CN106476845A - 轨道计轴光纤光栅传感器及轨道计轴装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道计轴光纤光栅传感器及轨道计轴装置、系统和方法，包括应变片基体，应变片基体的基体上表面和基体下表面各设置一个光纤光栅，形成一个完整的光纤光栅应变传感器。轨道计轴装置是基于光纤光栅的应变测量原理，对通过该段铁轨的轮轴进行计数；一种轨道计轴系统，包括光纤光栅解调仪表和数据处理终端，两个以上的所述轨道计轴装置分别与所述光纤光栅解调仪表通信连接光纤光栅解调仪表与数据处理终端通信连接。通过单一一种具备温度自补偿差分应变光纤光栅传感器内两个光纤光栅的中心波长差值，并将多个传感器进行沿轨道线组网，对轮轴数量、车速和行车方向、载重计量的监测，以及实现传感器互检，提高系统的可靠性。

Description

轨道计轴光纤光栅传感器及轨道计轴装置、系统和方法

技术领域

本发明属于轨道交通安全监测技术领域，具体涉及一种轨道计轴光纤光栅传感器及轨道计轴装置、系统和方法。

背景技术

目前随着我国高铁技术和城市轨道交通的迅猛发展，伴随而来的安全运营问题更显得尤为重要和突出。其中轨道计轴技术和传感器产品是轨道交通安全监测领域的重要基础之一，其是通过计轴传感器“数出”列车轮轴的数量，来获得列车位置、轨道区间的占用情况等。目前的计轴系统主要是轨道电路和电磁系统两种。前者是利用轮轴与轨道导通形成电气回路，后者是利用轮轴切割磁力线的原理进行探测。但上述两种技术均基于电、磁学传感原理，其抗电磁干扰能力低，易受电气和天气影响，甚至铁锹等金属物体都会导致误报。此外铁路轨道恶劣的现场环境会影响现有轨道检测设备如轨道电路、电磁计轴器等的可靠性，为了简化故障查找和维修程序，专利号为201510778107.3的《一种基于双磁头传感器的铁路计轴系统》 提到设计成计轴系统相互独立的区段，但电类检测在复杂环境下容易损坏，不易大规模组网。

光纤光栅传感技术经过十余年的发展，由于其具有无源、绝缘、本安防爆、信号远传、可靠性高等优点，可以通过不同的封装材料和工艺，感知多种物理量（如温度、应力/应变、振动、位移、扭矩等），目前已广泛用于能源、交通、国防、航空航天等领域。其传感机理为：通过不同的封装材料和工艺，使外界物理量作用到光纤光栅，物理量的变化会引起光纤光栅波长发生改变；通过实时测量光纤光栅的波长改变量，就可以反算出实际物理量。

发明专利CN200610124956.8的光纤光栅轮轴识别系统，采用4条独立的光纤光栅传感光路设计，利用车轮碾压光纤光栅引起波长变化，进而导致光强出现变化实现对车轮数量的识别，但光强测量本身均有波动性，可靠性不佳；此外该方法主要用于测量公路中载重汽车单个车轴内轮胎数量的监测，不适用于轨道交通。专利号为CN201010191152.6的方法同样是基于光栅反射谱展宽，没有充分利用光纤光栅反射波长进行分析，系统的可靠性欠佳，且该方法仅能计轴和测重，缺少对轮轴质量问题评估功能。专利CN200710121157.X中阐明可以通过测量钢轨形变/应力参数的方法进行车辆计轴，随后专利CN200920088856.3、专利CN201019087029.7专利和CN201410539393.3均是基于这一思想设计光纤光栅应变传感器用于计轴，但上述专利中均忽略了光纤光栅传感器对温度和应变同时敏感的问题，即无法区分光纤光栅波长改变是由温度还是应变引起，必然造成测量误差，导致严重后果。专利201110037447.2通过光纤光栅温度、应变、位移、加速度传感器的组合运用，实现对轨道结构状态的监测，但该系统结构十分复杂，需另加温度传感器进行温度补偿。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于轨道计轴的光纤光栅传感器及轨道计轴装置和系统，本发明一方面能够消除了温度变化带来的波长同向漂移，另一方面能够有效的提高了对轨道形变测量输出的精度。

