一种光纤光栅传感计轴系统的制作方法

本实用新型属于轨道交通领域，特别涉及一种光纤光栅传感计轴系统。

背景技术：

轨道计轴设备是用以检测列车通过铁路上某一点(计轴点)的车轴数，以检查两个计轴点之间或轨道区段内的空闲/占用情况的设备。

现有的计轴大多采用电磁式计轴，其基本原理为：在轨道区段两端，选择在一根钢轨的同一侧安装两个计轴传感器探测通过的车轮。当车轮通过时，它改变传感器的发送器和接收器之间的交变磁场，从而改变了接收线圈上的感应电压或相位值，计轴设备根据其交变磁场的变化频率和其变化的时间顺序判断通过的列车轴数、识别列车运行的方向。计轴主机处理从计轴轨旁盒传来的计轴传感器变化信息，比较进入区段的轴数和离开区段的轴数，从而给出轨道空闲/占用的指示。这种计轴方式容易受到电磁干扰，当磁头处划过金属物时，造成的干扰轴影响行车；信号传输需要使用铜芯的电缆，增加了成本。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供一种光纤光栅传感计轴系统，所述系统包括：

电源子系统，所述电源子系统连接系统总线，用以提供电源；

计轴传感子系统，所述计轴传感子系统由fbg传感器组成，用于感知车轮压过钢轨的应变；

解调子系统，所述解调子系统通过光纤光缆与计轴传感子系统连接，用于对所述计轴传感子系统的反射光信号进行解调，并经信号分析给出计轴和列车行驶方向信息；

计轴主控子系统，所述计轴主控子系统通过系统总线与解调子系统连接，所述解调子系统通过系统总线向计轴主控子系统发送列车经过时的计轴和方向等信息，所述计轴主控子系统用于对列车经过时的轴数和方向进行计算，用于对区段占用或空闲的判断；

输入子系统，所述输入子系统通过系统总线连接计轴主控子系统，用于复零按钮安全采集、输出的安全回采，并将采集数据发送给计轴主控子系统；

通信子系统，所述通信子系统与计轴主控子系统之间通过系统总线连接，用于对外通信；

输出子系统，所述输出子系统通过系统总线接收计轴主控子系统的输出控制指令，用以轨道区段的空闲或占用信息的安全输出。

进一步地，所述解调子系统采用边缘滤波光强解调的方式进行，且所述解调子系统采用二取二的双mcu冗余配置。

进一步地，所述计轴传感子系统安装于钢轨两枕木之间的钢轨轨底或者钢轨轨腰处。

进一步地，所述输入子系统、所述通信子系统、所述输出子系统均配置有两个。

进一步地，所述通信子系统包括以太网、串口中的一种或多种。

进一步地，所述解调子系统内部包括光源模块、光路部分、信号采集模块、信号处理模块和通信模块；且所述光源模块、光路部分通过光纤连接，所述信号采集模块、信号处理模块和通信模块内部之间电性连接。

进一步地，所述光源模块、光路部分、信号采集模块、信号处理模块、通信模块之间均采用隔离的方式设置。

进一步地，所述计轴传感子系统由三个fbg传感器组成。

进一步地，所述计轴主控子系统配置有两个，且各个所述计轴主控子系统之间双向连接。

本实用新型的光纤光栅传感计轴系统的计轴传感器由fbg构成，不受电信号干扰；以光调节原理为基础、以光纤光栅信号进行传输，成本低，测量精准，干扰小。本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实用新型光纤光栅传感计轴系统的系统图；

