超声波及载波断轨监测系统的制作方法

1.本发明涉及轨道技术领域，具体是指一种超声波及载波断轨监测系统。

背景技术：

2.轨道线路设备是行车的基础条件，其作为轨道交通运输的主要技术装备之一，轨道的技术维护和智能化应用水平，是确保列车安全运行的首要条件，直接关系到列车运营安全和广大人民众生命财产安全。
3.在线路运营过程中，线路钢轨断裂问题一直是行车安全的严重威胁，钢轨折断的原因是多种因素共同作用的结果，若钢轨发生裂痕、断裂等故障，未能及时检测和修复，则会直接导致列车脱线、倾覆等极其重大的安全事故。
4.随着城市轨道交通线网不断扩大，运行时间不断叠加，钢轨疲劳程度随之增大，其断裂风险日益提升。目前钢轨的维护以定期探伤巡检为主，消耗大量人力物力，故障检测率不高且不能实时监测。为避免断轨的发生，国内外除了采用高质量的钢轨，以及通过各种钢轨探伤作业对断轨进行预防，同时提高钢轨探伤作业的质量，增加钢轨探伤频次，加强断轨的预警机制等措施，但是这些方式仍然无法彻底阻止断轨的发生，如断轨已经发生，且没有及时发现和处置，可能带来更大的风险。未来城市轨道交通普及断轨监测系统将是一种趋势，这将是保证城市轨道交通安全运营的重要组成部分，因此对钢轨进行实时有效的监测具有重要的意义和广阔的发展应用前景。

