CN101672687A - 无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载的装置和方法 - Google Patents

Abstract

无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载的装置和方法，它涉及光纤传感技术领域，克服了现有的超载与偏载检测技术精度低、抗电磁干扰能力差的问题。它包括激光器、耦合器、传输光纤、光纤布拉格光栅应变传感器、分光器件、波长解调装置、数据采集器和分析处理装置，每两个光纤布拉格光栅应变传感器对称地焊接在左右轨道的上轨底部组成传感器组对，第一个传感器组对作为启动装置设置在检测区域的开端，在传输光纤的中间部位设置耦合器，耦合器与分光器件相连，分光器件的十个输出通道分别连接在波长解调装置的十个输入端上，数据采集器连接在波长解调装置上，数据采集器连接在分析处理装置上。本发明适用于铁路货车超载与偏载的在线检测。

Description

无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载的装置和方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及铁路货车超载与偏载的检测装置和方法。

背景技术

铁路运输是国民经济的大动脉，而运输安全又是铁路运输的重中之重。然而，由于经济利益的驱使，长期以来铁路货运车辆存在严重的超载、偏载等不合理运输的现象。列车长期处在超载与偏载状态下，将严重损坏铁路设施，缩短铁路的使用寿命，而且由于列车的车轮及轴受力不匀，长期处于疲劳状况，断轴、切轴、爬轨和货车颠覆等事故就会发生。

最初对铁路货车超载、偏载情况的检测采用基坑断轨式检测***，该***可以实现动态双向检测。但由于该***断轨的特点，列车要限速通过，给铁路列车提速造成了很大的障碍，而且该***还有安装复杂、成本高等缺点。

近几年来，对超载与偏载的检测技术取得了一定的发展和成绩，尤其是应用了传感器计量理论研制的无基坑、不断轨式超载与偏载检测***实现了新的突破，计量速度和计量精度都在很大程度上得到了提高。例如：中国专利03249632.X提出了新型铁道货车超、偏载检测装置，它在特制钢枕的两端各安装有六只板式传感器来检测超载与偏载情况。中国专利CN2463258提出了铁路车辆超、偏载检测装置，它有测桥2-8个，单轴动态测量用测桥2个，静态整车测量用测桥8个，均骑钢枕靠内、外夹板固定在铁轨上，测桥两端部均固定有压力传感器，靠轮缘将载重传给压力传感器然后检测压力变化来检测超载与偏载情况。然而这两种动态超载与偏载检测装置采用的传统电应变式传感器，需要用不同的传感器分别对铁轨的不同部位进行检测，而且受到位置、时间等因素限制。因此两种装置存在着灵敏度低和零点漂移大的问题，大应变状态下具有较大的非线性、精度不够，而且抗电磁干扰能力、耐腐蚀性能均较差。

发明内容

本发明为了克服传统的铁路超载与偏载检测装置存在精度低、抗电磁干扰能力弱、耐腐蚀性差、速度低的问题，提供一种在线高速监测的无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载的装置及方法。

无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载的装置，它由光源5、耦合器4、十个光纤布拉格光栅应变传感器3-1、3-2、......、3-9和3-10、分光器件7、波长解调装置8、数据采集器9和分析处理装置10组成，第一光纤布拉格光栅应变传感器3-1、第二光纤布拉格光栅应变传感器3-2、......、第九光纤布拉格光栅应变传感器3-9和第十光纤布拉格光栅应变传感器3-10依次首尾相接并通过传输光纤6串联在一起，十个光纤布拉格光栅应变传感器3-1、3-2、......、3-9和3-10焊接在两根轨枕之间的一段铁轨上，每两个光纤布拉格光栅应变传感器对称地焊接在左右轨道的上轨底部组成一对传感器组对，由第一光纤布拉格光栅应变传感器3-1与第十光纤布拉格光栅应变传感器3-10组成的传感器组对作为启动装置设置在检测区域的开端，由第二光纤布拉格光栅应变传感器3-2、第三光纤布拉格光栅应变传感器3-3、......、第八光纤布拉格光栅应变传感器3-8和第九光纤布拉格光栅应变传感器3-9组成的四对传感器组对组成检测区域，每相邻一对传感器组对之间的距离为整个车辆转向架的两对轮对间距，光源5与耦合器4的一端通过传输光纤6连接在一起，耦合器4的另一端与光纤布拉格光栅应变传感器通过传输光纤6连接在一起，耦合器4的第三端与分光器件7的输入端相连，分光器件7的十个输出通道7-1、7-2、......、7-9和7-10分别连接在十个波长解调装置8-1、8-2、......、8-9和8-10的输入端上，十个波长解调装置8-1、8-2、......、8-9和8-10的输出端与数据采集器9的数据输入端相连，数据采集器9的数据输出端连接在分析处理装置10的输入端上。

