CN108692669A - 一种用于铁路轨道计轴的光纤光栅传感器 - Google Patents

一种用于铁路轨道计轴的光纤光栅传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于铁路轨道计轴的光纤光栅传感器，包括应变片基体和双级杠杆放大结构；所述应变片基体的上表面和下表面分别设置一光纤光栅；所述双级杠杆放大结构包括第一杆杠和第二杠杆，所述第一杠杆的动力臂末端抵设于所述第二杠杆的阻力臂末端，所述第一杠杆的阻力臂末端与钢轨接触，所述第二杠杆的动力臂末端与应变片基体接触；所述动力臂长度大于阻力臂长度。本发明可实现钢轨底部的应变的放大，使得在免除串接温度传感器的同时，提高了测量的精确性和稳定性。

Description

一种用于铁路轨道计轴的光纤光栅传感器
技术领域
本发明涉及轨道交通安全监测技术领域，尤其涉及一种用于铁路轨道计轴的光纤光栅传感器。
背景技术
铁路需要对列车在轨道上位置以及通行情况进行监测和判断，并据此进行车辆调度以避免列车的相撞和追尾，因此铁路信号系统是非常重要的技术设备之一，是铁路交通的红、绿灯。其中信号系统中监测列车通行情况的计轴系统，是系统的核心和关键。目前的计轴系统主要是轨道电路和电磁系统两种。近年来，随着光纤光栅传感技术的发展，由于其具有无源、绝缘、本安防爆、信号远传、可靠性高等优点，日益得到关注。
光纤光栅传感技术是利用温度、应变等物理参量对光纤光栅反射波长位置的影响进行解析和演算。专利CN200710121157.X，CN200920088856.3，CN201019087029.7专利和CN201410539393.3均是基于列车车轴对钢轨施加的形变这一思想来进行计轴监测。对该过程进行施力分析中，设定轮轴与钢轨的接触长度为5mm，分摊到每个车轮上的重量为10吨，钢轨在两端枕木位置固定，枕木间距为54cm，轨道钢材选用60kg/m的钢轨，杨氏弹性模量为215GPa，利用ANSYS计算可得在钢轨底部的最大应变仅为130με。由于光纤光栅的应变灵敏度系数为1pm/με，即此时波长最大的改变量约为130pm。由于光纤光栅的温度灵敏度系数为10pm/℃，即温度的变化会对应变测量结果产生干扰，因此目前均采用串接一个光纤光栅温度传感器用于光纤光栅计轴测量，来补偿温度对应变测量的影响，但利用温度传感器对应变传感器的数据进行矫正，会导致现场需要增加传感器的布设数量以及软件计算的工作量，造成使用中的不便，即使如此，考虑到光纤光栅解调仪表自身有测量误差，对计轴的监测效果仍有严重影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种用于铁路轨道计轴的光纤光栅传感器，实现钢轨底部的应变的放大，使得在免除串接温度传感器的同时，提高了测量的精确性和稳定性。
本发明是这样实现的：一种用于铁路轨道计轴的光纤光栅传感器，包括应变片基体和双级杠杆放大结构；
所述应变片基体的上表面和下表面分别设置一光纤光栅；
所述双级杠杆放大结构包括第一杆杠和第二杠杆，所述第一杠杆的动力臂末端抵设于所述第二杠杆的阻力臂末端，所述第一杠杆的阻力臂末端与钢轨接触，所述第二杠杆的动力臂末端与应变片基体接触；
所述动力臂长度大于阻力臂长度。
进一步的，所述第一杠杆的阻力臂末端通过第一触头抵设于钢轨下方，所述第二杠杆的动力臂末端通过第二触头抵设于应变片基体上表面。
进一步的，所述第一杠杆的阻力臂末端还设有第一复位弹簧，所述第一触头和第一复位弹簧分别位于所述第一杠杆的阻力臂两侧，使得未受到钢轨作用力时的第一杠杆保持在一固定位置，第一复位弹簧的设置也为确保第一触头与第一杠杆在运动中始终保持紧密贴合。
进一步的，所述第一杠杆与第二杆杠的接触端两侧分别安装有一限位块和一第二复位弹簧，使第一杠杆和第二杠杆在未受钢轨的力时保持在一固定位置上。
本发明具有如下优点：通过设计双极杠杆结构实现对钢轨底部的应变的较大倍数的放大，使其超过传感器所处最大环境温度对传感器的影响，在免除串接温度传感器的同时，避免因过长的动力臂导致的结构不稳定问题，导致传感器高度增加。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明一种用于铁路轨道计轴的光纤光栅传感器的内部结构示意图。
图2为本发明一种用于铁路轨道计轴的光纤光栅传感器在一实施例中的初始状态示意图。
图3为本发明一种用于铁路轨道计轴的光纤光栅传感器的在一实施例中的工作状态示意图。
附图标号说明：
10-应变片基体，11-光纤光栅，21-第一杠杆，211-第一杠杆的阻力臂，212-第一杠杆的动力臂，22-第二杠杆，221第二杠杆的阻力臂，222-第二杠杆的动力臂，23-第一触头，24-第二触头，25-第一复位弹簧，26-限位块，27-第二复位弹簧。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明一种用于铁路轨道计轴的光纤光栅传感器，包括应变片基体10和双级杠杆放大结构；
