CN106414212A - 轨测量系统 - Google Patents

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Abstract

描述了至少一个光纤传感器单元在测量作用在纵向延伸的轨上的机械变量方面的应用，所述轨具有沿纵向延伸的中性轴线。相对于所述中性轴线以30°至60°，尤其是45°的角度或相对于所述中性轴线以‑30°至‑60°，尤其是‑45°的角度提供所述至少一个光纤传感器单元。利用一次光对所述至少一个光纤传感器单元照射，以生成反射模式或透射模式下的信号光。检测所述信号光的强度。评价分析所述信号光。

Description

轨测量系统
技术领域
本发明总体上涉及一种通过传感器用于检测被测变量的光学测量装置，所述传感器嵌入在光纤内，特别地涉及使用至少一个光纤传感器元件测量作用在轨上的机械变量，以及涉及一种轨测量系统。本发明还涉及一种将光纤传感器元件安装至轨的方法。
背景技术
光纤传感器在测量系统中变得越来越重要。在这点上，一个或多个被嵌入在光纤缆线内的诸如例如光纤布拉格光栅的传感器，被使用以检测由机械变量所引起的光纤的应变，并且据此检测力、扭矩、加速度、负载、压力条件等等。
集成在光纤传感器内的传感器元件用适当的波长范围内的光辐射被照射。光纤缆线是通过作用力产生应变的，且光纤布拉格光栅的反射或透射波长会变化。部分照射光被传感器反射并且被供应至评价与分析单元。基于作用力的波长变化能够在分析单元中被检查并且能够被用以检测在传感器元件上的机械影响。
由传感器元件反射的光辐射的强度和/或波长范围、或透射通过传感器元件的光辐射的强度和/或波长范围包括由所使用的机械变量所影响的特征。集成在光学传感器光纤内的光纤传感器元件对传感器光纤的应变敏感，借以影响由传感器元件反射的波长谱或透射通过传感器元件的波长谱。
不同的测量系统被使用以监控轨或铁路系统的各种方面。特别地，对由经过的列车施加在轨上的力是有兴趣的，这使得可得出尤其关于经过的列车的结论。
对于用于运行列车的轨或铁路系统的测量系统，可靠地检测显著变化的轴负载更加是一个挑战，尤其是因为安全性要求需要非常小的错误率。此外，不仅是引入到轨系统或铁路系统内的轴负载变化。还有在轨枕木上的轨支撑、轨路基的结构以及列车的类型能够大幅度变化。这都对测量系统提出了巨大挑战。
此外，光纤的应变以及因此光纤内的光学传感器元件的应变和/或光纤布拉格光栅结构内的变化不仅取决于将被测量的机械变量，诸如例如力，而且还还受诸如例如温度波动的非期望的干扰变量影响。由于这个原因，令人期望的是消除或至少抑制在对所期望的变量的检测中对测量精确度有影响的干扰变量。
由于这个原因，令人期望的是提供一种改进的用于轨或铁路系统的测量系统、一种改进的用于轨或铁路系统的光纤传感器单元、以及对光纤传感器单元的改进的使用。
发明内容
本发明提供了根据独立权利要求的至少一种光纤传感器元件在测量作用在轨上的机械变量方面的应用、一种用于检测作用在轨上的机械变量的光纤传感器单元、一种轨测量系统以及一种将光纤传感器元件安装至轨的方法。
根据一个实施例，提供了至少一个光纤传感器单元在测量作用在纵向延伸的轨上的机械变量方面的应用，所述轨具有沿纵向延伸的中性轴线，所述应用包括：相对于所述中性轴线以30°至60°，尤其是45°的角度或相对于所述中性轴线以-30°至-60°，尤其是-45°的角度提供所述至少一个光纤传感器单元；利用一次光对所述至少一个光纤传感器单元照射，以生成反射模式或透射模式下的信号光；检测所述信号光的强度；以及评价分析所述信号光。
根据另外的实施例，提供了一种用于检测作用在轨上的机械力的光纤传感器单元，其中，光纤传感器单元包括：光纤；设置在所述光纤中的光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅具有与所述机械力相关的布拉格波长；转换器结构，其中，所述转换器结构具有信号放大杠杆机构；以及用于对信号光的第一部分进行滤波的边缘滤波器，特别是其中，所述边缘滤波器的滤波器特性线具有相对于透射强度的8％/nm或更小，特别是在2％与7％/nm之间的标称斜率，特别是提供有作用在所述轨上的200kg至50,000kg的车轴负荷的测量范围。
