CN102607425B - 一种光纤光栅变形环的钢轨或桥梁位移监测装置 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅变形环的钢轨或桥梁位移监测装置。该装置由固定夹组件、连接组件、光纤光栅环形位移传感组件、拉杆组件和传感器壳体装置组成。该装置部分由固定夹组件固定于钢轨上或桥梁被测梁体上，另一部分由传感器壳体固定于无砟道床上或桥梁基准梁体上，两部分通过连接组件连接。本发明将两支不同波长的光纤光栅呈垂直状态固化在刚性圆环上。被测对象产生位移产生的力通过拉杆和弹簧传递给刚性圆环，导致两支光纤光栅受力相反，中心波长向相反方向偏移，叠加其波长偏移值便得出被测对象的位移量，避免了光栅直接粘贴产生的光信号畸变，抵消了环境温度造成的干扰。该装置适应长期在线监测、灵敏、稳定可靠、结构紧凑、便于维修保养。

Description

一种光纤光栅变形环的钢轨或桥梁位移监测装置

技术领域

本发明涉及铁路无砟道床上的钢轨位移，或铁路桥梁简支梁或连续梁伸缩位移监测技术领域和光纤光栅传感技术领域。具体为一种光纤光栅变形环的钢轨或桥梁位移监测装置。

背景技术

铁路交通运输在国民经济中起着举足轻重的作用，钢轨和桥梁是铁路运输的基础设施。近年来随着重载及提速列车的大量开行，以及多条高速铁路客专线路的在建和开通，对其基础设施的监控要求也就越来越高，研发关键的技术手段对其运行状态参量进行监测，确保其安全运行就显得极为重要。

由于温差产生的膨胀位移、地质的变化、以及行驶的列车等因素都对钢轨有不同方向的作用力，使得轨道线路上的钢轨产生不同程度的位移。目前高铁线路的隧道和桥梁占线路的比例接近过半，桥梁本身和安装在桥梁上的钢轨所产生的变形和位移的程度会更大。

钢轨和桥梁梁体的位移直接影响到列车行驶的安全，因此对于这些位移量的监测是当今铁路钢轨状态监测不可或缺的一部分。国内外专家对这一技术相当重视，也都采用不同的技术手段来对其进行测量。例如，通过激光位移计、电容式位移传感器及视频成像等手段监测位移量，但这些监测手段都有不同程度的缺陷，尤其在适应现场恶劣环境和测量精度等方面。激光位移监测需人工操作、测量精度有限、且不能实现自动测量等；电容式位移传感器因为构成传感器材料的不同存在受温度影响引起测量误差，边缘效应也会使传感器灵敏度下降和非线性的增加，而且轨旁异物或人的干扰产生寄生电容而导致传感器特性不稳定；视频成像技术受环境污染需擦拭摄像头及标尺，而且恶劣天气易损坏设备。

光纤光栅传感技术最显著特点是长期稳定性好，不会产生电信号传感器的零点漂移，它为工程的长期监测提供了可能。本发明将光纤传感技术应用于位移量监测中，通过拉杆装置改变光纤光栅的栅距，使其反射的中心波长变化来实现对钢轨位移或铁路桥梁简支梁或连续梁伸缩位移的监测。

发明内容

本发明目的旨在提供一种长期稳定性好、测量准确、安全可靠、耐腐蚀、不受环境温度变化影响的钢轨或桥梁位移监测装置，即一种光纤光栅变形环的钢轨或桥梁位移监测装置。

实现本发明目的的技术方案：

    一种光纤光栅变形环的钢轨或桥梁位移监测装置，该装置由固定夹组件、连接组件、光纤光栅环形位移传感组件、拉杆组件和传感器壳体装置组成；其中固定夹组件包括钢轨固定夹和固定夹紧固螺栓，固定夹组件通过钢轨固定夹夹持于被测钢轨底部两侧，通过固定夹紧固螺栓将其紧固；其连接组件包括钢板、钢板固定螺栓、固定架固定螺栓、连接钢索固定架、连接钢索紧固螺栓、连接钢索固定螺栓和连接钢索，其钢板固定螺栓将钢板固定于钢轨固定夹外侧，连接钢索固定架由固定架固定螺栓定于钢板外侧，连接钢索一端由连接钢索紧固螺栓固定于连接钢索固定架上，另一端通过连接钢索固定螺栓固定于拉杆上；