图2示出了本实用新型的fbg反射特性示意图；

图3示出了本实用新型利用边缘滤波光强调制型解调原理示意图；

图4示出了本实用新型轨底安装时三个光纤光栅传感器的波长随时间变化量；

图5示出了本实用新型轨底安装时三个光纤传感器下不同时间的波长差值序列；

图6示出了本实用新型判断区段状态的示意图；

图7示出了本实用新型轨腰安装时三个光纤光栅传感器的波长随时间变化量；

图8示出了本实用新型轨腰安装时三个光纤传感器下不同时间的波长差值序列；

图9示出了本实用新型检测车长的计轴传感子系统的布设示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。

本实用新型提供一种光纤光栅传感计轴系统，图1示出了本实用新型的系统图，如图1所示，所述系统包括：

电源子系统：所述电源子系统连接系统总线，用以提供电源；所述电源子系统由直流电源模块实现，将外部供电的24vdc电源(24v直流电源)防护处理后，转化为内部电源；

计轴传感子系统：所述计轴传感子系统由fbg传感器(光纤布拉格光栅传感器)组成，用于感知车轮压过钢轨的应变；

图2示出了本实用新型的fbg反射特性示意图，如同2所示，入射进光纤光栅的宽带光，只有满足预定条件波长的光能被反射回来，其余的光都被透射出去；光纤光栅传感的基本原理是将外界参量(应变、温度等)的变化转化为其fbg中心波长的移动，通过检测光栅反射的中心波长的移动，实现对外界参量的测量；将光栅计轴传感装置安装在钢轨两枕木之间的钢轨外侧，示例性的，安装到钢轨的轨底和钢轨的轨腰，当有列车经过该段钢轨时，钢轨受车轮作用产生形变，利用fbg的应变传感特性即可检测出车轮作用在该段钢轨上的剪力。

解调子系统，所述解调子系统通过光纤光缆与计轴传感子系统连接，用于对计轴传感子系统的反射光信号进行解调，经信号分析给出计轴和列车行驶方向信息，且所述解调子系统内部包括光源模块、光路部分、信号采集模块、信号处理模块、通信模块，所述光源模块和光路部分通过光纤连接，其他各个模块之间电性连接，同时各个模块之间均采用隔离的方式设置，避免模块之间相互影响，方便后续系统维修。

示例性的，所述解调子系统采用边缘滤波光强的方式进行解调，且所述解调子系统采用二取二的双mcu冗余配置。图3示出了利用边缘滤波光强调制型解调原理示意图。示例性的，如图3所示，宽带光源出光经一分为三，即通过波分复用器后分为三束光，但不限于三束光，送入三路fbg传感器，每一路连接一个相应波长的fbg传感器，但是三路之间传感器的波长范围不一样。信号经一分为二，即通过耦合器分为等强度的两路光，为确保解调结果不受传感器波长飘移引入的解调错误，采用多个不同波段的滤波器(示例性的，滤波器的波段为filter1/2/3三个)对回光信号进行波长范围的控制，每一路的滤波器与对应的传感器的波长相匹配，在物理结构上将光谱范围分区，一路经由与波长有关的滤波器滤波，另一路作为参考光束，两者分别被探测器接收，测得的信号放大后经模拟型滤波器相除(相除可消除光源和传输光缆中光强波动的影响)，利用信号采集模块采集得到与光纤光栅中心波长有关的输出值，同时，信号处理模块可依据测得的信号对光路(包括光源和传输光路)的可靠性进行监测，当光谱强度值不足以正常解调时，向上位机发送异常指令，指示某一个或某一路传感器异常，滤波器是线性，因而可以通过强度的变化实现波长的检测。

本实用新型选用光栅作为传感单元，当列车驶过时，会对光栅产生一个剪力，光栅的波长会发生偏移，在滤波器的调制下，光栅的波长与反射的回光会形成一一对应的数学关系，通过光电二极管将光强信号转换成电信号，并根据这一电信号解析出此时光栅对应的波长值，进而解调出此时光栅所受到的应力大小。根据这一信号可以判断列车是否经过传感器，并记录所经过的轴数。

