CN210284245U - 一种基于光纤传感的轨道分路不良监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤传感的轨道分路不良监测系统。所述监测系统包括：光纤光栅传感器阵列、光开关器、环形器、解调模块、嵌入式模块、电源、宽带光源以及显示终端；光纤光栅传感器阵列检测轨道上的应变信号；将应变信号转换为光信号，并将光信号传输至光开关器；光开关器将光信号通过环形器进行光路回转，将光信号传输至解调模块；解调模块将光信号转换为电信号传输至嵌入式模块；嵌入式模块通过局域网接口，将电信号传输至显示终端，由显示终端对电信号进行解析，监测轨道分路不良区段。采用本实用新型所提供的监测系统能够对轨道分路不良区段进行实时监测，提高监测结果的准确率。

Description

一种基于光纤传感的轨道分路不良监测系统

技术领域

本实用新型涉及轨道分路不良监测领域，特别是涉及一种基于光纤传感的轨道分路不良监测系统。

背景技术

随着铁路运输的迅猛发展，铁路日常监测及维修要求越来越高，随着铁路轨道的增加，列车在行驶途中有了更多的选择。目前，全国铁路存在几万段轨道分路不良区段，轨道分路不良指的是当列车进入一段轨道区段时，由于不良导电物的影响会造成列车占用轨道时的轨道继电器不能正常落下，对应区段的轨道继电器却仍处于吸起状态或时吸时落状态，此时相应的信号灯和控制灯会错误显示绿灯或白灯，从而失去了对轨道区段占用状态检查的功能；列车司机和车站调度人员也就会误认为该区段内无车占用，从而进行行车和进路操作，进而可能造成列车冲撞、脱轨等重大交通事故。由于这种区段无法完成列车占用检查，从而会引发进路提前错误解锁，引起道岔中途转换，造成挤岔、脱线事故或列车侧面冲突等事故，进而存在很大的安全隐患，严重影响铁路运输效率。

由于轨道电路分路不良往往会造成比较严重的安全事故，因此，解决轨道电路分路不良问题刻不容缓。

针对分路不良问题，人们提出了很多的解决办法，但是现有的几种解决轨道电路分路不良的方法都或多或少存在一些缺点，例如脉冲轨道电路(对轮缘污染无效，由于轨面电压过高，可能使工字绝缘和其他扣件被高压击穿)、钢轨表面技术喷漆技术(车轮多次碾压无效)、提高轨面电压(送受电端阻抗提高有限，需考虑断轨检查因素，电源屏容量增加)等不能彻底地解决分路不良问题。

例如，一种使用机械清除钢轨踏面原有锈蚀物，采用钢渗铝方式在钢轨踏面形成渗铝层，以渗铝钢优异的抗高温氧化性和耐腐蚀性解决轨道电路分路不良的方法，这种方式施工比较麻烦，后期维护不容易；还有一种是提供在原有轨道电路区段内，利用储能电容器存储的高压能量，通过电子开关，向该轨道区段的轨面发送直流高压脉冲的方式，在有车占用时，直流高压脉冲可以有效的击穿严重锈蚀的钢轨踏面和列车轮对之间的氧化铁锈蚀层，钢轨踏面锈蚀层被击穿后，信号电流得以良好分路，以此准确反映轨道电路区段的占用信息。但是这种方法对轮缘污染无效，由于轨面电压过高，可能使工字绝缘和其他扣件被高压击穿；还有通过地磁传感器、分路控制线和用于数据及监控中心，地磁传感器等距分布设置于轨道一侧，分路控制线铺设与轨道内侧的监测系统，此监测系统还包括有激光探测器、激光夜视仪和无线数据处理器，激光探测器、激光夜视仪和地磁传感器均分别与无线数据处理器通过无线信号传输数据，无线数据处理器内部设置有电控开关，电控开关与分路控制线电连接，无线数据处理器设置有无线数据接收端和无线数据发射端来接收地磁传感器、激光探测器及激光夜视仪并发射信号到监控中心，此装置采用多种传感器，系统结构复杂并且激光探测器价格昂贵。

另外，车务部门在电务确定为分路不良的区段，会组织碾压，不能组织碾压的正线、渡线区段，由工务部门进行打磨，轨道电路分路不良不仅对铁路运营造成巨大安全隐患，解决起来还需耗费大量的人力物力。

