CN103323157B - 铁路道岔转辙机锁闭杆应力增敏的光纤光栅动态监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种铁路道岔转辙机锁闭杆应力增敏的光纤光栅动态监测方法及装置。将一个光纤光栅应变片用螺钉紧固于锁闭杆的两付半圆式夹块之间，两付夹块之间的较长距离产生的大应变量通过刚性的加长臂施加在检测光纤光栅上增敏；串联的光纤光栅温度补偿片剔除了环境温度的影响；这些装置封闭在保护盒里；通过传输光纤可以串联10余个待测道岔锁闭杆接入多路通道解调器的一路通道被解调后输入数据处理终端行数据处理及显示，当道岔转辙机锁闭杆动作时，系统动态、在线地检测其转换力、锁闭力的大小和方向，转换速度、转换时间等数据，并与历史所存储的值进行比较，得出道岔转辙机工作状态是否正常的结论；再通过以太网实时上传至监控部门实现动态在线监测。

Description

铁路道岔转辙机锁闭杆应力增敏的光纤光栅动态监测方法及装置

技术领域

本发明涉及铁路道岔转辙机锁闭杆应力增敏的光纤光栅动态监测方法及装置。属于光纤光栅传感技术应用于铁路运输及城市轨道交通的安全监测技术领域。是一种基于光纤光栅传感技术的铁路道岔转辙机锁闭杆应力增敏的光纤光栅检测装置和监测系统，在铁路道岔转辙机锁闭杆动作时，动态、在线地检测其转换力、锁闭力的大小和方向，转换速度、转换时间等数据，并将这些数据与历史所存储的值进行比较，得出道岔转辙机工作状态是否正常的结论。

背景技术

道岔作为铁路线路变更和线路交合分离的转换设备，是铁路工务、电务部门技术指标最繁杂，对线路条件要求最高的关键环节，也是各类故障的多发点。电动转辙机将电机转动经减速转化为平动，推动或拉动锁闭杆改变尖轨的位置，亦改变了道岔的导向。在道岔工作时，锁闭杆推动尖轨向外侧基本轨运动时，锁闭杆受压力，当锁闭杆与外侧基本轨密贴时，锁闭杆应保持锁闭的压力（即锁闭力）；反之，锁闭杆拉动尖轨向内侧基本轨运动时，锁闭杆受拉力，当锁闭杆内该侧基本轨密贴时，锁闭杆应保持锁闭的拉力。

在日常的维修保养中，一般依靠铁路工人的操作经验来调整道岔的锁闭力，当锁闭力调整过大时，会导致转辙机处于过载状态，造成挤切销钉或其它受力零件断裂的后果，危及行车安全；当转辙机的转换力小于道岔的转换阻力时，特别是在雨雪天，往往造成道岔转换不能到位，同样会影响行车安全和行车效率。所以，为了保证铁路列车特别是高速客运专线和城市轨道交通的安全运行，急需在线、动态地监测锁闭杆的转换力、锁闭力的大小和方向，转换速度、转换时间等最能反映道岔转辙机健康状态的参数。

在现阶段，道岔的锁闭杆状态监测有如下几种方法：

1. 在“表示杆”缺口处安装接触式电信号传感器，通过传感器检测到的信号进行判断表示杆运动是否到位，进而判断转辙机的运动状态是否正常。但这种方式操作复杂，对现场工作人员要求较高，且不利于远程监控。

2. 采用视频技术监测道岔转辙机表示杆的位置是否变化，其运动是否到位。用CCD光电传感器捕捉表示杆位置轮缘图像，经滤波和细化处理，以获得最佳的图像效果。但这种基于图像处理技术的转辙机监测系统的不足之处是摄像机需安装条件恶劣的现场转辙机旁边，镜头和摄像机光源易受灰尘和油污的污染。它不但对环境清洁度的要求高；而且对轨道基础的稳定性也要求高；在成本方面，该技术造价昂贵；另外，视频图像包含的信息量较大。这些因素使得该方法尽管理论上可行，但在实际应用中却会遇到许多问题。

