CN104515587B - 光纤光栅振动传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于铁路沿线危岩落石监测的光纤光栅振动传感器，包括：支撑壳体；L型转动杆，所述L型转动杆具有在长度方向上相互垂直并相交的两个臂；所述L型转动杆还具有转动轴，所述转动轴垂直于所述两个臂并固定至所述支撑壳体，使得所述L型转动杆能够相对于所述转动轴转动；应变光纤光栅，所述应变光纤光栅的第一端封装在所述L型转动杆的第一臂上，所述应变光纤光栅的第二端封装在所述支撑壳体上；以及过载保护装置；其中，所述L型转动杆的第二臂由弹簧支撑以保持水平，所述过载保护装置限定所述第二臂自由端的运动范围，从而限制所述L型转动杆的转动范围。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术，特别涉及一种可用于铁路沿线危岩落石报警监测的光纤光栅低频振动传感器。
背景技术
随着我国经济建设的蓬勃发展，尤其是在山区高速铁路的建设及运营过程中，高陡边坡的安全性问题尤为突出。光纤光栅传感技术因其具有不受电磁干扰、现场无需供电、长期可靠性和稳定性好，传输距离远等优点，特别适用于铁路无人区、无电区以及恶劣的环境。鉴于光纤光栅传感技术的如上优点，在高陡边坡的防护及预警中得到了普遍的应用。
危岩落石报警监测属于高陡边坡防护监测的一个分支，如果能预先监测到危岩落石，将极大程度上减轻危岩落石对铁路、公路等造成的经济损失。
国内也已经有些高校或企业开展了光纤光栅振动传感器或光纤光栅加速度计的研究，但并不适用于铁路沿线危岩落石的监测。铁路沿线危岩落石监测的特点在于：落石信号相较于火车振动强度弱，但火车通过时振动加速度一般都很大，使传感器寿命严重受到影响，即传感器提高灵敏度的同时也要考虑到结构稳定性。
公告号为CN 101285847B的“一种温度不敏感的光纤光栅加速度传感器”传感器结构无过载保护，且在火车通过时容易造成光纤光栅断裂，结构易失稳。考虑到铁路、公路等应用的特殊性，本公开提出了一种适用于铁路、公路等危岩落石监测的低频振动传感器。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种克服现有技术的不足并且符合经济高效需求的用于铁路沿线危岩落石监测的光纤光栅振动传感器。
根据本发明的实施例，提供了一种用于铁路沿线危岩落石监测的光纤光栅振动传感器，该传感器包括：支撑壳体；L型转动杆，所述L型转动杆具有在长度方向上相互垂直并相交的两个臂；所述L型转动杆还具有转动轴，所述转动轴垂直于所述两个臂并固定至所述支撑壳体，使得所述L型转动杆能够相对于所述转动轴转动；应变光纤光栅，所述应变光纤光栅的第一端封装在所述L型转动杆的第一臂上，所述应变光纤光栅的第二端封装在所述支撑壳体上；以及过载保护装置；其中，所述L型转动杆的第二臂由弹簧支撑以保持水平，所述过载保护装置限定所述第二臂自由端的运动范围，从而限制所述L型转动杆的转动范围。
其中，在外界振动的激励下，所述L型转动杆第二臂会产生与所述支撑壳体相对的位移，带动所述L型转动杆产生相应角位移。由于所述应变光纤光栅的第一端封装在所述L型转动杆的第一臂上，第二端封装在所述支撑壳体上，因此所述应变光纤光栅随之产生相对应的应变。所述应变光纤光栅的两端之间为栅区，在所述应变光纤光栅产生应变时，栅区将改变其透射和/或反射波长，从而给出与所述外界振动相对应的反馈信号。
由于具有限定所述第二臂自由端的运动范围的过载保护装置，所述过载保护装置能有效保证在火车等外界大激励下，应变光纤光栅不会因应变过大而导致断裂。因此本发明提供的光纤光栅振动传感器具有结构简单、成本低、安装方便、可靠性和稳定性高的特点。根据本发明的光纤光栅振动传感器尤其适合低频振动的检测。