根据另外的实施例，提供了一种轨测量系统，其中，所述轨测量系统包括：纵向延伸的轨，所述轨具有沿纵向延伸的中性轴线，由在轨上运行的列车产生的机械力作用在所述轨上；以及至少一个光纤传感器单元，通常两个光纤传感器单元，其用于检测作用在所述轨上的机械力，其中，光纤传感器单元包括具有布拉格波长的光纤布拉格光栅，所述布拉格波长与机械变量有关，其中，所述至少一个光纤传感器单元相对于所述中性轴线以30°至60°，尤其是45°的角度或相对于所述轨的所述中性轴线以-30°至-60°，尤其是-45°的角度被安装至所述轨。
根据另外的实施例，提供了一种用于将光纤传感器单元，特别是具有光纤布拉格光栅的光纤传感器单元安装至轨的方法，其中，所述方法包括：相对于中性轴线以30°至60°，尤其是45°的另外的角度或相对于轨的中性轴线以-30°至-60°，尤其是-45°的另外的角度安装光纤传感器单元，特别地，其中，所述光纤传感器单元靠近所述中性轴线安装。
根据另外的实施例，提供了至少一个光纤传感器单元在测量作用在纵向延伸的轨上的机械变量方面的应用，所述轨具有沿纵向延伸的中性轴线，所述应用包括：在中性轴线处提供所述至少一个光纤传感器单元，尤其是使得光纤传感器单元跨过中性轴线，利用一次光对所述至少一个光纤传感器单元照射，以生成反射模式或透射模式下的信号光；检测所述信号光的强度；以及评价分析所述信号光。
根据另外的实施例，提供了一种轨测量系统，其中，所述轨测量系统包括：纵向延伸的轨，所述轨具有沿纵向延伸的中性轴线，由在轨上运行的列车产生的机械力作用在所述轨上；以及至少一个光纤传感器单元，通常两个光纤传感器单元，其用于检测作用在所述轨上的机械力，其中，光纤传感器单元包括具有布拉格波长的光纤布拉格光栅，所述布拉格波长与机械变量有关，其中，所述至少一个光纤传感器单元被安装在中性轴线处，特别地使得它跨过中性轴线。
根据另外的实施例，提供了一种用于将光纤传感器单元，特别是具有光纤布拉格光栅的光纤传感器单元安装至轨的方法，其中，所述方法包括：将光纤传感器单元安装在轨的中性轴线处，尤其是使得光纤传感器单元跨过中性轴线。
根据另外的实施例，提供了一种用于测量作用在纵向延伸的轨上的机械变量的测量方法，所述轨具有沿纵向延伸的中性轴线，其中，所述方法包括：利用一次光对至少一个光纤传感器单元照射，以生成反射模式或透射模式下的信号光；检测所述信号光的强度；以及评价分析所述信号光，其中尤其是利用信号光削波，所述信号光削波用于评价所述信号光。
附图说明
各实施例在图中被示出并且在下文描述中被更加详细地描述。在图中：
图1示出包括集成的传感器元件的传感器光纤，所述集成的传感器元件被设计成用于测量光纤应变的光纤布拉格光栅；
图2示出由在图1中示出的光纤内的集成的传感器元件所产生的传感器反射响应；
图3示出根据本发明的实施例的具有光源、光纤耦合器以及检测配置或光纤传感器单元或轨测量系统的光纤测量装置的示意性方框图。
图4示出根据另外的实施例的轨测量系统的示意图；以及
图5A与图5B示出在传感器元件中所使用的转换器结构的示意图，所述传感器元件能够使用在根据本发明的实施例的传感器单元中或轨测量系统中。
在图中相同的附图标记表征相同的或功能上相似的部件或步骤。
具体实施方式
下文是对本发明的各种实施例的详细描述，其中一个或多个示例在图中被示出。
在本文中所描述的本发明的实施例涉及至少一个光纤传感器单元用于测量机械变量的用途、一种用于检测作用在轨上的机械力的光纤传感器单元、一种轨测量系统以及用于将光纤传感器单元、尤其是具有光纤布拉格光栅的光纤传感器单元安装至轨的方法。
图1示出集成在光纤缆线中并且包括光纤布拉格光栅306的传感器或传感器元件303。尽管图1仅仅示出一个单独的光纤布拉格光栅306，但是清楚的是，本发明不限于从一个单独的光纤布拉格光栅306采集数据，而是多个光纤布拉格光栅306能够沿传输光纤或传感器光纤304布置。
图1因此仅仅示出被设计成传感器光纤304的光波导的一部分，其中这个传感器光纤304对光纤应变308敏感。在这一点上，应该提到的是，术语“光学的”或“光线”应指代电磁波谱中的可以从紫外光谱范围通过可见光谱范围延伸至红外光谱范围的波长范围。光纤布拉格光栅306的中心波长，即所谓的布拉格波长λB通过以下等式得到：
λB＝2·nkΛ。
这里nk是传感器光纤304的芯的基本模式的有效折射率，Λ是光纤布拉格光栅306的空间光栅周期(调制周期)。
