轨道载荷监测垫板装置、系统及其校准方法

技术领域

本发明属于轨道监测技术领域，具体涉及一种轨道载荷监测垫板装置、系统及其校准方法。

背景技术

轨道结构广泛应用于工业、交通、运输等行业，为保障轨道运输的安全性，目前，通常是每3～5年对轨道进行一次综合维修，包括整体调整轨道几何尺寸，更换整修失效零部件等，以全面地排除各类轨道病害及缺陷，再结合多次临时检修，从而保障列车运行的安全性和稳定性。目前这样的检修方式显然需要耗费大量人力及时间，且需要停线检查，对列车通行影响也较大。

如果能在列车正常运行时对轨道进行监测，及时发现轨道病害并针对性进行维修，则可在保障轨道安全同时节省大量人力物力及时间。然而，目前通常是在有相应检测需要时，临时安装传感器来进行轨道检测，临时的传感器的安装、布线、调试及检测完成之后的拆除也需花费大量时间，十分不便。此外，不同类型的传感器具有不同特性，而不同轨道场景的条件差距较大，对于不同的轨道条件难以保证其适用性和检测精度。

发明内容

本发明是为解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能够对多种轨道条件的轨道载荷进行准确监测的轨道监测装置及系统，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种轨道载荷监测垫板装置，设置在无砟轨道的道床板和下部基础之间，用于监测该道床板下的载荷，其特征在于，包括：底座板，安装在所述下部基础上；传感器固定板，安装在所述底座板上，具有若干个开口向上的传感器安装槽；上盖板，安装在所述传感器固定板上，底部具有橡胶材质的垫层；若干个压电传感器，分别安装在各个所述传感器安装槽内；以及若干个载荷传递柱，分别安装在各个所述传感器安装槽内并位于各个所述压电传感器的下方，其中，所述压电传感器包含有片状的压电晶体，该压电晶体的上表面与所述上盖板底部的所述垫层相抵接，其检测得到的压电信号的强度与所述钢轨所受的应力水平呈线性关系。

本发明提供的轨道载荷监测垫板装置，还可以具有这样的技术特征，其中，所述压电传感器的型号为PACEline 1-CLP/26kN，其力容量范围为0～26kN。

本发明提供的轨道载荷监测垫板装置，还可以具有这样的技术特征，其中，所述压电传感器的外形呈圆柱状，其还包括金属基座，该金属基底具有环形凹槽，所述压电晶体为环形片状的石英片，嵌合安装在所述金属基座的所述环形凹槽内，所述石英片的上表面与所述上盖板底部的所述垫层相抵接。

本发明提供的轨道载荷监测垫板装置，还可以具有这样的技术特征，其中，所述压电传感器的直径为35mm，厚度为3.5mm，所述石英片的直径为18mm，所述压电传感器的工作环境温度为-20℃～120℃，变形范围为0～3.5μm。

本发明提供的轨道载荷监测垫板装置，还可以具有这样的技术特征，其中，所述传感器固定板呈长方体状，所述传感器安装槽的数量为复数个，分布在所述传感器固定板的角部或边缘部，所述压电传感器连接有线缆，所述传感器固定板还具有走线槽，该走线槽与所有的所述传感器安装槽连通，并在所述传感器固定板的侧边贯通，所述线缆在所述走线槽中延伸，并从所述传感器固定板的侧边延伸出。

本发明提供的轨道载荷监测垫板装置，还可以具有这样的技术特征，其中，所述底座板、所述传感器固定板以及所述上盖板均为长方体状钢板，其长度、宽度均一致，所述传感器固定板的厚度为10mm～15mm。

本发明提供了一种轨道监测系统，其特征在于，包括：至少一个上述轨道载荷监测垫板装置，设置在无砟轨道的道床板下，用于监测该道床板下载荷得到相应的压电信号；信号采集装置，与所述轨道载荷监测垫板装置连接，用于采集所述轨道载荷监测垫板装置测得的所述压电信号；以及计算分析装置，与所述信号采集装置通信连接，用于从所述信号采集装置接收所述压电信号并进行计算分析。

本发明提供了一种上述轨道载荷监测垫板装置的校准方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，将用于所述轨道载荷监测垫板装置的压电传感器贴附在树脂垫板表面上，并将其线缆连接至数据记录器；步骤S2，通过矩形作动器在所述压电传感器上方的所述树脂垫板上施加一系列载荷，并通过所述数据记录器记录所述压电传感器测得的压电信号；步骤S3，参照施加的所述载荷的参数，将所述压电信号对应的压力值进行校准。