为实现以上目的，本发明提供的用于轨道计轴的光纤光栅传感器，具体采用如下技术方案：用于轨道计轴的光纤光栅传感器，包括应变片基体，所述应变片基体的基体上表面和基体下表面各设置一个光纤光栅，形成一个完整的光纤光栅应变传感器。

两个光纤光栅设置在同一应变片基体上，受同样的温度影响，具有同样的温度变化，两个光纤光栅波长之间的差值保持不变。

本发明在上述提供的光纤光栅传感器的基础上，提供一种轨道计轴装置，所述轨道计轴装置基于光纤光栅的应变测量原理，对通过该段铁轨的轮轴进行计数；所述轨道计轴装置还包括第一固定板和第二固定板，所述第一固定板和所述第二固定板平行设置，且所述第一固定板和所述第二固定板均焊接于铁轨底部；所述光纤光栅传感器设置在所述第一固定板和第二固定板之间；所述第一固定板和第二固定板之间还设置有基座和弹簧；所述基座与所述第二固定板固定连接，所述光纤光栅传感器中的应变片的下端与所述基座固定连接，所述弹簧的左端与所述第一固定板连接，所述弹簧的右端与应变片的上端连接。

进一步的，所述基座与所述第二固定板通过螺钉进行连接，所述光纤光栅传感器中的应变片的下端与所述基座通过螺钉进行固定。

本发明还提供一种轨道计轴系统，所述轨道计轴系统采用上述轨道计轴装置，所述轨道计轴系统还包括光纤光栅解调仪表和数据处理终端，两个以上的所述轨道计轴装置等间距的设置在铁轨底部；两个以上的所述轨道计轴装置分别与所述光纤光栅解调仪表通信连接，所述光纤光栅解调仪表与所述数据处理终端通信连接。

本发明还提供一种轨道计轴方法，所述轨道计轴方法采用上述的轨道计轴系统，步骤如下：

S1、将多个轨道计轴装置沿轨道线进行布设，形成完善的铁路计轴系统，每一个轨道计轴装置均布设有差分应变光纤光栅计轴传感器；

S2、差分应变光纤光栅计轴传感器通过高速光纤光栅解调仪表进行波长解调，将波长进行传送至数据处理终端；

S3、所述数据处理终端判断差分应变光纤光栅计轴传感器波长差值变化；若无变化，则表明无列车经过；若有变化，则表明有列车经过；

S4、对应步骤S3中有列车经过的情况，再分别计算轮轴数量、计算载重情况、计算车速、监视行车方向以及传感器互检的工作。

本发明采用以上技术方案，相对于现有技术中采用放置一个光纤光栅温度传感器导致现场的实施布设繁琐而言，本发明提供的技术方案将两个光纤光栅设置在同一应变片基体上，受同样的温度影响，具有同样的温度变化，两个光纤光栅波长之间的差值保持不变。本发明一方面能够消除了温度变化带来的波长同向漂移，采用差分检测的原理，使传感器在无需外部温度补偿的情况下，可以免疫温度变化的影响，仅对应变测量。另一方面通过差分方式，可以双倍地提高测试精度，能够有效的提高对轨道形变测量输出的精度。

另一方面，本发明通过单一一种具备温度自补偿差分应变光纤光栅传感器内两个光纤光栅的中心波长差值，并将多个传感器进行沿轨道线组网，对轮轴数量、车速和行车方向、载重计量的监测，以及实现传感器互检，提高系统的可靠性。

本发明的优点：与电学、磁学类传感器相比，光纤光栅传感技术具有本质绝缘、抗电磁雷击干扰，稳定性好，功能多等优点。与其它光纤光栅计轴系统相比，本发明仅通过温度自补偿设计，仅有单一传感器即可以实现上述功能，较之其它方案在实际使用中有很大便利。

