DE102019102303A1

DE102019102303A1 - Verfahren zum Einmessen eines verteilten Vibrationssensors und Kalibrierungssystem

Info

Publication number: DE102019102303A1
Application number: DE102019102303.3A
Authority: DE
Inventors: John Exner
Original assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Current assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2020-07-30

Abstract

Ein Verfahren (1000) zum Einmessen eines verteilten Vibrationssensors (50, 55), der mechanisch mit einem zu überwachendem Objekt (1) gekoppelt ist, umfasst ein paralleles Erzeugen eines jeweiligen mechanischen Anregungssignals (A-A) an mehreren, voneinander beabstandeten Anregungsstellen (s-s) des Objekts (1), ein Bestimmen von jeweiligen Messsignalen (M) der Anregungssignale (A-A) mit dem verteilten Vibrationssensor (50, 55), und ein Verwenden der Messsignale (M) und der Anregungssignale (A-A) zum Bestimmen einer ortsaufgelösten Übertragungsfunktion (H(ω, s)) für mechanische Anregungen vom Objekt (1) zum verteilten Vibrationssensor (50, 55).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einmessen eines verteilten Vibrationssensors, insbesondere eines faseroptischen verteilten Vibrationssensors, der mechanisch mit einem zu überwachendem Objekt gekoppelt ist.
(Quasi-) Verteilte faseroptische Sensoren haben eine breite Palette von Anwendungen in verschiedenen Bereichen gefunden, von der Bauwerksüberwachung, dem Öl- und Gassektor und der Überwachung des Stromnetzes bis hin zu geotechnischen, oder chemischen Anwendungen. Nichtlineare Streuphänomene in Glasfaserkabeln, wie z.B. Raman- und Brillouin-Streuung, werden häufig für statische Ferntemperatur- (Raman) und Dehnungs-/Temperatur-(Brillouin) Messanwendungen verwendet.
Eine hochauflösende Dehnungsmessung kann über interferometrische Rayleigh-Rückstreuungsansätze auch für hohe Abtastraten (dynamische Messung) erreicht werden. Diese Techniken der verteilten Vibrationssensorik (DVS, von engl. Distributed Vibration Sensing), oft auch als verteilte akustische Sensorik (DAS, von engl. Distributed Acoustic Sensing) bezeichnet, basieren häufig auf der kohärenten optischen Zeitbereichsreflektometrie (C-OTDR, von engl. coherent optical time domain reflectometry) unter Verwendung einer kohärenten optischen Anregungsquelle, und haben in den letzten Jahren sowohl in der Forschung als auch in der industriellen Anwendung einige Fortschritte erzielt. Die Untersuchung der optischen Faser mit kohärenten Pulsen führt zu einer Interferenz der rückgestreuten Rayleigh-Leistung von Streuzentren (Rayleighstreuern), die sich innerhalb der Breite des sich vorwärts ausbreitenden optischen Pulses befinden. Die Faser ähnelt daher einem verteilten Mehrweginterferometer. Für stabile Faserbedingungen sind die C-OTDR-Rückstreusignale konstant. Kleinste Veränderungen der Abstände der Streuer, z.B. durch lokale Dehnungen oder Temperaturschwankungen, können als Funktion von rückgestreuten Leistungsschwankungen detektiert werden. Die Vorteile dieser interferometrischen DVS-Techniken liegen in der hohen Dehnungsempfindlichkeit, der hohen Messwiederholrate und dem großen Entfernungsbereich (oder: Messlängen/Sensorlängen).
Faseroptische Dehnungsmessung können auch mittels einer im Frequenzbereich arbeitenden Frequenzbereichsreflektometrie (OFDR, von engl. Optical Frequency Domain Reflectometry) vorgenommen werden, die typischerweise ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis liefern als die Zeitbereichsreflektometrie.
Alternativ zu Rayleigh-Rückstreuungssmessungen können auch auf Brillouin-Streuung basierende Methoden für eine Dehnungsmessung eingesetzt werden. Allerdings ist die Dehnungsauflösung dieser Methoden typischerweise um Größenordnungen niedriger ist als bei den interferometrischen DVS-Techniken.
