CN108593073A - 一种基于fbg的火车动态称重传感器及其安装方法 - Google Patents

一种基于fbg的火车动态称重传感器及其安装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FBG的火车动态称重传感器及其安装方法，涉及传感器技术领域。本发明包括安装在轨道上的若干夹具和固定在两夹具间的FBG应变传感器；夹具包括若干U形夹块和托座；托座两侧分别通过一对U形夹块固定在轨道的底座上；相邻两U形夹块之间固定有连接板；FBG应变传感器的两端沿轨道的直线方向固定在托座上。本发明通过设计一种高稳定性的FBG应变传感器，该FBG应变传感器通过集成的稳定、坚固、抗疲劳性俱佳的夹具实现对轨道上载重的实时测量，具有精度高，结构简单，操作方便；通过FBG应变传感器由于自身特点，对轴向应变敏感，但对横向应变不敏感。结合货运火车重量的特点，对传感器的量程进行设计，在18到100吨的范围内，进行线性称重。

Description

一种基于FBG的火车动态称重传感器及其安装方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别是涉及一种基于FBG的火车动态称重传感器及其安装方法，用于铁路交通领域对超载车辆的实时超限检测。
背景技术
车辆动态称重主要有两种方式：整车测量和轴重测量。称重传感器作为动态称重***的核心器件，是测量***的输入端。目前在国内外动态称重***实际应用中主要采用共聚化合物式压电传感器、电容式传感器、桥式称重平台、石英晶体敏感元件、光纤传感器等。以上传感器由于价格、性能、使用寿命等问题，容易导致动态称重***精度不高，石英晶体敏感元件惟一的缺点是不能在长时间内进行静态测量。这类传感器最大的缺点就是自身带电，在易燃易爆等特殊环境中应用时存在安全隐患，而且这类传感器寿命短、精度低、稳定性差、调校困难，经常存在误测误报现象。
FBG应变传感器由于自身特点，对轴向应变敏感，但对横向应变不敏感。现有夹具式FBG应变传感器，外部压力通过传感器夹具传送到传感器，因此传感器夹具的设计直接影响测量结果，对传感器线性影响较大。夹具须具有稳定、坚固、抗疲劳性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于FBG的火车动态称重传感器及其安装方法，通过安装在轨道上的若干夹具和固定在两夹具间的FBG应变传感器，解决了现有的夹具式FBG应变传感器，外部压力通过传感器夹具传送到传感器，因此传感器夹具的设计直接影响测量结果，对传感器线性影响较大问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种基于FBG的火车动态称重传感器，包括安装在轨道上的若干夹具和固定在两夹具间的FBG应变传感器；所述夹具包括若干U形夹块和托座；所述托座两侧分别通过一对U形夹块固定在轨道的底座上；相邻两U形夹块之间固定有连接板；所述FBG应变传感器的两端沿轨道的直线方向固定在托座上。
进一步地，所述U形夹块的相对一内表面为与轨道底座上表面配合的贴合面；所述U形夹块的相对另一内表面与托座配合；所述U形夹块外侧面设有与连接板配合的槽道。
进一步地，所述托座包括“工”字形座或“＝”形座。
进一步地，所述“工”字形座与U形夹块配合的端部为端板，所述端板与“工”字形座形成阶梯面，使得“工”字形座与轨道底面形成间隙；所述端板固定在U形夹块上；所述“工”字形座的表面开有与FBG应变传感器配合的螺纹孔a。
进一步地，所述U形夹块的槽道内还开有螺纹孔b；所述U形夹块一外侧面还设置有一与“＝”形座的贯通孔配合的螺柱。
进一步地，所述连接板的两端分别与一U形夹块的槽道配合，所述连接板的两端开有与槽道内的螺纹孔b配合的贯通孔。
一种基于FBG的火车动态称重传感器的安装方法，包括如下过程：
SS01将FBG应变传感器的两端分别固定在两组夹具的托座上，并且FBG应变传感器的中心线与轨道的中心线共线；
