CN101797928A - 基于半自由度封装fbg的轨道交通计轴装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于半自由度封装FBG的轨道交通计轴装置，用于对驶过列车进行计轴，由传感部分和控制分析部分所组成，其特征在于，传感部分包括：激光光源、光环行器、FBG应变片、光电探测器；控制分析部分为计轴检测器；所述FBG应变片呈半自由度形态固定在与铁轨底部连接的封装装具上。本发明采用的半自由度封装FBG应变片可以实现对所受应变的强度自解调，不再需要额外的边缘滤波器。简化了系统结构，成本大大降低。计轴检测器可以根据反射光强度有无变化得到有无列车车轮经过，并能从反射光强度变化中获得轮重等轮轴信息。

Description

基于半自由度封装FBG的轨道交通计轴装置

技术领域

本发明涉及在铁路信号领域利用匹配光纤光栅实现对铁轨温度应变以及列车轴数、轴重、运行速度监测的技术。

背景技术

计轴是利用传感器感应列车车轮经过的信号，来判断有无列车进过并获得驶过轴数等信息。计轴系统可以获得列车位置，铁路区间占用与否的信息。计轴系统的可靠性高于轨道电路。计轴系统主要由前端的计轴传感器、检测器和后端的计轴运算器(评估器)组成。目前计轴系统磁头感应器来获取列车轮轴信息，在抗电磁干扰、使用性能、防雷击等方面存在问题，功能也较为单一。例如现有计轴系统普遍存在“+-1轴”干扰现象：当有行人或铁锹等金属物体经过磁头传感器时，磁头传感器会产生一个车轮信号，认为有一个列车车轮经过。为了解决磁头传感器容易受干扰的问题，一种使用应变传感器的计轴系统被提出，通过感知列车车轮驶过时在铁轨上产生的周期性应变扰动可以获取列车驶过轴数、轮重、时速等信息。申请号200810105951.x为公开了一种使用采用应变检测的计轴系统及其实施方法，使用应变传感器和磁头传感器相结合的方法解决了行人、铁锹等物体等磁头传感器造成的干扰，但是该系统使用的电子传感器模拟信号传输距离短，检测器需要安装在轨道附近，电磁兼容性差，电子应变片的可靠性和稳定性也较差；申请号为200920088856.3公开了一种列车光纤光栅计轴系统，该系统使用FBG解调仪获得铁轨应变引起的FBG中心波长漂移，解调速度慢，成本高。

目前大部分的计轴系统都存在“+-1轴”干扰，易受干扰，对防雷要求也很苛刻；采用FBG的应变片计轴系统性能优越，但成本偏高，速度低，不适合在高速铁路中使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用半自由度封装FBG应变片的轨道交通计轴装置，不需要额外的边缘滤波器，利用FBG在应变作用下的自致啁啾效应实现对应变的强度解调，成本低，速度快，易于实现。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于半自由度封装FBG的轨道交通计轴装置(图1)，用于对驶过列车进行计轴，由传感部分和控制分析部分所组成，其特征在于，传感部分包括：激光光源(101)、光环行器(102)、FBG应变片(104)、光电探测器(105)；控制分析部分为计轴检测器(106)；所述FBG应变片呈半自由度形态固定在与铁轨(103)底部连接的封装装具上。

FBG应变片采用粘贴或焊接的方式固定在铁轨底部，此时应变片所受应变可以视为与附着区域的铁轨应变相同。在没有列车车轮经过时，铁轨应变约为零；当列车车轮经过时，铁轨在车轮压力下发生弯曲形变，由经验知在铁轨底部产生的拉伸方向的轴向应变最为显著。为便于测量，将FBG应变片沿铁轨长度方向固定在铁轨底部。铁轨底部一点的轴向应变为

$\mathrm{\ϵ}=h\frac{M}{\mathrm{EI}}$

其中h为铁轨底面到铁轨中和轴的距离，E为铁轨材料的杨氏模量，I为轴向惯性矩。

由弹性力学公式计算可知，在列车轮重7～10吨的情况下，铁轨底部产生的最大轴向应变为200～300uε。当列车驶过该段铁轨时，依次经过的车轮对铁轨多次瞬时施加、释放应力。使得固定在铁轨上的应变片产生周期性轴向应变。

