CN107921978A - 计轴方法和计轴装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于轨道车辆的计轴方法，包括以下方法步骤：·将光耦合到至少一个传感器光纤(SF，SF1，SF2)中，所述传感器光纤(SF，SF1，SF2)包括安装在轨(T)上的至少一个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)，其中，每个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)均具有反射光谱，所述反射光谱具有反射峰(P1，P2)，所述反射峰在布拉格波长(λ1，λ2)处并具有半高全宽(FWHM)，·通过检测和滤波由两个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2，FBG2’)所反射的光功率的时间密度特性而从两个剪切应力信号产生差分信号，所述两个光纤布拉格光栅彼此间隔开地布置；如果差分信号超过特定的剪切应力差限值，就产生轮信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于轨道车辆的计轴方法，包括：将光耦合到至少一个传感器光纤中，所述传感器光纤包括安装在轨上的至少一个光纤布拉格光栅，每个光纤布拉格光栅均具有反射光谱(根据波长由光纤布拉格光栅反射的光输出的强度特性)，所述反射光谱具有反射峰，所述反射峰在布拉格波长处并具有半高全宽；以及检测由彼此间隔开的两个光纤布拉格光栅所反射的光。
背景技术
这种方法从尚未公布的申请DE 10 2014 100 654.4中获知。
已知计轴系统通过感应来检测移位通过计数单元的轴。所述系统的问题在于，例如来自安装在列车上的空调单元的电磁场可能导致干扰和计数错误。
WO 2005/093971 A1描述了一种铁路监控系统，其中，附接到轨道的传感器光纤用于计轴。通过将光耦合到光纤(传感器光纤)中，光被发射到光纤布拉格光栅中，在布拉格波长附近滤波器带宽内的波长被反射。布拉格波长通常定义为λB＝neff·2Λ＝neff·λ，其中，neff为有效折射率，Λ为光纤布拉格光栅的光栅周期。由于作用于其上的力，传感器光纤和光纤布拉格光栅被拉伸，且光纤布拉格光栅的反射和透射波长变化，从而使得基于光纤布拉格光栅的拉伸，不同波长的光被反射并被传输到评价处理和分析单元。各个光纤布拉格光栅以彼此间隔开2.5米的距离安装。各个光纤布拉格光栅具有不同的布拉格波长，其中，布拉格波长的差必须大于由于负载引起的相应光纤布拉格光栅的布拉格波长的变化。
尚未公布的申请DE 10 2014 100 654.4描述了一种轨测量系统，其通过光纤传感器来测量作用在轨上的机械变量。在这种情况下使用的光纤布拉格光栅相对于中性光纤以±30°至±60°、特别是±45°的角度附接到轨。这提供的优点是，通过光纤传感器单元来检测剪切应变，所述剪切应变导致正或负的拉伸且不平行于中性光纤延伸。
现有布置结构的一个缺点是，灵敏度不足以可靠地检测每个轴，这意味着，由于剪切应力测量中出现的信号不适合于执行阈值评价处理，所以不能保证列车(SIL4)所需的安全完整性水平。
发明内容
本发明的目的
本发明的目的是提出一种计轴方法，其一方面特别是对于电磁干扰而言不易受干扰，另一方面具有足够的灵敏度以满足所需的安全完整性水平。本发明的描述
该目的根据本发明来实现，其中，提供以下方法步骤：
·产生剪切应力差分信号；
·如果剪切应力差分信号超过预定的上限值或低于预定的下限值，则在信号处理单元内产生轮信号。
根据本发明，产生剪切应力差分信号，即通过该信号，可导出在彼此间隔开的两个传感器位置处的两个剪切应力的差的时间变化。剪切应力差分信号在剪切应力的代数符号变化的范围内(即，由轮释放到轨中的力恰好发生在两个光纤布拉格光栅之间时)在绝对值上变得非常大，这使得能够简单地检测到轮。剪切应力信号(即通过该剪切应力信号可导出在某一传感器位置发生的剪切应力)可例如由于检测由安装在该传感器位置处的光纤布拉格光栅所反射的光而被接收，所述光纤布拉格光栅相对于中性光纤尤其以±45°或±90°的角度倾斜地布置。剪切应力差分信号通过检测和建立光纤布拉格光栅的布拉格波长的波长变化的时间特性的差而产生，波长变化通过检测光纤布拉格光栅所反射的光的强度变化来确定。这可以以多种方式来实现，且在下文参照各种变型进行详细描述。在所有变型的情况下，优选地通过一个或多个光纤耦合式光电二极管来检测传感器光纤中的反射的光输出的时间强度特性。
优选的变型
根据本发明的计轴方法(OEC思想)的一个特别有利的变型的特征在于：传感器光纤被用于在轨方向上彼此间隔开的两个传感器位置处，所述传感器光纤分别具有两个光纤布拉格光栅，所述两个光纤布拉格光栅布置成行且具有不同布拉格波长；以及，剪切应力差分信号在信号处理单元内借助于光电部件通过传感器光纤中反射的光输出的时间强度特性由光电部件检测并在光电部件的波长滤波器的两个滤波器边缘处滤波而光学地产生，滤波器边缘分别处于光纤布拉格光栅的布拉格波长中的一个的范围内，且具有带不同代数符号的梯度；以及，滤波后的强度特性被检测为差分信号。通过在信号处理单元内处理差分信号，产生(数字)轮信号。