技术实现要素：

5.本发明要解决上述技术问题，提供一种超声波及载波断轨监测系统。
6.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
7.一种超声波及载波断轨监测系统，包括钢轨、控制模块、数据传输模块和监测中心，其特征在于，所述的钢轨上均匀的设有可拆卸的超声波断轨监测设备、所述的超声波断轨监测设备包括两组镜像设置的超声换能器和超声换能器与钢轨之间紧固安装的夹紧装置，所述的超声换能器包括超声波的激励模块和接收模块，所述的激励模块每隔一段时间会发出沿钢轨传播的超声波信号，且接收模块在接收到超声波信号后回传至控制模块，通过数据传输模块输送至监测中心，监测中心后台分析数据来判断该区域的钢轨状态，所述的控制模块和数据传输模块上设有电连接的开关电源，所述的控制模块包括控制电路板、电源模块、主控单元、导波接收模块、导波发送模块和通讯模块，所述的控制电路板上设有外接的载波模块和温度模块。
8.采用以上结构后，本发明具有如下优点：
9.本发明将载波与超声导波技术相结合，通过超声波断轨监测设备的两组镜像设置的超声换能器，激励模块每隔一段时间会发出沿钢轨传播的超声波信号，且接收模块在接收到超声波信号后，通过数据传输模块输送至监测中心，监测中心后台分析电路回路的载波信号数据来判断该区域的钢轨状态，相较于只通过透传信号判断钢轨是否断裂的检测方
式，本系统采用回波信号和透传信号综合判断，能够预估钢轨断裂时的相对位置坐标，判断的结果更加准确且提高效率。
10.本发明相较于传统工务检测钢轨伤损更加准确高效，主要创新点包含如下三点。
11.(1)实时监测钢轨不完全断裂和通断情况，及时发现并处理断轨安全隐患，对于中长远距离监测中依旧起到了准确预判，并能够实现钢轨防断监测预警，确定钢轨损伤的具体位置。
12.(2)能够解决监测系统抗干扰、长距离、长寿命、低成本的问题，提出传感器大规模有效布局的耦合安装方案，形成高可靠性、长寿命、高灵敏的实时在线监测技术。
13.(3)通过长期投入使用并储存信息，可以构建钢轨、焊缝缺陷状态监控数据故障数据库，作为钢轨母材及焊缝损伤判断的依据。
14.本系发明设有有测量轨温的温度模块，可以对现场的钢轨温度进行实时测量。
15.作为改进，所述的控制模块和超声换能器电连接。
16.作为改进，所述的开关电源的输出端分别连接数据传输模块和控制模块，且控制模块进行防雷绝缘处理。
17.作为改进，所述的夹紧装置包括设置在钢轨两侧的夹块和限位块，所述的夹块的一侧设有螺杆且螺杆贯穿限位块，所述的夹块上设有贯穿孔，所述的超声换能器上设有螺纹孔，所述的夹块通过螺栓穿过贯穿孔安装在螺纹孔内把超声换能器抵在钢轨上。
18.作为改进，所述的限位块上设有配合螺杆使用的通孔。
附图说明
19.图1是本发明的原理图。
20.图2是本发明超声换能器安装示意图。
21.图3是本发明夹紧装置的结构示意图。
22.图4是本发明夹紧装置超声换能器的主视图。
23.图5是本发明实施例一的实物图。
24.图6是本发明实施例一的波形图。
25.图7是本发明实施例二的波形图。
26.如图所示：1、钢轨；2、超声波断轨监测设备；3、超声换能器；3.1、螺纹孔；4、夹紧装置；4.1、夹块；4.2、限位块；4.3、螺杆；4.4、贯穿孔。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
28.结合附图1-4，一种超声波及载波断轨监测系统，包括钢轨1、控制模块、数据传输模块和监测中心，其特征在于，所述的钢轨1上均匀的设有可拆卸的超声波断轨监测设备2、所述的超声波断轨监测设备2包括两组镜像设置的超声换能器3和超声换能器3与钢轨1之间紧固安装的夹紧装置4，所述的超声换能器3包括超声波的激励模块和接收模块，所述的激励模块每隔一段时间会发出沿钢轨1传播的超声波信号，且接收模块在接收到超声波信号后回传至控制模块，通过数据传输模块输送至监测中心，监测中心后台分析数据来判断该区域的钢轨状态，所述的控制模块和数据传输模块上设有电连接的开关电源，所述的控
制模块包括控制电路板、电源模块、主控单元、导波接收模块、导波发送模块和通讯模块，所述的控制电路板上设有外接的载波模块和温度模块。
29.所述的控制模块和超声换能器3电连接。
30.所述的开关电源的输出端分别连接数据传输模块和控制模块，且控制模块进行防雷绝缘处理。