采用二取二的双mcu冗余配置的原理为：通过mcu2(微控制单元)控制一种方案设计的数据采集系统，对光电转换后的信号进行采集处理；并将处理结果交由mcu1处理，通信方式采用io隔离通信，避免相互影响。通过mcu1控制另一种方案设计的数据采集系统，对光电转换后的信号进行采集处理；得出fbg传感网络的解调结果并与mcu2解调的结果进行对比分析；采用二取二结构，通过对比分析轴数，若两个muc处理结果经对比表明计轴数一致，则通过canfd协议对外输出，若计轴数不同，则输出警告信息，进而提高安全性能。

计轴主控子系统，所述计轴主控子系统通过系统总线与解调子系统连接，所述解调子系统通过系统总线向计轴主控子系统发送列车经过时的计轴和方向等信息；所述计轴主控子系统包括计轴运算模块，所述计轴运算模块进行逻辑运算实现区段占用或空闲判断；所述计轴主控子系统配置有两个，且各个所述计轴主控子系统之间双向连接，实现内部之间的通信；

输入子系统，所述输入子系统配置两个，所述输入子系统通过系统总线连接计轴主控子系统，实现复零按钮安全采集、输出的安全回采等功能；将采集数据发送给计轴主控子系统，采集符合故障-安全原则；

通信子系统，所述通信子系统配置有两个，且所述通信子系统与计轴主控子系统之间通过系统总线连接进行通信，使系统实现通过包括但不限于以太网、串口的方式对外通信；

输出子系统，所述输出子系统配置有两个，所述输出子系统通过系统总线接收计轴主控子系统控制指令，实现轨道区段的空闲或占用信息的安全输出，输出符合故障-安全原则。

实施案例一，将计轴传感器安装到轨底进行计轴方向判断的实施过程包括：

示例性的，以计轴传感子系统含3个光纤光栅传感器进行说明，假设计轴传感子系统的三个光纤光栅传感器的编号是1#、2#和3#，图4示出了轨底安装时三个光纤光栅传感器的波长随时间变化量，而后分别获取1#和2#光纤光栅传感器波长差值的相对变化量r1、获取2#和3#光纤光栅传感器波长差值的相对变化量r2，实时的找出r1和r2峰值点和谷值点；对于1#减去2#形成的差值序列，峰值点对应的就是车轮行驶到1#传感器产生的极大值点，标记为1，谷值点对应的就是车轮行驶到2#传感器产生的极大值点，标记为2；对于2#减去3#形成的差值序列，峰值点对应的就是车轮行驶到2#传感器产生的极大值点，标记为2，谷值点对应的就是车轮行驶到3#传感器产生的极大值点，标记为3，图5示出了轨底安装时三个光纤传感器下不同时间的波长差值序列；将…1、2、1、2…标记序列和…2、3、2、3…标记序列整合到一起，按时间先后进行排列；考虑到1#与3#传感器之间的距离小于车厢的最短轴距，那么当列车沿1#→3#方向行驶时，同一车轮作用的计轴点不同传感器就会形成1、2、2、3标记组合；当列车沿3#→1#方向行驶时，同一车轮作用的计轴点不同传感器就会形成3、2、2、1标记组合；显然，利用三个传感器的解决方案，只需实时找出1、2、2、3和3、2、2、1组合进行轴数加减1即可。

图6示出了判断区段状态的示意图，示例性的，如图6，在区段入口和出口位置安装光栅计轴传感子系统，如图所示的光栅计轴传感子系统a安装在入口，光栅计轴传感子系统b安装在出口，通过比较两计轴点记录的轴数，判断区段空闲/占用状态。

具体过程为：列车驶入安装有光栅计轴传感子系统的区段，计轴传感子系统a感知到车轮对钢轨产生的作用，解调子系统实时接收来自计轴传感子系统的光信号，同时向计轴主控子系统发送信息，计轴主控子系统开始计数，同时结合列车行驶的方向信息，若行驶方向与进入区段方向一致，则增加a端的轴数，反之则减少a端的轴数；计轴传感子系统b的计轴也遵照上述原则。通过实时比较a、b两端的轴数，若不相等，发送区段占用信号，使计轴轨道继电器落下；若相等，发出区段空闲信号，使计轴轨道继电器吸起。