在OEC思想的情况下，光电部件(OE芯片)用于测量反射的光输出和用于信号转换。由于传感器位置上的负载和相应的剪切应力，光纤布拉格光栅的布拉格波长移位。来自各个光纤布拉格光栅的反射的光输出的部分在不同的滤波器边缘进行滤波。布拉格波长的变化是产生的剪切应力的量度。剪切应力信号的光学差的建立在于，源自各个光纤布拉格光栅的两个光纤布拉格光栅的反射的光输出(由两个光纤布拉格光栅反射的光的总光谱)的部分沿着光电部件的相应一个滤波器边缘移位，滤波器边缘具有带不同代数符号的梯度。因此，两个传感器元件的反射的光输出的部分被滤波到不同的程度。布拉格波长和滤波器边缘优选地彼此适配，以使得在所承担的负载期间，光纤布拉格光栅的反射峰相应地不移位到另一滤波器边缘。以这种方式，在两个传感器位置处的剪切应力的差变得非常大时，最小和最大值(代数符号根据光纤布拉格光栅相对于中性光纤的定向方式取决于光纤布拉格光栅相对于中性光纤的角度定向(±45°))出现在反射的光输出的特性中。这可由比较器来数字化。
为了使总输出在小变化的情况下保持不变，有利的是使光纤布拉格光栅的光谱的半高全宽(FWHM)和它们的反射率(R)是相似的。因此，在一个特别有利的变型中，两个光纤布拉格光栅的反射峰的半高全宽相差小于0.5nm，且所述光栅的反射率相差小于20％。除此之外，与滤波器边缘中的工作点(优选中心位置)的偏差应该是小的，通常<1nm。否则，在最小输出之前和之后可能发生下冲和过冲，从而限制了最小可检测的负载。具有以下值的光纤布拉格光栅例如可用于在轨上检测列车轴：λ1＝1541.9nm，R1＝45％，FWHM1＝550pm；λ2＝1550.1nm，R＝55％，FWHM＝650pm。
优选地，参考信号通过传感器光纤中反射的光输出的时间强度特性来检测，且不通过光电部件对所述参考信号滤波；且将差分信号与参考信号进行比较。
在根据本发明的方法的一个替代变型(RR思想)中，具有两个光纤布拉格光栅的传感器光纤被用于在轨方向上彼此间隔开的两个传感器位置处，所述两个光纤布拉格光栅布置成行且具有不同的布拉格波长，剪切应力差分信号通过从空载状态过渡至负载状态过程中两个光纤布拉格光栅的反射峰的光谱重叠而光学地产生。通过在信号处理单元内处理差分信号，产生(数字)轮信号。
布拉格波长的移位是在传感器位置处相应地发生的剪切应力的量度。反射峰的重叠程度是剪切应力差的量度。
反射峰的重叠优选在负载状态下发生。在该变型中，两个光纤布拉格光栅的布拉格波长被选择为：使得一个轨接触半部的两个光纤布拉格光栅的反射峰在负载状态下重叠。反射峰重叠得越多，反射的光就越少。因此，轨的负载被检测为最小强度。因此，在该变型中，剪切应力差分信号由于在轨负载时反射峰的重叠而产生。为此，根据本发明，光纤布拉格光栅的布拉格波长之间的间隔被选择为：使得在负载具有预期质量的情况下，产生反射峰的可感知的重叠、优选完全的重叠。然而，也可将间隔和半高全宽选择为：使得反射峰在空载状态下重叠且在负载期间彼此移离。在这种情况下，最大强度将在负载期间测得。
该RR思想的特征在于，适配器板上的信号处理的复杂度低。
在根据本发明的计轴方法的第三变型(OE2思想)中，使用分别具有一个光纤布拉格光栅的两个传感器光纤，不同传感器光纤的光纤布拉格光栅布置于在轨方向上彼此间隔开的传感器位置处。根据本发明，对于每个传感器光纤，由光纤布拉格光栅反射的光输出的时间强度特性的滤波信号在信号处理单元内通过在光电部件的波长滤波器的每个滤波器边缘处滤波而产生，且所述两个光纤布拉格光栅的剪切应力差分信号通过微控制器电子地产生。由光纤布拉格光栅反射的光在所述光未被滤波的情况下，或通过处理由所述光产生的信号而获得的电子信号用作参考信号(未被光学滤波的光输出信号)。
因此，在该变型中，剪切应力差分信号不是在轨接触半部中确定，而是在微控制器中由通过两个轨接触半部的光电部件处理的信号来确定。因此，电信号的差分被执行。
特别有利的是，由传感器光纤中反射的光输出的时间强度特性来检测参考信号，且不通过光电部件对所述参考信号滤波；以及，剪切应力信号由滤波信号与参考信号的比来确定。因此，实现了与发射的光输出的独立性。
为了检测故障，可检查参考信号是否超过第三限值(第三限值＝上限值)或低于第三限值(第三限值＝下限值)。后一变型是优选的，即，如果参考信号低于预定的第三限值，则检测出故障。因此，优选根据“静光原理(Ruhelichtprinzip)”(类似于静电流原理)执行计轴方法。这意味着，在静操作中，持续检测由光纤布拉格光栅反射的信号。如果光源发生故障，或如果(例如，轨接触部与信号处理板之间的)缆线断开，则参考信号低于预定限值，因此，可实现对光学部件的简单的故障检测。以这种方式，可检测信号处理系统的光学部分、玻璃光纤供送线路和传感器本身处的可能的缺陷(光源故障、缆线断开、插座位置的污染)，而无需额外的诊断装置(光纤布拉格光栅的自测试功能)。例如，可进行光源短时间关闭的测试。另一种可能性是调制光源的光强度。如果检测到的光具有相同的调制，则测试被认为是成功的。在这种情况下不需要关闭光源。
