专利名称：基于匹配光纤光栅的高速铁路计轴装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在铁路信号领域利用匹配光纤光栅实现对铁轨温度应变以及列车轴
数、轴重、运行速度监测的技术。
背景技术：
光纤光栅(或称光纤布喇格光栅，Fiber Bragg Grating-FBG)是目前光纤传感领域研究和应用的一大热点。光纤光栅传感器具有抗电磁干扰，精度高，有效使用寿命长，波长编码复用能力强等优点，近年来在传感领域获得广泛的应用。 基于光纤光栅传感器的基本原理，当宽带光在光纤布拉格光栅中传输时，一部分光被反射，另一部分光透过，由模式耦合理论可知反射谱的中心波长入e为光栅周期A和光栅纤芯有效折射率rwf的函数。当温度改变时，热膨胀效应和热光效应分别引起光栅周期A与纤芯有效折射率rwf的变化；当光栅所受轴向应变发生变化时，应变和弹光效应分别引起光栅周期A与纤芯有效折射率r^f变化的变化。通过对光纤光栅中心反射波长的监测，就可以获得光栅所处局部环境温度与光栅所受轴向应变的信息。基于此原理就可以开发出精度非常高的传感器。 在轨道交通中铁轨受到列车车轮压力后，由于两端被枕木或卡座支撑，在铁轨的下方产生拉应力，在上方产生压应力，在截面上产生剪应力。钢轨相当于简支梁，其模型如图2所示。铁轨局部应变与列车轴重、铁轨的杨氏模量等参数有关。传统的铁路计轴装置使用电传感器来获得轴数等信息。电传感器易受现场恶劣环境的影响一直困扰着铁路运输的安全。使用经过封装的光纤光栅代替电传感器具有可靠性高，有效使用寿命长，高电磁兼容性的优点。 对于使用光纤光栅的传感装置来讲，目前核心的技术是解调技术，同时也占据了整个装置成本的绝大分量。使用波长扫描解调方法是目前的光纤光栅传感器的主流解调技术。但波长扫描法的成本偏高，制约了光纤光栅传感系统的大规模推广应用，而且基于波长扫描的解调系统其扫描速度受机械部件性能的制约。目前已经有基于波长扫描的光纤光栅计轴装置，但是其结构复杂，成本偏高，扫描速度也较低，无法满足高速铁路的需求。
从总的来讲，光纤传感型的计轴装置可以克服传统电传感计轴器的缺点，保障列车行车安全。但解调装置的复杂性和昂贵价格大大制约了其在轨道交通中的应用。
发明内容
鉴于现有技术的昂贵成本和复杂结构等缺点，本发明的目的是设计一种低成本而且实用的光纤光栅传感型高速铁路计轴装置。本发明的目的是通过如下的手段实现的
基于匹配光纤光栅的高速铁路计轴装置，用于对驶过列车进行计轴，由传感部分和控制分析部分所组成，其中传感部分包括激光光源101、光环行器102、光隔离单元104和106、光电接收模块105和108、及一反射谱匹配光纤光栅对；所述反射谱匹配光纤光栅对由一贴合在铁轨上的传感光栅103和设置在所述传感光栅附近的一参考光栅107组成；光源输出的激光经光环行器102进入匹配光纤光栅对中的传感光栅103，反射回的光分别经光隔离单元104进入光电接收模块105实现光电转换及经106入参考光栅107 ;由参考光栅107反射回来的光经光隔离单元106进入光电接收单元108进行光电转换；两个光电接收单元转换后的电信号方式进入控制分析单元经归一化参量推算出列车在铁轨产生应变以及对应的列车轴数和轴重。
如下 图1为目前市场化的光纤光栅传感设备典型装置示意图。
图2为本发明采用光环行器的匹配光栅传感装置原理图。
图3为本发明现场布置示意图。
