一种轨道交通用光纤式速度传感器的制造方法
【专利摘要】一种轨道交通用光纤式速度传感器，包括转速传递机构、光栅片、光纤测速模块、光纤、电路盒、光源、光探测器、测量电路、信号电缆，光栅片安装在转速传递机构的轴上，光纤测速模块安装在转速传递机构的内部，并和光栅片相配合，能够使两根光纤之间的光发生耦合，并使光栅片的光栅孔处于光纤耦合通道上，对耦合通道的通断进行调制，光纤用来连接光纤测速模块和电路盒，能够将电路盒中光源发出的光传递到光纤测速模块中，也能够将光纤模块中的被调制光传递给电路盒中的光探测器，电路盒用来容纳光源、光探测器和测量电路，测量电路用来驱动光源，并将光探测器输出的信号转换成方波脉宽信号，然后通过信号电缆输出。
【专利说明】一种轨道交通用光纤式速度传感器
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种光纤式速度传感器。
【背景技术】
[0002]轨道交通行业需要对机车的速度进行测量，测量结果是列车控制、刹车、列车监控等系统的关键控制参数。该参数测量不准，轻则造成列车运行发生晚点等现象，重则可能因速度过快造成出轨等事故。
[0003]机车速度测量分为绝对速度测量和转速测量。绝对速度测量一般采用雷达式、光学式等非接触式传感器来测量机车相对地面的速度，转速测量一般采用霍尔式、磁电式和光电式等传感器测量电机、齿轮、车轴等部位的转速。
[0004]光电式转速传感器安装于各种类型机车轴端，为机车提供运行速度及运动方向，是机车安全运行的重要组成部分。此传感器输入轴与被测轮轴相连接，被测轮轴带动传感器输入轴旋转，被测轮轴转速与输入轴转速相等，利用光电模块的光电效应，产生与车轮转速成比例的电脉冲信号，从而实现测速的功能。这种传感器具有结构简单、可靠性高、测量精度高等优点，因此被广泛使用。
[0005]但光电式转速传感器目前广泛采用光敏元件或光电编码器进行信号的发射和接收，利用光栅片对光路的遮断来输出电脉冲信号，机车控制系统根据输出脉冲的频率来计算转速。该类传感器存在以下几个缺点:
1、电力机车的轴端有时会因接地不良而出现高压电，从而导致整个传感器内部为一个高电压环境,特别是金属光栅片表面也会带有高电压，而由于光电式传感器的光敏兀件或光电编码器与金属光栅片之间距离较近，会被高压电击穿，烧坏传感器；虽然部分光电传感器通过增大光敏元件与光栅片之间的距离来提高传感器的耐压等级，但仍无法根除隐患。
[0006]2、光电式传感器的输出信号通过电缆传输,传输过程中会受到电磁干扰的影响，从而发生误脉冲等现象。
[0007]3、由于传感器内部体积的限制，光电式传感器输出信号通道数较少，目前市场上最多也只有六通道的传感器，这样客户在需要较多信号通道时只能加装更多的传感器，增加了系统体积和成本。
[0008]4、光电传感器中的相位差是通过手工调整来控制，较为费时费力，有研究将两路信号集成在一个光模块中，但由于机械结构内部的反射等原因，两路信号之间存在干扰现象。
【发明内容】
[0009]本发明所要解决的技术问题是克服现有光电式传感器的上述不足而提供种一种轨道交通用光纤式速度传感器，使其能更安全地测量。
[0010]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:
轨道交通用光纤式速度传感器，其特征在于:包括转速传递机构、光栅片、光纤测速模块、光纤、电路盒、光源、光探测器、测量电路、信号电缆，光栅片安装在转速传递机构的轴上，光纤测速模块安装在转速传递机构的内部，并和光栅片相配合，能够使两根光纤之间的光发生耦合，并使光栅片的光栅孔处于光纤耦合通道上，对耦合通道的通断进行调制，光纤用来连接光纤测速模块和电路盒，能够将电路盒中光源发出的光传递到光纤测速模块中，也能够将光纤模块中的被调制光传递给电路盒中的光探测器，电路盒用来容纳光源、光探测器和测量电路，测量电路用来驱动光源，并将光探测器输出的信号转换成方波脉宽信号，然后通过信号电缆输出。
[0011]与现有技术相比，本发明的优点在于:1、由于光纤是非导体，不会被电击穿，而传感器的电路部分放置在远离测量现场的远端，不会受到高电压的影响，可解决光电转速传感器的耐高压问题。在此类产品上首次使用光纤来作为测量单元和信号传输途径。