本发明还涉及用于执行根据本发明的方法的各种变型的计轴装置。
根据本发明的第一计轴装置(OEC计轴器)包括光源、至少一个计数单元，每个计数单元均包括用于安装在轨上的两个轨接触半部。根据本发明，每个轨接触半部均包括传感器光纤，所述传感器光纤包括具有第一布拉格波长的第一光纤布拉格光栅和具有第二布拉格波长的第二光纤布拉格光栅，其中，光纤布拉格光栅被设计为：相对于中性光纤倾斜地安装在轨上。此外，轨接触半部包括光电部件，以用于实施由传感器光纤的两个光纤布拉格光栅反射的光输出的光学相减，光电部件包括基于波长的滤波器，所述基于波长的滤波器具有两个滤波器边缘，其中，所述滤波器边缘分别均处于光纤布拉格光栅的布拉格波长中的一个的范围内并具有带不同代数符号的梯度。
优选地，滤波器边缘的梯度的绝对值相同。在这种情况下，如果绝对值相同的梯度处于布拉格波长移位所在的范围内就足以。
为了节省材料，一个计数单元的两个轨接触半部的光纤布拉格光栅可布置在共同的传感器光纤内。信号可通过频率分离滤波器分配给单独的轨接触半部。在该实施例的一个特别节省材料的发展中，计数单元的轨接触半部具有共同的光纤布拉格光栅。
根据本发明的第二计轴装置(RR计轴器)包括光源和至少一个计数单元，每个计数单元均包括两个轨接触半部，以用于安装在轨上，每个轨接触半部均包括传感器光纤，所述传感器光纤包括在彼此间隔开的两个传感器位置处布置成行的两个光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅被设计为：相对于中性光纤倾斜地安装在轨上，且所述两个光纤布拉格光栅的布拉格波长以及所述两个传感器位置之间的距离被选择为：当轨在两个传感器位置之间经受预定的负载时，使得所述两个光纤布拉格光栅的反射光谱重叠。此外，提供了信号处理单元，以用于检测并随后处理由光纤布拉格光栅反射的光。
优选地，所述两个光纤布拉格光栅的布拉格波长和两个传感器位置之间的距离(即，两个光纤布拉格光栅的相同部分之间的距离)被选择为：使得光纤布拉格光栅的两个反射光谱在传感器位置的预定负载期间完全重叠。
为了获得好的饱和效果，光纤布拉格光栅中的一个应具有半高全宽较大的反射峰，而另一光纤布拉格光栅的反射峰的半高全宽应该较小。因此，两个光纤布拉格光栅的反射峰的半高全宽的幅度优选地相差1至2个数量级。因此，防止了在重型列车的情况下反射峰的完全超限，否则这将在反射的光输出的强度特性中导致每轴两个峰值。
特别有利的是，两个光纤布拉格光栅的布拉格波长相差不多于5nm，且一个光纤布拉格光栅的半高全宽为至少0.05nm，另一FBG的半高全宽为至多5nm。优选地，两个FBG的反射峰在空载状态下稍微重叠，第一光纤布拉格光栅(面向信号处理单元的光纤布拉格光栅)的布拉格波长大于第二光纤布拉格光栅(背向信号处理单元的光纤布拉格光栅)的布拉格波长。
根据本发明的第三计轴装置(OE2计轴器)包括光源和至少一个计数单元，每个计数单元均包括两个轨接触半部，以用于安装在轨上。根据本发明，每个轨接触半部分均包括传感器光纤，所述传感器光纤包括具有一布拉格波长的光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅被设计为：相对于中性光纤倾斜地安装在轨上。此外，每个轨接触半部均包括信号处理单元，所述信号处理单元用于产生剪切应力信号，评价处理单元包括具有滤波器边缘(光学滤波器)的光电部件。计轴装置具有微控制器，所述微控制器用于产生由信号处理单元发出的剪切应力信号的差分信号。
微控制器是可编程部件，其确定剪切应力信号与由两个轨接触半部的光电部件处理的信号的差。
对于根据本发明的所有计轴器，优选使用宽带光源、例如超辐射发光二极管作为光源。
在提出的根据本发明的所有计轴装置的情况下，最有利的是，将光纤布拉格光栅(即，光纤布拉格光栅在光传播方向上的延伸)彼此平行地、相对于中性光纤以±30°至±60°的角度、尤其是±45°的角度附接至轨。借助于光纤布拉格光栅的倾斜布置，通过检测当轮沿着轨滚动时由光纤布拉格光栅反射的光来测量轨中的剪切应力。因此，该方法与轮和轮辋的尺寸无关。
优选地，光纤布拉格光栅与轨的中性光纤交叉。
在根据本发明的计轴装置的一个有利实施例的情况下，光纤布拉格光栅配备有转换器结构，以用于补偿轨的温度膨胀。通过转换器结构限制了由轨的温度变化所引起的波长变化的绝对值。同时，转换器结构的任务是提高剪切应力的相对较低的应变水平，以便也能够检测较低的轴负载。
特别有利的是，光纤布拉格光栅以预拉伸固定至轨。以这种方式，可以以简单的方式来确认光纤布拉格光栅是否已经从轨松动，因为当不再存在预拉伸时，光纤布拉格光栅的布拉格波长发生变化。光纤布拉格光栅以预拉伸来固定使得可检测光纤布拉格光栅是否已从轨松动，因为当光纤布拉格光栅松动时，预拉伸不再存在，因此光纤布拉格光栅的布拉格波长相应地变化。因此，发出永久的轮信号。预拉伸可在将光纤布拉格光栅附接到轨上之前机械地实现，或在将托架以预拉伸固定在轨上时通过托架热力地实现。