利用无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载新型装置的测试方法为：

光源5发出的光经过耦合器4入射到十个光纤布拉格光栅应变传感器3-1、3-2、......、3-9和3-10，当车辆通过焊有光纤布拉格光栅应变传感器的铁轨时，车的重量引起铁轨的应变，进而转化为光纤布拉格光栅反射波长的变化，十束经光纤布拉格光栅反射的光波由传输光纤6再次经过耦合器4入射到分光器件7，分光器件7将来自不同光纤布拉格光栅应变传感器3的波长的光信号λ1、λ2、......、λ9和λ10分开至十个输出通道7-1、7-2、......、7-9和7-10，十束光信号在经过波长解调装置8的十个输入端8-1、8-2、......、8-9和8-10将波长变化转化为能被数据采集器9读取的应变信息，最后进入分析处理装置10，分析处理装置10依据铁轨的力学模型，由光纤布拉格光栅反射波长的变化计算铁轨的轴向应力，再利用轮计量法将铁轨的轴向应力转化为车辆荷载，从而判断超载与偏载情况，提供给用户，并适时发出超载与偏载警告信息。

光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating FBG)传感器有免受电磁干扰、体积小(对监测物结构几乎无任何影响)，重量轻，寿命长(＞20年)，灵敏度高，可利用波长编码，不受光强度波动影响，单根光纤可实现大量FBG传感器复用，易于组网，光纤可延深长度达100km等优点。这些优点使其成为铁路货车超载与偏载安全检测的最理想传感材料。

本发明适用于对铁路货车超载与偏载的在线检测，用本发明的装置和方法检测铁路货车超载与偏载情况能够达到高精度、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、在线高速监测。

附图说明

图1为无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载的装置结构示意图。图2为波长解调装置的结构示意图，图3为光纤布拉格光栅应变传感器3的安装位置示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图3说明本实施方式，无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载的装置，它由光源5、耦合器4、十个光纤布拉格光栅应变传感器3-1、3-2、......、3-9和3-10、分光器件7、波长解调装置8、数据采集器9和分析处理装置10组成，第一光纤布拉格光栅应变传感器3-1、第二光纤布拉格光栅应变传感器3-2、......、第九光纤布拉格光栅应变传感器3-9和第十光纤布拉格光栅应变传感器3-10依次首尾相接并通过传输光纤6串联在一起，十个光纤布拉格光栅应变传感器3-1、3-2、......、3-9和3-10焊接在两根轨枕之间的一段铁轨上，每两个光纤布拉格光栅应变传感器对称地焊接在左右轨道的上轨底部组成一对传感器组对，由第一光纤布拉格光栅应变传感器3-1与第十光纤布拉格光栅应变传感器3-10组成的传感器组对作为启动装置设置在检测区域的开端，由第二光纤布拉格光栅应变传感器3-2、第三光纤布拉格光栅应变传感器3-3、......、第八光纤布拉格光栅应变传感器3-8和第九光纤布拉格光栅应变传感器3-9组成的四对传感器组对组成检测区域，每相邻一对传感器组对之间的距离为整个车辆转向架的两对轮对间距，光源5与耦合器4的一端通过传输光纤6连接在一起，耦合器4的另一端与光纤布拉格光栅应变传感器3通过传输光纤6连接在一起，耦合器4的第三端与分光器件7的输入端相连，分光器件7的十个输出通道7-1、7-2、......、7-9和7-10分别连接在十个波长解调装置8-1、8-2、......、8-9和8-10的输入端上，十个波长解调装置8-1、8-2、......、8-9和8-10的输出端与数据采集器9的数据输入端相连，数据采集器9的数据输出端连接在分析处理装置10的输入端上。