本发明提供的轨道载荷监测垫板装置的校准方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤S1中，所述树脂垫板的长度、宽度均为100mm，厚度为7mm；步骤S2中，所述矩形作动器的截面长度为60mm、截面宽度为40mm，一系列的所述载荷具有不同的频率以及不同的应力水平。

发明作用与效果

根据本发明的轨道载荷监测垫板装置、系统，轨道载荷监测垫板装置安装在无砟轨道道床板下，包含有若干个压电传感器，因此能够通过直接集成在轨道结构中的压电传感器来监测轨道的载荷。压电传感器具有灵敏度高、信噪比高、工作可靠、结构简单等多种优点，可检测得到高质量的信号，并且压电传感器检测得到的压电信号强度与道床板下所受的应力水平呈线性关系而非指数关系等，因此即使在高载荷情况下，从轨道载荷监测垫板装置检测得到的信号仍能有效识别出载荷的变化，使得轨道载荷监测垫板装置应用范围广，可适用于多种轨道条件。进一步，由于传感器固定板安装在上盖板和底座板之间，压电传感器及载荷传递柱安装在传感器固定板的传感器安装槽内，通过这样的方式对压电传感器进行固定限位，能够避免列车运行时因轨道振动而造成压电传感器位移、脱落等情况，从而保证列车运行过程中的监测效果。

根据本发明的轨道载荷监测垫板装置的校准方法，将压电传感器贴附在树脂垫板表面，并通过矩形作动器施加一系列测试载荷，来对压电传感器进行校准。通过这样，能够使压电传感器在目标载荷范围内检测得到质量更好、精度更高的信号，并且能够避免损坏其压电晶体。

附图说明

图1是本发明实施例中轨道载荷监测系统的结构框图；

图2是本发明实施例中轨道部分结构的剖视图；

图3是本发明实施例中轨道载荷监测垫板装置的结构分解图；

图4是本发明实施例中载荷传递柱的立体图；

图5是本发明实施例中传感器固定板的立体图；

图6是本发明实施例中传感器固定板不同角度的立体图；

图7是本发明实施例中传感器固定板的俯视图；

图8是本发明实施例中对压电传感器进行校准的流程图；

图9是本发明实施例中压电传感器的校准结果示意图；

图10是本发明测试例一中加速度传感器的校准结果图；

图11是本发明测试例一中两个压力传感器不同电阻值的校准结果图；

图12是本发明测试例一中两个压力传感器的校准结果图；

图13是本发明测试例二中加速度传感器测得的加速度与垂直位移的折线图；

图14是本发明测试例二中压力传感器和压电传感器测得的电压与应力水平的折线图；

图15是本发明测试例三中加速度传感器的测试结果图；

图16是本发明测试例三中压力传感器的测试结果图；

图17是本发明测试例三中压电传感器的测试结果图。

附图标记：

轨道载荷监测系统100；轨道载荷监测垫板装置10；上盖板11；传感器固定板12；固定板板体121；传感器安装槽122；圆形通孔1221；支撑台阶1222；走线槽123；集线部1231；接头容置部1231a；支线部1232；沉孔124；压电传感器13；载荷传递柱15；第一柱部151；第二柱部152；螺钉安装孔153；底座板16；螺钉容置孔161；固定板紧固螺钉17；底座固定螺钉18；下部基础20；道床板30；钢轨40；信号采集装置50；计算分析装置60；通信装置70；监测终端71。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明的轨道载荷监测垫板装置、系统及其校准方法作具体阐述。

<实施例>

图1是本实施例中轨道载荷监测系统的结构框图。

如图1所示，轨道载荷监测系统100包括多个轨道载荷监测垫板装置10、信号采集装置50、计算分析装置60、通信装置70以及多个监测终端71。

图2是本实施例中轨道部分结构的剖视图。

如图2所示，轨道载荷监测垫板装置10直接安装在轨道结构中道床板下部，并与道床板底部接触承受荷载。钢轨40为常见的工字型钢轨。钢轨40的结构为现有技术，不再赘述。

图3是本实施例中轨道载荷监测垫板装置的结构分解图。

如图3所示，轨道载荷检测垫板装置10包括上盖板11、传感器固定板12、多个压电传感器13及其线缆14、多个载荷传递柱15、底座板16、多个固定板紧固螺钉17以及多个底座固定螺钉18。多个压电传感器13用于采集道床板30下的模拟压电信号，上盖板11、传感器固定板12、底座板16用于容纳及固定多个压电传感器13及其线缆，载荷传递柱15安装在各压电传感器13下方，起到载荷传递作用，并提高压电传感器13的稳定性。由于上盖板11、传感器固定板12、底座板16根据压电传感器13及其线缆的结构设计，因此以下将先对压电传感器13及其线缆的结构进行说明。