特别有利的是，提供了调整装置，以用于调节FBG安装在轨上所承受的预拉伸。
优选地，信号处理单元包括光纤分束器。分束器用于除了边缘滤波信号之外通过第二光电二极管拾取参考信号。
附图说明
本发明的其他优点将从描述和附图体现。根据本发明，以上提到的特征以及下面进一步详细描述的特征可单独地或以任何组合的方式共同使用。所示出和描述的实施例不应被理解为完全地列出，而是作为示例来描述本发明的性质。
图1示出了根据本发明根据EOC思想的计轴装置的轨接触半部的示意性结构。
图2是由图1(EOC思想)的轨接触半部接收的光学信号的处理情况的框线图。
图3示出了反射峰相对于滤波器边缘的特性(EOC思想)。
图4示出了根据OEC思想通过光电二极管检测的差分信号的光电流的时间特性，以及所检测的光电流的被分配给各个光纤布拉格光栅的部分。
图5示出了根据本发明根据RR思想的计轴装置的轨接触半部的示意性结构。
图6是由图5(RR思想)的轨接触半部中的一个接收到的光学信号的处理情况的框线图。
图7a，b示出了在空载和负载状态下的反射峰的布置。
图8示出了根据RR思想的差分信号的时间特性。
图9示出了根据本发明根据EO2思想的计轴装置的两个轨接触半部的示意性结构。
图10是根据图9(OE2思想)由两个轨接触半部接收的信号的处理情况的框线图。
图11示出了在轨的空载状态下反射峰相对于滤波器边缘的布置。
图12a示出了根据OE2思想的两个轨接触半部的剪切应力信号的时间特性。
图12b示出了根据OE2思想的差分信号的时间特性。
图13a示出了根据OEC和RR思想具有独立的传感器光纤的固定至轨的两个轨接触半部的光纤布拉格光栅。
图13b示出了根据OEC和RR思想具有共同的传感器光纤的固定至轨的两个轨接触半部的光纤布拉格光栅。
图13c示出了根据OE2思想固定至轨的两个轨接触半部的光纤布拉格光栅。
图14是具有根据图13a-c固定至轨的光纤布拉格光栅的轨的横截面。
图15示出了根据本发明的计轴装置的总体结构。
具体实施方式
图1示出了根据本发明根据EOC思想的计轴装置的轨接触半部SK1的结构。轨接触半部SK1包括传感器光纤SF，传感器光纤SF具有两个光纤布拉格光栅FBG1，FBG2，所述两个光纤布拉格光栅FBG1，FBG2彼此间隔开且优选预组装在托架T上，从而使得它们可简单地以期望定向安装在轨S上(见图13a，b)。光纤布拉格光栅FBG1，FBG2具有不同的布拉格波长λ1，λ2，因而相应地反射具有对应的布拉格波长λ1，λ2的光。光通过光源L耦合到传感器光纤SF中。由光纤布拉格光栅FBG1，FBG2反射的光通过光纤耦合器FK传输到光电部件OEC，反射的光在该光电部件中被处理。在当前情况下，光电部件OEC和光源L是信号处理单元SV的一部分。
图2示出了反射光随后在信号处理单元SV内被处理的情况。反射光从传感器光纤SF传输到光电部件OEC中，在光电部件OEC中，光通过分束器ST分离。在第一通道中，反射光通过波长滤波器F进行滤波，并通过第一光电二极管PD1被检测为电差分信号SD。在第二通道中，反射光直接传输到第二光电二极管PD2上，并在那里被检测为参考信号SR，参考信号SR正比于总反射的光输出。根据本发明，波长滤波器F具有两个滤波器边缘K1，K2，两个滤波器边缘K1，K2具有带不同代数符号的梯度。由于该不同代数符号，两个光纤布拉格光栅FBG1，FBG2的布拉格波长λ1，λ2的、例如到更大波长的移位被不同地评价处理，即由于在第一光纤布拉格光栅FBG1的情况下检测到的光输出的增加，且由于在另一光纤布拉格光栅FBG2的情况下检测到的光输出的减少。
跨阻放大器V1，V2将差分信号SD和参考信号SR转换为应力信号。所述应力信号现在可随后被处理(例如，通过低通滤波)。为了确定实际测量的变量，提供差分信号SD和参考信号SR之间的比。因此，实现了路径中性，且可进行与阻尼效应无关的测量。因而所产生的信号正比于轴负载，可分别进行分析。借助于比较器，可将模拟信号转换成数字轮信号(轮脉冲RI1)。
图3示出了滤波器边缘K1，K2相对于光纤布拉格光栅FBG1，FG2的反射峰P1，P2的可能特性。两个滤波器边缘K1，K2具有相同的梯度绝对值，但是在所示的图中沿着不同方向倾斜(不同的代数符号)。光纤布拉格光栅FBG1，FBG2的反射峰P1，P2被选择为相对于滤波器边缘K1，K2对称。滤波器边缘K1，K2延伸穿过反射峰P1，P2，从而使得反射峰到更大波长和更小波长的移位引起光强度的变化，第一反射峰P1到更大波长的移位引起强度的增加，而第二反射峰P2到更大波长的移位引起强度的降低。