   所述的光纤光栅环形位移传感组件包括第1光纤、第2光纤和刚性圆环，其第1光纤写有第1光栅，第2光纤写有第2光栅，第1光栅和第2光栅为不同波长的两个光纤光栅构成的光纤光栅对，光纤光栅固定钢管激光焊接于刚性圆环上，并且呈垂直分布；第1光纤）和第2光纤分别穿过光纤光栅固定钢管并呈垂直状态，使得所述的光纤光栅对处于刚性圆环圆心处，光纤光栅对粘贴固化在光纤光栅固定钢管里；刚性圆环沿第1光纤焊有相对方向的两个受力臂，其一端固定在传感器保护盒壳体上，另一端与传递位移量的拉杆相连；

其光纤光栅环形位移传感组件置于传感器壳体装置内，传感器壳体装置由两对固定脚和四个固定脚固定螺栓固定在无砟轨道的道床上；传感器壳体装置由传感器保护盒和拉杆保护管组成；拉杆组件包括拉杆、连接钢索固定螺栓和弹簧，弹簧的一端连接在刚性圆环上，另一端通过拉杆的安装孔与连接钢索相连；

对于监测桥梁简支梁或连续梁梁体间伸缩位移，则将连接钢索固定架和传感器壳体装置的固定脚分别固定在桥梁的被测梁体上和基准梁体上。

   本发明的监测装置中，所述的第1光纤和第2光纤为有预拉应变状态。

   本发明的监测装置中，所述的第1光栅的波长大于第2光栅的波长。

   本发明的监测装置中，所述的光纤光栅对粘贴固化在光纤光栅固定钢管里，悬空放置，避免光纤的光栅部分被粘贴而产生光信号的畸变。

   本发明的监测装置的监测范围通过改变拉杆、拉杆保护管和弹簧的长度进行调节，并经过精确的位移标定。

拉杆是固定在地面上的传感器壳体的活动零件，安装时将拉杆固定在位移测量范围的中点位置上，将连接钢索的一端固定在拉杆上的安装孔中，另一端固定在钢轨上的钢索固定架的孔中。

传感器壳体装置是与大地紧固的静止部件，它提供了位移测量的基准。如果监测桥梁的简支梁或连续梁的梁体间伸缩位移，则将上述连接钢轨固定夹和壳体装置直接固定在桥梁的被测梁体上即可。

传感器壳体装置由传感器保护盒和拉杆保护管组成，传感器保护盒内部有光纤光栅环形位移传感组件；拉杆保护管内有拉杆和弹簧。将弹簧的一端与拉杆相连，另外一端与光纤光栅的刚性圆环相连接，保证钢索所受位移的拉力通过拉杆和弹簧传递给刚性圆环，使刚性圆环轴向方向受拉力，垂直方向受压力，从而使得圆环上的两根光纤光栅轴向的一根受拉，垂向的一根受压。

本发明的传感器采用光纤光栅悬空的方法。将两根光纤的光栅部分居中，呈垂直分布地粘贴固化于刚性圆环上，使每根光纤上的光栅位于刚性圆环圆心位置，避免了光纤的光栅部分被粘贴而产生光信号的啁啾化畸变。并且要求粘贴于刚性圆环上的两根光纤受到一定程度的预拉。

本发明的两支光纤光栅为不同波长的两个光栅。当钢轨或桥梁发生位移时，其位移所产生的力通过钢索和拉杆传递给弹簧，导致弹簧受到拉伸或压缩，这时和弹簧相连的刚性圆环也受到拉伸或压缩，两根光纤上的光栅一根受拉一根受压。这样，两个光栅的中心波长发生了相反方向偏移，其波长位移值的叠加便是刚性圆环的形变量，从而得到被测物体的位移量，波长位移的叠加还抵消了因环境温度变化造成的干扰。

