KR20210135595A - 광섬유 센서 유닛, 광학 측정 시스템, 차축 계수 장치 및 차축 계수 방법 - Google Patents

Abstract

레일(15)에 작용하는 기계적 힘을 감지하는 광섬유 센서 유닛(1a)은 적어도 제1 센서 광섬유(2, 3), 세장형의 제1 광섬유 스트레인 센서(4) 및 세장형의 제2 광섬유 스트레인 센서(5) - 상기 제1 센서 광섬유(2)는 상기 제1 스트레인 센서(4)를 포함함 - 를 포함하고, 상기 적어도 하나의 센서 광섬유(2, 3)는 센서 플레이트에 부착되고, 상기 제1 광섬유 스트레인 센서(4) 및 상기 제2 스트레인 센서(5)는 x-형 또는 v-형 기하 구조로 배열되고, 상기 제1 스트레인 센서(4) 및 상기 제2 스트레인 센서(5)는 서로에 대해 60°내지 120°, 특히 90°의 각도로 배열된다. 측정 신호의 증폭을 높이고 원시 데이터를 개선하여 측정이 이루어질 수 있다.

Description

광섬유 센서 유닛, 광학 측정 시스템, 차축 계수 장치 및 차축 계수 방법

본 발명은 레일에 작용하는 기계적 힘을 검출하기 위한 광섬유 센서 유닛에 관한 것으로, 적어도 제1 센서 광섬유, 제1 세장형(elongated) 광섬유 스트레인 센서 및 제2 세장형 광섬유 스트레인 센서를 포함하고, 제1 센서 섬유는 제1 스트레인 센서를 포함한다.

이에 따른 광섬유 센서 유닛은 인용 문헌 [01]에서 알려져 있다.

광섬유 브래그 격자 센서(Fiber Bragg grating sensor)는 최근에 차축(axle) 계수기 측정을 위해 사용된 것으로 보고되었다. 센서 장치를 통과하는 휠의 플랜지로 인한 자기 유전율(magnetic permittivity)의 변화를 감지하기 위해 전자기 센서를 사용하는 기존의 전통적인 차축 계수기는 전기 트랙션 모터(traction motor)의 표유 전자계(stray field)가 발생하기 쉽고 또한 각각의 센서에 아주 가까운 전자 박스(electronics box)를 필요로 한다. 광섬유 센서는 기차 휠이 철로 위로 지나갈 때 철로가 겪는 전단 변형(shear strain)을 측정하기 위해 2개 이상의 광섬유 브래그 격자를 사용한다. 측정된 변형은 휠의 통과, 그 통과 속도, 이동 방향 및 휠 상의 하중을 검출하는 데 사용될 수 있다. 센서의 주요 용도는 센서 위치를 통과하는 휠의 갯수를 계수하여 선로 블록(track block)이 점유되어 있는지 여부를 결정하는 것이다. 광섬유 브래그 격자 센서의 사용은 훨씬 더 작고 더 견고한 센서가 선로에 배치될 수 있게 하고, 처리 설비가 수 킬로미터 떨어져 위치될 수 있게 한다. 이것은 신호 시스템의 설치 및 유지 관리 비용을 크게 감소시킨다.

인용 문헌 [02]는 2개의 단일 광섬유 브래그 격자를 사용하는 광섬유 센서를 사용하여 레일에 작용하는 기계적 힘을 측정하기 위한 레일 측정 시스템을 개시한다. 광섬유 브래그 격자 중 하나는 중성 섬유에 대해 +45°의 각도로 레일에 부착되고, 다른 하나는 중성 섬유에 대해 -45°의 각도로 부착되며, 광섬유 브래그 격자는 레일의 방향으로 서로 이격된다. 인용 문헌 [02]로부터 공지된 구성의 단점은 전단 응력 측정으로부터 발생하는 신호들이 임계값 평가에 적합하지 않기 때문에, 감도가 각각의 차축을 안정적으로 감지하기에 충분하지 않아, 열차에 요구되는 안전 수준(SIL4)이 보장되지 않는다는 것이다.

인용 문헌 [01]은 서로 평행하고 45°로 플레이트에 장착된 한 쌍의 FBG 센서를 포함하는 차축 계수용 광섬유 센서 유닛을 개시한다. FBG 센서들은 레일 방향을 따라 서로 분리된다. 2개의 광섬유로부터의 신호들은 감산되어 각각의 휠에 대한 검출 펄스를 제공한다. 개념은 열차의 선행 휠과 후행 휠의 통과로 인해 레일이 겪는 굽힙, 압축 및 진동이 광섬유 센서 유닛의 전체 길이에 걸쳐 일관적이라는 것을 가정하고 이를 요구한다. 2개의 광섬유로부터의 신호들을 감산하는 것은 휠이 통과함에 따라 순전히 전단 변형의 변화에만 기인하는 검출 펄스를 제공해야 한다(아래의 도 1 참조). 센서의 시험은 주요 가정이 완전히 정확하지는 않으며 2개의 광섬유가 상쇄되지 않는 원치 않는 상이한 변형을 경험하여 이에 따라 왜곡된 감지 펄스와 높은 백그라운드 노이즈 레벨을 초래한다는 것을 나타냈다. [01]로부터 알려진 광섬유 센서 유닛은 빠르고 다양한 하중의 열차가 지나갈 때 신뢰할 수 없는 계수를 생성한다. 이는 특히 화물 열차의 차축이 계수되어야 하는 경우에 문제가 되며, 이는 적재된 화차와 적재되지 않은 화차 사이의 큰 중량 차이로 인해 레일 상의 하중이 크게 변동하기 때문이다. 레일에 적용하는 교란은 측정될 신호(전단 응력)보다 몇 배 더 크다. 그 결과, 차축은 정확하게 계수되지 않거나 전혀 계수되지 않으며, 이는 어떠한 희생을 치르더라도 회피되어야 한다.

인용 문헌 [03]은 4-센서 브리지 배열과 연계하여 이중 X-스타일 배치를 도 E에서 제안한다.

본 발명의 목적은 측정 신호의 증가된 증폭 및 개선된 원시 데이터를 이용한 측정을 허용하는 광섬유 센서를 제공하는 것이다.

