[发明专利]一种多维轮轨力测量的柔性多模态传感装置及融合方法

权利要求书

1.一种用于多维轮轨力测量的柔性多模态传感装置，其特征在于，包括柔性垂向力应变电桥模块、柔性垂向力压电传感器模块、柔性横向力压电传感器模块以及柔性多模态感知模块，能够实现多维轮轨力同步感知和实现轨道结构健康主动探测；

所述柔性垂向力应变电桥模块用于垂向力在线测量，通过实验标定轮轨垂向力P与电桥输出电压U5的线性关系，通过测得电桥的输出电压U5，即可解得轮轨垂向力P，所述轮轨垂向力P与电桥输出电压U5的线性关系；

所述柔性垂向力压电传感器模块，建立起轮轨垂向力P与PZT压电薄膜i、j测得的电压值U1、U2的和值之间的线性关系，通过测得PZT压电薄膜i、j电压值U1、U2，即可解出轮轨垂向力，所述轮轨垂向力与PZT压电薄膜i、j测得电压U1、U2之间的线性关系；

所述柔性横向力压电传感器模块，建立起轮轨横向力Q与两组PZT压电薄膜测得电压U3与U4差值之间的线性关系，通过测得两组压电薄膜的输出电压U3与U4的差值，即可解得轮轨横向力。

2.所述轮轨横向力Q与两组PVDF压电薄膜测得电压U3与U4之间的线性关系；

所述柔性多模态感知模块由多层薄膜结构组成，从下往上依次为：柔性衬底层（PI基板）、电极层#1（四个压阻传感器组成的应变桥）、压电功能材料层（压电陶瓷PZT）、电极层#2（环形叉指电极）、引线层（金属Au）和封装层，可以有3个工作模态：①环形柔性压电陶瓷叉指换能器（PZT-IDT）具备驱动/传感功能，在外加激励信号作用下驱动单元产生导波信号，PZT-IDT被动感知单元将采集回波信号，用以实现车轮结构缺陷的主动探测；②电极层#1为图案化金属薄膜压阻传感器组成的应变桥，采集高速滚动轮轨作用中的动态应变信号；③电极层#1、压电PZT感知层、电极层#2组成柔性压电传感单元，实时采集轮轨振动信号；

所述的柔性多模态传感装置实时采集轮轨垂向力、轮轨横向力信息，以及轨道结构缺陷的主动探测，实现铁道结构的多参量数据在线感知，提高轨道智能化监测水平。

3.根据权利要求1的一种用于多维轮轨力测量的柔性多模态传感装置，其特征在于，所述的多维轮轨力数据融合感知方法数据来源与8个应变传感器组成双惠斯通电桥和压电传感器；根据应变桥输出信号与轮轨垂向力之间的关系，以及压电传感单元输出信号与垂向轮轨力之间的关系；提取动态应变桥和垂向力压电单元输出信号的特征信息，构建垂向轮轨力与动态应变、压电输出信号之间的内在关系，提出基于动态应变桥和垂向力压电单元信号特征的垂向轮轨力融合感知方法，构建基于卷积神经网络（Conventional neutralnetwork，CNN）的垂向力融合感知框架，应变桥和压电单元数据等特征信息为融合感知方法的输入，对垂向力应变电桥模块和垂向力压电传感器模块接收到的数据进行多模态数据融合，提高了轮轨垂向力的测量精度和抗干扰能力，其实现流程包括以下步骤：

S1、根据预设采样周期获取柔性多模态传感装置中的垂向力压电传感器模块测得的轮轨垂向力数据，设为第一数据；

S2、根据预设采样周期获取柔性多模态传感装置中的垂向力应变电桥模块测得的轮轨垂向力数据，设为第二数据；

S3、将所述第一数据通过CNN（卷积神经网络）进行特征提取；

S4、将所述第二数据通过DNN（深度神经网络）进行特征提取；

S5、将两种提取后的特征向量进行特征拼接得到多模态特征向量，最终通过DNN（深度神经网络）完成特征融合并进行输出。

4.根据权利要求1所述的一种测量轮轨力的柔性多模态传感装置，其特征在于，包括垂向力压电传感器模块、横向力压电传感器模块、应变传感器电桥模块、主动探伤模块，所有功能单元均在同一柔性衬底上，能够保证柔性多模态传感装置与轨道结构的共形，具有超薄轻质特点不影响轨道结构健康监测，同时主动探伤模块能够实现轨道内部缺陷的主动探测。