31.所述的夹紧装置4包括设置在钢轨1两侧的夹块4.1和限位块4.2，所述的夹块4.1的一侧设有螺杆4.3且螺杆4.3贯穿限位块4.2，所述的夹块4.1上设有贯穿孔4.4，所述的超声换能器3上设有螺纹孔3.1，所述的夹块4.1通过螺栓穿过贯穿孔4.4安装在螺纹孔3.1内把超声换能器3抵在钢轨1上，所述的限位块4.2上设有配合螺杆4.3使用的通孔，在使用的时候，可把夹紧装置4的夹块4.1和限位块4.2，卡在钢轨1的两侧，超声换能器3安装在夹块4.1和钢轨1之间，如图2所示。
32.超声波断轨监测系统由多套的超声波断轨监测设备2组成，每套超声波断轨监测设备2都包括超声换能器3，所述的超声换能器3包括超声波的激励模块和接收模块，间隔一定距离安装监测设备，可以将一个监测区间分成若干个小区间。所述的激励模块每隔一段时间会发出沿钢轨1传播的超声波信号，且接收模块在接收到超声波信号后，通过数据传输模块输送至监测中心，监测中心后台分析数据来判断该区域的钢轨状态，监测系统工作时，激励模块每隔一段时间会发出沿钢轨传播的超声波信号，接收模块在接收到超声波信号后，通过4g(5g)数据传输模块将收到的信号传回后台的监测中心，后台分析数据来判断该区域的钢轨状态。
33.当激励模块发出超声波信号时，信号从超声换能器探头传入钢轨，如果钢轨状态正常，可以把钢轨视为均匀的传播介质，超声波信号在钢轨内传播，能量衰减较小。如图5所示，a端和b端表示一个超声换能器3的激励模块和接收模块，c端表示相邻设备的接收模块，在a端激励出导波信号时，首先该信号会被该设备自身的接收模块(b端)接收到，然后传播到c端，被c端接收。此时通过分析c端收到超声波信号衰减的多少可以判断钢轨的状态。
34.在钢轨出现断裂时，如果是不完全折断，当超声波信号传播到断裂面时，如图6所示，d点位断面点，一部分导波信号会反弹回来形成回波信号，一部分从未断裂的部分传播过去，称为透传信号。因此，这种情况下，b端除了会收到a激励出的超声波信号，还会收到由于断裂面产生的回波信号。并且由于出现断裂，信号的能量衰减更大，c端收到的超声波信号能量相比正常时会小很多。如果完全折断，则c端就会收不到超声波信号。
35.综上可知若钢轨状态正常，则每组设备都能接收到正常的由其相邻的设备发出的信号；若钢轨出现异常，则每组设备均可以接收伤损信息，从而到断裂裂纹的位置，因此可以做到精确判断伤损位置并对相应断面进行维护。
36.控制模块由控制电路板、电源模块、导波接收模块、导波发送模块、主控单元和通讯模块组成，主控单元由stm32f429核心板构成，能提供8m的sdram，16m的flash，可提供充足的存储空间。180m主频cpu，176pin，256kbyte ram。
37.电源模块分为24v-5v，dc-dc升压，24v-15v，5v-3.3v，power_port；其中dc-dc升压电路提供的电压为发送模块放大前的输入电压，power_port则为接收模块的供电电源，可提供
±
5v的电压。
38.导波接收模块由前置放大电路，两级pga数字放大电路，二阶有源带通滤波电路，
包络检波电路组成；将探头传来的微弱信号放大，滤波处理成所需要的信号。
39.导波发送模块由mosfet驱动器，mosfet全桥放大电路，变压器组成，提供较高电压来激励探头，实现长距离信号的传输。
40.载波模块：包括了载波驱动、耦合、滤波、抗雷击等外围电路，最远传输距离理论可达1km，无需其他的耦合元件，可直接连接最高275v的交直流电源使用，工作频率120～135khz,接口波特率9600bps。实际波特率100bps，400bps 250个字节缓存器，一帧连续发送最大长度≤252个字节，一帧连续发送长度从1到252由用户定义，模块不会发送多余的数据，接收灵敏度≤1mv，带宽≤10khz，带外抑制能力≥60db，绝缘电阻500v≥500m欧，供电电源:dc+5，接收时：≤12ma，发送时≤300ma 8、工频绝缘耐压:ac对gnd之间3000v 1min测试无击穿，无漏电流，抗雷击:板内tvs管保护，从pcb板布线选材到元器件选材都是按照宽温，高耐压，抗高压冲击设计，工作温度:-25c～70c湿度≤90％
41.温度模块：采用ds18b20数字温度芯片，3-5v供电，9-12位分辨率可调，温感范围-55℃-125℃。
