专利名称：串联式光纤光栅铁路安全运行监控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及串联式光纤光栅铁路安全运行监控系统，适用于光纤传感技术、民用 工程、轨道交通等领域。
背景技术：
在高速铁路中，目前国内外高速铁路建设中对异物侵限的监控主要以红外对射探 测器和电网传感器为重，视屏监控为辅的方式。红外对射探测检测方案为非接触式、安装方 便、易于维护、成本适中，但是由于其测量介质为红外线，其灵敏度和精度易受到外界干扰 影响，并且红外线测量不能感知异物的质量，易受周围飘落物的影响，产生一定的误报率， 这限制了它的使用。电网监测不会产生误报，对现场实际状况的适应能力比较强，可以根据 防护网的形状尺寸任意扩展，但是当落物积累在防护网上时，监测信息则无法上传。近光纤光栅传感器是20世纪90年代发展起来的一种新型全光纤无源器件，光纤 光栅传感具有光纤传输系统的不带电、抗射频、抗电磁干扰、防燃、防爆、抗腐蚀、耐高压、耐 电离辐射、重量轻、体积小、具有大信号传输带宽、便于形成智能材料和工程结构结合等优 点，近年来得到了极大的发展。到目前为止，光纤光栅传感器已经应用于磁场、电流、声音、 温度以及压力等物理量的测量，另外它还可以实现多参数分布式传感测量。随着我国铁路 建设的不断深入，铁路逐渐开始深入一些偏远的山区，路况复杂，自然灾害频繁。传统的电 子传感器无法在恶劣的环境下工作，而光纤光栅传感器具有精度高、轻巧且能承受极端条 件等优点，集传感与传输与一体，可以实现远距离测量与监控，一次测定就可以获取整个光 纤分布区域的分布图，能够测量长距离的信息，因此整体的成本大大降低。此外，铁路状况 如果不及时通报并解决，可能会发生灾难性的后果，这就需要有一种长期可靠有安全的监 测系统。传统的电子传感器具有一定的安全隐患，并且使用寿命也有限，而光纤光栅传感器 是以光作为载体、光纤作为媒介、感知和传感外界信号，在实现物理测量的同时可以实现信 号传输，在解决信号衰减和抗干扰方面有着无法比拟的优势，是一种理想的传感元器件。由 于实际应用中大范围、大监测距离的需要，往往需要大容量的监测系统。传统的光纤光栅传 感监测系统是利用单个光纤光栅作为传感头，由于光源带宽的限制，这样使得整个传感系 统所能串联的传感头有限，并不能满足实际应用的需要。大容量编码式光纤光栅传感监测 系统，CN2003101115^. 2提出了一种大容量光纤光栅传感监测系统，但是其传感光纤光栅 阵列中单光栅的波长均不相同，制作起来相对麻烦；测量范围越大，所需要的传感头数量越 多，其编码方式也相对越复杂；采用了两个光源、两个Y型分路器、两个解调器，系统的整体 造价比较昂贵。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一中结构简单、制作方便、廉价实用且测量范 围大的串联式光纤光栅铁路安全运行监控系统。本发明的技术方案
一种串联式光纤光栅铁路安全运行监控系统，该系统的宽带光源的输出接三端口 耦合器的第一端口，三端口耦合器的第二端口接传感光纤光栅阵列，三端口耦合器的第三 端口接可调滤波器的一端，可调滤波器的另一端接光电探测器。传感光纤光栅阵列由第一传感头、第二传感头........第η传感头串联连接组
成，η≥1 ；每个传感头由k个中心波长不同的光纤光栅组成，k彡2。第一至第η传感头上的光纤光栅的中心波长一致，每一个传感头上k个光纤光栅 的反射率不同或相同；第一至第η传感头中，任意两个传感头中的k个光纤光栅的反射率不 完全相同。每个传感头中k个光纤光栅的反射率取值个数为m个时，传感头的数量η = mk。本发明的有益效果本发明提出的串联式光纤光栅铁路安全运行监控系统，结构 简单，易于实现；只需要可调滤波器就可以判断出探测点附近发生了火灾，不需要高昂的解 调设备，价格便宜，性价比高；采用多光纤光栅制作传感头，各个传感头对应的光纤光栅中 心波长一致、反射率不同，增大了传感系统的容量，能实现长距离、大范围的监测。
图1串联式光纤光栅铁路安全运行监控系统示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。实施例一，见图1，一种串联式光纤光栅铁路安全运行监控系统，该系统的宽带光 源ι的输出接三端口耦合器的第一端口 21，三端口耦合器的第二端口 22接传感光纤光栅阵 列3，三端口耦合器的第三端口 23接可调滤波器4的一端，可调滤波器4的另一端接光电探 测器5。传感光纤光栅阵列3由第一传感头31、第二传感头32........第九传感头39串
联连接组成；每个传感头由两个中心波长不同的光纤光栅组成。第一至第η传感头上的光纤光栅的中心波长一致，每一个传感头上k个光纤光栅 的反射率不同或相同；第一至第9传感头中，任意两个传感头中的k个光纤光栅的反射率不 完全个同。第一传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1550. lnm，；第二光纤 光栅的中心波长和反射率分别为1550. 5nm，。第二传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1550. Inm, 50% ；第二光 纤光栅的中心波长和反射率分别为巧50. 5nm，50%。第三传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1550. Inm, 50% ；第二光 纤光栅的中心波长和反射率分别为巧50. 5nm，99%。第四传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1550. Inm,99% ；第二光 纤光栅的中心波长和反射率分别为巧50. 5nm，50%。第五传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1550. Inm,99% ；第二光 纤光栅的中心波长和反射率分别为巧50. 5nm，99%。第六传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1550. lnm，；第二光纤光栅的中心波长和反射率分别为1550. 5nm，50%。第七传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1550. Inm, 50% ；第二光 纤光栅的中心波长和反射率分别为K50. 5nm，1%。第八传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1550. Inm,99% ；第二光 纤光栅的中心波长和反射率分别为K50. 5nm，1%。第九传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1550. lnm，；第二光纤 光栅的中心波长和反射率分别为1550. 5nm，99%。本实施例中的第一和第二光纤光栅的中心波长分别为1550. Inm和1550. 5nm ；第 一和第二光纤光栅反射率有三个不同值1 %，50 %，99 %。本实施例的传感头个数为n = mk = 32 = 9个，其中m为反射率取值个数，k为每 个传感头上光纤光栅的个数。实施例二，见图1，一种串联式光纤光栅铁路安全运行监控系统，该系统的宽带光 源1的输出接三端口耦合器的第一端口 21，三端口耦合器的第二端口 22接传感光纤光栅阵 列3，三端口耦合器的第三端口 23接可调滤波器4的一端，可调滤波器4的另一端接光电探 测器5。传感光纤光栅阵列3由第一传感头31、第二传感头32........第二十七传感头
