CN105444853A - 以钢轨作为弹性体的光纤检测装置、铁路超偏载检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以钢轨作为弹性体的光纤检测装置、铁路超偏载检测系统，解决了现有技术中剪力检测装置与钢轨接合方式破坏钢轨强度，且易受外力温度变化或操作人为因素造成输出曲线变化的问题。其技术方案要点是包括剪力检测装置，所述剪力检测装置包括有光纤敏感元件，所述光纤敏感元件通过低能点焊固定于钢轨的中和轴，通过光线敏感元件的布置方位达到了输出稳定的剪力波形并且不受钢轨震动干扰、安装方位便于打磨和焊接的技术效果，并以新材料光纤替代旧材料作为敏感元件，以新材料为基础的新组合技术组成计量测量系统。

Description

以钢轨作为弹性体的光纤检测装置、铁路超偏载检测系统

技术领域

本发明涉及一种光纤检测装置,更具体地说，它涉及一种直接用钢轨作弹性体的应用于铁路超偏载检测中的光纤检测装置。

背景技术

铁路超偏载检测装置是一种自动地对行进中的列车实行不停车、不摘钩、连续动态称量的计量和车辆识别的设备。我国的铁路上使用的超偏载检测设备通常是利用压力传感器担任称重计量的一次仪表、以剪力传感器作为计轴进行车辆识别的一次仪表。对铁路超偏载设备而言，安装在钢轨上的剪力传感器对其绝对精度有要求，传统钢轨剪力传感器9（图2）是由应变片10（图1）胶粘在锥形弹性载体内制成的，只能在钢轨轨腰2上钻孔才能通过螺栓紧固并感受钢轨受力变形。传统钢轨剪力传感器9的结构图及信号输出如附图1至图5。传统钢轨剪力传感器9的输出电路原理如附图3所示，其输出的剪力波形曲线如图5所示，这样的检测形式，虽然在得出的波形曲线上满足了超偏载检测系统的检测分析的需求，但是，由于其原理及结构决定了传统钢轨剪力传感器有着难以克服的致命缺陷：

1.不得不在钢轨轨腰2中部钻孔，从而降低了钢轨强度，这是铁路工务部门坚决反对，但由于工作需要又限于技术条件不得不接受的现状；

2.由于钢轨与剪力传感器在材质热胀冷缩系数的差别及加工工艺和螺栓紧固程度的差别，列车运行造成的振动影响，传统剪力传感器9的受力状态不稳定；

3.胶粘应变片10密封形式同压力传感器一样存在加工艺要求严，使用寿命限制，及质量差异，价格也较高；

4.以应变片10为电桥一臂，电桥输出信号增加了附加误差因素；

5.模拟量输出使信号微弱，需后续设备调理，传输距离近，抗干扰能力弱。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种以钢轨本身作为弹性体、直接将光纤敏感元件作为检测装置贴于铁路钢轨轨腰上的一种采用钢轨作为弹性体的光纤检测装置。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种采用钢轨作为弹性体的光纤检测装置，包括剪力检测装置和压力检测装置，所述剪力检测装置包括有光纤敏感元件，所述光纤敏感元件固定于钢轨轨腰上并通过钢轨的中和轴。

进一步地，所述光纤敏感元件的布置方向与中和轴之间呈40~50度夹角设置。

通过采用上述技术方案，中和轴为钢轨上的一个受力状况特殊的位置，在中和轴上，钢轨既不存在拉应力也不存在压应力，在这个位置上布置的光纤敏感元件，其位于中和轴与轨头之间的部分检测拉应力、中和轴和轨底之间的部分检测压应力，这样，取代现有技术中轨腰上钻孔再配合锥形弹性体，直接以钢轨本身作为变形弹性载体，利用光纤敏感元件的变形即可得出钢轨的剪力波形；并且，轨腰的外表面的位置较之轨头底部的位置便于打磨，并且其受到的震动影响较小，有利于改善输出的剪力波形的质量。