SS02将一对U形夹块通过连接板连接；
SS03在相互平行的两轨道的相对位置分别安装SS01中固定有FBG应变传感器的托座，通过SS02形成的连接式U形夹块固定在轨道上；
SS04每个传感器通过两个夹具固定，分别将传感器的两端沿着轨道方向固定安装；该托座是包裹钢轨下端面，并能紧紧抱死在钢轨下表面，同时该固定托座上表面或下表面正中；U形夹块完全贴合导轨，增大接触面积，而且，U形保证零件竖直，和稳定。
SS05夹具采用大弹性模量的碳钢或不锈钢，并对结构连接处进行螺丝加垫片、贴胶处理，以提高夹具的稳定、坚固、抗疲劳性。
该传感器机理是：
将FBG应变传感器两端固定，火车的车轴压力信息作用于铁轨上，铁轨通过U型夹具将压力传递给位于工字梁结构中间的FBG应变传感器，当FBG应变传感器两端固定点受到伸长或缩短时，即感受到附着的物体表面的受力情况，此时光纤光栅受应变变化影响发生波长移动，根据波长移动大小可以确定外界施力大小，即通过单一FBG应变传感器可以测量出列车某一轮子通过时的轮重；然后再根据双钢轨同时测得的同一位置处的两个轮重之和即为该列车此处的轴重；通过多个FBG应变传感器或不同时刻测得的不同轴的重量即可计算出相应的车厢重和整车重；根据某段有效时间内传感器感应压力峰值个数可以确定列车轮子数量；根据轮子通过相隔一定距离的两个传感器的时间间隔可以计算出列车行驶速度和轴距；根据轴距、轮重、轴重等数据可以推算出列车型号。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过设计一种高稳定性的FBG应变传感器，该FBG应变传感器通过集成的稳定、坚固、抗疲劳性俱佳的夹具实现对轨道上载重的实时测量，具有精度高，结构简单，操作方便。
2、本发明通过FBG应变传感器由于自身特点，对轴向应变敏感，但对横向应变不敏感。结合货运火车重量的特点，对传感器的量程进行设计，在18到100吨的范围内，进行线性称重。
3、本发明可实现多组串联测量，以多次信号平均的方式提高称重精度，同时对车速进行测量。
4、本传感器不带电，可适用于铁路环境的强电磁辐射环境中。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为实施例一中的动态称重传感器的结构俯视视角的示意图；
图2为实施例一中的动态称重传感器的结构仰视视角的示意图；
图3为“工”字形座的结构俯视视角的示意图；
图4为“工”字形座的结构仰视视角的示意图；
图5为实施例一中的U形夹块的结构示意图；
图6为图5的结构主视图；
图7为实施例二中的动态称重传感器的结构俯视视角的示意图；
图8为实施例二中的动态称重传感器的结构仰视视角的示意图；
图9为图8的结构侧视图；
图10为实施例二中的U形夹块的结构示意图；
图11为图10的结构主视图；
图12为轨道受到正压力时，传感器结构的数值仿真结果；
图13为图12的轨道的正视图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-轨道，2-U形夹块，3-连接板，4-“工”字形座，5-，401-螺纹孔a，402-端板，201-槽道，202-贴合面，203-螺柱。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
FBG Fiber Bragg Grating，即为光纤光栅，又称光纤布拉格光栅。
光纤光栅传感器Fiber Grating Sensor属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格Bragg波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感，即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分。
