JP6560238B2 - 光ファイバセンサユニットの使用方法及び取り付け方法、並びに、レール測定システム - Google Patents

Description

本発明は、概して、光ファイバに埋め込まれているセンサによって測定変量を検出するための光学測定デバイスに関し、特に、レールに作用する機械的変量を測定するための少なくとも１つの光ファイバセンサ素子の使用方法、及び、レール測定システムに関する。本発明は、さらに、光ファイバセンサ素子をレールに取り付ける方法に関する。

光ファイバセンサは、測定システムにおいてますます重要になってきている。これに関連して、例えば、ファイバブラッググレーティングのような光ファイバケーブル内に埋め込まれる１つ又は複数のセンサが、機械的変量によって生起される光ファイバの歪みを検出し、それによって、力、トルク、加速度、負荷、圧力条件などを検出するために使用される。

ファイバセンサ内に組み込まれるセンサ素子は、適切な波長範囲内の光放射を照射される。光ファイバケーブルは、作用力によって歪められ、ファイバブラッググレーティングの反射又は伝送波長が変化する。照射される光の一部分は、センサによって反射され、評価分析ユニットに供給される。作用力に基づく波長変化は分析ユニットによって調べることができ、センサ素子に対する機械的影響を検出するために使用することができる。

センサ素子によって反射される光学的放射、又は、センサ素子を伝送する光学的放射の強度及び／又は波長範囲は、使用される機械的変量によって影響を受ける特徴を含む。光センサファイバ内に組み込まれる光ファイバセンサ素子は、とりわけ、センサファイバの歪みに対して感度が高く、それによって、センサ素子によって反射される波長スペクトル又はセンサ素子を伝送する波長スペクトルが影響を受ける。

レール又は軌道システムの様々な態様をモニタリングするために、種々の測定システムが使用される。特に、通過する列車によってレールに対して与えられる力が対象となり、これによって、特に通過する列車に関する結論を出すことが可能になる。

列車が走行するレール又は軌道システムのための測定システムについて、さらに、特に安全性要件がエラー率を非常に小さくすることを要求するため、大きく変動する軸重を確実に検出することが課題である。その上、変動するのは、レールシステム又は軌道システムに導入される軸重だけではない。鉄道の枕木上でのレールの支持、道床の構造、及び、列車の型も大幅に変動する可能性がある。これは、測定システムに対する大きな課題を表す。

また、光ファイバの歪み、それ故、ファイバ内の光学センサ素子の歪み、及び／又は、ファイバブラッググレーティング構造の変化は、例えば、力のような、測定されるべき機械的変量に依存するだけでなく、例えば、温度変動のような望ましくない外乱変量によって影響を受ける可能性がある。この理由から、所望される変量の検出における測定精度に影響を及ぼす外乱変量をなくすか又は少なくとも抑制することが所望される。

この理由から、レール又は軌道システムのための改善された測定システム、レール又は軌道システムのための改善された光ファイバセンサユニット、及び、光ファイバセンサユニットの改善された使用方法を提供することが望ましい。

本発明は、独立請求項に係る、レールに対して作用する機械的変量を測定するための少なくとも１つの光ファイバセンサ素子の使用方法、レールに対して作用する機械的変量を検出するための光ファイバセンサユニット、レール測定システム、及び、光ファイバセンサ素子をレールに取り付ける方法を提供する。

１つの実施の形態によれば、長手方向延伸部、及び、長手方向延伸部に沿って延伸する中立軸を有し、レールに作用する機械的変量を測定するための少なくとも１つの光ファイバセンサユニットの使用方法が提供され、この使用方法は、中立軸に対して３０°〜６０°、特に４５°の角度において、又は、中立軸に対して−３０°〜−６０°、特に−４５°の角度において、少なくとも１つの光ファイバセンサユニットを準備し、反射モード又は伝送モード（transmission mode）において信号光を生成するために、少なくとも１つの光ファイバセンサユニットに一次光を照射し、信号光の強度を検出し、信号光を評価する。

さらなる実施の形態によれば、レールに作用する機械力を検出するための光ファイバセンサユニットであって、この光ファイバセンサユニットは、光ファイバと、光ファイバ内に設けられ、機械力に依存するブラッグ波長を有するファイバブラッググレーティングと、信号増幅レバーを備える変換器構造と、信号光の第１の部分をフィルタリングするためのエッジフィルタとを備える光ファイバセンサユニットが提供され、特に、エッジフィルタは、伝送強度（transmitted intensity）に関係して８％毎ｎｍ以下、特に２％〜７％毎ｎｍの公称傾斜を有するフィルタ特性線を有し、特に、レールに作用する２００ｋｇ〜５０，０００ｋｇの軸重の測定範囲が提供される。

さらなる実施の形態によれば、長手方向延伸部、及び長手方向延伸部に沿って延伸する中立軸を有するレールであって、レール上を走行する列車によって生成される機械力が作用するレールと、レールに作用する機械力を検出するための少なくとも１つの光ファイバセンサユニット、典型的には２つの光ファイバセンサユニットであって、機械的変量に依存するブラッグ波長を有するファイバブラッググレーティングを備える光ファイバセンサユニットとを備え、中立軸に対して３０°〜６０°、特に４５°の角度において、又は、前記レールの中立軸に対して−３０°〜−６０°、特に−４５°の角度において、レールに取り付けられる光ファイバセンサユニットとを備えるレール測定システムが提供される。

さらなる実施の形態によれば、光ファイバセンサユニット、特に、ファイバブラッググレーティングを備える光ファイバセンサユニットをレールに取り付ける方法であって、中立軸に対して３０°〜６０°、特に４５°の角度において、又は、レールの中立軸に対して−３０°〜−６０°、特に−４５°の角度において、特に、ほぼ中立軸において光ファイバセンサユニットを取り付ける方法が提供される。