本发明进一步设置为：所述剪力检测装置内包括有两个光纤敏感元件，所述两个光纤敏感元件布置于轨腰的两相对侧面上，所述两个光纤敏感原件与轨底之间距离相同且均通过钢轨的中和轴。

通过采用上述技术方案，这种安装形式可以使光纤敏感元件仅对垂直钢轨的剪力敏感而对其他干扰性的拉伸、反弹等干扰因素不敏感，从而进一步提高检测的精度。

进一步地，所述两个光纤敏感元件与钢轨的中和轴沿夹角为45度的方向倾向同一方向倾斜布置。

通过采用上述技术方案，由于钢轨上检测的货车是蛇形前行的，因此车轮压在钢轨上很容易出现偏心现象，此时，光纤敏感元件输出的剪力波形会受到钢轨偏心的影响，利用一对布置于轨腰两侧面上距离枕木等距的位置处的光纤敏感元件的受力上的互补，使两者输出的剪力波形形成一个互补合成的剪力波形，保证输出的质量。

本发明进一步设置为：所述剪力检测装置内包括有两个光纤敏感元件，所述两个光纤敏感元件以钢轨的中和轴为对称轴对称布置，且两个光纤敏感元件之间夹角为90度，固定在轨腰上的同一侧。

进一步地，所述剪力检测装置内包括有四个光纤敏感元件，所述四个光纤敏感元件两两一组且相对布置于钢轨的轨腰的两相对侧面上，布置于同一侧的两个光纤敏感元件以钢轨的中和轴为对称轴对称布置，且两个光纤敏感元件之间夹角为90度。

通过采用上述技术方案，利用两个光纤敏感元件分别承受钢轨的拉、压变形，这种可以使光纤敏感元件仅对垂直钢轨的剪力敏感而对其他干扰性的拉伸、反弹等干扰因素不敏感，从而进一步提高检测的精度。

本发明进一步设置为：所述压力检测装置包括有光纤敏感元件，所述光纤敏感元件固定在轨腰与轨底之间形成的轨底坡上，其安装方向与钢轨的布置方向平行。

进一步地，所述压力检测装置包括有至少两个光纤敏感元件，所述两个光纤敏感元件分别固定在轨腰的两相对侧面与轨底之间形成的轨底坡上，其布置方向与钢轨的布置方向平行。

进一步地，所述压力检测装置包括有作为弹性载体的弹性板，所述弹性板具有型腔，所述型腔的一腔壁为应变面，在所述应变面的表面固定至少两个光纤敏感元件。

通过采用上述技术方案，铁路超偏载检测设备不仅需要精确的剪力波形以进行车辆识别，并且需要对路过的车辆进行称重，以判断车辆的承载情况，或剪力与压力配合合成与重量成正比的标准方波。因此，为了后期搭建铁路超偏载检测系统时统一编码，本发明中将压力检测装置考虑在内，在后期处理中，只需将压力检测装置与剪力检测装置的检测信号进行统一编码即可配成整套的铁路超偏载检测系统。

本发明还提供一种采用钢轨作为弹性体的光纤检测装置的铁路超偏载检测系统，还包括有光纤数据采集装置，所述光纤敏感元件统一编号，各占带宽，串联组合数字输出的模式连接至所述光纤数据采集装置上。