本发明涉及的监测装置的测量范围可通过拉杆、保护管和弹簧的长度进行改变，并经过精确的位移标定。

本发明的特点及优点

   1、本发明光纤光栅应变传感器采用环形结构，更好地解决了因光纤光栅被粘贴且长期使用而造成的光纤光栅发生啁啾化而产生光信号畸变，使得传感器失准的问题，也很好地解决了传感器结构的稳定度问题，使得其测量精度长期保持稳定、准确，两个传感光栅分别受到不同方向的力，它们的波长偏移值叠加后，不但增大了灵敏度，而且抵消了环境温度变化产生的波长偏移；

   2、因为光纤光栅传感技术利用光栅的波长进行监测，具有长期可靠的特点，所以其原始位置的零点信号是长期稳定的，不会产生零点漂移，这是电信号传感器所不具备的；

   3、本发明采用光纤光栅传感技术，可以实现监测现场无电信号，并且具有不受电磁干扰的特点，避免了因为现场电信号易被电力机车强电磁场干扰而导致监测失准等问题。使得本发明的监测准确性得到保证；

   4、本发明的监测装置用钢轨固定夹和地面固定装置使得整个装置分别安装于钢轨外侧和无砟道床上，这样的安装形式避免了在轨道上进行影响轨道结构的钻孔或焊接等铁路部门禁止使用的作业方式，而且装置体积小、结构简单，不会对高速列车行驶造成影响；

   5、本发明的监测装置安装方便、功能可靠、可扩展性强、适用于桥梁、公路等基础设施的位移监测、使用寿命长、便于维护和保养等。

附图说明

图1为本发明的监测装置安装结构示意图。

图2为本发明的监测装置侧剖面图。

图中：1钢轨；2钢轨固定夹；3固定夹紧固螺栓；4钢板；5钢板固定螺栓；6固定架固定螺栓；7连接钢索固定架；8连接钢索紧固螺栓；9连接钢索；10连接钢索固定螺栓；11拉杆保护管；12固定脚固定螺栓；13固定脚；14传感器保护盒；15光纤保护孔；16光缆；17传感器保护盒紧固螺栓；18-1第1光纤、18-2第2光纤；19刚性圆环；20-1第1光栅；20-2第2光栅；21弹簧；22拉杆；23无砟道床；24轨枕。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的光纤光栅变形环的钢轨位移监测装置的结构和安装方式做进一步说明。

如图1、2所示，该监测装置由固定夹组件、连接组件、光纤光栅环形位移传感组件、拉杆组件和传感器壳体装置组成。监测钢轨位移时，整个装置安装在两个轨枕24之间。

固定夹组件由钢轨固定夹2和固定夹紧固螺栓3固定于钢轨1底部两侧，要求其紧固无松动，以保证位移量测量的准确性。再将钢板4用钢板紧固螺栓5固定在钢轨固定夹2外侧（即钢轨外侧），并且将连接钢索固定架7用固定架紧固螺栓6固定于钢板4外侧。传感器壳体装置则使用两对固定脚13和四个固定脚固定螺栓12固定在被测钢轨1外侧稳固的无砟道床23上，保证了位移测量基准的稳定。再将连接钢索9一端穿过连接钢索固定架7上的孔洞，并且使用连接钢索紧固螺栓8将其紧固；另一端穿入拉杆22内，并用连接钢索固定螺栓10使其紧固。这样的安装使得监测装置连接在被测钢轨1和静止的无砟道床23之间，监测钢轨1对静止大地的位移情况。尤其要注意地是位移传感器的量程一定要大于实际位移的2倍，并使传感器装置内的弹簧21受到其量程一半的预拉伸，使得被测物体无论向前后怎样移动，都能保证在位移监测装置监测范围内。

