光纤板式传感器及铁路超偏载系统的制作方法

本发明涉及一种超偏载系统及其设备，更具体地说，它涉及一种光纤板式传感器及铁路超偏载系统。

背景技术：

目前所有的大型称重计量设备，尤其具有相当精度要求的衡器——汽车衡，动静态轨道衡，铁路超偏载设备，料斗称等，采用的都是应变片做为敏感元件胶粘在载体上作为传感器，无论是柱式传感器，剪力传感器，桥式传感器，抑或是直接把应变片胶粘在钢轨腰上的美国新进口专用钢轨。

上述传感器的发明、使用、生产已延续多年，其自有存在的必然性，即精度较高，性能较稳定，能够根据应变片附着载体的材质和型状调整量程及适用于不同的工况现场情况。

但是，采用这种原理的传感器在科学技术飞速发展的今天也开始日显不足。

在申请日为2006年10月13日，公告号为CN1936520A的专利文献（以下称之为对比文件1）中公开了一种光纤传感式轨道衡，其包括：承重梁单元、数据采集单元和称重数据处理单元以及数据传输单元，其中，所述的承重梁单元为铁路在线使用的钢轨；所述的数据采集单元包括：光纤传感器以及光纤调制解调仪，所述的光纤传感器设置于所述钢轨上，获得光波信号，所述的光纤调制解调仪与光纤传感器相连接，将所述光波信号转换为钢轨的应变信号；所述的称重数据处理单元，与数据采集单元相连，将所述应变信号转换为重量；所述的数据传输单元用以传输数据。

对比文件1的技术要点在于，其应用光纤传感器作为测量工具。光纤传感器的核心是光纤，一般来说，光纤的本身是不能承受重量的，所以必须附着在载体上。选择一种载体，它的材质、型状、安装位置必须要保证被计量物体的安全、稳定；载体受力后的变形量要同光纤的变形及受力大小同步且呈正相关关系；载体的型状必须要适应工作现场的安装要求。

在对比文件1的说明书部分明确阐述了，其应用的光纤传感器是直接地粘接在钢轨的腰部或者底部。轨道在线的钢轨直接地作为载体，是无法完成大负荷、高精度的测量；同时，难以实现对车辆超偏载的系统控制。

技术实现要素：

本发明的目的是克服或减缓至少这些缺点中的某些缺点，并且提供一种光纤板式传感器，包括作为弹性载体的弹性板，所述弹性板具有型腔，所述型腔的一腔壁为应变面，在所述应变面的表面固定至少一个光纤敏感元件。

优选地，所述应变面与所述弹性板的受力面平行。

进一步地，在所述应变面的表面固定一个光纤敏感元件，所述光纤敏感元件置于所述应变面的中点。

亦或者，在所述应变面的表面固定两个光纤敏感元件，两个所述的光纤敏感元件关于所述应变面的中点对称。

亦或者，所述应变面呈矩形，在所述应变面的表面固定四个光纤敏感元件，四个所述的光纤敏感元件分别布置在所述应变面的四个边角处，且任意所述光纤敏感元件到所述应变面中点的距离是定值。

较佳的，四个所述的光纤敏感元件依次串联，且四个所述的光纤敏感元件所适用的光谱范围均不重叠。

另外，所述光纤敏感元件采用低能焊接的方式固定在所述应变面的表面。

本发明应用性的公开了一种适用上述光纤板式传感器的铁路超偏载设备。其包括多个布置在钢轨和枕木之间的板式传感器，其特征在于，所述板式传感器选用前述的光纤板式传感器，所述光纤板式传感器的光纤敏感元件耦接至光电解码器，所述光电解码器通讯控制终端。

优选地，所有光纤敏感元件适用的光谱范围均不重叠。且所有光纤敏感元件依次串联后耦接至光电解码器。

优选地，在所述光电解码器的输出端耦接至耦接有二次仪表的输入端，所述二次仪表的输出端耦接至所述控制终端。

附图说明

图1为本发明光纤板式传感器实施例弹性板的结构图；

图2为图1的另一视角图；

图3为本发明光纤板式传感器实施例一的光纤光栅应变片布置图；

图4为本发明光纤板式传感器实施例二的光纤光栅应变片布置图；

图5为本发明光纤板式传感器实施例三的光纤光栅应变片布置图；

图6为本发明铁路超偏载系统实施例一的工作原理图；

图7为本发明铁路超偏载系统实施例二的工作原理图；

图8为本发明铁路超偏载系统实施例三的工作原理图。

附图标注：1、弹性板；11、应变面；2、光纤光栅应变片；3、光源产生装置；4、光电解码器；5、二次仪表；6、计算机。

具体实施方式

参照图1至图5对光纤板式传感器的实施方式作出进一步说明，并由图6至图8阐述应用光纤板式传感器的铁路超偏载系统。

光纤的物质形态随着环境或外力的影响，其本身的部分物理特性会产生变化。本实施例的主要是光纤在随外界环境或外力影响而改变波长的特性。

现有技术中，已经存在以光纤作为测量工具的光纤传感器，光纤传感器的输出变量即是光的波长，与光纤传感器相匹配的有将光信号转换成电信号的光电解码器4；现有的，光电解码器4其输出的电信号，本身即是数字信号。天然地适应于当前计算机6和数字仪表的使用。