이 목적은 청구항 1에 따른 광섬유 센서 유닛, 청구항 12에 따른 광학 측정 시스템, 청구항 15에 따른 차축 계수 장치(axle-counting device) 및 청구항 16에 따른 차축 계수 방법에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 적어도 하나의 센서 섬유가 센서 플레이트에 부착되고, 제1 광섬유 스트레인 센서 및 제2 스트레인 센서가 x-형 또는 v-형 기하 구조로 배열되며, 제1 스트레인 센서 및 제2 스트레인은 센서는 서로에 대해 60° 내지 120°, 특히 90°의 각도로 배열된다.

검출된 광 신호는 일반적으로 예를 들어 통과하는 열차의 휠에 의해 생성되는 전단 응력인 검출될 신호(타겟 신호)와, 예를 들어 레일의 굽힙 및 진동 또는 온도에 기인하는 원하지 않은 교란(간섭 신호)을 포함한다.

본 발명에 따르면, 스트레인 센서는 서로 거리를 두지 않고 중첩하거나(x-형 기하 구조) 또는 중첩되지 않지만 서로 인접하게(v-형 기하 구조) 배열된다. 따라서, 레일에 부착될 때, 2개의 스트레인 센서는 동일하거나 거의 동일한 레일 위치에 작용하는 특정 교란을 검출한다. 이것은 제1 스트레인 센서와 제2 스트레인 센서에 의한 측정 사이의 시간이 최소화되기 때문에 시간에 따라 변할 수 있는 교란의 경우에 특히 유리하다.

본 발명의 장치는 개선된 신호 품질로 신호 검출을 가능하게 한다. 이것은, 예를 들어 레일 시스템 내의 차축 계수에서의 경우인, 낮거나, 상당히 변할 수 있거나, 유사하거나 더 큰 진폭을 갖는 교란이 중첩되는 신호를 검출하기 위한 광섬유 유닛의 사용에 특히 중요하다.

매우 바람직한 실시예에서, 스트레인 센서는 광섬유 브래그 격자이다. 각각의 광섬유 브래그 격자는 광섬유 브래그 격자에 작용하는 기계적 변형에 따라 달라지는 브래그 파장을 가진다. 2개의 광섬유 브래그 격자가 하나의 센서 섬유에 새겨지거나(inscribed)(즉, 센서 섬유가 2개의 FBG 세그먼트를 포함함) 또는 각각의 FBG가 별개의 센서 섬유에 새겨진다(즉, 각각의 섬유가 하나의 FBG 세그먼트를 포함함).

본 발명의 광섬유 센서 유닛의 바람직한 실시예에 따르면, 센서 플레이트는 갭(리세스)을 포함하고, 적어도 하나의 섬유는 스트레인 센서가 갭 내에 위치되도록 갭에 걸쳐 있다. 센서 플레이트의 갭을 통해 FBG가 자유롭게 배치될 수 있다(즉, 센서 플레이트에 접촉하지 않고). 갭에 걸쳐 있는 스트레인 센서는 예하중이 걸려 있다.

매우 바람직한 실시예에서, 제1 스트레인 센서 및 제2 스트레인 센서는 x-형 기하 구조로 배열되고, 스트레인 센서는 스트레인 센서의 종방향 연장부에 수직인 방향으로 서로 거리를 두고 있다. 즉. 스트레인 센서는 (스트레인 센서의 종방향 연장부에 수직인 방향으로 FBG 사이의 거리로 인해) 서로 접촉하지 않고 x형 기하 구조로 배열된다. 제1 스트레인 센서 및 제2 스트레인 센서는 스큐 라인(skew line)을 따라 연장된다. 2개의 스트레인 센서 사이의 각도는 2개의 스트레인 센서의 공통 연직선을 따른 돌출부의 각도이고, "x-형 기하 구조"는 공통 연직선을 따라 스트레인 센서의 돌출부가 교차한다는 것을 의미한다(즉, 스트레인 센서가 레일의 종방향 연장부에 대해 중첩됨). 바람직하게는, x-형 기하 구조는 2중 회전 대칭, 특히 4중 회전 대칭을 가지며, 즉 2개의 스트레인 센서의 중심이 공통 연직선 상에 배열된다.

대안적으로, 스트레인 센서는 v-형 기하 구조로 배열될 수 있다. 이 경우, 2개의 스트레인 센서가 약간 늦게 반응한다. 즉. 처리된 센서 신호는 일시적으로 더 넓어지고 최대 진폭이 다소 낮아질 수 있다. 횡방향 힘은 정확히 동일하지 않을 수 있다. 즉. 교란의 억제는 x-기하 구조에 비해 다소 덜 효과적이다. 그러나, 스트레인 센서는 동일한 높이 수준으로 배치될 수 있기 때문에 v-형 기하 구조는 생산이 용이하고 저렴하다.

센서 플레이트는 적어도 하나의 센서 섬유가 부착되는 적어도 하나의 홈을 포함할 수 있다. 하나 또는 2개의 홈을 제공하는 것에 의해 섬유를 센서 플레이트에 쉽게 배치하고 고정할 수 있다. 또한, 광섬유의 경로는 홈에 의해 결정될 수 있다. 적어도 하나의 홈을 다른 깊이로 제공함으로써, 섬유는 서로 교차하면서 거리를 두고 위치될 수 있다. 따라서, 광섬유 센서 유닛의 특정 실시예에서, 홈은 상이한 방향으로부터 상이한 높이로 센서 플레이트 내에 갭을 유도하여(즉, 홈은 상이한 깊이를 가짐), 광섬유 세그먼트가 상이한 레벨로 서로 교차하도록 함으로써 서로 접촉되지 않게 교차할 수 있다.

바람직하게는, 2개의 홈은 상이한 깊이로 제공된다. 대안적으로, 하나의 센서를 위한 홈은 센서 플레이트의 상부 표면에 있고 다른 센서를 위한 홈은 홈들이 접촉하지 않도록 하부 표면에 있을 수 있다. 하부 센서용 광섬유는 플레이트의 상단으로부터 플레이트의 구멍을 통해 하부 표면으로 유도될 수 있다. 광섬유는 기계식 증폭기에 부착될 수 있으며 레일로부터의 변형을 스트레인 센서로 전달할 수 있다. 기계식 증폭기는 센서 플레이트의 일부이거나/센서 플레이트에 통합된다.