DVS-Techniken finden bisher in der hochauflösenden Schwingungsdetektion in der Öl- und Gasindustrie, in der Sicherheits- und Perimeterüberwachung sowie in geophysikalischen Applikationen breitere Anwendungen. Die Anwendung im Tiefbau, beim Gebäudemonitoring („Structural Health Monitoring“, SHM) und bei der Überwachung von Schienennetzen ist eine neuere Entwicklung.
Für eine zuverlässige und genaue Überwachung mittels verteilter Vibrationssensorik, insbesondere eine Schwingungsanalyse ist die Kenntnis der mechanischen (akustischen) Übertragungsfunktion vom zu überwachenden Objekt in den das Objekt überwachenden verteilten Vibrationssensor (VVS), insbesondere einen verteilten faseroptischen Sensor (VFOS), der im Folgenden auch kurz als verteilter Fasorsensor (sowie verteilte Fasorsensorik) bezeichnet wird, oft von entscheidender Bedeutung. Diese (akustische) Übertragungsfunktion kann mit Modellen häufig jedoch nur vergleichsweise grob und/oder nur örtlich begrenzt berechnet bzw. abschätzt werden.
Dies gilt bspw. für die Überwachung von Schienennetzen mittels im Kabeltrog (Kabelkanal) entlang von Gleisen angeordneter Fasersensorik. Die Ursachen sind u.a. die fehlende Kenntnis genauer Modellparameter für die Bodenbeschaffenheit und die Umgebungsgestaltung sowie die große Ausdehnung des Untersuchungsobjektes und die damit verbundenen großen Varianz der Modellparameter.
Als Folge der Ungenauigkeit der Modelle für die Übertragungsfunktion von der Anregung bis zur Faser ist die Interpretation von Messungen mit sehr großen Fehlern behaftet. Auswertealgorithmen müssen diese Varianz berücksichtigen und können daher nur zu entsprechend ungenauen Aussagen führen.
Dazu sei angemerkt, dass derartiger Modelle für lokale Fragestellungen u.a. bei der konstruktiven Auslegung von Fahrzeugen und Fahrbahn zwar erfolgreich eingesetzt wurden. In diesen Fällen kann das berechnete Modell aber quasi 1:1 so gebaut werden, wie es berechnet wurde. Abweichungen zwischen Modellparametern und tatsächlich vorliegenden Parametern sind dann entsprechend gering bzw. die Modellparameter hinreichend gut bekannt.
Für inverse Berechnung (von Sensordaten auf die erzeugenden akustischen Signale) zur Überwachung von existieren Bauwerken und (Schienen-) Fahrbahnen müssten die Modellparameter aber erst noch bestimmt werden. Dies wäre zwar prinzipiell möglich, aufgrund der Ausdehnung des Untersuchungsobjektes aber nur mit äußerst hohem Aufwand. Daher ist eine Bestimmung der Übertragungsfunktion bzw. der inversen Übertragungsfunktion über Modelle in diesen Fällen nicht sinnvoll bzw. unwirtschaftlich.
Im Hinblick auf das oben Gesagte, schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10 vor.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Einmessen eines verteilten Vibrationssensors, der mechanisch mit einem zu überwachendem Objekt gekoppelt ist, ein paralleles Erzeugen eines jeweiligen mechanischen Anregungssignals an mehreren, voneinander beabstandeten Anregungsstellen des zu überwachenden Objekts, ein Bestimmen von jeweiligen Messsignalen der Anregungssignale mit dem verteilten Vibrationssensor, und ein Verwenden der Messsignale und der Anregungssignale zum Bestimmen einer ortsaufgelösten Übertragungsfunktion für mechanische Anregungen vom Objekt zum verteilten Vibrationssensor.
Bei dem zu überwachenden Objekt kann es sich um eine Fahrbahn insbesondere eine Fahrbahn für Schienenfahrzeuge handeln.
Im Folgenden werden die Begriffe Einmessen und Kalibrieren synonym verwendet.