压电传感器13为现有技术中的压电单晶式传感器，其型号为PACEline 1-CLP/26kN。压电传感器13整体呈扁圆柱状，其直径为35mm，整体厚度为3.5mm，其包括一个金属基座以及一片环形片状的压电晶体，金属基座上具有用于安装压电晶体的环形凹槽，压电晶体嵌合固定在该圆形凹槽中，压电晶体的上表面从圆形凹槽的槽口处露出。其中，金属基座的材料为不锈钢，具有耐腐蚀性，并且可以在很宽的温度范围下长期安全工作，能够很好地适用于多种轨道场景；压电晶体为环形的石英片，其直径为18mm，石英晶体具有良好的厚度变形压电效应，测量精度高、灵敏度好；并且其介电常数和压电常数的温度稳定性好，使得压电传感器13的工作温度范围很宽，能够很好地适用于多种轨道场景。压电传感器13的力容量范围为0～26kN，工作环境温度-20℃～120℃，变形范围0～3.5μm。

上盖板11为钢材质件，上盖板11的底部为平面，为避免损坏压电传感器13的压电晶体，上盖板11底部具有橡胶材质的垫层。此外，为使压电传感器13能够检测到明显的压电信号以保证测量精度，上盖板11底部的垫层均采用中刚度的橡胶垫板，其刚度大于等于30kN/mm。

图4是本实施例中载荷传递柱的立体图。

如图4所示，载荷传递柱15包括一体形成的第一柱部151和第二柱部152，均呈圆柱状，其中第一柱部151的直径大于第二柱部152，因此在两者连接位置处形成台阶状结构。载荷传递柱15中部具有贯通的螺钉安装孔153，在靠近第二柱部152端部的一侧，螺钉安装孔153的直径逐渐变大。底座固定螺钉18为沉头螺钉，螺钉安装孔153的形状与底座固定螺钉18相匹配。

图5-图7分别是本实施例中传感器固定板两个不同角度的立体图及俯视图。

如图5-图7所示，传感器固定板12为钢材质板，包括固定板板体121、多个传感器安装槽122、走线槽123、多个沉孔124。

固定板板体121呈长方体状，四角具有倒角，固定板板体121的厚度为10mm～15mm。固定板板体121的长度、宽度与上盖板11一致。

传感器安装槽122为圆柱状孔，分布在固定板板体121的角部或边缘部，其直径、深度与压电传感器13相匹配，安装完成后，传感器安装槽122开口向上。本实施例中，传感器安装槽122的数量为6个，沿固定板板体121长度方向的中轴线，六个传感器安装槽122对称分布在两侧，且同一侧的三个传感器安装槽122等间距地分布。也即安装在道床板30下时，六个压电传感器13对称分布在道床板30下方。如图5-7所示，传感器安装槽122的槽底具有圆形通孔1221，圆形通孔1221的直径略小于传感器安装槽122的内径，在传感器安装槽122的槽底位置形成一圈支撑台阶1222，用于对载荷传递柱15进行支撑和限位。

走线槽123用于容纳及固定线缆14，避免其在列车行驶过程中发生位移等而导致接触不良、脱落等而影响信号采集。走线槽123设置在固定板板体121的一个表面上，包括集线部1231以及多个支线部1232。

其中，集线部1231位于固定板板体121中部，且沿固定板板体121的长度方向延伸，其截面呈长方形，用于容纳多条线缆14。集线部1231的一端与固定板板体121长度方向的一侧连通，在这一端具有接头容置部1231a，接头容置部1231a的截面呈半圆形。

支线部1232一端与一个传感器安装槽122连通，另一端与集线部1231连通，且各个支线部1232均沿固定板板体121的宽度方向延伸，即与集线部1231垂直。支线部1232与集线部1231的连接位置具有倒角，以避免线缆14被尖转角损伤。支线部1232的截面也呈长方形，且尺寸小于集线部1231的截面。