优选地，所述第一臂的长度小于所述第二臂的长度。由于应变光纤光栅的应变长度是有限的，因此使用较长的第二臂和较短的第一臂，等比例地缩小了所述L型转动杆的第二臂由于振动而导致的移动量。这样的设置即保证了光纤光栅振动传感器对于外界振动的灵敏度，又限制了应变光纤光栅的伸缩量，能够防止其因为过度的拉伸和/或弯折而断裂。
可选地，所述L型转动杆的第二臂上附有质量块。在所述第二臂上附有质量块，使得能够根据所述第二臂的臂长和所述弹簧的k值调节所述光纤光栅振动传感器的振动频率相应范围。当然，本领域技术人员能够理解，所述L型转动杆的第二臂本身也能够具有一定质量，因此也可以直接使用具有期望的质量的第二臂，而无需所述质量块。所述弹簧构成所述振动传感器的弹簧（k）-阻尼（c）-质量（m）单自由度运动系统。调节所述弹簧的k值及所述L型转动杆上的质量块m值可调节所述光纤光栅振动传感器的固有频率及灵敏度。
优选地，所述L型转动杆的两个臂都具有平行于所述转动轴方向上的宽度和垂直于所述转动轴的厚度，所述宽度大于所述厚度。上述设置使得传感器能够抵抗较大的横向干扰（即，沿所述转动轴方向的振动）。
优选地，所述光纤光栅振动传感器还包括微调节机构，所述微调节机构用于调节所述弹簧，使得所述L型转动杆的第二臂初始位置保持水平。使用竖直设置的弹簧支撑所述L型转动杆的第二臂，并使所述L型转动杆的第二臂初始地设置在水平状态，能够最大限度地提高所述L型转动杆的第二臂对于外界振动中竖直分量的灵敏度，以提高所述光纤光栅振动传感器的检测精度。
可选地，所述过载保护装置可以为凹槽或腔。使用凹槽或腔作为过载保护装置，能够分别限定所述L型转动杆的第二臂的运动上限和运动下限。然而，本领域技术人员能够理解，还可以使用例如突出于所述支撑壳体的一或两个突起，以限制所述L型转动杆的转动范围。
优选地，所述应变光纤光栅在封装时施加有预拉应力，该预拉应力用于抵消外界环境温度下降引起的中心波长漂移。
可选地，所述光纤光栅振动传感器还包括堵头，所述堵头设置在所述支撑壳体上，用于固定、保护光纤以及密封所述支撑壳体。由于所述应变光纤光栅通过光纤向外部传递信号，因此所述堵头能够防止不恰当的外部拉拽而导致应变光纤光栅产生不期望的应变；所述堵头还能防止光纤弯折，并密封所述支撑壳体，使得所述光纤光栅振动传感器能够在严酷的室外环境下正常工作；同时，为了便于多个光纤光栅振动传感器相互串联，所述堵头还能接续多个光纤光栅振动传感器之间的光纤。
优选地，与所述应变光纤光栅的第一端相连接的光纤具有位于所述支撑壳体内部的光纤段，所述光纤段的另一端封装/固定在所述支撑壳体上，并且所述光纤段的长度使得所述光纤段在所述L型转动杆的转动范围内是松弛的。在初始状态下或工作中，如果在所述支撑壳体和所述应变光纤光栅的第一端之间的光纤段是张紧的，就限制了所述L型转动杆的转动（因为应变光纤光栅的第一端封装在所述L型转动杆的第一臂上）。在受到外界激励时，所述L型转动杆的第一臂的转动将可能导致该张紧的光纤段的断裂；若该光纤段不发生断裂，就限制了所述L型转动杆的第一臂的转动，从而发生漏报的情况。因此，将所述光纤段设置为在所述L型转动杆的转动范围内是松弛的，能够保证所述支撑壳体不会在受到外界激励时拉拽所述应变光纤光栅的第一端，从而保证测量信号的真实性和光纤光栅振动传感器的可靠性。
可选地，所述应变光纤光栅的第二端通过固定于所述支撑壳体的连接件而封装在所述支撑壳体上。鉴于应变光纤光栅的长度可能较短，因此可以设置固定于所述支撑壳体的连接件，以在所述支撑壳体的内部稳固地封装所述应变光纤光栅。然而本领域技术人员能够理解，在不影响应变光纤光栅的使用的情况下，也可以将所述应变光纤光栅的第二端直接封装在所述支撑壳体的通孔中，并通过堵头与外部光纤连接。