所述应变片基体10的上表面和下表面分别设置一光纤光栅11，可采用点胶方式固定所述光纤光栅11，形成一个完整的光纤光栅应变传感器；
所述双级杠杆放大结构包括第一杆杠21和第二杠杆22，所述第一杠杆21的动力臂212末端抵设于所述第二杠杆22的阻力臂221末端，所述第一杠杆21的阻力臂211末端与钢轨(未图示)接触，所述第二杠杆22的动力臂222末端与应变片基体10接触；
所述动力臂长度大于阻力臂长度，即所述第一杠杆21的动力臂212长度m2大于第一杠杆21的阻力臂211长度m1，所述第二杠杆22的动力臂222长度n2大于第二杠杆22的阻力臂221长度n1。
较佳的，所述第一杠杆21的阻力臂211末端通过第一触头23抵设于钢轨(未图示)下方，所述第二杠杆22的动力臂222末端通过第二触头24抵设于应变片基体10上表面。
较佳的，所述第一杠杆21的阻力臂211末端还设有第一复位弹簧25，所述第一触头23和第一复位弹簧25分别位于所述第一杠杆21的阻力臂211两侧，使得未受到钢轨作用力时的第一杠杆21保持在一固定位置，即初始状态位置。
较佳的，所述第一杠杆21与第二杆杠22的接触端两侧分别安装有一限位块26和一第二复位弹簧27，使第一杠杆21和第二杠杆22在未受钢轨的力时保持在一固定位置上，即初始状态位置。
本发明传感器的工作原理如下：
本发明传感器初始状态下，即未受到钢轨作用力时，如图2所示，第一杠杆21和第二杠杆22相互抵触，且受第一复位弹簧25和第二复位弹簧27的作用，始终保持与第一触头23和第二触头24紧密接触，并位于一固定位置上；在第一触头23受到钢轨向下的作用力时，第一杠杆21的阻力臂211受向下的力，第一杠杆21支点O1的另一侧动力臂212受反方向的向上的力，推动第二杠杆22的阻力臂221向上运动，相应的第二杠杆22支点O2的另一端动力臂222受向下的力，通过第二触头24实现对应变片基体10的向下作用力，使得应变片基体受力弯曲，即列车经过计轴传感器时，使传感器发生形变，传感器上、下表面的光纤光栅分别处于放大的张应变和压应变状态，导致波长变化。
在一实施例中，设尺寸m2和n2均为42mm，m1和n1均为12mm，根据杠杆原理：动力×动力臂＝阻力×阻力臂，可得倍数公式：x＝(m2×n2)/(m1×n1)，将m2、n2、m1和n1代入倍数公式可得放大倍数x为12.25倍。即可以将130με放大至1592.5με，此时对应光纤光栅波长变化接近1.6nm。计轴传感器所处的环境温度按照-40℃～60℃计算，光纤光栅传感器波长变化为1nm，仍有0.6nm的测量范围。
上述m2、n2、m1和n1可根据实际需要进行调整。
本发明利用光纤光栅温度同向变化、应变反向变化的原理，在应变片基体上、下表面各粘贴一个光纤光栅，使传感器自身实现温度补偿功能。本发明还设计了双极杠杆放大结构的用于轨道计轴的光纤光栅传感器，可实现10倍以上应变测量放大，使其超过传感器所处最大环境温度对传感器的影响，在免除串接温度传感器的同时，也避免了因过长的动力臂导致的结构不稳定问题，导致传感器高度增加，本发明传感器结构简单，易于实现，检测精确度和稳定性(该稳定性包括自身结构的稳定性和不受外界环境变化的稳定性)均明显高于现有的同类型传感器。
本发明传感器应用于铁路轨道信号系统中，可实现计轴现场的“无源”监测，从本质上消除了电磁干扰的影响。同时由于传感器无需现场供电，便于布设，采用本发明传感器能够解决现有轨道检测设备易受电磁干扰和恶劣环境影响的问题，有利于光纤传感信号远传形成分布式监测的能力，实现更大范围的传感覆盖以及传感器互检，大大提高铁路轨道安全性和铁路运营效率。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种用于铁路轨道计轴的光纤光栅传感器，其特征在于：包括应变片基体和双级杠杆放大结构；
所述应变片基体的上表面和下表面分别设置一光纤光栅；
所述双级杠杆放大结构包括第一杆杠和第二杠杆，所述第一杠杆的动力臂末端抵设于所述第二杠杆的阻力臂末端，所述第一杠杆的阻力臂末端与钢轨接触，所述第二杠杆的动力臂末端与应变片基体接触；
所述动力臂长度大于阻力臂长度。
2.根据权利要求1所述的一种用于铁路轨道计轴的光纤光栅传感器，其特征在于：所述第一杠杆的阻力臂末端通过第一触头抵设于钢轨下方，所述第二杠杆的动力臂末端通过第二触头抵设于应变片基体上表面。
3.根据权利要求2所述的一种用于铁路轨道计轴的光纤光栅传感器，其特征在于：所述第一杠杆的阻力臂末端还设有第一复位弹簧，所述第一触头和第一复位弹簧分别位于所述第一杠杆的阻力臂两侧，使得未受到钢轨作用力时的第一杠杆保持在一固定位置。
4.根据权利要求1所述的一种用于铁路轨道计轴的光纤光栅传感器，其特征在于：所述第一杠杆与第二杆杠的接触端两侧分别安装有一限位块和一第二复位弹簧，使第一杠杆和第二杠杆在未受钢轨的力时保持在一固定位置上。
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