由反射响应的半峰全宽给定的光谱宽度取决于沿传感器光纤304的光纤布拉格光栅306的尺寸。由于光纤布拉格光栅306的作用，传感器光纤304内的光传播因此例如取决于力、力矩以及机械张力与温度，所述力、力矩以及机械张力与温度作用在传感器光纤304上、尤其是作用在传感器光纤304内的光纤布拉格光栅306上。
如在图1中所示出的，测量光204从传感器光纤304的左手侧进入，其中，部分测量光204作为具有不同于测量光204的波长依赖性的透射光206离开。也有可能在光纤的输入端处(即在测量光204也照射的端部处)接收反射光205，其中，所述反射光205还示出如在图2中示出的修改的波长分布(传感器反射响应)。
在测量光204在宽光谱范围内照射的情况下，在布拉格波长位置处的透射光206中的透射最小(相比于在图2中示出的依赖性的反向依赖性，即在布拉格波长处的最大吸收)即是结果。在反射光中在这个位置处得到反射最大，这会在下文中参照图2进行解释。
图2示意性地表示传感器反射响应400，当宽带测量光204照射并且当光纤布拉格光栅306(图1)的中心波长，即布拉格波长λB相应于虚线403时，所述传感器反射响应400被接收。传感器反射响应400可以具有相对于中心波长403对称的曲线，其中，所述曲线具有半峰全宽(FWHM：full width at half maximum)404，即在最大强度一半处的光谱宽度。
图2示意性示出空间扫描点(圆圈)。通过检测器单元104所记录的对修改的二次光203的评价现在使得能够得到在图2中示出的作为波长λ的函数的曲线，即传感器反射响应400。图2因此示出强度分布I(λ)，即由传感器元件303所反射的强度作为波长λ的函数被示出。即将通过测量装置被检测的波长分布通过波长响应范围405得到，所述波长响应范围405通过在图2中的双箭头被示出。当光纤布拉格光栅306被测量时，修改的二次光203示出在这个范围内的波长成分。修改的二次光203此时相应于在图2中示出的传感器反射响应400，即反射强度402作为波长401的函数被记录。
图3示出根据本发明的实施例的具有光源、光纤耦合器与检测布置或光纤传感器单元或轨测量系统的光纤测量装置的示意性方框图。图3示出轨320、安装至轨的光纤传感器单元330以及光学测量装置340。所述光纤传感器单元330在这种情况下可以是图2中示出的传感器单元303或是与其类似。
轨320能够近似被视作条。条总体上是杆状支撑构件，所述杆状支撑构件能够在横向于它的轴向的方向上承载负荷。所述条以弯曲与剪切变形做出对负荷的反应。如果例如一个力作用在条的接触表面上，由于弯曲变形，所述条变形至这样一种程度使得面向接触表面的第一区域收缩(负应变)，背离接触表面的第二区域扩展(正应变)。在这些区域之间存在不会因这种弯曲运动而经历任何应变的区域。它被称为中性轴线。除弯曲运动外，还存在上述的剪切变形。
图3中示出的轨320具有在较低部分处的基部322和在较高部分的头部324。在这些之间，形成有近似矩形的区域326。如果机械变量作用在轨320上，轨320变形，因此形成如前所述的中性轴线328。轨320优选地被设计成使得中性轴线328形成在矩形区域326内。
根据一些实施例，光纤传感器单元与中性轴线成大于或小于0°的角度。光纤传感器单元能够优选地布置在相对于中性轴线30°至60°，尤其是45°的角度处，或相对于中性轴线-30°至-60°，尤其是-45°的角度处。
将光纤传感器单元330安装在相对于中性轴线±30°至±60°，尤其是±45°的角度处，这提供的优点是光纤传感器单元检测引起正或负应变的剪切变形，所述正或负应变不与中性轴线平行延伸。
根据一些实施例，光纤传感器单元可安装在中性轴线处，特别地，延伸跨过它使得光学传感器单元在两个位置处被安装至轨，从而使得传感器单元穿过中性轴线，即一个安装点布置在中性轴线的一侧上，另一个安装点布置在中性轴线的相反侧。此外，所述安装点可以特别地布置在距离中性轴线相同的距离处，即对称布置，尤其是相对于中性轴线点对称。
在图3中，光纤传感器单元330通过两个安装点332、334被安装至轨320，所述两个安装点例如位于离中性轴线同一距离处。由于这个原因，由作用在轨上的机械变量在安装点332、334处所导致的弯曲变形彼此抵消，据此剪切变形大体上是直接被测量或大体上没有干扰。