3. 采用便携式测力仪将装有测力传感器的销钉代替转辙机锁闭杆的连接销测量受力。此方法反映直观，可以监测道岔阻力变换状态，但每次测量时不但需要在无车通行时到道岔现场，通过联系调度人员遥控操作扳动转辙机，而且需要将转辙机锁闭杆的连接销取出更换，这些操作复杂度高，关键受力零件的重复拆卸会使铁路道岔的安全性存在隐患，而且此方法不是在线的动态监测。

4．采用检测转辙机电机的电气参数监测锁闭杆的受力情况。对于直流电机的转辙机，只需监测电枢电流就可以测量直流电机的电磁转矩，得出转辙机输出力的大小。对交流电机的转辙机，由于三相电机是一个多输入多输出系统，不能直接用电流的大小求出电磁转矩，只能间接利用三相电机输出功率和输出力之间的关系，以测量功率求解转辙机的输出力。此方法是间接测量，受外界影响的因素多，如供电电网的波动，外界的电磁干扰等。

目前，我国轨道运输线路装备了10万多台电动转辙机，随着我国铁路不断提速，并向着高速、重载的方向发展，这些现状进一步加大了采用新技术对转辙机的工作情况进行可靠的监测需求。

光纤光栅应变传感器具有高精度和高灵敏度、不受电磁干扰、现场无电信号、尺寸小、重量轻、耐环境温度变化、传输距离远、耐腐蚀、成本低等突出优点。所以本发明拟利用光纤光栅应变检测技术动态、在线地检测转辙机锁闭杆的转换力、锁闭力的大小和方向，转换速度、转换时间等数据，达到准确判断由于尖轨活动阻滞，锁闭杆受力失常等故障的目的。

发明内容

本发明目的旨在提供一种铁路道岔转辙机锁闭杆应力的光纤光栅动态和连续的监测方法及装置，且具有应力增敏的检测效果。

 本发明的技术方案是：一种光纤传感锁闭杆应力检测装置（即铁路道岔转辙机锁闭杆应力增敏的光纤光栅动态监测装置），该装置包括转辙机锁闭杆、保护盒、两付应变增敏的夹持装置、一个光纤光栅应变片、螺钉、一个光纤光栅温度补偿片、光纤接续箱、解调器、数据处理终端、监测客户端和报警装置；其中，两付应变增敏的夹持装置包括两个半圆式加长上夹块（臂加长）、两个半圆式下夹块和夹块固定螺栓，两付应变增敏的夹持装置由四个夹块固定螺栓加钢结构胶紧固在转辙机锁闭杆上；光纤光栅应变片由螺钉加钢结构胶紧固在两付应变增敏的夹持装置的两个加长臂之间，光纤光栅温度补偿片不受力地放置在旁边，光纤光栅应变片和光纤光栅温度补偿片串联形成光纤光路，置于保护盒内，光纤光路一端的光纤用传输光纤引出保护盒经由光纤接续箱与下一个锁闭杆应力检测装置串联，光路的另一端通过另一根传输光纤接到光纤接续箱里接铠装光缆接至解调器，解调器、数据处理终端、监测客户端和报警装置依序电信相连。