普通车厢有两个转向架，四个轮对，所以一节车厢共有八个轮子。每个轮子底部的铁轨上都安装有光纤布拉格光栅应变传感器，可实现八个轮重同一时间测得。第一光纤布拉格光栅应变传感器3-1与第十光纤布拉格光栅应变传感器3-10组成的传感器组对作为启动装置设置在检测区域的开端，作为测量的启动信号。当车辆从左至右行驶时，即将到达检测区域时，通过最前面的一对传感器感受到的应力信号，使***得知车辆将要经过检测区域，然后其它四对传感器组对的传感检测***工作，对车辆经过时的铁轨应变情况进行实时检测，当最后一对传感器感受到应力信号时，说明整节车厢恰好与检测区域重合，实现八个轮重在同一时刻测得。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于十个光纤布拉格光栅应变传感器3-1、3-2、......、3-9和3-10具有不同反射波长，光源5为宽带光源。

宽带光源5的光信号波段足够宽以覆盖十个光纤布拉格光栅应变传感器3的反射波长和每一个光纤布拉格光栅应变传感器3的波长偏移量，每相邻两个光纤布拉格光栅应变传感器3之间的波长间隔比反射信号的波长中允许的最大偏载值的偏移量还要大，这样反射波长不会有重叠的部分。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于每个波长解调装置8由压电陶瓷15，非平衡干涉仪11、锯齿波信号发生装置14、光电探测器12、相位检测仪13和A/D转换装置16组成，分光器件7的信号输出端连接非平衡干涉仪11的光信号输入端，非平衡干涉仪11的信号输出端与光电探测器12的信号输入端相连，光电探测器12的信号输出端与相位检测仪13的信号输入端相连，相位检测仪13的信号输出端与A/D转换装置16的信号输入端相连，压电陶瓷15粘贴在非平衡干涉仪的一个臂上，锯齿波信号发生装置14的信号输出端与压电陶瓷15相连，控制光纤臂长差产生附加的动态相位调制信号。

分光器件7将光纤布拉格光栅应变传感器3的光信号分到不同的输出通道7-1，7-2、......、7-9，7-10，每个输出通道的光分别入射到非平衡干涉仪11中，锯齿波信号发生装置14通过控制压电陶瓷15的伸缩来改变光纤的臂长，控制光纤臂长差产生附加的动态相位调制信号，为非平衡干涉仪11提供动态载波相移。由非平衡干涉仪11输出的干涉信号经过光电探测器12转换为电信号，光电探测器12探测干涉条纹的强弱信息，然后进入相位检测仪13检测相移情况，根据相移情况就能够判断出某个光栅的应变情况，将此信号传递至A/D转换装置16转换成能被数据采集装置9读取的应变信息。数据采集装置9将采集到的各个通道的应变信息送入分析处理装置10进行信号处理，最终得到被测信号。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式是利用具体实施方式一中所述的铁路货车超载与偏载无基坑光纤检测装置进行测试的方法：光源5发出的光经过耦合器4入射到十个光纤布拉格光栅应变传感器3-1、3-2、......、3-9和3-10，当车辆通过焊有光纤布拉格光栅应变传感器的铁轨时，车的重量引起铁轨的应变，进而转化为光纤布拉格光栅反射波长的变化，十束经光纤布拉格光栅反射的光波由传输光纤6再次经过耦合器4入射到分光器件7，分光器件7将来自不同光纤布拉格光栅应变传感器的波长的光信号λ1、λ2、......、λ9和λ10分开至十个输出通道7-1、7-2、......、7-9和7-10，十束光信号在经过十个波长解调装置8-1、8-2、......、8-9和8-10将波长变化转化为能被数据采集器9读取的应变信息，最后进入分析处理装置10，分析处理装置10依据铁轨的力学模型，由光纤布拉格光栅反射波长的变化计算铁轨的轴向应力，再利用轮计量法将铁轨的轴向应力转化为车辆荷载，从而判断超载与偏载情况，提供给用户，并适时发出超载与偏载警告信息。

当没有铁路货车经过检测区域时，没有应力信号，十个波长解调装置8-1、8-2、......、8-9和8-10中的光电探测器12探测到的干涉条纹相位没有变化，故检测不到波长偏移量，当有铁路货车经过检测区域时，3-1和3-10光纤布拉格光栅应变传感器首先感受到应力信号，相应的波长解调装置8-1和8-10检测到应力信号启动整个检测装置，数据采集器9和分析处理装置10准备接收数据。然后波长解调装置8-2、8-3......、8-8和8-9八个光纤布拉格光栅应变传感器分别检测来自火车转向架2对轮对8个车轮17下3-2、3-3、......、3-8和3-9传感器的应力信号。