实施案例二，将计轴传感器安装到轨腰进行计轴方向判断的实施过程包括：

示例性的，以使用三个光栅传感器为例进行说明，由于检测的是剪力，其计轴判向功能实施过程是：假设安装的三个光纤光栅传感器的编号是1#、2#和3#，图7示出了轨腰安装时三个光纤光栅传感器的波长随时间变化量；而后1#与2#的差值会形成一个脉冲峰，2#与3#的差值会形成一个脉冲峰，图8示出了轨腰安装时三个光纤传感器下不同时间的波长差值序列。由于3个光栅安装位置很近(3个光栅安装在一块弹性体上)，所以这两个脉冲峰之间有重叠。设定一个阈值，当脉冲峰高于该阈值时状态记为为1，低于该阈值状态记为0；当有车经过时，1#与2#的差值脉冲峰的状态时序为：0，1，0；2#与3#的差值脉冲峰的状态时序也为：0，1，0。通过状态时序变化可完成轮轴计数功能。为了能实现判向功能，需将这2个脉冲峰的状态时序合并：当列车从1#向3#传感器方向驶过时，合并的状态时序为：00，10，11，01，00；反之，当列车从3#向1#传感器方向驶过时，合并的状态时序为：00，01，11，10，00；显然可通过合并的状态时序实现判向功能。

本实用新型提供的光纤光栅传感计轴系统的计轴传感器由fbg(光纤布拉格光栅)构成，不受电信号干扰；以光纤光栅传感原理为基础、以光信号进行传输，成本低，同时满足故障-安全要求，测量精准。

本实用新型的光栅计轴系统不但可以通过光栅传感器的轮对数量，判断区段占用/空闲状态。此外，光栅计轴系统还可实现列车轴重测量、列车车长测量等附加功能。

示例性的，目前车辆动态称重较为流行的是轴重测量，即分别测出车辆各轴的轴重，再由称重系统计算处整车重量。常用的称重传感器主要有压电传感器、电阻应变式传感器。利用光栅计轴系统，同样可以进行轴重的测量。光栅计轴子系统是基于光纤光栅传感原理，光纤光栅传感器可以实现对应变等物理量的直接测量，即应变与波长变化成正比，而作用在钢轨上的轴重与钢轨产生的应变成正比，因此轴重与光栅传感器的波长变化成正比。经标定后，利用光解调子系统实时输出的波长数据，即可得到轮轴的重量。

示例性的，列车每个轮子压过光栅计轴传感子系统上方钢轨时，光栅传感器的波长都会产生相应的形变，利用每个车轮压过传感器的间隔时间，并结合列车行驶速度，可以估算列车的车长。具体如下：

每个光栅计轴传感子系统包含3个fbg，由于fbg间隔固定，可以由列车的第一个车轮通过1#fbg和3#fbg的时间差，计算出列车行驶速度，再由列车所有轮对通过1#fbg的时间间隔，可以估算列车车长。

另外车长的测量方式还可通过以下方式进行：车列长度测量采用车地联合的方式，使用光栅计轴传感器，在咽喉区按照如下图9进行铺设；长度测量使用2个光栅计轴传感器构成，2个计轴传感器的距离大于一个车长即可，组成一个小的区间，放置方式如图9所示。当车列走入到b点时，系统记录下当前的机车走行距离x1，当车列最后一对轮轴离开b点后，判断区段空闲，此时系统在记录下当前的机车走行距离x2，而后计算出x2-x1则为车列长度。此信息可以通过光缆传输给控制中心，也可以通过无线系统直接传输给机车，既可实现获得列车长度信息。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。