적어도 하나의 홈이 에칭될 수 있다. 바람직하게는, 홈은 에칭 공정을 이용하여 형성되며, 여기서 상이한 홈에 대해 상이한 에칭 깊이가 적용된다. 에칭 공정은 센서 플레이트에 광섬유를 부착하기 위한 접착 공정을 위해 홈을 완벽하게 제공한다. 이중 에칭에 의해 2개의 다른 에칭 깊이가 바람직하게 달성되지만, 2개의 홈에 대해 다른 노출 시간으로 한 번만 에칭하는 것도 가능하다.

바람직하게는, 제1 홈과 제2 홈은 동일한 센서 플레이트의 일부이며, 2개의 홈은 센서 플레이트의 다른 높이 레벨에 있다. 이것은 광섬유가 서로 교차하면서 거리를 두고 위치될 수 있기 때문에 x-형 기하 구조를 사용할 때 특히 유리하다. v-형 기하 구조의 경우, 센서는 동일한 깊이 레벨로 배치될 수 있다. 이 경우, 다른 홈 깊이가 필요하지 않다.

특별한 실시예에서, 센서 광섬유는 제1 광섬유 브래그 격자와 제2 광섬유 브래그 격자 모두를 포함한다. 즉. 2개의 FBG는 동일한 센서 섬유에 새겨진다. 광광섬유 센서 유닛에 대해 단 하나의 센서 광섬유가 필요하며, 이는 본 발명의 광섬유 센서 유닛의 본 실시예를 비용 효율적이고 용이하게 제조할 수 있게 한다. 이 실시예는 온도 변화의 경우에 2개의 FBG의 작동 범위와 그에 따른 반사 파장이 동일한 방식으로 시프트되기 때문에 용이한 온도 보상을 허용한다. 온도 보상을 위해 어떤 기계적 보상 수단도 필요하지 않다. 센서 광섬유가 하나만 있는 실시예는 브래그 파장이 다른 FBG를 필요로 한다.

대안적인 실시예에서, 광섬유 센서 유닛은 2개의 센서 광섬유를 포함하고, 각각의 광섬유 브래그 격자는 개별 센서 광섬유의 일부이다. 각각 하나의 FBG를 갖는 서로 다른 센서 광섬유를 사용함으로써 동일한 브래그 파장을 갖는 FBG를 사용할 수 있다.

바람직하게는, 2개의 광섬유는 동일한 센서 플레이트에 장착된다. 이 경우 FBG의 상대적인 배치가 고정되어 광섬유 센서 유닛의 장착이 용이해진다.

센서 플레이트는 레일 상에 광섬유 센서를 장착하기 위한 베이스 플레이트에 부착될 수 있으며, 베이스 플레이트는 연속적인 바닥면을 가진다. 센서 플레이트는 FBG가 위치된 영역에 갭이 있기 때문에 센서 플레이트 자체는 연속 영역에 걸쳐 접착될 수 없다. 추가의 베이스 플레이트를 제공하는 것에 의해 크고 연속적인 접착 영역이 제공될 수 있다.

가벼운 휠 하중을 감지할 수 있도록, 센서 플레이트는 레일로부터 광섬유 브래그 격자까지 길이의 교번(alternation)을 전달하고 증폭시키는 기계적 증폭기를 포함하는 것이 바람직하다. 이에 따른 증폭기는 인용 문헌 [01]에 설명되어 있다. 인용 문헌 [01]과 대조적으로, 본 발명의 x-형 기하 구조에서는 온도 보상이 필요하지 않다.

본 발명은 또한 레일의 전단 응력을 측정하기 위한 광학 측정 시스템에 관한 것으로, 이 시스템은: 종방향 연장부와 종방향 연장부를 따라 연장되는 중립 축을 갖는 레일; 레일에 작용하는 전단 변형에 따라 광학 신호를 검출하는 전술한 광섬유 센서 유닛 - 여기서 광섬유 센서 유닛은 광섬유 브래그 격자가 중립 축에 대해 경사지게 배향되도록 레일에 장착됨 -; 광섬유 센서 유닛의 센서 광섬유 내로 광을 결합하도록 적합화된 광원 및 광섬유 센서 유닛에 의해 검출된 신호를 처리하는 신호 처리 유닛을 포함한다.

매우 바람직한 실시예에서, 광섬유 센서 유닛은 스트레인 센서가 중립 축에 대해 30°내지 60°의 각도, 바람직하게는 중립 축에 대해 45°의 각도로 배향되도록 레일에 장착된다.

광원은 적어도 하나의 센서 광섬유 내로 광을 결합한다. 광은 제1 및 제2 FBG로 안내되고, 여기서 각각의 FBG는 브래그 파장이고 반값 전폭(full width at half maximum)을 갖는 반사 피크를 갖는 반사 스펙트럼을 가진다. 2개의 광섬유 브래그 격자에 의해 반사된 광은 신호 처리 유닛 내에서 감지되고 처리됨으로써 레일의 전단 응력 신호가 수신된다.

기차의 통과 휠은 광섬유 브래그 격자에서 파장 변화인 광학 신호를 생성한다. 2개의 광섬유 브래그 격자의 x-형 또는 v-형 배열로 인해 제1 인스턴스의 광섬유 브래그 격자 중 하나에 의해 반사된 파장은 휠이 접근하는 동안 감소하고, 다른 인스턴스의 광섬유 브래그 격자의 반사된(reflected) 파장도 동시에 증가한다. 또한, 휠이 센서를 통과하고 센서에서 멀어지는 동안, 2개의 광섬유 브래그 격자의 반사 파장은 반대 방식으로 동작한다. 이에 대해, 레일의 횡방향으로 발생하는 교란, 예를 들어 기차 차축의 사인파 운동 또는 온도에 의해 야기되는 교란은 2개의 광섬유 브래그 격자의 파장을 동일한 방향으로 변경한다. 이 효과는 파장 변화가 광도 변화로 변환된 후 2개의 검출 신호(제1 광섬유 브래그 격자에 의해 검출된 신호와 제2 광섬유 브래그 격자에 의해 검출된 신호)를 빼서 간섭 신호를 제거하거나 적어도 실질적으로 감소시키는 사후 신호 처리를 가능케 한다. 광학 필터는 바람직하게는 이 변환을 수행한다.