Bei den mechanischen Anregungssignalen handelt es sich typischerweise um ein definiertes bzw. vorgegebenes Anregungssignals, d.h. um Anregungssignal mit bekannter Charakteristik, insbesondere ein entsprechendes Anregungssignal, dass das überwachenden Objekt oder zumindest eine Komponente des zu überwachenden Objekts, z.B. eine Schiene, in einen mechanischen Anregungszustand (Anregungsschwingungszustand) gewünschter Charakteristik versetzt, insbesondere einen akustischen Anregungsschwingungszustand.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die jeweiligen mechanischen Anregungssignale (Anregungszustände des zu überwachenden Objekts bzw. der Komponente des zu überwachenden Objekts) jeweils zumindest im Wesentlichen identisch sind, d.h. um typischerweise weniger als 10 % sogar noch typischer um weniger als 5 % oder sogar höchstens 1% voneinander abweichen.
Die Formulierung „paralleles Erzeugen der jeweiligen mechanischen Anregungssignale“, wie sie vorliegend verwendet wird, soll insbesondere ein Erzeugen der jeweiligen mechanischen Anregungssignale innerhalb eines Zeitintervalls, das kleiner als eine Abklingzeit der Anregungssignale des zu überwachenden Objekts bzw. der Komponente des zu überwachenden Objekts ist. Beispielsweise kann das parallele Erzeugen der jeweiligen mechanischen Anregungssignale innerhalb weniger Sekunden und/oder mit einem Zeitversatz von einer Sekunde oder weniger erfolgen.
Aufgrund der Einmessung des verteilten Vibrationssensors kann der Interpretationsfehler bei Messungen zur Überwachung des zu überwachenden Objektes entscheidend verringert werden.
Dies ermöglicht eine genauere und/oder zuverlässigere Überwachung des Objektes als bisher.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Überwachen eines Objekts, insbesondere einer Fahrbahn für Schienenfahrzeuge, das hierin beschriebene Einmessen eines verteilten Vibrationssensors, der mechanisch mit dem zu überwachendem Objekt gekoppelt ist, zum Bestimmen einer Übertragungsfunktion, ein Detektieren eines Messsignals mit dem verteilten Vibrationssensor und ein Bestimmen eines kalibrierten Messsignals für das Messsignal mittels der Übertragungsfunktion.
Die mechanischen Anregungssignale sind typischerweise akustische Signale.
Die mechanischen Anregungssignale können zumindest im Wesentlichen punktuell und/oder breitbandig erzeugt werden.
Insbesondere können die mechanischen Anregungssignale eine jeweilige Impulsanregung, typischerweise mit einem jeweiligen Impuls- oder Modalhammer als Anreger umfassen.
Außerdem kann zur Erhöhung der Genauigkeit vorgesehen sein, einen zeitlichen Verlauf der jeweiligen Anregungssignale mit einem anderen Sensor als dem verteilten Vibrationssensors in der Nähe oder sogar an den Anregungsstellen, insbesondere einem Beschleunigungs- und/oder Kraftsensor, zu bestimmen.
Beispielsweise können dazu die zur mechanischen Anregung genutzten Anreger wie Impulshämmer einen jeweiligen Kraftsensor und/oder einen Beschleunigungssensor aufweisen.
Eine gezielte punktuelle Anregung ist unter Genauigkeitsaspekten zur Einmessung des verteilten Vibrationssensors zu bevorzugen.
Eine breitbandige Anregung hat zwar den Nachteil, dass abhängig vom Oberbau die Anregung verschiedene spektrale Zusammensetzungen besitzen können, ist aber einfach zu realisieren.
Eine schmalbandige Anregung mit mehreren Stützstellen ist genauer, aber auch aufwendiger.
Für die Einmessung größerer Streckenabschnitte ist der Einsatz eines einzelnen herkömmlichen selektiven Anregers zu zeitaufwendig. Setzt man für jede Messstelle nur 10 min an und eine örtlichen Auflösung von 10 m, dann summiert sich der Zeitaufwand für einen Streckenkilometer auf 1000 min oder 16 h. Insgesamt ist daher zu erwarten, dass unter Kosten-Nutzen-Aspekten die punktuelle breitbandige Anregung (Impulsanregung z.B. mit definiertem Hammerschlag) die günstigste ist.
Unabhängig von selektiver oder breitbandiger Anregung, ist ein normaler (Mess-) Zug nicht darauf ausgelegt, 100 Messpunkte pro Kilometer anzufahren. Mit herkömmlicher Weise eingesetzten Anregern ist also nicht zu erwarten, dass größere Strecken anforderungsgerecht eingemessen werden können.