图4是差分信号SD(实线)和从差分信号(FBG1：虚线，FBG2：点线)由光纤布拉格光栅FBG1，FBG2反射的光的部分的特性。在所示的示例中，第一光纤布拉格光栅由于接近的负载而被压缩，且第一光纤布拉格光栅FBG1的布拉格波长λ1移位到更大波长，即沿着上升的滤波器边缘K1移位。由此引起光输出的强度的增加。如果负载越过第一光纤布拉格光栅FBG1朝着第二光纤布拉格光栅FBG2移动，则第一光纤布拉格光栅FBG1被拉伸，因此，第一光纤布拉格光栅FBG1的布拉格波长λ1移位到更小波长(沿着下降的滤波器边缘K1)，而第二光纤布拉格光栅FBG2被压缩，因此，第二光纤布拉格光栅FBG2的布拉格波长λ2移位到更大波长(沿着下降的滤波器边缘K2)。这产生了图4所示的特性中的差分信号SD。如果差分信号SD低于预定限值G，则检测到轮脉冲RI1。
图5示出了根据RR思想的计轴装置的轨接触半部SK1的结构。轨接触半部SK1包括传感器光纤SF，传感器光纤SF具有两个光纤布拉格光栅FBG1和FBG2，所述两个光纤布拉格光栅FBG1和FBG2彼此间隔开且优选预组装在托架T上，从而使得它们可简单地以期望定向安装在轨S上(参见图13a，b)。光纤布拉格光栅FBG1，FBG2具有不同的布拉格波长λ1，λ2，因而反射具有相应的布拉格波长λ1，λ2的光。光通过光源L耦合到传感器光纤SF中。由光纤布拉格光栅FBG1，FBG2反射的光传输到信号处理单元SV，反射的光在信号处理单元SV中被处理。在当前情况下，光源L是信号处理单元SV的一部分。
图6示出了反射的光随后在信号处理单元SV内的处理情况。反射的光通过光电二极管PD被检测为电差分信号SD。两个光纤布拉格光栅FBG1，FBG2的布拉格波长λ1，λ2的移位。跨阻放大器V将差分信号SD转换为应力信号。所述应力信号现在可随后被处理(例如，通过低通滤波)。通过比较器可将模拟信号转换成数字轮信号(轮脉冲RI1)。
图7a，b示出了空载状态和负载状态(图7a)的两个光纤布拉格光栅FBG1，FBG2的反射峰P1，P2的一个特别有利的示例。7a)。7B)。反射峰P1，P2具有不同的半高全宽FWHM。在空载状态下，在所示的示例中，反射峰P1，P2略微重叠，从而使得反射峰到更大波长以及到更小波长的移位引起光强度的变化，反射峰P1，P2远离彼此的移位引起强度的增加，而反射峰P1，P2朝着彼此的移位引起强度的降低，因为反射峰P1，P2的重叠减小了反射光的带宽。由于待由第二光纤布拉格光栅FBG2反射的光的一部分已被第一光纤布拉格光栅FBG1反射，且因而不会到达第二光纤布拉格光栅FBG2，从而不能被第二光纤布拉格光栅FBG2反射，因此，差分信号SD由反射峰P1，P2的重叠而产生。
图8是差分信号SD的特性图。在所示的示例中，第一光纤布拉格光栅由于接近的负载而被压缩，且第一光纤布拉格光栅FBG1的第一反射峰P1移位到更大波长，即朝着第二反射峰P2移位。因此，反射峰P1，P2的重叠增加，从而引起光输出的强度降低。如果负载越过第一光纤布拉格光栅FBG1朝着第二光纤布拉格光栅FBG2移动，则第一光纤布拉格光栅FBG1被拉伸，第一光纤布拉格光栅FBG1的布拉格波长λ1和第一反射峰P1因而移位到更小波长，而第二光纤布拉格光栅FBG2被压缩，第二光纤布拉格光栅FBG2的第二反射峰P2因而移位到更大波长。因此，反射峰P1，P2彼此远离。因此，反射峰P1，P2的重叠减少，从而引起光输出的强度的快速增加。这产生了图8所示的差分信号SD的特性。如果差分信号SD超过预定的限值G，则检测到轮脉冲RI1。
图9示出了根据本发明根据EO2思想的计轴装置的两个轨接触半部体SK1，SK2的结构。轨接触半部SK1，SK2分别包括一个具有相应的一个光纤布拉格光栅FBG1，FBG2的传感器光纤SF。两个轨接触半部SK1，SK2的光纤布拉格光栅FBG1，FBG2相应地具有布拉格波长λ1，λ2，因而相应地反射具有对应的布拉格波长λ1，λ2的光。在该变型中，布拉格波长λ1，λ2可相同。在每种情况下，光通过光源L耦合到传感器光纤SF中。然而，原则上，可仅提供一个光源来将光提供到两个传感器光纤SF中。由光纤布拉格光栅FBG1，FBG2反射的光通过光纤耦合器FK传输到每个轨接触半部SK1，SK2内的光电部件OEC，反射的光在光电部件OEC中被处理。在当前情况中，光电部件OEC和光源L是信号处理单元SV的一部分。光电部件OEC将检测到的信号转换为电流，处理所述电流，并随后将其传导到微控制器MC，在微控制器MC中产生差分信号。在微控制器MC内，通过建立阈值从差分信号产生数字信号，该数字信号作为轮脉冲发出。
图10示出了反射的光随后在信号处理单元SV中的处理情况。在两个传感器光纤SF中反射的光从传感器光纤SF传输到光电部件OEC中，在光电部件OEC中，光通过分束器ST分离。在每种情况下，反射的光通过具有滤波器边缘K的波长滤波器F在第一通道内被滤波，并通过第一光电二极管PD1被检测为剪切应力信号S1，S2。在每种情况下，反射的光在第二通道内直接传输到第二光电二极管PD2，并在那里被检测为参考信号SR1，SR2，参考信号SR1，SR2正比于相应的传感器光纤SF1，SF2中反射的总光输出。跨阻放大器V1，V2将剪切应力信号S1，S2和参考信号SR1，SR2转换为应力信号。所述应力信号现在可随后被处理(例如，通过低通滤波)。为了确定要随后处理的实际信号，提供差分信号SD与参考信号SR之间的比。于是，将这些比信号传输至微控制器MC，微控制器MC通过使电信号相减而产生差分信号。