实际上，以光纤作为敏感元件早已应用于各领域对温度的测量，以及某些精度要求不高的重量测量。

但是，应用光纤作为敏感元件完成大载荷、高精度的动态称重测量以及相应的测量系统，具体在铁路超偏载系统，本实施例尚属首例。

那么，本实施例的发明要点即是，将光纤应用在大载荷、高精度的超偏载系统中，并使光纤满足其在分辨率、精度、稳定性方面的基本要求。

具体地，本实施以目前铁路超偏载设备上常见的板式结构作为光纤敏感元件的载体，该载体主要是由合金钢板加工而成的弹性板1。

如图1和图2所示，弹性板1的结构位置是位于钢轨和枕木之间，在弹性板1相对枕木的侧面具有型腔，本实施例以型腔的底部为应变面11，应变面11与弹性板1的受力面保持平行。本实施将光纤敏感元件布置在该应变面11的表面。那么在弹性板1的受力面承重，弹性板1整体产生形变后，与应变面11固定的光纤敏感元件同样会产生适应性形变，进而影响光纤敏感元件输出光的波长。

具体地，本实施例选用表面式的光纤光栅应变片2，其自有的布拉格光栅在受到应力后，布拉格光栅有效的光折射率以及光栅周期发生变化，进而造成反射的布拉格波长改变，适用于本实施例。

进一步地，本实施例通过低能焊接的方式将光纤光栅应变片2稳固地与应变面11焊接成一体；相比于传统的粘接方式，焊锡的固定方式能够有效地克服胶层受到温度或者外力影响而产生形变，进而影响光纤光栅应变片2所受的应力，引起光纤光栅应变片的测量误差。。

根据上述光纤板式传感器的结构设计，并将光纤光栅应变片2焊接在应变面11上，是可以有效地实现对钢轨的动态称重测量。

再者，在弹性板1的应变面11上同时焊接多个不同位置的光纤光栅应变片2是可以有效地克服列车侧摆对光纤板式传感器测量结果的影响；为了具体说明这个问题，本实施例示范性的给出了三种光纤光栅应变片2在应变面上的布置方式。

实施例一：

如图3所示，本实施例在应变面11的表面焊接一个光纤光栅应变片2，该光纤光栅应变片2焊接在弹性板1的中心。

那么，在列车发生侧摆时，焊接在弹性板1中心的光纤光栅应变片2所测量的结果会受到明显影响；这是由于在列车侧摆过程中，列车的重心发生明显偏移，导致弹性板1上各点受力明显不均，而位于弹性板1中心的光纤光栅应变片2会产生非重心引起的应力形变。

实施例二：

如图4所示，本实施例在应变面11的表面焊接两个光纤光栅应变片2，两个光纤光栅应变片2关于弹性板1的中心对称，且两者的连线与列车的进行方向垂直。

那么，在列车发生侧摆时，焊接在受力面11上的光纤光栅应变片2所测量的结果会受到一定影响；这是由于在列车侧摆过程中，列车的重心虽然发生了明显偏移，但是当受力面的承力点落在两个光纤光栅应变片2之间时，两者受到的应力影响是反相关；即列车倾斜方向的一侧光纤光栅应变片2所受应力，较之从前是增大，另一侧的光纤光栅应变片2所受应力，较之从前是减小，因此通过对两个光纤光栅应变片2的测量结果进行后期计算，是能够在一定程度上消除列车侧摆的影响。

实施例三：

如图5所示，本实施例的应变面11呈矩形，在应变面11的四个边角分别焊接一个光纤光栅应变片2，且四个光纤光栅应变片2弹性板1的中点的距离是相等的。

那么，在列车发生侧摆时，焊接在受力面11上的光纤光栅应变片2所测量的结果是不会受到影响；这是由于在列车侧摆过程中，列车的重心虽发生明显偏移，但受力面11的承力点始终是落在四个光纤光栅应变片2之间的，通过四个光纤光栅应变片2各自的测量结果可以准确的计算出受力面11上承力点的位置，进而可以通过补偿计算克服列车侧摆对于铁路超偏载系统的影响。