通过采用上述技术方案，统一把光纤敏感元件编号并分配其带宽。以便使用统一的光纤解码器进行剪力和压力的数据读取与存储。

附图说明

图1为本发明一种采用钢轨作为弹性体的光纤检测装置背景技术的附图1；

图2为背景技术的附图2；

图3为背景技术的附图3；

图4为背景技术的附图4；

图5为背景技术的附图5；

图6为剪力检测装置的具体实施方式一的布置方式图1；

图7为剪力检测装置的具体实施方式一的布置方式图2；

图8为剪力检测装置的具体实施方式一的布置方式的剪力波形图；

图9为剪力检测装置的具体实施方式二的布置方式图1；

图10为剪力检测装置的具体实施方式二的布置方式图2；

图11为剪力检测装置的具体实施方式二的布置方式的剪力波形图；

图12为剪力检测装置的具体实施方式三的布置方式图1；

图13为剪力检测装置的具体实施方式三的布置方式图2；

图14为剪力检测装置的具体实施方式三的布置方式的剪力波形图；

图15为剪力检测装置的具体实施方式四的布置方式图1；

图16为剪力检测装置的具体实施方式四的布置方式图2；

图17为压力检测装置的具体实施方式一的布置方式图；

图18为压力检测装置的具体实施方式二的布置方式图1；

图19为压力检测装置的具体实施方式二的布置方式图2；

图20压力检测装置获得的波形图；

图21为铁路超偏载检测系统的系统原理图。

附图标注：1、轨头；2、轨腰；3、轨底；4、中和轴；5、光纤敏感元件；6、弹性板；7、应变面；8、光纤数据采集装置；9、传统钢轨剪力传感器；10、应变片。

具体实施方式

参照图6至21对本发明一种采用钢轨作为弹性体的光纤检测装置实施例一做进一步说明。

一种采用钢轨作为弹性体的光纤检测装置，包括有作为弹性体的钢轨以及作为检测元件的光纤敏感元件5，钢轨包括有轨头1、轨腰2以及轨底3，钢轨通过轨底3的下底面架设在枕木上，轨底3与轨腰2之间形成有倾斜的轨底坡。在轨腰2上有一受力特殊的位置，即中和轴4，在中和轴4所在的轨腰2的水平截面上，钢轨既不承受拉应力也不承受压应力，后期焊接光纤敏感元件5以中和轴4为基准。

剪力检测装置的实施例一

如图6至8所示，包括有一个光纤敏感元件5，其布置方向经过中和轴4并与中和轴4之间夹有40至50度的夹角，优选为正45度夹角。此时，光纤敏感元件5的长度中点在中和轴4上。在这个位置上，光纤敏感元件5受到钢轨震动的干扰最小，并且，在轨头1和中和轴4之间的光纤敏感元件5可以检测钢轨在外力作用下的压应力引起的变形；中和轴4与轨底3之间的光纤敏感元件5可以检测钢轨在外力作用下的拉应力引起的变形。

光纤敏感元件5与钢轨轨腰2的外表的固定方式为低能焊接，即采用低能焊接的方式固定，其操作方式为：首先打磨轨腰2上中和轴4附近的钢轨表面；在限位模具的框架内通过焊锡将光纤敏感元件固定至钢轨表面，相比于传统的粘接方式，焊锡的固定方式能够有效地克服胶层受到温度或者外力影响而产生形变，进而影响光纤敏感元件5所受的应力，引起光纤敏感元件5的测量误差。

剪力检测装置的实施例二

如图9至11所示，包括有两个光纤敏感元件5，两个光纤敏感元件5在钢轨上布置方式和固定方式均与实施例一中相同，两个光纤敏感元件5分别贴于钢轨轨腰2的两个相对侧面上，所述两个光纤敏感元件5布置在轨腰2上时位于距轨底等高的位置上。这样的布置形式较之实施例一中的单个光纤敏感元件5的布置形式，两个光纤敏感元件5处于钢轨的同一变形位置处，因此，外力引起的变形、震动等对于两个光纤敏感元件5的影响是等值反向的，因而可以相互抵消外力所带来的干扰，此时的中和轴4的位置也会发生相应的变化，两个光纤敏感元件5互补，保证产生的剪力波形不受外力作用下的钢轨的偏心的影响。