图11示出了第一滤波器边缘K相对于第一光纤布拉格光栅FBG1的第一反射峰P1的可能特性。滤波器边缘K延伸穿过反射峰P1，从而使得反射峰到更大波长以及到更小波长的移位引起光强度的变化，第一反射峰P1到更大波长的移位引起强度的降低，而第一反射峰P1到更小波长的移位引起强度的增加。第二滤波器边缘K相对于第二光纤布拉格光栅FBG2的第二反射峰P2的特性优选相同。
图12a示出了根据OE2思想两个轨接触半部的剪切应力信号的时间特性。
如果形成两个剪切应力特性的差，则当负载通过轮传递到轨精确地发生在两个传感器之间时该差最大，如图12b所示。
图13a，13b示出了根据OEC和RR思想两个轨接触半部SK1，SK2的、固定至轨S的光纤布拉格光栅FBG1，FBG2。第一光纤布拉格光栅FBG1和第二光纤布拉格光栅FBG2分别在两个传感器位置SS1，SS2处一起布置在托架T上，所述两个传感器位置SS1，SS2在轨方向上彼此间隔开，该托架以预拉伸安装在轨S上。在图13a中，为每个轨接触半部SK1，SK2提供单独的传感器光纤SF，第一光纤布拉格光栅FBG1和第二光纤布拉格光栅FBG2被并入(eingeschrieben)所述传感器光纤中，两个光纤布拉格光栅FBG1，FBG2彼此间隔开。图13b示出了另一实施例，其中，两个轨接触半部SK1，SK2的光纤布拉格光栅FBG1，FBG2是单个传感器光纤SF的一部分。信号通过频率分离滤波器FW传输到相应的轨接触半部SK1，SK2的信号处理单元SV。然而，为了这个目的，这四个光纤布拉格光栅FBG1，FBG2必须具有不同的布拉格波长。
图13c示出了根据OE2思想固定至轨的两个轨接触半部的光纤布拉格光栅。每个光纤布拉格光栅FBG1，FBG2分别被并入其自身的传感器光纤SF1，SF2，并分别相应地预组装在托架T上。
在图13a和图13c中，光纤布拉格光栅FBG1，FBG2相对于中性光纤NF以45°角度固定至轨。另一方面，图13b示出了一个实施例，其中，光纤布拉格光栅FG1，FBG2相对于中性光纤NF以-45°角度固定至轨。这两个附接选项对于这里描述的所有三个思想都是可行的。图13a，c和图13b中光纤布拉格光栅FBG1，FBG2的不同定向具有的效果是，具有不同代数符号的剪切应力信号以及差分信号被发出。优选地，定向被选择为：使得轮信号被发射成最小。优选地，两个光纤布拉格光栅布置为彼此间隔约150mm。如果两个传感器元件彼此足够靠近(优选地比150mm更靠近)，则它们也经历相同的温度，从而不会发生光纤布拉格光栅的变化的温度特性。也可以这种方式补偿由于力侧向输入到轨道头中而引起的轨的扭转。
图14是轨S的横截面，其具有根据图13a-c通过托架T附接至轨S的光纤布拉格光栅。
图15示出了根据本发明的计轴装置的总体结构。所示的计轴装置包括两个计数单元ZP，每个计数单元ZP分别具有两个轨接触半部SK1，SK2，每个轨接触半部SK1，SK2分别相应地产生轮脉冲RI1，RI2，轮脉冲RI1，RI2被传输至每个计数单元内的计数装置。可使用轮脉冲RI1，RI2在每个计数单元内确定行驶方向。检测到的信息(轮脉冲RI1，RI2，行驶方向)被传输至评价处理单元ACE。
附图标记列表
ACE 评价处理单元
F 波长滤波器
FBG1，FBG2 光纤布拉格光栅
FK 光纤耦合器
FW 频率分离滤波器
FWHM 半高全宽
G 限值
K，K1，K2 滤波器边缘
L 光源
MC 微控制器
NF 中性光纤
OEC 光电部件
P1，P2 反射峰
PD，PD1，PD2 光电二极管
RI1，RI2 轮脉冲
SK1，SK2 轨接触半部
S 轨
SF 传感器光纤
SS1，SS2 传感器位置
ST 分束器
SV 信号处理单元
SD 差分信号
SR，SR1，SR2 参考信号
S1，S2 剪切应力信号
T 托架
V，V1，V2 跨阻放大器
ZP 计数单元
λ1，λ2 布拉格波长
Claims (22)
1.一种用于轨道车辆的计轴方法，包括以下方法步骤：
·将光耦合到至少一个传感器光纤(SF，SF1，SF2)中，其中，所述传感器光纤(SF，SF1，SF2)包括安装在轨(T)上的至少一个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)，每个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)均具有反射光谱，所述反射光谱具有反射峰(P1，P2)，所述反射峰(P1，P2)在布拉格波长(λ1，λ2)处并具有半高全宽(FWHM)，
·检测由彼此间隔开的两个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)反射的光；
·产生剪切应力差分信号；
·如果剪切应力差分信号超过预定的上限值(G)或低于预定的下限值(G)，就在信号处理单元内产生轮信号。