根据能够与另外实施例组合的一些实施例，光纤传感器单元可以大体上被布置在中性轴线处或在中性轴线的顶部处或延伸跨过中性轴线，即穿过它。根据能够与另外实施例组合的一些实施例，光纤传感器单元能够相对于中性轴线布置在30°至60°，尤其是45°的角度处，或相对于中性轴线布置在-30°至-60°，尤其是-45°的角度处。特别地，光纤传感器单元能够大体上布置在中性轴线处或中性轴线的顶部或延伸跨过中性轴线，即穿过它，并且可相对于中性轴线布置在30°至60°、尤其45°的角度或-30°至-60°的角度处。以这种类型的安装，只有剪切变形被引入至传感器内。这些与轨的弯曲独立，并且由于这个原因，与在轨路基以及轨枕木上的轨的精确支撑独立。
图3中示出的光学测量装置包括一次光源341、光纤耦合器343以及光电探测器345。在一次光源341与光纤耦合器343之间提供有光传输光纤342。光纤耦合器343将一次光源341的一次光201引导至光纤传感器单元330上。依赖作用在轨150上的机械变量的传感器反射响应400——即由光纤传感器单元330所反射的信号光接着传输至光纤耦合器343。反射光或部分反射光作为二次光347或信号光347在光纤耦合器343中被供给至光电检测器345。检测器检测强度分布，优选地信号光的强度。例如，检测器求解由光纤传感器单元反射回来的二次光347的中心波长403的变化。
此外，分束器344可以设置在光纤耦合器343与光电检测器345之间，所述分束器344将入射至其上的光分开并且将第一部分347a引导至光电检测器345并且将第二部分347b通过滤波器346引导至第二光电检测器348。滤波器346优选地被设计为边缘滤波器。
对第一光电检测器345和/或第二光电检测器348上的信号的评价在评价单元执行，所述评价单元未示出，并且在所述评价单元中，特别地，信号光能够被评价。例如，信号能够被处理或计算。所述第一和/或所述第二光电检测器被有利地设计为光电二极管、光电倍增管、雪崩光电二极管或类似物。这种类型的光电检测器将输入信号光转换成光电流，所述光电流允许快速并且简单的评价。例如，在被设计为光电二极管的光电检测器345、348处生成的信号的区别能够被生成。
根据典型的实施例，一种检测器能够在光谱上将信号光集合，即能够检测强度，例如边缘滤波器的下游，无需光谱分解。因为执行了对光电流的简单扫描，光电二极管的光信号能够以特别是高于5kHz，有利地高于8kHz，典型地高于10kHz的高频方式在边缘滤波器的下游被读出。替代地，检测也能够通过光谱仪或类似的装置执行，以确定由光纤传感器单元330反射回的波长分布的光谱。然而，光电检测器尤其是光电二极管的使用提供了用简单测量配置的高频扫描的优点。此外，动态范围的变化能够通过对边缘滤波器的滤波器特性线的斜率的选取来实现。滤波器特性线的标称斜率因此有利地小于8％nm，特别地相对于透射强度在2％与7％之间的范围内。所述标称斜率因此指代边缘滤波器的平均斜率——边缘滤波器的重要/主要区域内的斜率或如所提到的那样描述边缘滤波器特性的斜率，例如作为代表值以关于它们的斜率比较各种边缘滤波器。此外，由光纤布拉格光栅306反射回的光的典型中心波长403近似1550nm。动态范围的变化的另外的方面将参照图5A与5B被图示出。
光纤布拉格光栅信号，即由作用在轨上的机械变量所导致的光纤传感器单元的信号变化能够通过刚刚图示出的边缘滤波器配置被读出，据此能够执行高频检测。
图3此外示出两个光纤传感器元件。根据一些实施例，在相对于中性轴线30°至60°，特别是45°的角度处，或相对于中性轴线-30°至-60°，特别是-45°的另外的角度处，提供有第二或另外的光纤传感器单元，以扩大应用的范围。这结合图4被示出。特别地，另外的光纤传感器单元的另外的角度的符号与光纤传感器单元的角度的符号不同。在这点上，通过相加这两个信号能够得到与轨上的负荷成比例的信号。
应该指出的是，尽管在图3中示出了两个光纤传感器单元的使用，但是有可能使用三个或三个以上的光纤传感器单元以例如提高测量精确度。根据一些实施例，另外的光纤传感器单元，即第三个或第四个传感器单元，也可以以上述的角度布置。然而，它们也可以以不同的角度布置，诸如例如相对于中性轴线成0°或90°。
在一次光源341对光纤传感器单元照射之前，一次光可被强度调制，以通过例如锁定技术消除或至少减少不期望的干扰。在通过一次光源341对一次光201的强度调制的情况下，可为光电检测器提供调制频率以使得能够实现光电检测器中的同步检测。
