CN110514277A - 一种用于铁路大载荷动态称重计量的光纤传感器 - Google Patents
一种用于铁路大载荷动态称重计量的光纤传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种用于铁路大载荷动态称重计量的光纤传感器，包括基板、光纤传感器组件，所述基板为具有一定厚度的长条形结构，用于贴合在铁轨底部，长条形的长度大于等于铁轨上两个枕木间的距离，长条形的宽度小于等于铁轨底部的宽度，所述光纤传感器组件设置在所述长条形的长边的侧面，所述光纤传感器组件包括弹性体、光纤敏感元件，所述光纤敏感元件设置在所述弹性体上。本申请的光纤传感器，能够方便地固定在铁轨的底部，实现对铁路大载荷动态称重计量。
Description
技术领域
本发明涉及动态称重技术领域，尤其是涉及一种用于铁路大载荷动态称重的光纤传感器。
背景技术
光纤同其它物质一样在受到环境和外力作用后会改变自己的一些特性—光纤的波长随外界作用同比改变。利用这一性质，光纤已经用于测量温度，应力等领域。
目前无梁式轨道衡及铁路超偏载设备一般采用板式压力传感器与直接在铁轨上钻孔安装剪力传感器相结合的方式，完成对车皮重量及车型识别的测量，但在铁轨上钻孔会直接影响钢轨的强度；焊接方式虽然避免了在铁轨上打孔，但因为焊点极小，对作业面要求极其严格——要求焊接面光滑平整如镜。在铁路施工现场没有时间进行细致的打磨工作，因而现场可操作性不强。
且由于铁路上的动态计量负荷大，冲击力大，且受力方向多变，因此，在要求精度较高，速度较快的铁路动态称重计量方面的问题亟待解决。
发明内容
本申请的目的是提供一种用于铁路大载荷动态称重计量的光纤传感器，光纤传感器的基板的长度大于等于与铁轨底部枕木间的距离，使光纤传感器能够方便地安装在铁轨底部与枕木之间，将铁轨受压变形产生的剪力信号传递到光纤传感器组件上，实现对铁路大载荷动态称重计量。
本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种用于铁路大载荷动态称重计量的光纤传感器，包括基板、光纤传感器组件，所述基板为具有一定厚度的长条形结构，用于贴合在铁轨底部，长条形的长度大于等于铁轨上两个枕木间的距离，长条形的宽度小于等于铁轨底部的宽度，所述光纤传感器组件设置在所述长条形的长边的侧面，所述光纤传感器组件包括弹性体、光纤敏感元件，所述光纤敏感元件设置在所述弹性体上。
本发明的上述发明目的还通过以下技术方案得以实现：
一种光纤传感器，包括光纤传感器组件、光纤数据采集仪，所述光纤数据采集仪的采样速度大于等于1000次/秒，最小分辨率为1PM，所述光纤传感器组件包括弹性体、光纤敏感元件，所述光纤敏感元件设置在所述弹性体上。
本发明进一步设置为：所述基板的两个所述侧面对称设置有所述光纤传感器组件。
本发明进一步设置为：在一个所述侧面设置一个所述光纤传感器组件，所述光纤传感器组件位于所述侧面的中和轴与中心线的交点上。
本发明进一步设置为：在一个所述侧面设置二个所述光纤传感器组件，所述光纤传感器组件以所述侧面的中心线为轴，对称设置在所述侧面的中和轴上。
本发明进一步设置为：所述光纤敏感元件以直线方式固定在所述弹性体上，所述光纤敏感元件与所述侧面的中和轴的夹角为40度～ 50度，或为负40度～负50度，以组成剪力检测方式。
本发明进一步设置为：所述基板的厚度大于等于30mm。
本发明进一步设置为：在100吨负载时，所述弹性体为长2cm～ 3.5cm、宽3mm～5mm、厚0.3mm～0.5mm的合金钢板材。
本发明进一步设置为：所述光纤敏感元件的长度为1.0cm～ 2.5cm，在外力作用时满负荷变化长度为2～6nm。
本发明进一步设置为：所述弹性体的两端设置有固定基板，所述固定基板上设置有对称分布的固定点，用于将所述弹性体固定在所述基板上。
本发明进一步设置为：所述光纤传感器组件以嵌入方式固定在所述侧面上，所述光纤传感器组件表面低于所述侧面表面，或与所述侧面表面持平，在所述光纤传感器组件表面上设置有保护层。
本发明进一步设置为：：所述侧面为长方形结构，或为凸字形结构。
本发明进一步设置为：所述基板两端为燕尾结构，或为双耳结构，在燕尾部或双耳部设置有螺丝孔。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：
1.本申请的光纤传感器，其基板的长条形，与铁轨轨底相配合，实现了将铁轨受力变形产生的剪力信息传递到板式光纤传感器，避免了在钢轨轨腰钻孔而引起的不安全因素；
2.进一步地，本申请将光纤传感器组件以剪力检测方式设置在基板的侧面，精确检测铁轨的受力，实现了用一种新的材料—光纤作为敏感元件对铁路大载荷测量；
3.进一步地，本申请采用光纤传感器组件，实现了直接数字输出，抗干扰性强，传输距离远，节约省电的特点。
附图说明
图1是本发明的光纤测量的实验结构示意图。
图2、3、4是本发明的光纤测量的实验测试数据示意图。
图5是本发明的一个具体实施例中光纤传感器的结构示意图。
图6是本发明的又一个具体实施例中光纤传感器的结构示意图。
