CN102589460A - 一种基于双向应变匹配光纤光栅解调技术的轨道应变感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双向应变匹配光纤光栅解调技术的轨道应变感知方法，可用于对行驶列车轴数，轮重或位置，以及轨道单点或多点应变分布情况的监测。与传统匹配光纤光栅解调法不同之处在于，该系统将一对匹配光栅分别安装在贴近钢轨顶部和底部侧面，然后依据两个光栅所受的双向应变(即拉应变与压应变)提高监测灵敏度，同时更有效地解决轨道应变测量中光纤光栅应变温度交叉敏感的问题，结构简单、采样速度快，也适合于钢轨动态应变的监测。

Description

一种基于双向应变匹配光纤光栅解调技术的轨道应变感知方法

技术领域：

本发明涉及高速铁路以及普通铁路系统事实监控设备制造领域，尤其是一种基于光纤传感技术实现对轨道应变状态感知，经分析处理得到行驶列车通过的轴数、轮重、位置以及铁路轨道安全状态等信息的技术

背景技术：

在铁路线路运营中，轨道应变的监测有着重大意义，通过监测钢轨在列车载荷作用下的应变，实现对列车的测重、计轴、定位以及轨道状态的安全监控等。传统的应变测量方法(例如利用电阻应变计、电磁线等)易受电磁干扰，稳定性较差，而光纤光栅应变传感器具有抗电磁干扰、精度高、高波长选择性能、易于组网和长期稳定性好等优点，故其在铁路应用领域也日益受到青睐。

光纤布拉格光栅(FBG)是一种将前向传播的导波模式耦合到后向传播导波模式的光纤结构，其基本特性相当于一个反射式的滤波器，当宽带光信号在光纤布拉格光栅中传输时，一部分光被反射，另一部分光透过。由模式耦合理论可推知光纤光栅反射谱的中心波长为λ_B＝2n_effΛ，式中n_eff为光栅纤芯有效折射率，Λ为光栅周期。

从上式可以看出，光纤光栅的有效折射率和光栅周期的变化均会导致光纤光栅反射谱中心波长的变化，而当温度改变时，热膨胀效应和热光效应分别引起光栅周期Λ与纤芯有效折射率n_eff的变化；当光栅所受轴向应变发生变化时，应变和弹光效应分别引起光栅周期Λ与光纤有效折射率n_eff的变化。由此可以看出，通过对FBG中心反射波长的监测，就可以获得光栅所处局部环境温度与光栅所受轴向应变的信息。基于这一原理就可以研制出较高精度的传感器。

由于光纤光栅对温度和应变的双重敏感，消除温度对钢轨应变测量的影响一直是我们需要研究的一个难点。目前常见的解决方法有匹配光栅解调法以及运用滤波、微分的方法处理数据以消除温度及噪声的影响等，但利用这些方法后温度对应变测量的影响有时还是不能得到很好的排除。传统的匹配解调方法一般将其中一只光栅安装在轨道上，另外一只置于轨旁或解调单元内，这种方式在室温或相对较低的环境温度下问题不大，因为环境温度较低时钢轨温度跟环境温度相差很小或基本一样，但当环境温度升高到一定程度时(例如烈日炎炎的夏日)，钢轨温度一般比环境温度高20℃左右，此时温度必定对传统匹配光栅应变测量结果带来较大的影响；而当钢轨的温度波动较大时，运用滤波、微分等处理数据的方法也不能达到很好的效果。因此，在这些情况下上述方法在高速铁路的使用中依然存在着一些不足。

发明内容

鉴于以上陈述的已有方案的不足，本发明的目的在于提供一种运用双向应变匹配光纤光栅解调的轨道应变感知技术，能有效地解决在铁路应用中光纤光栅温度应变交叉敏感的问题，避免钢轨温度的波动或环境温度与钢轨温度的差量较大时对轨道应变测量的影响，较之传统匹配解调法具有更高的灵敏度，且结构简单，成本低，速度快，易于实现。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于双向应变匹配光纤光栅解调的轨道应变感知方法，由宽带光源、光纤环行器、一对反射谱相互匹配的光纤光栅、光电探测器、电信号模块以及控制分析模块组成一基本感测单元，采用如下的工作方式实现轨道信息的传感探测：宽带光源发出的光束经过光环行器进入贴于近钢轨顶部侧面的第一传感匹配光纤光栅，将进入其中的宽带光反射回来一个窄带光作为信号光，信号光经过环行器后进入贴于近钢轨底部侧面的第二传感匹配光纤光栅，透射光传入光电探测器将光信号转换为电信号，经电信号模块通过接口将数据发送到控制分析模块，控制分析模块根据反射光强度信号经过分析处理得到相应感知信息；所述二匹配光纤光栅对以粘贴或焊接方式分别固定于靠近钢轨顶部的一侧和靠近钢轨底部的一侧，分别感应钢轨受载后靠近其顶部的轴向压应变和靠近其底部的轴向拉应变。

