CN110758474A - 一种阵列光栅传感与交叉感应回线相结合的高速磁悬浮列车定位测速方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种阵列光栅传感与交叉感应回线相结合的高速磁悬浮列车定位测速方法，包括脉冲光源、低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器、信号解调单元和数据处理器；低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器沿列车轨道长定子侧面固定；脉冲光源发出的光到达低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器并返回，经信号解调单元采用时分复用方式解调为电信号，数据处理器根据解调的电信号得到每个光栅点的应变信号，对列车运行过程进行绝对定位；然后利用该相邻的光栅点之间铺设的交叉感应回线对列车进行相对定位与测速。本发明利用低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器对列车绝对定位，对交叉感应回线对磁悬浮列车的相对定位进行校正，提高磁悬浮列车的定位精度。
Description
技术领域
本发明属于磁悬浮列车定位测速技术领域，具体涉及一种阵列光栅传感与交叉感应回线相结合的高速磁悬浮列车定位测速方法。
背景技术
磁悬浮由于其无接触的特点，避免了物体之间的摩擦和磨损，能延长设备的使用寿命，改善设备的运行条件，因而在交通、冶金、电气、机械、等方面有着广阔的应用背景。高速磁浮列车以其在技术、经济、环保方面的独特优势被认为是世纪交通工具的发展方向。每小时600公里时速的磁悬浮列车对精确定位和测速提出了越来越高的要求。精密定位与测速***对保障高速铁路安全运营至关重要。
传统磁悬浮列车采用相对定位和绝对定位的技术手段，相对定位通常应用交叉感应回线原理，通过检测计数脉冲的个数与周期来实现列车的定位与测速。但由于位置信息是相对的，测量误差会随着时间累积，需要每隔一定的距离对列车的位置进行修正，并且电磁检测的非线性因素会使传感器的整体误差及精度受到影响。绝对定位通常应用脉冲编码技术来实现列车定位与测速，在列车上安装车载阅读器，通过检测轨道两边标志板编码信息来计算出列车位置。但是此方法无法实现长距离连续测量定位，存在检测盲区，电子式传感器信号传输速度慢，导致定位实时信息不准确，测量***容易受到电磁干扰。
光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、本征安全、寿命长、耐腐蚀、传输距离远等优点，可同时作为传感元件和传输媒介，并且容易实现多点和分布式测量，因而是最有希望用于智能结构的传感技术，尤其是自光纤布拉格光栅传感器出现以来，由于它较之其他原理的传感器，具有线性输出、绝对测量、对电磁干扰不敏感、可构成传感网络以及微型化等许多不可替代的突出优越性，因而在智能结构中有十分广阔的应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种阵列光栅传感与交叉感应回线相结合的高速磁悬浮列车定位测速方法，能够提高测量精度。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种阵列光栅传感与交叉感应回线相结合的高速磁悬浮列车定位测速***，其特征在于：本定位测速***包括脉冲光源、低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器、信号解调单元和数据处理器；其中，低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器沿列车轨道长定子侧面固定，包括每隔1-10m绝对定位的光栅点；所述的低反射率为0.001%-1%；
脉冲光源发出的光到达低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器并返回，经信号解调单元采用时分复用方式解调为电信号，数据处理器根据解调的电信号得到每个光栅点的应变信号，从而对列车运行过程进行绝对定位至两个相邻的光栅点之间；
然后利用该相邻的光栅点之间铺设的交叉感应回线对列车进行相对定位与测速。
按上述方案，所述的低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器包括光纤和封装结构；其中，
光纤上每隔1-10m刻写有相同波长的光纤布拉格光栅作为所述的光栅点，采用时分复用方式，利用光时域反射技术定位相同波长的光纤布拉格光栅；