附图说明

图1为本发明差分方式光纤光栅应变传感器示意图；

图2为图1中两个光纤光栅的波长示意图；

图3为图1中两个光纤光栅受温度影响波长同向变化示意图；

图4为图1中两个光纤光栅受形变影响波长反向变化示意图；

图5为本发明安装于轨道侧面的轨道计轴装置结构示意图；

图6为本发明轨道计轴系统结构示意图；

图7为本发明轨道计轴方法流程图。

图中：1、应变片基体；2、基体上表面；3、基体下表面；4、上表面光纤光栅；5、下表面光纤光栅；6、铁轨；7、第一固定板；8、弹簧；9、应变片；10、基座；11、第二固定板；12、第一固定焊接点；13、第二固定焊接点；14、应变片9的第一个光纤光栅；15、应变片9的第二个光纤光栅；16、轨道计轴装置；17、光纤光栅解调仪表；18、数据处理终端。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提供一种用于轨道计轴的光纤光栅传感器，包括应变片基体1，所述应变片基体1的基体上表面2和基体下表面3各设置一个光纤光栅（分别为上表面光纤光栅4和下表面光纤光栅5）；形成一个完整的光纤光栅应变传感器。此时波长分别为λ1和λ2。

如图2所示。当温度变化时，由于两个光纤光栅（4、5）粘在同一个应变片基体1上，受同样的温度影响，且由于两只光纤光栅具有相同的温度灵敏度系数KT（pm/℃）。

如图3所示，温度升高时，波长一起朝长波长方向移动；温度降低时，则一起朝短波长方向移动，因此两个光纤光栅波长之间的差值保持不变。即：

∆λ1 = K _T * ∆T

∆λ2 = K _T * ∆T

∆λ = ∆λ1 –∆λ2 = 0

当应变片受力变形时，其上、下表面，一个处于收缩状态，另一个出于拉伸状态，两只光纤光栅的温度灵敏度系数均为K_{（pm/με）}。

如图4所示，波长λ1处于收缩状态，波长向短方向移动；波长λ2处于拉伸状态，波长向长方向移动；因此两个光纤光栅波长之间的差值此时变为：

∆λ1 = -K _ε * ∆με

∆λ2 = K _ε * ∆με

∆λ = ∆λ2 –∆λ1 = K _ε * ∆με - （-K _ε * ∆με）= 2K _ε * ∆με

由上式，利用该原理设计的计轴传感器不仅可以有效屏蔽温度对传感器的影响，是传感器仅对轨道形变敏感。而且此时传感器的输出变化量是单只光纤光栅传感器的一倍，提高了传感器的测量精度。

本实施例以上述设计具体应用在轨道计轴传感器中。如图5所示，本实施例提供一种轨道计轴装置，所述轨道计轴装置基于光纤光栅的应变测量原理，对通过该段铁轨6的轮轴进行计数；所述轨道计轴装置还包括第一固定板8和第二固定板11，所述第一固定板7和所述第二固定板11平行设置，且所述第一固定板7和所述第二固定板11均焊接于铁轨6底部（如图5中所示的第一固定焊接点12和第二固定焊接点13）；所述光纤光栅传感器设置在所述第一固定板7和第二固定板11之间；所述第一固定板7和第二固定板11之间还设置有基座10和弹簧8；所述基座10与所述第二固定板11固定连接，所述光纤光栅传感器中的应变片9的下端与所述基座10固定连接，所述弹簧8的左端与所述第一固定板7连接，所述弹簧8的右端与应变片9的上端连接。

作为一种优选的实施方式，所述基座10与所述第二固定板11通过螺钉进行连接，所述光纤光栅传感器中的应变片9下端与所述基座10通过螺钉进行固定。

现进一步拓展说明如下：

光纤光栅的温度灵敏度系数为10pm/℃，两个光纤光栅14和15在T1温度下的中心波长分别为1530nm和1535nm，此时中心波长差为5nm。当温度变为T2时，由于两个光纤光栅在应变片的上、下两面，温度一致，此时中心波长差为：