FBG半自由度封装形式是，在应变片内部FBG并不像传统封装形式那样将FBG整体固定在封装装具上，而是将FBG的一部分或多个部分固定在装具上，其余部分保持松弛的自由状态。此时可以将整个FBG的反射谱视为若干个中心波长相同的级联FBG反射谱的叠加。每个级联FBG的长度都远小于原FBG长度，其最大反射率大大降低，可视其为若反射率FBG。在应变片没有受到应变作用时，各级联FBG反射谱中心波长相同，叠加后的反射谱形状与原FBG相同。在应变片受到应变作用时，被固定在装具上的FBG部分发生轴向形变所受应变与装具相同，而其余部分基本不发生形变即应变为零。折射率分布在FBG内部产生自致啁啾现象，此时一部分级联FBG的反射谱中心波长漂移，而另一部分反射谱不变。导致叠加后的反射谱形状发生变化，带宽展宽，最大反射率降低。反射光强度为光功率分布函数与反射谱分布函数的卷积，由于宽带光源光功率分布在反射谱内均匀分布，最终反射光强度随应变的增大而增大。

FBG反射光通过光隔离单元后进入光电探测器转换为电流信号，电流信号进入计轴检测器，通过其中的调理电路、数模转换器(ADC)后交给主控芯片处理，得到铁轨应变测量结果，从铁轨应变的变化中得到列车轮轴信息。

本发明的有益效果是：本发明采用的半自由度封装FBG应变片可以实现对所受应变的强度自解调，不再需要额外的边缘滤波器。简化了系统结构，成本大大降低。计轴检测器可以根据反射光强度有无变化得到有无列车车轮经过，并能从反射光强度变化中获得轮重等轮轴信息。

附图说明如下：

图1为本发明采用光环行器实现列车计轴功能的结构示意图。

图2为本发明中计轴检测器的组成框图。

图3为本发明采用的FBG半自由度封装结构示意图。

图4为本发明采用的半自由度封装FBG在应变作用下的反射谱变化图。其中图4a、图4b和图4c为不同应变作用下的反射谱图。

图5为本发明传感过程中FBG反射光强度—应变曲线图。

图6为铁轨在列车车轮压力作用下产生的应变分布云图。

图7为本发明的光电探测器在列车驶过时得到的反射光强度—时间曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

图1是本发明实施的一个典型装置图，宽带光源(101)发射出激光光束，一般ASE或SLED激光器的带宽在几十纳米，在常规FBG传感应用中可以认为是远大于FBG反射谱带宽。输出的激光经光环行器(102)进入固定在铁轨(103)底部的半自由度封装FBG应变片(104)，反射回的光再经环行器由光电探测器(105)实现光电转换。转换后的信号在计轴检测器(106)进行分析处理得到计轴信号。

本发明所采用的计轴检测器的功能结构如图2所示。调理电路(201)对图1中光电探测器产生的光电流信号进行I-V变换、推动放大、低通滤波后得到一个较大的电压信号以利于后续器件处理。数模转换器(202)对模拟电压信号进行采样、比较、编码后得到一组离散的数字信号。数字信号传送给MCU或DSP构成的主控芯片(203)，采用特殊的数据处理算法从数字信号中得到有无列车驶过、时速、轮重等轮轴信息。计轴信息可以由数据通信接口传出以便显示或控制其他铁路自动化设备。