2.根据权利要求1所述的计轴方法，其特征在于，
分别具有两个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)的传感器光纤(SF)被用于在轨方向上彼此间隔开的两个传感器位置(SS1，SS2)处，所述两个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)布置成行且具有不同的布拉格波长(λ1，λ2)，且
剪切应力差分信号在信号处理单元(SV)内借助于光电部件(OEC)通过传感器光纤(SF)中反射的光输出的时间强度特性在光电部件(OEC)的波长滤波器的两个滤波器边缘(K1，K2)处借助于光电部件(OEC)被滤波而光学地产生，所述滤波器边缘(K1，K2)分别处于光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)的布拉格波长(λ1，λ2)中的一个的范围内，且具有带不同的代数符号的梯度，且
滤波后的强度特性被检测为差分信号，且
通过在信号处理单元内处理差分信号而产生轮信号。
3.根据权利要求2所述的计轴方法，其特征在于，所述两个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)的反射峰(P1，P2)的半高全宽相差小于0.5nm，所述光栅的反射率(R)相差小于20％。
4.根据权利要求2所述的计轴方法，其特征在于，参考信号由传感器光纤(SF)中反射的光输出的时间强度特性来检测，且不通过光电部件(OEC)对所述参考信号滤波；将差分信号与参考信号进行比较。
5.根据权利要求1所述的计轴方法，其特征在于，
具有两个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)的传感器光纤(SF)被用于在轨方向上彼此间隔开的两个传感器位置(SS1，SS2)处，所述两个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)布置成行且具有不同的布拉格波长(λ1，λ2)，且
剪切应力差分信号通过从空载状态过渡至负载状态过程中所述两个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)的反射峰(P1，P2)的光谱重叠而光学地产生。
6.根据权利要求5所述的计轴方法，其特征在于，反射峰在负载状态下重叠。
7.根据权利要求1所述的计轴方法，其特征在于，
使用分别具有一个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)的两个传感器光纤(SF1，SF2)，不同传感器光纤(SF1，SF2)的光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)布置于在轨方向上彼此间隔开的相应的传感器位置(SS1，SS2)处，且
对于每个传感器光纤(SF1，SF2)，由传感器光纤(SF1，SF2)中的光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)反射的光输出的时间强度特性的滤波信号通过在光电部件(OEC)的波长滤波器的每个滤波器边缘(K1，K2)处滤波而在信号处理单元(SV)内产生为剪切应力差分信号，且
所述两个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)的剪切应力差分信号通过微控制器(MC)电子地产生。
8.根据权利要求7所述的计轴方法，其特征在于，参考信号由传感器光纤(SF)中反射的光输出的时间强度特性来检测，且不通过光电部件(OEC)对所述参考信号滤波；剪切应力信号由被滤波的信号与参考信号比来确定。
9.根据前述权利要求中任一项所述的计轴方法，其特征在于，如果参考信号低于预定的第三限值，就确认出现故障。
10.一种用于实施根据权利要求2所述的方法的计轴装置，包括：
光源(L)，
至少一个计数单元(ZP)，其中，每个计数单元(ZP)均包括两个轨接触半部(SK1，SK2)，以用于安装在轨(T)上，其中，每个轨接触半部(SK1，SK2)均包括：
-传感器光纤(SF)，其包括具有第一布拉格波长(λ1)的第一光纤布拉格光栅(FBG1)和具有第二布拉格波长(λ2)的第二光纤布拉格光栅(FBG2)，其中，光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)被设计为：相对于中性光纤(NF)倾斜地安装在轨(T)上，
-信号处理单元(SV)，其具有光电部件(OEC)，以用于实施由传感器光纤(SF)的两个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)反射的光输出的光学相减，其中，光电部件(OEC)包括基于波长的滤波器(F)，所述基于波长的滤波器(F)具有两个滤波器边缘(K1，K2)，其中，所述滤波器边缘(K1，K2)分别处于光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)的布拉格波长(λ1，λ2)中的一个的范围内并具有带不同代数符号的梯度。