此外应该注意的是，尽管在图3中示出反射模式下的测量，但是被设计为光纤布拉格光栅的光纤传感器单元也能够在透射模式下运行，使得透射的一次光201作为二次光202(透射的二次光)被供给至光学测量设备。
图4示出根据另外的实施例的轨测量系统的示意性视图。这里应该提到的是，已经参照图3描述的部件在这里不再被描述以避免赘述。如在图4中示出的那样，轨测量系统包括轨320以及至少一个光纤传感器单元330。轨320在多个轨枕木上被支撑。图4示出两个轨枕木410a、410b，在所述两个轨枕木410a与410b之间，至少布置一个光纤传感器单元，通常布置两个光纤传感器单元330a、330b。根据此处描述的实施例，至少一个传感器单元330，特别是至少两个传感器单元能够被安装至轨，使得它们能够与中性轴线成一个±30°至±60°，尤其是±45°的角度。根据另一个实施例，所述至少一个光纤传感器单元330优选地以对称的、尤其是点对称的方式延伸跨过中性轴线。这意味着，它通过两个安装点332、334被安装至轨320，所述两个安装点332、334具有离中性轴线相同的距离。附图标记420此外示例性地示出在轨320上运行的列车的车轮。
经过的列车用它的车轮420在轨320上施加一个力，作为其结果，轨320如上述那样变形。由于这个原因，所述至少一个光纤传感器单元以正或负的方式应变。这改变了通过所述至少一个光纤传感器单元反射或透射的波长分布。它作为测量信号被检测与评价，以能够关于经过的列车得出结论。例如，能够确定由在轨上运行的列车所导致的剪切变形。
根据一些实施例，在一个测量位置处能够提供至少一个光纤传感器单元。对测量信号的评价能够因此被用于轴计数。测量信号在这里对应于通过光纤传感器单元反射和/或透射的光，即信号光。
根据如在图4中示出的另外的实施例，在两个测量位置处能够提供至少两个光纤传感器单元。替代地或附加地，光纤传感器单元也可以包括具有光纤布拉格光栅的两个或两个以上的光纤，所述两个或两个以上的光纤能够安装至相同或不同的测量位置。每个光纤传感器单元能够因此具有设置在光纤内的至少一个光纤布拉格光栅，所述光栅具有取决于作用的机械变量的布拉格波长。对至少两个光纤传感器单元的测量信号的评价或对具有至少两个光纤布拉格光栅的至少一个光纤传感器单元的测量信号的评价能够包括对轨上的负荷的确定、对速率的测量、对经过的列车的方向的检测、轨上的列车的车轮损坏和/或对经过的列车的列车分类。
在图4中，两个光纤传感器单元330a、330b被安装至轨320上的两个测量位置。轨320能够因此被分成三部分。第一部分布置在第一轨枕木410a附近并且在第一与第二轨枕木410a之间，第二部分布置在第一与第二轨枕木410a与410b之间，以及第三部分布置在第二轨枕木410b附近并且在第一与第二轨枕木410a之间，其中第二部分位于第一与第三部分之间。例如，第一部分、第二部分以及第三部分将两个轨枕木之间的区域分成相等大小的三份。第一光纤传感器单元330a优选地安装在第一部分中，第二光纤传感器单元330b优选地安装在第三部分中。根据能够与其它实施例结合的一些实施例，光纤传感器单元也可以在轨枕木的区域中，即比轨枕木之间的间距的30％的区域更近。第一和/或第三部分能够例如覆盖两个轨枕木之间的区域的15％，以及第二部分能够例如覆盖两个轨枕木之间的区域的70％。如在图4中示出的，第一光纤传感器单元330a与中性轴线326成一个正角度，第二光纤传感器单元330b与中性轴线326成一个负角度。特别地，第一与第二光纤传感器单元330a、330b能够具有同样大小的角度但是不同的符号。第一与第二光纤传感器单元330a、330b通常以镜对称的方式布置。
根据一些实施例，所述至少一个光纤传感器单元设有相对于中性轴线的可变角度，所述可变角度随着光纤传感器单元与轨枕木之间的间距变化。特别地，当光纤传感器单元靠近轨枕木布置时，可变角度更陡，且光纤传感器单元在两个相邻轨枕木之间越处于中间，所述可变角度变得越平坦。这提供的优点是，光纤传感器单元能够朝向在沿着轨的不同方向作用的剪切应力定向。
根据一些实施例，能够执行对高频测量信号的评价以能够检测经过的高速列车。在这种情况下，大于5kHz，通常大于8kHz，尤其是大于10kHz的测量速率是有利的。由于执行了对光电流的简单电扫描，因此光信号通常也能够以高频方式在边缘滤波器的下游被读出。
