基于光纤光栅传感器地铁低频振动测试设备及其测试方法
【专利摘要】一种基于光纤光栅传感器地铁低频振动测试设备，包括光纤光栅传感器组、光纤光栅解调仪和监控主机，所述光纤光栅传感器组包括光纤光栅加速度传感器和温度传感器，所述光纤光栅传感器组分别安装在地铁的钢轨、轨道板及衬砌处，所述光纤光栅传感器组与通信光缆一端连接，所述通信光缆另一端连接至光分路盒，所述光分路盒通过多芯光缆与光纤光栅解调仪相连，所述光纤光栅解调仪通过无线网络或网络数据线连接至监控主机。以及提供一种基于光纤光栅传感器的地铁低频振动测试方法。本发明结构紧凑、稳定性好、灵敏度高、抗电磁干扰、环境适应能力强。
【专利说明】基于光纤光栅传感器地铁低频振动测试设备及其测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及基础设施结构安全健康监测领域，具体而言是地铁低频振动测试设备及其测试方法。
【背景技术】
[0002]随着我国城市化进程不断加快，城市人口越来越多，这给城市交通带来了巨大的压力，地铁因其快速、便捷、载客量大的优势而应运得到推广应用。目前各大城市都在大力建设地铁，根据轨道交通中长期发展规划，十二五期间，将建设2500公里的轨道交通线路，十三五期间将建设3000公里，到十三五末，全国轨道交通运营里程将达到7000公里，然而目前国内地铁建设多呈现“重建不重养”的现状，尤其在我国地铁建设尚属发展中阶段，这会给地铁的日后运营及周围建筑的稳定埋下安全隐患。
[0003]现代地铁隧道数量多、相互交叉以及高密集等特点对地铁施工提出了严格的要求，现代轨道交通运营速度不断提高，地铁对轨道的动力作用越来越大，这又对轨道行车安全提出了更高的要求。由于地铁运营而引起的地铁隧道各部结构及周围环境的振动是一种低频振动，这种低频振动对地铁沿线的植被及附近居民的健康有一定影响，不仅如此，低频振动对建构筑物也是有相当影响的。有学者指出杭州市湘湖站地铁站塌方事故很可能就是由于周围汽车所引起地基低频振动所致，因建构筑物质量较大，固有频率较低，因此在低频振动影响下易发生共振而产生工程事故。因此，对地铁运营过程中所引起的低频振动的检测研究相当重要。
[0004]目前对于地铁的监测多以变形监测为主，采用全站仪、水准测量、收敛量测等方法，而对于地铁运营期间地铁振动测试的案例则比较少，因此有必要开发一套对地铁低频振动的测试设备。本发明正是基于这一目的，采用光纤光栅传感技术测得地铁隧道各部的振动加速度情况，进而可以得知整个地铁隧道的振动情况。
【发明内容】
[0005]为了克服已有地铁低频振动测试设备的结构复杂、稳定性较差、灵敏度较低、无法抗电磁干扰、环境适应性较差的不足，本发明提供了一种结构紧凑、稳定性好、灵敏度高、抗电磁干扰、环境适应能力强的基于光纤光栅传感器地铁低频振动测试设备及其测试方法。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]—种基于光纤光栅传感器地铁低频振动测试设备，包括光纤光栅传感器组、光纤光栅解调仪和监控主机，所述光纤光栅传感器组包括光纤光栅加速度传感器和温度传感器，所述光纤光栅传感器组分别安装在地铁的钢轨、轨道板及衬砌处，所述光纤光栅传感器与通信光缆一端连接，所述通信光缆另一端连接至光分路盒，所述光分路盒通过多芯光缆与光纤光栅解调仪相连，所述光纤光栅解调仪通过无线网络或网络数据线连接至监控主机；所述监控主机包括:
[0008]光信息采集模块，用于将每个采样时间点的各通道反射光信息加以采集并存储；
[0009]光谱图处理模块，用于将每个通道的光反射率及波长信息绘制于一张光谱图上；