[0012]2、由于光纤中传输的是光信号，完全不受电磁干扰的影响，可解决光电转速传感器的电磁干扰问题。
[0013]3、由于光纤的传输距离较远，在测量现场无需测量电路，光纤的体积也较为纤小，可以在一个传感器中实现更多的测量通道。
[0014]4、由于光纤较为纤细，其出射光的角度也在一定的范围之内，故很容易实现两路光信号之间的隔离，可解决两路信号之间相位差需要手工调整的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明实施例轨道交通用光纤式速度传感器的结构示意图。
[0016]图2是本发明实施例光纤测速模块一实施例的结构示意图。
[0017]图3是本发明实施例光纤测速模块另一实施例的结构示意图。
[0018]图4是本发明实施例光纤测速模块又一实施例的结构示意图。
[0019]图5是本发明实施例光纤测速模块又一实施例的结构示意图。
[0020]图6是本发明实施例光纤测速模块又一实施例的结构示意图。
[0021]图7是本发明实施例光纤测速模块又一实施例的结构示意图。
[0022]图8是本发明实施例光纤测速模块又一实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]以下结合附图实施例对本发明作进一步描述。
[0024]如图1所示，轨道交通用光纤式速度传感器，包括转速传递机构1、光栅片2、光纤测速模块3、光缆4、电路盒5、光源6、光探测器7、测量电路8、信号电缆9。
[0025]转速传递机构I安装在机车的轴端，能够稳定、准确的将车轴转速传递给光栅片2，并且其结构可靠，耐污染、冲击、振动，并能够有效防止油污、灰尘等污染物进入到光栅片2和光纤测速模块3中。
[0026]光栅片2安装在转速传递机构I的轴上，能够对光路的通断进行调制。
[0027]光纤模块3安装在转速传递机构I的内部，并和光栅片2相配合,能够使两根光纤之间的光发生耦合，并使光栅片2的光栅孔处于光纤耦合通道上，对耦合通道的通断进行调制。
[0028]光缆4用来连接光纤模块3和电路盒5，能够将电路盒中光源6发出的光传递到光纤模块3中，也能够将光纤模块中的被调制光传递给电路盒中的光探测器7。光缆4具有一定的强度，能够保护其中的光纤不被拉断。
[0029]电路盒5用来容纳光源6、光探测器7和测量电路8，它具有较高的防护等级，能够抗冲击、振动，能够防止外界污染物进入其内部，还具有电磁屏蔽的作用。
[0030]测量电路8用来驱动光源6，并将光探测器7输出的信号转换成方波脉宽信号，然后通过信号电缆9传输给需要速度信号的列车控制系统等部位。
[0031]轨道交通用光纤式速度传感器中的光纤有三种选择。[0032]第一种选择是使用石英光纤，该光纤的优点是透光性好、光学性能稳定、寿命长不会老化、不可燃，缺点是最小弯曲半径较大，质地也较为脆弱，在强振动环境下可能断裂；用它制成传感器需要较大的体积来容纳光纤，并且需要对光纤进行特殊的保护以防止光纤的断裂。
[0033]第二种选择是使用塑料光纤，该光纤的优点是抗拉、抗折、耐振动性能好，最小弯曲半径小，缺点是长期使用会老化，寿命10-20年，透光性能也随之降低，光纤的材料可燃；用它制成传感器，寿命上可以满足要求，光缆的护套必须采用低烟无卤阻燃材料，才能满足铁路系统的使用要求。
[0034]第三种选择是使用塑料包层的石英光纤，它具有以上两种光纤的优点，但它仍然具有弯曲半径较大和耐振动性能较差的缺点。相比较而言，塑料光纤是光纤速度传感器的最佳选择。
[0035]光纤测速模块为本发明所述传感器中最为重要的敏感单元，它和光栅片一起使光纤中的光受到调制，光纤测速模块有多种实现方式。
[0036]第一种实现方式如图2示，图中发射光纤31，接收光纤32，光孔片33，光栅34。发射光纤31为塑料光纤或石英光纤，它与图1的光缆相连接，光源发出的光从发射光纤中发射出来，通过光孔片33和光栅片34后进入到接收光纤32中去。发射光纤31和接收光纤32也可互换，即32作为发射光纤，31作为接收光纤。光孔片33的作用是控制发射光纤31与接收光纤32之间传播的光束的直径，使之不超过光栅片34上面栅孔的宽度，从而保证光束最多只能穿过一个栅孔。这种实现方式原理简单，对光纤的定位精度要求较低，实现起来较为容易，但由于光纤的最小弯曲半径比电线大很多，因此制成的传感器体积也较大。