剪力检测装置的实施例三

如图12至14所示，以中和轴4为对称轴，在轨腰2的同一侧面上布置两个光纤敏感元件5，且两个光纤敏感元件5之间夹角为90度，这样，在钢轨变形时，两个光纤敏感元件5之中，设置在轨头1与中和轴4之间的光纤敏感元件5检测钢轨的拉伸变形所产生的剪力波形，设置在中和轴4与轨底3之间的光纤敏感元件5检测钢轨的压缩变形所产生的剪力波形，这样，防止一个光纤敏感元件5同时承受拉伸与压缩变形，有利于提高输出的剪力波形的质量。

剪力检测装置的实施例四

如图15和16所示，此实施例中所述的光纤敏感元件5数量为4个，每两个为一组，两组分别布置于在钢轨的轨腰2的两侧面上，其中每一组的布置方式均按照实施例三中的方式布置，两组光纤敏感元件5的布置方式完全相同且距离轨底3的距离相等，四个光纤敏感元件5组成一个完整的剪力测试点，两组之间在钢轨的重心出现偏心时可以相互补充，以输出一个完整、稳定的剪力波形。

压力检测装置的具体实施方式一

如图17所示，弹性板6的结构位置是位于钢轨和枕木之间，在弹性板6于枕木一侧侧面具有型腔，本实施例中以型腔的底部为应变面，应变面与弹性板6的受力面保持平行。将光纤敏感元件5布置在该应变面的表面。那么在弹性板6的受力面承重，弹性板6整体产生形变后，与应变面固定的光纤敏感元件5同样会产生适应性形变，进而影响光纤敏感元件5输出光的波长。

压力检测装置的具体实施方式二

如图18至20所示，与剪力检测装置类似，本实施例中，将两个光纤敏感元件5低能焊接于轨底3与轨腰2之间形成的轨底坡上，并且，光纤敏感元件5的延伸方向与钢轨的延伸方向一致。压力检测装置的具体实施方式二获得的压力波形如图9中所示。

如图21所示，一种应用于铁路货车超偏载检测的铁路超偏载检测系统，包括有压力检测装置的具体实施方式一以及剪力检测装置的实施例一至四中任意一个剪力检测装置组成的铁路超偏载检测系统，还包括有光纤数据采集装置8，沿轨道的铺设方向等距布置有若干压力检测装置和剪力检测装置，其中，轨道上的第一个剪力检测装置以及压力检测装置作为整个系统的启动装置，当列车通过多个光纤传感器组成的计量区段时，传感器组合随时序关系输出与车辆重量成正比的数据流，通过计算机对数据流的数学分析及处理。如第一个剪力检测装置有损坏，其他两个剪力检测装置仍可以独立工作，此后只会使计量区段短了一些，对检测精度造成轻微影响，但是设备仍可继续工作，这样的布置形式可以实现动态测试。需要指出的是，本实施例中的铁路超偏载检测系统中，压力检测装置采用的是本公司之前研发的、申请号为2015103868152的发明专利中的板式传感器，在系统中存在多个剪力传感器的情况下与板式传感器配套，统一把光纤敏感元件编号并分配其带宽。

实验验证部分

模拟铁路线路现场情况，对剪力检测装置的具体实施例二至具体实施例四的技术方案进行实验验证：在实验钢轨下间隔600mm，仿真枕木支起钢轨。然后分别在左右支点处加压，分别在各距左右支点200mm处加压，然后在近似左右支点中线附近(距支点300mm)稍微偏移处分别加压。实验结果如下：

1.在左右支点处加压，由于钢轨无形变，光纤敏感元件无输出变化。

2.在距左支点200mm处加压。a光纤敏感元件输出正向偏移，b光纤敏感元件负向偏移。在距右支点200mm处加压。a光纤敏感元件输出负向偏移，b光纤敏感元件输出正向偏移。c，d光纤敏感元件输出均为正向。