具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四的不同之处在于由光纤布拉格光栅反射波长的变化计算铁轨的轴向应力的方法为：当货车通过时，铁轨受到车轮17荷载的作用，在铁轨的下方产生拉应力、铁轨上方产生压应力，不考虑扭转的情况下，轴向应力与应变的关系为：σ＝Eε，当被测应力作用于光纤布拉格光栅应变传感器时，光纤布拉格光栅反射波长的偏移量为： $\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=(1-p_e)\mathrm{\ϵ},$ 其中，σ为铁轨的轴向应力，ε为光纤轴向应变，E为铁轨的弹性模量，P_e为光纤有效弹光系数，λ为光纤布拉格光栅传感器的反射波长，通过检测光纤布拉格光栅反射波长的偏移量进而计算出铁轨的轴向应力。

光纤布拉格光栅传感器的安装如图3所示，由于铁轨被轨枕支撑，因此两根轨枕之间的一段铁轨形成简支梁结构，再如上述公式与测量方法可以通过测量光纤布拉格光栅反射波长的偏移量计算得出铁轨的轴向应力。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五的不同之处在于采用轮计量法，同时测量每节车厢各个车轮17所承受的力，通过各个车轮17计算整车的重量，从而判断整车是否发生超载。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五的不同之处在于由第二光纤布拉格光栅应变传感器3-2、第三光纤布拉格光栅应变传感器3-3、......、第八光纤布拉格光栅应变传感器3-8和第九光纤布拉格光栅应变传感器3-9组成的四对传感器组对同时检测八个轮重，通过比较每个轮对左右两个车轮17重量的偏差，并将之与允许偏载值对比，从而判断货车是否发生偏载。

本发明采用轮计量法，测量每节车厢各个车轮17所承受的力即轮重，通过各个车轮17的轮重计算整车重量的一种方法。铁轨受压后，使固定在其上的光纤布拉格光栅产生轴向应变，从而导致光纤布拉格光栅反射波长的漂移。由波长偏移量与轮重之间的关系即可求得轮重。四对用于检测的传感器组对对经过的车辆引起的铁轨的应变情况进行实时检测，从而判断车辆的超载与偏载情况。

Claims (6)

1、无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载的装置，其特征在于无基坑光纤铁路货车超载与偏载检测装置，它由光源(5)、耦合器(4)、十个光纤布拉格光栅应变传感器(3-1)、(3-2)、......、(3-9)和(3-10)、分光器件(7)、波长解调装置(8)、数据采集器(9)和分析处理装置(10)组成，第一光纤布拉格光栅应变传感器(3-1)、第二光纤布拉格光栅应变传感器(3-2)、......、第九光纤布拉格光栅应变传感器(3-9)和第十光纤布拉格光栅应变传感器(3-10)依次首尾相接并通过传输光纤(6)串联在一起，十个光纤布拉格光栅应变传感器(3-1)、(3-2)、......、(3-9)和(3-10)焊接在两根轨枕之间的一段铁轨上，每两个光纤布拉格光栅应变传感器对称地焊接在左右轨道的上轨底部组成一对传感器组对，由第一光纤布拉格光栅应变传感器(3-1)与第十光纤布拉格光栅应变传感器(3-10)组成的传感器组对作为启动装置设置在检测区域的开端，由第二光纤布拉格光栅应变传感器(3-2)、第三光纤布拉格光栅应变传感器(3-3)、......、第八光纤布拉格光栅应变传感器(3-8)和第九光纤布拉格光栅应变传感器(3-9)组成的四对传感器组对组成检测区域，每相邻一对传感器组对之间的距离为整个车辆转向架的两对轮对间距，光源(5)与耦合器(4)的一端通过传输光纤(6)连接在一起，耦合器(4)的另一端与光纤布拉格光栅应变传感器通过传输光纤(6)连接在一起，耦合器(4)的第三端与分光器件(7)的输入端相连，分光器件(7)的十个输出通道(7-1)、(7-2)、......、(7-9)和(7-10)分别连接在十个波长解调装置(8-1)、(8-2)、......、(8-9)和(8-10)的输入端上，十个波长解调装置(8-1)、(8-2)、......、(8-9)和(8-10)的输出端与数据采集器(9)的数据输入端相连，数据采集器(9)的数据输出端连接在分析处理装置(10)的输入端上。