[0037]第二种实现方式如图3示。图中发射光纤31，接收光纤32，光孔片33，光栅34，直角棱镜35。发射光纤31为塑料光纤或石英光纤，它与图1中的光缆相连接，光源发出的光从发射光纤中发射出来，通过光孔片33和光栅片34后被直角棱镜35反射，然后进入到接收光纤32中去。光纤31和32、光孔片33的作用与光纤测速模块的实现方式一中的相类似。直角棱镜35的作用是使光的传播方向偏转90°，它也可以用其它任何可以使光的传播方向偏转90°的光学元件代替。这种实现方式减小了光纤测速模块下面对安装空间的要求，但对侧面和上面的安装空间要求较大，同时对光纤32和直角棱镜35的安装精度要求也较高，模块的成本也高于方式一。
[0038]第三种实现方式如图4示。图中发射光纤31，接收光纤32，光孔片33，光栅34，直角棱镜35。发射光纤31为塑料光纤或石英光纤，它与图1中的光缆相连接，光源发出的光从发射光纤中发射出来，被第一个直角棱镜35偏转90° ,然后通过光孔片33和光栅片34,之后后被第二个直角棱镜35偏转90°，最后进入到接收光纤32中去。光纤31和32、光孔片33、直角棱镜35的作用与光纤测速模块的实现方式二中的相类似。直角棱镜35也可以用其它任何可以使光的传播方向偏转90°的光学元件代替。这种实现方式减小了光纤测速模块上面和下面对安装空间的要求，但对侧面的安装空间要求较大，同时对光纤31、光纤32和直角棱镜35的安装精度要求也较高，模块的成本也高于方式二。
[0039]第四种实现方式如图5示。图中发射光纤31，接收光纤32，光孔片33，光栅34，道威棱镜35。发射光纤31为塑料光纤或石英光纤，它与图1中的光缆相连接，光源发出的光从发射光纤中发射出来，通过光孔片33和光栅片34，然后被道威棱镜35偏转180°，最后进入到接收光纤32中去。光纤31和32、光孔片33的作用与光纤测速模块的实现方式二中的相类似。道威棱镜35的作用是使光的传播方向偏转180°，它也可以用其它任何可以使光的传播方向偏转180°的光学元件代替。这种实现方式减小了光纤测速模块侧面和下面对安装空间的要求，但对上面装空间要求较大，同时对光纤32和道威棱镜35的安装精度要求也较高，模块的成本与方式三相类似。
[0040]光纤测速模块可以实现转动方向的辨别，也可以实现多个通道的速度测量，其原理是在同一个模块中集成有多路光通道来实现多通道测量，同时通过设定每两个光通道之间输出信号的相位差为90°，这样就可以根据输出信号波形的前后分辨转动方向。这种多通道速度测量的实现方式和方向辨别的实现方式与光电式转速传感器是类似的，但光电式转速传感器最多只能在一个模块中实现两个通道，这样四通道或六通道传感器中各通道之间的相位差只能通过人的手工来进行调节。而光纤的体积比电路小很多，并且相邻的两根光纤之间的传输光不会发生互相干扰，因此很容易在一个光纤测速模块中实现较多通道的速度测量。
[0041]在光纤测速模块的实现方式二、三、四中都有棱镜的存在，它们会增大系统的成本。本发明中提供三种多通道的实现方式，第一种为多棱镜方式，在该方式中，每一个光通道都有一套独立的棱镜系统，这样系统的实现成本与加工难度均较高，但各通道之间没有干扰存在；第二种为单棱镜方式，在该方式中，两个或多个通道共用一套棱镜系统，这样系统的实现成本与加工难度较低，但各通道之间可能存在一定的干扰现象；第三种为环形棱镜方式，在该方式中，所有通道共用一套环形的棱镜系统，这样的系统实现成本最低，但各通道之间可能存在干扰现象。下面仅以光纤测速模块的实现方式三为例分别对第一种和第二种多通道实现方式进行说明，以光纤测速模块的实现方式四为例对第三种多通道实现方式进行说明。需要指出的是，光纤测速模块的实现方式二、三、四均可以使用这三种方式实现多通道速度测量。
[0042]多通道测速模块的第一种实现方式如图6所。图中发射光纤31，接收光纤32，棱镜35。发射光纤和接收光纤一一对应，发射光纤和接收光纤的位置可以互换。一对发射光纤和接收光纤组成一个通道，它们之间的光路通过单独的一套棱镜系统进行接续。在光纤测速模块的实现方式二中，棱镜系统为一个直角棱镜；在光纤测速模块的实现方式三中，棱镜系统为两个直角棱镜；在光纤测速模块的实现方式四中，棱镜系统为一个道威棱镜。