∆λ = ∆λ1 –∆λ2 = 10* ∆T - 10* ∆T = 0

即轨道计轴传感器屏蔽了温度变化。

当轮轴经过该段铁轨时，瞬时的压力迫使铁轨6的下表面产生正向应变，这种应变会使得弹簧8产生张拉变形，并带动应变片9产生弯曲变形，其中应变片左侧表面产生负应变，右侧表面产生正应变，粘贴于应变片9左右两侧的第一光纤光栅14和第二光纤光栅15分别感知两种应变，并产生波长漂移；对应地，第一光纤光栅14产生负向的波长漂移，第二光纤光栅15产生正向的波长漂移。

光纤光栅的应变灵敏度系数为1pm/με。此时，第一光纤光栅14波长值变为：

∆λ1 = -1* ∆με

第二光纤光栅15波长值变为：

∆λ2 = 1* ∆με

两个光纤光栅的差值为：

∆λ = ∆λ2 – ∆λ1 = 2 * ∆με

假设，轨道计轴传感器同时受到温度和应变的影响，即温度变化∆T，应变变化∆με。此时第一光纤光栅14波长值变为：

∆λ1 = 10* ∆T - 1* ∆με

第二光纤光栅15波长值变为：

∆λ2 = 10* ∆T + 1* ∆με

两个光纤光栅的差值为：

∆λ = ∆λ2 – ∆λ1 = 2 * ∆με

由以上可以看出，利用差分方法设计的轨道计轴传感器一方面消除了温度变化带来的波长同向漂移，另一方面提高了对轨道形变测量输出的精度。

本发明利用差分方法设计的光纤光栅轨道计轴传感器。通过在应变片的上、下两个表面各设置一个光纤光栅，利用两个光纤光栅的波长差值对轨道形变进行监测。当温度变化时，此时光纤光栅的波长朝同方向变化，因此实现对温度的屏蔽；当轨道形变发生时，使应变片的上、下表面分别产生负应变和正应变，此时两个光纤光栅的波长向相反方向变化，产生两倍的测量精度。本发明的传感器，仅用一个传感器在实现温度补偿的同时，增加了应变测量的灵敏度，具有现场实施简单、测量精度高的优点。

如图6所示，本发明另一方面还提供一种轨道计轴系统，所述轨道计轴系统采用上述轨道计轴装置16，所述轨道计轴系统还包括光纤光栅解调仪表17和数据处理终端18，两个以上的所述轨道计轴装置16等间距的设置在铁轨6底部；两个以上的所述轨道计轴装置16分别与所述光纤光栅解调仪表17通信连接，所述光纤光栅解调仪表17与所述数据处理终端18通信连接。

如图7所示，本发明提供的一种轨道计轴方法，所述轨道计轴方法采用上述实施例中的轨道计轴系统，步骤如下：

S1、将多个轨道计轴装置沿轨道线进行布设，形成完善的铁路计轴系统，每一个轨道计轴装置均布设有差分应变光纤光栅计轴传感器；

S2、差分应变光纤光栅计轴传感器通过高速光纤光栅解调仪表进行波长解调，将波长进行传送至数据处理终端；

S3、所述数据处理终端判断差分应变光纤光栅计轴传感器波长差值变化；若无变化，则表明无列车经过；若有变化，则表明有列车经过；

S4、对应步骤S3中有列车经过的情况，再分别计算轮轴数量、计算载重情况、计算车速、监视行车方向以及传感器互检的工作。

需要进一步说明的是，实现所述步骤S4中具体方法如下：

1)、温度自补偿

光纤光栅的温度灵敏度系数为10pm/℃，两个光纤光栅和在T1温度下的中心波长分别为1530nm和1535nm，此时中心波长差为5nm。当温度变为T2时，由于两个光纤光栅在应变片的上、下两面，温度一致，此时中心波长差为：

∆λ = ∆λ1 –∆λ2 = 10* ∆T - 10* ∆T = 0

即轨道计轴传感器屏蔽了温度变化，无需额外布设温度传感器；

2)、计轴

列车经过该段铁轨，则由于当轮轴经过该段铁轨时，瞬时的压力迫使铁轨的下表面产生正向应变，这种应变会使得应变片上表面产生负应变，下表面产生正应变。粘贴于应变片上表面的光纤光栅和下表面的光纤光栅分别感知两种应变，并产生波长漂移；对应地，光纤光栅产生负向的波长漂移，光纤光栅产生正向的波长漂移；