さらなる実施の形態によれば、長手方向延伸部、及び、長手方向延伸部に沿って延伸する中立軸を有し、レールに作用する機械的変量を測定するための少なくとも１つの光ファイバセンサユニットの使用方法が提供され、この使用方法は、特に光ファイバセンサユニットが中立軸に交差するように中立軸おいて少なくとも１つの光ファイバセンサユニットを準備し、反射モード又は伝送モードにおいて信号光を生成するために、少なくとも１つの光ファイバセンサユニットに一次光を照射し、信号光の強度を検出し、信号光を評価する。

さらなる実施の形態によれば、長手方向延伸部、及び長手方向延伸部に沿って延伸する中立軸を有するレールであって、レール上を走行する列車によって生成される機械力が作用するレールと、レールに作用する機械力を検出するための少なくとも１つの光ファイバセンサユニット、典型的には２つの光ファイバセンサユニットであって、中立軸に交差するように、中立軸においてレールに取り付けられる、光ファイバセンサユニットと備えるレール測定システムが提供される。

さらなる実施の形態によれば、光ファイバセンサユニット、特に、ファイバブラッググレーティングを備える光ファイバセンサユニットをレールに取り付ける方法であって、この方法は、レールの中立軸において、特に光ファイバセンサユニットが中立軸に交差するように光ファイバセンサユニットを取り付ける。

さらなる実施の形態によれば、長手方向延伸部、及び、長手方向延伸部に沿って延伸する中立軸を有し、レールに作用する機械的変量を測定する測定方法であって、反射モード又は伝送モードにおいて信号光を生成するために、少なくとも１つの光ファイバセンサユニットに一次光を照射し、信号光の強度を検出し、信号光を評価する測定方法が提供され、特に、信号光を評価するために使用される光クリッピングが行われる。

ファイバ歪みを測定するためのファイバブラッググレーティングとして設計されている組み込みセンサ素子を含むセンサファイバを示す図である。 図１に示すファイバ内の組み込みセンサ素子によって生起されるセンサ反射応答を示す図である。 光源、ファイバカプラ、及び検出構成、すなわち光ファイバセンサユニットを有する本発明の実施の形態に係る光ファイバ測定デバイス、すなわちレール測定システムの概略ブロック図である。 他の実施の形態に係るレール測定システムの概略図である。 本発明の実施の形態に係るセンサユニット、すなわちレール測定システム内で使用することができると共に、センサ素子内で使用される変換器構造の概略図である。 本発明の実施の形態によるセンサユニット又はレール測定システム内で使用することができる、センサ素子内で使用される変換器構造の概略図である。

本発明の実施の形態は図面に示され、以下の記載においてより詳細に説明される。

図面内の同一の参照符号は、機能的に同一又は類似の構成要素又はステップを示す。

以下は、本発明の様々な実施の形態の詳細な説明であり、１つ又は複数の例が図面に示されている。

本明細書に記載されている本発明の実施の形態は、とりわけ、機械的変量を測定するための少なくとも１つの光ファイバセンサユニットの使用方法、レールに対して作用する機械力を検出するための光ファイバセンサユニット、レール測定システム、及び、光ファイバセンサユニット、特に、ファイバブラッググレーティングを有する光ファイバセンサユニットをレールに取り付けるための方法に関する。

図１は、光ファイバケーブル内に組み込まれると共に、ファイバブラッググレーティング３０６を備えるセンサ、すなわちセンサ素子３０３を示す。図１は単一のファイバブラッググレーティング３０６のみを示しているが、本発明は、単一のファイバブラッググレーティング３０６からのデータ取得には限定されず、複数のファイバブラッググレーティング３０６を、伝送ファイバ又はセンサファイバ３０４に沿って配列することができることは明らかである。

したがって、図１は、センサファイバ３０４として設計されている光導波路の一区画のみを示しており、このセンサファイバ３０４は、ファイバ歪み３０８に対して感度が高い。これに関連して、「光学的（ｏｐｔｉｃａｌ）」又は「光（ｌｉｇｈｔ）」という用語は、紫外線スペクトル範囲から可視スペクトル範囲を介して赤外線スペクトル範囲まで延伸し得る電磁スペクトル内の波長範囲を指すものとする。ファイバブラッググレーティング３０６の中心波長、すなわち、いわゆるブラッグ波長λ_Ｂは、以下の式によって得られる。

λ_Ｂ＝２・ｎ_ｋΛ
ここで、ｎ_ｋはセンサファイバ３０４のコアの基本モードの有効屈折率であり、Λは、ファイバブラッググレーティング３０６の空間格子周期（変調周期）である。

反射応答の半値全幅によって得られるスペクトル幅は、センサファイバ３０４に沿ったファイバブラッググレーティング３０６の寸法に依存する。したがって、ファイバブラッググレーティング３０６の作用に起因して、センサファイバ３０４内の光伝播は、例えば、センサファイバ３０４に対して、特に、センサファイバ３０４内のファイバブラッググレーティング３０６に対して作用する力、モーメント及び機械的張力、並びに温度に依存する。

図１に示すように、測定光２０４が左手側からセンサファイバ３０４に入射し、測定光２０４の一部分は、測定光２０４とは異なる波長依存性を有する伝送（ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ）光２０６として出射する。ファイバの入力端において（すなわち、測定光２０４が照射される端部において）反射光２０５を受け取ることも可能であり、反射光２０４はまた、例えば、図２に示すような変調波長分布を示す（センサ反射応答）。