通过将光纤或光纤传感器单元相对于中性轴线以通常30°至60°，尤其是45°的角度安装，使得光纤或光纤传感器单元的中心延伸跨过轨的中性轴线，仅仅剪切变形被引入至传感器中。这些与轨的弯曲独立并且因此与轨在轨路基与轨枕木上的轨的精确支撑独立。通过使用这种类型的两个平行测量系统，以及将传感器彼此靠近地以具有不同符号的角度安装，以及相加这两个信号，有可能生成与轨上的负荷成比例的信号。
此外，经过的列车将200kg高至50,000kg的轴向负荷施加在确切的同一轨上，这导致较高的动态范围(较大的测量范围)。所述较高的动态范围要求测量信号从测量不确定性(较高信噪比)的背景下清晰地分辨出来以能够也可靠地检测较小信号(超过1ppm差错率的安全要求)。在小信号的情况下，在通过光纤布拉格光栅传感器进行测量期间存在极化误差的问题。这种误差代表系统的内在测量误差，并且对于这些测量系统是通过所使用的光纤布拉格光栅传感器预先确定的固定值。由于信号高度由轨上的应变固定地预先确定，因此信号与测量不确定性的比率不能被简单克服。由于这个原因，不能安全检测非常小的轴负荷。因此，本发明的一些实施例提出通过合适的杠杆结构或转换器结构对在轨上存在的应变进行放大。
图5A与5B示出转换器结构的示意性视图，所述转换器结构被使用在根据另外的实施例的光纤传感器单元中。
如在图5A中所示出的，转换器结构510具有H状结构，然而，却不局限于此。转换器结构原则上可以具有任意适当的形状，只要它提供至具有光纤布拉格光栅的光纤的轨的应变的放大，以增加灵敏度。在图5A中示出的转换器结构具有两个分隔开的杆部512a、512b以及将杆部512a、512b连接的条514。条514同时代表转换器结构的固定点或枢轴点，当施加力时，转换器结构关于所述固定点或枢轴点旋转。
具有设置的光纤布拉格光栅306的光纤304在两个杆部512a、512b之间的第一部分中在两个悬挂点516a、516b处被夹紧。转换器结构510通过设置在第二部分中的两个安装点518a、518b被安装至轨320。具有长度lArm1的第一杠杆臂相应地由悬挂点516a、516b与条514之间的间距确定，以及具有长度lArm2的第二杠杆臂由安装点518a、519b与条514之间的间距确定。杠杆比k因此结果是k＝lArm1/lArm2。即使杠杆比已经在两个距离上限定，但是杠杆比也可以是负的，如果如在图5A与图5B中示出的那样，转换器结构的固定点或枢轴点布置在用于安装至轨的转换器结构的安装点与在转换器结构处的光纤的悬挂点之间。如果用于安装至轨的转换器结构的安装点与在转换器结构处的光纤的悬挂点布置在杠杆的固定点或枢轴点的同一侧，那么杠杆比是正的。相对于轨上的安装点的转换器结构的固定点或枢轴点的布置与用于光纤的悬挂点的布置因此决定关于杠杆比的符号。杠杆比k的量有利地大于1，尤其是大于2，优选地在2与3之间。
图5B示出当例如在机械力或温度变化的影响下，轨扩张时的转换器结构。如在图5B中示出的那样，安装点518a、518b之间的间距变化，这导致悬挂点516a、516b之间的间距的变化。杠杆比的量有利地大于1，尤其是大于2，优选地在2与3之间。由于这个原因，光纤304比轨320应变更多(正或负)，这放大了测量信号。由于这个原因，增加了信号与测量不确定性比，从而也可以可靠地检测小的信号。
根据能够与其它实施例结合的典型实施例，放大量或杠杆比k大于1。如例如在图5A与图5B中示出的那样，传递比可以是负的或可以是正的，尤其是当用于安装至轨的转换器结构的安装点与光纤的悬挂点在杠杆的固定点或枢轴点的同一侧布置在转换器结构上。图5A与图5B示出示例性布置。在本文中所描述的实施例的范围之内，也可能有杠杆的另外的设计，其中k的量大于1，尤其是下文描述的温度补偿成为可能。依赖于杠杆的形状，例如，依赖于传递比是否为正或负，光纤能够以更多或更少的预张力安装在悬挂点516a与516b之间。
这也导致灵敏度的增加。根据一些实施例，边缘滤波器的斜率能够被相对平坦地选取。它可以具有相对于透射强度的，特别地小于8％每nm的，特别地在2％与7％每nm之间的标称斜率，以覆盖整个测量范围或动态范围。因此，在本文所描述的实施例的范围内，灵敏度由转换器结构增加，测量范围也由本文所描述的边缘滤波器的平坦斜率增加。这允许显著变化的轴负荷的安全测量。