本发明与已有技术相比，更适用于铁路沿线危岩边坡落石的监测，具有结构简单新颖、灵敏度较高、在外界大激励下采用过载保护装置，提高了光纤光栅振动传感器的寿命，并提高了传感器的稳定性。
附图说明
图1 为本发明的光纤光栅振动传感器结构原理图；
图2 为本发明的光纤光栅振动传感器轨道安装示意图；
图3 为本发明的光纤光栅振动传感器高铁环境的安装示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、结构和优点更加清楚，下面结合附图对本发明进一步地进行详细描述。
参照图1，本发明所述光纤光栅振动传感器包括：支撑壳体1-1；L型转动杆1-6，所述L型转动杆1-6具有在长度方向上相互垂直并相交的两个臂；所述L型转动杆1-6还具有转动轴1-7，所述转动轴1-7垂直于所述两个臂并固定至所述支撑壳体1-1，使得所述L型转动杆1-6能够相对于所述转动轴1-7转动；应变光纤光栅1-2，所述应变光纤光栅1-2的第一端封装在所述L型转动杆的第一臂上，所述应变光纤光栅1-2的第二端封装在所述支撑壳体1-1上；以及过载保护装置1-4；其中，所述L型转动杆的第二臂由弹簧1-5支撑以保持水平，所述过载保护装置1-4限定所述第二臂自由端的运动范围，从而限制所述L型转动杆1-6的转动范围。
其中，为简化起见，在附图和说明书中仅示出了多种可能的设置之一。本领域技术人员能够理解，在不脱离本发明精神的情况下，能够对光纤光栅振动传感器中各组件的空间位置作出适当的调整（例如，整体旋转90°以测量水平方向内的振动）。图1中的第一臂和第二臂分别被竖直和水平地设置，在外界振动（尤其是外界振动的竖直分量）的激励下，所述L型转动杆第二臂会产生与所述支撑壳体1-1相对的位移，带动所述L型转动杆1-6产生相应角位移。由于所述应变光纤光栅1-2的第一端封装在所述L型转动杆1-6的第一臂上，第二端封装在所述支撑壳体1-1上，因此所述应变光纤光栅1-2随之产生相对应的应变。所述应变光纤光栅1-2的两端之间为栅区，在所述应变光纤光栅产生应变时，栅区将改变其透射和/或反射波长，从而给出与所述外界振动相对应的反馈信号。
由于具有限定所述第二臂自由端的运动范围的过载保护装置1-4，所述过载保护装置1-4能有效保证在火车等外界大激励下，应变光纤光栅1-2不会因应变过大而导致断裂。因此本发明提供的光纤光栅振动传感器具有结构简单、成本低、安装方便、可靠性和稳定性高的特点。根据本发明的光纤光栅振动传感器尤其适合低频振动的检测。
由弹簧1-5支撑所述L型转动杆的第二臂，意味着弹簧在初始状态下就处于压缩状态。所述弹簧可以套在从支撑壳体的内侧表面凸出的杆（未示出）上，从而被定位；并且/或者，还可以在所述第二臂下侧设置限位孔，以防止弹簧移位。
在工作状态下，所述第二臂由于受到过载保护装置1-4的限制，即使向上摆动到极限位置，也不会与所述弹簧脱离。因此所述弹簧无需通过粘合或其他固定手段固定至所述第二臂。
优选地，所述第一臂的长度小于所述第二臂的长度。由于应变光纤光栅的应变长度是有限的，因此使用较长的第二臂和较短的第一臂，等比例地缩小了所述L型转动杆的第二臂由于振动而导致的移动量。这样的设置即保证了光纤光栅振动传感器对于外界振动的灵敏度，又限制了应变光纤光栅的伸缩量，能够防止其因为过度的拉伸和/或弯折而断裂。