封装结构包括金属条带，金属条带沿长度方向设有用于固定所述光纤的槽孔，槽孔上每隔1-10m开有柱形孔，每个柱形孔内设有磁片，所述的光纤布拉格光栅位于柱形孔的中央，且位于磁片上方，金属条带固定好光纤后整体沿长度方向进行封装成缆。
按上述方案，所述的金属条带的厚度为2-3mm，宽度为3-5mm；所述的槽孔的深度为0.5mm，宽度为0.3mm。
按上述方案，所述的柱形孔为圆柱形，厚度为2-3mm；所述的磁片直径为1-2mm，厚度为1-2mm。
利用所述的定位测速***实现的定位测速方法，其特征在于：
当列车经过光栅点时，由于装在车辆两侧转向架上的悬浮电磁铁和铺设在线路导轨上的磁铁产生的强磁场，使光栅点位置移动，导致光栅点受力使得该光栅点反射谱信号中心波长漂移，通过检测该光栅点波长的漂移量，测量引起变化的物理量，进而获取列车实时行驶位置，实现列车绝对定位；
对铺设在轨道梁上表面的交叉感应回线通以一定频率的交流信号，然后通过车载天线检测回线发出的信号；当列车运行时，随着车体与交叉感应回线相对位置的改变，天线将产生按一定规律变化的感应电势；检测出感应电势的周期，用回线相邻交叉点的距离除以周期得到列车当前的车速；
记下列车过交叉点的个数，用回线相邻交叉点的距离乘以交叉点个数得到列车的相对位移；每隔1-10m，通过低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器检测的列车实时行驶位置，对交叉感应回线定位的相对位移进行校正。
本发明的有益效果为：利用低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器对列车绝对定位，对交叉感应回线对磁悬浮列车的相对定位进行校正，提高了磁悬浮列车的定位精度。
附图说明
图1为本发明一实施例的整体结构示意图。
图2 为本发明一实施例的光纤传感器封装结构示意图。
图中：1-脉冲光源，2-低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器，3-信号解调单元，4-数据处理器，5-金属条带，6-槽孔，7-磁片，8-光纤布拉格光栅，9-粘接剂。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种阵列光栅传感与交叉感应回线相结合的高速磁悬浮列车定位测速***，如图1 所示，本定位测速***包括脉冲光源1、低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器2、信号解调单元3和数据处理器4；其中，低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器2沿列车轨道长定子侧面固定，包括每隔1-10m绝对定位的光栅点；所述的低反射率为0.001%-1%。脉冲光源1发出的光到达低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器2并返回，经信号解调单元3采用时分复用方式解调为电信号，数据处理器4根据解调的电信号得到每个光栅点的应变信号，从而对列车运行过程进行绝对定位至两个相邻的光栅点之间；然后利用该相邻的光栅点之间铺设的交叉感应回线对列车进行相对定位与测速。
所述的低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器2包括光纤和封装结构；其中，如图2所示，光纤上每隔1-10m刻写有相同波长的光纤布拉格光栅8作为所述的光栅点，采用时分复用方式，利用光时域反射技术定位相同波长的光纤布拉格光栅8；封装结构包括金属条带5，金属条带5沿长度方向设有用于固定所述光纤的槽孔6，槽孔6上每隔1-10m开有柱形孔，每个柱形孔内设有磁片7，所述的光纤布拉格光栅8位于柱形孔的中央，且位于磁片7上方，光纤布拉格光栅8两端采用粘接剂9固定在槽孔6中。金属条带5固定好光纤后整体沿长度方向进行封装成缆，粘贴于长定子侧面。
本实施例中，所述的金属条带5的厚度为2-3mm，宽度为3-5mm；所述的槽孔6的深度为0.5mm，宽度为0.3mm，采用激光加工方法加工得到，用于粘贴光栅。所述的柱形孔为圆柱形，厚度为2-3mm；所述的磁片7直径为1-2mm，厚度为1-2mm。