用于采集动态信号的动态称重传感器；动态信号为当轮胎通过动态称重传感器时，车辆的应变会导致光纤光栅串中的每一个光栅受到轴向的拉伸，而产生峰值波长的偏移，此时阵列光栅波导模块中的光栅峰值波长和光谱形状均不变化，每个光纤光栅输出的强度信号发生变化信号。
其中，光源单元通过光环行器单元和光开关进入动态称重传感器。
实施例一
请参阅图1-6所示，本发明为一种基于FBG的火车动态称重传感器及其安装方法，包括安装在轨道1上的两对夹具和固定在两夹具间的FBG应变传感器；夹具包括若干U形夹块2和托座；托座两侧分别通过一对U形夹块2固定在轨道1的底座上；相邻两U形夹块2之间固定有连接板3；FBG应变传感器的两端沿轨道1的直线方向固定在托座上。
其中，U形夹块2的相对一内表面为与轨道1底座上表面配合的贴合面202；U形夹块2的相对另一内表面与托座配合；U形夹块2外侧面设有与连接板3配合的槽道201。
其中，托座采用“工”字形座4，“工”字形座4与U形夹块2配合的端部为端板402，端板402与“工”字形座4形成阶梯面，使得“工”字形座4与轨道1底面形成间隙；端板402固定在U形夹块2上；“工”字形座4的表面开有与FBG应变传感器配合的螺纹孔a401。
进一步地，U形夹块2的槽道201内还开有螺纹孔b，“工”字形座4的侧面设有与螺纹孔b相对应的内螺纹孔，连接板3的两端分别与一U形夹块2的槽道201配合，连接板3的两端开有与槽道201内的螺纹孔b配合的贯通孔，通过螺钉将连接板3、U形夹块2、“工”字形座4依次固定在轨道1上。
一种基于FBG的火车动态称重传感器的安装方法，包括如下过程：
SS01将FBG应变传感器的两端分别固定在两组夹具的托座上，并且FBG应变传感器的中心线与轨道1的中心线共线；
SS02将一对U形夹块2通过连接板3连接；
SS03在相互平行的两轨道1的相对位置分别安装SS01中固定有FBG应变传感器的托座，通过SS02形成的连接式U形夹块2固定在轨道1上；
SS04每个传感器通过两个夹具固定，分别将传感器的两端沿着轨道方向固定安装；该托座是包裹钢轨下端面，并能紧紧抱死在钢轨下表面，同时该固定托座上表面或下表面正中；U形夹块2完全贴合导轨，增大接触面积，而且，U形保证零件竖直，和稳定。
SS05夹具采用大弹性模量的碳钢或304不锈钢，并对结构连接处进行螺丝加垫片、贴胶处理，工字梁为核心承力机构，火车轴重信息通过该结构传递给FBG应变传感器；为保证线性称重，工字梁需要有一定的弹性和刚性。
实施例二
请参阅图7-11所示，本发明为一种基于FBG的火车动态称重传感器及其安装方法，包括安装在轨道1上的两对夹具和固定在两夹具间的FBG应变传感器；夹具包括若干U形夹块2和托座；托座两侧分别通过一对U形夹块2固定在轨道1的底座上；相邻两U形夹块2之间固定有连接板3；FBG应变传感器的两端沿轨道1的直线方向固定在托座上。
其中，U形夹块2的相对一内表面为与轨道1底座上表面配合的贴合面202；U形夹块2的相对另一内表面与托座配合；U形夹块2外侧面设有与连接板3配合的槽道201。
其中，托座采用“＝”形座5，U形夹块2的槽道201内还开有螺纹孔b；U形夹块2一外侧面还设置有一与“＝”形座5的贯通孔配合的螺柱203。
进一步地，连接板3的两端分别与一U形夹块2的槽道201配合，连接板3的两端开有与槽道201内的螺纹孔b配合的贯通孔。
一种基于FBG的火车动态称重传感器的安装方法，包括如下过程：
SS01将FBG应变传感器的两端分别固定在两组夹具的托座上，并且FBG应变传感器的中心线与轨道1的中心线共线；
SS02将一对U形夹块2通过连接板3连接；
SS03在相互平行的两轨道1的相对位置分别安装SS01中固定有FBG应变传感器的托座，通过SS02形成的连接式U形夹块2固定在轨道1上；
SS04每个传感器通过两个夹具固定，分别将传感器的两端沿着轨道方向固定安装；该托座是包裹钢轨下端面，并能紧紧抱死在钢轨下表面，同时该固定托座上表面或下表面正中；U形夹块2完全贴合导轨，增大接触面积，而且，U形保证零件竖直，和稳定。
