CN110749952B - 一种高速磁悬浮列车定位测速光纤光栅阵列光缆制备方法 - Google Patents
一种高速磁悬浮列车定位测速光纤光栅阵列光缆制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及光纤传感技术领域，特指一种用于高速磁悬浮列车长距离定位测速***的光纤光栅阵列光缆制备方法,其制备过程需要用到以下设备与材料：具有紫外固化功能的自动点胶机、点胶加载平台、张力加载机构、线性材料自动收放设备、搅拌装置、自动成缆设备、紫外固化胶、磁粉、扁平聚合物底带、扁平聚合物柔性顶带以及光纤光栅阵列。通过在每个低反射率短光栅中心上涂覆磁粉，实现对磁性材料的应变传感，通过多组光栅应变传感阵列的并用，单根光缆可实现10km距离内1cm的定位分辨率和相关速度测量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特指一种用于高速磁悬浮列车长距离定位测速***的光纤光栅阵列光缆制备方法。
背景技术
轨道交通是我国国民经济的命脉，是综合交通运输体系的骨干网络，不仅承担了绝大部分国家战略、经济物资的运输，还承担着客运运输职能，在促进我国资源输送、加强区域经济交流、解决城市交通拥堵等方面发挥了巨大作用。随着高速铁路、城市地铁的快速发展和轨道交通运营的高速化、密集化，其安全问题已成为影响和制约轨道交通建设和发展的主要挑战。如何科学地维护规模如此庞大的运营线路，保障基础设施稳定可靠，从而使轨道交通能够长期安全运营是现阶段轨道交通发展所必须解决的问题。
高速磁悬浮列车定位测速***在轨道交通安全研究中起着关键作用。对于普通的轮轨铁路，主要通过轨道电路和安装在车轮上的光电编码器确定列车的位置和速度。由于磁悬浮列车没有车轮，运行时车辆和轨道之间没有接触，因此对磁悬浮列车的定位和测速不能直接引用传统铁路的测试方法。
目前用于低速磁悬浮列车定位***的方法主要有微波定位、轨间电缆定位、计数轨枕定位等方法。而对于高速磁悬浮列车，日本和德国分别进行了相关的定位研究。日本超导型磁悬浮列车运行位置的检测是通过安装在导向槽内的交叉感应线圈实现的，采用交叉感应线圈的方法具有精度高、实时性较好的特点。但这种方法的实现难度在于列车位置检测***中的各个装置的精度要求很高,从而导致设备设计复杂,制造、安装以及后期的维护成本较大。德国的高速磁悬浮铁路对列车的定位和测速采用的是“信标与极距检测相结合”的方式，由于磁悬浮列车运行速度很高,通过此方法获取列车位置存在不准确的情况,从而使得在某些情况下获得的列车运行位置只能表征列车处在某两个相邻的信标之间，其可靠性和准确性依然无法保证列车运行的绝对安全。
目前我国普遍采用电类传感器来实现列车的测速与定位，但是，传统的电类传感器可靠性较差、精度较低、抗干扰能力较弱。尤其在高速铁路电气化发展的今天，面对强电磁干扰、恶劣环境和异常天气，电类传感器时常会发生误判。
光纤传感是近些年来发展迅猛的技术之一，它利用光纤来感知和传输相关信息。光纤传感具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、可构成光纤传感网络等诸多优点,在轨道交通领域具有广阔的应用前景。尤其以光纤光栅(FBG)传感技术更为突出，它具有测量精度高、响应快、定位准等突出优点，近十年来已在智能轨道交通安全监测领域得到了广泛研究与应用。本专利提出了一种基于光纤光栅传感技术的用于高速磁悬浮列车长距离定位测速***的光纤光栅阵列光缆制备方法，利用该光缆结合相关的数据采集和处理模块，可实现对高速磁悬浮列车的精准定位与测速。该技术方法能实时监测磁悬浮列车运行状况，为列车安全稳定运行提供保障，具有巨大的经济价值和重要的社会价值。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于高速磁悬浮列车长距离定位测速***的光纤光栅阵列光缆制备方法，利用该方法制备的光缆，单根光缆即可实现10km距离内1cm的定位分辨率和相关速度测量。
为了实现上述目的，本发明应用的技术方案如下：
一种用于高速磁悬浮列车长距离定位测速***的光纤光栅阵列光缆制备方法，其制备过程需要用到以下设备与材料：具有紫外固化功能的自动点胶机、点胶加载平台、张力加载机构、线性材料自动收放设备、搅拌装置、自动成缆设备、紫外固化胶、磁粉、扁平聚合物底带、扁平聚合物柔性顶带以及光纤光栅阵列，