在实际铁路线路中，钢轨受到火车车轮载荷后，由于钢轨两端有枕木的支撑，此时钢轨的受力近似于简支梁模型。由材料力学的知识可知，设想此时的钢轨是由无数层纵向纤维组成，钢轨中性层把钢轨分成了上下两个部分，受载后，中性层上侧的所有纤维受到纵向压缩，而中性层下侧的所有纤维则受到纵向拉伸，因此此时中性层上侧受到纵向压应力，下侧受到纵向拉应力。

基于上述钢轨受载后应变分布分析，本发明将相互匹配的两只光栅同时贴于钢轨上，并且一只贴于靠近钢轨顶部的侧面，另一只则贴于靠近钢轨底部的一侧。由此可知靠近钢轨顶部的光栅感知钢轨轴向压应变，而靠近底部的光栅感知钢轨轴向拉应。

双向应变匹配解调法监测应变的创新点在于，相互匹配的两只光栅不像传统的匹配解调法一样一只作为参考光栅，另一只作为传感光栅，而是两只都贴于被测物上用于感知应变，这样可以确保两个光栅温度一致，但其中一只感知被测物受载后的压应变，另一只则感知其拉应变；当宽谱光源发出光谱，经环行器到达受拉(或压)应变的光栅后，将反射回一个窄带光作为信号光，信号光再经环行器到达受压(或拉)应变的光栅，由此光栅透射或者反射后得到最后的传感光信号；由于光栅受到压应变后，其反射光谱将向短波长方向漂移，而受到拉应变后，光栅的反射光谱则向长波长方向漂移，由此易知，受载后，两匹配光栅所贴位置将发生拉或压应变，那么两者反射谱的重合区域大小将发生变化，因此最后的信号光强也会随着载荷而发生变化，这样就能用于传感载荷的大小和变化。显然，两光栅反射谱的重合区域的大小变化也表征着最后信号光强的变化，而当受到相同的载荷时，用双向应变匹配解调法后重合区域发生的变化量明显要比传统的匹配解调法大，故较之传统的匹配解调法，双向应变匹配解调法具有更高的灵敏度。

传感光信号最后传入光电探测器，经光电探测器转化为电信号进入电信号收发模块，经其调理电路和模数转换器后由主芯片处理，得到钢轨应变信息，最后经过其通信接口传到控制分析模块(上位机)，经过对应变信息的分析和处理后，得到行驶列车通过的轴数、轮重和位置等信息。

本发明的优点在于，将一对匹配光栅同时贴于钢轨上，使得两光栅温度相同，利用两光栅的拉压双向传感，不仅有效地解决了铁路应用中光纤光栅温度应变交叉敏感的问题，避免了钢轨温度的波动或环境温度与钢轨温度的差量较大时对轨道应变测量的影响，较之传统匹配解调法也具有更高的灵敏度，且结构简单，速度快，也适合于钢轨动态应变的监测，可用于铁路运营中对行驶列车通过的轴数、轮重和位置等信息测量。另一方面，也可以进一步组网形成准分布式地感知系统。