图4为本发明光纤光学原理示意图。 图5为本发明进一步与无线传感网络结合测量大范围铁轨温度应变或对区间内列车定位的结构示意图。 图6为以光纤链路连接若干本发明构成的单元测量大范围铁轨温度应变或对区间内列车定位的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。 图2是本发明的一个典型原理图，由SLED或FP激光器组成的光源101发射出连续激光束。 一般SLED激光器的谱宽在30 80nm， FP激光器的谱宽在2 4nm，而光纤光栅的反射谱带宽一般为0. 2 0. 5nm，可以认为光源的谱宽远大于光纤光栅反射谱。通过选择合适的光纤光栅可以使光栅的反射谱主瓣始终落在光源光谱内，输出的激光经光环行器102进入匹配光纤光栅对中的第一个光栅103，反射回的光再经光隔离单元104、 106分别进入光电接收模块105实现光电转换和第二个光栅107。由第二个光栅反射回来的光经光隔离单元106进入光电接收单元108进行光电转换。光隔离单元可以是光隔离器或光环行器。图3是本发明的实施的一个典型装置图，由光源201发出的宽谱连续光经光纤接线盒202进入匹配光纤光栅对203、204，反射光进入光电接受模块205。转换后的电信号经过信号调理模块206进行放大、滤波后由A/D转换模块207变为数字信号再交给下位机208，将两个光电转换单元输出的信号进行归一化运算。最后通过传给上位机209进行过轴检测和显示。 由于两个光栅紧邻布设在同一局部空间中，可以认为温度对两个光栅造成的中心反射谱漂移相同。仅当传感光栅受到铁轨轴向应力的作用时反射谱的中心波长会随之移动，导致传感光栅与参考光栅的反射谱分离。当参考光栅与传感光栅的反射谱重合时，从第二个光栅中反射回来的光强最强，将会出现反射光功率的峰值(对应图2中的108检测到的峰值，图4中应变为零处)；随着两个光栅反射谱的分离，从第二个光栅中反射回来的光强逐渐衰减(对应图2中的108检测到的光强，图4中所示曲线)。为了消除光源漂移的影响，将图2中108检测到得光强与105检测到得光强做归一化所得到的比值，与传感光栅所受轴向应变近似成线性。通过查表法或插值运算很容易计算出两个光栅中心反射波长的偏移量，从而换算出列车车轮在铁轨上产生的应力。在列车驶过布设传感光纤光栅的铁轨时会在铁轨底部产生最大值为200 300微应变(具体数值与铁轨材料特性和列车轴重有关)的拉应力，且该拉应力变化的时间周期由列车行驶速度决定，通过铁轨上的应力信息可以得到通过列车的轴数、轴重。由于列车轴距是已知的，由两个车轴通过时间可以估算出列车速度。 更进一步，我们可以将若干个光栅对级联以一定间距布设在铁路区间沿线，如图5，图6所示。这些匹配光栅对的中心反射波长可以是相同的，也可以是不同的。通过对这些匹配光栅对反射光强的监测可以实时监测线路区间内列车的运行情况，确定列车的行驶位置。 传感光栅以焊接或粘贴方式固定在铁轨上。在本实验中，采用金属封装的传感部分_光纤光栅应变片，将其使用强力胶牢固粘贴在铁轨底部特定位置。设计了相应的数据采集电路和软件，数据采集电路可以将光电接受单元输出电信号转换为数字信号经串口传给上位机程序进行分析和显示。我们采用的是普通的8位A/D转换芯片，而如果采用高档A/D转换芯片，将提高本发明的测量精度和采样速率，但这不是本发明的创新点涵盖范围。
考虑到实际应用，我们设计了三种不同的应用实例。1)监测铁轨温度应变；2)监测轨道区间或道岔区段的空闲与占用情况；3)监测列车完整性；4)监测列车有无超载、偏载；5)监测列车行驶速度；6)对铁路线上列车的定位。 与同类相比，本发明具有结构简单、稳定可靠、防潮和防电磁干扰等特点。与基于波长扫描的光纤光栅型计轴装置相比，成本估计只有前者的十分之一左右，扫描速率也快的多。更值得指出的，由于本发明所基于的单元技术都是非常成熟(如宽谱激光器、光纤光栅、高速光电探测等)，整个发明实用化应用和推广不存在问题。在原则上本发明可以进行不同形式的铁轨状态检测，而针对高速铁路行车安全需求，我们强调一下本发明的典型应用 (1)监测铁轨温度应变(图3，图5，图6)。 (2)监测轨道区间或道岔区段的空闲与占用情况由于铁路列车调度的需要，对铁路区间行驶的列车需要进行闭锁跟踪，确定区间内有无列车行驶，以免发生列车追及或相撞；在车站道岔出，需要感知有无列车驶过及速度，以便道岔机构的自动工作(图3，图5，图6)。 (3)监测列车完整性在列车运行过程由于各种原因可能导致列车车厢脱节的发生，通过列车固定轴数与实测轴数的对比可以监测列车的完整性，及时进行处置(图3，图5，图6)。 (4)监测列车有无超载、偏载列车轴重与驶过时在铁轨特定点处产生的最大应变是成线性关系的，通过对铁轨应变的监测可以获得驶过列车的轴重，进而推知列车载重，从而检测列车有无超载、偏载现象(图3，图5，图6)。 (5)监测列车行驶速度在车站道岔以及转弯路段需要对列车行驶速度进行实时监测，以便当列车行驶速度超过限定速度时对列车进行减速处理，本发明可以通过列车轴距与过轴时间间隔估算出列车行驶速度(图3，图5，图6)。 对铁路线上列车的定位为了提高铁路调度系统的效率，需要对铁路闭锁区间内列车进行跟踪，本发明可以获得区间内列车位置及速度等信息，实现对列车的定位(图5，图6)。这也是目前保障高速铁路行车安全的关键技术。
权利要求
基于匹配光纤光栅的高速铁路计轴装置，用于对驶过列车进行计轴，由传感部分和控制分析部分所组成，其中传感部分包括激光光源(101)、光环行器(102)、光隔离单元(104)和(106)、光电接收模块(105)和(108)、及一反射谱匹配光纤光栅对；所述反射谱匹配光纤光栅对由一贴合在铁轨上的传感光栅(103)和设置在所述传感光栅附近的一参考光栅(107)组成；光源输出的激光经光环行器(102)进入匹配光纤光栅对中的传感光栅(103)，反射回的光分别经光隔离单元(104)进入光电接收模块(105)实现光电转换及经(106)入参考光栅(107)；由参考光栅(107)反射回来的光经光隔离单元(106)进入光电接收单元(108)进行光电转换；两个光电接收单元转换后的电信号方式进入控制分析单元经归一化参量推算出列车在铁轨产生应变以及对应的列车轴数和轴重。
2. 根据权利要求1所述之基于匹配光纤光栅的高速铁路计轴装置，其特征在于，传感光栅和参考光栅的反射谱主瓣在光源(101)光谱之内。
3. 根据权利要求1所述之基于匹配光纤光栅的高速铁路计轴装置，其特征在于，所述光隔离单元可以是光隔离器或光环行器。
4. 根据权利要求1所述之基于匹配光纤光栅的高速铁路计轴装置，其特征在于，所述传感光栅以焊接或粘贴方式固定在铁轨上。
5. 根据权利要求1所述之基于匹配光纤光栅的高速铁路计轴装置，其特征在于，所述计轴装置可多个连续布设置在铁路线上。
6. 权利要求1至5所述之基于匹配光纤光栅的高速铁路计轴装置的应用，其特征在于，可应用于以下至少一种用途1)监测铁轨温度应变；2)监测轨道区间或道岔区段的空闲与占用情况；3)监测列车完整性；4)监测列车有无超载、偏载；5)监测列车行驶速度；6)对铁路线上列车的定位。
全文摘要
本发明公开了一种基于匹配光纤光栅的高速铁路计轴装置，用于对驶过列车进行计轴，由传感部分和控制分析部分所组成，其中传感部分包括激光光源101、光环行器102、光隔离单元104和106、光电接收模块105和108、及一反射谱匹配光纤光栅对；所述反射谱匹配光纤光栅对由一贴合在铁轨上的传感光栅103和设置在所述传感光栅附近的一参考光栅107组成。本发明装置具有可靠性和灵敏度高，制造成本低的优点，尤其适合高速列车行车安全的保障用途使用。
文档编号B61L1/16GK101712328SQ20091025283
公开日2010年5月26日 申请日期2009年12月1日 优先权日2009年12月1日
发明者张兆亭, 张志勇, 潘炜, 王圣根, 罗斌, 邹喜华, 闫连山 申请人:西南交通大学