图3与图4中示出的光与电布置因此提供了在光纤布拉格光栅传感器的基础上的测量系统，所述光纤布拉格光栅传感器通过光学元件能够将机械变量转换成电信号。此外，机械作用的变量能够通过图5中示出的导致光信号的变化的转换器结构被放大，所述光信号的变化由于增加的灵敏度可被注意到并且必须通过电子设备评价。因此，评价单元对测量范围的要求提高了，然而，信号具有更好的信噪比而导致更小的差错率。测量设备的测量范围通常通过调节滤波器边缘而被调节，使得它匹配扩展信号的新动态范围。在一些实施例中，测量设备中的滤波器的滤波器特性线相对于透射强度被平坦化至例如8％每nm或更小，特别地被平坦化至2％与7％每nm之间的值。由于这个原因，测量设备的测量误差被进一步降低。
根据一些实施例，测量信号还可能由转换器结构被放大至这种程度：使得在高负荷下测量信号离开测量范围。在这种情况下，执行对测量信号的削波。在这种情况下，对于轴负荷的正确测量值确实不再能被定量检测，但是能够做出定性陈述。评价单元能够例如生成一个输出，所述输出相应于具有大于预先确定的值的重量的列车的通过。这种信号能够进一步被用于轴计数。
例如当测量信号离开边缘滤波器的滤波器范围时，即当它不再被滤波或不再由边缘滤波器改变时而使得与未经滤波的信号的差异评价不再显示出任何数量上的差异，就能够执行削波。例如当具有这种高轴负荷的列车经过光纤传感器单元或在光纤传感器单元的区域内停下而使得所生成的测量信号在边缘滤波器的区域内、但在边缘滤波器的所述区域内测量信号不再具有相关斜率时，就是这种情况。
此外，一种类型的削波也可在光纤304中出现。在一些实施例中，在转换器结构的悬挂点之间或在轨上悬有预张力使得收缩(负应变)也导致一个测量信号。可以因此选取预张力使得以预先确定的机械力的出现开始，光纤304经历这种高的收缩使得预张力被耗尽并且尤其是光纤304松弛。在这种情况下，定量的陈述不再可能。然而，仍然生成相应于经过的列车的测量信号。这个信号能够例如被用于执行轴计数或确定速度。光纤的预张力通常被选取使得由机械变量引起的光纤304的长度变化，尤其是光纤布拉格光栅306的长度变化会引起5nm至10nm的、优选地小于12nm的范围内的波长变化。如果待期望的长度变化例如在范围的边界上或在范围之外，刚刚所述类型的光纤的悬挂提供的优点是，能够减少光纤的机械负荷，因为在高负荷的情况下，不再需要跟踪显著的长度变化。
根据一个实施例，能够提供利用根据本文所描述的实施例的传感器单元或根据本文所描述的实施例的轨测量系统的测量方法，其中，在第一测量范围中，生成与轴负荷成比例的信号，在第二测量范围中，特别地对于高于第一测量范围中的轴负荷，生成与轴负荷不成比例的信号，例如，仅仅示出轴负荷的存在性的信号。第二区域能够根据例如上述各方面中的一个方面通过削波实现。
上述长度变化不需要包括光纤304的整个动态范围或光纤布拉格光栅306的整个动态范围。光纤304通常被预拉伸到这样一种程度，使得在没有来自外部的机械变量的影响下，例如没有经过的列车所施加的机械变量的影响下，中心波长403近似在可用动态范围的中心处，以便例如能够补偿温度变化。
转换器结构此外能够通过对材料与尺寸的适当的选取，尤其是连同对光纤的合适的预张力的选取，而可用于温度补偿。温度变化引起轨的应变。应变能够生成信号的偏移或位移，从而导致测量误差。由于这个原因，对于绝对测量应用诸如例如负荷测量与列车称重，温度补偿是有利的。
根据一些上述的实施例，温度补偿能够通过调节杠杆的膨胀系数来实现。在这点上，杠杆的几何形状与材料以这样一种方式被选取使得光纤与轨的应变正好被补偿至零。根据一些实施例，为了温度补偿，具有负的传递比的转换器结构的所述转换器结构的膨胀系数小于轨的膨胀系数。根据其它实施例，为了温度补偿，具有正传递比的转换器结构的所述转换器结构的膨胀系数大于轨的膨胀系数。
尽管本发明已经参照典型的实施例在上文中被描述，但是它并不限于此，而是能够以多种方式被修改。本发明也不限于所提到的应用。

Claims (15)

1.至少一个光纤传感器单元在测量作用在纵向延伸的轨上的机械变量方面的应用，所述轨具有沿纵向延伸的中性轴线，所述应用包括：
相对于所述中性轴线以30°至60°，尤其是45°的角度或相对于所述中性轴线以-30°至-60°，尤其是-45°的角度提供所述至少一个光纤传感器单元；
利用一次光对所述至少一个光纤传感器单元照射，以生成反射模式或透射模式下的信号光；
