專利名稱：基于匹配光纖光柵的高速鐵路計軸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在鐵路信號領(lǐng)域利用匹配光纖光柵實現(xiàn)對鐵軌溫度應(yīng)變以及列車軸
數(shù)、軸重、運行速度監(jiān)測的技術(shù)。
背景技術(shù)：
光纖光柵(或稱光纖布喇格光柵，F(xiàn)iber Bragg Grating-FBG)是目前光纖傳感領(lǐng)域研究和應(yīng)用的一大熱點。光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾，精度高，有效使用壽命長，波長編碼復(fù)用能力強等優(yōu)點，近年來在傳感領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。 基于光纖光柵傳感器的基本原理，當(dāng)寬帶光在光纖布拉格光柵中傳輸時，一部分光被反射，另一部分光透過，由模式耦合理論可知反射譜的中心波長入e為光柵周期A和光柵纖芯有效折射率rwf的函數(shù)。當(dāng)溫度改變時，熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)分別引起光柵周期A與纖芯有效折射率rwf的變化；當(dāng)光柵所受軸向應(yīng)變發(fā)生變化時，應(yīng)變和彈光效應(yīng)分別引起光柵周期A與纖芯有效折射率r^f變化的變化。通過對光纖光柵中心反射波長的監(jiān)測，就可以獲得光柵所處局部環(huán)境溫度與光柵所受軸向應(yīng)變的信息?；诖嗽砭涂梢蚤_發(fā)出精度非常高的傳感器。 在軌道交通中鐵軌受到列車車輪壓力后，由于兩端被枕木或卡座支撐，在鐵軌的下方產(chǎn)生拉應(yīng)力，在上方產(chǎn)生壓應(yīng)力，在截面上產(chǎn)生剪應(yīng)力。鋼軌相當(dāng)于簡支梁，其模型如圖2所示。鐵軌局部應(yīng)變與列車軸重、鐵軌的楊氏模量等參數(shù)有關(guān)。傳統(tǒng)的鐵路計軸裝置使用電傳感器來獲得軸數(shù)等信息。電傳感器易受現(xiàn)場惡劣環(huán)境的影響一直困擾著鐵路運輸?shù)陌踩Ｊ褂媒?jīng)過封裝的光纖光柵代替電傳感器具有可靠性高，有效使用壽命長，高電磁兼容性的優(yōu)點。 對于使用光纖光柵的傳感裝置來講，目前核心的技術(shù)是解調(diào)技術(shù)，同時也占據(jù)了整個裝置成本的絕大分量。使用波長掃描解調(diào)方法是目前的光纖光柵傳感器的主流解調(diào)技術(shù)。但波長掃描法的成本偏高，制約了光纖光柵傳感系統(tǒng)的大規(guī)模推廣應(yīng)用，而且基于波長掃描的解調(diào)系統(tǒng)其掃描速度受機械部件性能的制約。目前已經(jīng)有基于波長掃描的光纖光柵計軸裝置，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本偏高，掃描速度也較低，無法滿足高速鐵路的需求。
從總的來講，光纖傳感型的計軸裝置可以克服傳統(tǒng)電傳感計軸器的缺點，保障列車行車安全。但解調(diào)裝置的復(fù)雜性和昂貴價格大大制約了其在軌道交通中的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的昂貴成本和復(fù)雜結(jié)構(gòu)等缺點，本發(fā)明的目的是設(shè)計一種低成本而且實用的光纖光柵傳感型高速鐵路計軸裝置。本發(fā)明的目的是通過如下的手段實現(xiàn)的