可选地，所述L型转动杆1-6的第二臂上附有质量块m。在所述第二臂上附有质量块m，使得能够根据所述第二臂的臂长和所述弹簧1-5的k值调节所述光纤光栅振动传感器的振动频率响应范围。当然，本领域技术人员能够理解，所述L型转动杆的1-6第二臂本身也能够具有一定质量，因此也可以直接使用具有相当质量的第二臂，而无需所述质量块m。所述弹簧1-5构成所述振动传感器的弹簧（k）-阻尼（c）-质量（m）单自由度运动系统。调节所述弹簧1-5的k值及所述L型转动杆上的质量块m值可调节所述光纤光栅振动传感器的固有频率及灵敏度。
优选地，所述L型转动杆1-6的两个臂都具有平行于所述转动轴方向上的宽度和垂直于所述转动轴的厚度，所述宽度大于所述厚度。上述设置使得传感器能够抵抗较大的横向干扰（即，沿所述转动轴方向的振动）。
优选地，所述光纤光栅振动传感器还包括微调节机构（未示出），所述微调节机构可以例如是使得所述弹簧1-5的整体向支撑壳体内部伸长或缩短的机构，其用于调节所述弹簧1-5，使得所述L型转动杆的第二臂初始位置保持水平。使用竖直地设置的弹簧1-5将所述L型转动杆1-6的第二臂初始地设置在水平状态，能够最大限度地提高所述L型转动杆1-6的第二臂对于外界振动中竖直分量的灵敏度，以提高所述光纤光栅振动传感器的检测精度。
可选地，所述过载保护装置1-4可以为凹槽或腔。使用凹槽或腔作为过载保护装置，能够分别限定所述L型转动杆的第二臂的运动上限和运动下限。然而，本领域技术人员能够理解，还可以使用例如突出于所述支撑壳体的一或两个突起，以限制所述L型转动杆的转动范围。
优选地，所述应变光纤光栅1-2在封装时施加有预拉应力，该预拉应力用于抵消外界环境温度下降引起的中心波长漂移。
可选地，所述光纤光栅振动传感器还包括堵头1-3，所述堵头1-3设置在所述支撑壳体上，用于固定、保护光纤以及密封所述支撑壳体1-1。由于所述应变光纤光栅1-2通过光纤向外部传递信号，因此所述堵头1-3能够防止不恰当的外部拉拽而导致应变光纤光栅1-2产生不期望的应变；所述堵头1-3还能防止光纤弯折，并密封所述支撑壳体1-1，使得所述光纤光栅振动传感器能够在严酷的室外环境下正常工作；同时，为了便于多个光纤光栅振动传感器相互串联，所述堵头1-3还能接续多个光纤光栅振动传感器之间的光纤。
优选地，与所述应变光纤光栅1-2的第一端相连接的光纤具有位于所述支撑壳体内部的光纤段1-8，所述光纤段1-8的另一端封装/固定在所述支撑壳体1-1上，并且所述光纤段1-8的长度使得所述光纤段1-8在所述L型转动杆1-6的转动范围内是松弛的。在初始状态下或工作中，如果在所述支撑壳体1-1和所述应变光纤光栅1-2的第一端之间的光纤段1-8是张紧的，将限制所述L型转动杆1-6的转动（因为应变光纤光栅的第一端封装在所述L型转动杆的第一臂上）。在受到外界激励时，所述L型转动杆1-6的第一臂的转动将可能导致该张紧的光纤段1-8的断裂；若该光纤段1-8不发生断裂，就将限制所述L型转动杆1-6的第一臂的转动，从而可能发生漏报的情况。因此，将所述光纤段1-8设置为在所述L型转动杆1-6的转动范围内是松弛的，能够保证所述支撑壳体1-1不会在受到外界激励时拉拽所述应变光纤光栅1-2的第一端，从而保证测量信号的真实性和光纤光栅振动传感器的可靠性。
可选地，所述应变光纤光栅1-2的第二端通过固定于所述支撑壳体1-1的连接件1-9而封装在所述支撑壳体1-1上。鉴于应变光纤光栅1-2的长度可能较短，因此可以设置固定于所述支撑壳体1-1的连接件1-9，以在所述支撑壳体的内部稳固地封装所述应变光纤光栅1-2。然而本领域技术人员能够理解，在不影响应变光纤光栅的使用的情况下，也可以将所述应变光纤光栅的第二端直接封装在所述支撑壳体1-1的通孔中，并通过堵头1-3与外部光纤连接。