利用所述的定位测速***实现的定位测速方法，当列车经过光栅点时，由于装在车辆两侧转向架上的悬浮电磁铁和铺设在线路导轨上的磁铁产生的强磁场，使光栅点位置移动，导致光栅点受力使得该光栅点反射谱信号中心波长漂移，通过检测该光栅点波长的漂移量，测量引起变化的物理量，进而获取列车实时行驶位置，即位于某个光栅点，实现列车绝对定位。对铺设在轨道梁上表面的交叉感应回线通以一定频率的交流信号，然后通过车载天线检测回线发出的信号；当列车运行时，随着车体与交叉感应回线相对位置的改变，天线将产生按一定规律变化的感应电势；检测出感应电势的周期，用回线相邻交叉点的距离除以周期得到列车当前的车速。记下列车过交叉点的个数，用回线相邻交叉点的距离乘以交叉点个数得到列车的相对位移；前面利用光栅点定位列车的绝对位置（范围较大），两个光栅点之间利用交叉感应方法进行位置精细划分（范围较小）。每隔1-10m，通过低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器检测的列车实时行驶位置，对交叉感应回线定位的相对位移进行校正，具体的，将低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器检测信号传回数据处理中心，相邻光栅点之间应用的交叉感应回线定位方法每隔一定的距离存在定位误差，并且随着距离增加，定位误差加大，通过不同光栅点反射谱信号作为补偿信号，每隔一定距离对定位信息进行校正，减少列车定位误差。
所述信号解调单元3是基于时分复用解调算法，信号解调单元3接收处理不同时序的反射谱信号，包括信号采集，预处理，寻峰，阈值判定等过程。信号采集是提取每个光纤布拉格光栅反射谱信号；预处理包括对信号去噪，滤除高频噪声信号，获取有用信号子光谱；寻峰过程为对不同时序返回的信号进行处理，通过寻峰算法找到反射谱信号中心波长；阈值判定为对每个反射谱中心波长进行判断，当信号的波长漂移超过一定范围，判定为列车到来的位置。然后将处理过的信号传回信号处理中心，将此信号作为交叉感应回线定位的校正信号，最后由计算机4进行处理，实时显示列车的位置与速度。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种阵列光栅传感与交叉感应回线相结合的高速磁悬浮列车定位测速***，其特征在于：本定位测速***包括脉冲光源、低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器、信号解调单元和数据处理器；其中，低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器沿列车轨道长定子侧面固定，包括每隔1-10m绝对定位的光栅点；所述的低反射率为0.001%-1%；
脉冲光源发出的光到达低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器并返回，经信号解调单元采用时分复用方式解调为电信号，数据处理器根据解调的电信号得到每个光栅点的应变信号，从而对列车运行过程进行绝对定位至两个相邻的光栅点之间；
然后利用该相邻的光栅点之间铺设的交叉感应回线对列车进行相对定位与测速。
2.根据权利要求1所述的定位测速***，其特征在于：所述的低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器包括光纤和封装结构；其中，
光纤上每隔1-10m刻写有相同波长的光纤布拉格光栅作为所述的光栅点，采用时分复用方式，利用光时域反射技术定位相同波长的光纤布拉格光栅；
封装结构包括金属条带，金属条带沿长度方向设有用于固定所述光纤的槽孔，槽孔上每隔1-10m开有柱形孔，每个柱形孔内设有磁片，所述的光纤布拉格光栅位于柱形孔的中央，且位于磁片上方，金属条带固定好光纤后整体沿长度方向进行封装成缆。
3.根据权利要求2所述的定位测速***，其特征在于：所述的金属条带的厚度为2-3mm，宽度为3-5mm；所述的槽孔的深度为0.5mm，宽度为0.3mm。
4.根据权利要求2或3所述的定位测速***，其特征在于：所述的柱形孔为圆柱形，厚度为2-3mm；所述的磁片直径为1-2mm，厚度为1-2mm。
5.利用权利要求1-4中任意一项所述的定位测速***实现的定位测速方法，其特征在于：
当列车经过光栅点时，由于装在车辆两侧转向架上的悬浮电磁铁和铺设在线路导轨上的磁铁产生的强磁场，使光栅点位置移动，导致光栅点受力使得该光栅点反射谱信号中心波长漂移，通过检测该光栅点波长的漂移量，测量引起变化的物理量，进而获取列车实时行驶位置，实现列车绝对定位；
对铺设在轨道梁上表面的交叉感应回线通以一定频率的交流信号，然后通过车载天线检测回线发出的信号；当列车运行时，随着车体与交叉感应回线相对位置的改变，天线将产生按一定规律变化的感应电势；检测出感应电势的周期，用回线相邻交叉点的距离除以周期得到列车当前的车速；
记下列车过交叉点的个数，用回线相邻交叉点的距离乘以交叉点个数得到列车的相对位移；每隔1-10m，通过低反射率光纤应变敏感阵列光栅传感器检测的列车实时行驶位置，对交叉感应回线定位的相对位移进行校正。
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