由此可知，传统的轨道分路不良监测系统通过采用电磁传感器进行监测轨道继电器状态，而由于监测区域中的变电站、电源线等能够产生电磁波干扰的物体，会对电磁式传感器产生干扰，无法对轨道分路不良区段进行实时监测，监测结果的准确率低。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于光纤传感的轨道分路不良监测系统，以解决传统的轨道分路不良监测系统监测结果准确率低的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种基于光纤传感的轨道分路不良监测系统，包括：光纤光栅传感器阵列、光开关器、环形器、解调模块、嵌入式模块、电源、宽带光源以及显示终端；

所述光纤光栅传感器阵列包括多个光纤光栅应变传感器；所述光纤光栅传感器阵列分布在铁轨的两侧；

所述光纤光栅传感器阵列与所述光开关器相连接；所述光纤光栅传感器阵列检测轨道上的应变信号；将所述应变信号转换为光信号，并将所述光信号传输至所述光开关器；所述光开关器将所述光信号通过所述环形器进行光路回转，将所述光信号传输至所述解调模块；所述解调模块将所述光信号转换为电信号传输至所述嵌入式模块；所述嵌入式模块通过局域网接口，将所述电信号传输至所述显示终端，由所述显示终端对所述电信号进行解析，监测轨道分路不良区段；

所述电源用于为所述光开关器、所述宽带光源以及所述嵌入式模块进行供电；所述电源驱动所述宽带光源为所述环形器以及所述解调模块提供光源。

可选的，所述光纤光栅应变传感器的数量至少为2个。

可选的，所述光纤光栅应变传感器分布在所述铁轨的两侧，所述铁轨每一侧的所述光纤光栅应变传感器间隔分布；

相邻的两个所述光纤光栅应变传感器首尾相连，并通过光纤进行连接。

可选的，所述光纤光栅应变传感器的外表面设有封装外壳保护。

可选的，所述环形器为四端口的环形器；所述环形器用于单向环形传输所述光信号。

可选的，所述解调模块的型号为FSD-FBG-2000；所述解调模块用于将所述光信号转换为电信号。

可选的，所述嵌入式模块选用型号为EP4CE10F115的现场可编程门阵列FPGA。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：本实用新型提供了一种基于光纤传感的轨道分路不良监测系统，采用光纤光栅传感器阵列采集轨道的应变信号，由于光纤光栅具有抗电磁干扰、精度高、测量范围大、传输损耗小以及使用寿命长等优点，本实用新型所提供的基于光纤传感的轨道分路不良监测系统能够对轨道分路不良区段进行实时监测，提高监测结果的准确率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型所提供的基于光纤传感的轨道分路不良监测系统结构图；

图2为本实用新型所提供的光纤光栅应变传感器原理图；

图3为本实用新型所提供的另一种基于光纤传感的轨道分路不良监测系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种基于光纤传感的轨道分路不良监测系统，够对轨道分路不良区段进行实时监测，提高监测结果的准确率。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型所提供的基于光纤传感的轨道分路不良监测系统结构图，如图1所示，一种基于光纤传感的轨道分路不良监测系统，包括：光纤光栅传感器阵列1、光开关器2、环形器3、解调模块4、嵌入式模块5、电源6、宽带光源7以及显示终端8；所述光纤光栅传感器阵列包括光纤光栅应变传感器1-1；所述光纤光栅传感器阵列分布在铁轨的两侧；所述光纤光栅传感器阵列与所述光开关器2相连接；所述光纤光栅传感器阵列检测轨道上的应变信号；将所述应变信号转换为光信号，并将所述光信号传输至所述光开关器2；所述光开关器2将所述光信号通过所述环形器3进行光路回转，将所述光信号传输至所述解调模块4；所述解调模块4将所述光信号转换为电信号传输至所述嵌入式模块5；所述嵌入式模块5通过自身的局域网接口，将所述电信号传输至所述显示终端8，由所述显示终端8对所述电信号进行解析，监测轨道分路不良区段；所述电源6用于为所述光开关器2、所述宽带光源7以及所述嵌入式模块5进行供电；所述电源6驱动所述宽带光源7为所述环形器3以及所述解调模块4提供光源。