Bei der Fahrbahnüberwachung im Bahnverkehr wird die Übertragungsfunktion daher bisher nicht berücksichtig. Allenfalls erfolgt eine örtliche Einmessung der Fasern, die jedoch nur die Position des Faserabschnitts bestimmt, jedoch nicht die Übertragungsfunktion.
Die daraus resultierende geringe Genauigkeit hat zur Folge, dass faseroptische Messungen im Kabelkanal oft keinen Mehrwert bieten, da sie nicht den Qualitätsanforderungen des entsprechenden Anwendungsfalls gerecht werden. Zwar könnte versucht werden, die fehlende Kenntnis der Übertragungsfunktion über Statistik zu kompensieren. Für eine Echt- bzw. Nahzeit Aussage sind derlei Ansätze jedoch zumeist ungeeignet.
Für Lärmmessungen wird bisher empfohlen, dass als Anregungsquelle aufgrund des für den Schienenverkehr typischen Frequenzspektrums und der Ausbreitungsbedingungen, Regelzüge zu verwenden. Mit Regelzügen ist eine Bestimmung der Übertragungsfunktion jedoch nicht praktikabel. Es ist nämlich davon auszugehen, dass aufgrund der Ausdehnung der Züge und bei Regelzügen aufgrund der fehlenden/bei Schallmesszügen beschränkten Kenntnis der Anregung nicht die erforderliche Genauigkeit für alle Anwendungsmöglichkeiten erreicht werden kann.
Diese Nachteile können durch das Verwenden mehrerer Anreger zum Erzeugen von mechanischen Anregungssignalen überwunden werden, insbesondere dann, wenn das parallele Erzeugen mittels mehrerer autonomer Fahrzeuge, die jeweils einen Anreger aufweisen, oder mittels eines Fahrzeugs, das mehrere Anreger aufweist, erfolgt.
Bei den autonomen Fahrzeugen mit Anreger, im Folgenden auch als Roboter bezeichnet, bzw. dem Fahrzeugs mit mehreren Anregern kann es sich insbesondere um ein jeweiliges Schienenfahrzeug handeln.
Setzt man die autonom in Zusammenarbeit mit dem verteilten Vibrationssensors die Strecke vermessenden Roboter in einer Gruppe von z.B. 10 oder 20 Stück oder sogar mehr ein, ist es möglich, anforderungsgerechte Messzeiten zu erhalten, da sich diese entsprechend der Anzahl der Roboter (Anreger) reduziert. Begleitet werden könnten diese Roboter von einem Begleitfahrzeug, welches die autonomen Fahrzeuge (zum zu vermessenden Schienenabschnitt) transportieren kann.
Als Alternative kann ein spezieller, vergleichsweise langer Messzug mit einer Vielzahl von Anregern eingesetzt werden. Ein langer Messzug hat allerdings den Nachteil, dass er immer komplett an Stellen fahren müsste, die wiederholt eingemessen werden sollen.
Diesbezüglich sind Roboter viel flexibler.
Das Verfahren zum Einmessen kann vor dem parallelen Erzeugen ein Anweisen der autonomen Fahrzeuge eine jeweilige erste Position auf der Fahrbahn anzufahren aufweisen.
Nach dem gegebenenfalls wiederholten, parallelen Erzeugen des jeweiligen mechanischen Anregungssignals auf der Fahrbahn an den ersten Positionen können die autonomen Fahrzeuge angewiesen werden, eine jeweilige zweite Position auf der Fahrbahn anzufahren. Danach kann das Verfahren mit einem gegebenenfalls wiederholten parallelen erzeugen jeweiliger mechanischer Anregungssignale auf der Fahrbahn an den zweiten Position fortgesetzt werden.
Die Ausdehnung des Zugs bzw. die Abstände der Roboter beim Einmessen sind wünschenswert, damit sich die Messungen möglichst wenig oder sogar nicht gegenseitig beeinflussen.
Daher werden die Positionen der Anregungsstellen des zu überwachenden Objekts typischerweise so gewählt werden, dass es zu keiner mittels des verteilten Vibrationssensors messbaren Überlagerung der mechanischen Anregungssignale kommt.