바람직하게는, 광섬유 센서 유닛은 레일의 레일 웹에 부착된다.

특정 실시예에서, 신호 처리 유닛은 하강 엣지 및 상승 엣지를 갖는 엣지 필터를 포함하고, 제1 광섬유 브래그 격자는 상승 엣지에서 브래그 파장을 가지고 제2 광섬유 브래그 격자는 엣지 필터의 하강 엣지에서 브래그 파장을 가진다. 이것은 2개의 광섬유 브래그 격자가 서로 다른 브래그 파장을 가지는 경우에 특히 유용하다. 광섬유 브래그 격자와 엣지 필터의 초기 파장(추가 하중이 가해지지 않은 브래그 파장)은 광섬유 브래그 격자의 초기 파장이 엣지 필터의 다른 엣지에 있도록 선택된다. 따라서, 광섬유 브래그 격자의 광섬유 브래그 격자의 브래그 파장에 엣지가 있는 엣지 필터는 반사광의 파장 변화를 광도 변화로 변환한다. 이를 통해 엣지 필터 메커니즘 내에서 2개의 센서의 신호를 뺄 수 있으므로 원치 않는 교란을 상쇄하여 레일의 전단 변형을 순수하게 측정할 수 있다.

매우 바람직한 실시예에서, 스트레인 센서는 레일의 중립 축을 포함하는 평면에 대칭적으로 배열된다. 즉. 센서는 완벽한 x-형 기하 구조를 가진다. x-형 스트레인 센서의 대칭 평면은 레일의 대칭 평면에 수직이다. 이는 2개의 스트레인 센서가 동일한 레일 세그먼트에 작용하는 힘을 경험하도록 하여 광학 신호로부터의 교란의 필터링을 최적화한다.

수평 중립 축에 대한 x-형 기하 구조의 대칭으로 인해 X의 상단에서 중심까지 수직으로 작용하는 힘은 신호를 생성하지 않는다. 이것은 정확히 동일한 위치에 있는 2개의 FBG 각각의 경우이다(완벽한 x-형 기하 구조).

또한, 스트레인 센서는 레일의 중립 축에 수직인 평면에 대칭으로 배열되는 것이 바람직하다. 중립 축에 수직인 평면에 대한 기하 구조는 중립 축에 대한 2개의 스트레인 센서의 각도가 동일한 것을 보장한다.

또한, 본 발명은 적어도 하나의 광원 및 적어도 하나의 계수 유닛을 포함하는 차축 계수 장치에 관한 것으로, 여기서 각각의 계수 유닛은 레일에 장착하도록 구성된 전술한 바와 같은 적어도 하나의 광섬유 센서 유닛 및 신호 처리 유닛을 포함하고, 광원은 광섬유 센서 유닛의 센서 광섬유에 광을 결합하도록 구성된다.

또한, 본 발명은 레일용 차량(rail bound vehicle)용 차축 계수 방법에 관한 것으로, 적어도 하나의 센서 광섬유를 통해, 레일에 장착된 광섬유 센서의 제1 및 제2 광섬유 스트레인 센서 내로 광을 결합하는 단계; 제1 및 제2 광섬유 스트레인 센서에 의해 반사광을 검출하여 레일의 전단 응력 신호를 각각 수신하는 단계 - 각각의 광섬유 스트레인 센서는 브래그 파장에 있고 반값 전폭을 갖는 반사 피크를 가지는 반사 스펙트럼을 가짐 -; 2개의 수신된 전단 응력 신호로부터 전단 응력 차이 신호를 생성하는 단계; 및 전단 응력 차이 신호가 미리 정해진 상한값을 초과하거나 미리 정해진 하한값 아래로 떨어지는 경우 신호 처리 유닛 내에서 휠 신호(wheel signal)를 생성하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 광섬유 스트레인 센서는 x-형 또는 v-형 기하 구조로 배열되고, 제1 스트레인 센서 및 제2 스트레인 센서는 서로에 대해 60°내지 120°, 특히 90°의 각도로 배열되며, 제1 광섬유 스트레인 센서와 제2 광섬유 스트레인 센서의 반사 피크의 반값 전폭은 서로 최대 200%만큼 편차를 가진다.

인용 문헌 [1]에서 알려진 방법에 있어서, 제1 반사 피크의 반값 전폭은 제2 반사 피크의 반값 전폭보다 몇 배 더 크다. 레일에 하중에 걸리면, 2개의 FBG의 파장이 시간 지연을 가지고 동일 방향으로 이동하므로 2개의 FBG 신호는 일시적으로 중첩되며, 이는 상이한 반값 전폭을 제공하는 것으로 지원된다. 그러나, 제1 반사 피크가 본 특허에서 제안된 것보다 약 4배 넓으면, 수신된 광 전력은 휠 교차에 의해 최대 1/5만큼 감소된다. 예컨대 횡력에 의해 야기되는 간섭 신호는 FBG 신호 모두에 영향을 미치고 합쳐진다. 따라서, 신호 대 잡음비가 매우 불리하다. 다운스트림 평가는 방향 인식을 가능케 하지만 간섭에 민감하다. 그러나, 제1 반사 피크의 넓은 펄스도 파장의 교란에 의해 이동되기 때문에, 이것은 좁은 펄스 폭의 대략 4배에 해당하여 교란은 4!배로 작용한다.

인용 문헌 [1]에서 알려진 방법과 달리, 본 발명의 방법은 유사한 반값 전폭을 갖는 반사 피크를 가지는 FBG를 사용한다. 본 발명의 X 배열은 2개의 FBG의 파장을 반대 방향으로 이동시킨다. 작동 지점 사이의 거리는 휠이 해당 지점을 지나갈 때 서로 "추월"하도록 선택될 수 있다. 2개의 스트레인 센서에 동일한 반값 전폭을 제공하는 것에 의해, 수신된 광은 휠이 절반만큼 2회 교차하는 이상적인 경우에 강도가 감소된다. 반사 피크의 반값 전폭은 바람직하게는 휠 하중에 대한 미리 결정된 범위가 달성되도록 선택된다. 2개의 광섬유 스트레인 센서의 브래그 파장 사이의 차이는 바람직하게는 미리 결정된 최소 감도가 달성되도록 선택된다.

