光纤传感道岔转换力检测方法及装置与流程

本发明涉及阻力监测技术，尤其涉及一种道岔转换的阻力或者说道岔转换力的检测方法及装置。

背景技术：

道岔是轨道交通线路变更和线路交合分离的转换设备。在道岔的工作环境中，长期的重荷载、恶劣的环境等多种因素都会造成道岔的损伤或变形。道岔的设备状态直接影响着列车的运行效率，尤其是在高速铁路中，道岔设备若发生了故障，比如道岔尖轨不密贴，而此时正好有列车高速通过，就有可能发生列车挤岔、脱轨等事故，严重影响了轨道交通运营安全。因此，轨道交通系统迫切需要研发一种实时监测系统，以便能及时地对道岔的工作状态和健康状况做出监测和预警。

对于道岔来说，道岔转换阻力或者说道岔转换力是衡量道岔能否正常转换的重要指标，对所述道岔转换力进行实时监测可以了解道岔的安装是否合理、杆件的机械强度是否满足设计要求等。铁工务函[1996]313号文《60kg/m钢轨提速道岔及转换设备铺安装维护及验收技术条件》中提到，道岔转换力与规定值的偏差过大时，转辙机将不能保证道岔的正确转换。这势必对列车的运行安全带来隐患，所以必须对道岔转换力进行监测。

在我国，一直采用人工定期监检查的方式来对道岔转换力进行监测，监测时，工务巡检工人在天窗时期利用电阻应变片式“测力销”进行检查，这种检查方式不是一种实时的监测手段，而且监测效率低，难以适应轨道交通发展高速化、密集化的运营需求。

在国外，铁路交通部门对道岔结构的在线监测十分重视。如，德国铁路道岔监测系统采用的是奥地利的roadmaster2000，其监测对象是转辙机的电流和电压、各牵引点的转换力和转换时间等，并能够同步监测信号系统和轨道电路；俄罗斯的无接触道岔自动控制器abkc用于检测尖轨密贴等转辙机状态；法国的trackandturnoutmonitoringsystem道岔检测系统属于远距离监控系统，该系统监测的数据包括电流、电压、通讯设备、轨道电路状态、转辙机监控等。在上述的在线监测系统中，对道岔转换力监测采用的是电气参数估算法，该方法是一种间接检测方法，而且这种方法只能检测到电机驱动时的信号，不能实时地反映道岔转换力，另外该方法检测的是电信号，该方法的检测精度受到传感器零点漂移、电缆电阻变化、供电电压波动以及电磁干扰等因素的影响。

光纤传感技术、特别是光纤bragg光栅(fbg)传感检测技术具备良好的抗电磁干扰能力，该技术还具备所采用的装置体积小、结构设计灵活、封装工艺易于操作、可实现长期在线监测等特点，这些优点为解决目前道岔转换力监测问题提供了有效的解决途径。但是，将一项新技术和新方法引入到道岔转换力的监测中，新方法所采用的敏感元件(光纤光栅)布局于何处？怎样研制新方法所需的传感器，使其具备传感性能好、便于安装和护养？这是在实际的工程应用中需要解决的关键问题。

针对上述问题，专利201310224667.5提出一种铁路道岔转辙机锁闭杆应力增敏的光纤光栅动态监测方法及装置，所述方法是在道岔转辙机锁闭杆上安装光纤光栅应变传感器，通过光纤光栅应变传感器检测转辙机动作时作用在锁闭杆上的转换力，以实现道岔转换力的实时监测。但事实上，转辙机锁闭杆不是标准件，转辙机锁闭杆的界面有圆形、方形等结构形式，导致光纤光栅应变传感器不能被制作成标准件，使得所述方法不便于推广应用；另外，所述专利中是通过增加传感器安装臂长度来实现增敏的目的，而锁闭杆长度毕竟有限，因此所述方法在工程实施过程中极易造成安装和维护的不便。

技术实现要素：

为了解决现有技术不能准确监测道岔转换力的技术问题，本发明提出了一种光纤传感道岔转换力检测方法及装置。

为了实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种光纤传感道岔转换力检测方法，以转辙机动作杆连接用的销轴为检测对象，所述方法包括步骤:

a)确定需要检测的销轴，所述销轴的个数为n个；

b)在线检测所述销轴所受应变；

c)建立应变与转换力之间的关系；

d)监测转换力状态；

e)建立转换力的监测数据库，监测数据分析与处理，

其中，步骤b)中，在每个所述销轴上敷设以光纤光栅作为敏感元件的2个光纤光栅传感器，以构成光纤光栅传感器串，所述2个光纤光栅传感器所受应变方向相反，且处于同一温度场中，从而形成差分式应变检测结构。

进一步的，以半导体光放大器及可调谐法布里-珀罗窄带滤波器构成一个环形的光纤布拉格光栅波长扫描器，所述波长扫描器输出周期性的线光源，所述线光源输出的光信号经1×n光分路器形成n路光信号，分别一一对应地进入n个销轴上的光纤光栅传感器串，所述光信号传送到销轴上形成反射传感信号，光纤光栅传感器串将反射传感信号经环形器送达探测器，探测器接收实时的扫描信号后经模拟信号/数字信号转换器转换为数字信号，以供后续处理单元处理，所述可调谐法布里-珀罗窄带滤波器连续循环动作，使探测器可接收到实时的扫描信号，从而实现实时的传感检测。