光纤光栅的应变灵敏度系数为1pm/με。此时，第一光纤光栅波长值变为：

∆λ1 = -1* ∆με

第二光纤光栅波长值变为：

∆λ2 = 1* ∆με

两个光纤光栅的差值为：

∆λ = ∆λ2 – ∆λ1 = 2 * ∆με

假设，轨道计轴传感器同时受到温度和应变的影响，即温度变化∆T，应变变化∆με。此时第一光纤光栅波长值变为：

∆λ1 = 10* ∆T - 1* ∆με

第二光纤光栅波长值变为：

∆λ2 = 10* ∆T + 1* ∆με

两个光纤光栅的差值为：

∆λ = ∆λ2 – ∆λ1 = 2 * ∆με

由以上可以看出，利用差分方法设计的轨道计轴传感器一方面消除了温度变化带来的波长同向漂移，另一方面提高了对轨道形变测量输出的精度；

3)、载重计量

由于铁轨的形变与列车载重成比例，假设为：

∆με = K_L * G

上式中，KL铁轨形变与载重的比例系数，G为列车载重值。则有：

∆λ = ∆λ2 – ∆λ1 = 2 * ∆με = 2 * K_L * G

即两个光纤光栅波长的差值体现了列车载重的关系。

4)、车速和行车方向的监测

由每个传感器波长差值变化的时间间隔T，在结合列车相邻轮轴间的长度L，V=L/T，由此实现列车行驶速度测量；

5)、传感器互检

由于差分应变光纤光栅计轴传感器沿轨道线进行布设，因此可通过同一时间段内，不同传感器之间的测量情况比较。如各传感器的计轴数字相符，则表示传感器及计轴系统出于正常工作状态，反之则存在故障。因此系统具有极强的可靠性和自检能力。

本发明通过单一一种具备温度自补偿差分应变光纤光栅传感器内两个光纤光栅的中心波长差值，并将多个传感器进行沿轨道线组网，对轮轴数量、车速和行车方向、载重计量的监测，以及实现传感器互检，提高系统的可靠性。

与电学、磁学类传感器相比，光纤光栅传感技术具有本质绝缘、抗电磁雷击干扰，稳定性好，功能多等优点。与其它光纤光栅计轴系统相比，本发明仅通过温度自补偿设计，仅有单一传感器即可以实现上述功能，较之其它方案在实际使用中有很大便利。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.轨道计轴光纤光栅传感器，其特征在于：包括应变片基体，所述应变片基体的基体上表面和基体下表面各设置一个光纤光栅，形成一个完整的光纤光栅应变传感器。

2.根据权利要求1所述的轨道计轴光纤光栅传感器，其特征在于：两个光纤光栅设置在同一应变片基体上，受同样的温度影响，具有同样的温度变化，两个光纤光栅波长之间的差值保持不变。

3.一种轨道计轴装置，其特征在于：所述轨道计轴装置采用上述权利要求1或2所述的光纤光栅传感器，所述轨道计轴装置基于光纤光栅的应变测量原理，对通过该段铁轨的轮轴进行计数；

所述轨道计轴装置还包括第一固定板和第二固定板，所述第一固定板和所述第二固定板平行设置，且所述第一固定板和所述第二固定板均焊接于铁轨底部；

所述光纤光栅传感器设置在所述第一固定板和第二固定板之间；

所述第一固定板和第二固定板之间还设置有基座和弹簧；

所述基座与所述第二固定板固定连接，所述光纤光栅传感器中的应变片的下端与所述基座固定连接，所述弹簧的左端与所述第一固定板连接，所述弹簧的右端与应变片的上端连接。

4.根据权利要求3所述的轨道计轴装置，其特征在于：所述基座与所述第二固定板通过螺钉进行连接，所述光纤光栅传感器中的应变片的下端与所述基座通过螺钉进行固定。

5.一种轨道计轴系统，其特征在于：所述轨道计轴系统采用上述权利要求3或4所述轨道计轴装置，所述轨道计轴系统还包括光纤光栅解调仪表和数据处理终端，两个以上的所述轨道计轴装置等间距的设置在铁轨底部；两个以上的所述轨道计轴装置分别与所述光纤光栅解调仪表通信连接，所述光纤光栅解调仪表与所述数据处理终端通信连接。