本发明装置中，按“波分复用”的波长间隔选择光纤光栅应变片的光纤光栅波长和光纤光栅温度补偿片的光纤光栅波长，并串接为一根光路。

本发明装置中，传输光纤和铠装光缆采用单模光纤，铠装光缆为多芯铠装光缆。

本发明装置中，解调器采用武汉理工光科股份有限公司产品，型号为BGD-4M。

本发明装置中，监测客户端和报警装置的客户端将所有监测数据通过以太网和手机运营商的网络远传到道岔监控部门。

本发明装置中，保护盒材质为不锈钢。光纤光栅应变片是光纤布喇格光栅的预制不锈钢应变片。

本发明装置中，报警装置采用扬声器和红绿信号灯。

本发明装置中，数据处理终端采用工控机。

本发明的一种光纤传感锁闭杆应力检测装置应用于铁路运输及城市轨道交通的安全监测。

本发明的光纤传感锁闭杆应力检测装置应用于铁路运输及城市轨道交通的安全在线、动态监测，方法是将所述的光纤传感锁闭杆应力检测装置中光纤光栅应变片和光纤光栅温度补偿片串联形成光纤光路，将光路一端的光纤用传输光纤引出保护盒经由光纤接续箱与下一个光纤传感锁闭杆应力检测装置串联，并将光路的另一端接另一根传输光纤到光纤接续箱里接铠装光缆接至解调器，光纤光栅应变片感受锁闭杆的动荷载，所产生的波长信号经光电转换和波长解调后，再送往数据处理终端将所测应变转换为应力，并进行数据处理及显示，实现动态在线监测，并通过对比分析数据特性的历史变化趋势，对转辙机锁闭杆转换力、锁闭力的大小和方向，转换速度及转换时间数据进行评估，超过报警阈值时，启动监测客户端和报警装置的报警装置；并实时将道岔的健康状态通过以太网无线上传结果至监控部门，监控部门对监测数据查询和历史数据对比。

其监测客户端和报警装置的客户端将所有监测数据通过以太网和手机运营商的网络远传到道岔监控部门，提供监测终端用户界面，方便监控部门对监测数据查询和与历史数据的对比；监测客户端和报警装置的报警装置部分采用扬声器和红绿信号灯，并在软件界面出现报警提示。

本发明的装置采用机械紧固式方式将两付半圆式加长夹块用螺栓加钢结构胶紧固在转辙机锁闭杆上，将一个黏贴有光纤布喇格光栅的预制不锈钢应变片用螺钉加钢结构胶紧固在两付半圆式夹块的加长臂之间。将另一个预制的，不同波长的光纤光栅应变片不受力地放置在旁边，起温度补偿的作用。在光纤光路上串联这两个应变片并用保护盒加以保护。将传输光纤引出保护盒与下一个道岔锁闭杆应力的光纤光栅监测装置串联。

受力的光纤光栅应变片感受锁闭杆的动荷载，通过传输光纤把各转辙机锁闭杆传感器的波长变化信号串联经光纤接续箱汇总后，由多芯铠装光缆输出到解调器，经光电转换和波长解调后，得到与锁闭杆受力有关的波长信号；再送往数据处理终端进行数据处理及显示，实现动态在线监测。数据处理终端将所测应变转换为应力，并通过对比分析数据特性的历史变化趋势，对转辙机锁闭杆的转换力、锁闭力的大小和方向，转换速度、转换时间等健康状态进行评估，超过报警阈值时，启动报警装置；并实时上传结果至监控部门。

本发明的技术方案中，光纤光栅应变传感装置利用光纤光栅将受力转化为光纤光栅波长信号。该应变传感装置由光纤光栅应变片、半圆式加长夹块、保护盒封装制成，其中光纤光栅传感材料固化在应变片上。当锁闭杆受力产生了变形，由加长的半圆式夹块刚性臂传递给应变片时，由于锁闭杆固定两夹块的间距远大于光纤光栅自身的长度，夹块间产生的变形量完全施加在小长度的光栅上，使在光栅上产生了比光栅直接黏贴在锁闭杆上大数倍的应变，从而得到增敏的效果。

本发明的技术方案中，采用双光纤光栅应变片差分传感技术进行应变的温度补偿。将一个光纤光栅应变片固定在两个半圆式加长臂夹块之间，另一个不同波长的光纤光栅应变片作为不受力的光纤光栅温度补偿应变片，由于两个光纤光栅应变片的外形结构相同，热膨胀系数相同，处在的位置相同，这两个应变片由于环境温度变化产生的光纤光栅中心波长偏移量，通过波长相减的办法抵消，余下的波长变化量就反应了所测应变的变化，从而剔除了环境温度的干扰。