測定光２０４が広いスペクトル範囲において照射される事例において、ブラッグ波長の位置における伝送光２０６内の伝送（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）極小（図２に示す依存性と比較して依存性が逆になっており、すなわち、ブラッグ波長において最大限に吸収される）が結果である。反射光においてこの位置で反射極大が得られ、これを図２を参照して下記に説明する。

図２は、広帯域測定光２０４が照射されると共に、ファイバブラッググレーティング３０６（図１）の中心波長、すなわち、ブラッグ波長λ_Ｂが破線４０３に対応するときに受信されるセンサ反射応答４００を概略的に表す。センサ反射応答４００は、中心波長４０３に対して対称な曲線を有することができ、曲線は、半値全幅（ＦＷＨＭ）４０４、すなわち最大強度の半分におけるスペクトル幅を有する。

図２は、空間走査点（円）を概略的に示す。ここで、検出器ユニット１０４によって記録される変調二次光２０３を評価することによって、波長λの関数としての図２に示す曲線、すなわちセンサ反射応答４００を得ることができる。したがって、図２は、強度分布Ｉ（λ）を示し、センサ素子３０３によって反射される強度を波長λの関数として示す。測定デバイスによって検出されるべき波長分布は、図２の双頭矢印によって示されている波長応答範囲４０５に亘って得られる。変調二次光２０３は、ファイバブラッググレーティング３０６が測定されるとき、この範囲内の波長成分を示す。変調二次光２０３は、このとき、図２に示すセンサ反射応答４００に対応し、反射強度４０２を波長４０１の関数として記録する。

図３は、光源、ファイバカプラ、ファイバ測定デバイス、すなわちレール測定システムの概略ブロック図である。図３は、レール３２０、レールに取り付けられる光ファイバセンサユニット３３０、及び光学測定デバイス３４０を示す。光ファイバセンサユニット３３０は、この事例においては、図２に示すセンサユニット３０３又はそれと同様のものであってもよい。

レール３２０は、おおよそ棒と考えることができる。棒は、一般的に、その軸を横切る方向の負荷によって荷重がかけられ得るロッド状支持部材である。棒は、曲げ変形及びせん断変形によって荷重に応答する。例えば、棒の接触面に対して力が作用すると、棒は、接触面に向いている第１の領域が収縮し（負の歪み）、接触面から外方に面する第２の領域が伸張する（正の歪み）ような程度まで、曲げ変形に起因して変形される。これらの領域の間には、この曲げ変形によっていかなる歪みも被らない領域がある。この領域は中立軸として指定される。上記で言及したせん断変形が、曲げ変形に加えて存在する。

図３に示すレール３２０は、下側区画にある脚部３２２と、上側区画にある頭部３２４とを有する。これらの間にほぼ矩形の領域３２６が形成される。レール３２０に対して機械的変量が作用すると、レール３２０が変形され、それによって、上述したような中立軸３２８が形成される。レール３２０は、好ましくは、中立軸３２８が矩形領域３２６内に形成されるように設計される。

いくつかの実施の形態によれば、光ファイバセンサユニットは、中立軸に対して０°よりも大きい又は小さい角度を規定する。光ファイバセンサユニットは、好ましくは、中立軸に対して３０°〜６０°、特に４５°の角度において、又は、中立軸に対して−３０°〜−６０°特に−４５°の角度において配置され得る。

中立軸に対して±３０°〜±６０°、特に±４５°の角度において光ファイバセンサユニット３３０を取り付けることによって、光ファイバセンサユニットが、中立軸に平行に延伸しない正又は負の歪みを生起するせん断変形を検出するという利点がもたらされる。

いくつかの実施の形態によれば、光ファイバセンサユニットは中立軸に取り付けられてもよく、特に、センサユニットが中立軸に交差するように２つの位置において光センサユニットがレールに取り付けられるように、すなわち、一方の取り付け点が中立軸の一方の側に配置され、他方の取り付け点が中立軸の反対側に配置されるように、中立軸に亘って延伸してもよい。さらに、取り付け点は、特に、中立軸から同じ距離に配置されてもよく、すなわち、中立軸に対して対称に、特に、点対称に配置されてもよい。

図３において、光ファイバセンサユニット３３０は、例えば、中立軸から同じ距離に位置する２つの取り付け点３３２，３３４を介してレール３２０に取り付けられている。この理由から、取り付け点３３２，３３４においてレールに対して作用する機械的変量によって生起される曲げ変形は互いに相殺され、それによって、せん断変形が、実質的に直接的に又は実質的に干渉なしに測定される。

他の実施の形態と組み合わせることができるいくつかの実施の形態によれば、光ファイバセンサユニットは、実質的に、中立軸に若しくはその上に配置されてもよく、又は、中立軸に亘って延伸、すなわち、中立軸に交差してもよい。他の実施の形態と組み合わせることができるいくつかの実施の形態によれば、光ファイバセンサユニットは、中立軸に対して３０°〜６０°、特に４５°の角度において、又は、中立軸に対して−３０°〜−６０°、特に−４５°の角度において配置され得る。特に、光ファイバセンサユニットは実質的に、中立軸に若しくはその上に配置されてもよく、又は、中立軸に亘って延伸、すなわち、中立軸に交差してもよく、中立軸に対して３０°〜６０°、特に４５°の角度において、又は、−３０°〜−６０°の角度において配置され得る。このタイプの取り付けによって、せん断変形のみがセンサに導入される。これらはレールの湾曲とは無関係であり、この理由から、道床及び枕木上でのレールの正確な支持とは無関係である。

