[发明专利]一种自供能的高铁路基监测系统及监测方法

说明书

本发明提供一种自供能的高铁路基监测系统及监测方法，系统包括压电单元、整流电路、储能单元、信号分析单元、GPS定位系统、无线传输单元及计算机终端。本发明每隔1km将5个压电单元沿深度埋设在高铁路基中，利用压电材料的力电耦合特性，收集高铁经过时产生的振动并转换为电信号，然后通过电信号的电压峰值标定高铁路基的剪切模量，从而达到监测高铁剪切路基剪切模量的目的。本发明在不损坏高铁路基的前提下，有效利用高铁运行产生的振动，实现压电传感器自供能监测高铁路基剪切模量，可以为高铁路基提供安全预警；还可以为中国高铁建设提供交通大数据，推进高速铁路物联网建设。

技术领域

本发明涉及高铁路基监测领域，特别地，涉及一种利用压电技术进行高铁路基监测的自供能传感器监测系统和监测方法。

背景技术

路基是道路的承载主体，保证路基长期处于稳定状态具有重要意义。现有的设备只能对路基进行检测，通常需要破坏路基主体，而且无法做到对路基进行实时监测，当路基中有一些细微变化时(路基剪切模量轻微衰减)，肉眼无法察觉，这就造成了安全隐患。

发明专利CN201710444838公开了一种高速公路路基监测器，通过将路基监测探头埋入高速公路路基中，监测路基内压力的变化，以此判断路基是否塌陷。但该装置需要电源设备，而且高速公路荷载较为复杂，车辆荷载的变化也能引起路基内压力的变化，因此通过监测路基内压力的变化来判断路基是否塌陷并不精确。

本发明基于压电材料的力电耦合特性，可以将高铁经过后在路基中产生的振动转换为电信号，通过对电压峰值的分析，可以将产生的电压峰值反映路基剪切模量的变化。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出了一种自供能的高铁路基监测系统及监测方法，该系统基于电压峰值与路基剪切模量的对应关系，通过监测路基中埋设的压电单元的电信号的电压峰值变化反映路基剪切模量的变化，实现路基剪切模量监测。同时，路基振动产生的能量可为本系统其他部件供能，实现了系统自供能监测，这一点在偏远山区和其他没有通电的地方有极大优势。

本发明采用的技术方案是：一种自供能的高铁路基监测系统，包括压电单元和监测单元；

压电单元包括压电材料及其用于封装压电材料的封装外壳，多个压电单元沿深度方向依次埋设在轨道板下方路基中，用于获取高铁经过时不同深度处路基的振动并产生电信号；

监测单元布置于铁路一侧，监测单元包括整流电路、储能单元、信号分析单元、用于定位监测系统的GPS定位系统和无线传输单元。

所述整流电路包括变压器、硅整流二极管和滤波器，整流电路接收压电单元产生的电信号，经整流电路整流后，一部分输出至信号分析单元，剩余电能输出至储能单元；

储能单元，用于存储富余电能并为监测单元中其他部件供能；

所述信号分析单元，用于筛选逻辑判断整流后的电信号。其逻辑判断为：将标准轴载和标准速度的高铁经过时压电单元产生的电信号的电压峰值与正常路基时产生电信号的电压峰值进行对比并计算电压峰值增量，将电压峰值增量作为输出结果通过无线传输单元传送至计算机终端。当电压峰值增量大于20％-30％时，信号分析单元同时向GPS定位系统输送触发定位信号，GPS定位系统定位监测系统位置，经无线传输单元将当前位置传输至铁路局终端。

高铁加减速亦会造成电压峰值的改变，信号分析单元会接收上方高铁加减速信息，过滤因高铁加减速引起的电信号电压峰值突变的电信号，再对筛选后标准轴载和标准速度的的高铁经过时的电信号进行逻辑判断。

进一步地，所述压电单元的封装外壳为弹性橡胶。

本发明还提供了一种上述自供能的高铁路基系统的监测方法，包括如下步骤：

(1)沿铁路方向布置高铁路基监测系统，其中监测单元布置于铁路一侧，多个压电单元沿深度方向依次埋设在轨道板下方路基中。