而桥梁的位移监测装置的结构和安装更加简单，单独将连接钢索固定架7旋转至安装面朝下，固定在被测梁上，将传感器壳体装置的两个固定脚13固定在基体梁上即可。

位移传感器的光纤光栅传感组件的安装如图2所示，在传感器保护盒14内，将刚性圆环19的一个受力臂固定在传感器保护盒14内，将另一个受力臂与拉杆保护管11内的弹簧21相连，弹簧21的另一端与拉杆22相连，拉杆22再与连接钢索9相连，传递位移量。弹簧21受到拉伸或挤压时作用力能够有效地传递到刚性圆环19的第1光纤光栅20-1和第2光纤光栅20-2上。当拉杆22拉动弹簧21伸长时，刚性圆环19的第1光纤光栅20-1受拉力，第2光纤光栅20-2受压力；反之，当拉杆22使弹簧21缩短时，刚性圆环19的第1光纤光栅20-1受压力，第2光纤光栅20-2受拉力。第1光纤18-1和第2光纤18-2串联后一端悬空或串连到下一个位移传感器，另一端接入光缆16引出到控制室。 

Claims (5)

1.一种光纤光栅变形环的钢轨或桥梁位移监测装置，其特征在于：该装置由固定夹组件、连接组件、光纤光栅环形位移传感组件、拉杆组件和传感器壳体装置组成；其中固定夹组件包括钢轨固定夹（2）和固定夹紧固螺栓（3），固定夹组件通过钢轨固定夹（2）夹持于被测钢轨（1）底部两侧，通过固定夹紧固螺栓（3）将其紧固；连接组件包括钢板（4）、钢板固定螺栓（5）、固定架固定螺栓（6）、连接钢索固定架（7）、连接钢索紧固螺栓（8）、连接钢索固定螺栓（10）和连接钢索（9），钢板固定螺栓（5）将钢板（4）固定于钢轨固定夹（2）外侧，连接钢索固定架（7）由固定架固定螺栓（6）固定于钢板（4）外侧，连接钢索（9）一端由连接钢索紧固螺栓（8）固定于连接钢索固定架（7）上，另一端通过连接钢索固定螺栓（10）固定于拉杆（22）上；光纤光栅环形位移传感组件包括第1光纤（18-1）、第2光纤（18-2）和刚性圆环（19），其第1光纤写有第1光栅（20-1），第2光纤写有第2光栅（20-2），第1光栅（20-1）和第2光栅（20-2）为不同波长的两个光纤光栅构成的光纤光栅对，光纤光栅固定钢管激光焊接于刚性圆环（19）上，并且呈垂直分布；第1光纤（18-1）和第2光纤（18-2）分别穿过光纤光栅固定钢管并呈垂直状态，使得所述的光纤光栅对处于刚性圆环（19）圆心处，光纤光栅对粘贴固化在光纤光栅固定钢管里；刚性圆环（19）沿第1光纤（18-1）焊有相对方向的两个受力臂，其一端固定在传感器保护盒（14）壳体上，另一端与传递位移量的拉杆（22）相连；光纤光栅环形位移传感组件置于传感器壳体装置内，传感器壳体装置由两对固定脚（13）和四个固定脚固定螺栓（12）固定在无砟道床（23）上；传感器壳体装置由传感器保护盒（14）和拉杆保护管（11）组成；拉杆组件包括拉杆（22）、连接钢索固定螺栓（10）和弹簧（21），弹簧的一端连接在刚性圆环（19）上，另一端通过拉杆（22）的安装孔与连接钢索（9）相连；

对于监测桥梁简支梁或连续梁梁体间伸缩位移，则将连接钢索固定架（7）和传感器壳体装置的固定脚（13）分别固定在桥梁的被测梁体上和基准梁体上。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅变形环的钢轨或桥梁位移监测装置，其特征在于：所述的第1光纤（18-1）和第2光纤（18-2）为有预拉应变状态。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅变形环的钢轨或桥梁位移监测装置，其特征在于：所述的第1光栅（20-1）的波长大于第2光栅（20-2）的波长。

4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅变形环的钢轨或桥梁位移监测装置，其特征在于：所述的光纤光栅对粘贴固化在光纤光栅固定钢管里，悬空放置，避免光纤的光栅部分被粘贴而产生光信号的畸变。

5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅变形环的钢轨或桥梁位移监测装置，其特征在于：该监测装置的监测范围通过改变拉杆（22）、拉杆保护管（11）和弹簧（21）的长度进行调节。

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