6.一种轨道计轴方法，其特征在于：所述轨道计轴方法采用权利要求5中的轨道计轴系统，步骤如下：

S1、将多个轨道计轴装置沿轨道线进行布设，形成完善的铁路计轴系统，每一个轨道计轴装置均布设有差分应变光纤光栅计轴传感器；

S2、差分应变光纤光栅计轴传感器通过高速光纤光栅解调仪表进行波长解调，将波长进行传送至数据处理终端；

S3、所述数据处理终端判断差分应变光纤光栅计轴传感器波长差值变化；若无变化，则表明无列车经过；若有变化，则表明有列车经过；

S4、对应步骤S3中有列车经过的情况，再分别计算轮轴数量、计算载重情况、计算车速、监视行车方向以及传感器互检的工作。

7.根据权利要求6所述的轨道计轴方法，其特征在于：实现所述步骤S4中具体方法如下：

1)、温度自补偿

光纤光栅的温度灵敏度系数为10pm/℃，两个光纤光栅和在T1温度下的中心波长分别为1530nm和1535nm，此时中心波长差为5nm；当温度变为T2时，由于两个光纤光栅在应变片的上、下两面，温度一致，此时中心波长差为：

∆λ = ∆λ1 –∆λ2 = 10* ∆T - 10* ∆T = 0

即轨道计轴传感器屏蔽了温度变化，无需额外布设温度传感器；

2)、计轴（发明人好，原底稿中的第二点放到上述S2中说明，故这里删除原底稿中第二点说明）

列车经过该段铁轨，则由于当轮轴经过该段铁轨时，瞬时的压力迫使铁轨的下表面产生正向应变，这种应变会使得应变片上表面产生负应变，下表面产生正应变；粘贴于应变片上表面的光纤光栅和下表面的光纤光栅分别感知两种应变，并产生波长漂移；对应地，光纤光栅产生负向的波长漂移，光纤光栅产生正向的波长漂移；

光纤光栅的应变灵敏度系数为1pm/με；此时，第一光纤光栅波长值变为：

∆λ1 = -1* ∆με

第二光纤光栅波长值变为：

∆λ2 = 1* ∆με

两个光纤光栅的差值为：

∆λ = ∆λ2 – ∆λ1 = 2 * ∆με

假设，轨道计轴传感器同时受到温度和应变的影响，即温度变化∆T，应变变化∆με；此时第一光纤光栅波长值变为：

∆λ1 = 10* ∆T - 1* ∆με

第二光纤光栅波长值变为：

∆λ2 = 10* ∆T + 1* ∆με

两个光纤光栅的差值为：

∆λ = ∆λ2 – ∆λ1 = 2 * ∆με

由以上可以看出，利用差分方法设计的轨道计轴传感器一方面消除了温度变化带来的波长同向漂移，另一方面提高了对轨道形变测量输出的精度；

3)、载重计量

由于铁轨的形变与列车载重成比例，假设为：

∆με = K_L * G

上式中，KL铁轨形变与载重的比例系数，G为列车载重值；则有：

∆λ = ∆λ2 – ∆λ1 = 2 * ∆με = 2 * K_L * G

即两个光纤光栅波长的差值体现了列车载重的关系；

4)、车速和行车方向的监测

由每个传感器波长差值变化的时间间隔T，在结合列车相邻轮轴间的长度L，V=L/T，由此实现列车行驶速度测量；

5)、传感器互检

由于差分应变光纤光栅计轴传感器沿轨道线进行布设，因此可通过同一时间段内，不同传感器之间的测量情况比较；如各传感器的计轴数字相符，则表示传感器及计轴系统出于正常工作状态，反之则存在故障。