각 휠은 기차의 방향에 따라 양의 펄스에 이은 음의 펄스 또는 대안적으로 음의 펄스에 이은 양의 펄스를 생성한다. 파장 변화가 광도로 변환되는 것은 OEC(광학 칩)에서 발생하며, 이는 필요한 광 신호 처리를 최소(하나의 포토다이오드)로 제한하고 전기적 평가를 간단하게 한다.

본 발명의 방법의 바람직한 변형례에서, 센서 광섬유는 제1 및 제2 광섬유 스트레인 센서를 포함하고, 제1 및 제2 광섬유 스트레인 센서는 일렬로 배열되고 상이한 브래그 파장을 갖는다. 전단 응력 차이 신호는 무하중 상태에서 하중 상태로 전이하는 동안 2개의 광섬유 스트레인 센서의 반사 피크의 스펙트럼 중첩에 의해 광학적으로 생성된다.

특정 변형례에서, 방법 단계 a)-d)는 트랙의 다른 레일에 부착된 추가의 광섬유 센서 유닛으로 수행되며, 여기서 2개의 광섬유 센서 유닛은 레일 방향으로 서로 이격된다. 이 신호에는 방향 정보가 포함되어 있지 않다. 방향 정보를 수신하기 위해, 트랙의 종방향으로 제1 광섬유 센서 유닛까지 거리에 있는 추가의 광섬유 센서 유닛이 필요하다. 이상적으로, 이것은 트랙의 일측에 있는 차축의 휠이 레일에 필요한 힘을 예컨대 평탄한 스폿을 통해 전달하지 않는 경우에 차축의 감지율을 증가시키기 때문에 다른 레일에 약간 편향되게 장착되어야 한다.

본 발명의 추가적인 장점들이 설명 부분 및 도면으로부터 도출될 수 있다. 전술한 특징과 후술하는 특징은 자체적으로 개별적으로 또는 조합하여 적용될 수 있다. 예시되고 설명된 실시예들은 완전한 목록으로 이해되어서는 안되며, 오히려 본 발명의 설명을 위한 예시적인 특징을 가진다.

도 1a는 각각 광섬유 브래그 격자(x-형 기하 구조)를 포함하는 2개의 센서 광섬유를 갖는 제1 실시예의 본 발명의 광섬유 센서 유닛의 평면도를 예시한다.
도 1b는 도 1a의 B 영역의 확대 상세도를 예시한다.
도 1c는 제1 실시예의 본 발명의 광섬유 센서 유닛의 종방향을 따른 단면도를 예시한다.
도 1d는 도 1a의 A 영역의 확대 상세도를 예시한다.
도 1e는 제1 실시예의 본 발명의 광섬유 센서 유닛의 사시도를 예시한다.
도 2a는 상이한 브래그 파장(x-형 기하 구조)의 2개의 광섬유 브래그 격자를 가지는 하나의 센서 광섬유를 포함하는 제2 실시예의 본 발명의 광섬유 센서 유닛의 평면도를 예시한다.
도 2b는 도 2a의 B 영역의 확대 상세도를 예시한다.
도 2c는 제2 실시예의 본 발명의 광섬유 센서 유닛의 종방향을 따른 단면도를 예시한다.
도 2d는 도 2a의 A 영역의 확대 상세도를 예시한다.
도 2e는 제2 실시예의 본 발명의 광섬유 센서 유닛의 사시도를 예시한다.
도 3a는 v-형 기하학적 구조를 갖는 제3 실시예의 본 발명의 광섬유 센서를 예시한다.
도 3b는 도 3a의 A 영역의 확대 상세도를 예시한다.
도 4는 레일에 장착된 제1 실시예의 본 발명의 광섬유 센서 유닛의 사시도를 예시한다.
도 5는 레일에 장착된 제2 실시예의 본 발명의 광섬유 센서 유닛의 사시도를 예시한다.
도 6은 본 발명의 차축 계수 방법을 수행하기 위해 제2 실시예의 본 발명의 광섬유 센서 유닛을 사용하는 본 발명에 따른 차축 계수 장치를 예시하며, 여러 가지 다른 위치의 통과 휠이 표시되어 있다.
도 7은 파장에 따라 도 6에 도시된 차축 계수 장치의 광섬유 브래그 격자에 의해 반사된 광의 강도를 나타내는 다이어그램들을 보여주며, 각 다이어그램은 도 6에 표시된 다른 휠 위치에서의 강도를 나타낸다.
도 8은 휠이 도 6에 표시된 위치를 통과하는 동안 시간에 따른 도 6에 도시된 차축 계수 장치의 포토 다이오드에 의해 검출된 신호를 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 광섬유 센서 유닛에 대한 통과 차축의 위치에 따른 파장 이동을 나타내는 다이어그램을 예시한다.

도 1a-1d는 제1 실시예의 본 발명의 광섬유 센서 유닛(1a)의 여러 상이한 도면을 예시한다. 제1 실시예에 따른 본 발명의 광섬유 센서 유닛(1a)은 제1 센서 광섬유(2) 및 제2 센서 광섬유(3)를 포함하고, 여기서 제1 센서 광섬유(2)는 제1 광섬유 브래그 격자(FBG)(4) 및 제2 FBG(5)를 포함한다. 센서 광섬유(2, 3)는 센서 플레이트(6)에 부착된다. 센서 플레이트(6)는 센서 광섬유(2, 3)가 연장되는 홈(7, 8)을 포함한다. 센서 플레이트는 갭(9)을 가진다. 센서 광섬유(2, 3)는 FBG(4, 5)가 교차 영역(B)에서 서로 교차하도록 갭(9)에 걸쳐 있다. 교차 영역(B)은 도 1b에 더 상세하게 예시된다. 도 1c에 예시된 단면도 및 도 1d에 예시된 A 단면의 상세도는 2개의 센서 광섬유(2, 3)가 서로 접촉하지 않고 서로 교차하도록 상이한 높이 레벨로 연장되는 것을 예시한다. 제1 실시예의 본 발명의 광섬유 센서 유닛의 사시도가 도 1e에 예시되어 있다.