SS05夹具采用大弹性模量的碳钢或304不锈钢，并对结构连接处进行螺丝加垫片、贴胶处理，以提高夹具的稳定、坚固、抗疲劳性。
如图12和图13所示为轨道受到正压力时，传感器结构的数值仿真结果，每个传感器需要两个固定夹具，分别将传感器的两端沿着轨道方向固定安装。该固定夹具是包裹钢轨下端面，并能紧紧抱死在钢轨下表面，同时该固定夹具上表面(或下表面正中，需要进行试验验证两种安装方式的灵敏度，采取效果好的安装方式)有一个平面，上有两个螺孔，该螺孔是用于将光纤光栅传感器通过螺钉紧固在固定夹具上表面上。该机理是夹具固定在钢轨上的，当列车轮子轧在两个固定夹具中间时，钢轨发生微小的向下弯曲形变，两个固定夹具距离发生微小变化，该微小变化反应在传感器上即为微应变，通过该微应变的数值可以推算出轮重。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种基于FBG的火车动态称重传感器，其特征在于，包括：
安装在轨道(1)上的若干夹具和固定在两夹具间的FBG应变传感器；
所述夹具包括若干U形夹块(2)和托座；所述托座两侧分别通过一对U形夹块(2)固定在轨道(1)的底座上；相邻两U形夹块(2)之间固定有连接板(3)；
所述FBG应变传感器的两端沿轨道(1)的直线方向固定在托座上。
2.根据权利要求1所述的一种基于FBG的火车动态称重传感器，其特征在于，所述U形夹块(2)的相对一内表面为与轨道(1)底座上表面配合的贴合面(202)；所述U形夹块(2)的相对另一内表面与托座配合；所述U形夹块(2)外侧面设有与连接板(3)配合的槽道(201)。
3.根据权利要求1所述的一种基于FBG的火车动态称重传感器，其特征在于，所述托座包括“工”字形座(4)或“＝”形座(5)。
4.根据权利要求3所述的一种基于FBG的火车动态称重传感器，其特征在于，所述“工”字形座(4)与U形夹块(2)配合的端部为端板(402)，所述端板(402)与“工”字形座(4)形成阶梯面，使得“工”字形座(4)与轨道(1)底面形成间隙；所述端板(402)固定在U形夹块(2)上；所述“工”字形座(4)的表面开有与FBG应变传感器配合的螺纹孔a(401)。
5.根据权利要求3所述的一种基于FBG的火车动态称重传感器，其特征在于，所述“＝”形座(5)固定在U形夹块(2)的一外侧面；所述“＝”形座(5)的中部开有与FBG应变传感器配合的螺纹孔b(501)，所述“＝”形座(5)的端部开有贯通孔。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于FBG的火车动态称重传感器，其特征在于，所述U形夹块(2)的槽道(201)内还开有螺纹孔b；所述U形夹块(2)一外侧面还设置有一与“＝”形座(5)的贯通孔配合的螺柱(203)。
7.根据权利要求1所述的一种基于FBG的火车动态称重传感器，其特征在于，所述连接板(3)的两端分别与一U形夹块(2)的槽道(201)配合，所述连接板(3)的两端开有与槽道(201)内的螺纹孔b配合的贯通孔。
8.如权利要求1-7任意一所述的一种基于FBG的火车动态称重传感器的安装方法，其特征在于，包括如下过程：
SS01 将FBG应变传感器的两端分别固定在两组夹具的托座上，并且FBG应变传感器的中心线与轨道(1)的中心线共线；
SS02 将一对U形夹块(2)通过连接板(3)连接；
SS03 在相互平行的两轨道(1)的相对位置分别安装SS01中固定有FBG应变传感器的托座，通过SS02形成的连接式U形夹块(2)固定在轨道(1)上；
SS04 每个传感器通过两个夹具固定，分别将传感器的两端沿着轨道方向固定安装；该托座是包裹钢轨下端面，并能紧紧抱死在钢轨下表面，同时该固定托座上表面或下表面正中；
SS05 夹具采用大弹性模量的碳钢或不锈钢，并对结构连接处进行螺丝加垫片、贴胶处理。
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