Beispielsweise können die Abstände der Anregungsstellen auf Schienen mindestens 10 m, mindestens 25 oder sogar mindestens 50 m betragen.
Insbesondere können die Anregungsstellen äquidistant sein.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass pro Anregungsstelle mehrere Messungen erfolgen.
Typischerweise erfolgt das Einmessen mit einer Ortsauflösung von mindestens 50 m, noch typischer von mindestens 10 m.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Kalibrierungssystem für einen verteilten Vibrationssensor, der mechanisch mit einem zu überwachendem Objekt gekoppelt ist, mehrere autonome Fahrzeuge aufweisend einen jeweiligen Anreger zum Erzeugen eines jeweiligen mechanischen Anregungssignals an und/oder auf dem zu überwachenden Objekt, oder ein Fahrzeug aufweisend mehrere Anreger zum Erzeugen eines jeweiligen mechanischen Anregungssignals an und/oder auf dem zu überwachenden Objekt, und eine mit dem verteilten Vibrationssensor und den autonomen Fahrzeugen oder dem Fahrzeug verbindbare Steuer- und/oder Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, aus den von den Anregern erzeugten Anregungssignalen und den vom verteilten Vibrationssensor gemessenen zugehörigen Messsignalen eine ortsaufgelöste Übertragungsfunktion zu bestimmen.
Typischerweise ist die Steuer- und/oder Auswerteeinheit eingerichtet, die hierin beschriebenen Verfahren zum Einmessen eines verteilten Vibrationssensors auszuführen.
Dazu ist die Steuer und Auswerteeinheit typischerweise mit einem Detektor des verteilten Vibrationssensors verbunden, der mit einer optischen Faser des verteilten Vibrationssensors gekoppelt ist.
Außerdem ist die optische Faser des verteilten Vibrationssensors typischerweise mit einer Anregungslichtquelle wie einem Laser oder einer LED verbunden, die insbesondere zum Einkoppeln eines kohärenten Lichtsignals in die optische Faser dienen kann.
Bei der optischen Faser kann es sich um eine Glasfaser aber auch um eine Polymerfaser handeln. Typischerweise ist die optische Faser eine Monomodefaser (Singlemodefaser). Insbesondere kann es sich um eine Standard-Silikat-Monomodefaser handeln. Es kann sich aber auch um eine Multimodefaser handeln.
Beispielsweise kann die optische Faser zumindest abschnittsweise Rayleighstreuer aufweisen. Die Rayleighstreuer können aber auch in der gesamten Faser (zumindest im Mittel entlang der Faserachse) gleichverteilt sein. Daher kann auch eine vergleichsweise kostengünstige Standard-Silikat-Monomodefaser ohne Einschränkung für die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtung verwendet werden.
Der verteilte Vibrationssensors kann aber auch als Raman- oder Brillouin-Sensor ausgeführt sein.
Die optische Faser ist typischerweise mit den zu überwachenden Objekt mechanisch gekoppelt.
So kann die optische Faser teilweise an / in einem oder benachbart zu überwachendes Objekt, insbesondere einem typischerweise ohnehin vorhandenen Kabelkanal, beispielsweise einen Kabelkanal eines Gleisbetts angeordnet sein und/oder an dem Objekt befestigt sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten, Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigt:

1A eine schematische Darstellung eines Kalibrierungssystem für einen verteilten Vibrationssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel;
1B ein Blockschema eines Verfahren zum Einmessen eines verteilten Vibrationssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
1C ein Blockschema eines Verfahren zum Überwachen eines Objekts gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1A zeigt ein Kalibrierungssystem 100 für einen verteilten Vibrationssensor 50, 55, der mechanisch mit einer zu überwachenden Schiene 1 gekoppelt ist.

Insbesondere kann eine optische Faser 55 des verteilten Vibrationssensors 50,55 in einem Kabelkanal des Gleisbetts für die Schiene 1 angeordnet sein.
Auf dem ausschnittsweise dargestellten Abschnitt der Schiene 1, für den der verteilte Vibrationssensor 50, 55 einzumessen ist, sind exemplarisch drei voneinander beabstandete, autonome und typischerweise kurze Schienenfahrzeuge 10, 20, 30 (typischerweise maximal einige Meter lang) mit einem jeweiligen Anreger 11, 21, 31 angeordnet.