제2 실시예의 본 발명의 섬유 센서 유닛(1b)이 도 2a-2d에 예시되어 있다. 제2 실시예에 따른 본 발명의 광섬유 센서 유닛(1b)은 단 하나의 센서 광섬유(10)를 포함하고, 여기서 센서 광섬유(10)는 제1 FBG(4) 및 제2 FBG(5)를 포함한다. 이 실시예에서, FBG는 상이한 브래그 파장(l1, l2)을 갖는다. 센서 광섬유(10)는 센서 플레이트(6)에 부착된다. 센서 광섬유(10)는 센서 플레이트(6)의 홈(11)에서 연장된다. 제1 실시예에서와 같이, 센서 플레이트(6)는 갭(9)을 가진다. 센서 광섬유(10)는 FBG(4, 5)가 교차 영역(B)에서 서로 교차하도록 서로 다른 방향으로부터 두 번 갭(9)에 걸쳐 있다. 도 2c에 도시된 단면도 및 도 2d의 단면의 상세도는 센서 광섬유(10)가 서로 접촉하지 않고 교차 영역에서 서로 교차하도록 센서 플레이트(6)의 상이한 위치에서 상이한 높이 레벨로 연장되는 것을 예시한다. 제2 실시예의 본 발명의 광섬유 센서 유닛의 사시도가 도 2e에 도시되어 있다.

두 실시예는 모두, FBG들이 서로 90°의 각도로 배치되어 있는, FBG의 교차형 기하 구조를 도시하고 있다.

제3 실시예의 본 발명의 광섬유 센서 유닛(1c)이 도 3에 도시되어 있다. 제3 실시예에서, FBG는 V-형 기하학적 구조로 배열된다. 도 3은 2개의 FBG(4, 5)가 동일한 센서 광섬유(10)에 새겨지는 실시예를 보여준다. 그럼에도 불구하고, FBG(4, 5)는 다른 센서 광섬유(2, 3)(미도시)에 새겨질 수도 있다. 센서 광섬유(2, 3)는 센서 플레이트(6)에 부착된다. 센서 플레이트(6)는 센서 광섬유(10)가 연장되는 홈(11)을 가진다. 센서 플레이트는 갭(9a, 9b)을 갖는다. 센서 광섬유(10)는 교차 영역(A)의 V로부터 FBG(4, 5)가 교차하도록 갭(9a, 9b)에 걸쳐 있다. 교차 영역(A)은 도 3b에 더 상세하게 예시된다. 센서 광섬유(10)는 하나의 높이 레벨로 연장되므로 광섬유 센서 유닛의 구성을 단순화할 수 있다.

도 4 및 도 5는 레일(15)의 레일 웹(14)에 장착된 제1 실시예 및 제2 실시예의 본 발명의 광섬유 센서 유닛(1a, 1b)의 사시도를 예시한다. 광섬유 센서 유닛은 FBG(4, 5)가 레일(15)의 중립 축(16)에 대칭으로 그리고 중립 축(16)에 직교하는 평면에 대칭으로 배열되도록 레일에 부착된다.

본 발명의 광섬유 센서 유닛(1a, 1b, 1c)은 차축 계수(axle counting)에 사용될 수 있다. 예로서, 도 6은 제1 실시예의 본 발명의 광섬유 센서 유닛(1b)을 사용하는 본 발명에 따른 차축 계수 장치(17)를 예시한다. 차축 계수 장치(17)는 광원(18) 및 계수 유닛(19)을 포함하고, 여기서 계수 유닛(19)은 광섬유 센서 유닛으로부터 출사되는 광의 처리를 위한 광섬유 센서 유닛(1b) 신호 처리 유닛(20)을 포함한다. 광은 광원(18)으로부터 광섬유 센서 유닛(1b)의 센서 광섬유(10)로 결합된다. 광원(18)은 신호 처리 유닛(20)에 통합될 수 있다. FBG(4, 5)에 의해 반사된 광은 신호 처리 유닛(20)의 포토 다이오드(21)에 의해 검출된다. 통과 휠(22)의 위치(a, b, c, d, e, f, g)에 따라, 다른 파장의 광이 FBG로부터 반사된다. 도 7은 2개의 FBG(4, 5)에 의해 반사된 광의 반사 피크(P1, P2)를 확인할 수 있는 다이어그램을 예시하며, 각각의 다이어그램은 도 6에 표시된 위치(a, b, c, d, e, f, g) 중 하나를 나타낸다.

a 위치에서, 휠(22)은 FBG(4, 5)에 영향을 미치지 않는다. FBG(4, 5)는 각각의 다른 브래그 파장(λ1, λ2)의 광을 반사하고, 반사 피크(P1, P2)는 다른 브래그 파장(l1, l2)으로 식별될 수 있다. FBG의 독창적인 X 배열로 인해 반사광의 파장은 센서에 하중이 인가되는 순간 반대 방향으로 이동된다. b 위치에서, 2개의 FBG는 동일한 파장의 광을 반사하고 - 반사 피크는 중첩된다. 작동 지점 사이의 거리(= 무하중 상태의 브래그 파장)는 휠이 광섬유 센서 유닛을 통과할 때 반사 피크(P1, P2)가 서로 "추월"하도록 선택될 수 있다(c 위치에 대한 다이어그램에 표시된 바와 같이 반사 피크(P1)의 위치는 좌측에서 우측으로 변경되는 반면, 반사 피크(P2)의 위치는 우측에서 좌측으로 변경된다). 휠이 통과함에 따라 반사 피크(P1, P2)는 다시 서로 이동하여(d 위치) 다른 브래그 파장(e 위치)으로 복귀하고 반사 피크(P1)의 경우 더 낮은 파장으로, 반사 피크(P2)의 경우 더 높은 파장으로 통과한다(f 위치). 휠이 FBG에 영향을 미치는 것을 중단함에 따라 반사 피크는 다른 브래그 파장(g 위치)으로 복귀한다.