327串联连接组成；每个传感头由三个中心波长不同的光纤光栅组成。第一传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,5% ；第二光纤 光栅的中心波长和反射率分别为1552. Onm, 5% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率分别为 1552. 2nm，5%。第二传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,45% ；第二光 纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm, 45% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率分 别为 1552. 2nm，45%。第三传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,45% ；第二光 纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm, 45% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率分 别为 1552. 2nm,80%o第四传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,45% ；第二光 纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm, 80% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率分 别为 1552. 2nm,80%o第五传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,45% ；第二光 纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm, 80% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率分 别为 1552. 2nm，45%。第六传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,80% ；第二光 纤光栅的中心波长和反射率分别为K52. Onm,45% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率分 别为 1552. 2nm，45%。第七传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,80% ；第二光 纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm, 80% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率分 别为 1552. 2nm，45%。第八传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,80% ；第二光纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm,45% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率分 别为 1552. 2nm,80%o第九传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,80% ；第二光 纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm, 80% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率分 别为 1552. 2nm,80%o第十传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,5% ；第二光纤 光栅的中心波长和反射率分别为1552. Onm, 5% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率分别为 1552. &im，45%。第^^一传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,45% ；第二 光纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm,45% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率 分别为 1552. 2nm,5%0第十二传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,45% ；第二 光纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm,80% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率 分别为 1552. 2nm,5%0第十三传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551.8nm，80% ；第二 光纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm,45% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率 分别为 1552. 2nm,5%0第十四传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551.8nm，80% ；第二 光纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm,80% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率 分别为 1552. 2nm,5%0第十五传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,5% ；第二光 纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm, 5% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率分别 为 1552. 2nm,80%o第十六传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,5% ；第二光 纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm,45% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率分 别为 1552. 2nm,5%0第十七传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,45% ；第二 光纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm, 5% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率分 别为 1552. 2nm，45%。