图7是本发明的一个具体实施例中光纤传感器组件的结构示意图。
图8是本发明的一个具体实施例中光纤传感器组件的侧视示意图。
图9是本发明的一个具体实施例中光纤传感器输出数据波形示意图。
图10是本发明的又一个具体实施例中光纤传感器输出数据波形示意图；
图11是本发明的一个具体实施例中基板侧面结构示意图；
图12是本发明的又一个具体实施例中基板与铁轨组合的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
为了确认光纤传感器能否应运于铁轨的动态称重，申请人进行了如下实验：如图1所示，在铁轨6的轨腰的两侧，分别将光纤3、4 点焊在实验铁轨轨腰的中和轴上，光纤与中和轴之间呈45°角，形成测试剪力应变的态势，用压力机5在铁轨上方加压，在铁轨轨面上的同一位置，施加不同压力时，光纤传感器的输出波长，测试数据如表1：
表1：
| 压力(T) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 传感器3 | 1533.138 | 1533.273 | 1533.425 | 1533.579 | 1533.736 |
| 传感器4 | 1549.364 | 1549.51 | 1549.652 | 1549.792 | 1549.935 |
| 压力(T) | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 传感器3 | 1533.898 | 1534.06 | 1534.226 | 1534.389 | 1534.553 |
| 传感器4 | 1550.066 | 1550.198 | 1550.329 | 1550.458 | 1550.585 |
| 压力(T) | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
| 传感器3 | 1534.713 | 1534.877 | 1535.042 | 1535.206 | 1535.375 |
| 传感器4 | 1550.712 | 1550.84 | 1550.964 | 1551.091 | 1551.22 |
改变压力机在铁轨轨面上的压力点，再次进行测试，测试结果如表2：
表2：
可以看出，在相同压力时，光纤输出变化一致。
采用多根光纤，进行多次测量，测量其输出波长与压力的关系如图2、3、4所示，从图中可以看出，用光纤测量压力，其线性度R2达到0.9999以上，非常适用于测量大载荷压力和剪力。
具体实施方式一
本申请的一种光纤传感器组件，如图7所示，包括弹性体、光纤敏感元件，弹性体的两端设置有固定基板，固定基板上设置有对称分布的固定点，在图中用焊点表示。
优选地，弹性体与固定基板为一体结构。
图中标号1、2之间的部分为弹性体部分，弹性体两端的部分为固定基板部分。
在弹性体中间设置有空槽，光纤敏感元件放置在空槽中，相应地，在固定基板的相应位置也设置有空槽，光纤敏感元件的外延部分设置在固定基板上的空槽中，在弹性体上的光纤敏感元件直线放置，贴合在弹性体上。
在固定基板的两端，分别设置有同一方向的折弯部，如图8所示，折弯的角度优选90度。在两端的外部，对光纤引线采用铠甲保护。
在固定基板上下两个固定点之间，设置有预应力固定点，用于固定光纤敏感元件的外延部分。
优选地，对应100吨负载压力，弹性体为长2cm～3.5cm、宽3mm～ 5mm、厚0.3mm～0.5mm的合金钢板材。
光纤敏感元件的长度为1.0cm～2.5cm，在外力作用时满负荷变化长度量为2～6nm。
具体实施方式二
本申请的一种用于铁路大载荷动态称重计量的光纤传感器，包括光纤传感器组件、光纤数据采集仪，光纤数据采集仪的采样速度大于等于1000次/秒，最小分辨率为1PM，用于满足列车动态运行的要求，光纤传感器组件包括弹性体、光纤敏感元件，所述光纤敏感元件设置在所述弹性体上。
具体实施方式三
本申请的一种用于铁路大载荷动态称重计量的光纤传感器，包括基板、光纤传感器组件，所述基板为具有一定厚度的长条形结构，用于贴合在铁轨底部，长条形的长度大于等于铁轨上两个枕木间的距离，长条形的宽度小于等于铁轨底部的宽度，光纤传感器组件设置在长条形的长边的侧面，光纤传感器组件包括弹性体、光纤敏感元件，光纤敏感元件设置在弹性体上。
如图12所示，基板设置在铁轨下方的两个枕木之间，同时与铁轨底部贴合，因铁轨底部存在不光滑，此时的贴合包括基板与铁轨底部的点贴合。当基板与铁轨底部贴合后，铁轨上的受力就会转移到基板上，基板受力产生形变，因弹性体与光纤敏感元件固定在基板上，基板的形变也会传导到光纤敏感元件，引起光纤敏感元件中传输光波长在测试点的改变，根据此变化及光纤敏感元件在基板侧面安装的位置及形态，可进行压力或剪力的测量。
为了克服车轮在钢轨上运行时左右摇摆的受力不匀状况，在基板的两个所述侧面对称设置所述光纤传感器组件，为了简单起见，以一个侧面进行说明，
为了区分，平行于侧面长边方向上的中心线称为中和轴，垂直于长边方向上的中心线称为中心线。