进一步的，在步骤c)中，销轴受到转换力产生应变，光纤光栅传感器串在销轴产生应变的前后监测到的传感光信号的波长会发生变化，以此建立波长变化与销轴受到的转换力之间的映射关系。

进一步的，在步骤d)中，光纤光栅传感器串检测到的传感光信号由光纤引出通过光纤接续盒被传送至解调单元，解调单元将传感光信号转换为包含所述光信号波长信息的电数字信号并传送至数据处理单元，数据处理单元根据步骤c)中所建立的关系对电数字信号进行分析和处理，把每个光纤光栅传感器通过其光栅所在的通路序号和波长序号进行识别，利用波长变化与销轴受到的转换力之间的映射关系，提取每个销轴受到的转换力的信息从而得到销轴受到的转换力的检测数据，并将所述检测数据传送至输入/输出控制单元，以实现对道岔转辙机的状态的实时监测。

进一步的，通过步骤e)建立转辙机转换力的监测数据库，分析并建立转辙机转换过程中转换力正常变化的标准，分析并建立转辙机不同工况、不同故障条件下转换力的特点，形成转辙机状态监测的专家诊断系统。

进一步的，所述不同工况包括：定位操反位、反位操定位；所述不同故障包括：转换力超限、转换超时、尖轨未密贴。

一种光纤传感道岔转换力检测装置，用于检测转辙机动作杆连接用的销轴，所述光纤传感道岔转换力检测装置包括顺次连接的光源装置、n个光纤光栅传感器串、光纤接续盒、解调单元、数据处理单元和输入/输出控制单元，其中，

n为所述销轴的个数，在每个所述销轴上敷设有以光纤光栅作为敏感元件的2个光纤光栅传感器，以构成所述光纤光栅传感器串，所述2个光纤光栅传感器所受应变方向相反，且处于同一温度场中，从而形成差分式应变检测结构。

进一步的，所述光源装置包括光纤布拉格光栅波长扫描器，1×n光分路器，其中，由可调谐法布里-珀罗窄带滤波器、光隔离器、半导体光放大器、第二个光隔离器及光耦合器通过光纤耦合连接构成环形的光纤布拉格光栅波长扫描器；1×n光分路器与所述光耦合器通过光纤耦合连接，且所述光分路器通过光纤连接至n个光纤光栅传感器串。

进一步的，各光纤光栅传感器串引出光纤并汇集于光纤接续盒中，光纤传感道岔转换力检测装置利用“波分复用”组网方法，将多个光纤光栅传感器串组网复用于1根光纤上，并将这1光纤接入到解调单元的解调通路中。

进一步的，解调单元接入多路光纤，利用空分复用技术组成光纤传感网络，解调单元中对于每路光纤均有对应的检测单元。

进一步的，输入/输出控制单元具备销轴的监测数据的查询和显示、销轴状态信息的发送与传输功能。

本发明采用了光纤光栅传感技术制作了道岔转换力销轴传感器，能够在线地检测销轴所受应变的变化，有助于掌握道岔转换力的变化规律，从而及时地掌握道岔转辙机的安全状态，为其安全管理和护养提供服务，本发明具有长期稳定性好、抗干扰能力强、可靠性高、多点检测、测量准确、耐腐蚀、不受环境温度变化影响等优点，可实现在恶劣检测条件下长期在线监测。

本发明选用连接动作杆的销轴作为监测对象，进行光纤传感智能化改造，在全国范围内的道岔转辙机中，该销轴主要有2种结构尺寸，φ22mm和φ25mm，因此易形成标准化的传感检测产品，便于工程应用推广。

本发明的光纤光栅销轴传感器结构简单，其安装方式与普通销轴安装方式相同，直接插入连接孔中即可，安装护养简单方便。

本发明中光纤光栅销轴传感器利用单根光纤内光栅波分复用和多路传感光纤空分复用技术组网，传感网络内所有传感器可共用一个解调单元，能有效的降低监测系统的经济成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为光纤传感道岔转换力检测方法及装置实施的系统结构图；

图2为传感信号实时解调实施的原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明的光纤传感道岔转换力检测方法采用了光纤光栅传感技术，可用于但不限于转辙机动作杆连接用的销轴的阻力监测，由于所述动作杆直接参与扳动道岔，所以在道岔动作过程中，转辙机动作杆连接用的销轴的所受应变与道岔转换力直接相关，从而通过检测所述销轴的所受应变，即可测出道岔转换力。