Insbesondere können die Anreger 11, 21, 31 als steuerbare Impuls- oder Modalhammer ausgeführt sein.
Nach dem die Schienenfahrzeuge 10, 20, 30 auf Anweisung einer mit ihnen typischerweise drahtlos verbundenen Steuer- und/oder Auswerteeinheit 70 (siehe die gestrichelten Pfeile) gewünschte jeweilige erste Positionen s₁, s₂, s₁ auf der Schiene 1 angefahren sind, können die Anreger 11, 21, 31 zum parallelem Erzeugen eines jeweiligen mechanischen Anregungssignals A₁-A₃ an den Anregungsstellen s₁-s₃ eingesetzt werden (s bezeichnet eine Wegkoordinate entlang der Scheine 1). Dieser Prozess wird typischerweise ebenfalls von der Steuer- und/oder Auswerteeinheit 70 gesteuert.
Außerdem ist die Steuer- und/oder Auswerteeinheit 70 mit einem Detektor 55 des verteilten Vibrationssensors 50, 55 verbunden, der seinerseits mit einer optischen Faser 50 des verteilten Vibrationssensors gekoppelt ist, um beispielsweise Rückstreusignale zu messen.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird in 1A auf die Darstellung einer typischerweise von der der Steuer- und/oder Auswerteeinheit 70 steuerbaren Lichtquelle zum Einkoppeln von typischerweise kohärenten Lichtsignalen in die optische Faser 50 verzichtet.
Wie in 1A weiter schematisch dargestellt wird, erfolgt das Übertragen der Anregungssignals A₁(ω), A₂(ω), A₃(ω) (allgemein A(s, ω), wobei A₁(ω)=A(s₁, ω)) der Anregung auf die optische Faser 50 gemäß einer, zunächst allenfalls näherungsweise bekannten Übertragungsfunktion H(s, ω) (bzw. der mit ihr korrelierten mechanischen Impedanz). Zudem kann sich die Übertragungsfunktion H(s, ω) bzw. mechanische Impedanz aufgrund von Alterungsprozessen, Witterungseinflüssen oder Baumaßnahmen auch im Laufe der Zeit ändern.
Dabei ist die Übertragungsfunktion H(s, ω) vorliegend typischerweise eine frequenzabhängige Kurve, an der das Verhältnis von Ausgangssignal M(s, co) am Detektor 55 zum Eingangssignal A(s, ω) einer erregten Struktur abgelesen werden kann: $H (s, ω) = M (s, ω) / A (s, ω) .$
Dabei wird aus Gründen der Übersichtlichkeit auf ein separates Ausweisen eines (typischerweise frequenzabhängigen) Verstärkungsfaktor des eigentlichen Vibrationssensors 50, 55 verzichtet der als Teil der Übertragungsfunktion H betrachtet werden kann.
Für genaue Messungen unbekannter Anregungen der Schiene 1, zum Beispiel auf Grund von den Streckenabschnitt befahrenden Zügen, ist es wichtig, die Übertragungsfunktion H(s, ω) zu kennen.
Die Bestimmung der Übertragungsfunktion H(s, ω) kann anhand der Messungen bei bekannter Anregungscharakteristik A₁(ω), A₂(ω), A₃(ω) aber von der Steuer- und/oder Auswerteeinheit 70 als M(s, ω)/A(s, ω) einfach vorgenommen werden.
Aufgrund des parallelen Anregens mit den Anregern 11, 21, 31 kann die Zeit für das Einmessen des Vibrationssensors 50, 55 entsprechend der Anzahl der Anreger erheblich reduziert werden. Dementsprechend kann auch eine während des Einmessen typischerweise erforderliche Blockierung des Streckenabschnitts für andere Schienenfahrzeuge vermieden werden. Dies führt auch zu einer entsprechenden Reduzierung von Kosten und damit zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit. Insbesondere kann die Wirtschaftlichkeit der Anwendung verteilter Sensorik für messtechnisch anspruchsvolle Aufgaben erheblich verbessert werden.
Im Bedarfsfall, zum Beispiel nach Umbauarbeiten aber auch zu Kontrollzwecken oder wenn sich ein Signal-Rausch Verhältnis des verteilten Vibrationssensors erhöht kann das Einmessen einfach wiederholt werden.