42.数据传输模块：支持多种工作模式：net/http/mqtt/rndis，支持rndis协议无线上网，支持自动采集任务功能，最多支持5条命令，支持动态域名和ip地址访问，支持注册包/心跳包功能，支持多种配置方式：at指令、短信配置、透传指令、上位机，支持自动重连、掉线监测、内置看门狗、确保稳定可靠和支持串口时间与长度打包机制，串口数据缓存每路连接为10kb。
43.安装时，将开关电源和4g(5g)的数据传输模块固定在底板上，其中，开关电源是将220v的交流电转换为24v的直流电，给4g(5g)的数据传输模块和控制电路板，因此开关电源的输出端分为两路，一路接到4g(5g)的数据传输模块，一路接到控制电路板上，使用rs-232数据线将4g(5g)的数据传输模块连接到电路板上，再将接收模块和激励模块的超声换能器、载波模块和温度测量模块的插头也接到控制电路板上，本发明在使用的时候可以添加太阳能光伏组件和太阳能蓄电池，太阳能光伏组件吸收光能转化为电能储存在太阳能蓄电池内，太阳能蓄电池连接开关电源，对开关电源实现供电。
44.实施例一：
45.2021年7月份在山东济南锯轨基地进行试验，验证钢轨伤损断裂程度不同时信号变化。试验中把本发明的设备安装在山东济南锯轨上，伤损位置距离激励接收探头50米、伤损大小分别为20％、40％、60％、80％和100％，现场钢轨伤损断裂如图5所示，经测试得到信号波形图，如图6所示。
46.实施例二：
47.2021年7月份在山东济南锯轨基地进行试验，验证钢轨伤损断裂位置不同时信号变化。试验中把本发明的设备安装在山东济南锯轨上，伤损位置距离激励接收探头50米、100米、300米和400米，伤损100％，测试的波形图，如图7所示，50米、100米、300米和400米圈出的波形中出现震荡，后经专业技术人员现场考察，确定钢轨有裂痕。
48.以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施案例，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种超声波及载波断轨监测系统，包括钢轨(1)、控制模块、数据传输模块和监测中心，其特征在于，所述的钢轨(1)上均匀的设有可拆卸的超声波断轨监测设备(2)、所述的超声波断轨监测设备(2)包括两组镜像设置的超声换能器(3)和超声换能器(3)与钢轨(1)之间紧固安装的夹紧装置(4)，所述的超声换能器(3)包括超声波的激励模块和接收模块，所述的激励模块每隔一段时间会发出沿钢轨(1)传播的超声波信号，且接收模块在接收到超声波信号后回传至控制模块，通过数据传输模块输送至监测中心，监测中心后台分析数据来判断该区域的钢轨状态，所述的控制模块和数据传输模块上设有电连接的开关电源，所述的控制模块包括控制电路板、电源模块、主控单元、导波接收模块、导波发送模块和通讯模块，所述的控制电路板上设有外接的载波模块和温度模块。2.根据权利要求1所述的超声波及载波断轨监测系统，其特征在于：所述的控制模块和超声换能器(3)电连接。3.根据权利要求1所述的超声波及载波断轨监测系统，其特征在于：所述的开关电源的输出端分别连接数据传输模块和控制模块，且控制模块进行防雷绝缘处理。4.根据权利要求1所述的超声波及载波断轨监测系统，其特征在于：所述的夹紧装置(4)包括设置在钢轨(1)两侧的夹块(4.1)和限位块(4.2)，所述的夹块(4.1)的一侧设有螺杆(4.3)且螺杆(4.3)贯穿限位块(4.2)，所述的夹块(4.1)上设有贯穿孔(4.4)，所述的超声换能器(3)上设有螺纹孔(3.1)，所述的夹块(4.1)通过螺栓穿过贯穿孔(4.4)安装在螺纹孔(3.1)内把超声换能器(3)抵在钢轨(1)上。5.根据权利要求4所述的超声波及载波断轨监测系统，其特征在于：所述的限位块(4.2)上设有配合螺杆(4.3)使用的通孔。

技术总结

超声波及载波断轨监测系统，包括钢轨、控制电路板、数据传输模块和监测中心，所述的钢轨上均匀的设有可拆卸的超声波断轨监测设备、所述的超声波断轨监测设备包括两组镜像设置的超声换能器和超声换能器与钢轨之间紧固安装的夹紧装置，所述的超声换能器包括超声波的激励模块和接收模块，所述的激励模块每隔一段时间会发出沿钢轨传播的超声波信号，且接收模块在接收到超声波信号后，通过数据传输模块输送至监测中心，监测中心后台分析数据来判断该区域的钢轨状态，所述的控制电路板和数据传输模块上设有电连接的开关电源。模块上设有电连接的开关电源。模块上设有电连接的开关电源。