另外，考虑到市面上光电解码器4昂贵的售价，本实施例通过紫外线分别在四个光纤光栅应变片2中烧制折射率和周期不同的布拉格光栅，即可以使四个光纤光栅应变片2反射完全不同光谱范围的布拉格波长；在保证四个光纤光栅应变片2所适用的光谱范围始终不重合时，将四个光纤光栅应变片2依次串联后耦接一个光电解码器4，即可以实现对四个光纤光栅应变片2所对应的布拉格波长进行测量，能够有效地减少将光纤板式传感器安装至铁路超偏载系统或动态轨道衡所需的成本。

值得注意的是，本实施例三所指的四个光纤光栅应变片2的光谱范围，不仅仅是光纤光栅应变片2在不受外界影响时，其反射的布拉格波长所在的带宽；更是包括光纤光栅应变片2在受到外界影响后，其布拉格波长的极限变化范围。

为了对本发明提出的光纤光栅板式传感器的实用性进行确认，此处针对实施例三中的光纤板式传感器作出了性能测试：

为证明实施例三的光纤板式传感器可以作为一种具有相当精度的新式传感器并应用于超偏载系统，本实施选用了500kg砝码和15吨压力机分别对光纤板式传感器进行了测试。

1、关于响应速度的测试，在加载压力时，光纤板式传感器的响应时间在微秒级。足以适用于目前铁上对列车超偏载动态响应要求。

2、关于普遍性的测试，本实施例用500kg砝码和压力机分别对光纤板式传感器加载压力，再卸载压力后。其测量曲线近似重合，零点回归差约2个计量单位(±1‰)，即保证了不论是通过500KG砝码提供压力还是通过压力机提供压力，其结果具有一致性，保证测试结果具有普遍性。

3、关于误差的测试，在20吨为满量程时，全程线性度优于1%，低端线性度(500kg以下)约为2%，测量误差小。

如图6至8所示，在设计并验证了关于光纤板式传感器对于测量列车超偏载的可行性后，本实施例提供了一种应用上述光纤板式传感器的铁路超偏载系统，其包括多个布置在钢轨和枕木之间的光纤板式传感器，光纤板式传感器耦接光电解码器4，光电解码器4通讯控制终端。

本实施例铁路超偏载系统的特点是对光纤板式传感器的应用，此处优选地例举三种应用光纤板式传感器的铁路超偏载系统的实施方式。

实施例一：

如图6所示，本实施例一的铁路超偏载系统包括多个光纤板式传感器，任意一个所述的光纤板式传感器中的光纤光栅应变片2均是依次串联后耦接至一光电解码器4。该光电解码器4通过串行接口与作为控制终端的计算机通讯。

那么，任一光纤板式传感器均配备有对应的光电解码器4，其好处是光纤板式传感器中的光纤光栅应变片2反馈的布拉格波长的变化范围可以是足够大，任意两个光纤光栅应变片2反馈的布拉格波长不会出现重叠，保证了测量数据的准确。

此处值得一提的是，本实施例一的光源是光源产生装置3通过光环形器耦合至光纤的光路中。

实施例二：

如图7所示，实施例二的铁路超偏载系统相比于实施例一的区别是，本实施例二的光电解码器4集成有光源，在其耦接光纤板式传感器的端口，一方面接收由各光纤光栅应变片2反馈的布拉格波长，另一方面同步地输出光源至光纤光栅应变片2。

实施例三：

如图8所示，任一光纤板式传感器中的光纤光栅应变片2依次串联的，同时本实施例三中的多个光纤板式传感器亦是依次串联；那么，本实施例三中涉及的所有光纤光栅应变片2依次串联后，耦接至光电解码器4；再者，所有的光纤光栅应变片2的光谱范围均不重叠。

那么，本实施例三在光纤板式传感器有多个时，亦可以通过一台光电解码器4获得各个光纤光栅应变片2反馈的布拉格波长；且任意一个光纤板式传感器中的四个光纤光栅应变片2可以作为消除列车侧摆对铁路超偏载系统影响的计算基准。

通过上述三种关于铁路超偏载系统的实施例，佐证了应用光纤板式传感器的铁路超偏载系统，可以对列车进行高精度的测量。从根本上改变传统的铁路超偏载系统的测量模式，采用光纤做为敏感元件。充分发挥光纤作为敏感元件的优点：数字信号输出，传输距离远，抗干扰性强，成本低等。且光纤作为敏感元件可以使分辨率达到1/3000，线性度良好，物理性能稳定。

值得一提的是，通过作为控制终端的计算机6对各光纤光栅应变片2反馈的布拉格波长对应的电信号进行分析计算，是本领域技术人员所熟知的；这是由于，本实施例的铁路超偏载系统仅是通过对光纤板式传感器的应用取代了传统的板式传感器，提高了测量的精度和能够承受的负荷。

另外，如图7所示，本实施例的光电解码器4可以是将光纤板式传感器输出的光信号转换成电信号后，通过二次仪表5对该电信号进行记录和积算，再通二次仪表5将记录和积算的结果通讯至计算机6。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。