2、根据权利要求1所述的无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载的装置，其特征在于十个光纤布拉格光栅应变传感器(3-1)、(3-2)、......、(3-9)和(3-10)具有不同反射波长，光源5为宽带光源。

3、根据权利要求1所述的无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载的装置，其特征在于每个波长解调装置由压电陶瓷(15)，非平衡干涉仪(11)、锯齿波信号发生装置(14)、光电探测器(12)、相位检测仪(13)和A/D转换装置(16)组成，分光器件(7)的信号输出端连接非平衡干涉仪(11)的光信号输入端，非平衡干涉仪(11)的信号输出端与光电探测器(12)的信号输入端相连，光电探测器(12)的信号输出端与相位检测仪(13)的信号输入端相连，相位检测仪(13)的信号输出端与A/D转换装置(16)的信号输入端相连，压电陶瓷(15)粘贴在非平衡干涉仪的一个臂上，锯齿波信号发生装置(14)的信号输出端与压电陶瓷(15)相连。

4、根据权利要求1所述的利用无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载的装置的测试方法，其特征在于光源(5)发出的光经过耦合器(4)入射到十个光纤布拉格光栅应变传感器(3-1)、(3-2)、......、(3-9)和(3-10)，当车辆通过焊有光纤布拉格光栅应变传感器的铁轨时，车的重量引起铁轨的应变，进而转化为光纤布拉格光栅反射波长的变化，十束经光纤布拉格光栅反射的光波由传输光纤(6)再次经过耦合器(4)入射到分光器件(7)，分光器件(7)将来自不同光纤布拉格光栅应变传感器的波长的光信号λ1、λ2、......、λ9和λ10分开至十个输出通道(7-1)、(7-2)、......、(7-9)和(7-10)，十束光信号在经过十个波长解调装置(8-1)、(8-2)、......、(8-9)和(8-10)将波长变化转化为能被数据采集器(9)读取的应变信息，最后进入分析处理装置(10)，分析处理装置(10)依据铁轨的力学模型，由光纤布拉格光栅反射波长的变化计算铁轨的轴向应力，再利用轮计量法将铁轨的轴向应力转化为车辆荷载，从而判断出货车超载与偏载情况。

5、根据权利要求4所述的无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载的测试方法，其特征在于由应变信息转化为车辆荷载，判断货车超载的方法为：当货车通过时，铁轨受到车轮(17)荷载的作用，在铁轨的下方产生拉应力、上方产生压应力，不考虑扭转的情况下，轴向应力与应变的关系为：σ＝Eε，当被测应力作用于光纤布拉格光栅应变传感器时，光纤布拉格光栅反射波长的偏移量为：

其中，σ为铁轨的轴向应力，ε为光纤轴向应变，E为铁轨的弹性模量，P_e为光纤有效弹光系数，λ为光纤布拉格光栅传感器的反射波长，通过检测光纤布拉格光栅反射波长的偏移量进而计算出铁轨的轴向应力，再利采用轮计量法，同时测量每节车厢各个车轮(17)所承受的力，通过各个车轮(17)计算整车的重量，从而判断整车是否发生超载。

6、根据权利要求4所述的无基坑光纤检测铁路货车超载与偏载的测试方法，其特征在于由应变信息转化为车辆荷载，判断货车偏载的方法为：当货车通过时，铁轨受到车轮(17)荷载的作用，在铁轨的下方产生拉应力、上方产生压应力，不考虑扭转的情况下，轴向应力与应变的关系为：σ＝Eε，当被测应力作用于光纤布拉格光栅应变传感器时，光纤布拉格光栅反射波长的偏移量为：

其中，σ为铁轨的轴向应力，ε为光纤轴向应变，E为铁轨的弹性模量，P_e为光纤有效弹光系数，λ为光纤布拉格光栅传感器的反射波长，通过检测光纤布拉格光栅反射波长的偏移量进而计算出铁轨的轴向应力，再利用轮计量法，由第二光纤布拉格光栅应变传感器(3-2)、第三光纤布拉格光栅应变传感器(3-3)、......、第八光纤布拉格光栅应变传感器(3-8)和第九光纤布拉格光栅应变传感器(3-9)组成的四对传感器组对同时检测八个轮重，通过比较每个轮对左右两个车轮(17)重量的偏差，并将之与允许偏载值对比，从而判断货车是否发生偏载。

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