本发明的技术方案中，传输光纤采用单模光纤。光纤接续箱按输入顺序把所有待测道岔锁闭杆的光纤光栅传感器和温度补偿片按波长排序并按“波分复用”方式串接。

本发明的技术方案中，解调器采用武汉理工光科股份有限公司产品，型号为BGD-4M。采用了法布里-佩罗腔光纤光栅波长滤波解调技术，将光纤光栅应变传感器的波长信号经光电转换和波长解调后输出。因为光纤光栅解调器的一路光通道可解调10多个锁闭杆的光纤光栅应力监测装置，对于多路解调仪，其解调能力可满足大型站场全部道岔的监测需求，使得成本大大降低。

本发明的技术方案中，数据处理终端采用工控机，其数据处理系统能实时采集、显示，并建立数据库长期存储测量数据；将光纤光栅应变片检测的应变数据转化为转辙机锁闭杆应力的大小，并采集处理其受力的方向、执行动作的时间等信号，其专家系统能够辨认所监测到的数据特性变化和趋势，得出是否将对行车安全造成威胁的结论，异常情况下启动报警装置。

本发明的技术方案中，监测客户端用以太网通过手机运营商的网络为远程的道岔监控部门提供监测终端用户界面。报警装置采用扬声器和红绿信号灯，并在软件界面出现报警提示。

在监测点的本发明装置都做了加固和防腐处理，在不损伤钢轨和道岔转辙机，不改动路基情况下机械紧固安装，可以在潮湿、油污、日照、振动、煤粉尘、电磁干扰等恶劣环境条件下重载、高速列车频繁通过的道岔现场稳定长期监测。

本发明所采用的技术原理是：采用“光纤布喇格（Bragg）光栅”（简称FBG）制作的应变传感器。光纤布喇格光栅是采用紫外准分子激光束照射普通通信用的单模光纤的侧面，激光束通过掩模板或干涉的方法使光纤二氧化硅材料的晶格发生永久性变化，形成微米级的光栅栅格，栅格的总长为数毫米。成栅后，该段光纤的纤芯折射率在长度方向呈现周期性分布条纹并产生布喇格光栅效应。其基本光学特性就是一个以共振波长为中心的窄带光学滤波器。当宽带光源通过光纤偶合器将一束光送进布拉格光纤光栅时，在满足布喇格条件的情况下，就会发生全反射，其反射光谱在布喇格波长处出现峰值。光栅受到外部物理场（如应变、温度等）的作用时，栅距随之发生变化，从而改变了后向反射光的波长，根据其偏移的大小就可以确定待测部位物理量的变化。

本发明适用于恶劣条件下铁路运输及城市轨道交通的道岔转辙机锁闭杆受力状态的长期在线和动态监测，通过安装在监测点处的光纤光栅应变传感器监测锁闭杆的转换力、锁闭力的大小和方向，转换速度、转换时间等执行动作的时间等数据，掌握其在高速、重载动荷载和恶劣环境长期作用下健康特性，判断是否有恶化趋势，实现无人值守远距离动态在线监测，以提高铁路城市轨道交通的管理水平和智能化程度，为安全运营提供可靠保障。

本发明的优点：与已有的检测技术相比，该监测装置具有长期稳定性好、抗干扰能力强、可靠性高、多点检测、测量准确、耐腐蚀、不受环境温度变化影响，监测装置的安装不干扰行车等许多优点，并具有解调现场数十个道岔锁闭杆监测点波长信号的能力，可以在恶劣条件下长时间在线监测。

附图说明

图1为铁路道岔转辙机锁闭杆应力增敏的光纤光栅动态检测装置和监测系统的示意图；

图2是铁路道岔转辙机锁闭杆的应力检测增敏的原理示意图；

图中：1-转辙机锁闭杆，2-保护盒，3-半圆式加长上夹块，4-夹块固定螺栓，5-半圆式下夹块，6-光纤光栅应变片，7-螺钉，8-光纤光栅温度补偿片，9-传输光纤，10-光纤接续箱，11-铠装光缆，12-解调器，13-数据处理终端，14-监测客户端和报警装置，15-第二个锁闭杆应力监测装置，16-下一个锁闭杆应力监测装置，17-加长的刚性臂，a为应变测量光纤光栅的长度，A为锁闭杆的实际参与应变测量的长度。