本发明的主要创新点在于提出了一种称之为半自由度封装的FBG封装形式，并将其用于实际工程。这种封装形式的FBG应变片其内部结构如图3所示。在封装时FBG只有中间约占其1/3长度的部分固定在作为封装的金属片上，其余部分则保持松弛的自由状态。由弹性力学知识可知，在应变片受到轴向应变时其产生形变(被拉伸或压缩)，固定在其上的FBG部分可以认为其形变与应变片相同，其余部分则不发生形变。也就是说只有中间的固定部分感受到应变，整个FBG上的应变分布是不均匀的，其反射谱将会展宽(K.Peters，P.Pattis，J.Botsis，“Experimental verification of response of embeddedoptical fiber Bragg grating sensors in non-homogeneous strain fields，”Optics and Lasers in Engineering，2000，33(2)：107-119)。现在根据FBG啁啾化传感的理论可以将整个FBG看作3个较短FBG的级联。这样整个FBG反射谱便成为各个子反射谱相互叠加综合作用的结果(郭团，刘波，张伟刚等，“光纤光栅啁啾化传感研究”，光学学报，vol.28，no.5，2008)。在初始条件下设三个子FBG的反射谱形状均等效为高斯形状，其数学描述为

R_i(λ)＝rexp(-(4*ln2)*(λ-λ_B)²/Δλ²)

其中λ_B为其中心波长，Δλ为半强度带宽。FBG各部分栅格周期Λ和有效折射率n_eff均一致由中心反射波长计算公式λ_B＝2n_effΛ可知各个子FBG的中心波长相同。在中间部分的子FBG受到均匀应变ε后其反射谱的中心波长移动而反射谱形状视为不变，且中心波长漂移量为Δλ_B＝2neffΛ(1-Pe)ε，Pe为光纤的有效弹光系数约为0.17。

在应变较小的情况下，子反射谱间大部分重叠造成FBG反射谱展宽，而最大反射率略有下降。FBG反射谱的近似为

R(λ)＝r′exp(-(4*ln2)*(λ-λ_B)²/Δλ′²)

宽带光源光功率分布P_BBS(λ)在反射谱内可以视为恒定值I₀，反射光强度 $I=P_{\mathrm{BBS}}\left(\mathrm{\λ}\right)\⊗R\left(\mathrm{\λ}\right)=I_0\∫R\left(\mathrm{\λ}\right).$ 总反射光随应变的增加而增大。

半自由度封装FBG应变片在轴向应力作用下反射谱的带宽增大如图4所示。在图1中光电探测器处位置得到的反射光强度随应变的增大而增大，近似为线性关系(如图5)。

我国铁路使用的铁轨规格分为50kg/m，60kg/m等。客运列车轴中通常为14-20吨。我们以铁轨国标数据为基准，使用在铁道工程中广泛应用的ANSYS软件，对轴重16吨的列车运行在60kg/m的铁轨线路的情况下铁轨应变分布进行了数值计算。得到铁轨应变分布云图如图6所示。从图中可以看出在铁轨底部产生的最大应变约为200με。在半自由度封装FBG应变片的量程之内。

在实际测试中，列车经过计轴检测点时，从图1中光电探测器处得到的反射光强度变化如图7，是一个周期信号，其周期与列车运行速度有关，而极大值则取决于列车的轴重。因此通过对光强信号的变化周期和极大值中可以得到列车时速、轴重信息。

Claims (4)

1.基于半自由度封装FBG的轨道交通计轴装置，用于对驶过列车进行计轴，由传感部分和控制分析部分所组成，其特征在于，传感部分包括：激光光源、光环行器、FBG应变片、光电探测器；控制分析部分为计轴检测器；所述FBG应变片呈半自由度形态固定在与铁轨底部连接的封装装具上。

2.根据权利要求1所述之基于匹配光纤光栅的高速铁路计轴装置，其特征在于，所述FBG应变片中FBG至少一段片体固定在封装装具上，其余部分保持松弛的自由状态。

3.根据权利要求1所述之基于半自由度封装FBG的轨道交通计轴装置，其特征在于，计轴检测器包括调理电路、数模转换器、主控芯片和通信接口，各器件在同一个印制电路板上，通过PCB布线方式连接。

4.根据权利要求1所述之基于半自由度封装FBG的轨道交通计轴装置，其特征在于，所述FBG封装装具以焊接或粘贴方式固定在铁轨上。

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