(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210683273.5 (22)申请日 2022.06.16 (71)申请人 华东交通大 学 地址 330013 江西省南昌市经开区双港东 大街808号 华东交通大 学 申请人 程宵 (72)发明人 董文涛　熊坤　黄永安　刘林芽　 刘仕兵　王晓明　姚道金　洪金华　 (51)Int.Cl. G01D 21/02(2006.01) G01H 11/08(2006.01) G01P 5/12(2006.01) G01L 9/08(2006.01) G06F 17/18(2006.01) (54)发明名称 转向架结构 /环境同步监测的柔性传感阵列 及解耦方法 (57)摘要 本发明属于轨道交通车辆智能监测技术领 域， 主要涉及一种用于转向架风速和结构振动 在 线测量的柔性多模态传感装置及信号解耦方法。 柔性多模态传感装置包括用于转向架表面气流 速度测量的热模传感模块和用于振动测量的压 电模块， 柔软性特征能够保证其紧密无缝贴附于 转向架曲面构架表面， 不影 响转向架的表面流场 分布， 转向架的表面风压与结构 振动均影响压电 传感模块， 而热膜传感器对振动不敏感， 提出基 于经验模态分解的转向架风压与结构振动解耦 方法， 实现转向架风压与结构振动信号的解耦， 提升转向架结构健康的智能化 监测水平。 权利要求书3页 说明书9页 附图8页 CN 115031784 A 2022.09.09 CN 115031784 A 1.一种用于转向架风速和结构振动在线测量的柔性多模态传感装置， 其特征在于， 该 装置包括用于转向架表面气流速度测量的热模传感模块和用于振动测量的压电模块， 热模 传感模块包含一个风速热敏单元和两个应用于热敏单元的两个加热电阻单元， 实现对转向 架风速和结构振动的测量， 所有功能单元均集 成在同一柔性基板上， 共形安装在H型转向架 曲面构架表面， 柔性传感器的柔软性特征能够保证其紧密无缝贴 附于转向架曲面构架表 面， 不影响转向架的表面流场分布， 实时采集转向架的风速和振动力电压变化信号， 计算出 实时风速与热模传感器输出信号之 间的关系； 标定出压电输出电压与结构振动之 间的映射 关系， 实现转向架多参量的实时监测， 转向架结构振动与环境信号的同步监测是保证列车 行车运行安全最 为有效的方法， 对于列车运行安全监测与智能运维具有重要的推动作用。 2.一种基于柔性多模态传感数据的转向架表面风压与结构振动解耦方法， 其特征在 于， 风压直接影响转向架的表面流场分布， 同时对转向架的结构振动产生影响； 轮轨振动的 反振力会影响转向架的结构振动信号， 热模传感器会采集到转向架的表面流场信息， 压电 传感器会采集到风压与轮轨振动耦合引起的转向架结构振动信号， 利用热模传感器只对气 流敏感特点， 轮轨振动反振力对热模传感器的影响可以忽略不计， 提出基于经验模态分解 的转向架风压与结构振动解耦方法， 评估风压环 境与转向架结构振动对其结构健康与安全 行驶的影响规律， 传感器记录的振动信号x(t)， 风速信号y(t)， 所提出的转向架结构与环 境 感知解耦算法的主要包括： IMF分量计算、 经验模态分解、 自相关与协方差系数计算， 具体步 骤如下： (1)传感器采集得到原 始信号x(t)， 令 h0(t)＝x(t)、 g0(t)＝y(t)； (2)得到原 始信号hk(t)和g0(t)的极值 点； (3)样条曲线连接得到上 下包络线， exmax(t)、 exmin(t)和eymax(t)、 eymin(t)； (4)将包络线求和取均值得到： x(t)的中值 函数： y(t)的中值 函数： (5)将h(t)减去mx(t)、 将g(t)减去my(t)： hk(t)＝hk‑1(t)‑mx(k‑1)(t) gk(t)＝gk‑1(t)‑my(k‑1)(t) (6)判断hk(t)和gk(t)是否满足IMF 条件： 满足IMF条件的hk(t)即得到IMF分量： Imfx(i)(t)＝hk(t)； 不满足IMF 条件的hk(t)重复2、 3、 4、 5、 6操作； 满足IMF条件的gk(t)即得到IMF分量： Imfy(i)(t)＝gk(t)； 不满足IMF 条件的gk(t)重复2、 3、 4、 5、 6操作； (7)将原始信号不断减去Shifti ng算法得到的Imfk(t)分量： 振动信号x(t)分解： ux(0)(t)＝x(t)、 ux(i)(t)＝ux(i‑1)(t)‑Imfx(i)(t)； 风速信号y(t)分解： uy(0)(t)＝y(t)、 uy(i)(t)＝uy(i‑1)(t)‑Imfy(i)(t)；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115031784 A 2(8)判断振动信号x(t)分解后的ux(i)(t)是否有两个以上极点， 满足则 重复1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8步骤其中1步骤中非第一次得到IMF分量则h0(t)＝ux(i)(t)， 若满足则E MD分解结束； 判断风速信号 y(t)分解后的uy(i)(t)是否有两个以上极点， 满足则重复1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8步骤其中1步骤中非第一次得到IMF分量则h0(t)＝uy(i)(t)若满足则E MD分解结束； (9)EMD分解结束后， 得到原 始信号分解出的公式： 振动信号x(t)残余分量： rx(t)＝ux(i)(t)； 振动信号x(t)分解： 风速信号y(t)残余分量： ry(t)＝uy(i)(t)； 风速信号y(t)分解： (10)求振动信号x(t)的自相关函数和Imfx(i)(t)分量的自相关函数： 求风速信号y(t)的自相关函数和Imfy(i)(t)分量的自相关函数： (11)求解振动信号x(t)和风速信号y(t)的互相关系数： 将ρ 设置为过 滤振动信号x(t)的Imfx(i)(t)的阈值； (12)振动信号x(t)的Imfx(i)(t)分量和风速信号y(t)的互相关系数： (13)过滤出ρ(j)小于ρ 的Imfx(i)(t)分量， 舍弃ρ(j)大于ρ Imfx(i)(t)分量， 因为ρ 是指振 动信号x(t)和风速信号y(t)相关程度的一个系数， ρ(j)是指振动信号x(t)的Imfx(i)(t)分 量和风速信号y(t)相关程度的一个系数： 当ρ(j)＞ρ 时， 说明这个频 段内风速信号y(t)对 振动信号x(t)的影响大； 当ρ(j)＜ρ 时， 说明这个频 段内风速信号y(t)对 振动信号x(t)的影响小； 剔除风速信号y(t)影响大的IMF  Imfx(i)(t)分量其目的就是无限降低风速对振动的影 响， 从而近乎 得到没有风速影响的振动信号； (14)过滤得到的Imfx(i)(t)信号进行重构， 即得到解耦后的振动信号X(t)。 3.根据权利要求1的一种用于转向架风速和结构振动在线测量的柔性多模态传感装 置， 其特征在于， 具有柔软特性， 膜厚度小， 且包含2个振动力压电单元、 一个风速热敏单元权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115031784 A 3