在本申请的一个实施例中，在侧面设置一个光纤传感器组件时，则光纤传感器组件设置在中和轴与中心线的交点上，此状态下，动态测量的数据是两枕木区间的一个剪力波形数据，如图9所示，以实现对两枕木间钢轨剪力的测量，并与板式压力传感器测量相结合，完成对车皮的车型识别和重量测量。
在本申请的一个实施例中，在侧面设置二个光纤传感器组件时，则二个光纤传感器组件以中心线为轴，对称设置在中和轴上，此状态下，动态测量的数据是两枕木区间二个剪力波形数据，两个剪力数据波形合成后形成一个平稳的测量区间，如图10所示，以实现在两个枕木区间，两组剪力传感器的输出信号合成一个单独的计量数据区间，完成对车皮车轴重量的测量。
光纤敏感元件与侧面中和轴的夹角为40度～50度，或为负40度～负50度，以组成剪力检测方式。
在本申请的一个实施例中，侧面设置有凹槽，光纤传感器组件以嵌入方式固定在凹槽内，其表面低于所述侧面的表面，或与所述侧面表面持平，在所述光纤传感器组件表面上设置有保护层。
优选地，基板的厚度大于等于30mm。
在本申请的一个实施例中，侧面的形状为长方形结构，或为凸字形结构，凸字形结构如图11所示，在这两种结构时，基板的两端可不设置固定孔，也可设置固定孔，此结构可用于多个枕木区间安装，以利于全剪力连续采集数据。
在本申请的一个实施例中，基板7的两端分别设置有燕尾8结构，如图5所示，在燕尾8部设置有用于固定基板的固定孔9，固定孔内设置有螺纹；在基板7的侧面中心位置设置光纤传感器组件10。
在本申请的一个实施例中，基板的两端分别设置有双耳11，如图 6所示，在双耳部设置用于固定基板的固定孔9；在基板7的侧面中心位置设置光纤传感器组件10。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种用于铁路大载荷动态称重计量的光纤传感器，其特征在于：包括基板、光纤传感器组件，所述基板为具有一定厚度的长条形结构，用于贴合在铁轨底部，长条形的长度大于等于铁轨上两个枕木间的距离，长条形的宽度小于等于铁轨底部的宽度，所述光纤传感器组件设置在所述长条形的长边的侧面，所述光纤传感器组件包括弹性体、光纤敏感元件，所述光纤敏感元件设置在所述弹性体上。
2.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：所述基板的两个所述侧面对称设置有所述光纤传感器组件。
3.根据权利要求2所述的光纤传感器，其特征在于：在一个所述侧面设置一个所述光纤传感器组件，所述光纤传感器组件位于所述侧面的中和轴与中心线的交点上。
4.根据权利要求2所述的光纤传感器，其特征在于：在一个所述侧面设置二个所述光纤传感器组件，所述光纤传感器组件以所述侧面的中心线为轴，对称设置在所述侧面的中和轴上。
5.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：所述光纤敏感元件以直线方式固定在所述弹性体上，所述光纤敏感元件与所述侧面的中和轴的夹角为40度～50度，或为负40度～负50度，以组成剪力检测方式。
6.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：所述基板的厚度大于等于30mm。
7.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：在100吨负载时，所述弹性体为长2cm～3.5cm、宽3 mm～5mm、厚0.3mm～0.5mm的合金钢板材。
8.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：所述光纤敏感元件的长度为1.0cm～2.5cm，在外力作用时满负荷变化长度为2～6nm。
9.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：所述弹性体的两端设置有固定基板，所述固定基板上设置有对称分布的固定点，用于将所述弹性体固定在所述基板上。
10.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：所述光纤传感器组件以嵌入方式固定在所述侧面上，所述光纤传感器组件表面低于所述侧面表面，或与所述侧面表面持平，在所述光纤传感器组件表面上设置有保护层。
11.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：所述侧面为长方形结构，或为凸字形结构。
12.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：所述基板两端为燕尾结构，或为双耳结构，在燕尾部或双耳部设置有螺丝孔。
13.一种光纤传感器，其特征在于：包括光纤传感器组件、光纤数据采集仪，所述光纤数据采集仪的采样速度大于等于1000次/秒，最小分辨率为1PM，所述光纤传感器组件包括弹性体、光纤敏感元件，所述光纤敏感元件设置在所述弹性体上。
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