Die Steuer- und/oder Auswerteeinheit 70 ist typischerweise eingerichtet die im Folgenden mit Bezug zu den 1B, 1C erläuterten Verfahren auszuführen.
Dabei stellt 1B ein Blockschema eines Verfahren 1000 zum Einmessen eines mit einem zu überwachendem Objekt gekoppelten verteilten Vibrationssensors dar, wie er oben beispielsweise mit Bezug zur 1A erläutert wurde.
In einem Block 1010 werden mechanische Anregungssignale an mehreren, voneinander beabstandeten Anregungsstellen des Objekts erzeugt.
Anschließend werden mit dem verteilten Vibrationssensor in einem Block 1020 resultierende Messsignale zu den Anregungssignalen gemessen.
Schließlich werden die Messsignale und Anregungssignale in einem Block 1030 zur Berechnung einer ortsaufgelösten Übertragungsfunktion H(s, ω) verwendet.
Wie durch den gestrichelten Pfeil zwischen den Blöcken 1020 und 1010 dargestellt wird, können das Erzeugen der mechanischen Anregungssignale und das Bestimmen der zugehörigen Messsignale mehrfach hintereinander folgen, bevor die Übertragungsfunktion H(s, ω) für die angeregten Positionen s berechnet wird.
Außerdem ist typischerweise vorgesehen, dass in einem Block 1005 vor dem Anregen im Block 1010 jeweilige Positionen zum Anregen angefahren werden, zum Beispiel mittels mehrerer autonomer Fahrzeuge mit einem jeweiligen Anreger.
Wie durch den gestrichelten Pfeil zwischen den Blöcken 1020 und 1005 in 1B weiter dargestellt wird, können die Blöcke 1010 und 1020 alternativ oder ergänzend für verschiedene Anregungspositionen ausgeführt werden.
Die im Block 1030 bestimmte Übertragungsfunktion H(s, ω) kann für spätere Berechnung gespeichert werden.
1C zeigt ein Blockschema eines Verfahrens 2000 zum Überwachen eines Objekts, insbesondere einer Fahrbahn für Schienenfahrzeuge mittels eines mechanisch gekoppleten verteilten Vibrationssensors.
In einem Block 2030 wird zunächst eine Übertragungsfunktion H(s, ω) für den verteilten Vibrationssensor bestimmt. Das Bestimmen der Übertragungsfunktion H(s, ω) im Block 2030 kann ähnlich oder sogar identisch erfolgen, wie es oben mit Bezug zur 1B für die Blöcke 1005-1030 erläutert wurde.
Anschließend kann das Objekt mittels des kalibrierten verteilten Vibrationssensors überwacht werden.
Wenn in einem Block 2040 mittels des verteilten Vibrationssensors ein Messsignal M' gemessen wird, kann in einem Block 2050 aus dem Messsignal M' und der Übertragungsfunktion H(s, ω) ein kalibrierten Messsignals berechnet werden.
Das kalibrierten Messsignal kann dann als Grundlage einer Interpretation der Ursache des Messsignals M' dienen.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollen keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden. Insbesondere können einzelne Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele in andere Ausführungsformen übernommen werden oder verschiedene Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, solange sich die kombinierten Merkmale nicht technisch bedingt gegenseitig ausschließen.