第十八传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,45% ；第二 光纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm, 5% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率分 别为 1552. 2nm,80%o第十九传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,80% ；第二 光纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm, 5% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率分 别为 1552. 2nm，45%。第二十传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,80% ；第二 光纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm, 5% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率分 别为 1552. 2nm,80%o第二十一传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,5% ；第二光纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm,45% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率 分别为 1552. 2nm,5%0第二十二传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,45% ；第 二光纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm, 5% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率 分别为 1552. 2nm,5%0第二十三传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551.8nm，80% ；第 二光纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm, 5% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率 分别为 1552. 2nm,5%0第二十四传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,5% ；第二 光纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm,45% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率 分别为 1552. 2nm,80%o第二十五传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,5% ；第二 光纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm,80% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率 分别为 1552. 2nm,5%0第二十六传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,5% ；第二 光纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm,80% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率 分别为 1552. 2nm,45%0第二十七传感头中第一光纤光栅的中心波长和反射率分别为1551. 8nm,5% ；第二 光纤光栅的中心波长和反射率分别为巧52. Onm,80% ；第三光纤光栅的中心波长和反射率 分别为 1552. 2nm,80%o本实施例中的第一、第二和第三光纤光栅的中心波长分别为1551. 8nm、1552. Onm 和1552. 2nm ；第一和第二光纤光栅反射率有三个不同值5 %，45 %，80 %。本实施例的传感头个数为n = mk = 33 = 27个，其中m为反射率取值个数，k为每 个传感头上光纤光栅的个数。根据所需要测量的范围的大小来选择每个传感头上光纤光栅的个数以及光纤光 栅反射率的取值个数。串联式光纤光栅铁路安全运行监控系统的宽带光源1发出的光进过三端口耦合 器2进入传感光纤光栅阵列3 ；传感光纤光栅阵列3反射回来的信号进入可调滤波器4。每 个传感头上多个光纤光栅对所测点的温度进行编码，可调滤波器4的波长按火灾报警要求 设定为一定值，在正常情况下，传感头上的光纤光栅对应的波长小于可调滤波器4的滤波 波长，可调滤波器4的输出端口无光输出；当任意测量点所在的温度升高时，将该测量点引 起该测量点的k个光纤光栅的中心波长发生变化。一旦测量点环境温度达到所设的报警点 时，该测量点的k个光纤光栅的中心波长与可调滤波器设置的滤波波长相同，可调滤波器4 有光输出，光电探测器5探测到光信号。由于每个传感头所对应的k个光纤光栅的反射率 不完全相同，当轨道发生危险情况时，根据光电探测器5所接受的功率信号的多少来判断 出是哪个传感头附近发生了危险。本发明所使用的器件均为市售器件。
权利要求
1.一种串联式光纤光栅铁路安全运行监控系统，该系统的宽带光源(1)的输出接三端 口耦合器的第一端口(21)，三端口耦合器的第二端口 0 接传感光纤光栅阵列(3)，三端 口耦合器的第三端口 接可调滤波器(4)的一端，可调滤波器(4)的另一端接光电探测 器(5)；其特征在于传感光纤光栅阵列(3)由第一传感头(31)、第二传感头(3 ........第η传感头(3η)串联连接组成，η ^ 1 ；每个传感头由k个中心波长不同的光纤光栅组成，k > 2。
2.根据权利要求1所述的串联式光纤光栅铁路安全运行监控系统，其特征在于第一至第η传感头上的光纤光栅的中心波长一致，每一个传感头上k个光纤光栅的反 射率不同或相同；第一至第η传感头中，任意两个传感头中的k个光纤光栅的反射率不完全 相同。
3.根据权利要求1所述的串联式光纤光栅铁路安全运行监控系统，其特征在于每个传感头中k个光纤光栅的反射率取值个数为m个时，传感头的数量为η = mk。
全文摘要
一种串联式光纤光栅铁路安全运行监控系统，该系统的宽带光源(1)接三端口耦合器的第一端口(21)，三端口耦合器的第二端口(22)接传感光纤光栅阵列(3)，三端口耦合器的第三端口(23)接可调滤波器(4)的一端，可调滤波器(4)的另一端接光电探测器(5)。传感光纤光栅阵列(3)由第一传感头第n传感头串联连接组成，n≥1；每个传感头由k个中心波长不同的光纤光栅组成，k≥2。第一至第n传感头上光纤光栅的中心波长一致；第一至第n传感头中，任意两个传感头中k个光纤光栅的反射率不完全相同。每个传感头中k个光纤光栅的反射率取值个数为m时，传感头数量n＝mk。该系统结构简单，价格便宜，能实现长距离、大范围的监测。
文档编号B61K9/08GK102107666SQ20111000461
公开日2011年6月29日 申请日期2011年1月11日 优先权日2011年1月11日
发明者周倩, 宁提纲, 李晶, 温晓东, 胡旭东, 裴丽, 郑晶晶 申请人:北京交通大学