基于匹配光纖光柵的高速鐵路計軸裝置，用于對駛過列車進(jìn)行計軸，由傳感部分和控制分析部分所組成，其中傳感部分包括激光光源101、光環(huán)行器102、光隔離單元104和106、光電接收模塊105和108、及一反射譜匹配光纖光柵對；所述反射譜匹配光纖光柵對由一貼合在鐵軌上的傳感光柵103和設(shè)置在所述傳感光柵附近的一參考光柵107組成；光源輸出的激光經(jīng)光環(huán)行器102進(jìn)入匹配光纖光柵對中的傳感光柵103，反射回的光分別經(jīng)光隔離單元104進(jìn)入光電接收模塊105實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換及經(jīng)106入?yún)⒖脊鈻?07 ;由參考光柵107反射回來的光經(jīng)光隔離單元106進(jìn)入光電接收單元108進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；兩個光電接收單元轉(zhuǎn)換后的電信號方式進(jìn)入控制分析單元經(jīng)歸一化參量推算出列車在鐵軌產(chǎn)生應(yīng)變以及對應(yīng)的列車軸數(shù)和軸重。
如下 圖1為目前市場化的光纖光柵傳感設(shè)備典型裝置示意圖。
圖2為本發(fā)明采用光環(huán)行器的匹配光柵傳感裝置原理圖。
圖3為本發(fā)明現(xiàn)場布置示意圖。
圖4為本發(fā)明光纖光學(xué)原理示意圖。 圖5為本發(fā)明進(jìn)一步與無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)合測量大范圍鐵軌溫度應(yīng)變或?qū)^(qū)間內(nèi)列車定位的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6為以光纖鏈路連接若干本發(fā)明構(gòu)成的單元測量大范圍鐵軌溫度應(yīng)變或?qū)^(qū)間內(nèi)列車定位的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。 圖2是本發(fā)明的一個典型原理圖，由SLED或FP激光器組成的光源101發(fā)射出連續(xù)激光束。 一般SLED激光器的譜寬在30 80nm， FP激光器的譜寬在2 4nm，而光纖光柵的反射譜帶寬一般為0. 2 0. 5nm，可以認(rèn)為光源的譜寬遠(yuǎn)大于光纖光柵反射譜。通過選擇合適的光纖光柵可以使光柵的反射譜主瓣始終落在光源光譜內(nèi)，輸出的激光經(jīng)光環(huán)行器102進(jìn)入匹配光纖光柵對中的第一個光柵103，反射回的光再經(jīng)光隔離單元104、 106分別進(jìn)入光電接收模塊105實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和第二個光柵107。由第二個光柵反射回來的光經(jīng)光隔離單元106進(jìn)入光電接收單元108進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。光隔離單元可以是光隔離器或光環(huán)行器。圖3是本發(fā)明的實施的一個典型裝置圖，由光源201發(fā)出的寬譜連續(xù)光經(jīng)光纖接線盒202進(jìn)入匹配光纖光柵對203、204，反射光進(jìn)入光電接受模塊205。轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)過信號調(diào)理模塊206進(jìn)行放大、濾波后由A/D轉(zhuǎn)換模塊207變?yōu)閿?shù)字信號再交給下位機208，將兩個光電轉(zhuǎn)換單元輸出的信號進(jìn)行歸一化運算。最后通過傳給上位機209進(jìn)行過軸檢測和顯示。 由于兩個光柵緊鄰布設(shè)在同一局部空間中，可以認(rèn)為溫度對兩個光柵造成的中心反射譜漂移相同。僅當(dāng)傳感光柵受到鐵軌軸向應(yīng)力的作用時反射譜的中心波長會隨之移動，導(dǎo)致傳感光柵與參考光柵的反射譜分離。當(dāng)參考光柵與傳感光柵的反射譜重合時，從第二個光柵中反射回來的光強最強，將會出現(xiàn)反射光功率的峰值(對應(yīng)圖2中的108檢測到的峰值，圖4中應(yīng)變?yōu)榱闾?；隨著兩個光柵反射譜的分離，從第二個光柵中反射回來的光強逐漸衰減(對應(yīng)圖2中的108檢測到的光強，圖4中所示曲線)。為了消除光源漂移的影響，將圖2中108檢測到得光強與105檢測到得光強做歸一化所得到的比值，與傳感光柵所受軸向應(yīng)變近似成線性。