휠(22)이 a-g 위치를 통과하는 동안 시간에 따라 차축 계수 장치(17)의 포토 다이오드(21)에 의해 검출된 신호는 도 8에 예시된다. 동일한 반폭(half width)을 갖는 2개의 FBG가 제안되므로 감지된 광은 강도가 절반으로 2배 감소된다(즉, b와 d 위치에서). 즉. 각각의 통과 휠은 2개의 신호 펄스를 생성한다. 이들 2개의 펄스에는 어떤 방향 정보도 포함되어 있지 않음을 알아야 한다. FBG의 폭에 따라 범위가 영향을 받을 수 있고, FBG의 파장 거리에 따라 센서의 감도가 영향을 받을 수 있다. 신호 펄스는 광 칩 없이 포토다이오드(21)에 의해 직접 평가될 수 있다. 따라서, 파장 변화를 광도로 변환하는 것은 광섬유 센서 유닛(1b) 자체에서 일어나며, 이를 통해 광 신호 처리를 최소한으로(하나의 포토 다이오드(21) 줄일 수 있고 전기적 평가를 단순화시킨다.

도 9에 예시된 바와 같이, 통과 휠로 인해 2개의 FBG에 의해 생성된 반사 피크는 반대 방향으로 이동하는 반면, 예를 들어 레일의 굽힘 및 진동 또는 온도로 인해 간섭 신호는 2개의 FBG의 경우 동일한 방향으로 이동한다. 그 이유는 다음과 같다: 휠(22)은 통과할 때 레일(15)을 압축하고 구부리지만, 더 중요한 것은 레일(15)에 국부적인 전단 변형을 유발하기 때문이다. 전단 변형은 레일 세그먼트가 직교 방향으로 압축되면서 일 방향으로 신장되는 결과에 따른 것이다. 통과하는 휠에 의해 발생하는 굽힘 및 진동(간섭 신호를 유발하는 교란)은 레일의 상당 부분에 영향을 미치므로 선행 또는 후행 휠은 측정 중인 휠 아래의 레일의 변형률에 영향을 미치게 된다(광섬유 센서 유닛에 대한 힐의 위치에 거의 무관하게). 그러나, 전단 변형률은 국부적이어서 광섬유 센서 유닛 위의 휠에서만 발생한다는 점에서 상이하다.

본 발명에 따르면, 한 쌍의 광섬유 스트레인 센서가 45도로 서로 직교하도록 레일에 부착된다. 예시된 실시예에서, 2개의 광섬유 스트레인 센서는 레일의 동일한 종방향 위치에 배치되어 X-기하학적 구조를 형성한다. 따라서, 이들은 정확히 동일한 수직 및 수평 변형을 경험하지만, 반대 방향 성분의 동일한 전단 변형도 경험하게 된다. 따라서, 2개의 FBG에 의해 검출된 신호 간의 차이는 레일의 어떤 왜곡 변형도 없이 전단 변형률을 직접 측정한 것이다. 이에 따른 다이어그램이 도면에 예시된다. 본 발명은 센서의 크기를 줄이고 복잡한 후처리를 요하지 않고 레일에서 원하는 전단 변형률을 직접 측정할 수 있다.

인용 문헌 목록

[01] EP 3 069 952 B1

[02] DE 10 2014 100 653 B4

[03] OMEGA: Positioning strain Gages to monitor bending, axial, shear, and torsional loads

https://www.omega.com/faq/pressure/pdf/positioning.pdf

1a, 1b, 1c 광섬유 센서 유닛
2, 3 하나의 FBG가 새겨진 센서 광섬유
4, 5 FBG
6 센서 플레이트
7, 8 다른 높이 레벨의 센서 플레이트의 홈
9 센서 플레이트의 갭
10 2개의 FBG가 새겨진 센서 광섬유
11 다양한 높이 레벨의 센서 플레이트의 홈
12, 13 동일한 높이 레벨의 센서 플레이트의 홈
14 레일의 레일 웹
15 레일
16 레일의 중립 축
17 차축 계수 장치
18 광원
19 계수 유닛
20 신호 처리 유닛
21 포토 다이오드
22 휠
a-g 광섬유 센서 유닛에 대한 레일을 따른 휠의 위치
P1 제1 FBG에 의해 반사된 광의 광 피크
P2 제2 FBG에 의해 반사된 광의 광 피크

Claims (19)