図３に示す光学測定デバイスは、一次光源３４１と、ファイバカプラ３４３と、光検出器３４５とを備える。一次光源３４１とファイバカプラ３４３との間に光学伝送ファイバ３４２が設けられている。ファイバカプラ３４３は、一次光源３４１の一次光２０１を、光ファイバセンサユニット３３０に対して方向付ける。次に、センサ反射応答４００、すなわちレール１５０に対して作用する機械的変量に依存して、光ファイバセンサユニット３３０によって反射される信号光が、ファイバカプラ３４３に伝送される。反射光又は反射光の一部分は、二次光３４７、すなわち信号光３４７として、ファイバカプラ３４３内の光検出器３４５に供給される。検出器は、強度分布、好ましくは信号光の強度を検出する。例えば、検出器は、光ファイバセンサユニットによって反射される二次光３４７の中心波長４０３の変化を分解する。

さらに、ファイバカプラ３４３と光検出器３４５との間にビームスプリッタ３４４を設けることができ、ビームスプリッタは、ビームスプリッタに入射する光を分割し、第１の部分３４７ａを光検出器３４５へと誘導し、第２の部分３４７ｂをフィルタ３４６を介して第２の光検出器３４８に案内する。フィルタ３４６は、好ましくは、エッジフィルタとして設計される。

第１の光検出器３４５及び／又は第２の光検出器３４８上での信号の評価は、図示されない評価ユニットにおいて実施され、特に、信号光を評価することができる。例えば、信号は処理又は計算され得る。第１の光検出器及び／又は第２の光検出器は、有利には、フォトダイオード、光電子増倍管、アバランシェフォトダイオードなどとして設計される。このタイプの光検出器は、入射する信号光を、迅速且つ単純な評価を可能にする光電流に変換する。例えば、フォトダイオードとして設計されている光検出器３４５、３４８において生成される信号の差を生成することができる。

典型的な実施の形態によれば、検出器は、信号光をスペクトル統合することができる、すなわち、スペクトル分解することなく、例えば、エッジフィルタの下流で強度を検出することができる。フォトダイオードの光信号は、光電流の単純な走査が実施されるため、特に、５ｋＨｚよりも高い、有利には８ｋＨｚよりも高い、一般的に１０ｋＨｚよりも高い高周波様式で、エッジフィルタの下流で読み取ることができる。代案として、検出はまた、光ファイバセンサユニット３３０によって反射される波長分布のスペクトルを判定するために、分光計などによって実施されてもよい。しかしながら、光検出器、特にフォトダイオードを使用することによって、測定構成が単純な高周波走査の利点がもたらされる。また、エッジフィルタのフィルタ特性線の傾斜の選択により、ダイナミックレンジの変更を行うことができる。フィルタ特性線の公称傾斜は、有利には、伝送強度に関係して８％ｎｍよりも小さく、特に２％〜７％の範囲内にある。公称傾斜は、様々なエッジフィルタをそれらの傾斜と比較するために、エッジフィルタの平均傾斜、エッジフィルタの重要な／主な領域における傾斜、又は、例えば、代表値と称されるエッジフィルタ特性の傾斜を指定する。さらに、ファイバブラッググレーティング３０６によって反射される光の一般的な中心波長４０３は約１５５０ｎｍである。ダイナミックレンジの変化のさらなる態様が、図５Ａ及び図５Ｂを参照して示されている。

ファイバブラッググレーティング信号、すなわち、レールに対して作用する機械的変量によって生起される光ファイバセンサユニットの信号変化は、正に図示したエッジフィルタ構成によって読み取ることができ、これにより、高周波測定を実施することができる。

図３は、さらに、２つの光ファイバセンサ素子を示す。いくつかの実施の形態によれば、適用範囲を拡大するために、中立軸に対して３０°〜６０°、特に４５°の角度において、又は、中立軸に対して−３０°〜−６０°、特に−４５°のさらなる角度において、第２の、すなわち他の光ファイバセンサユニットが設けられる。これは、図４に関連して示されている。特に、他の光ファイバセンサユニットの角度の符号は、上記光ファイバセンサユニットの角度の符号とは異なる。これに関連して、これらの２つの信号を追加することによって、レール上の荷重に比例する信号を提供することができる。

図３では、２つの光ファイバセンサユニットの使用が示されているが、例えば、測定精度を増大させるために３つ以上の光ファイバセンサユニットを使用することが可能であることが指摘されるべきである。いくつかの実施の形態によれば、他の光ファイバセンサユニット、すなわち第３のセンサユニット又は第４のセンサユニットも、上述した角度において配置されてもよい。しかしながら、それらはまた、例えば、中立軸に対して、例えば、０°又は９０°のような異なる角度において配置されてもよい。

例えば、ロックイン技術によって望ましくない干渉をなくすか又は少なくとも低減するために、一次光源３４１によって光ファイバセンサユニットを照射する前に、一次光を強度変調することができる。一次光源３４１によって一次光２０１を強度変調する事例において、光検出器において同期された検出を可能にするために、変調周波数を光検出器に与えることができる。

反射モードにおける測定が図３に示されているが、ファイバブラッググレーティングとして指定されている光ファイバセンサユニットはまた、伝送される一次光２０１が二次光（伝送二次光）２０２として光学測定デバイスに供給されるように、伝送モードにおいて操作されてもよいことがさらに留意されるべきである。