Claims

Verfahren (1000) zum Einmessen eines verteilten Vibrationssensors (50, 55), der mechanisch mit einem zu überwachendem Objekt (1) gekoppelt ist, wobei das Verfahren umfasst: - paralleles Erzeugen eines jeweiligen mechanischen Anregungssignals (A₁-A₃) an mehreren, voneinander beabstandeten Anregungsstellen (s₁-s₃) des Objekts (1); - Bestimmen von jeweiligen Messsignalen (M) der Anregungssignale (A₁-A₃) mit dem verteilten Vibrationssensor (50, 55); und - Verwenden der Messsignale (M) und der Anregungssignale (A₁-A₃) zum Bestimmen einer ortsaufgelösten Übertragungsfunktion (H(ω, s)) für mechanische Anregungen vom Objekt (1) zum verteilten Vibrationssensor (50, 55).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Positionen der Anregungsstellen (s₁-s₃) so gewählt werden, dass es zu keiner mittels des verteilten Vibrationssensors (50, 55) messbaren Überlagerung der mechanischen Anregungssignale (A₁-A₃) kommt, und/oder wobei die Anregungsstellen (s₁-s₃) äquidistant sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ortsauflösung mindestens 50 m, typischer zumindest 10m beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mechanischen Anregungssignale (A₁-A₃) akustische Signale sind, wobei die Anregungssignale (A₁-A₃) zumindest im Wesentlichen identisch sind, wobei beim Anregen ein zeitlicher Verlauf des Anregungssignals (A₁-A₃) an den Anregungsstellen (s₁-s₃) bestimmt wird, wobei die mechanischen Anregungssignale (A₁-A₃) punktuell und/oder breitbandig erzeugt werden, und/oder wobei das parallele Erzeugen eine jeweilige Impulsanregung, typischerweise mit einem jeweiligen Impuls- oder Modalhammer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Impulshammer einen Kraftsensor und/oder einen Beschleunigungssensor aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das parallele Erzeugen mittels mehrerer Anreger (11, 21, 31) zum Erzeugen von mechanischen Anregungssignalen (A₁-A₃) erfolgt, und/oder wobei das parallele Erzeugen mittels mehrerer autonomer Fahrzeuge (10, 20, 30), die jeweils einen Anreger (11, 21, 31), oder mittels eines Fahrzeugs, das mehrere Anreger aufweist, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Objekt (1) eine Fahrbahn für Schienenfahrzeuge umfasst, wobei die autonomen Fahrzeuge (10, 20, 30) Schienenfahrzeuge sind und/oder das Fahrzeug ein Schienenfahrzeug ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, umfassend: - Anweisen der autonomen Fahrzeuge (10, 20, 30) eine jeweilige erste Position auf der Fahrbahn anzufahren vor dem parallelen Erzeugen; und/oder - Anweisen der autonomen Fahrzeuge (10, 20, 30) eine jeweilige zweite Position auf der Fahrbahn anzufahren nach dem parallelen Erzeugen.
Verfahren (2000) zum Überwachen eines Objekts (1), insbesondere einer Fahrbahn für Schienenfahrzeuge, wobei das Verfahren umfasst: - Einmessen eines verteilten Vibrationssensors (50, 55), der mechanisch mit dem zu überwachendem Objekt (1) gekoppelt ist, zum Bestimmen einer Übertragungsfunktion (H(ω, s)), wobei das Verfahren ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist; - Detektieren eines Messsignals (M') mit dem verteilten Vibrationssensor (50, 55); - Bestimmen eines kalibrierten Messsignals für das Messsignals (M') mittels der Übertragungsfunktion (H(ω, s)).
Kalibrierungssystem (100) für einen verteilten Vibrationssensor (50, 55), der mechanisch mit einem zu überwachendem Objekt (1) gekoppelt ist, umfassend: - mehrere autonome Fahrzeuge (10, 20, 30) aufweisend einen jeweiligen Anreger (11, 21, 31) zum Erzeugen eines jeweiligen mechanischen Anregungssignals (A₁-A₃) am Objekt (1), oder ein Fahrzeug aufweisend mehrere Anreger zum Erzeugen eines jeweiligen mechanischen Anregungssignals (A₁-A₃) am Objekt (1); und - eine mit dem verteilten Vibrationssensor (50, 55) und den autonomen Fahrzeugen (10, 20, 30) oder dem Fahrzeug verbindbare Steuer- und/oder Auswerteeinheit (70), die eingerichtet ist, aus den von den Anregern (11, 21, 31) erzeugten Anregungssignalen (A₁-A₃) und den vom verteilten Vibrationssensor (50, 55) gemessenen zugehörigen Messsignalen (M) eine ortsaufgelöste Übertragungsfunktion zu bestimmen (H(ω, s)).
Kalibrierungssystem (100) nach Anspruch 10, wobei die Steuer- und/oder Auswerteeinheit (70) eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8 auszuführen.
Kalibrierungssystem (100) nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Objekt (1) eine Fahrbahn für Schienenfahrzeuge umfasst, wobei die autonomen Fahrzeuge (10, 20, 30) Schienenfahrzeuge sind und/oder das Fahrzeug ein Schienenfahrzeug ist.