检测所述信号光的强度；以及
评价分析所述信号光。
2.根据权利要求1所述的应用，其中，所述评价分析确定在所述轨上运行的列车所引起的所述轨的剪切变形，特别是所述光纤传感器单元靠近所述轨的所述中性轴线设置。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的应用，其中，所述评价分析包括对在所述光纤传感器单元上方运行的车轴的计数。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的应用，所述应用还包括：
相对于所述中性轴线以30°至60°，尤其是45°的另外的角度或相对于所述中性轴线以-30°至-60°，尤其是-45°的另外的角度提供另外的光纤传感器单元。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的应用，其中，所述另外的角度的符号与所述角度的符号不同。
6.根据权利要求4至5中任一项所述的应用，其中，所述评价分析包括所述轨上的负荷的确定、速度的测量、对经过的列车的方向的检测、所述轨上的列车的车轮损坏和/或对经过的列车的列车分类。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的应用，其中，所述光纤传感器单元具有转换器结构，所述转换器结构放大作用在所述传感器单元上的机械变量。
8.一种用于检测作用在轨上的机械力的光纤传感器单元，包括：
光纤；
设置在所述光纤中的光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅具有与所述机械力相关的布拉格波长；
转换器结构，其中，所述转换器结构具有信号放大杠杆机构；以及
用于对信号光的第一部分进行滤波的边缘滤波器，特别是其中，所述边缘滤波器的滤波器特性线具有相对于透射强度的8％/nm或更小，特别是在2％与7％/nm之间的标称斜率，特别是提供有作用在所述轨上的200kg至50,000kg的车轴负荷的测量范围。
9.根据权利要求8所述的光纤传感器单元，其中，所述转换器结构被设计成提供温度补偿，特别是其中具有负的传递比的转换器结构的热膨胀系数小于轨的热膨胀系数，或其中具有正的传递比的转换器结构的热温度膨胀系数大于轨的热膨胀系数。
10.一种轨测量系统，包括：
纵向延伸的轨，所述轨具有沿纵向延伸的中性轴线，由在轨上运行的列车产生的机械力作用在所述轨上；以及
至少一个光纤传感器单元，通常两个光纤传感器单元，其用于检测作用在所述轨上的机械力，其中，光纤传感器单元包括：
具有布拉格波长的光纤布拉格光栅，所述布拉格波长与机械变量有关，
其中，所述至少一个光纤传感器单元相对于所述中性轴线以30°至60°，尤其是45°的角度或相对于所述轨的所述中性轴线以-30°至-60°，尤其是-45°的角度被安装至所述轨。
11.根据权利要求10所述的轨测量系统，其中，所述光纤传感器单元靠近所述轨的所述中性轴线安装。
12.根据权利要求10至11中任一项所述的轨测量系统，其中，所述光纤传感器单元是根据权利要求8至9中任一项所述的光纤传感器单元。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的轨测量系统，所述轨测量系统还包括：
被设计用于测量5kHz或更大的、特别是8kHz或更大的、尤其是10kHz或更大的频率的评价单元。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的轨测量系统，所述轨测量系统还包括：
利用一次光照射所述光纤传感器单元的宽带光源，以生成信号光；
用于将所述信号光分成所述信号光的第一部分与所述信号光的第二部分的分束器；
用于检测所述信号光的所述第一部分的第一检测器与用于检测所述信号光的所述第二部分的第二检测器。
15.一种用于将光纤传感器单元，特别是具有光纤布拉格光栅的光纤传感器单元安装至轨的方法，所述方法包括：
相对于中性轴线以30°至60°，尤其是45°的另外的角度或相对于轨的中性轴线以-30°至-60°，尤其是-45°的另外的角度安装光纤传感器单元，特别地，其中，所述光纤传感器单元靠近所述中性轴线安装。
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