図４は、他の実施の形態によるレール測定システムの概略図を示す。ここで、図３を参照してすでに説明した構成要素は、冗長な説明を避けるためにここでは再び言及されないことが言及されるべきである。図４に示すように、レール測定システムは、レール３２０と、少なくとも１つの光ファイバセンサユニット３３０とを備える。レール３２０は、複数の枕木の上で支持されている。図４は、その間に少なくとも１つの光ファイバセンサユニット、典型的には２つの光ファイバセンサユニット３３０ａ，３３０ｂが配置される２つの枕木４１０ａ，４１０ｂを示す。本明細書に記載されている実施の形態によれば、少なくとも１つのセンサユニット３３０、特に少なくとも２つのセンサユニットは、それらが中立軸と±３０°〜±６０°、典型的には±４５°の角度を規定するように、レールに取り付けることができる。他の実施の形態によれば、少なくとも１つの光ファイバセンサユニット３３０は、好ましくは、中立軸に亘って対称に、特に点対称に延伸する。これは、光ファイバセンサユニットが、中立軸から同一の距離を有する２つの取り付け点３３２，３３４を介してレール３２０に取り付けられることを意味する。加えて、参照符号４２０は、レール３２０上を走行する列車の車輪を例示的に示している。

通過する列車は、その車輪４２０によってレール３２０に対して力を与え、その結果として、レール３２０は上述したように変形される。この理由から、少なくとも１つの光ファイバセンサユニットは、正又は負に歪む。これによって、少なくとも１つの光ファイバセンサユニットによって反射又は伝送される波長分布が変化する。この変化は、通過する列車に関する結論を出すために、測定信号として検出且つ評価される。例えば、レール上を走行する列車によって生起されるせん断変形を判定することができる。

いくつかの実施の形態によれば、少なくとも１つの光ファイバセンサユニットを、１つの測定位置に設けることができる。これにより、測定信号の評価を、車軸カウントに使用することができる。ここで、測定信号は、光ファイバセンサユニットによって反射及び／又は伝送される光、すなわち信号光に対応する。

図４に示すような他の実施の形態によれば、少なくとも２つの光ファイバセンサユニットを２つの測定位置に設けることができる。代案として又は付加的に、光ファイバセンサユニットはまた、同じ又は異なる測定位置に取り付けることができるファイバブラッググレーティングを有する２つ以上の光ファイバをも備えてもよい。したがって、各光ファイバセンサユニットは、作用する機械的変量に依存するブラッグ波長を有すると共に、光ファイバ内に設けられた少なくとも１つのファイバブラッググレーティングを有することができる。少なくとも２つの光ファイバセンサユニット又は少なくとも２つのファイバブラッググレーティングを有する少なくとも１つの光ファイバセンサユニットの測定信号の評価は、レールに対する荷重の判定、速度の測定、通過する列車の方向、レール上の列車の車輪の損傷の検出及び／又は通過する列車の列車分類を含むことができる。

図４において、２つの光ファイバセンサユニット３３０ａ，３３０ｂが、レール３２０上の２つの測定位置に取り付けられている。それによって、レール３２０は、３つの区画に分割することができる。第１の区画は、第１の枕木４１０ａの周辺で、第１の枕木４１０ａ及び第２の枕木の間に配置され、第２の区画は、第１の枕木４１０ａと第２の枕木４１０ｂとの間に配置され、第３の区画は、第２の枕木４１０ｂの周辺で、第１の枕木４１０ａ及び第２の枕木の間に配置され、第２の区画は、第１の区画と第３の区画との間に位置する。例えば、第１の区画、第２の区画及び第３の区画は、２つの枕木の間の領域を同一サイズの３分の１ずつに分割する。第１の光ファイバセンサユニット３３０ａは、好ましくは、第１の区画内に取り付けられ、第２の光ファイバセンサユニット３３０ｂは、好ましくは、第３の区画内に取り付けられる。他の実施の形態と組み合わせることができるいくつかの実施の形態によれば、光ファイバセンサユニットはまた、枕木の領域内にあってもよい、すなわち、枕木の間の分離の３０％の領域内よりも近くにあってもよい。第１の区画及び／又は第３の区画は、例えば、２つの枕木の間の領域の１５％をカバーすることができ、第２の区画は、２つの枕木の間の領域の７０％をカバーすることができる。図４に示すように、第１の光ファイバセンサユニット３３０ａは、中立軸３２６と正の角度を規定し、第２の光ファイバセンサユニット３３０ｂは、中立軸３２６と負の角度を規定する。特に、第１の光ファイバセンサユニット３３０ａ及び第２の光ファイバセンサユニット３３０ｂは、異なる符号で同じ量の角度を有することができる。第１の光ファイバセンサユニット３３０ａ及び第２の光ファイバセンサユニット３３０ｂは一般的に鏡面対称に配置される。

いくつかの実施の形態によれば、少なくとも１つの光ファイバセンサユニットには、光ファイバセンサユニットと枕木との間の分離によって変化する中立軸に対する可変角度が与えられる。特に、可変角度は、光ファイバセンサユニットが枕木の近くに配置されるときに、より急峻であり、光ファイバセンサユニットが２つの隣接する枕木の間でより中央に配置されるほど、より平坦になる。これにより、光ファイバセンサユニットを、レールに沿って異なる方向に作用するせん断応力に向けて方向付けることができるという利点がもたらされる。

いくつかの実施の形態によれば、通過する高速の列車の検出することを可能にするために、高周波測定信号の評価を実施することができる。この事例において、５ｋＨｚを超える、典型的には８ｋＨｚを超える、特に１０ｋＨｚを超える測定速度が有利である。光電流の単純な電気的走査が実施されるため、光信号は、典型的に、エッジフィルタの下流で高周波様式で読み取ることもできる。