[0010]波长图处理模块，用于基于每一通道各个时间点的波长信息，采用高斯拟合法将每一通道的波长随时间变化绘制于波长图上；
[0011]低频振动测量模块，用于将所测波长按加速度传感器配置参数换算成加速度，即得到所测地铁钢轨、轨道板及衬砌处的加速度随时间变化的加速度图。
[0012]进一步，所述地铁振动测试设备具有多个光纤光栅传感器组，各光纤光栅传感器通过熔接与各支路光纤相连，各支路光纤再与光分路盒相连。
[0013]再进一步，所述光纤光栅加速器传感器包括加速度检测质量块、弹性支撑体及光纤光栅，所述加速度检测质量块、弹性支撑体及光纤光栅集成封装为一体。
[0014]更进一步，所述光纤光栅解调仪包括电源指示灯、工作状态指示、FC/APC光接口、电源开关、风扇出口、串口、以太网数据接口和外部电源输入口。
[0015]一种地铁低频振动测试方法，所述测试方法包括如下步骤:
[0016](I)光纤光栅传感器组分别安装在地铁的钢轨、轨道板及衬砌处；
[0017](2)将各光纤光栅传感器组与传输光纤连接好并连至光纤光栅解调仪，接通外接电源并开启光纤光栅解调仪电源开关，光纤光栅解调仪发射光波经传输光纤传至光纤光栅传感器处，反射光又经传输光纤传送至光纤光栅解调仪处，光纤光栅解调仪将各传感器的反射光进行解调；
[0018](3)实时将每个采样时间点的各通道反射光信息加以采集并存储；
[0019](4)将每个通道的光反射率及波长信息绘制于一张光谱图上；
[0020](5)基于每一通道各个时间点的波长信息，采用高斯拟合法将每一通道的波长随时间变化绘制于波长图上；
[0021](6)将所测波长按加速度传感器配置参数换算成加速度，即得到所测地铁各部加速度随时间变化的加速度图。
[0022]本发明中，基于光纤光栅传感器实现地铁低频振动测试，光纤光栅传感器的原理是利用光栅对应变有线性的波长变化的效应，将传感器内质量块惯性力通过机械原理传递给光栅，使其产生应变，从而引起光纤光栅反射波长的漂移，进而利用波长的变化量测加速度。光纤光栅传感器具有结构紧凑，精确度高，抗电磁干扰，场地适应性强的特性，且能实现多点位同时监测的特性，应用前景大。
[0023]本发明的有益效果主要表现在:(I)与传统传感技术相比，本地铁低频振动测试设备具有结构紧凑、稳定性好、灵敏度高、抗电磁干扰、环境适应能力强等优点；(2)本地铁低频振动测试设备通过特制的光纤光栅加速度传感器可实现对地铁隧道各部低频振动进行检测；(3)本地铁低频振动测试设备光纤光栅传感器与光纤光栅解调仪之间用传输光纤连接，这样所述传感器与解调仪分离，可实现远端测试；(4)本地铁低频振动测试装备通过波分、空分和时分复用等方式对地铁隧道进行多点位实时监测，可以全天候、长时间的测试地铁铁轨、轨道板和衬砌的振动状况。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为地铁振动测试设备的结构示意图。
[0025]图2为图1中光纤光栅传感器组及其与光分路盒连接线路示意图。
[0026]图3为相位模板法制作光纤光栅不意图
[0027]图4为光纤光栅解调仪前面板结构示意图。
[0028]图5为光纤光栅解调仪后面板结构示意图。
[0029]图6地铁振动测试设备的使用方法示意图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0031]参照图1?图6,—种地铁低频振动测试设备,包括光纤光栅传感器组、光纤光栅解调仪4和监控主机5，所述光纤光栅传感器组包括光纤光栅加速度传感器I和温度传感器2，所述光纤光栅传感器组分别安装在地铁的钢轨、轨道板及衬砌处，所述光纤光栅传感器组与通信光缆一端连接，所述通信光缆另一端连接至光分路盒3，所述光分路盒3通过多芯光缆与光纤光栅解调仪4相连，所述光纤光栅解调仪4通过无线网络或网络数据线连接至监控主机5，所述监控主机包括:
[0032]光信息采集模块，用于将每个采样时间点的各通道反射光信息加以采集并存储；
[0033]光谱图处理模块，用于将每个通道的光反射率及波长信息绘制于一张光谱图上；
[0034]波长图处理模块，用于基于每一通道各个时间点的波长信息，采用高斯拟合法将每一通道的波长随时间变化绘制于波长图上；
[0035]低频振动测量模块，用于将所测波长按加速度传感器配置参数换算成加速度，即得到所测地铁钢轨、轨道板及衬砌处的加速度随时间变化的加速度图。
[0036]进一步，所述地铁振动测试设备具有多个光纤光栅传感器组，各光纤光栅传感器通过熔接与各支路光纤相连，各支路光纤再与光分路盒相连。
[0037]再进一步，所述光纤光栅加速器传感器I包括加速度检测质量块、弹性支撑体及光纤光栅，所述加速度检测质量块、弹性支撑体及光纤光栅集成封装为一体。
[0038]更进一步，所述光纤光栅解调仪4包括电源指示灯、工作状态指示、FC/APC光接口、电源开关、风扇出口、串口、以太网数据接口和外部电源输入口。
[0039]如图1所示，地铁振动测试设备包括:光纤光栅加速度传感器I共6个、温度传感器2、一分八光分路盒3、光纤光栅解调仪4和监控主机5，其中光纤光栅加速度传感器分别固定于钢轨A的底部、轨道板B上及衬砌C上，光纤光栅温度传感器安装在衬砌壁上，其中钢轨底部的传感器用环氧胶与钢轨粘合，轨道板及衬砌壁上的传感器则用膨胀螺丝固定，用以测试钢轨、轨道板及衬砌壁的振动加速度。一分八光分路盒，其通过各支路通信光缆将来自光纤光栅解调仪4的入射光传到各光纤光栅传感器上，并将来自光线光栅传感器的反射光汇集并传送至光纤光栅解调仪处。光纤光栅解调仪4通过传输光纤及光分路盒3连接至光纤光栅加速度传感器I及光纤光栅温度传感器2处，并解调光纤光栅传感器产生的波长传感信号，监控主机5通过网络数据线接收来至光纤光栅解调仪4的解调数据，并基于该数据分析地铁振动响应状况，实现对地铁安全健康的监控。
[0040]图2为图1实施例中光纤光栅传感器组及其与光分路盒连接线路示意图。如图2所示，光纤光栅加速度传感I共6个，分别两两对称布置于钢轨底部、轨道板和衬砌壁上，用以量测钢轨、轨道板和衬砌壁的振动加速度；光纤光栅温度传感器I个，布置于衬砌壁上。
[0041]图3为相位模板法制作光纤光栅示意图，该法通过使用紫外光i照射相位模板j，根据相位模板j的周期的不同可以刻出不同波长的光纤光栅，相位模板利用电子光束I级衍射光(I和η)干涉形成的周期性的明暗条纹对载氢光纤进行曝光而得到光纤光栅，此法不依赖入射光波长，只与相位模板的周期有关，大大简化了光纤光栅的制作过程，降低了对写入条件的限制，利用该光学器件可以重复稳定地制作优质的光纤光栅。因为光纤通常只需直接放置在相位模板后的紫外光近场衍射中，所以可以减小对机械振动的敏感和不稳定的问题。制成的光纤光栅具有以下优点:高反射率，光纤光栅反射率越高，则信号在光缆中传输的距离越远，传感器的连接数量则越多；高边模抑制比及窄带宽，光纤光栅边模抑制比和带宽影响系统的信噪比，边摸抑制比越高，带宽越窄，则系统的信噪比越高，抗外界环境的干扰能力越强。
[0042]进一步，每个传感器与通信光缆相熔接，传输光纤外用PVC套管d进行保护固定，各支路通信光缆最后汇集于光分路盒3处，最后经由多芯主光缆线连接至光纤光栅解调仪处。