四个沉孔124以两个一组的方式分开开设在固定板板体121长度方向的两端，用于安装紧固螺钉，将传感器固定板12和上盖板11固定在一起。紧固螺钉的螺帽嵌合在沉孔124中，因此安装螺钉后传感器固定板12底面仍为平整。

在四个沉孔124位置通过紧固螺钉17将上盖板11和传感器固定板12固定连接。

底座板16为长方体状的钢材质板，四角具有倒角，其长度、宽度也与固定板板体121一致。

在底座板16宽度方向的两侧开设有多个螺钉容置孔161，用于连接固定安装在各个传感器安装槽122中的载荷传递柱15。本实施例中，螺钉容置孔161数量为六个，其分布对应于六个传感器安装槽122，安装完成后，螺钉容置孔161位于对应的传感器安装槽122的中轴线上，螺钉容置孔161的上端(即靠近传感器固定板12的一端)的孔径小于下端(即靠近下部基础20的一端)的孔径。从侧面看，螺钉容置孔161的截面呈梯形，且能够与载荷传递柱15底部的螺钉安装孔153连接形成类似沉孔的结构，底座固定螺钉18安装在该类似沉孔的结构中，因此安装底座固定螺钉18后，底座板16底面仍为平整。

如上所述，传感器安装槽122底部具有圆形通孔1221，载荷传递柱15的第二柱部152嵌合在圆形通孔1221处，为避免载荷大、接触面积小而损坏压电传感器13，因此在传感器固定板12下方、载荷传递柱15下方设置钢材质的、具有一定厚度的底座板16。

安装完成后，六个压电传感器13及六个载荷传递柱15分别嵌合在六个传感器安装槽122中，其线缆容纳在走线槽123中。其中，载荷传递柱15底部(即其第二柱部152底部)与底座板16相抵接，且通过底座紧固螺钉18进行固定及横向限位，载荷传递柱15的第一柱部151与传感器安装槽122槽底的支撑台阶1222相抵接，第二柱部152嵌合在圆形通孔1221中。压电传感器13底部与载荷传递柱15上端相抵接，上端露出的石英片的上表面与上盖板11底部的垫层相抵接，从而使压电传感器13在监测过程中保持稳定。

各压电传感器13的线缆容纳在走线部123中，具体地，线缆从对应的支线部1232延伸汇集至集线部1231，并沿集线部1231延伸，最后从固定板板体121长度方向一侧延伸出，与线缆连接的转接头嵌合固定在转接头容纳部。

信号采集装置50包括多个信号采集仪，各信号采集仪分别与各个压电传感器13连接，用于采集压电传感器13测得的压电信号。

计算分析装置60与信号采集装置50通信连接，从信号采集装置50接收压电信号并对其进行计算分析。

多个监测终端71通过通信装置70与计算分析装置60通信连接，从计算分析装置60获取采集到的数字信号以及计算分析结果，并对其进行显示。

图8是本实施例中对压电传感器进行校准的流程图。

为提高测量精度，保证每个压电传感器13都能够记录到高质量的信号，在进行测量前，需要针对目标载荷范围对压电传感器13进行校准，如图8所示，对压电传感器13进行校准的流程具体包括如下步骤：

步骤S1，将压电传感器13贴附在树脂垫板的表面上，并将其线缆连接至数据记录器。

本实施例中，树脂垫板为方形，其长度、宽度均为100mm，厚度为7mm，压电传感器13的石英片的上表面贴附在树脂垫板的下表面上。使用Arduino作为微控制器，并使用一个与之电连接的数据记录器，压电传感器13的线缆连接至该数据记录器。数据记录器能够直接测量压电晶体由于放置材料(即树脂垫板)表面的振动而产生的电压。

步骤S2，通过矩形作动器在压电传感器13上方的树脂垫板上施加一系列测试载荷，并通过数据记录器记录压电传感器13测得的相应的压电信号。

为避免损坏石英片，测试负载不是直接施加在压电传感器13上，而是施加在树脂垫板上，通过树脂垫板上距离压电传感器13的石英片表面1cm的矩形作动器来施加。本实施例中，矩形作动器的用于施加负载的端部截面长度为60mm、宽度为40mm。