所述光纤光栅应变传感器的数量至少为2个，在每个绝缘分区的始端和末端附近，各敷设一对光纤光栅应变传感器，即：入口一个出口一个，其他增加的安装可以为热备，当有列车经过光纤光栅应变传感器1-1时，所述光纤光栅应变传感器1-1感应到轨道当前应变变化信息，并将所述应变信息通过光信号进行传输，并将所述光信号传输至所述光开关器2；所述光开关器2将所述光信号通过所述环形器3进行光路回转，将所述光信号传输至所述解调模块4；所述解调模块4将所述光信号转换为电信号传输至所述嵌入式模块5；所述嵌入式模块5通过局域网接口，将所述电信号传输至所述显示终端8，由所述显示终端8对所述电信号进行解析，获取所述应变信号，根据所述应变信号监测轨道分路不良区段；即：采集列车经过的应变信息，通过计算火车经过的轮轴个数变化进行判断，若入口处的显示轴数而出口处没有显示轴数，则表明列车正在此段轨道通过；若入口处的轴数等于出口处的轴数，则表明列车已经通过此段轨道，另外可以与现有的监测系统进行并列判断，若判断结果不一致则说明存在轨道分路不良现象。

所述光纤光栅应变传感器1-1分布在所述铁轨的两侧，所述铁轨每一侧的所述光纤光栅应变传感器1-1所述铁轨每一侧的所述光纤光栅应变传感器可以根据实际监测的需要进行间隔分布；相邻的两个所述光纤光栅应变传感器首尾相连，并通过光纤进行连接。

间隔分布光纤光栅应变传感器1-1，能够有效防止单一地点测量的应变信号检测不精确的问题，同时，采用光纤连接方式连接相邻所述光纤光栅应变传感器1-1，能够提高信号传输效率。

图2为本实用新型所提供的光纤光栅应变传感器原理图，如图2所示，光纤布拉格光栅是最普通的一种光纤光栅，是一种性能优异的窄带反射滤波无源器件。当布拉格光栅受到外界应力(应变)作用时，光栅周期会发生变化，同时光弹效应会导致光栅有效折射率的变化；当布拉格光栅受外界温度影响时，热胀冷缩效应同样会使光栅周期发生变化，同时热敏效应会导致光栅的有效折射率变化，基于光纤布拉格光栅原理的传感器基本上都是直接或间接地利用应变或温度改变光栅中心波长，达到测试被测物理量的目的。

所述光纤光栅应变传感器1-1的外表面设有封装外壳保护；针对轨道交通中多雾多雨少人的地区，传感器容易受到环境损伤，本实用新型通过外壳对所述传感器进行保护，延长使用寿命。

所述环形器3的型号为四端口的1310/1550；所述环形器3用于单向环形传输所述光信号；所述解调模块4的型号为FSD-FBG-2000；所述解调模块4用于将所述光信号转换为电信号；所述嵌入式模块5选用型号为EP4CE10F115的现场可编程门阵列(Field－Programmable GateArray，FPGA)。

根据本实用新型所提供的基于光纤传感的轨道分路不良监测系统对轨道分路不良区段进行实时监测思想，还能够采用其他电路方式对轨道分路不良区段进行实时监测。

图3为本实用新型所提供的另一种基于光纤传感的轨道分路不良监测系统结构图，如图3所示，另一种基于光纤传感的轨道分路不良监测系统包括宽带光源1，光纤布拉格光栅传感器阵列3-1、3-2、3-3、3-4，分路器4，环形器5，光电探测器6，解调装置7，监控终端8以及服务器9，信号传输都是通过光纤2来实现的。

1、宽带光源：用于产生光信号。

2、光纤：用于信号传输。

3、传感器阵列功能：光纤布拉格光栅传感器阵列3-1、3-2、3-3、3-4是应变传感器，用来对火车进行计轴，还可以实现对火车行驶速度、轴数、轴距等参数的测量。

光纤光栅传感器布局方式：相邻的光纤光栅传感器通过光纤2首尾相接，最后串联在一起，它们分别以绝缘分区为界，在每个绝缘分区的始端和末端附近，各敷设一对光纤光栅应变传感器。一对传感器的敷设能够保证在其中一个传感器故障的时候也不影响对股道占用情况的判断，在绝缘分区始末都敷设传感器，可以根据采集到的信息判断出列车是进还是出。