当锁闭杆受力产生的变形由两个相距为A的半圆式夹块加长刚性臂传递给应变片时，由于A的距离远大于光纤光栅自身的长度a，夹块间产生的较大变形完全施加在小长度的光栅上，使光栅产生了比光栅直接黏贴在锁闭杆上大数倍的应变，而得到增敏的效果。

具体实施方式

如图1所示，本发明“铁路道岔转辙机锁闭杆应力增敏的光纤光栅动态监测方法”利用光纤光栅应变片对锁闭杆的动荷载进行监测。

单个锁闭杆应力检测装置包括：转辙机锁闭杆1（为检测目标）；一个不锈钢保护盒2；两付应变增敏的夹持装置（包括两个半圆式加长上夹块（臂加长）3、四个夹块固定螺栓4、两个半圆式下夹块5）；一个光纤光栅应变片6；四个小螺钉7；一个光纤光栅温度补偿片8。

整个监测系统还有：若干根传输光纤9；若干个光纤接续箱10；一根多芯铠装光缆11；一个解调器12；一个数据处理终端13；一个监测客户端和报警装置14；第二个待测锁闭杆传感器15；下一个待测锁闭杆传感器16等。

具体做法：

1. 单个锁闭杆应力检测装置由一个半圆式加长上夹块（臂加长）3与一个半圆式下夹块5先夹持住待测转辙机锁闭杆1的适当位置，结合面涂覆耐老化的钢结构胶，使用夹块固定螺栓4机械紧固，组成了一边的夹持装置；将第二付夹持装置的加长臂与第一付夹持装置的加长臂相对放置，留出安装光纤光栅应变片6的合适距离，用同样的方法加胶后用螺栓4紧固。

2. 将光纤光栅应变片6用四个小螺钉并涂覆耐老化的钢结构胶安装在半圆式加长上夹块3的安装位置上；安装保护盒2；传感装置和保护盒、罩盖的主要零件都由不锈钢制成，在不损伤转辙机，不改动锁闭杆和路基情况下机械紧固安装。

3. 将不同波长的光纤光栅温度补偿片8放入保护盒2里，按“波分复用”的波长间隔选择光纤光栅应变片的光纤光栅波长和光纤光栅温度补偿片的光纤光栅波长，并串接为一根光路；将光路两端接传输光纤9后引出保护盒2；一端与下一个待测锁闭杆传感器15、16的光路连接；另一端接入解调器12，该传输光纤9采用单模光纤，通过防老化的绝缘管连接到临近的光纤接续箱10与多芯铠装光缆11相连，光缆在电缆槽中铺设，汇总后传输到控制室监控机房内的解调器12。

4. 解调器12采用武汉理工光科股份有限公司产品，为BGD-4M型，将输入的波长信号解调出来；数据处理终端13采用工控机，其数据处理系统将所测应变转换为应力，并采集、存储和显示锁闭杆的转换力、锁闭力的大小和方向，转换速度、转换时间等数据，并作为采集服务器、Web服务器和数据库。其专家系统辨认所监测到的数据特性变化和趋势，并得出是否故障的结论；

   监测客户端和报警装置14的客户端部分用以太网通过手机运营商的网络为道岔监控部门提供监测终端用户界面，方便监控部门对监测数据查询和历史数据对比；监测客户端和报警装置14的报警装置部分采用扬声器和红绿信号灯，并在软件界面出现报警提示。

Claims (9)