施加的一系列测试载荷具有不同的频率以及不同的应力水平。

步骤S3，参照施加的测试载荷的参数，对压电传感器13测量得到的压电信号的压力值进行校准。

图9是本实施例中压电传感器的校准结果示意图，其中图9(a)是校准后压电传感器的电压值与应力的折线图；图9(b)是校准后压电传感器测得的信号波形图。

如图9(a)所示，本实施例中，测试载荷的频率0～10Hz，应力水平为0～5000kPa，采用这样的测试载荷进行了校准，校准结果显示压电传感器13测得的信号与应力水平具有线性相关性。如图9(b)所示，校准后，压电传感器13在5kN、5Hz的载荷下测量的信号显示出与所施加的测试载荷具有良好的相关性，表明其测得的载荷准确度高。

校准完成后，就可以将压电传感器13安装到轨道载荷监测垫板装置10内，用于进行实际轨道的监测。

实施例作用与效果

根据本实施例提供的轨道载荷监测垫板装置10以及轨道载荷监测系统100，轨道载荷监测垫板装置10安装在道床板30下，包含有若干个压电传感器13，因此能够通过直接集成在轨道结构中的压电传感器13来监测轨道的载荷。压电传感器13具有灵敏度高、信噪比高、工作可靠、结构简单等多种优点，可检测得到高质量的信号，并且其检测得到的压电信号强度与钢轨所受的应力水平是呈线性关系而非指数关系等，因此即使在高载荷情况下，从轨道载荷监测垫板装置检测得到的信号仍能有效识别出载荷的变化，使得轨道载荷监测垫板装置的使用范围广，可适用于多种轨道条件。进一步，由于传感器固定板12安装在上盖板11和底座板16之间，压电传感器13及载荷传递柱15安装在传感器固定板12的传感器安装槽122内，通过这样的方式对压电传感器13进行固定限位，能够避免列车运行时因轨道振动而造成压电传感器13的位移、脱落等情况，从而保证列车运行过程中的监测效果。

根据本实施例的轨道载荷监测垫板装置10的校准方法，将压电传感器13贴附在树脂垫板表面，并通过矩形作动器施加一系列测试载荷，来对压电传感器13进行校准。通过这样，能够使压电传感器13在目标载荷范围内能够检测得到质量更好、精度更好的信号，并且能够避免损坏其压电晶体。

实施例中，压电传感器13为采用环形石英片的单晶式传感器，石英晶体具有良好的厚度变形压电效应，测量精度高、灵敏度好；并且其介电常数和压电常数的温度稳定性好，使得压电传感器13的工作温度范围很宽，能够很好地适用于多种轨道场景。

实施例中，上盖板11底部的垫层为中刚度的橡胶垫板，高刚度的垫板具有更高的波传播能力，配合使用能够使压电传感器13监测得到信号幅度更大，有利于监测载荷变化，也有利于后续的计算分析。

实施例中，轨道载荷监测垫板装置10可集成在轨道中可长期使用，而无需在一次检测后拆除。

<测试例一>

本测试例中，对三种传感器进行了校准测试，以评估其监测轨道性能的可能性。

尽管大多数传感器通常已由制造商进行了一定的校准，但为了确保每个传感器能够记录高质量的信号，本测试例中，针对目标载荷范围对三种传感器进行重新校准。

三种传感器分别为加速度传感器(加速度计)、压力传感器和上述压电传感器。加速度计用于测量目标的振动变化；压力传感器用于测量目标上的应力水平的变化；压电传感器用于测量进入目标的波传输的变化，从而检测目标的性能变化。压电传感器的参数如上所述，不再重复；其他两种传感器的参数分别如表1、表2所示：

表1加速度传感器参数表

表2压力传感器参数表

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对于加速度计，将每个加速度计固定在实验室液压机的作动器上，并在每个测试载荷下应用1000个振动波序列，记录其在不同振动波下测得的加速度信号，并将测得的信号与液压机的作动器产生的位移进行比较。本测试例中，测试载荷具有不同频率及振幅，频率为0～10Hz，振幅为0～3mm。将测得的加速度振幅(位移)与执行器在5Hz下产生的1.5mm中等情况下的位移进行了比较。

图10是本测试例中加速度传感器的校准结果图，其中图10(a)是校准后加速度传感器测得的加速度振幅与振幅的折线图；图10(b)为校准后两个加速度传感器测得的加速度信号的示例图。