其制备方法包括以下步骤：
步骤1)：将光栅阵列连续刻写在同一根光纤中，光栅的长度为1～5mm,以1m距离为一个刻写周期，每间隔5cm刻写一个不同波长的光纤布拉格光栅，相邻光栅的波长间隔为1～3nm，连续刻写二十个不同波长的光纤布拉格光栅后，重复上述刻写过程；
步骤2)：通过搅拌装置将紫外固化胶与磁粉搅拌成混合物；
步骤3)：利用具有紫外固化功能的自动点胶机与点胶加载平台将混合物均匀涂覆在每个光纤光栅的中心区域，制作成粘附于光栅中心区域的光栅应变传感器；
步骤4)：沿扁平聚合物底带的长度方向上设有五条用于粘贴光栅阵列的槽道；
步骤5)：沿扁平聚合物底带宽度方向，在第一个槽道上每隔5cm设有一个内孔槽，且该内孔槽以槽道为中心两侧对称设置，剩余四条槽道依此设计，相邻槽道上内孔槽的位置沿同一方向依次错位1cm；
步骤6)：通过张力加载机构将五根光纤张紧，并分别放入扁平聚合物底带的五条槽道内，且光栅应变传感器位于内孔槽中央；
步骤7)：沿扁平聚合物底带的长度方向，在相邻内孔槽的中间位置，利用具有紫外固化功能的自动点胶机与点胶加载平台将五根光纤分别固定在相应槽道内；
步骤8)：通过线性材料自动收放设备将扁平聚合物柔性顶带均匀覆盖于扁平聚合物底带的上表面；
步骤9)：通过自动成缆设备封装成缆。
进一步而言，步骤1)中所述的光纤的总长度为10km。
进一步而言，步骤2)中所述的磁粉的粒度在3～30μm，磁粉与紫外固化胶的比例为0.5:1～1:1。
进一步而言，步骤3)中所述的光栅应变传感器长度为1～3mm、宽度为1～2mm，厚度为0.5～1mm。
进一步而言，步骤4)中所述的槽道深度约为0.7mm，宽度约为0.3mm，间距约为1.5mm。
进一步而言，步骤5)中所述的内孔槽长度为2～2.5mm，宽度为1～1.5mm，深度为1～1.5mm。
本发明有益效果：
1)按照上述方法制备的光缆，其内部相邻光纤的光栅分布间隔约为1cm，从而单根光缆即可实现10km距离内1cm的定位分辨率和相关速度测量，理论研究表明，通过适当增加光纤阵列的并带数量，可以实现更远距离的定位需求，通过适当减小相邻光栅应变传感器的间隔，可以实现更短距离的定位精度和相关速度测量要求；
2)本发明所用材料合理，光纤光栅阵列具有测量精度高、响应快、抗电磁干扰能力强、可分布式测量的优势,将磁粉均匀涂覆在光栅中心制作成磁性感应传感器件，能够精准响应光栅的应变,设计结构合理，采用并带错位放置的方法，能够实现1cm精度的定位要求,通过相关仪器仪表对光纤光栅反射谱信号进行解调与分析，能够在线得到磁悬浮列车的位置和速度信息，实现了对高速磁悬浮列车运行安全状况的实时监测。
附图说明
图1是本发明整体结构图；
图2是本发明扁平聚合物底带结构图。
1.光纤光栅阵列；2.光栅应变传感器；3.扁平聚合物柔性顶带；4.槽道；5.扁平聚合物底带；6.内孔槽。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
如图1和图2所示，本发明所述一种用于高速磁悬浮列车长距离定位测速***的光纤光栅阵列光缆制备方法，其制备过程需要用到以下设备与材料：具有紫外固化功能的自动点胶机、点胶加载平台、张力加载机构、线性材料自动收放设备、搅拌装置、自动成缆设备、紫外固化胶、磁粉、扁平聚合物底带5、扁平聚合物柔性顶带3以及光纤光栅阵列1，
其制备方法包括以下步骤：
步骤1)：将光栅阵列1连续刻写在同一根光纤中，光栅的长度为1～5mm,以1m距离为一个刻写周期，每间隔5cm刻写一个不同波长的光纤布拉格光栅，相邻光栅的波长间隔为1～3nm，连续刻写二十个不同波长的光纤布拉格光栅后，重复上述刻写过程；
步骤2)：通过搅拌装置将紫外固化胶与磁粉搅拌成混合物；
步骤3)：利用具有紫外固化功能的自动点胶机与点胶加载平台将混合物均匀涂覆在每个光纤光栅的中心区域，制作成粘附于光栅中心区域的光栅应变传感器2；
步骤4)：沿扁平聚合物底带5的长度方向上设有五条用于粘贴光栅阵列1的槽道4；
步骤5)：沿扁平聚合物底带5宽度方向，在第一个槽道4上每隔5cm设有一个内孔槽6，且该内孔槽6以槽道4为中心两侧对称设置，剩余四条槽道4依此设计，相邻槽道4上内孔槽6的位置沿同一方向依次错位1cm。
步骤6)：通过张力加载机构将五根光纤张紧，并分别放入扁平聚合物底带5的五条槽道4内，且光栅应变传感器2位于内孔槽6中央；
步骤7)：沿扁平聚合物底带5的长度方向，在相邻内孔槽6的中间位置，利用具有紫外固化功能的自动点胶机与点胶加载平台将五根光纤分别固定在相应槽道4内；