[0043]图4和图5为所述光纤光栅解调仪前、后面板示意图，其特征在于它包括:
[0044]电源指示灯a:指示当前解调仪通电状况，通电时亮，断电时熄灭；
[0045]工作状态指示灯b:
[0046]FC/APC光接口 c:有多个接口，与传输主光缆相连，且一个接口可同时连接多个光纤光栅传感器，同时接收所述多个光纤光栅传感器的信号；
[0047]电源开关d:控制光纤光栅解调仪的通电状况；
[0048]风扇出口 e:便于光线光栅解调仪内部空气与外部对流，防止因仪器内部过热而发生故障；
[0049]串口 f:供仪器调试之用；
[0050]以太网数据接口 g:通过网络数据线与监控主机相连，实现将解调仪的解调数据传输至监控主机；
[0051]外部电源输入口 h:与外接电源相连，为光纤光栅解调仪供电。
[0052]本实施例中，光纤光栅解调仪4具有内部光源，该内部光源发出探射光入射至测试区的光纤光栅传感器处。光纤光栅加速度传感器内置有一质量块，光纤光栅与质量块相连，质量块受外界振动产生的惯性力作用在光纤光栅上，使光线光栅产生应变从而导致中心反射波长的变化，通过检测波长的漂移量实现加速度的测量；光纤光栅温度传感器2则是利用光纤光栅反射波长对温度敏感特性进行温度监测，通过传输光缆把波长信息传输至光纤光栅解调仪4处。
[0053]光纤光栅解调仪4接收来自光纤光栅传感器的反射光波，并将该反射光波进行解调分析，最后解调数据经由网络数据线传送至监控主机5，监控主机上装有软件将该解调数据进行处理并加以保存，以供分析地铁振动状况分析及地铁运行安全性评价之用。
[0054]根据地铁轨道实际类型及测试需要，来确定光纤光栅传感器的使用数目，可以时分、空分和波分复用等方式扩展光纤光栅传感器的数量，从而形成分布式的光纤光栅传感器网络，实现地铁振动多点位测试。
[0055]图6为地铁低频振动测试设备的使用方法示意图。该法利用光纤光栅加速度传感器I感应的地铁铁轨、轨道板及衬砌的振动情况，并利用光纤光栅温度传感器2感应的实时温度状况。且光纤光栅加速度传感器及光纤光栅温度传感器的反射波长分别与加速度和温度有良好的对应关系，当铁轨、轨道板、衬砌的振动加速度变化时，测试点的光纤光栅加速度传感器的布拉格波长也会随之变化；对应的，若测试区温度发生变化时，则光纤光栅温度传感器2的布拉格波长也会随之变化。上述各传感器的反射的波长变化信号通过传输光纤传送至光纤光栅解调仪4进行解调识别，解调数据再经由网络数据线传送至监控主机5，监控主机5安有监测软件，可将光纤光栅解调仪4传送过来的实时解调数据进行分析存档，供分析地铁振动响应情况及运营安全评价之用。
[0056]一种地铁低频振动测试方法，所述测试方法包括如下步骤:
[0057](I)光纤光栅传感器组分别安装在地铁的钢轨、轨道板及衬砌处；
[0058](2)将各光纤光栅传感器组与传输光纤连接好并连至光纤光栅解调仪，接通外接电源并开启光纤光栅解调仪电源开关，光纤光栅解调仪发射光波经传输光纤传至光纤光栅传感器处，反射光又经传输光纤传送至光纤光栅解调仪处，光纤光栅解调仪将各传感器的反射光进行解调；
[0059](3)实时将每个采样时间点的各通道反射光信息加以采集并存储；
[0060](4)将每个通道的光反射率及波长信息绘制于一张光谱图上；
[0061](5)基于每一通道各个时间点的波长信息，采用高斯拟合法将每一通道的波长随时间变化绘制于波长图上；
[0062](6)将所测波长按加速度传感器配置参数换算成加速度，即得到所测地铁各部加速度随时间变化的加速度图。
[0063]在进行测试之前，进行调试:观察各通道光谱，分析光谱质量，可以以此检查光路、传感器状态是否良好，是否存在光功率饱和、衰减过大，光链路有折断，弯曲过大等。