如图10所示，ACC1在加速度和位移波之间表现出良好的相关性，能够区分不同的脉冲。

对于压力传感器，将其贴附在150mm×150mm、厚度为50mm的金属垫板上，并在压力传感器上施加一系列测试载荷，测试载荷具有不同的频率和应力水平，频率为0～10Hz，应力水平为0～5000kPa。由于压力传感器的信号取决于微控制器中使用的电阻(即测量电路中的电阻)，因此改变使用的电阻，并重复上述校准测试。

图11是本测试例中两个压力传感器不同电阻值的校准结果图。

如图11所示，本实施例中，以kΩ为单位改变电阻值并进行了校准测试，电阻值的降低导致两个压力传感器测得的电压振幅值降低，测得的电压和施加的应力水平之间呈现对数相关性。对于相同的电阻值(以1kΩ为例)，PR2测得更高的电压值，这说明PR2测量高水平应力的能力相对更低，限制了其适用范围。

图12是本测试例中两个压力传感器的校准结果图，其中图12(a)是校准后两个压力传感器的电压值与应力水平的折线图，图12(b)是校准后两个压力传感器测得的信号波形图。

如图12(a)所示，压力传感器测得的电压值与应力呈对数相关性。在相同的应力水平下，PR2测得的电压高于PR1，PR1测得的信号与测试载荷的频率无关，而随测试载荷频率增加，PR2测得的电压略有增加。如图12(b)所示，在5Hz、5kN的测试载荷下，压力传感器测得的信号波形清晰，且相对而言，PR1测得的信号更为准确，与测试载荷的频率偏差很小。

对于压电传感器，采用上述流程步骤进行校准。

从图9(a)还可以看到，压电传感器测得的信号显示出与应力水平的线性相关性，因此可以更清楚地区分高载荷水平下的载荷变化。与PR1类似，压电晶体与脉冲频率的依赖性也很小，因此能够更清楚地监测部件中的应力变化，而不考虑列车速度。从图9(b)可以看到，压电晶体的信号质量高，可区分不同的脉冲。

此外，可以看到，压力传感器、压电传感器测得的波形质量都好于加速度传感器。

因此，通过本测试例，可以得到以下结论：

压力传感器和压电传感器测得的信号质量优于加速度传感器；

压力传感器测得的信号与应力水平显示出对数关系，限制其在更高载荷水平下检测载荷变化的能力；

压电传感器测得的信号与应力水平显示出线性关系，能够更好地检测高载荷水平下的载荷变化。

<测试例二>

本测试例中，测试上述三种传感器在不同类型的轨下垫板中的适用性。通过模拟测试系统来进行测试，模拟测试系统包括橡胶板、混凝土块、金属型材以及垫板，分别用于模拟道床、轨枕、钢轨以及轨下垫板。各结构模拟部件的材质及参数如表3、表4所示。

表3测试结构参数表

表4轨下垫板参数表

模拟轨道结构，在地面上依次放置橡胶板、混凝土块、轨下垫板和金属型材。

压力传感器直接粘在轨下垫板的上表面上，其检测端部直接与钢轨底部接触。

加速度计和压电传感器则嵌入在轨下垫板下表面的轨垫槽内，防止其与钢轨直接接触而损坏。本测试例中，在轨下垫板下表面中部开设有一个圆形的轨垫槽，其直径为35mm，深度为3.5mm。

在测量时，在用于模拟钢轨的金属型材上施加一系列测试载荷，并记录各个传感器测得的信号。本测试例中，测试载荷的频率为5Hz，应力水平为0～2000kPa。

图13是本测试例中加速度传感器测得的加速度与垂直位移的折线图。

如图13所示，在不同应力水平下，模拟测试系统(金属型材-轨下垫板-混凝土块-橡胶板)产生0～1mm的垂直位移。对于不同类型的轨下垫板，加速度传感器记录的信号差异很小。

图14是本测试例中压力传感器和压电传感器测得的电压与应力水平的折线图，图中，PI表示压电传感器。

如图14所示，同样地，压电传感器测得的电压值与应力水平呈线性相关，而压力传感器测得的电压值与应力水平呈对数关系。

此外，对于高刚度垫板，压力传感器和压电传感器记录的电压值较高，而使用中低刚度垫板时，两者测得的电压值最低，也即在高刚度垫板上可获得更高的信号振幅。

因此，通过本测试例，可以得到以下结论：

加速度传感器测得的信号与轨下垫板的类型无关；

压力传感器和压电传感器测得的信号取决于轨下垫板的类型，在高刚度垫板上获得更高的信号振幅，对于压力传感器，高刚度垫板具有更高的应力集中，对于压电传感器，高刚度垫板具有更高的波传播能力。因此这两者适用于中高刚度的轨下垫板。