光ファイバ又は光ファイバセンサユニットがレールの中立軸にわたって中央に延伸するように光ファイバ又は光ファイバセンサユニットを中立軸に対して典型的には３０°〜６０°、特に４５°の角度において取り付けることによって、せん断変形のみがセンサに導入される。これらはレールの屈曲とは無関係であり、それゆえ、道床及び枕木上でのレールの正確な支持とは無関係である。このタイプの２つの並列な測定システムを使用し、異なる符号を有する角度において互いに近くにセンサを取り付け、これら２つの信号を追加することによって、レールに対する荷重に比例する信号を生成することが可能である。

また、通過する列車は、正に同じレールに対して２００ｋｇ〜５０，０００ｋｇまでの軸方向荷重を与え、これによって、高いダイナミックレンジ（大きい測定範囲）がもたらされる。高いダイナミックレンジは、小さい信号を確実に検出することをも可能にするために（１ｐｐｍ未満のエラー率の安全性要件）、測定信号が、測定不確実性の背景から明瞭に区別されることを必要とする（高い信号対雑音比）。小さい信号では、ファイバブラッググレーティングセンサによる測定中に偏光誤差の問題がある。この誤差は、システムの固有の測定誤差を表し、使用されるファイバブラッググレーティングセンサによって予め決定されるこれらの測定システムに対する固定値である。信号光はレールに対する歪みによって固定して予め決定されるため、この信号対測定不確実性比は単純に克服することはできない。この理由から、非常に小さい軸重を安全に検出することはできない。それ故、本発明のいくつかの実施の形態は、適切なレバー構造又は変換器構造によって、レールに対する既存の歪みを増幅することを提案する。

図５Ａ及び図５Ｂは、さらなる実施の形態による光ファイバセンサユニットに使用される変換器構造の概略図を示す。

図５Ａに示すように、変換器構造５１０は、Ｈ形構造を有するが、これには限定されない。変換器構造は、原則的に、感度を増大させるために、ファイバブラッググレーティングを有する光ファイバにレールの歪みの増幅を提供する限り、任意の適切な形状を有してもよい。図５Ａに示す変換器構造は、２つの離間されたロッド５１２ａ，５１２ｂと、ロッド５１２ａ，５１２ｂとを接続する棒５１４とを有する。棒５１４は、同時に、変換器構造の固定点又は旋回点を表し、力が加えられたときに、変換器構造がこれを中心として回転する。

ファイバブラッググレーティング３０６を備える光ファイバ３０４は、２つのロッド５１２ａ，５１２ｂの間の第１の区画内の２つの懸架点５１６ａ，５１６ｂにおいて保持される。変換器構造５１０は、第２の区画内に設けられた２つの取り付け点５１８ａ，５１８ｂを介してレール３２０に取り付けられる。長さｌａｒｍ１を有する第１のレバーアームが、懸架点５１６ａ，５１６ｂと棒５１４との間の分離によって対応して確定され、長さｌａｒｍ２を有する第２のレバーアームが、取り付け点５１８ａ，５１８ｂと棒５１４との間の分離によって確定される。したがって、レバー比ｋは結果として、ｋ＝ｌａｒｍ１／ｌａｒｍ２となる。たとえレバー比が２つの距離に対して定義されていたとしても、例えば、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、変換器構造の固定点又は旋回点が、レールに取り付けるための変換器構造の取り付け点と、変換器構造におけるファイバの懸架点との間に配置される場合、レバー比は負である場合もある。レールに取り付けるための変換器構造の取り付け点、及び、変換器構造におけるファイバの懸架点が、レバーの固定点又は旋回点の同じ側に配置される場合、レバー比は正である。したがって、レール上の取り付け点及び光ファイバの懸架点に対する変換器構造の固定点又は旋回点の配置が、レバー比の符号を決める。レバー比ｋの量は有利には１よりも大きく、特に２よりも大きく、好ましくは２〜３である。

図５Ｂは、例えば、機械力又は温度変化の影響下でレールが伸張したときの変換器構造を示す。図５Ｂに示すように、取り付け点５１８ａ，５１８ｂの間の分離が変化し、それによって、懸架点５１６ａ，５１６ｂの間の分離が変化している。レバー比の量は有利には１よりも大きく、特に２よりも大きく、好ましくは２〜３である。この理由から、光ファイバ３０４はレール３２０よりも（正又は負に）歪められ、それによって、測定信号が増幅される。この理由から、信号対測定不確実性比が増大され、その理由から、小さい信号も確実に検出することができる。

他の実施の形態と組み合わせることができる一般的な実施の形態によれば、増幅又はレバー比ｋの量は、１よりも大きい。伝達率は、例えば、図５Ａ及び図５Ｂに示すように負であってもよく、又は、特に、レールに取り付けるための変換器構造の取り付け点、及び、ファイバの懸架点が、レバーの固定点若しくは旋回点の同じ側の変換器構造に配置されるとき、正であってもよい。図５Ａ及び図５Ｂは例示的な配置を示す。ｋの量が１よりも大きく、特に、下記に説明する温度補償が可能にされる、レバーのさらなる設計も、本明細書に記載されている実施の形態の範囲内で可能である。レバーの形状に応じて、例えば、伝達率が正であるか又は負であるかに応じて、ファイバは、より多いか又はより少ないプレテンションで懸架点５１６ａ，５１６ｂの間に取り付けることができる。

これによってまた、感度の増大ももたらされる。いくつかの実施の形態によれば、エッジフィルタの傾斜を、対応して平坦になるように選択することができる。エッジフィルタは、特に、測定範囲又はダイナミックレンジ全体をカバーするために、伝送強度に関係して８％毎ｎｍ未満、特に２％〜７％毎ｎｍの公称傾斜を有することができる。したがって、本明細書に記載されている実施の形態の範囲内で、当該変換器構造によって感度が増大され、本明細書に記載されているエッジフィルタの平坦な傾斜によって、測定範囲も増大される。これにより、大きく変動する軸重の確実な測定が可能になる。