当列车经过敷设有光纤光栅应变传感器的绝缘分区时，铁轨会发生形变，光纤光栅传感器区域铁轨的形变会引起传感器中应变片的形变，并通过光纤将数据传输到高采样频率解调装置。

4、分路器：用于将宽带光源产生的光信号分路至不同通道的传感器阵列

5、环形器：分路的光信号从环形器的1端进入，2端输出到两个(或多个)光纤光栅传感器(FBG1/FBG2)，两个传感器波长不一样，当光信号的波长等于光纤布拉格光栅(Fiberbragg grating，FBG)反射波长时，这一波长的光就被光栅反射又返回环形器的2端口，然后从3端口输出进入光电探测器，主要用来将传感器变化的光信号传递给光电探测器。

6、光电探测器：将光信号转变为电信号并传递给解调装置。

7、解调装置：将电信号进行信号调理，进行模数(A/D)转换，最终得到传感器阵列的波长数值。

8、监控终端：解调装置将信息通过服务器传输到监控终端，包括转化器和显示器。

(1)转化器

包括核心芯片以及分析器，核心芯片，能够将接收的数据与之前的数据样本进行对比，并发出有车信号指令和无车信号指令，并通过系统自带的公式计算列车轴数、速度、加速度等。分析器，通过接收核心芯片发出的指令，将现有系统的判断结果和核心芯片发出的指令进行逻辑与或判断，若判断一致，则表示轨道清空或者轨道占用，若出现判断不一致，则表示此段出现分路不良现象，并将结果反馈给车站的既有继电电气集中联锁系统的控制台，从而更加保障调车安全。

(2)显示器

主要是将列车的位置信息、速度信息、股道占用信息等实时显示在终端，使值班人员更加直观的进行查看和监控。

9、服务器：负责数据的存储、通讯、分配和路由交换。

此系统操作简单，工作人员能够快速掌握其用法，从而准确检测被测量是否在正常范围内，方便指导现场作业人员采取相应措施。

采用本实用新型所提供的基于光纤传感的轨道分路不良监测系统能够对轨道分路不良区段进行实时监测，提高监测结果的准确率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (7)

1.一种基于光纤传感的轨道分路不良监测系统，其特征在于，包括：光纤光栅传感器阵列、光开关器、环形器、解调模块、嵌入式模块、电源、宽带光源以及显示终端；

所述光纤光栅传感器阵列包括多个光纤光栅应变传感器；所述光纤光栅传感器阵列分布在铁轨的两侧；

所述光纤光栅传感器阵列与所述光开关器相连接；所述光纤光栅传感器阵列检测轨道上的应变信号；将所述应变信号转换为光信号，并将所述光信号传输至所述光开关器；所述光开关器将所述光信号通过所述环形器进行光路回转，将所述光信号传输至所述解调模块；所述解调模块将所述光信号转换为电信号传输至所述嵌入式模块；所述嵌入式模块通过局域网接口，将所述电信号传输至所述显示终端，由所述显示终端对所述电信号进行解析，监测轨道分路不良区段；

所述电源用于为所述光开关器、所述宽带光源以及所述嵌入式模块进行供电；所述电源驱动所述宽带光源为所述环形器以及所述解调模块提供光源。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的轨道分路不良监测系统，其特征在于，所述光纤光栅应变传感器的数量至少为2个。

3.根据权利要求2所述的基于光纤传感的轨道分路不良监测系统，其特征在于，所述光纤光栅应变传感器分布在所述铁轨的两侧，所述铁轨每一侧的所述光纤光栅应变传感器间隔分布；

相邻的两个所述光纤光栅应变传感器首尾相连，并通过光纤进行连接。

4.根据权利要求1所述的基于光纤传感的轨道分路不良监测系统，其特征在于，所述光纤光栅应变传感器的外表面设有封装外壳保护。

5.根据权利要求1所述的基于光纤传感的轨道分路不良监测系统，其特征在于，所述环形器为四端口的环形器；所述环形器用于单向环形传输所述光信号。

6.根据权利要求1所述的基于光纤传感的轨道分路不良监测系统，其特征在于，所述解调模块的型号为FSD-FBG-2000；所述解调模块用于将所述光信号转换为电信号。

7.根据权利要求1所述的基于光纤传感的轨道分路不良监测系统，其特征在于，所述嵌入式模块选用型号为EP4CE10F115的现场可编程门阵列FPGA。

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