1. 레일(15)에 작용하는 기계적 힘을 감지하는 광섬유 센서 유닛(1a; 1b; 1c)으로서:
   적어도 제1 센서 광섬유(2, 3; 10);
   세장형의 제1 광섬유 스트레인 센서(4) 및 세장형의 제2 광섬유 스트레인 센서(5) - 상기 제1 센서 광섬유(2; 10)는 상기 제1 스트레인 센서(4)를 포함함 -
   를 포함하는, 광섬유 센서 유닛(1a; 1b; 1c)에 있어서,
   상기 적어도 하나의 센서 광섬유(2, 3; 10)는 센서 플레이트에 부착되고,
   상기 제1 광섬유 스트레인 센서(4) 및 상기 제2 스트레인 센서(5)는 x-형 또는 v-형 기하 구조로 배열되고, 상기 제1 스트레인 센서(4) 및 상기 제2 스트레인 센서(5)는 서로에 대해 60°내지 120°, 특히 90°의 각도로 배열되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 유닛(1a; 1b; 1c).
2. 제1항에 있어서,
   상기 스트레인 센서(4, 5)들은 광섬유 브래그 격자인, 광섬유 센서 유닛(1a; 1b; 1c).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 센서 플레이트는 갭을 포함하고, 상기 적어도 하나의 광섬유는 상기 스트레인 센서들이 상기 갭 내에 위치되도록 상기 갭에 걸쳐 있는, 광섬유 센서 유닛(1a; 1b; 1c).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 스트레인 센서 및 상기 제2 스트레인 센서는 x-형 기하 구조로 배열되고, 상기 스트레인 센서들은 해당 스트레인 센서들의 종방향 연장부에 수직인 방향으로 서로 이격된, 광섬유 센서 유닛(1a; 1b; 1c).
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 센서 플레이트는 상기 적어도 하나의 센서 광섬유가 부착되는 적어도 하나의 홈을 포함하는, 광섬유 센서 유닛(1a; 1b; 1c).
6. 제5항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 홈은 에칭되는, 광섬유 센서 유닛(1a; 1b; 1c).
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   제1 홈과 제2 홈은 동일한 센서 플레이트의 일부이고, 상기 2개의 홈은 상기 센서 플레이트의 다른 높이 레벨에 있는, 광섬유 센서 유닛(1a; 1b).
8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 센서 광섬유는 제1 광섬유 브래그 격자와 제2 광섬유 브래그 격자를 모두 포함하는, 광섬유 센서 유닛(1b, 1c).
9. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광섬유 센서 유닛은 2개의 센서 광섬유를 포함하고, 각각의 광섬유 브래그 격자는 개별 센서 광섬유의 일부인, 광섬유 센서 유닛(1a).
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 플레이트는 상기 광섬유 센서를 상기 레일 상에 장착하기 위한 베이스 플레이트에 부착되고, 상기 베이스 플레이트는 연속적인 바닥 평면을 가지는, 광섬유 센서 유닛.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 플레이트는 상기 레일로부터 상기 광섬유 브래그 격자까지 길이의 교번(alternation)를 전달하고 증폭시키는 기계적 증폭기를 포함하는, 광섬유 센서 유닛.
12. 레일(15)의 전단 응력을 측정하는 광학 측정 시스템으로서:
    종방향 연장부 및 이 종방향 연장부를 따라 연장되는 중립 축(16)을 구비하는 상기 레일(15);
    상기 레일(15)에 작용하는 전단 변형률에 따라 광학 신호를 검출하기 위한 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 광섬유 센서 유닛(1a; 1b; 1c) - 상기 광섬유 센서 유닛(1a; 1b; 1c)은 광섬유 브래그 격자가 상기 중립 축(16)에 대해 경사지게 배향되도록 상기 레일(15)에 장착됨 -;
    상기 광섬유 센서 유닛의 센서 광섬유(2, 3; 10)에 광을 결합하도록 구성된 광원(18); 및
    상기 광섬유 센서 유닛(1a; 1b; 1c)에 의해 검출된 신호를 처리하는 신호 처리 유닛(20)
    을 포함하는, 광학 측정 시스템.
13. 제12항에 있어서,
    상기 신호 처리 유닛(20)은 하강 엣지 및 상승 엣지를 갖는 엣지 필터를 포함하고, 상기 제1 광섬유 브래그 격자(4)는 상기 상승 에지에서 브래그 파장을 가지고, 상기 제2 광섬유 브래그 격자(5)는 상기 엣지 필터의 상기 하강 엣지에서 브래그 파장을 가지는, 광학 측정 시스템.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 스트레인 센서(4, 5)는 상기 레일(15)의 상기 중립 축(16)을 포함하는 평면에 대칭으로 배열되는, 광학 측정 시스템.
15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스트레인 센서(4, 5)는 상기 레일의 상기 중립 축(16)에 수직인 평면에 대칭으로 배열되는, 광학 측정 시스템.
16. 차축 계수 장치(axle-counting device)로서:
    적어도 하나의 광원(18) 및 적어도 하나의 계수 유닛(19) - 각각의 계수 유닛(19)은 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 광섬유 센서 유닛(1a; 1b; 1c)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 광섬유 센서 유닛(1a; 1b; 1c)은 레일(15)에 장착되도록 구성됨 -; 및
    신호 처리 유닛(20)
    을 포함하고,
    상기 광원(18)은 상기 광섬유 센서 유닛(1a, 1b, 1c)의 센서 광섬유(2, 3, 10) 내로 광을 결합하도록 구성되는, 차축 계수 장치.
17. 레일용 차량을 위한 차축 계수 방법으로서:
    a) 적어도 하나의 센서 광섬유(2, 3; 10)를 통해, 레일(15)에 부착되는 광섬유 센서 유닛(1a; 1b; 1c)의 제1 및 제2 광섬유 스트레인 센서(4, 5) 내로 광을 결합하는 단계;
    b) 상기 제1 및 제2 광섬유 스트레인 센서(4, 5)에 의해 반사된 광을 검출하여 상기 레일(15)의 전단 응력 신호를 각각 수신하는 단계 - 각각의 광섬유 스트레인 센서(4, 5)는 브래그 파장(λ1, λ2)으로 존재하고 반값 전폭(FWHM: full width at half maximum)을 갖는 반사 피크(P1, P2)를 가지는 반사 스펙트럼을 포함함 -;
    c) 2개의 수신된 전단 응력 신호로부터 전단 응력 차이 신호를 생성하는 단계;
    d) 상기 전단 응력 차이 신호가 미리 정해진 상한값을 초과하거나 미리 정해진 하한값 미만으로 떨어지는 경우 신호 처리 유닛 내에서 휠 신호(wheel signal)를 생성하는 단계
    를 포함하는, 차축 계수 방법에 있어서,
    사용되는 상기 광섬유 스트레인 센서(4, 5)는 x-형 또는 v-형 기하 구조로 배열되며, 상기 제1 스트레인 센서(4) 및 상기 제2 스트레인 센서(5)는 서로 60° 내지 120°, 특히 90°의 각도로 배열되며,
    상기 제1 광섬유 스트레인 센서(4)와 상기 제2 광섬유 스트레인 센서(5)의 반사 피크(P1, P2)의 상기 반값 전폭(FWHM)은 최대 200%만큼 서로 편차가 있는 것을 특징으로 하는 차축 계수 방법.
18. 제17항에 있어서,
    사용되는 상기 센서 광섬유(10)는 제1 및 제2 광섬유 스트레인 센서(4, 5) 를 모두 포함하고, 상기 제1 및 제2 광섬유 스트레인 센서(4, 5)는 일렬로 배열되고 서로 다른 브래그 파장(λ1, λ2)을 가지며,
    상기 전단 응력 차이 신호는 무하중 상태에서 하중 상태로 전이하는 동안 상기 2개의 광섬유 스트레인 센서(4, 5)의 반사 피크(P1, P2)의 스펙트럼 중첩에 의해 광학적으로 생성되는, 차축 계수 방법.
19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    a) 단계 내지 d) 단계는 트랙의 다른 레일에 부착된 추가의 광섬유 센서 유닛(1a; 1b; 1c)으로 수행되며, 상기 2개의 광섬유 센서 유닛은 레일 방향으로 서로 이격되어 있는, 차축 계수 방법.

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