CN105043346A - 基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器 - Google Patents
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Abstract
基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器，涉及铁路沉降监测技术领域。本发明是为了解决传统式静力水准仪测量铁路沉降时，测量精度差的问题。为了保证无砟轨道铺设及其耐久性和生命周期以及列车能够安全行驶，本发明提出了基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器，该监测传感器利用惯性原理，测出整体传感器的倾斜度；利用光纤光栅对温度的影响差异，实现对温度的测量。同时，将上述监测传感器进行组合，并利用静压测量原理和连通器原理，测出基准位置监测传感器的液位升降高度，从而实现对高速铁路的沉降监测，最后获得精确的铁路沉降高度，以便做好早期预警以及监测线下工程是否导致铁路沉降变形，满足无砟轨道铺设的条件。
Description
技术领域
本发明属于铁路沉降监测技术领域。
背景技术
高速铁路是现代化铁路的重要标志，近年来，随着我国经济建设的飞速发展，高速铁路的建设更加发展迅猛。然而在高速条件下，列车运行速度越高，动力响应越大，对其轨道的伤损也越大，路基、桥涵和隧道的沉降变形也越大。高铁沉降因素有很多，包括：基床在列车荷载作用下产生的积累变形，路基本体在自重及线路上部结构作用下的压密沉降，支撑路基的地基压密沉降。工后沉降分为均匀沉降和不均匀沉降。然而传统式静力水准仪测量精度较差，伤损坏率高，长期稳定性差，需要定期的重新标定，维护费用高，信号输出形式固定、适应性差可靠性方面存在缺陷，并且传统式静力水准仪还需要供电，这样大大增加了雷击的机率。
发明内容
本发明是为了解决采用传统式静力水准仪测量铁路沉降时，测量精度差的问题，现提供基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器。
基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器，它包括：外筒、内筒、悬臂杆、质量块、等强度悬臂梁、金属传压杆、弹性波纹膜片、底座、环境光纤光栅温度传感器、两个液体光纤光栅温度传感器和两根光纤；
外筒固定在底座上，内筒固定在外筒内部，外筒与内筒之间的空隙充有防冻液；
外筒和内筒均呈两端密封的筒状结构，外筒的侧壁由上至下依次设有光纤引出端口、气体联通端口和液体联通端口，
悬臂杆的一端悬挂在内筒的内部顶端，悬臂杆的另一端连接有质量块，
内筒的内部底端固定有支撑柱，金属传压杆纵向穿过内筒的底端中心孔，并与弹性波纹膜片连接，等强度悬臂梁的两端架设在支撑柱和金属传压杆上，金属传压杆与内筒的轴平行；
一根光纤粘贴在悬臂杆上，另一根光纤粘贴在等强度悬臂梁上，两根光纤汇聚后从光纤引出端口穿出；
环境光纤光栅温度传感器用于采集外筒外界环境温度，两个液体光纤光栅温度传感器对称设置在内筒和外筒之间的空隙处，均用于采集内筒防冻液的温度；
环境光纤光栅温度传感器的输出光纤和两个液体光纤光栅温度传感器的输出光纤共同从光纤引出端口穿出。
在应用时，将至少两个基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器的液体联通端口相互连通，并分布在待监测铁路的各个监测位置上，并设定一个监测传感器所在位置为基准位置，利用连通器原理，若该基准位置的监测传感器液面产生变化，则能够确定铁路发生沉降。
为了保证无砟轨道铺设及其耐久性和生命周期以及列车能够安全行驶，本发明提出了基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器，该监测传感器利用惯性原理，测出整体传感器的倾斜度；利用光纤光栅对温度的影响差异，实现对温度的测量。同时，将上述监测传感器进行组合，并利用静压测量原理和连通器原理，测出基准位置监测传感器的液位升降高度，从而实现对高速铁路的沉降监测，最后获得精确的铁路沉降高度，以便做好早期预警以及监测线下工程是否导致铁路沉降变形，满足无砟轨道铺设的条件。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器，它包括：外筒14、内筒15、悬臂杆4、质量块5、等强度悬臂梁6、金属传压杆7、弹性波纹膜片8、底座16、环境光纤光栅温度传感器11、两个液体光纤光栅温度传感器10和两根光纤13；
外筒14固定在底座16上，内筒15固定在外筒14内部，外筒14与内筒15之间的空隙充有防冻液21；
外筒14和内筒15均呈两端密封的筒状结构，外筒14的侧壁由上至下依次设有光纤引出端口1、气体联通端口2和液体联通端口3，
悬臂杆4的一端悬挂在内筒15的内部顶端，悬臂杆4的另一端连接有质量块5，
内筒15的内部底端固定有支撑柱15-1，金属传压杆7纵向穿过内筒15的底端中心孔，并与弹性波纹膜片8连接，等强度悬臂梁6的两端架设在支撑柱15-1和金属传压杆7上，金属传压杆7与内筒15的轴平行；
一根光纤13粘贴在悬臂杆4上，另一根光纤13粘贴在等强度悬臂梁6上，两根光纤13汇聚后从光纤引出端口1穿出；
环境光纤光栅温度传感器11用于采集外筒14外界环境温度，两个液体光纤光栅温度传感器10对称设置在内筒15和外筒14之间的空隙处，均用于采集内筒15防冻液21的温度；
环境光纤光栅温度传感器11的输出光纤和两个液体光纤光栅温度传感器10的输出光纤共同从光纤引出端口1穿出。
本实施方式中，内筒15的上部为由悬臂杆4和质量块5构成的倾角传感器，利用惯性原理能够有效地测出整体传感器由于高速铁路的沉降或线下施工所引起的倾斜度，为后续倾斜补偿、校正做基础，防止倾斜引起的误差；下部为由等强度悬臂梁6、金属传压杆7和弹性波纹膜片8构成的液位测量传感器，利用弹性波纹膜片8通过金属传压杆7带动等强度悬臂梁6产生微应变，进而测出外筒14内防冻液21液位升降高度，最终实现对高速铁路的沉降监测。本实施方式还利用光纤光栅对温度的影响差异，实现对温度的测量，为后续温度补偿做基础，实现对环境温度和液体温度的波动干扰补偿，避免温度干扰，进而提高测量精度。
在实际应用时，通过环境光纤光栅温度传感器11的输出光纤、2个液体光纤光栅温度传感器10的输出光纤和两根光纤13，获得环境温度、液体温度、倾角和液面升降高度，将上述参数输入解调仪，就能够进行温度补偿和倾角补偿，进而获得精确的铁路沉降参数。同时保证弹性波纹膜片8与防冻液21的接触面最大化，以便提高测量精度。