[0064]综上所述，本发明的方案适用于地铁的建设、运营及维护，利用安装在铁轨、轨道板及衬砌上的光纤光栅加速度传感器，可以对铁轨、轨道板及衬砌的低频振动进行实时监测，以实现对地铁的运营状况进行监测。本发明采用光纤光栅传感技术，并利用通信传输光缆传输信号，具有结构紧凑，精确度高，抗电磁干扰，场地适应性强等优势。且光纤光栅传感器与光纤光栅解调仪分离安装，可以实现远端监测。同时，本发明可实现对地铁隧道多点位进行同时监测，可形成地铁振动状况监测网，应用前景良好。本发明以较佳实施例公开如上，但并不用以限定本发明的保护范围。由于低频振动在生活中广泛存在，大多数建构筑物的低频振动测试均可采用本发明，或对本发明稍加润饰和改动再加以应用。本发明的保护范围应以权利要求书为准。
【权利要求】
1.一种基于光纤光栅传感器地铁低频振动测试设备，其特征在于:包括光纤光栅传感器组、光纤光栅解调仪和监控主机，所述光纤光栅传感器组包括光纤光栅加速度传感器和温度传感器，所述光纤光栅传感器组分别安装在地铁的钢轨、轨道板及衬砌处，所述光纤光栅传感器组与通信光缆一端连接，所述通信光缆另一端连接至光分路盒，所述光分路盒通过多芯光缆与光纤光栅解调仪相连，所述光纤光栅解调仪通过无线网络或网络数据线连接至监控主机；所述监控主机包括: 光信息采集模块，用于将每个采样时间点的各通道反射光信息加以采集并存储； 光谱图处理模块，用于将每个通道的光反射率及波长信息绘制于一张光谱图上； 波长图处理模块，用于基于每一通道各个时间点的波长信息，采用高斯拟合法将每一通道的波长随时间变化绘制于波长图上； 低频振动测量模块，用于将所测波长按加速度传感器配置参数换算成加速度，即得到所测地铁钢轨、轨道板及衬砌处的加速度随时间变化的加速度图。
2.如权利要求1所述的地铁低频振动测试设备，其特征在于:所述地铁振动测试设备具有多个光纤光栅传感器组，各光纤光栅传感器通过熔接与各支路光纤相连，各支路光纤再与光分路盒相连。
3.如权利要求1或2所述的地铁低频振动测试设备，其特征在于:所述光纤光栅加速器传感器包括加速度检测质量块、弹性支撑体及光纤光栅，所述加速度检测质量块、弹性支撑体及光纤光栅集成封装为一体。
4.如权利要求1或2所述的地铁低频振动测试设备，其特征在于:所述光纤光栅解调仪包括电源指示灯、工作状态指示、FC/APC光接口、电源开关、风扇出口、串口、以太网数据接口和外部电源输入口。
5.一种如权利要求1所述的地铁低频振动测试设备实现的测试方法，其特征在于:所述测试方法包括如下步骤: (1)光纤光栅传感器组分别安装在地铁的钢轨、轨道板及衬砌处； (2)将各光纤光栅传感器与传输光纤连接好并连至光纤光栅解调仪，接通外接电源并开启光纤光栅解调仪电源开关，光纤光栅解调仪发射光波经传输光纤传至光纤光栅传感器处，反射光又经传输光纤传送至光纤光栅解调仪处，光纤光栅解调仪将各传感器的反射光进行解调； (3)实时将每个采样时间点的各通道反射光信息加以采集并存储； (4)将每个通道的光反射率及波长信息绘制于一张光谱图上； (5)基于每一通道各个时间点的波长信息，采用高斯拟合法将每一通道的波长随时间变化绘制于波长图上； (6)将所测波长按加速度传感器配置参数换算成加速度，即得到所测地铁各部加速度随时间变化的加速度图。
【文档编号】G01H9/00GK104374465SQ201410658466
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】丁智, 王永安, 魏新江, 李钢, 陈方敏 申请人:浙江大学城市学院, 浙江煤炭测绘院