步骤8)：通过线性材料自动收放设备将扁平聚合物柔性顶带3均匀覆盖于扁平聚合物底带5的上表面；
步骤9)：通过自动成缆设备封装成缆。
更具体而言，步骤1)中所述的光纤的总长度为10km。
更具体而言，步骤2)中所述的磁粉的粒度在3～30μm，磁粉与紫外固化胶的比例为0.5:1～1:1。
更具体而言，步骤3)中所述的光栅应变传感器2长度为1～3mm、宽度为1～2mm，厚度为0.5～1mm。
更具体而言，步骤4)中所述的槽道4深度约为0.7mm，宽度约为0.3mm，间距约为1.5mm。
更具体而言，步骤5)中所述的内孔槽6长度为2～2.5mm，宽度为1～1.5mm，深度为1～1.5mm。
本发明的工作原理：
将上述光缆安装于轨道梁的上表面中间部位，与此对应的在列车前端底部安装一个永磁铁，当列车沿轨道行驶时，光纤光栅传感区域在磁力作用下会产生应变，通过相关仪器仪表对其应变信号进行实时采集和分析，能够得到磁悬浮列车的位置和速度信息，实现了对高速磁悬浮列车运行安全状况的在线实时监测。
以上对本发明实施例中的技术方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高速磁悬浮列车定位测速光纤光栅阵列光缆制备方法，其制备过程需要用到以下设备与材料：
具有紫外固化功能的自动点胶机、点胶加载平台、张力加载机构、线性材料自动收放设备、搅拌装置、自动成缆设备、紫外固化胶、磁粉、扁平聚合物底带(5)、扁平聚合物柔性顶带(3)以及光纤光栅阵列(1)，
其制备方法包括以下步骤：
步骤1)：将光纤光栅阵列(1)连续刻写在同一根光纤中，光栅的长度为1～5mm,以1m距离为一个刻写周期，每间隔5cm刻写一个不同波长的光纤布拉格光栅，相邻光栅的波长间隔为1～3nm，连续刻写二十个不同波长的光纤布拉格光栅后，重复上述刻写过程；
步骤2)：通过搅拌装置将紫外固化胶与磁粉搅拌成混合物；所述的磁粉的粒度在3～30μm，磁粉与紫外固化胶的比例为0.5:1～1:1；
步骤3)：利用具有紫外固化功能的自动点胶机与点胶加载平台将混合物均匀涂覆在每个光纤光栅的中心区域，制作成粘附于光栅中心区域的光栅应变传感器(2)；
步骤4)：沿扁平聚合物底带(5)的长度方向上设有五条用于粘贴光纤光栅阵列(1)的槽道(4)；
步骤5)：沿扁平聚合物底带(5)宽度方向，在第一个槽道(4)上每隔5cm设有一个内孔槽(6)，且该内孔槽(6)以槽道(4)为中心两侧对称设置，剩余四条槽道(4)依此设计，相邻槽道(4)上内孔槽(6)的位置沿同一方向依次错位1cm；
步骤6)：通过张力加载机构将五根光纤张紧，并分别放入扁平聚合物底带(5)的五条槽道(4)内，且光栅应变传感器(2)位于内孔槽(6)中央；
步骤7)：沿扁平聚合物底带(5)的长度方向，在相邻内孔槽(6)的中间位置，利用具有紫外固化功能的自动点胶机与点胶加载平台将五根光纤分别固定在相应槽道(4)内；
步骤8)：通过线性材料自动收放设备将扁平聚合物柔性顶带(3)均匀覆盖于扁平聚合物底带(5)的上表面；
步骤9)：通过自动成缆设备封装成缆；光缆安装于轨道梁的上表面中间部位，与此对应的在列车前端底部安装一个永磁铁，当列车沿轨道行驶时，光纤光栅传感区域在磁力作用下产生应变，通过仪器仪表对其应变信号进行实时采集和分析，能够得到磁悬浮列车的位置和速度信息，实现了对高速磁悬浮列车运行安全状况的在线实时监测。
2.根据权利要求1所述的一种高速磁悬浮列车定位测速光纤光栅阵列光缆制备方法，其特征在于：步骤1)中所述的光纤的总长度为10km。
3.根据权利要求1所述的一种高速磁悬浮列车定位测速光纤光栅阵列光缆制备方法，其特征在于：步骤3)中所述的光栅应变传感器(2)长度为1～3mm、宽度为1～2mm，厚度为0.5～1mm。
4.根据权利要求1所述的一种高速磁悬浮列车定位测速光纤光栅阵列光缆制备方法，其特征在于：步骤4)中所述的槽道(4)深度为0.7mm，宽度为0.3mm，间距为1.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种高速磁悬浮列车定位测速光纤光栅阵列光缆制备方法，其特征在于：步骤5)中所述的内孔槽(6)长度为2～2.5mm，宽度为1～1.5mm，深度为1～1.5mm。
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