422
‑
光栅；423
‑
纤芯部分。
具体实施方式
[0023]
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。
[0024]
本发明的目的是提供一种用于火车动态称重的传感器总成及称重方法，能够对火车进行动态称重，称重结果精度高。
[0025]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0026]
实施例1：
[0027]
本实施例用于提供一种用于火车动态称重的传感器总成，如图1所示，传感器总成4设置于相邻两根枕木3之间，传感器总成4可以设置于相邻两根枕木3之间的任意位置，优选可设置于相邻两根枕木3之间的中间位置。根据称重需要，可以在任意一个相邻两根枕木3之间设置有该传感器总成4，也可以在任意多个相邻两根枕木3之间设置有该传感器总成4，此时，该传感器总成4可以间隔设置，也可以连续设置，图1给出了传感器总成4连续设置的设置示意图。该传感器总成4可以对经过其所对应的相邻两根枕木3之间的钢轨2上的火
车1进行动态称重，得到位于钢轨2上的部分火车的动态称重结果。
[0028]
如图2所示，本实施例的传感器总成4包括联接架41，联接架41固定安装在相邻两根枕木3之间的钢轨底肢5上，且联接架41的顶面与钢轨底肢5的底面相贴合。联接架41上夹持有光纤光栅传感器42，光纤光栅传感器42用于对经过相邻两根枕木3之间的钢轨2的火车1进行动态称重。
[0029]
进一步的，联接架41和钢轨底肢5可以中心对齐，且联接架41的宽度与钢轨底肢5的宽度可以相同，也可以不同，宽度所处方向即为图2所示的横向。优选的，联接架41的宽度与钢轨底肢5的宽度相同，即钢轨底肢5的末端和与该末端相对应的联接架41的插接端端面对齐，相当于末端的端面和与末端位于同一侧的插接端的端面处于同一竖直面，进而能够利用联接架41对钢轨底肢5进行更好更有效的支撑，且联接架41的材料需求和占用空间最少。
[0030]
为了更精确的利用光纤光栅传感器42进行动态称重，光纤光栅传感器42被夹持在与钢轨底肢5的中心位置相对应的位置，且光纤光栅传感器42可以固定设置于联接架41上，具体可将光纤光栅传感器42采用焊接的形式或者螺栓连接的方式固定在联接架41上，能够更加有效的感应火车1经过时钢轨2的伸缩应变，进而所计算得到的动态称重结果精度更高。需要说明的是，联接架41的顶面上存在凹陷，该凹陷用于容纳光纤光栅传感器42以及将光纤光栅传感器42固定设置在联接架41上所用的物体，如螺栓等，以避免在夹持光纤光栅传感器42时对钢轨底肢5造成损伤。
[0031]
本实施例所用的光纤光栅传感器42，其传感过程是通过外界参量(应变、温度等)对中心波长的调制来实现的，属于波长调制型光纤传感器，其结构如图3所示，光纤光栅传感器42包括光纤包层421、光栅422和纤芯部分423。传感原理如图4所示，图4(a)为入射光谱示意图，图4(b)为透射光谱示意图，图4(c)为反射光谱示意图。
[0032]
基于上述光纤光栅传感器42，本实施例的称重原理为：当火车1经过相邻两根枕木3之间的钢轨2时，如图1所示，相邻两根枕木3之间的钢轨2变形，进而借助于钢轨底肢5与联接架41之间的固定连接，带动联接架41变形，光纤光栅传感器42感应此形变量，并将该形变量转化为反射光波长的波长变化量，根据波长变化量和重量的对应关系，即可得到火车1的重量。
[0033]
基于上述称重原理，在将传感器总成4安装在钢轨底肢5上后，通过静态力学标定和动态试验的方法建立数值模型，以得到波长变化量和重量之间的对应关系，即获得称重公式。在利用称重公式进行动态称重时，本实施例的传感器总成4还包括计算单元，计算单元和光纤光栅传感器42通信连接。光纤光栅传感器42用于在火车1经过钢轨2时输出波长变化量。计算单元用于获取波长变化量和火车1经过钢轨2时的行车速度，并以波长变化量和行车速度作为输入，利用称重公式得到动态称重结果。