附图说明：

图1为本发明结构原理示意图。

图2为本发明实现的另一种结构形式示意图。

图3为实际钢轨受车轮载荷后简支梁模型示意图。

图4为应变解调原理光谱示意图。

图5为本发明典型测试结果之一，即检测到的电信号输出电压与轨道载荷的关系曲线图。

图6为本发明典型测试结果之二，即光电探测器在模拟钢轨在不同速度列车驶过时得到的电信号输出电压与时间关系曲线图。

图7为本发明结合无线传感网络实现对行驶列车定位的结构示意图。

图8为本发明结合光纤传输网络实现对轨道实现准分布式应变感知的结构示意图。

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是本发明实施时采用的整个传感系统结构原理示意图，宽带光源(101)发射出光束，可以为ASE或SLED激光器，其典型带宽在几十纳米，而光纤光栅传感器的反射谱宽一般为0.2nm～0.3nm之间，故在常规FBG传感应用中可以认为光源光谱是远大于FBG反射谱带宽的。光源发出的光束经环行器102进入第一个传感光栅FBG1(103)，传感光栅FBG1(103)将光束反射回一个窄带光，将此窄带光作为信号光，经环行器102进入第二个传感光栅FBG2(104)，经其透射后进入光电探测器105实现光电转换，得到的电信号经电信号模块106滤波、放大、采样、编码等处理后经其通信接口传入控制分析模块107，由其采用特殊的数据处理算法可从应变信号中得到行驶列车的轴数、轮重、时速、位置及轨道状态等信息，并通过相关设备显示出来。本发明的主要创新点在于将光纤光栅双向应变匹配解调法用于轨道应变监测系统中，它不像传统的匹配解调法那样一只光栅用于传感，另一只则置于钢轨附近作为解调单元，而是两只都贴于钢轨上用于传感，图1中的两传感光栅(传感匹配光纤光栅)FBG1(103)和FBG2(104)分别贴于靠近钢轨100顶部的侧面和靠近钢轨底部的一侧，由于两光栅同时贴于钢轨100上，故能很好地确保其温度一样，避免温度对钢轨应变监测的影响，而运用光纤光栅双向应变匹配解调法监测轨道应变时，光栅的安装位置是很重要的，需分别安装于受拉压应变的位置。

图2为本发明的另外一种实现方式，采用2组光电探测及电路处理分析单元。两个传感光栅(传感匹配光纤光栅)203和207仍然安装在钢轨200侧面中线的上下两侧。第一个光栅203经环行器202反射回来的光通过光分束器204分成两部分，一部分直接由光电探测器205探测、电信号模块206处理后一起送到最后的处理单元210。另一部分光则通过第二个传感光栅207后进行光电探测208，电信号模块209送到210。实际上，这种结构还有其它一些变化，比如在第二个光栅前增加一个光环行器探测两个光栅叠加反射光，或者探测光栅的透射光强进行对比。由于这些都是基本的光路变换，这里我们就不再一一详述，这些变换都在本专利的保护范围之内。值得指出的是，图2及其变换光路的结构(采用2个光电探测处理单元)虽然复杂些，但在某些情况下也具有一定的优越性，尤其是在光源功率极为不稳定的情况下，通过两个探测器204和208的组合结果可以实现输入功率的标定，避免光源波动带来的影响。

图3为实际钢轨受车轮载荷后简支梁模型示意图，结合材料力学的知识分析易知，钢轨受到车轮载荷后，其中性层以上的部分发生轴向压应变，而中性层以下部分则发生轴向拉应变，也是本发明的出发点。

钢轨受载后为简支梁模型(Lianshan Yan，Zhaoting Zhang，PingWang et al.Fiber Sensors for Strain Measurements and Axle Counting inHigh-Speed Railway Applications[J].IEEE Sensors Journal，2011，11(7)：1587-1594)，此时钢轨上一点产生的轴向应变为：

$\mathrm{\ϵ}\left(x\right)=\frac{\mathrm{hM}\left(x\right)}{\mathrm{EI}}$

其中E仍为钢轨的杨氏模量；h为钢轨被测点距中性面的垂直距离；x表示测量点在钢轨水平方向上的位置；I为钢轨截面惯性矩；设y＝y(x)为单根钢轨的挠曲线，向下为正；M(x)为单根钢轨的弯矩，则M(x)为：

$M\left(x\right)={\mathrm{EI}}_x\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dx}}^2}$

$=\frac{P}{4k}{e}^{-\mathrm{kx}}(\cos \mathrm{kx}-\sin \mathrm{kx})$

其中P为钢轨所受载荷，k为轨道系统特性参数，其值一般在0.009～0.020cm^-1之间。

由上可知当钢轨被测点的位置固定时，此处的应变值的大小只与载荷P有关，可以表示为：

ε＝k_PP

其中，k_P为比例常数，在特定的条件下可以将其测出来，而有由前面可知钢轨应变有拉应变和压应变之分，因此，假设拉应变为正应变时，那么压应变为负应变，此时用k_P的正负来分别表示。

图4为应变解调原理光谱示意图，FBG1反射谱的阴影部分即为光电探测器检测到的对应光强大小，理想的情况下，假设FBG1和FBG2的反射谱完全重叠，那么从FBG2透射出来的光强为0，但现实中两波谱是很难完全重叠的，所以此时得到是FBG1反射谱经FBG2透射出来的一个最小光强。当FBG1和FBG2处的局部环境温度相同而且两光栅没有发生任何应变，那么此光强会是一个恒定的值，这是因为在没有应变的情况下，只因温度的影响使FBG1和FBG2反射谱的中心波长沿着相同的方向发生等量的平移，从而导致阴影部分的面积是一个定值；此时如果FBG1或FBG2发生轴向应变，由于FBG1受到压应变，其反射谱将向左漂移，相反地，FBG2受到拉应变，其反射谱向右漂移，则阴影部分面积变大，光强I将变大，并随着两反射谱的继续分离而逐渐增大。