参照图2，根据本发明的另一实施例，光纤光栅振动传感器2-1可安装在铁轨2-2的下方。抱爪2-3通过紧固件2-4保证光纤光栅振动传感器2-1与铁轨2-2之间的刚性连接。
参照图3，根据本发明的又一实施例，光纤光栅振动传感器3-3通过膨胀螺栓3-2连接在高铁的轨道板3-1上。
本领域技术人员能够理解，根据本发明的传感器的安装方式并不仅限于图2、图3中所示的具体形式。
本发明提供了一种灵敏度高、结构稳定可靠、结构简单、便于安装的光纤光栅振动传感器。为铁路沿线危岩落石报警监测提供了一种有效的、稳定可靠的解决手段。
本发明不仅局限于铁路沿线危岩落石报警监测，可广泛的适用于相类似的工程应用，诸如公路工程、安全工程和安保设施等。
Claims (9)
1.一种光纤光栅振动传感器，包括：
支撑壳体；
L型转动杆，所述L型转动杆具有在长度方向上相互垂直并相交的两个臂；所述L型转动杆还具有转动轴，所述转动轴位于所述两个臂的相交位置处，并且所述转动轴垂直于所述两个臂并固定至所述支撑壳体，使得所述L型转动杆能够相对于所述转动轴转动；
应变光纤光栅，所述应变光纤光栅的第一端封装在所述L型转动杆的第一臂上，所述应变光纤光栅的第二端封装在所述支撑壳体上；以及
过载保护装置；
其中，所述L型转动杆的第二臂由弹簧支撑以保持水平，所述过载保护装置限定所述第二臂自由端的运动范围，从而限制所述L型转动杆的转动范围；
其中，所述第一臂的长度小于所述第二臂的长度。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述L型转动杆的第二臂上附有质量块。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述L型转动杆的两个臂都具有平行于所述转动轴方向上的宽度和垂直于所述转动轴的厚度，所述宽度大于所述厚度。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述光纤光栅振动传感器还包括微调节机构，所述微调节机构用于调节所述弹簧，使得所述L型转动杆的第二臂初始位置保持水平。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述过载保护装置为凹槽或腔或突起。
6.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述应变光纤光栅在封装时施加有预拉应力，该预拉应力用于抵消外界环境温度下降引起的中心波长漂移。
7.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述光纤光栅振动传感器还包括堵头，所述堵头设置在所述支撑壳体上，用于固定、保护光纤以及密封所述支撑壳体。
8.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，与所述应变光纤光栅的第一端相连接的光纤具有位于所述支撑壳体内部的光纤段，所述光纤段的另一端封装/固定在所述支撑壳体上，并且所述光纤段的长度使得所述光纤段在所述L型转动杆的转动范围内是松弛的。
9.根据权利要求1所述的光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述应变光纤光栅的第二端通过固定于所述支撑壳体的连接件而封装在所述支撑壳体上。
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Non-Patent Citations (1)
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