[0034]
本实施例利用光纤光栅传感器42实现火车1的动态称重，光纤光栅传感器42具备抗电磁干扰、电绝缘性能好、耐腐蚀、体积小、重量轻、传输损耗小、传输容量大、测量范围广的优点，不再存在灵敏度低和零点漂移大的问题，且能够实现火车1的动态称重，避免行车速度对称重结果的影响，相比于现有所用的传统电应变式传感器，能够显著提高称重结果的精度。且本实施例仅利用一种类型的传感器即可实现火车1的动态称重，相比于现有设备实现火车1动态称重一般需要压力传感器和剪力传感器等多种传感器，解决了现有设备传
感器类别多的问题，简化了传感部分，降低材料和维护成本。
[0035]
现有技术还有一种利用光纤布拉格光栅传感器对铁路货车进行称重的装置，其是将10个光纤布拉格光栅传感器按照某种规律焊接在两根轨枕之间的一段铁轨上，每两个光纤布拉格光栅传感器对称的焊接在左右轨道上的钢轨底部组成一对传感器组，通过测量光纤布拉格光栅传感器反射波长的偏移量来计算出铁轨的轴向应力，再利用轮计量法来称重。但该装置需要将光纤布拉格光栅传感器焊接在铁轨上来称重，这不仅局限了称重的场地，对钢轨有一定损伤，而且焊接前需要对钢轨表面进行抛光处理，工艺复杂。
[0036]
且现有压力式称重传感器安装复杂，成本高，需要更换枕木。现有剪力式称重传感器安装时需要在钢轨上打孔，对钢轨有损伤，打孔工艺要求高。在进行火车称重时，还可以直接将应变传感器焊接在钢轨上，钢轨和应变片组成称重传感器，以对火车进行称重，但现有应变式称重传感器需要焊接在钢轨上，对钢轨有一定损伤，且焊接前需要对钢轨表面进行抛光处理，工艺复杂。
[0037]
基于此，现有技术所用的称重传感器均存在安装复杂，对钢轨有损伤的缺陷，针对这一问题，本实施例对传感器总成4的安装方式进行改进。具体的，本实施例的传感器总成4还包括两个锁紧块43，每一锁紧块43上均设置有凹槽。钢轨底肢5的每一末端和与末端对应的联接架41的插接端插设于同一锁紧块的凹槽内，进而位于同一侧的末端和插接端同时插设于同一锁紧块的凹槽内，借助于两侧的末端、插接端与锁紧块的凹槽之间的插接，通过两个锁紧块43实现联接架41与钢轨底肢5的锁紧，即联接架41通过锁紧块43固定安装在钢轨底肢5上。
[0038]
进一步的，锁紧块的凹槽与钢轨底肢5的接触面以及锁紧块的凹槽与联接架41的接触面均为斜面，且从钢轨底肢5的末端向内这一方向上钢轨底肢5的高度逐渐增大，从联接架41的插接端向内这一方向上联接架41的高度逐渐增大，在安装时，尽可能增大锁紧块43与钢轨底肢5和联接架41的接触面积，以起到更好的锁紧作用，抗振性能好，不易松动。另外，联接架41的插接端的高度与联接架41中间位置的高度并不相同，进而在插接端的下方存在缺口，该缺口的厚度与锁紧块43上位于凹槽下侧的伸出端的厚度可以相同，通过这一缺口设计，能够避免锁紧块的凹槽高度过大，相较于利用锁紧块43进行无缺口设计的联接架41与钢轨底肢5的锁紧时，凹槽高度减小，进一步提高锁紧块43的强度，延长锁紧块43的使用寿命。
[0039]
为了进一步进行锁紧，本实施例的传感器总成4还包括紧固螺丝44，紧固螺丝44穿过锁紧块43并伸入联接架41内，两侧的锁紧块43上均设置有紧固螺丝44，且一个锁紧块43上的紧固螺丝44的数量可以为一个或多个。具体的，紧固螺丝44水平穿过锁紧块43并伸入联接架41内，能够提高锁紧效果。
[0040]