3.在大右支点中间稍向左移处加压，a光纤敏感元件输出正向偏移，b光纤敏感元件输出负向偏移。在左右支点中间稍向右移处加压。a光纤敏感元件输出负向偏移。b光纤敏感元件输出正向偏移。但输出偏移量均比距支点200mm处大。这是由于钢轨的形变是与受力点距支点的力矩成正比。c、d光纤敏感元件输出均为正向，但输出值大于距支点200mm处。

4.把a，b光纤各加压点的输出连成曲线，经过测算得出结论是①输出量大小和受力大小成正比，与距支点中间的距离成反比，以支点中点为界限输出跳变。其波形与传统钢轨剪力传感器相同。可以取代传统应变片钢轨剪力传感器。但满量程输出值小于板式传感器。根据板式传感器装配光纤传感器的个数不同，约为～但输出值稳定性良好。

5.c，d光纤敏感文件输出与载荷成比，与支点距离成正比。

列车运行动态测试a,b,c,d,m,n光纤输出符合静态测试规律。尤其是a与a’，b与b’，m与n的输出形成互补，纠正了测量过程的干扰因素。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种采用钢轨作为弹性体的光纤检测装置，包括剪力检测装置和压力检测装置，其特征是：所述剪力检测装置包括有光纤敏感元件，所述光纤敏感元件固定于钢轨轨腰上并通过钢轨的中和轴。

2.根据权利要求1所述的采用钢轨作为弹性体的光纤检测装置，其特征是：所述光纤敏感元件的布置方向与中和轴之间呈40~50度夹角设置。

3.根据权利要求1所述的一种采用钢轨作为弹性体的光纤检测装置，其特征是：所述剪力检测装置内包括有两个光纤敏感元件，所述两个光纤敏感元件布置于轨腰的两相对侧面上，所述两个光纤敏感原件与轨底之间距离相同且均通过钢轨的中和轴。

4.根据权利要求3所述的一种采用钢轨作为弹性体的光纤检测装置，其特征是：所述两个光纤敏感元件与钢轨的中和轴沿夹角为45度的方向倾向同一方向布置。

5.根据权利要求1所述的一种采用钢轨作为弹性体的光纤检测装置，其特征是：所述剪力检测装置内包括有两个光纤敏感元件，所述两个光纤敏感元件以钢轨的中和轴为对称轴对称布置，且两个光纤敏感元件之间夹角为90度，固定在轨腰上的同一侧。

6.根据权利要求1所述的一种采用钢轨作为弹性体的光纤检测装置，其特征是：所述剪力检测装置内包括有四个光纤敏感元件，所述四个光纤敏感元件两两一组且相对布置于钢轨的轨腰的两相对侧面上，布置于同一侧的两个光纤敏感元件以钢轨的中和轴为对称轴对称布置，且两个光纤敏感元件之间夹角为90度。

7.根据权利要求1所述的一种采用钢轨作为弹性体的光纤检测装置，其特征是：所述压力检测装置包括有光纤敏感元件，所述光纤敏感元件固定在轨腰与轨底之间形成的轨底坡上，其安装方向与钢轨的布置方向平行。

8.根据权利要求7所述的一种采用钢轨作为弹性体的光纤检测装置，其特征是：所述压力检测装置包括有至少两个光纤敏感元件，所述两个光纤敏感元件分别固定在轨腰的两相对侧面与轨底之间形成的轨底坡上，其布置方向与钢轨的布置方向平行。

9.根据权利要求1所述的一种采用钢轨作为弹性体的光纤检测装置，其特征是：所述压力检测装置包括有作为弹性载体的弹性板，所述弹性板具有型腔，所述型腔的一腔壁为应变面，在所述应变面的表面固定至少两个光纤敏感元件。

10.一种带有权利要求1至9任意一项所述的一种采用钢轨作为弹性体的光纤检测装置的铁路超偏载检测系统，其特征是：还包括有光纤数据采集装置，所述光纤敏感元件统一编号，各占带宽，串联组合数字输出的模式连接至所述光纤数据采集装置上。