11.根据权利要求10所述的计轴装置，其特征在于，滤波器边缘(K1，K2)的梯度的绝对值相同。
12.根据权利要求10或11所述的计轴装置，其特征在于，计数单元(ZP)的两个轨接触半部(SK1，SK2)的光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)布置在共同的传感器光纤(SF)内。
13.一种用于实施根据权利要求4所述的方法的计轴装置，包括：
光源(L)，
至少一个计数单元(ZP)，其中，每个计数单元(ZP)均包括两个轨接触半部(SK1，SK2)，以用于安装在轨(T)上，其中，每个轨接触半部(SK1，SK2)均包括：
·传感器光纤(SF)，其包括在彼此间隔开的两个传感器位置(SS1，SS2)处布置成行的两个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)，
其中，光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)被设计为：相对于中性光纤(NF)倾斜地安装在轨(T)上，其中，所述两个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)的布拉格波长(λ1，λ2)以及所述两个传感器位置(SS1，SS2)之间的距离被选择为：当轨(T)在两个传感器位置(SS1，SS2)之间经受预定的负载时，所述两个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)的反射峰(P1，P2)重叠，
·信号处理单元(SV)，其用于检测并随后处理由光纤布拉格光栅反射的光。
14.根据权利要求13所述的计轴装置，其特征在于，所述两个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)的反射峰(P1，P2)的半高全宽(FWHM)的幅度相差1-2个量级。
15.根据权利要求13或14所述的计轴装置，其特征在于，所述两个光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)的布拉格波长(λ1，λ2)相差不多于5nm，且一个光纤布拉格光栅(FBG1)的半高全宽(FWHM)为至少0.05nm，另一光纤布拉格光栅(FBG2)的半高全宽为至多5nm。
16.一种用于实施根据权利要求7所述的方法的计轴装置，包括：
光源(L)，
其中，每个计数单元(ZP)均包括两个轨接触半部(SK1，SK2)，以用于安装在轨(T)上，其中，每个轨接触半部(SK1，SK2)均包括：
-传感器光纤(SF1，SF2)，其包括具有一布拉格波长(λ1，λ2)的光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)，其中，光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)被设计为：相对于中性光纤(NF)倾斜地安装在轨(T)上，
-信号处理单元(SV)，其用于产生剪切应力信号，其中，信号处理单元(SV)包括具有滤波器边缘(K)的光电部件(OEC)，以及
包括微控制器(MC)，其用于产生由信号处理单元(SV)发出的剪切应力信号的差分信号。
17.根据权利要求10-16中任一项所述的计轴装置，其特征在于，光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)彼此平行地、相对于中性光纤(NF)以±30°至±60°的角度、尤其以±45°的角度附接至轨(T)。
18.根据权利要求10-17中任一项所述的计轴装置，其特征在于，光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)与轨(T)的中性光纤(NF)交叉。
19.根据权利要求10-18中任一项所述的计轴装置，其特征在于，光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)配备有转换器结构，以用于补偿轨(T)的温度膨胀。
20.根据权利要求10-19中任一项所述的计轴装置，其特征在于，光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)以预拉伸固定至轨(T)。
21.根据权利要求20所述的计轴装置，其特征在于，提供了调整装置，以用于调节光纤布拉格光栅(FBG1，FBG2)安装在轨(T)上所承受的预拉伸。
22.根据权利要求10-21中任一项所述的计轴装置，其特征在于，所述信号处理单元包括光纤分束器(ST)。
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