通過查表法或插值運算很容易計算出兩個光柵中心反射波長的偏移量，從而換算出列車車輪在鐵軌上產(chǎn)生的應(yīng)力。在列車駛過布設(shè)傳感光纖光柵的鐵軌時會在鐵軌底部產(chǎn)生最大值為200 300微應(yīng)變(具體數(shù)值與鐵軌材料特性和列車軸重有關(guān))的拉應(yīng)力，且該拉應(yīng)力變化的時間周期由列車行駛速度決定，通過鐵軌上的應(yīng)力信息可以得到通過列車的軸數(shù)、軸重。由于列車軸距是已知的，由兩個車軸通過時間可以估算出列車速度。 更進(jìn)一步，我們可以將若干個光柵對級聯(lián)以一定間距布設(shè)在鐵路區(qū)間沿線，如圖5，圖6所示。這些匹配光柵對的中心反射波長可以是相同的，也可以是不同的。通過對這些匹配光柵對反射光強的監(jiān)測可以實時監(jiān)測線路區(qū)間內(nèi)列車的運行情況，確定列車的行駛位置。 傳感光柵以焊接或粘貼方式固定在鐵軌上。在本實驗中，采用金屬封裝的傳感部分_光纖光柵應(yīng)變片，將其使用強力膠牢固粘貼在鐵軌底部特定位置。設(shè)計了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集電路和軟件，數(shù)據(jù)采集電路可以將光電接受單元輸出電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號經(jīng)串口傳給上位機程序進(jìn)行分析和顯示。我們采用的是普通的8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，而如果采用高檔A/D轉(zhuǎn)換芯片，將提高本發(fā)明的測量精度和采樣速率，但這不是本發(fā)明的創(chuàng)新點涵蓋范圍。
考慮到實際應(yīng)用，我們設(shè)計了三種不同的應(yīng)用實例。1)監(jiān)測鐵軌溫度應(yīng)變；2)監(jiān)測軌道區(qū)間或道岔區(qū)段的空閑與占用情況；3)監(jiān)測列車完整性；4)監(jiān)測列車有無超載、偏載；5)監(jiān)測列車行駛速度；6)對鐵路線上列車的定位。 與同類相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、防潮和防電磁干擾等特點。與基于波長掃描的光纖光柵型計軸裝置相比，成本估計只有前者的十分之一左右，掃描速率也快的多。更值得指出的，由于本發(fā)明所基于的單元技術(shù)都是非常成熟(如寬譜激光器、光纖光柵、高速光電探測等)，整個發(fā)明實用化應(yīng)用和推廣不存在問題。在原則上本發(fā)明可以進(jìn)行不同形式的鐵軌狀態(tài)檢測，而針對高速鐵路行車安全需求，我們強調(diào)一下本發(fā)明的典型應(yīng)用 (1)監(jiān)測鐵軌溫度應(yīng)變(圖3，圖5，圖6)。 (2)監(jiān)測軌道區(qū)間或道岔區(qū)段的空閑與占用情況由于鐵路列車調(diào)度的需要，對鐵路區(qū)間行駛的列車需要進(jìn)行閉鎖跟蹤，確定區(qū)間內(nèi)有無列車行駛，以免發(fā)生列車追及或相撞；在車站道岔出，需要感知有無列車駛過及速度，以便道岔機構(gòu)的自動工作(圖3，圖5，圖6)。 (3)監(jiān)測列車完整性在列車運行過程由于各種原因可能導(dǎo)致列車車廂脫節(jié)的發(fā)生，通過列車固定軸數(shù)與實測軸數(shù)的對比可以監(jiān)測列車的完整性，及時進(jìn)行處置(圖3，圖5，圖6)。 (4)監(jiān)測列車有無超載、偏載列車軸重與駛過時在鐵軌特定點處產(chǎn)生的最大應(yīng)變是成線性關(guān)系的，通過對鐵軌應(yīng)變的監(jiān)測可以獲得駛過列車的軸重，進(jìn)而推知列車載重，從而檢測列車有無超載、偏載現(xiàn)象(圖3，圖5，圖6)。 (5)監(jiān)測列車行駛速度在車站道岔以及轉(zhuǎn)彎路段需要對列車行駛速度進(jìn)行實時監(jiān)測，以便當(dāng)列車行駛速度超過限定速度時對列車進(jìn)行減速處理，本發(fā)明可以通過列車軸距與過軸時間間隔估算出列車行駛速度(圖3，圖5，圖6)。 對鐵路線上列車的定位為了提高鐵路調(diào)度系統(tǒng)的效率，需要對鐵路閉鎖區(qū)間內(nèi)列車進(jìn)行跟蹤，本發(fā)明可以獲得區(qū)間內(nèi)列車位置及速度等信息，實現(xiàn)對列車的定位(圖5，圖6)。這也是目前保障高速鐵路行車安全的關(guān)鍵技術(shù)。