1.一种铁路运输及城市轨道交通的安全在线、动态监测方法，其特征在于：利用了光纤传感锁闭杆应力检测装置，该装置包括转辙机锁闭杆（1）、保护盒（2）、两付应变增敏的夹持装置、一个光纤光栅应变片（6）、螺钉（7）、一个光纤光栅温度补偿片（8）、光纤接续箱（10）、解调器（12）、数据处理终端（13）、监测客户端和报警装置（14）；其中，两付应变增敏的夹持装置包括两个半圆式加长臂上夹块（3）、两个半圆式下夹块（5）和四个夹块固定螺栓（4），两付应变增敏的夹持装置由四个夹块固定螺栓（4）加钢结构胶紧固在转辙机锁闭杆（1）上；光纤光栅应变片（6）由螺钉（7）加钢结构胶紧固在两付应变增敏的夹持装置的两个加长臂之间，光纤光栅温度补偿片（8）不受力地放置在旁边，光纤光栅应变片（6）和光纤光栅温度补偿片（8）串联形成光纤光路，置于保护盒（2）内，光纤光路一端的光纤用传输光纤（9）引出保护盒（2）经由光纤接续箱（10）与下一个锁闭杆应力检测装置（15）串联，光路的另一端通过另一根传输光纤（9）接到光纤接续箱（10）里接铠装光缆（11）再接至解调器（12），解调器（12）、数据处理终端（13）、监测客户端和报警装置（14）依序电信相连；

铁路运输及城市轨道交通的安全在线、动态监测方法是将所述的光纤传感锁闭杆应力检测装置中的光纤光栅应变片（6）和光纤光栅温度补偿片串联形成光纤光路，将光路一端的光纤用传输光纤（9）引出保护盒（2）经由光纤接续箱（10）与下一个光纤传感锁闭杆应力检测装置（15）串联，并将光路的另一端接另一根传输光纤（9）到光纤接续箱（10）里接铠装光缆（11）接至解调器（12），光纤光栅应变片（6）感受锁闭杆（1）的动荷载，所产生的波长信号经光电转换和波长解调后，再送往数据处理终端（13）将所测应变转换为应力，并进行数据处理及显示，实现动态在线监测，并通过对比分析数据特性的历史变化趋势，对转辙机锁闭杆转换力、锁闭力的大小和方向，转换速度及转换时间数据进行评估，超过报警阈值时，启动监测客户端和报警装置（14）的报警装置；并实时将道岔的健康状态通过以太网无线上传结果至监控部门，监控部门对监测数据查询和历史数据对比。

2.根据权利要求1所述的一种铁路运输及城市轨道交通的安全在线、动态监测方法，其特征在于：按“波分复用”的波长间隔选择光纤光栅应变片（6）的光纤光栅波长和光纤光栅温度补偿片（8）的光纤光栅波长，并与另外多个光纤传感锁闭杆应力检测装置串接为一根光路。

3.根据权利要求1所述的一种铁路运输及城市轨道交通的安全在线、动态监测方法，其特征在于：传输光纤（9）和铠装光缆（11）采用单模光纤，铠装光缆为多芯铠装光缆。

4.根据权利要求1所述的一种铁路运输及城市轨道交通的安全在线、动态监测方法，其特征在于：解调器（12）采用武汉理工光科股份有限公司产品，型号为BGD-4M。

5.根据权利要求1所述的一种铁路运输及城市轨道交通的安全在线、动态监测方法，其特征在于：数据处理终端（13）采用工控机。

6.根据权利要求1所述的一种铁路运输及城市轨道交通的安全在线、动态监测方法，其特征在于：监测客户端和报警装置（14）的客户端将所有监测数据通过以太网和手机运营商的网络远传到道岔监控部门。

7.根据权利要求1所述的一种铁路运输及城市轨道交通的安全在线、动态监测方法，其特征在于：保护盒（2）材质为不锈钢。

8.根据权利要求1所述的铁路运输及城市轨道交通的安全在线、动态监测方法，其特征在于：报警装置采用扬声器和红绿信号灯。

9.根据权利要求1所述的一种铁路运输及城市轨道交通的安全在线、动态监测方法，其特征在于：监测客户端和报警装置（14）的客户端将所有监测数据通过以太网和手机运营商的网络远传到道岔监控部门，提供监测终端用户界面，方便监控部门对监测数据查询和与历史数据的对比；监测客户端和报警装置（14）的报警装置部分采用扬声器和红绿信号灯，并在软件界面出现报警提示。