本实施例所提供的传感器总成4结构简单，只由锁紧块43、联接架41、光纤光栅传感器42和紧固螺丝44四部分组成，只需一人就可以进行安装和拆卸工作，安装简便，降低人力成本。该传感器总成4在安装时无需对钢轨2做特殊处理，不改变钢轨2本身的物理状态，整体结构抗振动性能良好，不易松动，不会影响列车运行安全。本实施例所提供的传感器总成4结构简单，安装方便，解决了现有压力传感器、剪力传感器、应力传感器安装工艺复杂的问题，且安装过程中对钢轨2无损伤，无需打孔或焊接，巧妙利用钢轨底肢5的斜面，联接架41通过锁紧块43与两根相邻枕木3之间的钢轨底肢5固定连接，并通过紧固螺丝44从两侧水
平锁紧，抗振性能好，不易松动，解决了现有剪力传感器需在钢轨2上打孔，应力传感器需抛光钢轨2进行焊接操作等安装方式给钢轨2带来损伤的问题。
[0041]
实施例2：
[0042]
本实施例用于提供一种用于火车动态称重的称重方法，利用实施例1所述的传感器总成进行称重，如图5所示，所述称重方法包括：
[0043]
s1：获取光纤光栅传感器在火车经过相邻两根枕木之间的钢轨时所输出的波长变化量，并获取火车经过所述钢轨时的行车速度；
[0044]
在获取行车速度时，可通过采集同一根钢轨上两个不同安装位置的传感器总成的实时数据来计算：同一火车轮子先后经过两个传感器总成时会在数据中产生两个尖峰波形，根据采样速率和两尖峰采样点的间隔，可计算出轮子经过两个传感器总成所用的时间，两个传感器总成的间隔长度除以此时间，即可得到火车行车速度。
[0045]
s2：以所述波长变化量和所述行车速度作为输入，利用称重公式得到动态称重结果。
[0046]
在s2之前，本实施例的称重方法还包括利用静态力学标定和动态试验的方法获取称重公式的步骤，该步骤可以包括：
[0047]
1)利用静态力学标定方法，获取静态情况下加载在钢轨上的负载重量与波长变化量之间的静态线性公式；
[0048]
2)利用动态试验的方法，获取行车速度和动态称重误差之间的补偿计算公式；具体的，利用动态试验的方法，获取在不同行车速度下，波长变化量和负载重量之间的对应关系，再利用静态计算公式，计算每一波长变化量对应的静态称重结果，并以静态称重结果和负载重量之间的差值作为行车速度对应的动态称重误差，得到行车速度和动态称重误差之间的补偿计算公式。
[0049]
3)根据静态线性公式和补偿计算公式，得到称重公式。
[0050]
本实施例将传感器总成安装在钢轨底肢上后，通过静态标定方法，得到静态情况下加载在钢轨上的负载重量与传感器波长变化量之间的静态线性关系，即得到静态线性公式，依据此静态线性公式可得到静态称重结果。通过动态试验(即火车以不同速度通过)的方法，得到行车速度和动态情况下的传感器波长变化量，先按照静态线性关系计算出静态称重结果，减去负载重量真实值，得到动态称重误差，找出行车速度与动态称重误差之间的补偿计算关系，即得到补偿计算公式，再结合补偿计算公式和之前得到的静态线性公式可得到不同行车速度下传感器波长变化量与重量之间的对应关系，即得到称重公式，进而实现高精度动态称重。
[0051]
本实施例的称重方法所用的传感器总成只由锁紧块、联接架、光纤光栅传感器、紧固螺丝四部分组成，结构简单，安装工艺要求低，施工成本低，便于维护。无需打孔或焊接，巧妙利用钢轨的斜面，联结架通过锁紧块与钢轨底肢固定连接，并通过紧固螺丝从两侧水平锁紧，抗振性能好，不易松动，现场应用时无需对钢轨做特殊处理，不改变钢轨本身的物理状态，不影响行车安全，只需一人就可以快速安装、拆卸此装置，施工占道时间短，不影响列车正常通行。且所用的光纤光栅传感器不受电磁干扰。
[0052]
本说明书中每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0053]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。