このように、図３及び図４に示す光学的及び電気的構成は、光学素子によって機械的変量を電気信号に変換することができる、ファイバブラッググレーティングセンサに基づく測定システムを提供する。また、電子機器によって評価されなければならない感度の増大によって記録することができる光信号の変化を生起する図５の変換器構造を介して機械的に作用する変量を増幅することができる。したがって、測定範囲に関する評価ユニットに対する要件が増大されるが、信号には、エラー率をより小さくするより良好な信号対雑音比が与えられる。測定デバイスの測定範囲は、典型的に、伸張信号の新たなダイナミックレンジに一致するように、フィルタエッジを調整することによって調整される。いくつかの実施の形態において、測定デバイス内のフィルタのフィルタ特性線は、伝送強度に関係して、例えば、８％毎ｎｍ以下まで、特に、２％〜７％毎ｎｍの値まで平坦化される。この理由から、測定デバイスの測定誤差がさらに低減される。

いくつかの実施の形態によれば、測定信号は、同じく測定信号が高い荷重において測定範囲から外れる程度まで、変換器構造によって増幅することができる。この事例において、測定信号のクリッピングが実施される。この事例において、軸重の正確な測定値は、実際にはもはや定量的に検出することはできないが、定性的に説明することはできる。評価ユニットは、例えば、所定値よりも大きい重量を有する列車の通過に対応する出力を生成することができる。そのような信号はさらに、車軸カウントに使用することができる。

例えば、測定信号がエッジフィルタのフィルタ範囲から外れるとき、すなわち、測定信号がエッジフィルタによってもはやフィルタリングされないか、又は、フィルタリングされていない信号との差分評価がもはや定量的差異を何ら示さなくなるように変更されるときに、クリッピングを実施することができる。これは、例えば、そのような高い軸重を有する列車が光ファイバセンサユニットを通過するか、又は、光ファイバセンサユニットの領域内で停止し、それによって、生成される測定信号が、エッジフィルタがもはや関連する傾斜を有しない、エッジフィルタの領域内にある事例である。

さらに、あるタイプのクリッピングはまた、光ファイバ３０４内で行われてもよい。いくつかの実施の形態において、光ファイバは、変換器構造の懸架点の間又はレール上のプレテンションによって懸架され、それによって、収縮（負の歪み）も測定信号をもたらす。それによって、プレテンションは、所定の機械力の発生から始まって、プレテンションがなくなって、特に光ファイバ３０４が垂れ下がるような高い収縮を光ファイバ３０４が受けるように選択され得る。この事例において、定量的な説明はもはや可能ではない。しかしながら、通過する列車に対応する測定信号は依然として生成される。この信号は、例えば、車軸カウントを実施し、又は、速度を判定するために使用することができる。光ファイバのプレテンションは一般的に、機械的変量によって生起される光ファイバ３０４の、特にファイバブラッググレーティング３０６の長さの変化が、５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内の、好ましくは１２ｎｍよりも小さい波長変化を生起するように選択される。予測されるべき長さの変化が、例えば、範囲の境界上又は外側にある場合、上述した説明した光ファイバのタイプの懸架が、もはや高荷重の事例における大きな長さ変化に従う必要がないために、光ファイバの機械的荷重を低減することができるという利点をもたらす。

一実施の形態によれば、本明細書に記載されている実施の形態によるセンサユニット、又は、本明細書に記載されている実施の形態によるレール測定システムによる測定方法を提供することができ、第１の測定範囲において、軸重に比例する信号が生成され、第２の測定範囲において、特に、第１の測定範囲内よりも高い軸重について、軸重に比例しない信号、例えば、軸重の存在のみを示す信号が生成される。第２の領域は、例えば、上記で言及した態様のうちの１つによるクリッピングによって実現することができる。

上述した長さ変化は、光ファイバ３０４又はファイバブラッググレーティング３０６のダイナミックレンジ全体を含む必要はない。光ファイバ３０４は、典型的に、外部からの機械的変量の、例えば、通過する列車によって与えられる機械的変量の影響なしに、例えば、温度変化を補償することを可能にするために、中心波長４０３が、利用可能なダイナミックレンジのほぼ中心にあるような程度まで予張される。

変換器構造はその上、特に、光ファイバの適切なプレテンションの選択と共に、材料及び寸法の適切な選択を通じて、温度補償に使用することができる。温度変化は、レールに対する歪みを生起する。この歪みは、信号のオフセット又は変位を生成し、測定誤差をもたらす可能性がある。この理由から、温度補償は、例えば、荷重測定及び列車計量のような絶対的な測定用途に有利である。

上述した実施の形態のいくつかによれば、温度補償は、レバーの膨張係数を調整することによって達成することができる。これに関連して、レバーの幾何形状及び材料は、ファイバ及びレールの歪みがちょうどゼロまで補償されるように選択される。いくつかの実施の形態によれば、温度補償のために、負の伝達率を有する変換器構造の変換器構造の膨張係数は、レールの膨張係数よりも小さい。他の実施の形態によれば、温度補償のために、正の伝達率を有する変換器構造の変換器構造の膨張係数は、レールの膨張係数よりも大きい。

一般的な実施の形態を参照しながら本発明を上記で説明したが、本発明はこれには限定されず、複数の方法で修正することができる。本発明は、言及した用途に限定されることもない。

Claims (14)