在应用时，将至少两个基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器的液体联通端口3和气体联通端口2相互连通，每个监测传感器放置于铁路的不同位置，取一个位置点为基准位置，当铁路其他位置有高度变化时，根据连通器原理，每个监测传感器内防冻液的液面均发生改变，此时，根据基准位置监测传感器中防冻液的液面变化，就能够获知铁路的升降变化。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器作进一步说明，本实施方式中，它还包括：调平装置，该调平装置通过螺杆18与底座16相连。
本实施方式中，所述调平装置具有调节平衡的作用，使得基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器内防冻液21的液面位于同一平面，防止倾斜造成的误差。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器作进一步说明，本实施方式中，调平装置包括：顶座17、多个调平螺母20和加固底座19；顶座17、加固底座19均与底座16平行设置；
顶座17通过多个调平螺母20与加固底座19相连，多个调平螺母20用于调节顶座17与加固底座19之间的距离，
顶座17通过螺杆18与底座16相连。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器作进一步说明，本实施方式中，它还包括：液位刻度计9，该液位刻度计9用于测量防冻液21的液位。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器作进一步说明，本实施方式中，内筒15分为上、下两部分，该上、下两部分通过分隔板12螺纹连接，悬臂杆4和质量块5位于上部分，等强度悬臂梁6、金属传压杆7和弹性波纹膜片8位于下部分。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器作进一步说明，本实施方式中，外筒14、内筒15、底座16和等强度悬臂梁6的材料均为304不锈钢。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式二所述的基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器作进一步说明，本实施方式中，调平装置的材料为304不锈钢。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器作进一步说明，本实施方式中，悬臂杆4的材料为FRP或碳纤维材料。
Claims (8)
1.基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器，其特征在于，它包括：外筒(14)、内筒(15)、悬臂杆(4)、质量块(5)、等强度悬臂梁(6)、金属传压杆(7)、弹性波纹膜片(8)、底座(16)、环境光纤光栅温度传感器(11)、两个液体光纤光栅温度传感器(10)和两根光纤(13)；
外筒(14)固定在底座(16)上，内筒(15)固定在外筒(14)内部，外筒(14)与内筒(15)之间的空隙充有防冻液(21)；
外筒(14)和内筒(15)均呈两端密封的筒状结构，外筒(14)的侧壁由上至下依次设有光纤引出端口(1)、气体联通端口(2)和液体联通端口(3)，
悬臂杆(4)的一端悬挂在内筒(15)的内部顶端，悬臂杆(4)的另一端连接有质量块(5)，
内筒(15)的内部底端固定有支撑柱(15-1)，金属传压杆(7)纵向穿过内筒(15)的底端中心孔，并与弹性波纹膜片(8)连接，等强度悬臂梁(6)的两端架设在支撑柱(15-1)和金属传压杆(7)上，金属传压杆(7)与内筒(15)的轴平行；
一根光纤(13)粘贴在悬臂杆(4)上，另一根光纤(13)粘贴在等强度悬臂梁(6)上，两根光纤(13)汇聚后从光纤引出端口(1)穿出；
环境光纤光栅温度传感器(11)用于采集外筒(14)外界环境温度，两个液体光纤光栅温度传感器(10)对称设置在内筒(15)和外筒(14)之间的空隙处，均用于采集内筒(15)防冻液(21)的温度；
环境光纤光栅温度传感器(11)的输出光纤和两个液体光纤光栅温度传感器(10)的输出光纤共同从光纤引出端口(1)穿出。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器，其特征在于，它还包括：调平装置，该调平装置通过螺杆(18)与底座(16)相连。
3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器，其特征在于，调平装置包括：顶座(17)、多个调平螺母(20)和加固底座(19)；顶座(17)、加固底座(19)均与底座(16)平行设置；
顶座(17)通过多个调平螺母(20)与加固底座(19)相连，多个调平螺母(20)用于调节顶座(17)与加固底座(19)之间的距离，
顶座(17)通过螺杆(18)与底座(16)相连。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器，其特征在于，它还包括：液位刻度计(9)，该液位刻度计(9)用于测量防冻液(21)的液位。
5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器，其特征在于，内筒(15)分为上、下两部分，该上、下两部分通过分隔板(12)螺纹连接，悬臂杆(4)和质量块(5)位于上部分，等强度悬臂梁(6)、金属传压杆(7)和弹性波纹膜片(8)位于下部分。
6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器，其特征在于，外筒(14)、内筒(15)、底座(16)和等强度悬臂梁(6)的材料均为304不锈钢。
7.根据权利要求2所述的基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器，其特征在于，调平装置的材料为304不锈钢。
8.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的高速铁路沉降监测传感器，其特征在于，悬臂杆(4)的材料为FRP或碳纤维材料。
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