在实际中，当钢轨受到车轮载荷P时，FBG1和FBG2将分别产生压应变ε₁和拉应变ε₂，因两光栅贴于同一钢轨的相近位置，故温度变化量ΔT相同，设拉应变为正应变，那么根据前面的分析FBG1和FBG2反射谱中心波长的漂移量分别为：

Δλ₁＝k_εε₁+k_TΔT

＝-k_εk_P1P+k_TΔT

Δλ₂＝k_εε₂+k_TΔT

＝k_εk_P2P+k_TΔT

式中Δε为FBG轴向应变，ΔT为温度变化量，k_ε、k_T分别为光纤光栅轴向应变灵敏度常数和温度灵敏度常数，将k_P1和k_P2分别为FBG1和FBG2所贴处载荷P与此处应变的比例常数，而负号表示压应变。由上可得总的相对漂移量为：

Δλ＝k_ε(ε₁-ε₂)

＝k_εΔε

＝k_ε(k_P2+k_P1)P

由此可知，中心波长的漂移量只与轴向应变相对变化量Δε(或载荷P)有关，并且成线性关系，则通过对光强的检测则可实现对钢轨应变或所受载荷P的传感，同时也容易看出，与以往一些光纤光栅应变感知技术相比，此方法具有相对较高的灵敏度。

图5为系统在对60kg/m钢轨传感过程中，光信号转化为电信号后检测到的电信号输出电压与列车载荷的关系曲线图。我国铁路使用的钢轨一般为50kg/m和60kg/m，客运列车轴重为14-20吨，在传感过程中系统检测到的电信号输出电压值与载荷近似为线性关系，且在要求的量程范围内。因此，据此获得列车的轴重信息，实现对列车有无超载或偏载等的监测。

图6为本发明实验测量的另一典型结果，即光电探测器在模拟钢轨在不同速度的列车驶过时得到的电信号输出电压与时间的关系曲线图。在实际铁路运营中，列车驶过钢轨上在某个测试点时得到的信息类似图7所示，火车车轮给测试点处周期性的冲击，因此系统将检测一个周期性的信号，其周期由驶过测试点列车的速度决定。由此，对所测信号进行分析处理可以实现对列车轴数、时速等监测。

为了提高铁路调度系统的效率，保障高速列车安全行车，对铁路闭锁区间内列车的定位跟踪很重要。本发明可以有效地结合相关通信技术获得列车的位置、速度等信息，实现对列车的跟踪定位。如图7，为本发明结合无线传感网络实现对行驶列车的定位。另外，也可以基于光纤传输技术，将所有基本感测单元中第二个光纤光栅的输出(如图1中104)经光纤传输后统一汇聚到一起(采用1xN光纤耦合器)再进行探测与处理分析，这样可以组成准分布式的轨道应变感知网络，实现更为复杂的功能，如图8所示。

综上，本发明将为铁路轨道状态和列车运行状态的监测提供另一有用的手段。

Claims (3)

1.一种基于双向应变匹配光纤光栅解调技术的轨道应变感知方法，由宽带光源、光纤环行器、一对反射谱相互匹配的光纤光栅、光电探测器、电信号模块以及控制分析模块组成一基本感测单元，采用如下的工作方式实现轨道信息的传感探测：宽带光源发出的光束经过光环行器进入贴于近钢轨顶部侧面的第一传感匹配光纤光栅，将进入其中的宽带光反射回来一个窄带光作为信号光，信号光经过环行器后进入贴于近钢轨底部侧面的第二传感匹配光纤光栅，透射光传入光电探测器将光信号转换为电信号，经电信号模块通过接口将数据发送到控制分析模块，控制分析模块根据反射光强度信号经过分析处理得到相应感知信息；所述二匹配光纤光栅对以粘贴或焊接方式分别固定于靠近钢轨顶部的一侧和靠近钢轨底部的一侧，分别感应钢轨受载后靠近其顶部的轴向压应变和靠近其底部的轴向拉应变。

2.根据权利要求1所述之基于双向应变匹配光纤光栅解调技术的轨道应变感知方法，其特征在于，所述第一匹配光纤光栅反射回的光信号分为两部分，一部分直接进行光电探测和电路处理，另一部分经第二个光纤环行器与第二匹配光纤光栅连接，反射回的光信号再进行光电探测和处理，两部分结果结合进行分析，得到相应感知信息。

3.根据权利要求1或2所述之基于双向应变匹配光纤光栅解调技术的轨道应变感知方法，由所述二个以上基本感测单元通过光纤或无线方式组成网络，实现准分布式的应变感知监测系统。

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