<测试例三>

本测试例中，测试上述三种传感器对不同轨道运行情况的监测能力。同样通过模拟测试系统来模拟轨道结构，进行测试，各结构模拟部件的参数如表5所示。

表5测试结构参数表

轨下垫板的参数与实施例二中相同，不再重复说明。

也即，本测试例的测试结构与测试例二中基本相同，区别之处在于将测试例二的结构中用于模拟道床的橡胶板分别替换为本测试例的第一橡胶板和第二橡胶板。

通过采用不同类型的垫板来模拟轨下垫板、通过采用上述第一橡胶板或第二橡胶板来模拟道床，可构成多个模拟测试系统。

压力传感器直接粘在轨下垫板的上表面上，其检测端部直接与钢轨底部接触。

加速度计和压电传感器则嵌入在轨下垫板下表面的轨垫槽内，防止其与钢轨直接接触而损坏。本测试例中，在轨下垫板下表面中部开设有一个圆形的轨垫槽，其直径为35mm，深度为3.5mm。也即三种传感器在系统中的安装方法与测试例二中相同。

本实施例中，在以上模拟测试系统上进行两种测试：

测试一，采用试验机在各个模拟测试系统上施加预定的加载序列，加载序列由一系列应力在0～2000kPa之间的载荷组成，该加载序列能够使不同的模拟测试系统产生不同程度的形变，从而模拟不同重量的列车在不同轨道上通过的情况，并通过加速度传感器监测系统的振动。

测试二，采用试验机在各个模拟测试系统上应用一系列不同的位移，位移在0～0.8mm之间，从而模拟列车通过时轨道的变形，并通过压力传感器和压电传感器分别监测系统的应力变化。

图15是本测试例中加速度传感器的测试结果图，其中图15(a)是测试一的测试结果图，示出了在不同系统上分别加载500kPa、1000kPa、1500kPa应力测得的加速度值；图15(b)是测试二的测试结果图，示出了测得的脉冲波形图。

如图15(a)所示，加速度传感器能够识别施加的不同应力水平(即模拟不同重量的列车)，同时也能够区分不同系统(采用中刚度基板的系统和采用低刚度基板的系统)之间的差异，因此在预期产生更高位移的低刚度基板系统上测量得到更高的加速度。如图15(b)所示，加速度传感器测得的脉冲质量较差。

图16是本测试例中压力传感器的测试结果图，其中图16(a)是测试一的测试结果图，示出了在不同系统上分别应用0.25mm、0.5mm、0.8mm位移测量得到的电压值；图16(b)是测试二的测试结果图，示出了测得的脉冲波形图。

图17是本测试例中压电传感器的测试结果图，其中图17(a)是测试一的测试结果图，示出了在不同系统上分别应用0.25mm、0.5mm、0.8mm位移测量得到的电压值；图17(b)是测试二的测试结果图，示出了测得的脉冲波形图，图中，PI表示压电传感器。

如图16(a)、图17(a)所示，压力传感器和压电传感器能够识别应用不同位移所需的不同应力水平，同时能够明确区分不同模拟测试系统(采用中刚度基板的系统和采用低刚度基板的系统)，也即应用于监测实际轨道结构，压力传感器和压电传感器能够明确区分不同的轨道系统类型。此外，当从采用中刚度基板的系统转换为采用低刚度基板的系统时，压力传感器和压电传感器均显示出信号幅度降低。

如图16(b)、图17(b)所示，采用压力传感器和压电传感器可以清楚地识别脉冲，测量得到与试验机标准仪器采集的波形相似的波形，信号质量好。且相对而言，压电传感器的信号更清晰。

因此，通过本测试例，可以得到以下结论：

压力传感器和压电传感器的信号质量好于加速度传感器；

压力传感器和压电传感器能够监测因交通条件或轨道支撑强度变化引起的轨道性能变化，特别是当使用中高刚度的轨下垫板时；

压电传感器提供了最清晰的信号输出。

因此，基于上述测试例的测试和分析，实施例中采用多个压电传感器，监测得到的信号质量好，能够有效监测因交通条件或轨道支撑强度变化引起的轨道性能变化。

上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。