本发明的光纤传感道岔转换力检测方法包括如下步骤：

a)以转辙机动作杆连接用的n个销轴作为检测对象；

b)实时在线地检测销轴所受应变的变化；

c)建立销轴应变与道岔转换力之间的关系；

d)实时监测道岔转换力状态；

e)根据监测数据建立转换力的监测数据库，对监测数据进行分析与处理。

其中，参考图1和图2，

1、在步骤b)中包括步骤：

1)在与转辙机动作杆连接的销轴上敷设光纤光栅作为敏感元件，以形成销轴上的光纤光栅传感器串，其中，每个销轴上敷设有2个光纤光栅传感器2构成了所述光纤光栅传感器串，所述2个光纤光栅传感器2所受应变方向相反，且处于同一温度场中，从而形成差分式应变检测结构；

2)以光纤光栅传感器串实时在线地检测销轴所受应变的变化，其中，实时在线检测是通过下述过程实现：以半导体光放大器(soa)及可调谐法布里-珀罗(f-p)窄带滤波器构成一个环形的光纤布拉格光栅(fbg)波长扫描器，所述波长扫描器输出周期性的线光源，所述线光源输出的光信号经1×n光分路器形成n路光信号，分别一一对应地进入n个销轴上的光纤光栅传感器串，所述光信号传送到销轴上形成反射传感信号，光纤光栅传感器串将反射传感信号经环形器送达探测器，探测器接收实时的扫描信号后经模拟信号/数字信号(a/d)转换器转换为数字信号，以供后续处理单元使用。所述可调谐f-p窄带滤波器连续循环动作，使探测器可接收到实时的扫描信号，从而实现实时的传感检测，其中，所述线光源亦可采用其它技术方案和原理制成。

2、步骤c)中，建立销轴应变与道岔转换力之间的关系通过下述过程建立：道岔受到转换力，则销轴相应的产生应变，光纤光栅传感器串在所述应变的前后监测到的传感光信号的波长会发生变化，以此建立所述波长变化与转换力之间的映射关系。

3、步骤d)中所述监测是通过下述过程实现：光纤光栅传感器串检测到的传感光信号由光纤引出通过光纤接续盒3被传送至解调单元4，解调单元4将传感光信号转换为包含所述光信号波长信息的电数字信号并传送至数据处理单元5，数据处理单元5根据步骤c)中所建立的关系对电数字信号进行分析和处理，把每个光纤光栅传感器2通过其光栅所在的通路序号和波长序号进行识别，利用波长变化与转换力之间的映射关系，提取每个转辙机的转换力信息得到道岔转换力的检测数据，并将所述检测数据通过通信接口传送至输入/输出控制单元6，以实现对道岔转换力状态的实时监测。

4、通过步骤e)建立转辙机转换力的监测数据库，分析并建立转辙机转换过程中转换力正常变化的标准，分析并建立转辙机不同工况(如定位操反位、反位操定位)、不同故障(如转换力超限、转换超时、尖轨未密贴)条件下转换力的特点，形成转辙机状态监测的专家诊断系统。

本发明的光纤传感道岔转换力检测装置，包括：光源装置1、光纤光栅传感器2、光纤接续盒3、解调单元4、数据处理单元5和输入/输出控制单元6。

其中，

i.光源装置1包括：fbg波长扫描器和1×n光分路器，其中，由可调谐法f-p窄带滤波器、光隔离器、soa、第二个光隔离器及光耦合器通过光纤耦合连接构成环形的fbg波长扫描器；1×n光分路器与所述光耦合器通过光纤耦合连接，且所述光分路器连接至n个光纤光栅传感器串；

ii.每个被检测对象如销轴上敷设有以光纤光栅作为敏感元件的2个光纤光栅传感器，以构成所述光纤光栅传感器串，所述2个光纤光栅传感器所受应变方向相反，且处于同一温度场中，从而形成差分式应变检测结构；

iii.光纤光栅传感器串引出光纤将汇集于光纤接续盒3中，光纤传感道岔转换力检测装置利用“波分复用”组网方法，将多个光纤光栅传感器串组网复用于1根光纤上，并将这1光纤接入到解调单元4的解调通路中，有效的降低监测系统的经济成本，其中，解调单元包括光源、光探测器、波长扫描查询单元等主要单元；

iv.解调单元4可接入多路光纤，利用空分复用技术组成光纤传感网络，解调单元4中对于每路光纤均有对应的检测单元，将光信号转换为包含光信号波长数据信息的电信号，所有检测单元可同时地循环扫描查询光纤光栅传感器串所感测的光信号，进而实现传感网络中所有传感器实时在线监测；

v.输入/输出控制单元6具备转辙机监测数据的查询和显示、转辙机状态信息的发送与传输等功能。

由于在全国范围内的道岔转辙机中，销轴主要有2种结构尺寸，φ22mm和φ25mm，因此本发明的光纤传感道岔转换力检测装置易形成标准化的传感检测产品，便于工程应用推广，且本发明的光纤光栅传感器结构简单，其安装方式与普通销轴安装方式相同，直接插入连接孔中即可，安装护养简单方便。

本发明的检测装置具有长期稳定性好、抗干扰能力强、可靠性高、多点检测、测量准确、耐腐蚀、不受环境温度变化影响等优点，可实现在恶劣检测条件下长期在线监测。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。