[0043]多通道测速模块的第二种实现方式如图7示。图中发射光纤31，接收光纤32，棱镜35。发射光纤和接收光纤一一对应，发射光纤和接收光纤的位置可以互换。一对发射光纤和接收光纤组成一个通道。多个的通道的光路接续都通过同一套棱镜系统来实现，该棱镜系统的宽度很宽，能够覆盖多个通道。在光纤测速模块的实现方式二中，棱镜系统为一个直角棱镜；在光纤测速模块的实现方式三中，棱镜系统为两个直角棱镜；在光纤测速模块的实现方式四中，棱镜系统为一个道威棱镜。采用这种方式的测速模块通道数不能过多，否则光栅片无法对所有通道的光路的通断进行调制。
[0044]多通道测速模块的第三种实现方式如图8示。图中发射光纤31，接收光纤32，棱镜35。发射光纤和接收光纤一一对应，发射光纤和接收光纤的位置可以互换。一对发射光纤和接收光纤组成一个通道，所有通道的光路都通过同一套环形的棱镜系统进行接续。在光纤测速模块的实现方式二中，棱镜系统为一个环形的直角棱镜；在光纤测速模块的实现方式三中,棱镜系统为两个环形的直角棱镜；在光纤测速模块的实现方式四中，棱镜系统为一个环形的道威棱镜。环形棱镜可以使用一整个圆环，也可以使用扇形环。采用这种方式可以在传感器中集成很多个通道，理论上的最大通道数由光纤的尺寸、光栅孔的尺寸来定。
【权利要求】
1.轨道交通用光纤式速度传感器，其特征在于:包括转速传递机构、光栅片、光纤测速模块、光纤、电路盒、光源、光探测器、测量电路、信号电缆，光栅片安装在转速传递机构的轴上，光纤测速模块安装在转速传递机构的内部，并和光栅片相配合，能够使两根光纤之间的光发生耦合，并使光栅片的光栅孔处于光纤耦合通道上，对耦合通道的通断进行调制，光纤用来连接光纤测速模块和电路盒，能够将电路盒中光源发出的光传递到光纤测速模块中，也能够将光纤模块中的被调制光传递给电路盒中的光探测器，电路盒用来容纳光源、光探测器和测量电路，测量电路用来驱动光源，并将光探测器输出的信号转换成方波脉宽信号，然后通过信号电缆输出。
2.如权利要求1所述的轨道交通用光纤式速度传感器，其特征在于:所述的光纤为石英光纤或塑料光纤或塑料包层的石英光纤。
3.如权利要求1所述的轨道交通用光纤式速度传感器，其特征在于:所述的光纤测速模块包括发射光纤、接收光纤、光孔片、光栅，发射光纤与光缆相连接，光源发出的光从发射光纤中发射出来，通过光孔片和光栅片后进入到接收光纤中去。
4.如权利要求1所述的轨道交通用光纤式速度传感器，其特征在于:所述的光纤测速模块包括发射光纤、接收光纤、光孔片、光栅、直角棱镜，发射光纤与光缆相连接，光源发出的光从发射光纤中发射出来，通过光孔片和光栅片后被直角棱镜反射，然后进入到接收光纤中去。
5.如权利要求1所述的轨道交通用光纤式速度传感器，其特征在于:所述的光纤测速模块包括发射光纤、接收光纤、光孔片、光栅、直角棱镜，发射光纤与光缆相连接，光源发出的光从发射光纤中发射出来，被第一个直角棱镜偏转90°，然后通过光孔片和光栅片，之后被第二个直角棱镜偏转90°，最后进入到接收光纤中去。
6.如权利要求1所述的轨道交通用光纤式速度传感器，其特征在于:所述的光纤测速模块包括发射光纤、接收光纤、光孔片、光栅、道威棱镜，发射光纤与光缆相连接，所述的光源发出的光从发射光纤中发射出来，通过光孔片和光栅片，然后被道威棱镜偏转180°，最后进入到接收光纤中去。
7.如权利要求1所述的轨道交通用光纤式速度传感器，其特征在于:所述的光纤测速模块包括发射光纤、接收光纤、棱镜，发射光纤与光缆相连接，发射光纤和接收光纤一一对应，一对发射光纤和接收光纤组成一个通道，多个通道的光路接续都通过棱镜来实现。
【文档编号】G01P3/36GK103439526SQ201310378180
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月28日 优先权日:2013年8月28日
【发明者】倪大成, 赵呈锐, 王飞, 张燕亮, 董鹏程, 万仁强, 陈增贤, 李军伟 申请人:宁波南车时代传感技术有限公司