1. 長手方向延伸部、及び、前記長手方向延伸部に沿って延伸する中立軸を有するレールに作用する機械的変量を測定するための少なくとも１つの光ファイバセンサユニットの使用方法であって、
   前記中立軸に対して３０°〜６０°、特に４５°の角度において、又は、前記中立軸に対して−３０°〜−６０°、特に−４５°の角度において、前記少なくとも１つの光ファイバセンサユニットを準備し、
   反射モード又は伝送モードにおいて信号光を生成するために、前記少なくとも１つの光ファイバセンサユニットに一次光を照射し、
   前記信号光の強度を検出し、
   前記信号光を評価する少なくとも１つの光ファイバセンサユニットの使用方法であって、
   前記少なくとも１つの光ファイバセンサユニットは前記レールに取り付けられており、前記光ファイバセンサユニットの１つの取り付け点は前記中立軸の一方の側に配置され、別の取り付け点は前記中立軸の反対側に配置されることを特徴とする少なくとも１つの光ファイバセンサユニットの使用方法。
2. 前記評価は、前記レール上を走行する列車によって生起される前記レールのせん断変形を判定する請求項１に記載の使用方法。
3. 前記評価は、前記光ファイバセンサユニットの上を走る車軸をカウントする請求項１又は２に記載の使用方法。
4. 前記中立軸に対して３０°〜６０°、特に４５°の角度において、又は、前記中立軸に対して−３０°〜−６０°、特に−４５°の角度において、さらなる光ファイバセンサユニットを準備する請求項１〜３のいずれか１項に記載の使用方法。
5. 前記さらなる光ファイバセンサユニットの前記中立軸に対する角度の符号は、前記少なくとも１つの光ファイバセンサユニットの前記中立軸に対する角度の符号とは異なる請求項４に記載の使用方法。
6. 前記評価は、前記レール上の荷重の判定、速度の測定、通過する列車の方向、前記レール上の列車の車輪の損傷の検出及び／又は通過する列車の列車分類を含む請求項４又は５に記載の使用方法。
7. 前記光ファイバセンサユニットは、前記光ファイバセンサユニットに作用する前記機械的変量を増幅する変換器構造を有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の使用方法。
8. レールと前記レールに作用する機械力を検出するための光ファイバセンサユニットとを含むレール測定システムであって、
   前記光ファイバセンサユニットは、
   光ファイバと、
   前記光ファイバ内に設けられ、前記機械力に依存するブラッグ波長を有するファイバブラッググレーティングと、
   信号増幅レバーを備える変換器構造であって、２つの取り付け点を介して前記レールに取り付けられる変換器構造と、
   信号光の第１の部分をフィルタリングするためのエッジフィルタとを備え、
   特に、前記エッジフィルタは、伝送強度に関係して８％毎ｎｍ以下、特に２％〜７％毎ｎｍの公称傾斜を有するフィルタ特性線を有し、特に、前記レールに作用する２００ｋｇ〜５０，０００ｋｇの軸重の測定範囲が提供されるレール測定システム。
9. 前記変換器構造は温度補償を行うように設計され、特に、負の伝達率を有する変換器構造の前記変換器構造の熱膨張係数は、前記レールの熱膨張係数よりも小さく、又は、前記正の伝達率を有する変換器構造の前記変換器構造の熱膨張係数は、前記レールの熱膨張係数よりも大きい請求項８に記載のレール測定システム。
10. 長手方向延伸部、及び前記長手方向延伸部に沿って延伸する中立軸を有するレールであって、前記レール上を走行する列車によって生成される機械力が作用するレールと、
    前記レールに作用する機械力を検出するための少なくとも１つの光ファイバセンサユニット、典型的には２つの光ファイバセンサユニットであって、機械的変量に依存するブラッグ波長を有するファイバブラッググレーティングを備える光ファイバセンサユニットとを備えるレール測定システムであって、
    前記少なくとも１つの光ファイバセンサユニットは、前記中立軸に対して３０°〜６０°、特に４５°の角度において、又は、前記レールの前記中立軸に対して−３０°〜−６０°、特に−４５°の角度において、前記レールに取り付けられ、
    前記光ファイバセンサユニットは前記レールのほぼ前記中立軸において取り付けられ、前記光ファイバセンサユニットの１つの取り付け点は前記中立軸の一方の側に位置し、さらなる取り付け点は前記中立軸の反対側に位置することを特徴とするレール測定システム。
11. 前記光ファイバセンサユニットは、請求項８又は９に記載の光ファイバセンサユニットである請求項１０に記載のレール測定システム。
12. ５ｋＨｚ以上の、特に８ｋＨｚ以上の、特に１０ｋＨｚ以上の測定周波数向けに設計された評価ユニットをさらに備える請求項１０又は１１に記載のレール測定システム。
13. 信号光を生成するために前記光ファイバセンサユニットに一次光を照射するための広帯域光源と、
    前記信号光を前記信号光の第１の部分及び前記信号光の第２の部分に分割するためのビームスプリッタと、
    前記信号光の前記第１の部分を検出するための第１の検出器と、
    前記信号光の前記第２の部分を検出するための第２の検出器と
    をさらに備える請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のレール測定システム。
14. 光ファイバセンサユニット、特に、ファイバブラッググレーティングを備える光ファイバセンサユニットをレールに取り付ける方法であって、
    前記レールの中立軸に対して３０°〜６０°、特に４５°の角度において、又は、前記レールの前記中立軸に対して−３０°〜−６０°、特に−４５°の角度において、特に、ほぼ前記中立軸において前記光ファイバセンサユニットを前記レールに取り付け、
    前記光ファイバセンサユニットの１つの取り付け点は前記中立軸の一方の側に位置し、さらなる取り付け点は前記中立軸の反対側に位置することを特徴とする光ファイバセンサユニットを取り付ける方法。
    

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