權(quán)利要求
基于匹配光纖光柵的高速鐵路計軸裝置，用于對駛過列車進(jìn)行計軸，由傳感部分和控制分析部分所組成，其中傳感部分包括激光光源(101)、光環(huán)行器(102)、光隔離單元(104)和(106)、光電接收模塊(105)和(108)、及一反射譜匹配光纖光柵對；所述反射譜匹配光纖光柵對由一貼合在鐵軌上的傳感光柵(103)和設(shè)置在所述傳感光柵附近的一參考光柵(107)組成；光源輸出的激光經(jīng)光環(huán)行器(102)進(jìn)入匹配光纖光柵對中的傳感光柵(103)，反射回的光分別經(jīng)光隔離單元(104)進(jìn)入光電接收模塊(105)實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換及經(jīng)(106)入?yún)⒖脊鈻?107)；由參考光柵(107)反射回來的光經(jīng)光隔離單元(106)進(jìn)入光電接收單元(108)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；兩個光電接收單元轉(zhuǎn)換后的電信號方式進(jìn)入控制分析單元經(jīng)歸一化參量推算出列車在鐵軌產(chǎn)生應(yīng)變以及對應(yīng)的列車軸數(shù)和軸重。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之基于匹配光纖光柵的高速鐵路計軸裝置，其特征在于，傳感光柵和參考光柵的反射譜主瓣在光源(101)光譜之內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之基于匹配光纖光柵的高速鐵路計軸裝置，其特征在于，所述光隔離單元可以是光隔離器或光環(huán)行器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之基于匹配光纖光柵的高速鐵路計軸裝置，其特征在于，所述傳感光柵以焊接或粘貼方式固定在鐵軌上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之基于匹配光纖光柵的高速鐵路計軸裝置，其特征在于，所述計軸裝置可多個連續(xù)布設(shè)置在鐵路線上。
6. 權(quán)利要求1至5所述之基于匹配光纖光柵的高速鐵路計軸裝置的應(yīng)用，其特征在于，可應(yīng)用于以下至少一種用途1)監(jiān)測鐵軌溫度應(yīng)變；2)監(jiān)測軌道區(qū)間或道岔區(qū)段的空閑與占用情況；3)監(jiān)測列車完整性；4)監(jiān)測列車有無超載、偏載；5)監(jiān)測列車行駛速度；6)對鐵路線上列車的定位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于匹配光纖光柵的高速鐵路計軸裝置，用于對駛過列車進(jìn)行計軸，由傳感部分和控制分析部分所組成，其中傳感部分包括激光光源101、光環(huán)行器102、光隔離單元104和106、光電接收模塊105和108、及一反射譜匹配光纖光柵對；所述反射譜匹配光纖光柵對由一貼合在鐵軌上的傳感光柵103和設(shè)置在所述傳感光柵附近的一參考光柵107組成。本發(fā)明裝置具有可靠性和靈敏度高，制造成本低的優(yōu)點，尤其適合高速列車行車安全的保障用途使用。
文檔編號B61L1/16GK101712328SQ20091025283
公開日2010年5月26日 申請日期2009年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月1日
發(fā)明者張兆亭, 張志勇, 潘煒, 王圣根, 羅斌, 鄒喜華, 閆連山 申請人:西南交通大學(xué)